EP0013313A1

EP0013313A1 - Railway rail

Info

Publication number: EP0013313A1
Application number: EP79104463A
Authority: EP
Inventors: Werner Prof. Dr.-Ing. Herbst
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-01-08
Filing date: 1979-11-13
Publication date: 1980-07-23
Also published as: DE2900436A1

Abstract

This railway rail consists of a rail head (1), rail web (2) having a double form, and adjoining rail-foot flanges (3). So that the rail head (1) of the rail, which has a high moment of resistance against vertical and horizontal flexure, can yield elastically when subjected to horizontal and vertical impacts, the rail head having an optimum wear mass, the double rail web (2) is close together in the upper region (4) which terminates approximately vertically in the rail head (1) protruding on both sides, and bent apart in the lower region (6) in an arcuate manner towards the rail-foot flanges (3) which are angled to the outside.

Description

Die Erfindung betrifft eine Eisenbahnschiene mit Schienenkopf, doppeltem Schienensteg und Schienenfußflanschen.The invention relates to a railroad track with a rail head, a double rail web and rail foot flanges.

Eisenbahnschienen sind seit langem bekannt. Durch die geringe Rollreibung von Eisenrädern auf Eisenschienen wird ein wirtschaftlicher Transport von Gütern auf dem Lange ermöglicht, Dabei werden die verschiedensten Anforderungen an die Schiene gestellt. Um ein Austauschen der Schiene in möglichst langen Zeitintervallen zu erreichen, wird der Schienenkopf als Verschleißbereich möglichst großvolumig ausgebildet. Um die Durchbiegung der Schiene gering zu halten und dadurch eine größtmögliche Trägerwirkung der Schiene in Längsrichtung zur Reduzierung der Beanspruchung des Schotters und Untergrundes zu erzielen, ist das vertikale Widerstandsmoment gegen Biegung so groß wie möglich zu gestalten. Dabei ist zu berücksichtigen, daß das Materialvolumen möglichst klein gehalten und der Schienenfuß genügend breit ausgebildet wird, um die aus horizontalen Kräften herrührenden Kippmomente ohne Überbeanspruchung der Schienenbefestigungen auf die Schwelle übertragen zu können.Railroad tracks have been known for a long time. The low rolling friction of iron wheels on iron rails enables economical transportation of goods over the long haul. A wide variety of requirements are placed on the rail. In order to replace the rail in the longest possible intervals, the rail head is designed to be as large as possible as a wear area. In order to keep the deflection of the rail to a minimum and thereby achieve the greatest possible support effect of the rail in the longitudinal direction to reduce the stress on the ballast and the subsurface, the vertical moment of resistance to bending must be made as large as possible. It must be taken into account that the volume of material is kept as small as possible and that the rail base is made sufficiently wide to be able to transmit the tilting moments resulting from horizontal forces to the sleeper without overstressing the rail fastenings.

Diese Forderungen können mit dem heute eingesetzten Schienenprofil, das T-förmig ausgebildet ist, nur noch mit Einschränkungen erfüllt werden. Das erklärt sich insbesondere aus der Tatsache, daß auf den gleichen Strecken sowohl sehr schnell gefahren wird, aber auch schwere Züge mit hohen Achslasten verkehren. Mit der Tendenz, die Fahrgeschwindigkeiten einerseits und die Achslasten andererseits zu erhöhen, vergrößert sich diese Problematik.These requirements can only be met with restrictions with the rail profile used today, which is T-shaped. This can be explained in particular by the fact that the same routes both run very quickly, but also heavy trains with high axle loads. With the tendency to increase the driving speeds on the one hand and the axle loads on the other hand, this problem increases.

Nachteilig bei den bekannten T-förmigen Schienenprofilen ist, daß zwar das Widerstandsmoment gegen vertikale Durchbiegung einfach und mit geringem Materialaufwand durch die Erhöhung des Schienensteges erreicht werden kann. Durch diese Maßnahme ergibt sich aber, daß die horizontale Biegesteifigkeit verringert wird, was zu einer größeren seitlichen Auslenkung des Schienensteges führt. Die Folge ist bei höheren Geschwindigkeiten eine Verschlechterung des Fahrzeuglaufes und eine Herabsetzung der "kritischen Geschwindigkeit", bei der der Radsatzlauf instabil wird.A disadvantage of the known T-shaped rail profiles is that the moment of resistance against vertical deflection can be achieved simply and with little material expenditure by increasing the rail web. This measure results, however, in that the horizontal bending stiffness is reduced, which leads to a greater lateral deflection of the rail web. The consequence at higher speeds is a deterioration in the running of the vehicle and a reduction in the "critical speed" at which the running of the wheelset becomes unstable.

Die Vergrößerung der Schienensteghöhe führt bei den bekannten T-förmigen Schienen außerdem zu einer Vergrößerung des Kippmomentes, hervorgerufen durch Seitenkräfte, wodurch entweder die Schienenbefestigungen überlastet werden oder der Schienenfuß breiter ausgeführt werden muß.In the known T-shaped rails, the increase in the rail web height also leads to an increase in the tilting moment, caused by lateral forces, as a result of which either the rail fastenings are overloaded or the rail foot must be made wider.

Ein weiterer Nachteil bei der Erhöhung des Schienensteges entsteht bei der Fertigung derartiger Schienen. Durch die anterschiedliche Abkühlung der Schiene nach dem Walzen im großvolumigen Schienenkopf im Gegensatz zum dünnen Schienensteg und dünnen Schienenfuß entstehen in der Schiene Eigenspannungen, die dazu führen, daß sich die Schiene verbiegt. Sie müssen deshalb nach dem Erkalten "gerichtet", d. h. gerade gebogen werden. In den fertigen Schienen sind die Eigenspannungen, die unter anderem die Riffelbildung begünstigen, umso größer, je höher die Schiene, je größer der Schienenkopf und je breiter und dünner der Schienenfuß ist. Als Gegenmaßnahme wird derzeit bei großen Schienenprofilen der Schienenkopf verkleinert, weil die Vergrößerung der Dicke des Schienenfußes aus Gründen des Materialverbrauches und der Kosten usw. nur in geringem Maße möglich ist, Im Hinblick auf die Liegedauer im Gleis ist die Verkleinerung des Schienenkopfes nachteilig, weil sie die Lebensdauer der Schienen verkürzt, insbesondere bei großen Profilen für hohe Achsfahrmassen, bei denen aus statischen Gründen auch ein größerer Schienenkopfrestquerschnitt erforderlich ist.Another disadvantage of increasing the rail web arises in the production of such rails. Due to the fact that the rail cools down after it has been rolled in the large-volume rail head, in contrast to the thin rail web and the thin rail foot, internal stresses occur in the rail which cause the rail to bend. You must therefore "directed" after cooling, i.e. H. to be bent straight. The residual stresses in the finished rails, which among other things favor the formation of corrugations, are greater, the higher the rail, the larger the rail head and the wider and thinner the rail base. As a countermeasure, the rail head is currently being reduced in the case of large rail profiles, because the increase in the thickness of the rail base is only possible to a small extent due to the material consumption and the costs, etc. With regard to the length of time the rail is lying down, the reduction of the rail head is disadvantageous because it the lifespan of the rails is shortened, especially for large profiles for high axle masses, where a larger rail head cross-section is required for structural reasons.

Ein weiterer gravierender Nachteil der bekannten Schienen liegt darin, daß bei einer Erhöhung des Schienensteges (Vergrößerung des Schienenprofiles) die Schienentoleranzen zunehmen und damit z. B. auch die Spurweiten- und Richtungsfehler im Gleis, obwohl bei höheren Geschwindigkeiten kleinere Toleranzen notwendig wären.Another serious disadvantage of the known rails is that with an increase in the rail web (enlargement of the rail profile) the rail tolerances increase and thus z. B. also the track gauge and direction errors in the track, although smaller tolerances are required at higher speeds would be agile.

Die größeren Toleranzen führen zu einer Verschlechterung des Fahrzeuglaufes, zu größeren dynamischen Kräften und Verschleiß und zu einer verstärkten Schallabstrahlung beim Befahren.The larger tolerances lead to a deterioration in the running of the vehicle, to greater dynamic forces and wear and to an increased noise emission when driving.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Schiene liegt in ihrer vertikalen Starrheit. Je größer die Schienenprofile werden, um so steifer werden sie in vertikaler Richtung. Die abnehmende Fahrbahnelastizität führt zu einer größeren "Vertikalkraftdynamikt" wodurch die Schienenfahrfläche stärker beansprucht wird, größerer Materialverschleiß auftritt und die periodischen "Kontaktschwingungen" verstärkt werden, die zu Plastifizierungen im Kontaktbereich von Rad und Schiene führen, was einerseits die Riffelbildung begünstigt und andererseits die Schiene und das Fahrzeug zu starker Schallerzeugung veranlaßt.Another disadvantage of the known rail is its vertical rigidity. The larger the rail profiles, the stiffer they become in the vertical direction. The decreasing road elasticity leads to a greater "vertical force dynamics" whereby the rail running surface is stressed more, greater material wear occurs and the periodic "contact vibrations" are increased, which lead to plasticization in the contact area of wheel and rail, which on the one hand favors corrugation and on the other hand the rail and causes the vehicle to generate excessive sound.

Mit diesem Problem befaßt sich die DE-PS 245 764. Sie schlägt als Lösung ein halbkreisförmiges Schienenprofil vor. Dabei gehen die Schienenstege seitlich horizontal vom Schienenkopf ab. Dieses Schienenprofil hat den Nachteil, daß der Schienenkopf unnötig hoch ausgebildet werden muß, damit der Radkranz nicht in den Schienensteg läuft und dadurch die Schiene zerstört. Ein abgefahrenes Profil nach diesem Patent weist noch unnötiges Material am Schienenkopf auf, das nicht gänzlich abgefahren werden kann.DE-PS 245 764 addresses this problem. It proposes a semicircular rail profile as a solution. The rail webs extend horizontally from the side of the rail head. This rail profile has the disadvantage that the rail head must be made unnecessarily high so that the wheel rim does not run into the rail web and thereby destroys the rail. A worn profile according to this patent still has unnecessary material on the rail head that cannot be worn completely.

Xeiterhin nachteilig erweist sich dieses Schienenprofil in der horizontalen Richtung als zu starr. Dadurch entstehen in den Kurven sehr schnell Wellen auf den Schienen, die sich durch starken Verschleiß und Schallerzeugung nachteilig bemerkbar machen.A further disadvantage, this rail profile proves to be too rigid in the horizontal direction. As a result, waves on the rails develop very quickly in the curves, which are noticeably noticeable due to heavy wear and sound generation.

Ferner zeigt die DE-PS 554 960 eine Schiene mit doppeltem Schienensteg. Diese Schiene besitzt ein etwa A-förmiges Profil und beseitigt die Nachteile, die das T-förmige Profil der heutigen Schiene bei Erhöhung des Schienensteges aufweist. Die Schiene ist seitlich gegen Ausbiegung starr und besitzt auch ein großes Widerstandsmoment gegen vertikale Durchbiegung. Nachteilig bei dieser Ausbildung ist die geringe Elastizität des Schienenkopfes in horizontaler und vertikaler Richtung mit der vorher beschriebenen erhöhten Riffel- und Wellenbildung und dem damit verbundenen erhöhten Verschleiß des Schienenkopfes in den Gleisbögen.Furthermore, DE-PS 554 960 shows a rail with a double rail web. This rail has an approximately A-shaped profile and eliminates the disadvantages that the T-shaped profile of today's rail has when increasing the rail web. The rail is rigid laterally against deflection and also has a large section modulus against vertical deflection. A disadvantage of this design is the low elasticity of the rail head in the horizontal and vertical directions with the previously described increased corrugation and wave formation and the associated increased wear of the rail head in the track arches.

Weiterhin führt diese Erscheinung zu erhöhter Schallabstrahlung. Die Schallabstrahlung wird noch durch die Form der Schienenstege erhöht. Die geradlinig ausgebildeten Schienenstege bei dieser Schienenform wie auch bei der heute eingesetzten T-förmigen Schiene wirken schallmäßig wie eine Membrane, die die eingeleiteten Schwingungen verstärkt als Schall seitlich bzw. seitlich nach oben abstrahlen.Furthermore, this phenomenon leads to increased sound radiation. The sound radiation is increased by the shape of the rail webs. The linearly designed rail webs in this rail shape, as well as in the T-shaped rail used today, sound like a membrane, which emits the vibrations introduced as sound laterally or laterally upwards.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schienenprofil mit doppeltem Schienensteg zu schaffen, das ein. hohes Widerstandsmoment gegen vertikale und horizontale Durchbiegung, wobei der Schienenkopf jedoch bei horizontalen und vertikalen Stößen elastisch nachgeben kann, und dessen Schienenkopf eine größtmögliche Verschleißmasse hat, wobei jedoch die inneren Spannungen der Schiene hervorgerufen durch den Abkühlprozeß nach dem Walzen und dem anschließenden Richten, so gering wie möglich sein sollen.The invention has for its object to provide a rail profile with a double rail web, the one. high moment of resistance to vertical and horizontal deflection, but the rail head can yield elastically in the event of horizontal and vertical impacts, and its rail head has the greatest possible amount of wear, but the internal stresses of the rail caused by the cooling process after rolling and subsequent straightening are so low should be as possible.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der doppelte Schienensteg im oberen Bereich nahe zusammenstehend annähernd vertikal in den beidseitig überstehenden Schienenkopf einmündet, im unteren Bereich gewölbeartig auseinanderläuft und horizontal nach außen abgewinkelt in die Schienenfußflansche übergeht.This object is achieved in that the double rail web in the upper region, close together, opens approximately vertically into the rail head projecting on both sides, diverges like a vault in the lower region and merges horizontally outwards into the rail foot flanges.

Um, wenn erforderlich, die vertikale Nachgiebigkeit des Schienenkopfes noch zu erhöhen, kann nach einer besonderen Ausbildung der doppelte Schienensteg im unteren Bereich einfach oder mehrfach gewellt auseinanderlaufen.In order to increase the vertical flexibility of the rail head, if necessary, the double rail web can diverge in the lower area with single or multiple corrugations.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung stehen ein oder beide Schienenfußflansche nach innen über.According to a further advantageous embodiment, one or both rail foot flanges protrude inwards.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die Formgebung der Schienenstege die Schienenhöhe und damit die Trägerwirkung der Schiene ohne sonstige Nachteile nahezu beliebig vergrößert werden kann, wobei aber trotzdem sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung nahezu jede gewünschte Elastizität eingestellt werden kann. Da durch die "Stegspreizung" auch das horizontale Trägheitsmoment des Schienenprofiles in weiten Grenzen beliebig eingestellt werden kann, erhält man erstmals eine Schiene, deren "Trägerwirkung" und "Fahrbahnelastizität" vertikal und horizontal in weiten Bereichen unabhängig voneinander und im Einzelfall optimal eingestellt werden kann.The advantages achieved by the invention are, in particular, that the shape of the rail webs allows the rail height and thus the support effect of the rail to be increased almost as desired without other disadvantages, but almost any desired elasticity can nevertheless be set both in the vertical and in the horizontal direction can. Since the "web spacing" also allows the horizontal moment of inertia of the rail profile to be set within wide limits, for the first time a rail is obtained whose "support effect" and "road elasticity" can be optimally adjusted vertically and horizontally in large areas independently of one another and in individual cases.

Weiterhin vorteilhaft wird die Schallabstrahlung der Schiene nicht nur durch die Elastizität des Schienenkopfes bei horizontaler und vertikaler Stoßbeanspruchung herabgesetzt, sondern auch durch ihre Formgebung. Die Schienenstege wirken nicht mehr als Membrane, die die eingeleiteten Schwingungen verstärkt und als Schall abstrahlt, sondern sie vernichten die Schwingungen dadurch, daß sie als herablaufende Schwingungen infolge der Biegespannungen durch innere Materialreibung in Wärme umgesetzt und dadurch weitgehend vernichtet werden.Furthermore, the sound radiation from the rail is not only reduced by the elasticity of the rail head in the event of horizontal and vertical impact stress, but also by its shape. The rail webs no longer act as a membrane that amplifies the vibrations introduced and emits them as sound, but they destroy the vibrations by converting them into heat as descending vibrations as a result of the bending stresses caused by internal material friction and thereby largely destroyed.

Als weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schiene mit Doppelsteg sei zu erwähnen, daß im Hohlraum zwischen dem Doppelsteg schwingungsdämpfende Massen, evtl. in Verbindung mit Schwingungsabsorbern usw., untergebracht werden können, ebenso übrigens wie signaltechnische Einrichtungen (Schaltelemente oder Steuerungseinrichtungen - sogar Mikrokomputer). Es können aber auch Kabel und Leitungen geschützt verlegt werden. Rippenplatten können schmaler ausgeführt werden, weil ihre Rippen an der Innenkante der Schienenfußflansche angeordnet werden können, Dieser Vorteil wird noch mit der Ausbildung nach Anspruch 3 erhöht.As a further advantage of the rail according to the invention with a double web, it should be mentioned that vibration-damping masses, possibly in connection with vibration absorbers, etc., can be accommodated in the cavity between the double web, as well as signaling devices (switching elements or control devices - even microcomputers). However, cables and wires can also be laid protected. Rib plates can be made narrower because their ribs can be arranged on the inner edge of the rail base flanges. This advantage is increased with the design according to claim 3.

Weiterhin sei vorteilhaft die gute Stapelbarkeit der Schiene nach der Erfindung und die beidseitige seitliche Abfahrmöglichkeit des Schienekopfes erwähnt. Die Verschleißmasse des Schienenkopfes kann voll ausgenutzt werden, weil der "Schienenkopfrestquerschnitt" extrem klein gehalten werden kann,Furthermore, the good stackability of the rail according to the invention and the possibility of the rail head being able to move sideways on both sides are advantageous. The wear mass of the rail head can be fully utilized because the "rail head residual cross section" can be kept extremely small,

Vorteilhaft ermöglicht weiterhin die große Abstützbreite des Schienenfußes und die Doppelausbildung des Schienensteges, daß die Schienenkopfneigung entsprechend dem Verschleißprofil 1 : 20 bzw. 1 : 40 ausschließlich durch entsprechende Profilierung des Schienenkopfes erzielt werden kann. Es muß nicht mehr wie bisher die ganze Schiene schräg eingebaut werden.Advantageously, the large support width of the rail foot and the double design of the rail web allows the rail head inclination according to the wear profile 1:20 or 1:40 can only be achieved by appropriate profiling of the rail head. It is no longer necessary to install the entire rail at an angle as before.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is shown in the drawing and will be described in more detail below.

Die Zeichnung zeigt einen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Schienenprofil.The drawing shows a cross section through the rail profile according to the invention.

Die Schiene besteht aus Schienenkopf 1, Schienensteg 2 und Schienenfußflansche 3. Der Schienensteg ist als doppelter Schienensteg 2 ausgeführt. Dabei geht er im oberen Bereich 4 nahe zusammenstehend senkrecht in den Schienenkopf 1 über, wobei durch die doppelte Schienensteganordnung die Innenkontur des Schienenkopfes 1 zu einer Hohlkopfsausbildung führt. Der untere Bereich 6 des Schienensteges 2 läuft gewölbeartig auseinander. In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann er auch einfach oder mehrfach gewellt auseinanderlaufen. Schienenfußflansche 3 an beiden Seiten der Schiene bilden horizontal nach außen abgewinkelt im unteren Stegbereich 6 den Schienenfuß. An der Innenkante 7 der Schienenfußflansche 3 können Innenrippen einer Rippenplatte anliegen. Die Verschleißmasse 8 des Schienenkopfes 1 ist durch die Verschleißgrenze 9 begrenzt, Um Dämpfungselemente im Schieneninnern und Schienenstoßverbindungen leicht anbringen zu können, kann der Schienenfußflansch 3 auch nach innen 10 überstehen (gestrichelt dargestellt).The rail consists of rail head 1, rail web 2 and rail foot flanges 3. The rail web is designed as a double rail web 2. In the upper area 4, it merges vertically into the rail head 1, standing close together, the inner contour of the rail head 1 leading to a hollow head formation due to the double rail web arrangement. The lower region 6 of the rail web 2 diverges like a vault. In an embodiment not shown, it can also diverge in single or multiple corrugations. Rail foot flanges 3 on both sides of the rail form the rail foot in the lower web area 6, angled horizontally outwards. Inner ribs of a rib plate can rest on the inner edge 7 of the rail base flanges 3. The wear mass 8 of the rail head 1 is limited by the wear limit 9. In order to be able to easily attach damping elements inside the rail and rail butt joints, the rail foot flange 3 can also protrude inwards 10 (shown in broken lines).

Claims

1. Railway rail with rail head (1), double rail web (2) and rail foot flanges (3), characterized in that the double rail web (2) in the upper region (4) opens approximately vertically into the rail head (1) projecting on both sides, in the lower area (6) diverges like a vault and merges horizontally outwards into the rail base flanges (3).

2. Railway rail according to claim 1, characterized in that the double rail web (2) in the lower region (6) runs apart once or several times corrugated.

3. Railway rail according to claim 1 or 2, characterized in that one or both rail foot flanges (3) protrude inwards (10).