EP3511467B1 - Verfahren zum rekonstruieren eines schienenprofils - Google Patents
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- EP3511467B1 EP3511467B1 EP18211612.9A EP18211612A EP3511467B1 EP 3511467 B1 EP3511467 B1 EP 3511467B1 EP 18211612 A EP18211612 A EP 18211612A EP 3511467 B1 EP3511467 B1 EP 3511467B1
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- E01B31/02—Working rail or other metal track components on the spot
- E01B31/18—Reconditioning or repairing worn or damaged parts on the spot, e.g. applying inlays, building-up rails by welding; Heating or cooling of parts on the spot, e.g. for reducing joint gaps, for hardening rails
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- E01B31/12—Removing metal from rails, rail joints, or baseplates, e.g. for deburring welds, reconditioning worn rails
Definitions
- the present invention relates to the repair of rails for rail vehicles, such as. B. rail or tram rails, which are made of metal.
- the invention relates in particular to a method for reconstructing the rail profile of worn rails of a track, according to the preamble of claim 1.
- Fig. 1 shows a cross-sectional view of a typical tram rail 1 for a covered area, which is intended to be used in a carriageway or a pedestrian area flush with the surface.
- the rail 1 comprises a traveling head 3 with a running surface 7, on which the wheels of a rail vehicle roll.
- a groove 6 is also provided adjacent to the traveling head 3, in which groove the wheel flange of the wheels of the rail vehicle is guided.
- the so-called wheel control arm 5 is then adjacent on the outside.
- the transition region between the tread 7 and the groove 6 is referred to as the driving edge 4.
- a narrow, web-like transition area 9 is formed, which opens into a rail foot 2.
- Such rails 1 are subject to considerable wear. Typical signs of wear are exemplified in Fig. 2 shown.
- the rail 1 shows an extension 10 in the tread 7, which is caused by the rolling of the wheels of rail vehicles.
- the rail 1 shows lateral signs of wear 11, 12 on the driving edge 4 and on the wheel control arm 5, as occurs in particular on curved sections.
- the groove bottom of the groove 6 can also be worn, as is shown schematically.
- Fig. 3 shows a state in which several layers 8a-8x metallic material 14 lying one above the other have already been applied to the worn areas 10-12 of the rail 1.
- Each of the layers 8a-8x can be 1 mm to 5 mm thick, for example.
- the uppermost layer is a so-called cover layer 20, which is characterized in that it protrudes outwards beyond a desired target profile 13 of the rail which is to be reconstructed (as a rule this corresponds approximately to the original profile when new) Material hardness can be adjusted to the specifications.
- the surface of the rail 1 is then ground down until the desired target profile 13 is reached.
- Fig. 4 The final state is in Fig. 4 shown. As can be seen, the traveling head 3 in Fig. 4 his original profile again. The extended or worn areas 10-12 are filled with the metallic material 14.
- the method described above for reconstructing the profile of a rail 1 has the disadvantage that after the build-up welding, if the rail 1 cools, a relatively high proportion of martensite is formed in the applied material 14. Martensite is very hard and brittle compared to rail steel, which can lead to cracking in the welded areas.
- the RU 2 624 752 C1 discloses a method for reconstructing the rail profile of worn rails, in which a plurality of layers of metallic material lying on top of one another are applied to a worn area of the rail, up to the application of a cover layer which projects beyond the desired target profile of the rail, and at least another layer of a metallic material on the top layer. From the DE 195 39 590 A1 and the BE 532 414 A Further methods for reconstructing the rail profile of worn rails are known, in which several layers of metallic material lying on top of one another are applied to a worn area of the rail.
- a method for reconstructing the rail profile of worn rails comprises the following steps: the application of a plurality of layers of metallic material lying on top of one another to a worn region of the rail, up to the application of a cover layer defined target hardness, which projects beyond a desired target profile of the rail that is to be reconstructed; the application of at least one further layer, which is also referred to below as the sacrificial layer, from a metallic material onto the cover layer, and the complete removal of the sacrificial layer and a part of the cover layer until the desired profile is reached.
- the sacrificial layer heats up the layers below, which leads to a tempering process that reduces the martensite content in the layers below.
- the material quality of the reconstructed splint can be significantly improved with relatively little effort. This results in fewer cracks in a rail reconstructed according to the invention and the rail has a longer service life.
- the section of the rail to be reconstructed is further warmed up to a predetermined preheating temperature before the individual layers are applied.
- the preheating can be carried out, for example, with a gas burner or an electric heater.
- the preheating temperature is less than 80 ° C. For example, it can be around 50 ° C.
- the preheating temperature is a temperature that is measured directly on the weld or in the immediate vicinity of it. The low preheating temperature lowers the maximum temperature during the welding process by up to 50 ° C. This largely prevents damage to surrounding construction elements.
- the sacrificial layer applied to the cover layer preferably has a thickness of at least 1 mm. According to a preferred embodiment of the invention, the thickness of the sacrificial layer is between 1 and 5 mm.
- the cover layer can in principle consist of the same metallic material as the layers below, or alternatively also of a different metallic material.
- the material of the underlying layers is preferably a weldable steel.
- the standard hardness is, for example, in the range of 200 HV - 300 HV (Vickers hardness).
- the material of the cover layer is preferably also a weldable steel, the hardness can be selected in the range of 200 HV - 500 HV depending on the alloy components.
- the sacrificial layer applied to the cover layer can also consist of the same or a different metallic material as the layers below.
- the material of the sacrificial layer is preferably a weldable steel, in the simplest case with a normal hardness of 200 HV - 300 HV.
- rail 1 shows several worn areas 10, 11, 12, which have arisen over time due to wear.
- the following method can be carried out, for example:
- old weld metal and other residues such as rust, lubricant and dirt are preferably removed by grinding the rail 1. This also creates a uniformly shaped welding area.
- the region of the rail 1 to be reconstructed is then brought to a predetermined preheating temperature.
- a predetermined preheating temperature can be done, for example, using a gas burner or an electric heater.
- the preheating temperature in the welding area is preferably 100 ° C. or less and according to the invention below 80 ° C. For example, it can be about 50 ° C. If the rail z. B. already has the desired temperature due to solar radiation, preheating can be dispensed with. Preheating is preferably only carried out when the rail temperature is lower than the desired temperature.
- the weld metal is then applied to the worn areas 10, 11, 12 of the rail 1 in several layers 8a-8x one above the other.
- a metallic material 14 can be welded on, each of which can have a thickness of 1-10 mm.
- a so-called top layer 20 is applied to the layers 8a-8x underneath, which protrudes beyond the desired target profile 13 to the outside.
- the cover layer 20 can also have a thickness of 1-10 mm. It can also consist of the same or a different material, such as the layers 8a-8x underneath.
- the cover layer 20 is not ground off, however, as in Fig. 4 is shown, but a further layer 40 - the so-called sacrificial layer - made of a metallic material 14 is applied to the cover layer 20.
- a further layer 40 - the so-called sacrificial layer - made of a metallic material 14 is applied to the cover layer 20.
- the cover layer 20 underneath is heated and there is a tempering process which leads to the martensitic content in the cover layer 20 and the layers 8a-8x underneath being reduced and the material quality of the rail being improved accordingly.
- Fig. 5 shows a state in which a sacrificial layer 40 is applied to different reconstructed areas.
- Fig. 6 finally shows the completely reconstructed splint 1.
- Various welding methods known from the prior art can be used for the application of the individual layers 8a-8x, 20, 40, such as, for example, arc welding, metal shielding gas welding, submerged arc welding, laser welding or induction welding.
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft die Reparatur von Schienen für Schienenfahrzeuge, wie z. B. Eisenbahn- oder Straßenbahnschienen, die aus Metall bestehen. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Rekonstruieren des Schienenprofils von verschlissenen Schienen eines Gleises, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Eisenbahn- oder Straßenbahnschienen werden beim Befahren mit Schienenfahrzeugen in der Regel stark beansprucht und unterliegen daher einem relativ hohen Verschleiß. Typische Verschleißerscheinungen sind z. B. Ausfahrungen auf der Lauffläche oder an Seitenflächen der Schiene. Im Folgenden werden verschiedene Verschleißerscheinungen und die nachfolgende Rekonstruktion des Schienenprofils, wie sie nach betriebsinternen Kenntnissen durchgeführt wird, anhand der
Figuren 1 bis 4 am Beispiel einer Straßenbahnschiene kurz erläutert. -
Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer typischen Straßenbahnschiene 1 für einen eingedeckten Bereich, die dazu vorgesehen ist, in eine Fahrbahn oder einen Fußgängerbereich flächenbündig zur Oberfläche eingesetzt zu werden. Die Schiene 1 umfasst einen Fahrkopf 3 mit einer Lauffläche 7, auf der die Räder eines Schienenfahrzeugs abrollen. An den Fahrkopf 3 angrenzend ist außerdem eine Rille 6 vorgesehen, in der der Spurkranz der Räder des Schienenfahrzeugs geführt wird. Außen angrenzend befindet sich dann der sogenannte Radlenker 5. Der Übergangsbereich zwischen der Lauffläche 7 und der Rille 6 wird als Fahrkante 4 bezeichnet. - An der Unterseite des Fahrkopfes 3 ist ein schmaler, stegartiger Übergangsbereich 9 gebildet, der in einen Schienenfuß 2 mündet. Wie eingangs erwähnt wurde, unterliegen derartige Schienen 1 einem erheblichen Verschleiß. Typische Verschleißerscheinungen sind beispielhaft in
Fig. 2 dargestellt. - Wie in
Fig. 2 zu erkennen ist, zeigt die Schiene 1 eine Ausfahrung 10 in der Lauffläche 7, die durch das Abrollen der Räder von Schienenfahrzeugen entstanden ist. Außerdem zeigt die Schiene 1 seitliche Verschleißerscheinungen 11, 12 an der Fahrkante 4 sowie am Radlenker 5, wie sie insbesondere an Kurvenstrecken auftreten. Darüber hinaus kann auch der Rillenboden der Rille 6 abgenutzt sein, wie schematisch dargestellt ist. - Um das ursprüngliche Schienenprofil zu rekonstruieren, werden nach betriebsinternen Kenntnissen mittels eines Schweißverfahrens (so genanntes Auftragsschweißen) mehrere Lagen von metallischem Material auf den verschlissenen Bereich 10 - 12 aufgebracht.
-
Fig. 3 zeigt einen Zustand, in dem bereits mehrere übereinander liegende Lagen 8a - 8x metallischen Materials 14 auf die verschlissenen Bereiche 10 - 12 der Schiene 1 aufgebracht wurden. Jede der Lagen 8a - 8x kann beispielsweise 1 mm bis 5 mm dick sein. Die oberste Lage ist dabei eine sogenannte Decklage 20, die sich dadurch auszeichnet, dass sie über ein gewünschtes Soll-Profil 13 der Schiene, welches rekonstruiert werden soll (in der Regel entspricht dieses etwa dem ursprünglichen Profil im Neuzustand), nach außen übersteht und deren Materialhärte den Vorgaben angepasst werden kann. Nach dem Auftragen der Decklage 20 wird die Oberfläche der Schiene 1 dann so weit abgeschliffen, bis das gewünschte Soll-Profil 13 erreicht ist. - Der finale Zustand ist in
Fig. 4 dargestellt. Wie zu erkennen ist, hat der Fahrkopf 3 inFig. 4 wieder sein ursprüngliches Profil. Die ausgefahrenen bzw. verschlissenen Bereiche 10 - 12 sind mit dem metallischem Material 14 aufgefüllt. - Das vorstehend beschriebene Verfahren zum Rekonstruieren des Profils einer Schiene 1 hat den Nachteil, dass nach dem Auftragsschweißen, wenn die Schiene 1 abkühlt, im aufgetragenen Material 14 ein relativ hoher Anteil an Martensit entsteht. Martensit ist im Vergleich zu Schienenstahl sehr hart und spröde, wodurch es zu einer Rissbildung an den geschweißten Bereichen kommen kann.
- Außerdem verschlechtert sich die Materialgüte und die Schiene wird schneller abgenutzt. Um die Ausbildung von Martensit zu verringern, ist es bekannt, die Schiene im Schweißbereich vorzuwärmen. Dadurch wird ein Wärmestau erzeugt, der dazu führt, dass das aufgetragene Material langsamer abkühlt und sich somit die Martensitbildung verringert. Dies geschieht im offenen Oberbau bei Vorwärmtemperaturen von üblicherweise 300°C bis 400°C. Eine Rillenschiene im eingedeckten Bereich kann aber nur bis maximal 160°C vorgewärmt werden, da es bei höheren Temperaturen zu Beschädigungen von Bauteilen und Konstruktionselementen im umliegenden Bereich kommen kann. Wegen der niedrigen Vorwärmtemperaturen kommt es daher insbesondere im eingedeckten Bereich weiterhin zu einer Martensitbildung im aufgetragenen Material.
- Ein allgemeines Verfahren zum Reparieren von Bauteilen durch Einsetzten eines in einem Schichtprozess hergestellten Produkts ist aus der
WO 2017/200401 A1 bekannt. - Die
RU 2 624 752 C1 DE 195 39 590 A1 und derBE 532 414 A - Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Rekonstruieren des Schienenprofils von verschlissenen Schienen zu schaffen, mit dem die Materialgüte der rekonstruierten Schiene mit vergleichsweise geringem Aufwand deutlich verbessert werden kann, bei einer deutlich niedrigeren Vorwärmtemperatur.
- Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
- Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Rekonstruieren des Schienenprofils von verschlissenen Schienen, insbesondere Eisenbahn- oder Straßenbahnschienen, vorgeschlagen, das die folgenden Schritte umfasst: das Auftragen mehrerer übereinander liegender Lagen metallischen Materials auf einen verschlissenen Bereich der Schiene, bis hin zum Auftragen einer Decklage mit definierter Soll-Härte, die über ein gewünschtes Sollprofil der Schiene, welches rekonstruiert werden soll, nach außen übersteht; das Auftragen wenigstens einer weiteren Lage, welche im Folgenden auch als Opferlage bezeichnet wird, aus einem metallischen Material auf die Decklage, und das vollständige Abtragen der Opferlage und eines Teils der Decklage bis zum Erreichen des Sollprofils.
- Durch das Auftragen der so genannten Opferlage auf die Decklage wird erreicht, dass die Opferlage die darunter liegenden Lagen erwärmt, wodurch es zu einem Anlassprozess kommt, der den Martensitanteil in den darunter liegenden Lagen verringert. Dadurch kann die Materialgüte der rekonstruierten Schiene mit einem relativ geringen Aufwand deutlich verbessert werden. In einer erfindungsgemäß rekonstruierten Schiene kommt es dadurch zu weniger Rissbildungen und die Schiene hat längere Standzeiten.
- Gemäß der Erfindung wird weiterhin der zu rekonstruierende Abschnitt der Schiene vor dem Auftragen der einzelnen Lagen auf eine vorgegebene Vorwärmtemperatur aufgewärmt. Das Vorwärmen kann beispielsweise mit einem Gasbrenner oder einem elektrischen Heizgerät durchgeführt werden. Die Vorwärmtemperatur beträgt weniger als 80°C. Sie kann beispielsweise bei etwa 50°C liegen. Die Vorwärmtemperatur ist dabei eine Temperatur, die direkt auf der Schweißung oder in unmittelbarer Nähe davon gemessen wird. Durch die niedrige Vorwärmtemperatur wird die während des Schweißprozesses herrschende Maximaltemperatur um bis zu 50°C abgesenkt. Eine Schädigung von umliegenden Konstruktionselementen kann dadurch weitestgehend verhindert werden.
- Die auf die Decklage aufgetragene Opferlage hat vorzugsweise eine Dicke von wenigstens 1 mm. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt die Dicke der Opferlage zwischen 1 und 5 mm.
- Die Decklage kann prinzipiell aus demselben metallischen Material wie die darunter liegenden Lagen, oder alternativ auch aus einem anderen metallischen Material bestehen. Das Material der darunterliegenden Lagen ist vorzugsweise ein schweißbarer Stahl. Die Regelhärte liegt beispielsweise im Bereich 200 HV - 300 HV (Vickershärte). Das Material der Decklage ist vorzugsweise ebenfalls ein schweißbarer Stahl, die Härte kann je nach Legierungsbestandteilen im Bereich 200 HV - 500 HV gewählt werden.
- Die auf die Decklage aufgebrachte Opferlage kann ebenfalls aus demselben oder einem anderen metallischen Material bestehen wie die darunterliegenden Lagen. Das Material der Opferlage ist vorzugsweise ein schweißbarer Stahl, im einfachsten Fall mit normaler Regelhärte von 200 HV - 300 HV.
- Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
-
Fig. 1 ein Profil einer beispielhaften Straßenbahnschiene im Neuzustand; -
Fig. 2 die Schiene vonFig. 1 in einem abgenutzten Zustand; -
Fig. 3 die Schiene vonFig. 1 in einem gemäß betriebsinternen Kenntnissen teilweise rekonstruierten Zustand; -
Fig. 4 die Schiene vonFig. 3 im gemäß betriebsinternen Kenntnissen vollständig rekonstruierten Zustand; -
Fig. 5 die Schiene vonFig. 1 in einem gemäß der Erfindung teilweise rekonstruierten Zustand, in dem eine zusätzliche Opferlage auf die Decklage aufgetragen worden ist; und -
Fig. 6 die Schiene vonFig. 5 im vollständig rekonstruierten Zustand. - Bezüglich der Erläuterung der
Fig. 1 und 2 wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen. Die inFig. 2 dargestellte Schiene 1 zeigt mehrere verschlissene Bereiche 10, 11, 12, die im Laufe der Zeit durch Abnutzung entstanden sind. Um das ursprüngliche Profil 13 der Schiene 1 zu rekonstruieren, kann beispielsweise folgendes Verfahren durchgeführt werden: - In einem ersten Schritt werden vorzugsweise altes Schweißgut und andere Rückstände wie Rost, Schmiermaterial und Dreck durch Abschleifen der Schiene 1 entfernt. Zudem wird dadurch ein gleichmäßig geformter Schweißbereich hergestellt.
- Danach wird der zu rekonstruierende Bereich der Schiene 1 auf eine vorgegebene Vorwärmtemperatur gebracht. Dies kann beispielsweise mittels eines Gasbrenners oder eines elektrischen Heizgeräts durchgeführt werden. Die Vorwärmtemperatur im Schweißbereich liegt dabei vorzugsweise bei 100°C oder weniger und erfindungsgemäß unter 80°C. Sie kann beispielsweise etwa 50°C betragen. Sofern die Schiene z. B. aufgrund von Sonneneinstrahlung die gewünschte Temperatur bereits aufweist, kann auf das Vorwärmen verzichtet werden. Ein Vorwärmen erfolgt vorzugsweise nur, wenn die Schienentemperatur niedriger als die gewünschte Temperatur ist.
- Danach wird Schweißgut in mehreren übereinanderliegenden Lagen 8a - 8x jeweils auf die verschlissenen Bereiche 10, 11, 12 der Schiene 1 aufgetragen. Typischerweise können beispielsweise ein bis zwölf Lagen aus einem metallischen Material 14 aufgeschweißt werden, die jeweils eine Stärke von 1-10 mm aufweisen können.
- Wie in
Fig. 3 zu sehen ist, wird als vorläufiger Abschluss eine sogenannte Decklage 20 auf die darunter liegenden Lagen 8a - 8x aufgetragen, die über das gewünschte Soll-Profil 13 nach außen übersteht. Die Decklage 20 kann ebenfalls eine Stärke von 1-10 mm aufweisen. Sie kann auch aus demselben oder aus einem unterschiedlichen Material bestehen, wie die darunter liegenden Lagen 8a - 8x. - Gemäß der Erfindung wird die Decklage 20 aber nicht abgeschliffen, wie in
Fig. 4 gezeigt ist, sondern es wird eine weitere Lage 40 - die sogenannte Opferlage - aus einem metallischen Material 14 auf die Decklage 20 aufgetragen. Dadurch wird die darunter liegende Decklage 20 erwärmt und es kommt zu einem Anlassprozess, der dazu führt, dass sich der Martensitanteil in der Decklage 20 und den darunter liegenden Lagen 8a - 8x verringert und sich die Materialgüte der Schiene entsprechend verbessert.Fig. 5 zeigt einen Zustand, in dem an verschiedenen rekonstruierten Bereichen jeweils eine Opferlage 40 aufgebracht ist. - In einem abschließenden Schritt wird dann, nach Entfernen von Schlacke, das ursprüngliche Profil bzw. Soll-Profil 13 der Schiene 1 durch einen Schleif- oder Fräsprozess wieder hergestellt.
Fig. 6 zeigt schließlich die fertig rekonstruierte Schiene 1. - Für das Aufbringen der einzelnen Lagen 8a - 8x, 20, 40 können verschiedene aus dem Stand der Technik bekannte Schweißverfahren eingesetzt werden, wie zum Beispiel Lichtbogenschweißen, Metallschutzgasschweißen, Unterpulverschweißen, Laserschweißen oder Induktionsschweißen.
Claims (4)
- Verfahren zum Rekonstruieren des Schienenprofils von verschlissenen Schienen (1) für Schienenfahrzeuge, umfassend folgende Schritte:- Auftragen mehrerer übereinander liegender Lagen (8a - 8x) metallischen Materials (14) auf einen verschlissenen Bereich (10, 11, 12) der Schiene (1), bis hin zum Auftragen einer Decklage (20), die über ein gewünschtes Soll-Profil (13) der Schiene (1) nach außen übersteht,- Auftragen wenigstens einer weiteren Lage (40) aus einem metallischen Material (14) auf die Decklage (20) und- vollständiges Abtragen der weiteren Lage (40) und eines Teils der Decklage (20) bis zum Erreichen des Soll-Profils (13)dadurch gekennzeichnet, dass
die Schiene (1) an einem zu rekonstruierenden Schienenabschnitt auf eine vorgegebene Vorwärmtemperatur vorgewärmt wird, wobei die Vorwärmtemperatur niedriger ist als 80°C und insbesondere etwa 50°C beträgt. - Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die auf der Decklage (20) aufgetragene weitere Lage (40) eine Dicke von wenigstens 2 mm, insbesondere zwischen 2 mm und 5 mm aufweist. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Decklage (20) aus einem anderen metallischen Material besteht wie die darunter liegenden Lagen (8a - 8x). - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die auf die Decklage (20) aufgebrachte weitere Lage (40) aus einem anderen metallischen Material besteht wie die darunter liegenden Lagen (8a - 8x, 20).
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