NO311098B1 - Banelegemekonstruksjon - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en banelegemekonstruksjon for en fast togbane omfattende en skinne anordnet over et underlag som er betongsville, hvor skinnen på sin side går ut fra en befestigelse som en ribbeplate, idet det mellom underlaget og befestigelsen er anordnet i det minste et mellomlegg med en stivhet x.

Det er kjent å fundamentere sviller på pukk eller holde dem tilbake på konstruksjoner av en fast togbane med stabile stive svillelagringer. I det siste tilfelle blir svillen som betongsville innbrakt på asfalt- eller betongbæreplater eller tilsvarende groper, og deretter delvis innstøpt i en støpemasse som betong eller asfalt.

For at det ved faste togbaner skal oppnås en reduksjon av legeme- og luftbølger som utgår fra en skinne, er det kjent en konstruksjon å bringe en reguleringsskinne som S54 i en kanal som består av betong- henholdsvis ståldeler, på et korksjikt. I tillegg er det anordnet hule legemer som er fylt opp med polyuretan-kork-blanding for å redusere lyden. Imidlertid har en slik konstruksjon ikke ført til det ønskede resultat. Tvert i mot har lydmålinger vist at det til og med skjer en lydøkning på 10 dB i forhold til konstruksjoner med pukk.

Fra DE 89 15 837 U 1 er det kjent en innretning for lagring av skinner for skinnegående kjøretøyer hvor en ribbeplate blir anordnet på et elastisk mellomlegg som har en tykkelse som tilsvarer minst ribbeplatens tykkelse. Her kan mellomlegget ved hjelp av bestemte geometriutforminger ha en ønsket elastisitet. Det samme gjelder for DE 40 11 013 Al, som angår en temperert skinnekonstruksjon for spor med høye hastigheter. Her skal det ved utforming av et hulrom med plastmodifisert klebemørtel sikres at det unngås en direkte overføring av varme- eller kjøleenergi til togskinnen.

Ifølge DE 41 38 575 Al kan fjærstivheten for et elastisk mellomlegg utformes oppstandelseskraftavhengig.

I EP 0 632 164 Al er det foreslått å strukturere et elastisk mellomlegg på bakken på en slik måte at det ved belastning fremkommer en større stivhet, idet det samtidig skal begrenses en ledning videre av lyd.

Fra DE 43 14 578 Al er det kjent et elastisk skinneunderlag med bakkesidige kompresjonspunkter og omløpende lukket kantlist.

Fra WO 95/06165 er det kjent en banelegemekonstruksjon hvor skinnen er støttet på et underlag i hvilket det er lagret et bevegelig avsnitt. På dette er skinnen lagret like ved. Når enn foregirt kraft overskrides blir kraften avledet til underlaget og således inn i en støtte som sville.

Formålet med oppfinnelsen er å videreutforme en banelegemekonstruksjon, særlig en slik for en fast togbane, på en slik måte at det skjer en redusering av lydbølger i legemer og luft.

Dette formål oppnås ifølge oppfinnelsen i det vesentlige ved at mellomleggets stivhet x er utlagt slik at mellomlegget ved den maksimalt tillatte og/eller foregirte skinnespenning i skinnen har i det vesentlige uelastiske egenskaper på en slik måte at det ikke eller i det vesentlige ikke lenger skjer en ytterligere nedbøying av skinnen.

Ifølge oppfinnelsen blir mellomlegget utlagt til den tillatte henholdsvis ønskede maksimale skinnespenning slik at det fremkommer den fordel at skinnen selv blir lagret mykere, slik at det skjer en koplingsreduksjon mellom skinnen og svillen. Dette bevirker også en mindre støttepunktbelastning slik at det igjen skjer en redusering av legemelydbølgene. Dette kan forsterkes ved at man som skinne anvender slike som har høyt treghets- og motstandsmoment over skinnens midtakse, for eksempel en kompaktskinne, slik at skinnen har funksjonen som en bærebjelke og kan fremvise en lastbærende virkning. Ved dette skjer en ytterligere koplingsreduksjon mellom skinnen og svillen slik at legeme-lydbølgene som går ut fra skinnene ved kjøring med et skinnegående kjøretøy ytterligere reduseres.

Det er foreslått et mellomlegg som før den maksimale tillatte og/eller foregitte skinnespenning er oppnådd har en liten stivhet og ved oppnåelse av den maksimalt tillatte skinnespenning har en høy stivhet.

Her er det fortrinnsvis sørget for at mellomlegget i området ved tillatt skinnespenning har en stivhet x, hvor x < 25 kN/mm, fortrinnsvis 4 < x < 25 kN/mm, henholdsvis ved forekomst av den maksimalt tillatte skinnespenning har mellomlegget en stivhet x, hvor x > 35 kN/mm, særlig x > 90 kN/mm, fortrinnsvis i området fra 100 kN/mm.

Særlig og etter et egenoppfinnerisk forslag er det imidlertid sørget for at ved ubelastet mellomlegg har dette utstående fremspring over dets underside som innenfor mellomlegget langs omkretsen er omgitt av et fritt rom (utsparing). Det frie rom har et volum Va som er likt et volum Vb som har det aktuelle fremspring i dets avsnitt som står ut over undersiden.

I forslaget ifølge oppfinnelsen utøver fremspringene funksjonen som en bærefjær som er virksom når den maksimale skinnespenning i skinnen som er støttet av underlaget ennå ikke er nådd. Blir denne så nådd, så blir fremspringene trykket inn i underlaget på en slik måte at fremspringene avsluttes i plan med mellomleggets underside, og utfyller samtidig alle frie rom (utsparinger). Betinget av dette blir formfaktoren for mellomlegget øket på en slik måte at den maksimale tillatte skinnespenning hovedsakelig ikke kan overskrides ved ytterligere kraftinnføring. Særlig dersom de frie rom i underlaget er fullstendig utfylt av materiale fra fremspringene bør mellomlegget ha en stivhet x som ligger i området 100 kN/mm.

Det er særlig sørget for at skinnen er en vignolskinne med en maksimalt tillatt skinnespenning fra 70 til 100 N/mm<2>, og at mellomlegget har en stivhet x på omtrent 4 til 16 kN/mm, dersom den maksimalt tillatte skinnespenning ennå ikke er nådd.

Løsgjort fra skinnens geometri sørger videreutforming av oppfinnelsen for at det særlig benyttes skinner som har et treghetsmoment Ex med fortrinnsvis Ix > 3400 cm<4> og et motstandsmoment hvor Wx med fortrinnsvis Wx > 350 cm<3>.

Det er særlig sørget for en banelegemekonstruksjon for en fast togbane hvor skinnen er en kompaktskinne med et treghetsmoment lx med størrelse 3700 < Ix < 3800 cm<4 >og et motstandsmoment Wx med størrelse 390 < Wx < 410 cm<3>, og hvor det kan tilveiebringes en maksimal ønsket skinnespenning a (omtrent 70 ± 4 N/mm<2> for skinnestål UIC kvalitet A med strekkfasthet på 880 N/mm<2>) og hvor mellomsjiktet ved kompaktbaner har en stivhet x på omtrent 10 ± 2 kN/mm. Ved trafikkbærebjeiker med mindre akselbelast-ninger fremkommer stivheter som ligger under den tidligere angitte verdi.

I en videreutforming av oppfinnelsen sørger oppfinnelsen for at skinnen på fotsiden er utformet slik at foten ved svingningseksitering sender ut lydbølger med frekvens som i det vesentlige ligger utenfor et frekvensområde mellom 500 og 3000 Hz. Ved dette fremkommer en svingningsteknisk utforming av skinnefoten på en slik måte at det i betydelig omfang skjer en redusering av lydbølgene i luften.

I tillegg kan skinnen være utformet stegløst slik at det også hindres at det skjer påvirkninger fra uønskede lydbølger i luften.

Dersom skinnen har et steg bør dette være utformet slik at steget ved svingningseksitering sender ut lydbølger med en frekvens som i det vesentlige ligger utenfor et frekvensområde mellom 500 og 3000 Hz.

For å sikre at skinnen ikke kan vippe på grunn av den kjensgjerning at den hviler via befestigelsen på et forholdsvis bløtt mellomlegg, sørger en videreutforming av oppfinnelsen for at skinnen med befestigelsen som ribbeplate danner en enhet som bevirker en skinneutvidelse. Derved kan befestigelsen settes i mellomlegget og være omsluttet av dette langs kantsiden.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med noen ut-førelseseksempler og under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser et snitt gjennom en banelegemekonstruksjon med en første utførelsesform av en vignolskinne, fig. 2 viser et snitt gjennom en banelegemekonstruksjon med en andre utførelsesform av en vignolskinne, fig. 3 viser et snitt gjennom en banelegemekonstruksjon med en kompaktskinne, fig. 4 viser et snitt gjennom et mellomlegg med virksom mindre stivhet, fig. 5 viser mellomlegget på fig. 4 med virksom høyere stivhet, og fig. 6 viser en karakteristisk kurve.

På tegningene hvor like elementer i det vesentlige har like henvisningstall, er det vist utsnitt av en fast togbane omfattende en betongsville 10, en ribbeplate 16 forbundet med denne via skruer 12, 14, og en skinne festet på ribbeplaten, hvor det på fig. 1 dreier seg om en UIC60-skinne 18, på fig. 2 om en vignolskinne 20, som sammenliknet med UIC60-skinnen 18 er svingningsteknisk forandret med hensyn til steg 22 og fot 24, og en kompaktskinne 26 på fig. 3.

Hver skinne 18; 20, 26 er sikret med ribbeplaten 16 via egnede befestigelsesmidler som spennbøyler 28, 30 som støtter seg på føttene 24, henholdsvis 32, 34 av skinnene 20 henholdsvis 18 og 26. Her er forbindelsen mellom befestigelsesmidlene 28 og 30 og de aktuelle skinneføtter 24, 32, 34 på en slik måte at det dannes en mekanisk enhet som fører til en tilsynelatende skinnefotutvidelse. Ved dette får hver skinne 18, 20, 26 en høyere vippestabilitet.

Når det gjelder befestigelsen av ribbeplaten med betongsvillen 10 via skruene 12 og 14 skal det vises til vanlige konstruksjoner, særlig en slik som er beskrevet i WO 95/17552. Så langt skal denne publikasjon være gjenstand for den foreliggende oppfinnelse.

Uavhengig av typen av befestigelse mellom ribbeplaten 16 eller et element som virker på samme måte og svillen 10 er det imidlertid ifølge oppfinnelsen sørget for at det mellom ribbeplaten 16 henholdsvis en tilsvarende befestigelse for skinnen 18, 20, 26 og svillen 10 forløper et elastisk mellomlegg 36, 38 henholdsvis 40 med en stivhet x som avhenger av den maksimale ønskede skinnespenning i den aktuelle skinne 18, 20, 26. Her er ribbeplaten 16 fortrinnsvis innvulkanisert i mellomlegget 36, 38, 40 som på sin side har en såkalt knekket stivhetskarakteristikk. Dette betyr at mellomlegget 36, 38, 40 i dets arbeids-område hvor skinnen 18, 20, 26 ennå ikke har nådd den maksimalt tillatte skinnespenning, har myke egenskaper, men som så blir plutselig hard når den maksimalt tillatte skinnespenning oppstår. For å oppnå en såkalt knekket karakteristikk kan det velges konstruktive tiltak som er omtalt i WO 94/08093. Her skal det vises til den tilsvarende publikasjon som er gjenstand for den foreliggende beskrivelse.

Særlig skal det vises til tiltakene fra fig. 4 og 5 for å innstille mellomlegget til dets stivhet på en slik måte at det før den maksimalt tillatte skinnespenning oppnås foreligger myke egenskaper som så plutselig endrer seg til harde egenskaper når den maksimal tillatte skinnespenning foreligger.

Et av mellomleggene 36, 38, 40 på fig. 1-3 kan i prinsippet ha en oppbygging som vist på fig. 4 og 5 og forsynt med henvisningstall 42. Således har mellomlegget 42 via dets underside 44 utstående fremspring 46. Samtidig er fremspringene 46 ved ubelastet mellomlegg 42 omgitt av et fritt rom 48 (utsparing i mellomlegget 42). Dette frie rom 48 har et volum Wa som tilsvarer volumet Vb av fremspringene 46 avsnitt 50 som står ut over mellomleggets 42 underside 44.

Fremspringene 46 utøver bærefjærfunksjoner ved vanlig belastning av skinnen, altså før den maksimale tillatte skinnespenning er nådd, og støtter som følge av dette alene ribbeplaten 16. Ved økende kraftpåføring og den dermed forbundne økende skinnespenning trykker fremspringet 46 stadig mer inn i mellomlegget 42 med den følge at det frie rom 48 fylles av fremspringets 46 materiale. Er den maksimale tillatte skinnespenning nådd, så fyller fremspringet 46 ut hele det frie rom 48, slik at fremspringet 46 som følge av dette med dets endeflate 52 avsluttes i samme plan med mellomleggets 42 underside 44. Betinget av dette utøver hele mellomlegget 42 bærefunksjoner med den følge at mellomlegget 42 som helhet blir virksom med en høy stivhet. Dette betyr igjen at ved ytterligere kraftpåføring i skinnen kan dens skinnespenning ikke eller ikke i vesentlig omfang økes.

På fig. 5 er mellomlegget 42 vist med fremspringene 46 inntrykket i dette. Man ser at fremspringets endeflate 52 flukter med mellomleggets 42 underside 44.

På fig. 6 er det prinsipielt vist karakteristikken for mellomlegget 42. Således er nedsenkningen s vist i avhengighet av kraften som innvirker på mellomlegget 42. I området hvor den maksimalt tillatte skinnespenning ennå ikke er nådd viser karakteristikken et flatt forløp som så stiger steilt når den maksimalt tillatte skinnespenning er nådd.

Uttrykt på en annen måte blir mellomlegget 42 utlagt på en slik måte at skinnen er bøybar på en slik måte at den maksimalt tillatte skinnespenning kan tilveiebringes, og når denne foreligger kan en ytterligere nedbøying ikke lenger skje, da mellomlegget 42 har en høy stivhet x som fortrinnsvis bør ligge i området 100 kN/mm eller mer.

Ved maksimalt tillatt skinnespenning skal det her forstås den som kan inntreffe på undersiden av foten og som kan fastlegges for eksempel via strekklapper. Her er det for faste togbaner sørget for at den maksimalt ønskede skinnespenning utgjør 70 ± 4 N/mm ved vanlig hjullast på 101 for et kjøretøy som kjører på skinnen.

For å tillate en tilsvarende maksimal skinnespenning ved kjøring av det skinnegående kjøretøy med hjullasten på 10 t, blir stivheten x for det aktuelle mellomlegg 36, 38, 40 utlagt tilsvarende, det vil si at stivheten x for mellomlegget 36, 38, 40 reduseres sammenliknet med kjente banelegemekonstruksjoner, altså slik at skinnen 18, 20, 26 kan lagres mykere. Dermed fremkommer igjen en redusering av legemelydbølger, da skinnen 18, 20, 26 blir frakoplet fra svillen 10. Også støttepunktbelastningen blir redusert.

For realisering av lærdommen ifølge oppfinnelsen må det imidlertid særlig sørges for at mellomlegget 36, 38, 40 i forhold til deres fjæregenskaper henholdsvis stivhet har en såkalt knekket karakteristikk. Således har mellomlegget 36, 38, 40 elastiske henholdsvis "myke" egenskaper så lenge den maksimalt tillatte henholdsvis foregitte skinnespenning enda ikke er nådd. Foreligger derimot denne, så er mellomlegget 36, 38, 40 "hardt", og har altså en høy stivhet, slik at en ytterligere nedbøying av skinnen 18, 20, 26 og dermed økning av skinnespenningen uteblir.

Da en skinne i avhengighet av dens geometri mer eller mindre utøver funksjonen som en bærebjelke og dermed kan fremvise en lastdragende virkning fremkommer en reduksjon av stivheten x i mellomlegget dersom skinnens treghetsmoment Ix og motstandsmoment Wx økes, altså endres til for eksempel geometrien for en vanlig UIC60-skinne 18, som tilsvarende fig. 2 utvider steget 22 og skinnefoten 24 går over i steget 22 med mindre krumning. Fra dette resulterer det at skinnen 20 kan lagres mykere uten at den maksimale tillatte skinnespenning på særlig 70 ± 4 N/mm<2> overskrides. Myk lagring betyr imidlertid ytterligere fråkopling fra svillen 10 med den følge at legemelydbølgene som avgis fra skinnen 20 reduseres.

Enda bedre resultater fremkommer ved kompaktskinnen 26 på fig. 3, da det på grunn av det enda høyere treghetsmoment lx og motstandsmoment Wx kan skje en enda mykere lagring før den maksimalt tillatte skinnespenning er nådd.

Ved hjelp av geometrien betinget av skinnen 20 henholdsvis av kompaktskinnen 26 fremkommer den ytterligere fordel at foten 24 henholdsvis 34 sammenliknet med UIC60-skinnen 18 er forandret svingningsteknisk på en slik måte at ved svingningseksitering ligger den avgitte lydbølge ikke i det uønskede frekvensområde mellom 500 og 3000 Hz. Ved utvidelse henholdsvis endring av skinnens 20 steg 22 blir også luftlydbølgene som vanligvis avgis fra steget av en vignolskinne redusert.

På grunn av lærdommen fra oppfinnelsen at skinnen 18, 20, 26 blir lagret elastisk på mellomlegget 36, 38, 40 på en slik måte at den maksimalt tillatte skinnespenning kan oppnås ved vanlige hjullaster, men imidlertid hovedsakelig ikke overskrides på grunn av et knekket forløp av den karakteristiske kurve, fremkommer den fordel at en fråkopling mellom skinnen 18, 20, 26 og svillen 10 skjer på en slik måte at uønskede legemelydbølger forhindres. Blir det videre benyttet en kontaktskinne 26 eller en vignolskinne 20 med svingningsteknisk endret steg 22 og fot 24 for i stor grad å hindre emisjon av luftlydbølger i området mellom 500 og 3000 Hz, fremkommer en ytterligere lydteknisk forbedring av en fast togbane.

Ved å ta hensyn til lærdommen ifølge oppfinnelsen fremkommer det for en kompaktskinne at Vo 1-60 med Ix = 3760 cm<4>, Wx = 430 cm<3> og en maksimal tillatt skinnespenning på 73 N/mm<2> for mellomlegget 40 en stivhet på 10 kN/mm, hvorfra det igjen kan beregnes en maksimal støttepunktbelastning på 25,3 kN. Disse verdier gjelder i de arbeidsområder hvor den maksimale skinnespenning ikke overskrides. Blir denne derimot oppnådd, så endrer stivheten i mellomlegget 40 seg på en slik måte at dette er "hardt", blir altså i stor grad uelastisk, slik at en ytterligere nedbøying av skinnen uteblir. I dette "harde" område bør stivheten være x > 35 kN/mm.

Disse verdier viser at kompaktskinnen 26 frakoples fra underlaget 40 i et omfang slik at ved kjøring på skinnen 26 blir dens legemelydbølger overført bare i liten grad til svillen 10 og dermed fundamentet.

Claims (13)

1. Banelegemekonstruksjon for en fast togbane omfattende en skinne (18, 20, 26) anordnet over et underlag som en betongsville (10), hvor skinnen (18, 20, 26) på sin side går ut fra en befestigelse (16) som en ribbeplate, idet det mellom underlaget og befestigelsen (16) er anordnet i det minste et mellomlegg (36, 38, 40, 42) med en stivhet x, karakterisert ved at mellomleggets (36, 38, 40, 42) stivhet x er utlagt slik at mellomlegget (36, 38, 40, 42) ved den maksimalt tillatte og/eller foregitte skinnespenning i skinnen (18, 20, 26) har i det vesentlige uelastiske egenskaper på en slik måte at det ikke eller i det vesentlige ikke lenger skjer en ytterligere nedbøying av skinnen (18, 20, 26).

2. Banelegemekonstruksjon ifølge krav 1, karakterisert ved at mellomlegget (36, 38, 40, 42) i området med tillatt skinnespenning har en stivhet x hvor x < 20 kN/mm, fortrinnsvis 4 < x < 25 kN/mm.

3. Banelegemekonstruksjon ifølge et av kravene 1-2, karakterisert ved at når den maksimale tillatte skinnespenning foreligger har mellomlegget (36, 38, 40, 42) en stivhet x 35 kN/mm, særlig x > 90 kN/mm, fortrinnsvis i området 100 kN/mm eller større.

4. Banelegemekonstruksjon ifølge et av kravene 1-3, karakterisert ved at skinnen er en vignolskinne (20) med en maksimal tillatt skinnespenning fra 70 til 100 N/mm , og mellomlegget (36, 38, 40, 42) har en stivhet x på 4 til 16 kN/mm før den maksimale tillatte skinnespenning blir nådd.

5. Banelegemekonstruksjon ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at skinnen er en kompaktskinne (26), fortrinnsvis av et skinnestål i UIC kvalitet A, med strekkfasthet omtrent 880 N/mm<2>, med et treghetsmoment Ix med Ix < 3700 cm<4> og/eller et motstandsmoment Wx med Wx < 390 cm<3>, og at mellomlegget (40) ved maksimal ønsket skinnespenning på omtrent 70 ± 4 N/mm<2> har en stivhet x på omtrent 10 ± 2 kN/mm.

6. Banelegemekonstruksjon ifølge et av kravene 1-5, karakterisert ved at skinnens (20) fot ved svingningseksitering sender ut lydbølger med frekvens som ligger i det vesentlige utenfor et frekvensområde mellom omtrent 500 og 3000 Hz.

7. Banelegemekonstruksjon ifølge et av kravene 1-6, karakterisert ved at skinnen (26) er utformet trinnløs.

8. Banelegemekonstruksjon ifølge et av kravene 1-7, karakterisert ved at skinnen (20) stegsidig er utformet slik at steget (22) ved svingningseksitering sender ut lydbølger med en frekvens som ligger i det vesentlige utenfor et frekvensområde mellom omtrent 500 og 3000 Hz.

9. Banelegemekonstruksjon ifølge et av kravene 1-8, karakterisert ved at skinnen (18, 20, 26) med befestigelse (16) danner en enhet som bevirker en skinnefotutvidelse.

10. Banelegemekonstruksjon ifølge et av kravene 1-9, karakterisert ved at befestigelsen (16) er satt i mellomlegget (36, 38,40) fortrinnsvis omsluttet av denne langs kanten.

11. Banelegemekonstruksjon ifølge minst krav 1, karakterisert ved at mellomleggets (36, 38, 40, 42) stivhet x er utlagt slik at skinnen (18, 20, 26) under foten er deformerbar til en skinnespenning i området fra 70 til 100 N/mm .

12. Banelegemekonstruksjon som for en fast togbane omfattende en skinne (18, 20, 26) anordnet over et underlag som en betongsville (10), hvor skinnen (18, 20, 26) på sin side utgår fra en befestigelse (16) som en ribbeplate, idet det mellom underlaget og befestigelsen (16) er anordnet i det minste et mellomlegg (36, 38, 40, 42) med en stivhet x, karakterisert ved at når mellomlegget (42) er ubelastet har det fra sin underside (44) utstående fremspring (46) som innenfor mellomlegget er omgitt langs omkretsen av et fritt rom (48), idet hvert fritt rom har et volum (Va) som er likt et volum (Vb) som tilsvarer volumet av et fremspring (46) i dets avsnitt (50) som står ut fra undersiden av mellomlegget (42), og når en maksimal tillatt og/eller foregitt skinnespenning er nådd i skinnen (18, 20, 26) blir fremspringene (46) trykket inn i mellomlegget (42) på en slik måte at fremspringene (46) forløper i plan med mellomleggets (42) underside (44).

13. Banelegemekonstruksjon ifølge i det minste krav 12, karakterisert ved at når den maksimale tillatte skinnespenning foreligger er volumene av de frie rom (48) fullstendig utfylt av fremspringenes (46) materiale, og fremspringene (46) er avsluttet i plan med undersiden (44) av mellomlegget (42) for å oppnå en høy stivhet (x) av mellomlegget (42), særlig for å oppnå en stivhet (x) i området på 100 kN/mm.