DE2657860B1

DE2657860B1 - Gleis fuer Schienenfahrzeuge

Info

Publication number: DE2657860B1
Application number: DE2657860A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dr-Ing Heller; Erwin Dr Rer Nat Raquet; Gerhard Dr-Ing Tacke
Original assignee: Fried Krupp Huettenwerke AG
Current assignee: Krupp Stahl AG
Priority date: 1976-12-21
Filing date: 1976-12-21
Publication date: 1978-06-29
Also published as: NL7713863A; BE861987A; FR2375390B1; DE2657860C2; CH633847A5; IT1089774B; US4203546A; FR2375390A1; ATA43077A; AT346883B; GB1574192A; DK569177A; JPS5380606A; JPS5755843B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Gleis für Schienenfahrzeuge, bei dem jede auf dem Untergrund, insbesondere mittels in Abständen voneinander angeordneten Schwellen befestigte Schiene durch das Rad des darüber rollenden Fahrzeuges zu Schwingungen angeregt wird, wobei zur Dämpfung dieser Schwingungen an der Schiene über deren Länge verteilt zusätzliche Massen angebracht sind.

Im Betrieb entstehen auf der Lauffläche der Schiene in Schienenlängsrichtung sich abwechselnde Berge und Täler, sogenannte Riffeln. Ein über eine Schiene mit Riffeln rollendes Rad erzeugt ein mit der Geschwindigkeit des Rades zunehmendes Geräusch, das im Vergleich zu dem von einem über eine riffelfreie Schiene rollenden Rad stark erhöht ist. Nicht erst in jüngster Zeit, wo das Geräuschproblem aus Gründen des Umweltschutzes von Bedeutung ist, sondern schon seit vielen Jahrzehnten, beschäftigt man sich mit der Entstehung und Beseitigung der Riffeln, denn neben der Lärmbelästigung werden auch der Schienenunterbau und die Schienenbefestigung durch die beim Befahren von Schienen mit Riffeln entstehenden Erschütterungen stark beansprucht und sogar beschädigt. Entsprechende Gefahren bestehen für das über eine Schiene mit Riffeln rollende Fahrzeug.

Ohne den Mechanismus der Entstehung der Riffeln im einzelnen erklären zu können, hat man bisher allgemein vermutet, daß die Riffelbildung mit den Schwingungen des Systems Schiene-Rad zusammenhängt.

Zur Verkleinerung bzw. zur Beseitigung der Riffelbildung gibt es eine Reihe von ausgeführten und nicht ausgeführten Vorschlägen. So wurde vorgeschlagen (»Eisenbahningenieur« (1976), 5, Seiten 200—207), eine besondere Legierung für das Schienenmaterial zu verwenden und/oder die Schiene auf einem weniger elastischen Oberbau anzuordnen. Ferner wurde vorgeschlagen, besondere Maßnahmen am Rad bzw. am Radsatz, z. B. Verkleinerung der ungefederten Radsatzmasse, vorzunehmen. Ferner wurde vorgeschlagen (DE-PS 9 66 656, CH-PS 3 21 783), zur Dämpfung der Eigenschwingungen der Schiene in ungleichen Abständen über die Schienenlänge verteilte Querschnittsveränderungen, z. B. in Form von Verdickungen (zusätzliche Massen) vorzusehen. Alle diese Vorschläge haben bis heute zu keinem befriedigenden Ergebnis geführt. Nach wie vor ist es nötig, die Riffeln auf der Oberfläche der Schiene von Zeit zu Zeit abzuschleifen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gleis für Schienenfahrzeuge zu schaffen, bei dem sich auf der Schienenlauffläche keine oder zumindest nur in geringem Maße Riffeln bilden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Massen Teile eines aus Masse und Feder mit Dämpfung auf die Eigenfrequenz jeder Schiene abgestimmten und an ihr angekoppelten Schwingungssystems sind.

Mit diesen Merkmalen (Resonanzabsorber) wird ein Abbau der Schwingungen in allen Richtungen erreicht Es werden also nicht nur die für die Riffelbildung verantwortlichen Vertikalschwingungen, sondern auch die insbesondere für die Schallabstrahlung verantwortlichen Horizontal- und Torsionsschwingungen abgebaut. Vorzugsweise ist das Schwingungssystem auf die Eigenfrequenz der Schiene beim Maximum der Amplitude der vertikalen Schwingungen abgestimmt. Bei dieser Maßnahme ist die Erfindung von der Erkenntnis ausgegangen, daß das von dem darüberrollenden Rad breitbandig zu Schwingungen angeregte System Schiene ein ausgeprägtes Maximum für die Amplituden der Vertikalschwingungen in einem bestimmten Frequenzbereich hat. In Abhängigkeit vom Schienenprofil (z.B. S49 oder UIC-60) und dem

Schwellenabstand (etwa 0,6 m) liegt das Maximum im Bereich von etwa 900 bis 1200 Hz. Vergleichsmessungen an Schienen mit und ohne das erfindungsgemäße Schwingungssystem ergeben folgendes: Bei einer UIC-60-Schiene im Schotterbett mit Betonschwellen lag das ausgeprägte Maximum der Vertikalschwingungen bei 1130 Hz. Die Schiene wurde mit 160 km/h befahren. Bei riffelfreier Schienenlauffläche betrug die Amplitude bis zu 0,01 mm, wobei eine Beschleunigung von etwa 50 g erreicht wurde. Infolge der im Betrieb sich bildenden Riffeln stieg die Amplitude auf etwa den zehnfachen Wert und auch die Beschleunigung sowie die Kräfte zwischen der Schiene und dem darüberrollenden Rad an. Bei einem Gleis mit dem erfindungsgemäßen Schwingungssystem dagegen wurde das ausgeprägte Maximum der Amplitude der vertikalen Schwingungen unterdrückt. Es entstanden zwar zwei neue Nebenmaxima, deren Werte lagen aber etwa um den Faktor 10 unter dem Wert des ersten einzigen Maximums. Für die Belastung der Schiene und auch des Rades sowie des Fahrzeuges bedeutet das eine Verringerung der Kräfte. Wie groß im einzelnen die Masse, die Federsteifigkeit und die Dämpfung des Schwingungssystems zu wählen sind, läßt sich durch einfache Versuche aber auch durch Rechnung bestimmen.

Eine weitere Verringerung der Belastung läßt sich dadurch erreichen, daß das Schwingungssystem derart abgestimmt ist, daß die entstehenden Nebenmaxima außerhalb der Frequenzen liegen, bei denen die anregenden Kräfte ihr Maximum haben, vorzugsweise bei den Frequenzen liegen, bei denen die anregenden Kräfte ihr Minimum haben.

Für die Ausführung des Schwingungssystems gibt es verschiedene Möglichkeiten. Nach einer ersten Ausführung besteht es aus einer Vielzahl von Einzelschwingungssystemen, die längs der Schiene mit Abstand voneinander insbesondere zwischen und/oder im Bereich der Schwellen angeordnet sind. Es ist aber auch möglich, daß sich das Schwingungssystem lückenlos in Längsrichtung der Schiene erstreckt.

Auch hinsichtlich der Lage der Masse an der Schiene gibt es verschiedene Möglichkeiten. Bei einer ersten Ausführung ist die Masse unter dem Schienenfuß angeordnet, während sie bei einer zweiten Ausführung am Schienensteg, insbesondere aufgeteilt auf beide Seiten des Schienensteges, angeordnet ist.

Die Masse kann über eine Tellerfeder an der Schiene angekoppelt sein. Diese Kopplungsmöglichkeit bietet sich vor allem dann an, wenn die Masse unter dem Schienenfuß befestigt ist. Ist die Masse am Steg angeordnet, wird sie bevorzugt über eine Biegebalkenfeder daran befestigt.

Als Dämpfung für die Feder eignet sich vor allem ein Stoff mit innerer Reibung. Z. B. könnte das Schwingungssystem in öl eingebettet sein. Als geeignet hat sich unter Vorspannung stehendes Gummi erwiesen, zwischen dem die Feder angeordnet ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigt

F i g. 1 ein Diagramm einer Schiene ohne und mit Schwingungssystem,

Fig.2 eine Schiene im Querschnitt mit zwischen Schwellen unter dem Schienenfuß angeordneten Schwingungssystem,

Fig.3 eine Schiene im Querschnitt mit unter dem Schienenfuß im Bereich der Schwelle angeordneten Schwingungssystem,

Fig.4 eine Schiene im Querschnitt nach der Linie II-II der F i g. 5 mit einem beidseitig des Schienensteges angeordneten Schwingungssystem und

F i g. 5 eine Seitenansicht der Schiene gemäß F i g. 4 mit einem Schnitt längs der Linie I-I der Fig.4 durch das Schwingungssystem.

Die Schiene 1 eines Schienenfahrzeuges ist über nur in Fig.3 dargestellte Rippenplatten 2 auf nicht dargestellten Schwellen auf dem Untergrund, z. B. einem Schotter- oder Betonuntergrund, festgelegt. Wird eine solche Schiene 1 von einem Rad eines Schienenfahrzeuges überrolt, dann wird die Schiene zu Schwingungen angeregt Bei einer Schiene 1 vom Typ UIC-60, die auf Schwellen in einem Abstand von 0,6 m angeordnet ist, entstehen durch Anregung des darüberrollenden Rades Schwingungen. Es hat sich gezeigt, daß das Maximum dieser Schwingungen (Resonanzstelle) praktisch unabhängig von der Art der Schwellen und unabhängig vom Untergrund und unabhängig von der Geschwindigkeit des darüberrollenden Fahrzeuges bei etwa 1130Hz liegt. So wurde festgestellt, daß der Riffelabstand einer normalerweise mit 160 km/h befahrenen Meßstrecke 40 mm betrug. Dieser Abstand von 40 mm ist die Entfernung, die das Fahrzeug innerhalb einer Schwingungsdauer bei einer Schwingungsfrequenz von 1130Hz zurücklegt. Aus diesen Meßdaten läßt sich der Mechanismus der Riffelentstehung erklären: Bei einer zufälligen Unebenheit in der Schienenlauffläche wird die Schiene zu hohen Schwingungsamplituden mit einer Frequenz von 1130Hz angeregt. Dabei entstehen so große Kräfte, daß in der Schienenlauffläche und am Rad plastische Deformationen entstehen. Nach der Schwingungsanregung schwingt die Schiene zunächst in der ersten Schwingungsphase vom Rad weg. Es erfolgt also eine Entlastung zwischen Rad und Schiene. In der anschließenden Schwingungsphase schwingt die Schiene nach oben und es erfolgt eine hohe Belastung im Berührungspunkt zwischen Rad und Schiene, so daß es an der Schiene und am Rad zu plastischen Deformationen kommt. Während die plastischen Markierungen auf dem Rad sich durch natürlichen Verschleiß bald zurückbilden, verstärken sich die Markierungen auf der Schienenlauffläche durch die immer wieder phasengerechten Belastungen der nachfolgenden Räder, so daß allmählich Riffeln entstehen. Es wurde nun festgestellt, daß die Beschleunigung der Schiene und damit auch die Belastung um ein Vielfaches ansteigt, sobald sich an der Schienenoberfläche Riffeln gebildet haben.

In F i g. 1 ist das Diagramm (ausgezogene Kurve) für die Amplitude der Schwingungen über die Frequenz am Beispiel einer UIC-60-Schiene mit glatter Oberfläche bei einem Schwellenabstand von 60 cm dargestellt.

F i g. 1 zeigt ferner, daß das Schwingungssystem bei 1130 Hz unterdrückt wird und zwei neue Nebenmaxima (gestrichelte Linie) entstehen, deren Absolutwerte aber mindestens um den Faktor 10 kleiner sind. Die neue Kurve gilt für ein Schwingungssystem gemäß F i g. 2 mit einer Masse von 6 kg, einer Federkonstanten von 2,8 χ 10° N/m und einer Dämpfungskonstanten von 4920 Ns/m.

Das unter dem Schienenfuß angeordnete Schwingungssystem gemäß F i g. 2 besteht aus einer Tellerfeder 3, die zwischen unter Vorspannung stehenden und in allseits verschlossenen Kammern eingebetteten Hartgummikörpern 4,5 eingespannt ist, und aus einer niittig an der Tellerfeder 3 mittels eines Schraubenbolzens 6 befestigten Masse 7. An dem Rand der Tellerfeder J ist

ein Befestigungselement 8 angeschlossen, das die seitlichen Ränder des Schienenfußes klemmend umgreift. Die Kammern für die unter Vorspannung stehenden Gummikörper 4, 5 werden gebildet von der Tellerfeder 3, dem Befestigungselement 8 und darin eingebetteten Deckeln 9,10.

Das in F i g. 3 dargestellte Schwingungssystem unterscheidet sich von dem der Fig.2 nur darin, daß das Befestigungselement 8a an der Rippenplatte 2 statt am Schienenfuß unmittelbar befestigt ist. Während das Schwingungssystem gemäß Fig. 2 zwischen den Schwellen angeordnet ist, wird das Schwingungssystem gemäß Fig.3 für die Befestigung im Bereich der Schwelle vorgesehen. Die Kopplung an die Schiene 1 erfolgt hier über die Rippenplatte 2. Die Schiene 1 ist durch nicht dargestellte Klemmittel gegen Abheben von der Rippenplatte 2 gesichert

Das Schwingungssystem gemäß F i g. 4 und 5 ist für die Befestigung am Schienensteg bestimmt. Es eignet sich insbesondere dann, wenn das Schwingungssystem sich lückenlos in Längsrichtung der Schiene erstrecken soll. Dieses Schwingungssystem kann aber selbstverständlich auch aus Einzelsystemen bestehen, die dann in Abständen voneinander an der Schiene angeordnet sind. Beim Ausführungsbeispiel der Fig.4 und 5 ist das Schwingungssystem zu beiden Seiten des Schienensteges angeordnet und hat den gleichen Aufbau. Es besteht aus einer sich in Längsrichtung der Schiene 11 erstreckenden Biegebalkenfeder 12, die an beiden Enden über brückenartig sich am Schienenfuß und Schienenkopf abstützende Elemente 13, 14 mit diese Elemente durchdringende Schraubenbolzen 15, 16 am Schienensteg befestigt ist. Die Schraubenbolzen 15, 16 können entweder unmittelbar am Schienensteg befestigt sein oder aber den Schienensteg durchdringen und gleichzeitig die gegenüberliegenden brückenartigen Elemente befestigen. Mittig an der Biegebalkenfeder 12 ist eine Masse 17 mittels eines Schraubenbolzens 18

ίο befestigt. Die Masse 17 besteht aus zwei länglichen quaderförmigen Blöcken 17a, 17Zj, die zu beiden Seiten der Biegebalkenfeder 12 angeordnet und in der Mitte über einen Steg 17c miteinander verbunden sind. An diesem Steg 17c ist die Biegebalkenfeder 12 mittels des Schraubenbolzens 18 befestigt. In den Spalten zwischen den quaderförmigen Blöcken 17a, 176 der Masse 17 und der Biegebalkenfeder 12 sind Blöcke aus Hartgummi bzw. Hartgummikörper 19 als Dämpfung eingeklemmt.

Wie bereits ausgeführt, läßt sich durch einfache Versuche, aber auch nach der Schwingungslehre, durch Rechnung für ein bestimmtes System Schiene die Zusatzmasse, die Federkonstante und die Dämpfungskonstante bestimmen. Für eine Schiene vom Typ UIC-60 mit einem Schwellenabstand von 0,6 m setzt man beispielsweise zwischen den Schwellen jeweils ein Schwingungssystem gemäß Fig.2 ein, das eine Masse von 4 bis 8 kg, eine Federkonstante von 2 bis 3 χ 10⁸N/m und eine Dämpfungskonstante von 4 bis 6 χ 10³Ns/mhat

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gleis für Schienenfahrzeuge, bei dem jede auf dem Untergrund, insbesondere mittels in Abständen voneinander angeordneten Schwellen befestigte Schiene durch das Rad des darüberrollenden Fahrzeuges zu Schwingungen angeregt wird, wobei zur Dämpfung dieser Schwingungen an der Schiene über deren Länge verteilt zusätzliche Massen angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Massen (7, 17) Teile eines aus Masse (7, 17) und Feder (3, 12) mit Dämpfung auf die Eigenfrequenz der Schiene (1, 11) abgestimmten und an ihr angekoppelten Schwingungssystems sind.

2. Gleis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungssystem auf die Eigenfrequenz der Schiene (1,11) bei Maximum der Amplitude der vertikalen Schwingungen abgestimmt ist.

3. Gleis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungssystem derart abgestimmt ist, daß die entstehenden Nebenmaxima außerhalb der Frequenzen liegen, bei denen die anregenden Kräfte ihr Maximum haben, vorzugsweise bei den Frequenzen liegen, bei denen die anregenden Kräfte ihr Minimum haben.

4. Gleis nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungssystem aus einer Vielzahl von Einzelschwingungssystemen besteht, die längs der Schiene (1, 11) mit Abstand voneinander, insbesondere zwischen und/oder im Bereich der Schwellen angeordnet sind.

5. Gleis nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungssystem sich lückenlos in Längsrichtung der Schiene (11) erstreckt.

6. Gleis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse (7) unter dem Schienenfuß angeordnet ist.

7. Gleis nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse (17) am Schienensteg, insbesondere aufgeteilt auf beide Seiten des Schienensteges, angeordnet ist.

8. Gleis nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse (7) über eine Tellerfeder (3) an der Schiene angekoppelt ist.

9. Gleis nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse (17) über eine Biegebalkenfeder (12) an der Schiene angekoppelt ist.

10. Gleis nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfung für die Feder (3, 12) aus einem Stoff mit innerer Reibung besteht.

11. Gleis nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Stoff für die Dämpfung unter Vorspannung stehendes Gummi vorgesehen ist.

12. Gleis nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Vorspannung stehenden Hartgummikörper (4,5, 19) die Feder (3,12) einklemmen.