EP0234204A2 - Verfahren und Vorrichtung zum Richten einer Eisenbahnschiene in einer Rollenrichtmaschine - Google Patents

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EP0234204A2
EP0234204A2 EP87100231A EP87100231A EP0234204A2 EP 0234204 A2 EP0234204 A2 EP 0234204A2 EP 87100231 A EP87100231 A EP 87100231A EP 87100231 A EP87100231 A EP 87100231A EP 0234204 A2 EP0234204 A2 EP 0234204A2
Authority
EP
European Patent Office
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rail
rollers
roller
straightening
last
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP87100231A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP0234204A3 (de
Inventor
Wilhelm Dr.-Ing. Heller
Reinhard Dr.-Ing. Schweitzer
Gerfried Dipl.-Ing. Vanino
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Krupp Stahl AG
Original Assignee
Krupp Stahl AG
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Publication date
Application filed by Krupp Stahl AG filed Critical Krupp Stahl AG
Publication of EP0234204A2 publication Critical patent/EP0234204A2/de
Publication of EP0234204A3 publication Critical patent/EP0234204A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D3/00—Straightening or restoring form of metal rods, metal tubes, metal profiles, or specific articles made therefrom, whether or not in combination with sheet metal parts
    • B21D3/02—Straightening or restoring form of metal rods, metal tubes, metal profiles, or specific articles made therefrom, whether or not in combination with sheet metal parts by rollers
    • B21D3/05—Straightening or restoring form of metal rods, metal tubes, metal profiles, or specific articles made therefrom, whether or not in combination with sheet metal parts by rollers arranged on axes rectangular to the path of the work

Definitions

  • the invention relates to a method for straightening a railroad track in a roller straightening machine according to the preamble of the main claim.
  • the invention further comprises a roller straightening machine suitable for carrying out the method.
  • Rails produced by hot rolling rail steels in appropriately calibrated rolls cool in air to room temperature after rolling on cooling beds.
  • the rails bend when they cool down. In order to meet the high flatness requirements for the running surface, the rails must therefore be straightened.
  • the rail When straightening in roller straightening machines, the rail is subjected to opposing bending deformations by means of alternating individual bends over head and foot as it passes through the staggered upper and lower rollers, which forces each cross-section of the rail to undergo a path that reverses several times in its incline, alternating maxima in contact of the rail foot with the lower rollers and minima when the rail head comes into contact with the upper rollers.
  • Two top rollers and the associated bottom roller and two bottom rollers or the associated center top roller are each referred to as a triangle.
  • the maxima and minima that occur with the opposite bending deformations in the continuous path are brought about by positioning the lower rollers against the foot of the rail, with a lower roller adjustment decreasing towards the outlet side being provided according to the prior art. If a rail passes through the roller system with such a normal adjustment of the lower rollers, then it experiences alternating bends or curvatures up and down with maxima and minima until the desired flatness is finally achieved. Since the rail cross-section is plastically formed by the alternating opposing bending deformations when the rolls are straightened, but the shape changes are different over the cross-section, internal stresses arise in the rails oriented in this way.
  • the residual stresses on the running surface and on the underside of the rails are positive in the longitudinal direction, ie they lie Tensile stresses that are opposed by residual compressive stresses in the web.
  • the residual stresses increase with increasing strength of the rail material.
  • the process for straightening rails in a 9-roll machine (seven straightening rolls plus entry and exit rolls) and the residual stresses that occur when straightening the rails are described in detail in DE-Z Stahl und Eisen 105 (1985), No. 25-26 , Pages 1451 - 1456, esp.pictures 9 and 10 on page 1455.
  • the longitudinal tensile stresses for a UIC 60 rail reach 90 A (strength: 950 N / mm 2 ) in the head up to 200 N / mm 2 and in the base up to 260 N / mm2, for a UIC 60 rail in the S grade 1200 (strength: 1250 N / mm 2 ) in the head up to 250 N / mm 2 and in the foot up to 400 N / mm2.
  • the elastic strains of the head and foot correspond to the tensile residual stresses to be measured there.
  • the equilibrium is maintained by elastic compression of the web in accordance with the compressive residual stresses to be measured there.
  • the high residual tensile stresses affect the structural strength and the break resistance of the rails. Although they are converted to residual compressive stresses on the running surface during operation, they remain on the underside of the foot.
  • the directional effect is achieved in such a way that the rail is first strongly bent with the head in the pull zone by appropriately adjusting the first lower roller. Starting from this state of curvature, the rail is then bent with decreasing amounts with decreasing amounts of the second and third lower rollers by successive action of upper and lower rollers (directional triangles) with the foot or head in the pull zone until it is straight.
  • the common tangent to the top rollers specifies the desired trajectory in relation to the rail head. In this way, good results can be achieved with regard to the straightness of the rails, but only have very little influence on the longitudinal residual stresses in the foot. It is an object of the present invention to further develop the method of the type described above for the roller straightening of railroad tracks in such a way that the longitudinal tensile stresses in the rail foot, which determine the break resistance of the rail in operational use, are decisively reduced.
  • the rail follows an overall curved continuous path with the center of curvature below the rail foot and is bent in such a way that the minima of the rail that each rail section in the straightening machine on its way to passes through the last directional triangle, is the corner point of an imaginary polyline that rises on the inlet side and falls to the last directional triangle and the maxima are above the polygonal line, and that each rail section with an end curvature to be removed by the last directional triangle with a radius of 15 - 60 m into the last directional triangle comes in.
  • each section of the rail thus describes an arc directed upwards, limited by the pressure on the top rollers.
  • This curve is modulated by the individual bends (maxima and minima) of the continuous path.
  • the necessary adjustments of the middle upper rollers and the lower rollers are selected taking into account the spring back of the rail so that the rail receives a constant end curvature before the rail enters the last directional triangle.
  • the radius of curvature is 15 - 60 m depending on the rail quality and the intended directional effect.
  • This end curvature which is constant on the last section of the polygon, is converted into a straight track of the rail in the last directional triangle, formed by the last upper roller, the last lower roller and the outfeed roller.
  • the arc of the rail continuous path curved toward the top rollers is preferably designed in such a way that the rail section with constant end curvature and the minima of the individual bends lie on a common circular arc.
  • the middle top rollers are set an equal amount higher than the top and bottom rollers.
  • the upwardly curved arc of the rail pass can be designed such that the minima of the individual bends lie on a circular arc with a larger radius than the radius of the end curve.
  • the last maximum of the individual bends must be set accordingly before the rail enters the last directional triangle. The setting is selected taking into account the springback so that the deflection of the upwardly curved rail in the range between this maximum and the last minimum corresponds to the desired constant end curvature.
  • rails oriented in accordance with the invention surprisingly have very low longitudinal tensile stresses on the underside of the foot, as will be explained in the examples below.
  • the curvature of the rail path that is essential for the method according to the invention, curved upward to modulate the individual deflections due to the adjustment of the lower rollers, with constant end curvature before entering the last directional triangle can also be achieved if a smaller diameter is provided for the two middle upper rollers than the diameter of the outer top rollers, with the axes of the top rollers lying in the same plane.
  • the rail receives the required curvature over the rail head, passing into a uniform end curvature before it is bent into the required straight line by the directional triangle on the outlet side.
  • very low longitudinal tensile stresses in the rail base are achieved.
  • roller straightening machines with the features of claims 4 to 6 are suitable for carrying out the method according to the invention.
  • roller straightening machine With the roller straightening machine according to claims 4 and 5, it is possible to set the respective curvature of the upward curved trajectory of the rail according to the desired tension conditions in the rail foot within certain limits.
  • a roller straightener with the features of claim 6, according to which the middle top rollers have a smaller diameter than the outer top rollers, the radius of curvature of the rail pass is determined by the diameter of the middle rollers binding.
  • Such a machine can, however, be used advantageously where rails of constant quality and dimension are to be straightened. Then you can choose the diameter of the middle rollers from the outset so that the optimal judging result is guaranteed.
  • FIG. I a 9-roll straightening machine is shown in which the two middle upper rolls are adjustable in height. This representation is associated with FIG. 2, a representation of the curved rail path over the individual directional triangles predetermined by the rollers.
  • FIG 3 shows a further 9-roll straightening machine in which the middle upper rolls have a smaller diameter than the two outer upper rolls.
  • FIG. 4 shows a representation of the upward curved path of the rail through the straightening machine according to FIG. 3.
  • roller straightening machine R 1 In the case of Fig . 1 schematically shown roller straightening machine R 1 , four upper rollers 1, 3, 5 and 7 and a lower inlet roller E, three lower straightening rollers 2, 4 and 6 and a lower outlet roller A are mounted in a machine stand 8.
  • the middle top rollers 3 and 5 are height adjustable. In this example, all rollers have a diameter of 950 mm. The distance between the top rollers on the one hand and the bottom rollers on the other is 1,500 mm, based on the roller axes.
  • the lower rollers 2, 4 and 6 are each centered on the corresponding upper rollers 1, 3, 5 and 7.
  • the lower rollers 2, 4 and 6 as well as the inlet roller E and the outlet roller A are also adjustable in height.
  • All top rollers are driven by drive means, not shown.
  • a rail 9 is directed between the upper rollers and the lower rollers.
  • the rail rests with its head 9a on the upper rollers and with its foot 9b on the lower rollers.
  • the middle upper rollers 3 and 5 are raised by an equal amount of 73 mm compared to the straight connection between the contact lines of the first upper roller 1 and the fourth upper roller 7 with the rail head 9a.
  • the continuous rail describes a (imaginary) polygon P with the corner points 1 ', 3', 5 ', 7'.
  • the lower rollers are positioned above the sides of the polyline P upwards.
  • the lower roller 2 is set 22 mm higher, so that the (imaginary) polygon path 1'-3 'is bent upwards. This deflection gives the first maximum 2 'of the bending of the rail.
  • the lower roller 4 is set 18 mm higher than the polygon segment 3'-5 '(maximum 4'), the lower roller 6 is 15 mm higher than the polygon segment 5'-7 '(maximum 6').
  • FIG. 3 shows another roller straightening machine R 2 . It corresponds essentially to the roller straightening machine R 1 described in FIG. 1 .
  • the reference numerals, as mentioned in Fig. 1, are therefore retained.
  • the difference to the roller straightener R 1 is that in the roller straightener R 2 the middle upper rollers 3 and 5 have fixed axles that are in line with the axes of the upper rollers 1 and 7.
  • the diameter of the upper rollers 3 and 5 is smaller than the diameter of the outer upper rollers 1 and 7. In this example, it is 930 mm compared to 950 mm of the rollers 1 and 7.
  • a UIC 60 rail with a height of 172 mm is straightened.
  • the lower roller 2 is set 22 mm higher than the polygon path 1'-3 '(maximum 2').
  • the lower roller 4 is raised by 8 mm (maximum 4 ') beyond the polygon path 3'-5'.
  • the lower roller 6 is raised by 20 mm beyond the polygon path 5'-7 '(maximum 6').
  • the dashed lines denote the spreading area according to the usual roller straightening, while the dash-dotted lines limit the spreading area which results in the footing area when straightening according to the invention.
  • the pre-curvature of the rail with a constant final curvature before entering the last directional triangle is of crucial importance for the method according to the invention.
  • the splint still has the residual stress state with high longitudinal tensile stresses in the foot.
  • the upward curved rail is then straightened in the last triangle and stretched so permanently in the foot that the total length of the rail foot is increased and the length of the almost undeformed rail web is adjusted again.
  • length compensation by means of elastic expansions or corresponding tensile residual stresses is no longer the same as in conventional roller straightening, so that the longitudinal tensile stresses in the foot are consequently zero or close to zero.
  • the profile S 49 with a section modulus of 240 cm 3 and a meter mass of 49 kg / m can be used without loss of long-term load-bearing capacity even in the event of corrosion and the notches made with it.
  • the advantages in terms of fracture safety according to fracture mechanical assessment are just as significant.
  • the linear elastic fracture mechanics describes the conditions under which a component breaks brittle starting from an already existing crack. It can be used on rails. Thereafter, the safety against breakage of splints increases if a crack as deep as possible is borne before the breakage occurs with the same external stress.
  • the usual roller-oriented UIC 60 rail in quality 90 A was subjected to a permanent crack of 9 mm in the fatigue test before it broke brittle at an upper tension of 205 N / mrn2.
  • roller-oriented splint according to the invention with 28 mm suffered a permanent tear three times as deep before the break occurred at the same upper tension.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Straightening Metal Sheet-Like Bodies (AREA)
  • Wire Processing (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Rollenrichten einer Eisenbahnschiene in einer Rollenrichtmaschine, bei dem die Schiene bei ihrem Durchlauf durch die versetzt zueinander angeordneten Ober- u. Unterrollen mehrfach durch abwechselnde Einzelbiegungen über Kopf and Fuß gegensätzlichen Biegeverformungen (Maxima, Minima) unterworfen wird. Erfindungsgemäß wird die Schiene während des Durchlaufs derart über den Schienenkopf durchgebogen und es werden die Maxima und Minima derart aufeinander abgestimmt, daß die Schiene mit einer konstanten Endkrümmung mit einem Radius von 15 bis 60 m in das letzte Richtdreieck einläuft, in dem diese Krümmung wieder zu einer Geraden gebogen wird. Mit diesem Richtverfahren wird erreicht, daß die Schiene an der Schienenfußseite nahezu frei von Längszugeigenspannungen ist. Dadurch erhält die Schiene eine bessere Bruchsicherheit und Gestaltsfestigkeit.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Richten einer Eisenbahnschiene in einer Rollenrichtmaschine gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.
  • Die Erfindung umfaßt ferner eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Rollenrichtmaschine.
  • Durch Warmwalzen von Schienenstählen in entsprechend kalibrierten Walzen hergestellte Schienen kühlen nach dem Walzen auf Kühlbetten an Luft bis auf Raumtemperatur ab. Wegen der unterschiedlichen Verhältnisse von Masse zu Oberfläche bei Schienenkopf und -fuß verbiegen sich die Schienen jedoch beim Abkühlen. Um die hohen Ebenheitsanforderungen an die Fahrfläche zu erfüllen, müssen die Schienen daher gerichtet werden.
  • Beim Richten in Rollenrichtmaschinen wird die Schiene bei ihrem Durchlauf durch die versetzt zueinander angeordneten Ober- und Unterrollen mehrfach durch abwechselnde Einzelbiegungen über Kopf und Fuß gegensätzlichen Biegeverformungen unterworfen, die jedem Querschnitt der Schiene eine mehrfach in ihrer Steigung umkehrende Durchlaufbahn aufzwingen, wobei abwechselnd Maxima bei Kontakt des Schienenfußes mit den Unterrollen und Minima bei Kontakt des Schienenkopfes mit den Oberrollen auftreten.
  • Zwei Oberrollen und die dazugehörige Unterrolle und zwei Unterrollen bzw. die dazugehörige mittige Oberrolle werden jeweils als ein Richtdreieck bezeichnet.
  • Im letzten auslaufseitigen Richtdreieck wird eine von der gewünschten Geraden noch abweichende Biegeverformungskrümmung der Schiene bleibend beseitigt. Weltweit üblich ist heute ein Rollenrichtsystem von neun Rollen, wobei vier Oberrollen und drei Unterrollen den eigentlichen Richtvorgang bewirken, und die Schiene an der Einlauf- und der Auslaufseite von je einer weiteren Rolle getragen wird. Die Achsen der Unterrollen und der Auslaufrolle können in Höhenrichtung parallel über das Maß hinaus verschoben werden, das gerade noch einen freien Durchlauf der Schiene ermöglicht. Den Betrag dieser Verschiebung bezeichnet man als Anstellung. Die Achsen der Oberrollen sind dabei nicht anstellbar. Sie werden angetrieben, um den Durchlauf der Schiene zu bewirken. Die Maxima und Minima, die bei den gegensätzlichen Biegeverformungen in der Durchlaufbahn auftreten, werden bewirkt durch Anstellung der Unterrollen gegen den Fuß der Schiene, wobei nach dem Stand der Technik eine zur Auslaufseite hin abnehmende Unterrollenanstellung vorgesehen ist. Durchläuft eine Schiene das Rollensystem mit einer solchen üblichen Anstellung der Unterrollen, dann erfährt sie dabei abwechselnd Biegungen bzw. Krümmungen nach oben und unten mit Maxima und Minima, bis schließlich die erwünschte Ebenheit erreicht ist. Da beim Rollenrichten der Schienenquerschnitt durch die abwechselnden gegensätzlichen Biegeverformungen plastisch umgeformt wird, die Formänderungen jedoch über den Querschnitt unterschiedlich hoch sind, entstehen in den so gerichteten Schienen Eigenspannungen. An der Fahrfläche und an der Schienenunterseite sind dabei die Eigenspannungen in Längsrichtung positiv, d. h. es liegen Zugspannungen vor, denen Druckeigenspannungen im Steg gegenüberstehen. Die Eigenspannungen nehmen mit steigender Festigkeit des Schienenwerkstoffes zu. Das Verfahren zum Richten von Schienen in einer 9-Rollen-Maschine (sieben Richtrollen zuzüglich Ein- und Auslaufrolle) sowie die beim Richten der Schienen auftretenden Eigenspannungsverläufe sind ausführlich beschrieben in DE-Z Stahl und Eisen 105 (1985), Nr. 25-26, Seiten 1451 - 1456, insb. Bilder 9 und 10 auf Seite 1455.
  • Nach dieser Literaturstelle erreichen die Längszugeigenspannungen bei einer Schiene UIC 60 Güte 90 A (Festigkeit: 950 N/mm2) im Kopf bis zu 200 N/mm2 und im Fuß bis zu 260 N/mm2, bei einer Schiene UIC 60 in Güte S 1200 (Festigkeit: 1250 N/mm2) im Kopf bis zu 250 N/mm2 und im Fuß bis zu 400 N/mm2.
  • Die hohen Längszugeigenspannungen in Schienenkopf und -fuß beruhen darauf, daß diese Bereiche der Schiene durch das ' Rollenrichten gegenüber dem Schienensteg verkürzt werden, diese Verkürzungen jedoch durch elastische Dehnungen ausgeglichen werden, da dies der Zusammenhalt der Schiene erfordert.
  • Die elastischen Dehnungen von Kopf und Fuß entsprechen den dort zu messenden Zugeigenspannungen. Das Gleichgewicht wird durch elastische Stauchungen des Steges entsprechend den dort zu messenden Druckeigenspannungen gewahrt.
  • Die hohen Zugeigenspannungen beeinflussen die Gestaltfestigkeit und die Bruchsicherheit der Schienen. Zwar werden sie an der Fahrfläche während des Betriebes durch das Befahren in Druckeigenspannungen umgewandelt, aber an der Fußunterseite bleiben sie erhalten.
  • Man kann die Bruchsicherheit von Schienen erhöhen, indem die Längszugeigenspannungen im Schienenfuß abgebaut werden. Hierzu gibt es bereits verschiedene Ansätze. Man kann die Eigenspannungen z. B. durch Spannungsarmglühen entscheidend verringern. Auch sind Vorschläge bekannt, Schienen durch Recken eigenspannungsarm zu richten (DE-OS 32 23 346). Schließlich kann man nach einem nicht vorveröffentlichten Vorschlag der Anmelderin durch ein geeignetes Erwärmen des Schienensteges den Eigenspannungszustand beim Rollenrichten im günstigen Sinne verändern. Da aber das Rollenrichten das übliche Verfahren ist, nach dem Schienen im Erzeugungsfluß gerichtet werden, um hohen Ebenheitsanforderungen zu genügen, ist anzustreben, schon mit diesem Verfahren allein zu niedrigen Längseigenspannungen im Schienenfuß zu kommen.
  • In z. Z. üblichen Rollenrichtmaschinen für Schienen, z. B. einer 9-Rollen-Richtmaschine, sind lediglich die Unterrollen anstellbar, d. h. nur ihre Achsen sind in Höhenrichtung verschiebbar, die der Oberrollen dagegen nicht. Deren Achsen liegen auf einer Linie. Auch sind die Rollendurchmesser alle gleich.
  • Die Richtwirkung wird so erzielt, daß die Schiene zunächst mit dem Kopf in der Zugzone stark durch entsprechende Anstellung der ersten Unterrolle durchgebogen wird. Von diesem Krümmungszustand ausgehend wird dann mit abnehmender Anstellung der zweiten und der dritten Unterrolle durch aufeinanderfolgende Einwirkung von Ober- und Unterrollen (Richtdreiecke) die Schiene unter abnehmenden Beträgen mit dem Fuß bzw. Kopf in der Zugzone gebogen, bis sie gerade ist. Hierbei gibt die gemeinsame Tangente an die Oberrollen die angestrebte Durchlaufbahn in bezug auf den Schienenkopf vor. Auf diese Weise lassen sich gute Ergebnisse bezüglich der Geradheit der Schienen erreichen, jedoch die Längseigenspannungen im Fuß nur sehr wenig beeinflussen. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Verfahren der eingangs beschriebenen Art zum Rollenrichten von Eisenbahnschienen so weiterzuentwickeln, daß die die Bruchsicherheit der Schiene im betrieblichen Einsatz mitbestimmenden Längszugeigenspannungen im Schienenfuß entscheidend abgebaut werden.
  • Auch ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine hierfür geeignete Vorrichtung zu schaffen.
  • Gelöst wird die Aufgabe gemäß dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches dadurch, daß die Schiene beim Richten einer insgesamt gekrümmten Durchlaufbahn mit dem Krümmungsmittelpunkt unterhalb des Schienenfußes folgt und derart gebogen wird,.daß die Minima der Bahn, die jeder Schienenabschnitt in der Richtmaschine auf seinem Weg zum letzten Richtdreieck durchläuft, Eckpunkte eines gedachten, einlaufseitig ansteigenden und zum letzten Richtdreieck abfallenden Polygonzuges sind und die Maxima oberhalb des Polygonzuges liegen, und daß jeder Schienenabschnitt mit einer durch das letzte Richtdreieck zu beseitigenden Endkrümmung mit einem Radius von 15 - 60 m in das letzte Richtdreieck einläuft.
  • Das Verfahren wird so durchgeführt, daß z. B. bei der eingangs beschriebenen 9-Rollen-Richtmaschine die beiden Oberrollen an der Ein- bzw. Auslaufseite ihre feste Achse behalten, wohingegen die beiden mittleren Oberrollen nach oben verschoben sind. Damit wird als Bezugslinie der Anstellung für die Durchlaufbahn der Schiene nicht mehr eine einheitliche gemeinsame Tangente an die Oberrollen, bezogen auf den Schienenkopf, sondern ein Polygonzug definiert. Die Eckpunkte dieses Polygonzuges sind dabei gegeben durch die je weiligen tiefsten Punkte der Berührungsflächen von Oberrollen und Schienenkopf.
  • Diese Berührungspunkte (= Eckpunkte des Polygonzuges) stellen die Minima der Schienendurchlaufbahn dar. Mit der Verschiebung der jeweiligen Unterrollen über die jeweiligen Strecken des Polygonzuges hinaus erreicht man die für die Richtwirkung notwendige Anstellung gegen den Schienenfuß. Die dabei auftretenden Durchbiegungen stellen die Maxima der Durchlaufbahn der Schiene dar.
  • Beim Durchlauf durch die einzelnen Richtdreiecke der Rollenrichtmaschine beschreibt jeder Abschnitt der Schiene somit, begrenzt durch die Anpressung an die Oberrollen, insinsgesamt einen nach oben hin gerichteten Bogen. Dieser Bogen wird durch die jeweiligen Einzelbiegungen (Maxima und Minima) der Durchlaufbahn moduliert. Die dafür notwendigen Anstellungen der mittleren Oberrollen sowie der Unterrollen sind unter Berücksichtigung der Rückfederung der Schiene so gewählt, daß vor dem Einlauf der Schiene in das letzte Richtdreieck die Schiene eine konstante Endkrümmung erhält. Der Krümmungsradius beträgt dabei je nach Schienenqualität und beabsichtigter Richtwirkung 15 - 60 m. Diese auf der letzten Strecke des Polygonzuges konstante Endkrümmung wird im letzten Richtdreieck, gebildet von der letzten Oberrolle, der letzten Unterrolle und der Auslaufrolle, umgewandelt in eine gerade Bahn der Schiene.
  • Der zu den Oberrollen hin gekrümmte Bogen der Schienendurchlaufbahn ist vorzugsweise so gestaltet, daß der Schienenabschnitt mit konstanter Endkrümmung und die Minima der Einzelbiegungen auf einem gemeinsamen Kreisbogen liegen. Die mittleren Oberrollen sind dabei gegenüber der ein- und auslaufseitigen Oberrolle um einen gleichen Betrag höher gestellt.
  • Alternativ kann der nach oben gekrümmte Bogen der Schienendurchlaufbahn so gestaltet sein, daß die Minima der Einzelbiegungen auf einem Kreisbogen mit größerem Radius als der Radius der Endkrümmung liegen. Um die erforderliche Endkrümmung zu erreichen, muß dabei das letzte Maximum der Einzelbiegungen vor Einlauf der Schiene in das letzte Richtdreieck entsprechend eingestellt werden. Die Einstellung wird unter Berücksichtigung der Rückfederung so gewählt, daß die im Bereich zwischen diesem Maximum und dem letzten Minimum gegebene Durchbiegung der nach oben gekrümmten Schiene der gewünschten konstanten Endkrümmung entspricht.
  • So erfindungsgemäß gerichtete Schienen weisen neben der erforderlichen Ebenheit überraschenderweise sehr niedrige Längszugeigenspannungen an der Fußunterseite auf, wie in den nachfolgenden Beispielen ausgeführt wird.
  • Man kann die für das erfindungsgemäße Verfahren wesentliche, nach oben gekrümmte, um die Einzeldurchbiegungen infolge der Anstellung der Unterrollen modulierte Krümmung der Schienendurchlaufbahn mit konstanter Endkrümmung vor Einlauf in das letzte Richtdreieck auch erreichen, wenn man für die beiden mittleren Oberrollen einen kleineren Durchmesser vorsieht, als den Durchmesser der äußeren Oberrollen, wobei die Achsen der Oberrollen in derselben Ebene liegen. Auch mit dieser Maßnahme erhält die Schiene beim Durchlauf die geforderte Krümmung über den Schienenkopf, übergehend in eine einheitliche Endkrümmung, bevor sie durch das auslaufseitige Richtdreieck in die geforderte Gerade gebogen wird. Auch mit dieser Variante erreicht man neben der geforderten Ebenheit der Schiene sehr niedrige Längszugeigenspannungen im Schienenfuß.
  • Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignen sich Rollenrichtmaschinen mit den Merkmalen der Ansprüche 4 bis 6.
  • Mit der Rollenrichtmaschine gemäß den Ansprüchen 4 und 5 ist es möglich, die jeweilige Krümmung der nach oben gebogenen Durchlaufbahn der Schiene entsprechend den gewünschten Spannungsverhältnissen im Schienenfuß in bestimmten Grenzen einzustellen. Bei einer Rollenrichtmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 6, nach denen die mittleren Oberrollen einen kleineren Durchmesser aufweisen als die äußeren Oberrollen, ist der Krümmungsradius der Schienendurchlaufbahn durch den Durchmesser der mittleren Rollen zwar bindend festgelegt. Eine derartige Maschine kann aber mit Vorteil da zum Einsatz kommen, wo Schienen gleichbleibender Qualität und gleichbleibender Abmessung gerichtet werden sollen. Dann kann man den Durchmesser der mittleren Rollen von vornherein so wählen, daß das optimale Richtergebnis gewährleistet ist.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Beispielen und Figuren näher erläutert.
  • In Fig. I ist eine 9-Rollen-Richtmaschine dargestellt, in der die beiden mittleren Oberrollen höhenverstellbar sind. Dieser Darstellung zugeordnet ist mit Fig. 2 eine Darstellung der gekrümmten Schienendurchlaufbahn über die einzelnen, durch durch die Rollen vorgegebenen Richtdreiecke.
  • In Fig. 3 ist eine weitere 9-Rollen-Richtmaschine dargestellt, bei der die mittleren Oberrollen einen kleineren Durchmesser aufweisen als die beiden äußeren Oberrollen.
  • Fig. 4 zeigt eine Darstellung der nach oben gekrümmten Durchlaufbahn der Schiene durch die Richtmaschine nach Fig. 3.
  • Bei der in Fig. 1 schematisch dargestellten Rollenrichtmaschine R1 sind vier Oberrollen 1, 3, 5 und 7 sowie eine untere Einlaufrolle E, drei untere Richtrollen 2, 4 und 6 sowie eine untere Auslaufrolle A in einem Maschinenständer 8 gelagert.
  • Die mittleren Oberrollen 3 und 5 sind höhenverstellbar. Alle Rollen haben in diesem Beispiel einen Durchmesser von 950 mm. Der Abstand zwischen den Oberrollen einerseits und den Unterrollen andererseits beträgt, bezogen auf die Rollenachsen, 1 500 mm.
  • Die Unterrollen 2, 4 und 6 liegen jeweils mittig zu den entsprechenden Oberrollen 1, 3, 5 und 7.
  • Die Unterrollen 2, 4 und 6 sowie die Einlaufrolle E und die Auslaufrolle A sind ebenfalls höhenverstellbar.
  • Alle Oberrollen sind durch nicht dargestellte Antriebsmittel angetrieben.
  • Zwischen den Oberrollen und den Unterrollen wird eine Schiene 9 gerichtet. Die Schiene liegt dabei mit ihrem Kopf 9a an den Oberrollen und mit ihrem Fuß 9b an den Unterrollen an.
  • In dem Beispiel sind die mittleren Oberrollen 3 und 5 um einen gleichen Betrag von 73 mm gegenüber der geraden Verbindung zwischen den Kontaktlinien der ersten Oberrolle 1 und der vierten Oberrolle 7 mit dem Schienenkopf 9a höhergestellt.
  • Bei Anlage des Schienenkopfes 9a an die Oberrollen 1, 3, 5 und 7 beschreibt die durchlaufende Schiene einen (gedachten) Polygonzug P mit den Eckpunkten l', 3', 5', 7'.
  • Die Unterrollen sind über die Seiten des Polygonzuges P hinaus nach oben hin angestellt. Die Unterrolle 2 ist um 22 mm höher gestellt, so daß die (gedachte) Polygonstrecke l'-3' nach oben hin durchgebogen wird. Diese Durchbiegung ergibt das erste Maximum 2' der Biegung der Schiene. Die Unterrolle 4 ist um 18 mm gegenüber der Polygonstrecke 3'-5' höher gestellt (Maximum 4'), die Unterrolle 6 um 15 mm gegenüber der Polygonstrecke 5'-7' (Maximum 6').
  • Es ergibt sich eine insgesamt zu den Oberrollen hin gekrümmte Durchlaufbahn der Schiene 9, wobei, wie Fig. 2 zeigt, die den Oberrollen zugeordneten Minima 1', 3', 5' und 7', definiert durch die Eckpunkte des gedachten Polygonzuges P, auf dem gleichen Kreisbogen K mit dem Radius r = 31 m liegen wie der Schienenabschnitt S mit konstanter Endkrümmung vor Einlauf in das letzte Richtdreieck, das gebildet wird von der Oberrolle 7, der Unterrolle 6 und der Auslaufrolle A.
  • Die konstante Endkrümmung des Schienenabschnittes S mit dem Radius r = 31 m wird durch Anstellung der Auslaufrolle A um 33 mm nach unten bleibend beseitigt.
  • Die in diesem Beispiel gewählten Einzeldurchbiegungen (Maxima, Minima) der Schiene sind einer Schienenhöhe von 172 mm angepaßt (Profil UIC 60) und ergeben unter Berücksichtigung der Rückfederung vor Einlauf der Schiene in das letzte Richtdreieck die konstante Endkrümmung mit einem Radius r = 31 m.
  • In Fig. 3 ist eine weitere Rollenrichtmaschine R2 dargestellt. Sie entspricht im wesentlichen der in Fig. 1 beschriebenen Rollenrichtmaschine R1. Die Bezugszeichen, wie in Fig. 1 genannt, werden deshalb beibehalten. Der Unterschied zur Rollenrichtmaschine R1 besteht darin, daß bei der Rollenrichtmaschine R2 die mittleren Oberrollen 3 und 5 fest gelagerte Achsen aufweisen, die in einer Linie mit den Achsen der Oberrollen 1 und 7 liegen. Der Durchmesser der Oberrollen 3 und 5 ist jedoch kleiner als der Durchmesser der äußeren Oberrollen l und 7. Er beträgt in diesem Beispiel 930 mm gegenüber 950 mm der Rollen 1 und 7. Gerichtet wird eine Schiene UIC 60 mit einer Höhe von 172 mm.
  • Bei Anlage der Schiene 9 mit ihrem Kopf 9a an die Oberollen 1, 3, 5 und 7 ergibt sich ebenfalls ein gedachter Polygonzug P' mit den Eckpunkten l', 3', 5' und 7', die die Minima der Schienenbiegung beim Durchlauf der Schiene durch die Rollen bilden.
  • Die Minima l', 3', 5' und 7' liegen hier, wie Fig. 4 zeigt, auf einem Kreisbogen K' mit einem größeren Radius r1 = 225 m als der Radius r = 25 m des Schienenabschnittes S mit konstanter Endkrümmung vor Einlauf in das letzte Richtdreieck (Rollen 7, 6, A). Die Unterrolle 2 ist um 22 mm gegenüber der Polygonstrecke 1'- 3' höhergestellt (Maximum 2'). Die Unterrolle 4 ist um 8 mm (Maximum 4') über die Polygonstrecke 3'-5' hinaus höhergestellt.
  • Die Unterrolle 6 ist um 20 mm über die Polygonstrecke 5'-7' hinaus höhergestellt (Maximum 6'). Die dadurch der Schiene im Bereich zwischen dem Maximum 6' und dem Minimum 7' gegebene Durchbiegung entspricht unter Berücksichtigung der Rückfederung der gewünschten konstanten Endkrümmung des Schienenabschnittes S mit einem Radius r = 25 m. Diese Endkrümmung wird durch Anstellen der Rolle A um 10 mm nach unten beseitigt.
  • Mit den erfindungsgemäßen Verfahrensschritten wird im Fuß einer Schiene Profil UIC 60, zum Beispiel in Güte 90 A eine Zuglängseigenspannung von nur 35 N/mm2, statt sonst 250 N/mm2, und z. B. in Güte S 1200 von nur 60 N/mm2, statt sonst bis zu 400 N/mm2, erreicht.
  • Der Streubereich der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in Schienen mit Profil UIC 60 nach Fig. 5 erreichbaren Eigenspannungen ist in dem Diagramm nach Fig. 6 wiedergegeben.
  • Während im Kopf 9a und Steg 9c der Eigenspannungsverlauf über die Höhe der Schiene 9 dem des üblichen Rollenrichtens entspricht (durchgezogene Linien), entstehen im Fuß 9b niedrigere Längszug- bis sogar Druckeigenspannungen (Zugspannung - Pluswerte, Druckspannung - Minuswerte).
  • Die gestrichelten Linien bezeichnen den Streubereich nach dem üblichen Rollenrichten, während die strichpunktierten Linien den Streubereich begrenzen, der sich beim erfindungsgemäßen Richten im Fußbereich ergibt.
  • Die Vorkrümmung der Schiene mit einer konstanten Endkrümmung vor Einlauf in das letzte Richtdreieck ist für das erfindungsgemäße Verfahren von entscheidender Bedeutung.
  • In diesem vorgekrümmten Zustand hat die Schiene noch den Eigenspannungszustand mit hohen Längszugeigenspannungen im Fuß. Die nach oben vorgekrümmte Schiene wird dann aber im letzten Richtdreieck geradegebogen und im Fuß dadurch so bleibend gedehnt, daß die Gesamtlänge des Schienenfußes vergrößert und der Länge des nahezu unverformten Schienensteges wieder angeglichen wird. Bei der Rückfederung nach Auslauf der Schiene aus der Richtmaschine ist damit ein Längenausgleich durch elastische Dehnungen bzw. entsprechende Zugeigenspannungen nicht mehr in dem Maße wie beim üblichen Rollenrichten gegeben, so daß die Längszugeigenspannungen im Fuß demzufolge Null oder nahe Null liegen.
  • Aufgrund der verringerten Längszugeigenspannungen im Schienenfuß wird das Verhalten von erfindungsgemäß gerichteten Schienen bei der Beanspruchung entscheidend verändert.
  • Die Vorteile der so erzielten Eigenspannungsverteilung mit niedrigen Längszugeigenspannungen an der Schienenfußunterseite konnten durch Dauerschwingversuche an ganzen Schienen mit einer Prüfanordnung, wie sie in der eingangs genannten DE-Z Stahl und Eisen 105 (1985), Seite 1452, in Bild 3 beschrieben ist, nachgewiesen werden.
  • Die Ergebnisse der Dauerschwingversuche sind in Fig. 7 für das Schienenprofil UIC 60 in Güte 90 A zusammengestellt. Danach beträgt die dauernd ertragene Gestaltfestigkeit
  • der gekerbten Schienen nach üblichem Rollenrichten 100 N/mm2, nach erfindungsgemäßem Rollenrichten 150 N/mm2.
  • Der Vorteil in der Dauerfestigkeit beträgt danach an diesem Beispiel 50 %. Er gilt proportional auch für ungekerbte Schienen. Selbst wenn man davon bei der laufenden Schienenerzeugung nur die Hälfte, also 25 %, dauernd verwirklichen kann, ist dieser Vorteil erheblich. In Bezug auf die Eigenschaft der Schiene als Träger erhöht man damit entweder ihre Tragfähigkeit um diesen Prozentsatz, oder man kann bei gleicher Beanspruchung das Widerstandsmoment der Schiene und damit deren Metermasse erniedrigen. Statt des Profiles UIC 60 mit einem Widerstandsmoment von 335 cm3 und einer Metermasse von 60 kg/m kann man im Falle des erfindungsgemäßen Richtverfahrens sogar das Profil S 49 mit einem Widerstandsmoment von 240 cm3 und einer Metermasse von 49 kg/m einsetzen, ohne an dauerhafter Tragfähigkeit auch bei Korrosion und den damit eingebrachten Kerben einzubüßen.
  • Ebenso erheblich sind die Vorteile in Bezug auf die Bruchsicherheit nach bruchmechanischer Beurteilung. Die linearelastische Bruchmechanik beschreibt die Bedingungen, unter denen ein Bauteil ausgehend von einem bereits vorhandenen Anriß spröde bricht. Sie läßt sich auf Schienen anwenden. Danach nimmt die Bruchsicherheit von Schienen zu, wenn vor Eintritt des Bruches bei gleicher äußerer Beanspruchung ein möglichst tiefer Anriß ertragen wird. Die wie üblich rollengerichtete Schiene UIC 60 in Güte 90 A ertrug in der Dauerschwingprüfung einen Daueranriß von 9 mm, bevor sie bei der Oberspannung von 205 N/mrn2 spröde brach.
  • Dagegen ertrug die erfindungsgemäß rollengerichtete Schiene mit 28 mm einen dreimal so tiefen Daueranriß, bevor der Bruch bei derselben Oberspannung eintrat.

Claims (6)

1. Verfahren zum Richten einer Eisenbahnschiene in einer Rollenrichtmaschine, wobei die Schiene bei ihrem Durchlauf durch die versetzt zueinander angeordneten, hintereinander liegende Richtdreiecke bildenden Ober-und Unterrollen mehrfach durch abwechselnde Einzelbiegungen über Kopf und Fuß gegensätzlichen Biegeverformungen unterworfen wird, die der Schiene eine mehrfach in ihrer Steigung umkehrende, abwechselnd Maxima bei Kontakt des Schienenfußes mit den Unterrollen und Minima bei Kontakt des Schienenkopfes mit den Oberrollen aufweisende Durchlaufbahn aufzwingen, und wobei im letzten auslaufseitigen Richtdreieck eine von der gewünschten Geraden noch abweichende Biegeverformungskrümmung der Schiene bleibend beseitigt wird,
dadurch gekennzeichnet ,
daß die Schiene beim Richten einer insgesamt gekrümmten Durchlaufbahn mit dem Krümmungsmittelpunkt unterhalb des Schienenfußes folgt und derart gebogen wird, daß die Minima der Bahn, die jeder Schienenabschnitt in der Richtmaschine auf seinem Weg zum letzten Richtdreieck durchläuft, Eckpunkte eines gedachten, einlaufseitig ansteigenden und zum letzten Richtdreieck abfallenden Polygonzuges sind und die Maxima oberhalb des Polygonzuges liegen, und daß jeder Schienenabschnitt mit einer durch das letzte Richtdreieck zu beseitigenden Endkrümmung mit einem Radius von 15 bis 60 m in das letzte Richtdreieck einläuft.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet , daß der Schienenabschnitt mit der Endkrümmung und die Minima der Einzelbiegungen auf einem gemeinsamen Kreisbogen liegen.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet , daß die Minima der Einzelbiegungen auf einem Kreisbogen mit größerem Radius als der Radius der Endkrümmung liegen, wobei das letzte Maximum der Einzelbiegungen so gewählt ist, daß vor Einlauf der Schiene in das letzte Richtdreieck die konstante Endkrümmung erreicht wird.
4. Rollenrichtmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3,
bestehend aus einem Maschinenständer und in diesem angeordneten teilweise angetriebenen Richtrollen, nämlich vier Oberrollen und fünf zu den Oberrollen versetzt angeordneten anstellbaren Unterrollen, von denen vom Einlauf gesehen die vierte Oberrolle zusammen mit der vierten und fünften Unterrolle das letzte Richtdreieck bilden,
dadurch gekennzeichnet , daß jeweils die an den Schienenkopf (9a) einer zu richtenden Schiene (9) zur Anlage kommende untere Kontaktlinie der zweiten und der dritten Oberrolle (3;5) oberhalb der geraden Verbindung zwischen den entsprechenden Kontaktlinien der ersten und der vierten Oberrolle (1;7) liegt.
5. Rollenrichtmaschine nach Anspruch 4, bei der die Oberrollen untereinander gleiche Durchmesser haben,
dadurch gekennzeichnet , daß die zweite und die dritte Oberrolle (3;5) anstellbar im Maschinenständer (8) gelagert sind.
6. Rollenrichtmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet ,
daß die zweite und die dritte Oberrolle (3;5) jeweils einen kleineren Durchmesser hat als die untereinander im Durchmesser gleichen erste und vierte Oberrolle (1 ; 7), wobei die Achsen der Oberrollen (1;3;5;7) in derselben Ebene liegen.
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