[0001] Die Erfindung betrifft eine Eisenbahnschiene, insbesondere Eisenbahnschiene mit einem
vom Internationalen Eisenbahnverband UIC standardisierten, dem im Bahnbetrieb sich
einstellenden Einheitsverschleißprofil entsprechenden Ausgangsprofil des Schienenkopfes,
das eine über die Schienenkopfbreite nach oben gekrümmte Lauffläche mit vom Schienenmittenbereich
zu den Fahrkanten hin abnehmenden Krümmungsradien aufweist.
[0002] Kurvenschienen unterliegen einer verstärkten Beanspruchung durch Verschleiß und Ermüdungsschäden,
wie z.B. "Shelling" (Fahrkantenausbrechungen) und "Headchecking" (Kontaktermüdungsanrisse).
Beide Schadensarten beeinflussen das Fahrverhalten der Züge und die Haltbarkeit des
Oberbaues nachteilig. Sie führen zu vorzeitigem Versagen und Ausbau der Schienen und
können sich sogar zu Querbrüchen entwickeln. Mit Einführung und Verbesserung der Spurkranzschmierung
hat sich der Schienenverschleiß vermindert und die Anfälligkeit für Ermüdungsschäden
verstärkt.
[0003] Langjährige Betriebserfahrungen der Eisenbahnen haben gezeigt, daß sich im Schienenkopf
einerseits und an der Lauffläche der Räder andererseits nach gewisser Betriebszeit
ein sogenanntes "Einheitsverschleißprofil" einstellt, das unabhängig vom Ausgangsprofil
des Schienenkopfes ist (DE-Z Eisenbahntechn. Rundschau, 1966, S. 338/346). Viele Betreiber
von Bahnen haben daraus die Lehre gezogen, die neuen Schienen am Schienenkopf bereits
mit der Geometrie des Verschleißprofils zu walzen; entsprechendes gilt auch für die
Radprofile.
[0004] Beim standardisierten Einheitsprofil des Internationalen Eisenbahnverbandes ist bei
z.B. der Schiene UIC 60 die Lauffläche mit einem Radius R = 300 mm, die Fahrkante
mit R = 13 mm gekrümmt. Der Zwischenbereich hat eine Krümmung von R = 80 mm. Beim
Anlaufen des Rades in Kurven treten trotz der Einheitsprofile die oben genannten Ermüdungsschäden
auf. Sie deuten darauf hin, daß es an der Fahrkante zu punktförmigen Kontakten zwischen
Rad und Schiene kommt, bei denen sowohl die senkrechte Radlast als auch die seitliche
Spurführungskraft an einer Stelle zusammenwirken. Es hat Versuche gegeben, diese für
den Werkstoff kritische Beanspruchung dadurch zu vermeiden, daß am gleisinnenseitigen
Rand des Fahrspiegels eine Nut eingearbeitet ist oder der Schienenkopf zur Gleisinnenseite
eine stärkere Neigung hat (DE-Z Braunkohle, Heft 7, 1972, S. 219/227). Das Betriebsverhalten
verschlechterte sich durch diese Maßnahme. Die Nut wurde zugequetscht, wobei sich
in besonders starkem Maße Ermüdungsschäden bildeten. Bei der Schiene mit geneigter
Fahrfläche überwalzte sich die Kante, und es bildeten sich erhebliche Kantenausbrüche.
Die Aufgabe der Vermeidung bzw. Verzögerung von Ermüdungsschäden an der Fahrkante,
insbesondere bei Kurvenschienen, ist somit nach wie vor ungelöst.
[0005] Erfindungsgemäß können die geschilderten Probleme wesentlich entschärft werden, wenn
bei einer Schiene der eingangs genannten Art das Ausgangsprofil des Schienenkopfes
an den Fahrkanten je einen Krümmungsradius hat, dessen Länge 1/13 bis 1/17 der Länge
des Krümmungsradius der Lauffläche im Schienenkopfmittenbereich trägt.
[0006] Bei einem Krümmungsradius im Schienenmittenbereich von 200 bis 800 mm und sich zu
den Fahrkanten hin möglichst stufenlos anschließenden Übergangsradien beträgt der
Krümmungsradius an den Fahrkanten 17 bis 23 mm. Insbesondere bezogen auf eine Schiene
UIC 60 mit einem Krümmungsradius im Schienenmittenbereich von 300 mm und sich zu den
Fahrkanten hin anschließenden Übergangsradien von 80 mm beträgt der Krümmungsradius
an den Fahrkanten 18 bis 22 mm, ist damit um 5 bis 9 mm größer als der bisherige Kantenradius
des Einheitsprofils von 13 mm.
[0007] Die erfindungsgemäß flacher gehaltenen Fahrkantenabschnitte sind ursächlich für die
verminderte Anfälligkeit der erfindungsgemäßen Schienen mit Bezug auf Verschleiß und
Ermüdungsschäden, wie Fahrkantenausbrechungen und Kontaktermüdungsanrisse.
[0008] Das erfindungsgemäße Profil des Schienenkopfes kann bei allen gängigen Schienenprofilen
nach dem UIC-Standard zur Anwendung kommen. Erforderlich ist nur, daß die bisher klein
gehaltenen Fahrkantenradien entsprechend der erfindungsgemäßen Bemessungsregel vergrößert
werden. Versuche haben gezeigt, daß UIC 60 - Schienen mit nunmehrigen vergrößerten
Kantenradien (z.B. 20 mm) nach zwei bis drei Jahren in Kurven mit 400 bis 600 m Gleisradius
noch keine Fahrkantenkontakte zwischen Rad und Schiene aufwiesen, d.h. die Walzoberfläche
an dieser Stelle noch vorhanden war. Mit erfindungsgemäß ausgestalteten Schienen läßt
sich die Lebensdauer von schadhaft werdenden Kurvenschienen somit um zwei bis drei
Jahre verlängern. Bei einer mittleren Lebensdauer von Kurvenschienen von ca. 12 Jahren
entspricht das einer Steigerung der Lebensdauer um 25 %. Der beidseitig gleiche Fahrkantenradius
erlaubt den Einbau in beiden Schienensträngen und auch im geraden Gleis. Bei einer
um 25 % verbesserten Haltbarkeit ist sichergestellt, daß sich keine Nachteile auf
Geometrie und Haltbarkeit der Räder ergeben. Der wirtschaftliche Vorteil für die Bahngesellschaften
ist erheblich. Er ergibt sich aus geringerem Schienenbedarf und geringeren Umbaukosten.
[0009] In der einzigen Figur ist eine erfindungsgemäß umgestaltete Schiene UIC 60 maßstäblich
im Querschnitt dargestellt. Die Schiene 1 weist einen Schienenkopf 2 auf. Über die
Schienenkopfbreite ist der Schienenkopfmittenbereich 3 mit einem Radius r₂ = 300 mm,
die Übergangsbereiche 3' mit Radien r₂ = 80 mm gekrümmt. Die Fahrkanten 4 haben je
Radien r₃ von 20 mm.
[0010] Zum Vergleich sind die bisher üblichen Kantenradien r₄ = 13 mm des "alten" UIC-Profils
strichliert eingezeichnet. Das erfindungsgemäße Profil ist somit im abgerundeten Übergangsbereich
an den Fahrkantenflächen flacher gewölbt als das bisher standardisierte Einheitsverschleißprofil
der Schiene UIC 60.
1. Eisenbahnschiene, insbesondere Eisenbahnschiene mit einem vom Internationalen Eisenbahnverband
UIC standardisierten, dem im Bahnbetrieb sich einstellenden Einheitsverschleißprofil
entsprechenden Ausgangsprofil des Schienenkopfes, das eine über die Schienenkopfbreite
nach oben gekrümmte Lauffläche mit vom Schienenmittenbereich zu den Fahrkanten hin
abnehmenden Krümmungsradien aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsprofil des Schienenkopfes (2) an den Fahrkanten (4) je einen Krümmungsradius
(r₃) hat, dessen Länge 1/13 bis 1/17 der Länge des Krümmungsradius (r₁) der Lauffläche
im Schienenkopfmittenbereich (3) beträgt.
2. Eisenbahnschiene nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Krümmungsradius (r₁ ) im Schienenmittenbereich von 200 bis 800 mm
und sich zu den Fahrkanten hin möglichst stufenlos anschließenden Übergangsradien
(r₂) der Krümmungsradius den Fahrkanten (r₃) 17 bis 23 mm beträgt.
3. Eisenbahnschiene nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Übergangsradien (r₂ ) von 80 mm zwischen dem Schienenkopfmittenbereich (3)
und den Fahrkanten (4) der Krümmungsradius (r₃ ) an den Fahrkanten (4) 18 bis 22 mm
beträgt.
