Die Erfindung betrifft einen Schienenisolierstoß und ein Verfahren zum Schneiden eines Schienenisolierstoßes.
Bei Schienentransportwegen, wie z.B. bei der Eisenbahn, werden die elektrisch leitenden Schienen häufig auch als Übertragungsmedium für elektrische Signale verwendet. Dies ist z.B. bei Gleisstromkreisen als Gleisfreimeldeanlagen der Fall, wo ein Streckenabschnitt als belegt erkannt wird, weil durch die ebenfalls elektrisch leitenden Radsätze die Schienen elektrisch kurzgeschlossen werden und sich dadurch die elektrischen Eigenschaften der angelegten Gleisstromkreise verändern. Um bestimmten Gleisabschnitten entlang der Strecke eigene Gleisstromkreise zuordnen zu können, muss die elektrische Leitfähigkeit der Schienen an den Gleisabschnittsgrenzflächen unterbrochen werden. Dies geschieht, indem die Schienen an der Grenzfläche aufgetrennt werden und eine elektrisch isolierende Schicht eingesetzt wird, bevor die Schienen wieder zusammengesetzt werden. Ein solcher Isolierstoß ist aufgrund der unterschiedlichen Materialeigenschaften zwischen Isolierung und Schiene und den hohen Belastungen durch die überfahrenden Schienenfahrzeuge hohem Verschleiß ausgesetzt. Der Verschleiß führt zu einer Verschlechterung der mechanischen Laufeigenschaften für die überrollenden Radsätze der Eisenbahnwagen. Weiterhin können sich durch Verformung der Kanten Wülste bilden, die zu elektrischen Kurzschlüssen zwischen den zu isolierenden Schienenabschnitten führen und somit die Isolierwirkung zunichte machen. Es wurden deshalb Versuche unternommen, um durch eine geschickte Gestaltung des Isolierstoßes die Verschleißanfälligkeit, die Belastbarkeit und das Dauerschwingverhalten zu verbessern.
Die
Aus der
Ein Nachteil dieser Ausbildung eines Isolierstoßes liegt insbesondere darin, dass es im Bereich der Ausnehmung zu Rissbildungen im Schienensteg kommen kann, was zu einem Versagen des gesamten Bauteils führt.
In der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Isolierstoß bereitzustellen, der den hohen Belastungen im Schienenverkehr besser standhalten kann als die Isolierstöße des Stands der Technik. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Isolierstoßes bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden durch den Vorrichtungsanspruch 1 und den unabhängigen Verfahrensanspruch 4 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Ansprüche 1 und 4.
Der erfindungsgemäße Schienenisolierstoß gemäß Anspruch 1 umfasst aneinander grenzende Schienenenden, die mit einer elektrisch isolierenden Zwischenschicht elektrisch voneinander getrennt sind. Der Schienenisolierstoß ist im Bereich des Schienenkopfes bis zum Bereich der Mitte der Schienenhöhe als Schrägstoß und im Rest des Schienenstegs bis einschließlich Schienenfuß als Stumpfstoß ausgebildet. Der Übergang zwischen Schräg- und Stumpfstoß ist kontinuierlich ausgebildet. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Schienenisolierstoßes sorgt dafür, dass ohne Lücke im tragenden Material eine vom Schienenkopf bis zum Schienenfuß reichende optimale Kraftabtragung erfolgt. Die besseren Roll- und Verschleißeigenschaften des Schrägstoßes werden optimal mit den vorteilhaften Stabilitätseigenschaften des Stumpfstoßes im Bereich des Schienenfußes und des Schienenstegs kombiniert, indem der Übergang zwischen den beiden Stoßarten kontinuierlich ausgelegt ist. Die zu Rissbildung im Umfeld führenden, diskontinuierlichen Kraftübertragungswege werden somit vermieden. Durch den kontinuierlichen Übergang können die auftretenden Kräfte besser im Material verteilt und somit optimal aufgenommen werden.
Die kontinuierliche Drehung der Schnittebene entlang des Schnittverlaufs ist gemäß Anspruch 2 vorteilhaft in einem Übergangsbereich von +/- 45 mm in Stegmitte realisiert. Der Übergangsbereich zwischen Schräg- und Stumpfstoß kann somit bis zu 90 mm betragen. Dadurch wird eine abrupte Änderung des Kraftabtrags vermieden, sodass die Belastung an der Übergangsstelle reduziert ist, verglichen mit Isolierstößen des Stands der Technik.
Der Winkel zwischen der Schrägstoßebene im Schienenkopf und der Schienenlängsrichtung beträgt gemäß Anspruch 3 vorteilhaft zwischen 30° und 60°. Dieser Winkelbereich gewährleistet die besten mechanischen Bedingungen bezüglich des Materialverschleißes am Schienenkopf und des Rollkomforts für die den Isolierstoß passierenden Radsätze.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Schienenisolierstoßes gemäß den zuvor genannten Ansprüchen ist in Anspruch 4 beschrieben. Nur eine berührungslos arbeitende Trennvorrichtung ist in der Lage, den geforderten Schnittverlauf zu realisieren. Hierfür muss die Trennvorrichtung den Trennvorgang am Kopf- oder am Fußende beginnen. Die Trennvorrichtung bewegt sich dabei die ganze Zeit entlang einer Linie senkrecht zur Schienenlängsrichtung (Trennrichtung). Die Geschwindigkeit des Schneidens wird dabei an die zu trennende Materialdicke kontinuierlich angepasst. Im Übergangsbereich zwischen Schräg- und Stumpfstoß wird die Trennvorrichtung weiter in Trennrichtung bewegt, wobei nun aber die Schnittebene durch Schwenken des Trennstrahls kontinuierlich gedreht wird. Fängt die Trennvorrichtung am Fußende mit dem Trennvorgang an, so verläuft die Trennebene für den Stumpfstoß zunächst senkrecht zur Schienenstegebene. Beim Passieren des Übergangsbereichs wird die Trennebene kontinuierlich in die Schrägstoßebene gedreht, indem der Trennstrahl um die in der Trennrichtung liegende Achse bei fortschreitender Trennung kontinuierlich in die Schrägstoßebene gedreht wird. Am Ende des Übergangsbereichs ist die Trennebene dann im zugehörigen Schrägstumpfwinkel zur Schienenlängsrichtung gedreht.
Wird die Trennung vom Schienenkopf in Richtung Schienenfuß vorgenommen, beginnt der Trennstrahl entsprechend in der Schrägstoßebene zu trennen und wird analog im Übergangsbereich kontinuierlich in die Stumpfstoßebene gedreht.
Zum Trennen kommen alle berührungslosen Trennvorrichtungen in Betracht, insbesondere 3D-Wasserstrahlschneidgeräte, Elektronenstrahlanlagen, Laserschneidgeräte oder Plasmaschneidgeräte.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels, und mehrerer Figuren näher erläutert.
Dabei zeigen:
In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel soll eine UIC 60-Schiene mit einem erfindungsgemäßen Isolierstoß ausgestattet werden. Hierfür wird die Schiene vorteilhaft auf die Seite gelegt, sodass die Schienenfußebene dabei in der Vertikalen steht (10). Hierdurch kann während des Trennvorgangs der Schnittstrahl in ein Wasserbecken geleitet werden. Der Trennvorgang könnte aber auch bei jeder anderen Lagerung der Schiene durchgeführt werden.
Mit einem Wasserstrahlschneidgerät wird nun die Schiene vom Schienenfußende (3) beginnend durchtrennt.
Die Linie, die in der Mitte des Schienenstegs senkrecht zur Schienenlängsachse zwischen Schienenfuß und Schienenkopf verläuft, wird als Trennrichtungslinie (11) definiert. Der Schneidstrahl (15) verlässt die Schneidkopfspitze immer auf die Trennrichtungslinie (11) ausgerichtet.
Als Einstechwinkel wird der jeweilige Winkel zwischen Schneidstrahl (15) und Trennrichtungslinie (11) definiert.
Je nach Schneidedruck und Materialdicke, die der Strahl (15) durchtrennen muss, wird die Geschwindigkeit des Schneidens kontinuierlich angepasst. Der Wasserstrahl wird nun in der Trennebene unter einem Einstechwinkel α von ca. 30° bis 60° (12) an den Schienenfuß (3) herangeführt und beginnt an der Unterkante des Schienenfußes mit dem Trennen. Um den Stumpfstoß (5) im Schienenfußbereich zu realisieren, ist hierbei die Trennebene durch die Trennrichtungslinie (11) und die Vertikale (10) bestimmt.
Während des Durchtrennens des Schienenfußes wird der Einstechwinkel α (12) allmählich verändert, sodass spätestens beim Erreichen des Übergangsbereichs (4) der Schneidstrahl (16) im Stegbereich einen Einstechwinkel β (13) von 90° erreicht hat.
Der Übergangsbereich (4) liegt bei der UIC 60-Schiene im Bereich der Laschenbohrungen, deren Bohrachsen 76,25 mm von der Unterkante des Schienenfußes entfernt liegen. Er beginnt in diesem Beispiel etwa 35 mm unterhalb der Bohrachsenhöhe und reicht bis etwa 35 mm oberhalb der Bohrachsenhöhe. Sobald der Schneidstrahl (16) den Übergangsbereich erreicht, wird nun über eine Schneidstrecke von ca. 70 mm die Trennebene von senkrecht zur Schienenlängsachse bis hin zur Neigung (19) von ϕ = 30° zur Schienenlängsachse gleichförmig und bei unverändertem Einstechwinkel β (16) gedreht.
Nachdem sich der Schneidkopf in die neue Trennebene gedreht hat, wird diese nicht mehr verändert.
Wenn der Strahl (17) den im Vergleich zum Schienensteg wesentlich dickeren Schienenkopf trifft, muss allerdings der Einstechwinkel wieder verändert werden. Der Schneidkopf wird hierzu innerhalb der beizubehaltenden Trennebene kontinuierlich in den neuen Einstechwinkel γ (14), der vorteilhaft zwischen 100° und 130° liegt, geschwenkt. Die Projektion des Schneidstrahls (17) in die Zeichenebene ist mit dem zugehörigen Einstechwinkel γ (14) in
Somit ist ein Schienenisolierstoß für eine UIC 60-Schiene entstanden, der im Bereich des Schienenfußes (3) als Stumpfstoß (5) und im Bereich des Schienenkopfes (1) als Schrägstoß (6) um den Winkel ϕ = 30° (19) gegenüber der Schienenlängsrichtung geneigt ausgebildet ist. Der Übergangsbereich (4) zwischen Schräg- (6) und Stumpfstoß (5) erstreckt sich über ca. 70 mm, beginnend von etwa 35 mm unterhalb der Laschenbohrachsenhöhe bis etwa 35 mm oberhalb der Laschenbohrachsenhöhe. Im Übergangsbereich (4) dreht sich die Stoßebene kontinuierlich und gleichmäßig.
Die Erfindung kann auch für alle anderen Schienenarten und mit anderen berührungslosen Schneidvorrichtungen realisiert werden.
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