GLEISBETTMATTE FÜR EINEN EISENBAHNOBERBAU

Abstract

 Eisenbahnoberbau mit einer Gleisbettmatte (10) als fortlaufende Unterlage eines Gleistragesystems. Die Gleisbettmatte (10) besteht entweder aus Gummi-Recyclingmaterial mit Polyurethanbindung, oder aus Polyurethan spezieller Spezifikation, und ist quer zur Mattenebene gelocht, so dass ein bestimmtes Federungsverhalten mit statischem Bettungsmodul zwischen 0,005 bis 0,08 N/mm2 und mit dynamischen Bettungsmodul zwischen 0,02 bis 0,1 N/mm2 erzielt wird.

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Eisenbahnoberbau mit elastischer Unterlage, insbesondere Gleisbettmatte oder Schotterunterbahn, um Erschütterungen an Gleisanlagen für schienengebundene Fahrzeuge zu vermindern.

Hintergrund der Erfindung

[0002] Ein derartiger Eisenbahnoberbau ist aus der EP 0 922 808 A2 bekannt. Als Unterlage wird eine zweischichtige, federnde Matte verwendet, deren obere Schicht aus Polyurethangebundenem Gummigranulat und deren untere Schicht aus einer Steinwolleplatte besteht. Aufgabe dieser federnden Matte ist unter anderem, die Erzeugung und Ausbreitung von niederfrequentem Schall zu behindern. Zusammen mit der federnden Matte bildet der Eisenbahnoberbau ein Masse-Feder-System, das bei richtiger Abstimmung der Feder zu einer wirksamen schalldämmenden Lagerung der Gleise und damit auch der Schienen führt.

[0003] Eine weitere schalldämmende Lagerung von Gleisen ist aus der DE 199 52 803 A1 bekannt. Dort wird die Feder des Masse-Feder-Systems aus einer sogenannten Entropie-elastischen Matte aus Polyurethan oder Natur- oder Synthese-Kautschuk mit einer Dicke zwischen 15 mm und 40 mm gebildet.

[0004] Eine Schottertrageschicht auf tiefliegender Elastomerschicht, die zwischen Oberbau und Untergrund liegt, ist aus der DE 10 2006 013 851 A1bekannt und dient der Verminderung von Erschütterungen an Gleisanlagen.

[0005] Matten aus Polyurethan oder aus Kautschuk können fertigungstechnisch auf passende Federkonstante bzw. Elastizitätsmodul eingestellt werden, um bei einem Eisenbahnoberbau ein Masse-Feder-System mit einer niedrigen Abstimmungsfrequenz unterhalb von 100 Hz zu erzeugen, jedoch ist die Herstellung derartiger Matten ziemlich teuer.

Allgemeine Beschreibung der Erfindung

[0006] Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine federnde Matte für den Eisenbahnoberbau bereitzustellen, deren Federungsverhalten in dem mit dem Eisenbahnoberbau gebildeten Masse-Feder-System zu einer niedrigen Abstimmungsfrequenz unterhalb 100 Hz führt und deren Herstellung niedrige Kosten verursacht.

[0007] Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass als federnde Matte eine Gleisbettmatte aus mit Polyurethan gebundenem Gummi-Recyclingmaterial besteht. Ferner sind in der Matte quer zur Ebene der Matte Lochungen angebracht, die über die Oberfläche verteilt angeordnet sind und ein Raster bilden können sowie einen Volumenanteil im Bereich von 10 bis 40 % am Volumen der Matte ausmachen. Die Gleisbettmatten sind vorzugsweise mit einer Dichte im Bereich von 360 bis 580 kg/m³ für den Straßenbahnbetrieb und im Bereich von 580 bis 700 kg/m3 für den Vollbahnbereich ausgebildet. Die Plattendicke liegt im Bereich von 10 bis 50 mm.

[0008] Das Ausgangsmaterial zur Herstellung der federnden Matten kann preisgünstig beschafft werden, und auch die Herstellung von gelochten Matten oder Platten ist nicht teuer. Während eine Vollmaterial-Matte oder -Platte aus mit Polyurethan gebundenem Gummi-Recyclingmaterial tendenziell eine zu geringe Nachgiebigkeit zeigt, was nicht den gewünschten Federeigenschaften entspricht, wenn die notwendige Tragfähigkeit mit ins Kalkül gezogen wird, wird durch die Lochungen eine federnde Nachgiebigkeit der gelochten Matte oder Platte geschaffen, die der gewünschten Federeigenschaft entspricht, während gleichzeitig die notwendige Tragfähigkeit erreicht wird. Dies wird dadurch möglich, dass sich lochnahes Material der Matte bei dynamischer Belastung in den Raum der Lochungen hinein verdrängen lässt, wobei jedoch bei dynamischer Entlastung das in den Lochraum verdrängte Material wieder in seine Ursprungsstellung federnd zurückkehrt. Die Matte zeigt so insgesamt das Verhalten einer weichen Feder, während die Tragfähigkeit der Matte den Belastungen des Fahrbetriebs auf den Gleisen standhält.

[0009] Die Weite der Lochungen ist in einem großen Bereich frei wählbar. Für die Herstellung der gelochten Matten ist ein Bereich der Durchmesser von 5 bis 30 mm gut geeignet.

[0010] Das Federungsverhalten der gelochten Matte oder Platte kann mit dem sogenannten Bettungsmodul beschrieben werden. Der statische Bettungsmodul (für statische Belastungen) sollte im Bereich von 0,005 bis 0,08 N/mm² und der dynamische Bettungsmodul im Bereich von 0,02 bis 0,1 N/mm² liegen. Ein hervorragend guter Wert des statischen Bettungsmoduls ist 0,014 N/mm² und des dynamischen Bettungsmoduls 0,04 N/mm² bei 23 mm Materialdicke. Bei einer Spannung σ von 0,025 N/mm² senkt sich die Matte etwa 1,7 mm ein. (Im Vergleich: Eine Lagerungsplatte von 65 Shore A senkt sich bei der gleichen Belastung nur 0,2 mm ein.) Vorzugsweise genügt es, wenn die maximal zulässige Druckspannung der Gleisbettmatte kleiner als 2 N/mm² ist.

[0011] Zur Erzielung des niedrigen Bettungsmoduls ist es günstig, wenn das Gummi-Recyclingmaterial faseriges Material enthält, wie es beim Zerkleinern von Altreifen anfällt. Die so gewonnenen Gummifasern können in einem Längenbereich von 1 bis 20 mm zugegen sein und einen Anteil zwischen 20 und 90 % an Mattenmaterial ausmachen. Gummigranulate in einer Körnung zwischen 1 und 5 mm können einen Anteil im Bereich bis zu 60 % an dem Mattenmaterial ausmachen.

[0012] Die gestellte Aufgabe wird auch dadurch gelöst, dass die Gleisbettmatte (10) aus Polyurethan einer Spezifikation wie folgt besteht:

Zugfestigkeit: > 0,4 MPa

Bruchfestigkeit: > 200%

Statisches Druckmodul: 0,06 bis 0,42 MPa

Dynamisches Druckmodul: 0,21 bis 0,51 MPa

Reißfestigkeit: > 10N/cm

und dass die Gleisbettmatte 10 quer zur Mattenebene Lochungen 11 aufweist, die über die Mattenoberfläche verteilt angebracht sind, und eine solche Dicke aufweist, dass ein Federungsverhalten mit einem statischen Bettungsmodul im Bereich von 0,005 bis 0,08 N/mm² und mit einem dynamischen Bettungsmodul im Bereich von 0,02 bis 0,1 N/mm² für die Matte als solche erzielt wird.

Kurzbeschreibunq der Figuren

[0013] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figuren beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Eisenbahnoberbau,

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Fahrbahn mit Straßenbahnschiene und

Fig. 3 eine gelochte Gleisbettmatte.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0014] Der in Fig. 1 dargestellte Eisenbahnoberbau bildet ein Gleis mit zwei Schienen 1, mit Betonschwellen 9 und einer Schotterschicht 6. Unterhalb der Schotterschicht 6 kann sich eine Folie oder ein Gewebe 7 erstrecken, wie es bekannt ist. Der Eisenbahnoberbau wird zum Untergrund 8 hin durch eine Gleisbettmatte 10 abgeschlossen, die sich in Länge und Breite unter der gesamten Schotterschicht 6 erstreckt und aus mit Polyurethan gebundenem Gummi-Recyclingmaterial besteht, wie nachfolgend im Einzelnen beschrieben wird.

[0015] Die Gleisbettmatte 10 wird aus einzelnen Platten von z. B. 2000 x 1000 mm Abmessung, gegebenenfalls unter Verschnitt, zusammengesetzt. Um eine gleichmäßige Einbettung zu erzielen, wird die Gleisbettmatte bevorzugt in zwei Lagen mit sich nicht überschneidenden Stößen angewendet. Die Dicke eines Schotterbetts beträgt 300 bis 390 mm in Abhängigkeit von der Entwurfsgeschwindigkeit und kann in zwei Schichten unterteilt werden, mit der einen Lage der Gleisbettmatte als Zwischenlage und der anderen Lage als Unterlager des Schotterbettes. Die elastische Nachgiebigkeit der beiden Lagen ist so bemessen, dass sich die gewünschte Einbettung ergibt. Hierzu werden die Plattendicke und die Plattendichte unter Berücksichtigung des Volumenanteils der Lochungen 11 für die jeweiligen Anwendungsbereiche passend gewählt.

[0016] Die in Fig. 2 dargestellte Fahrbahn ist schichtweise aufgebaut und enthält Straßenbahnschienen 1, die bei zwischengefügten Kammerfüllelementen 2 in eine Pflasterschicht als Fahrbahndecke 3 einbezogen ist. Die Schienen 1 sind auf einer Betonplatte 5 befestigt, die eine Dicke zwischen 200 und 400 mm aufweisen kann. Zwischen Schienenfuß und Betonplatte 5 ist eine elastische Lagerungsplatte 4 gefügt, um die Schallerzeugung beim Befahren der Straßenbahnschiene zu vermindern.

[0017] Die Gleisbettmatte 10 ist in Fig. 3 näher dargestellt und weist eine Plattendicke im Bereich von 10 bis 50 mm auf. Die Abmessungen richten sich nach der Anwendung und kann Platten mit Längen von 1000 bis 2000 mm und Breiten von 500 bis 1000 mm umfassen. In dem Plattenkörper quer zur Plattenebene sind regelmäßig Lochungen 11 angebracht, die durchgehend oder als Sacklöcher ausgebildet sind. Das Volumen der Lochungen 11 beträgt 10 bis 40 % des Plattenvolumens der Matten 10. Der Lochungsdurchmesser liegt im Bereich von 5 bis 30 mm.

[0018] Die Matten werden aus recyceltem Gummi hergestellt, das durch Polyurethan gebunden wird. Man presst zunächst dickere Blöcke und spaltet in einem späteren Verfahrensschritt einzelne Platten mit gewünschter Dicke ab. Mit der Pressung des Blockes werden gleichzeitig die Lochungen 11 angebracht, indem Pressstempel durch die Bohrungen einer Werkzeug-Lochplatte hindurch in das noch nicht ausgehärtete Material des Blockes hineingepresst werden. Auf diese Weise sind die Lochungen 11 mit einer Gießhaut umgeben, was für die Qualität der Matte von Bedeutung ist. Die Herstellung erfolgt unter einem gewissen Pressdruck, um eine gewünschte Dichte der Platte im Hinblick auf ihre jeweilige Anwendung zu erzielen. Das jeweils genaue Maß der Dichte wird mit Rücksicht auf die erforderliche Tragfähigkeit und die gewünschte Nachgiebigkeit der Matte eingestellt. Je dichter die Matte, umso weniger nachgiebig ist sie. Andererseits müssen die statischen und dynamischen Belastungen von der Matte bewältigt werden, was wiederum eine gewisse Dichte der Stege 12 zwischen den Lochungen 11 erforderlich macht.

Rezeptur des Mattenmaterials

[0019] 

	Gewichtsanteile
Fasern	20-90 %
Granulat 1-5 mm Körnung	0-60 %
Polyurethane MDI Prepolymer	3-15 %
Polyole	3-15 %.

[0020] Beispiel

	Gewichtsanteile
Fasern 1-5 mm lang	24 %
Fasern 8-20 mm lang	5 %
Granulat 1-5 mm Körnung	55 %
Polyurethane MDI Prepolymer	8 %
Polyole	8 %.

[0021] Es wurde eine gelochte unbewehrte Matte einer Dichte von 480 kg/m³ mit einer Dicke von 23 mm und mit Lochungen von 15 mm Durchmesser hergestellt. Die Nachgiebigkeit der Gleisbettmatte wird durch den Bettungsmodul nach DIN 45673-7 gemessen. Bei dem Ausführungsbeispiel betrug der statische Bettungsmodul C_stat ∼ 0,014 N/mm² bei σ = 0,025 N/mm². Der dynamische Bettungsmodul betrug ~ 0,04 N/mm² bei σ = 0,03 N/mm² und 40 Hz. Die maximal zulässige Druckspannung bei dieser Matte betrug 0,15 N/mm².

[0022] Die speziell beschriebene Matte ist für die elastische Lagerung und Körperschallminderung von Bauwerken und Gleisfahrwegen geeignet. Es wird in dieser Umgebung ein Masse-Feder-System geschaffen, mit dem das relevante Einfügedämmmaß infolge der geringen Bettungsmodule der Matte erreicht wird. Im statischen Bereich liegt die Einsenkung der gelochten Matte bei einer Spannung σ von 0,025 N/mm² bei etwa 1,7 mm und erfüllt damit das Kriterium eines statischen Bettungsmoduls C_stat von 0,014 N/mm³ bei 23 mm Materialstärke.

[0023] Es sei bemerkt, dass die elastische Lagerungsplatte 4 aus einer Polyurethanplatte oder einer Gummiplatte mit einer Shore-Härte A von 65 bestehen kann, um die erhebliche Flächenlast am Schienenfuß aufzunehmen. Bei einer solchen Platte stellt sich eine Einsenkung ein, die 10-fach kleiner ist, als sich bei der gleichen Last einstellen würde, wenn eine gleich bemessene Platte der Mattenausbildung 10 verwendet werden würde. Deshalb sind Lagerplatten 4 ungeeignet als Gleisbettmatten 10, es fehlt an der nötigen Nachgiebigkeit. Umgekehrt sind Platten nach Art der Gleisbettmatten 10 ungeeignet als Lagerplatten 4, weil ihre zulässige Druckspannung zu klein für die erheblichen Lasten unterhalb des Schienenfußes sind.

[0024] Die Gleisbettmatten 10 können auch aus Polyurethan hergestellt werden, wenn durch geeignete Lochungen in passend dicken Matten 10 dafür gesorgt wird, dass ein Federungsverhalten mit ausreichender Einsenkung im Schienenverkehrsbetrieb bzw. im Betrieb einer Bahn erzielt wird. Das Federungsverhalten wird durch den statischen und dynamischen Bettungsmodul bestimmt, der für den statischen Bettungsmodul im Bereich von 0,005 bis 0,08 N/mm² und für den dynamischen Bettungsmodul im Bereich von 0,02 bis 0,1 N/mm² liegen sollte.

[0025] Für den Schienenverkehr entwickelte Polyurethanplatten haben folgende mechanische Eigenschaften:

Eigenschaften	Norm	Wert	Einheit	Anmerkungen
Zugfestigkeit	ISO 1798	> 0,5	MPa
Bruchdehnung	ISO 1798	> 250	%
Stat. Druckmodul bei +23°C	DIN 45673-7	0,42	MPa	0,005-0,02 MPa
		0,12	MPa	0,01-0,04 MPa
Dyn. Druckmodul bei +23°C	DIN 45673-7	0,29-0,51	MPa	5-30 Hz bei 0,03 MPa Vorlast
Verlustfaktor (Tangens Delta)	DIN 45673-7	0,3	-	5-30 Hz bei 0,03 MPa Vorlast
Dauerschwellversuch mit 3 Mio. Belastungszyklen bei	DIN 45673-7	< 11	%	Belastungsbereich 0, 01-0,03 MPa
3 Hz, Belastungsbereiche 0,01-0.03 und 0,01-0,05 MPa: Differenz im stat. Druckmodul		<8	%	Belastungsbereich 0, 01-0,05 MPa
Dyn. Wasserabsorptionstest 24h bei 0,3 Hz Belastungsbereich 0,02-0,06 MPa: Differenz im stat. Druckmodul	DIN 45673-7 (zusätzlich)	< 11	%	Nass
		<4	%	Wieder trocken
Druckmodul bei -20°C	DIN 45673-7	0, 13	MPa	Stat.: 0,01-0,04 MPa
		0,56-1,06	MPa	Dyn.: 5-30 Hz 0,03 MPa Vorlast
Druckmodul bei +50°C	DIN 45673-7	0, 13	MPa	Stat.: 0,01-0,04 MPa Dyn. : 5-30 Hz 0,03
		0,26-0,47	MPa	MPa Vorlast
Glasübergangstemperatur (DMTA)	ASTM D 4065 IEC 61006	-30	°C	DTMA "dual cantilever"-Test bei 1 Hz, +2°C/min Größe Prüfmuster 10x15x60 mm
Reißfestigkeit	ASTM D 3574/F	> 10	N/cm
Druckverformungsrest nach 7 Tagen bei +23°C (50%)	ISO 1856 B	< 5	%

[0026] Brauchbar sind auch Polyurethanplatten mit folgenden mechanischen Eigenschaften:

Eigenschaften	Norm	Wert	Einheit	Anmerkungen
Zugfestigkeit	ISO 1798	> 0,4	MPa
Bruchdehnung	ISO 1798	> 200	%
Stat. Druckmodul bei +23°C	DIN 45673-7	0,06	MPa	0, 005-0,02 MPa
		0,06	MPa	0, 01-0,04 MPa
Dyn. Druckmodul bei +23°C	DIN 45673-7	0,21-0,29	MPa	5-30 Hz bei 0,02 MPa Vorlast
Verlustfaktor (Tangens Delta)	DIN 45673-7	0,4	-	5-30 Hz bei 0,02 MPa Vorlast
Glasübergangstemperatur (DMTA)	ASTM D 4065 IEC 61006	-30	°C	DTMA "dual cantilever"-Test bei 1 Hz, +2°C/min Größe Prüfmuster 10x15x60 mm
Reißfestigkeit	ASTM D 3574/F	> 10	N/cm
Druckverformungsrest nach 7 Tagen bei +23°C (50%)	ISO 1856 B	< 5	%

[0027] Solche Platten werden mit Lochungen 11 hergestellt, wobei vorzugsweise die so hergestellte Matte 10 mit einer Gießhaut versehen ist. Die Abmessungen der Polyurethanmatte liegen in dem Bereich der Abmessungen der Gleisbettmatten 10 aus Gummi-Recyclingmaterial, jedoch mit einer Tendenz zu dünneren Stegwänden 12.

[0028] Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind, und dass die Merkmale unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung, den Ansprüchen, den Figuren oder anderweitig offenbart sind, auch einzeln wesentliche Bestandteile der Erfindung definieren, selbst wenn sie zusammen mit anderen Merkmalen gemeinsam beschrieben sind.

Ansprüche

1. Eisenbahnoberbau umfassend:

ein Gleistragsystem (5, 6, 9), auf diesem montierte Schienen (1) und eine Gleisbettmatte (10) als fortlaufende Unterlage des Gleistragsystems, gekennzeichnet durch die Kombination der Merkmale:

a) die Gleisbettmatte besteht aus Polyurethan einer Spezifikation wie folgt:

Zugfestigkeit: > 0,4 MPa, Bruchfestigkeit: > 200%,

Statisches Druckmodul: 0,06 bis 0,42 MPa,

Dynamisches Druckmodul: 0,21 bis 0,51 MPa,

Reißfestigkeit: > 10N/cm und
dass mit der Gleisbettmatte (10) ein Federungsverhalten mit einem statischen Bettungsmodul im Bereich von 0,005 bis 0,080 N/mm² und mit einem dynamischen Bettungsmodul im Bereich von 0,02 bis 0,1 N/mm² für die Gleisbettmatte (10) als solche erzielt wird,

b) die Gleisbettmatte (10) weist quer zur Mattenebene und über die Mattenoberfläche verteilte Lochungen (11) auf,

c) der Durchmesser der Lochungen (11) liegt im Bereich von 5 bis 30 mm, und

d) die Lochungen (11) ergeben einen Volumenanteil von 10 bis 40 % des Mattenvolumens.

2. Eisenbahnoberbau nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Gleisbettmatte (10) aus einzelnen, aneinander gereihten Platten aufgebaut ist.

3. Eisenbahnoberbau nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die Platten Längenmaße im Bereich von 1000 bis 2000 mm und Breitenmaße im Bereich von 500 bis 1000 mm aufweisen.

4. Eisenbahnoberbau nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Lagen von Platten vorgesehen sind, deren Stöße sich nicht überschneiden.

5. Eisenbahnoberbau nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleisbettmatte (10) sich in voller Länge und Breite des Gleisbettes erstreckt.

6. Eisenbahnoberbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleisbettmatte (10) einen niedrigen Bettungsmodul für statische Belastungen im Bereich von 0,005 bis 0,08 N/mm² und für dynamische Belastungen im Bereich von 0,02 bis 0,1 N/mm² aufweist.

7. Eisenbahnoberbau nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der statische Bettungsmodul C_stat 0,014 N/mm² ± 0,0028 N/mm² beträgt.

8. Eisenbahnoberbau nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der dynamische Bettungsmodul C_dyn 0,04 N/mm² ± 0,008 N/mm² beträgt.

Zeichnung