EP0943732A2 - Gleisoberbau und Schiene - Google Patents

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EP0943732A2
EP0943732A2 EP99890095A EP99890095A EP0943732A2 EP 0943732 A2 EP0943732 A2 EP 0943732A2 EP 99890095 A EP99890095 A EP 99890095A EP 99890095 A EP99890095 A EP 99890095A EP 0943732 A2 EP0943732 A2 EP 0943732A2
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EP
European Patent Office
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values
limit curve
rail
curve
limit
Prior art date
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Granted
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EP99890095A
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English (en)
French (fr)
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EP0943732A3 (de
EP0943732B1 (de
Inventor
Johannes Stephanides
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OEBB-INFRASTRUKTUR BETRIEB AKTIENGESELLSCHAFT
Original Assignee
Osterreichische Bundesbahnen
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Publication date
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Publication of EP0943732A2 publication Critical patent/EP0943732A2/de
Publication of EP0943732A3 publication Critical patent/EP0943732A3/de
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01B—PERMANENT WAY; PERMANENT-WAY TOOLS; MACHINES FOR MAKING RAILWAYS OF ALL KINDS
    • E01B5/00—Rails; Guard rails; Distance-keeping means for them
    • E01B5/02—Rails
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01B—PERMANENT WAY; PERMANENT-WAY TOOLS; MACHINES FOR MAKING RAILWAYS OF ALL KINDS
    • E01B2204/00—Characteristics of the track and its foundations
    • E01B2204/15—Layout or geometry of the track

Definitions

  • the invention relates to a track superstructure a track with at least two rails, in particular for Middle of the track are inclined to each other and each have a head, web and foot part with a footprint as well as on a Rail.
  • the track superstructure for rail-bound vehicles with Cross sleepers and ballast bed or ballastless superstructure is subject in two different directions Changes.
  • the emission of sound waves is to be reduced and on the other hand the track should be for ever higher ones Speed should be suitable.
  • Rail inclination increasingly the difference between the distance of the two wheels of the wheelset to each other, the gauge and the Track width of the track, the track play are observed.
  • the smaller this track game is the greater the equivalent taper and the lower the speed limit of the vehicle. From the limit speed, the vehicle runs unstably (Limit cycle behavior or instability behavior).
  • Instability behavior usually lead to higher stresses on the wheel and rails and to increase the accelerations in the vehicle body, on the bogies or wheelsets. Increased stress cause wear on the rails and wheels and also to change the positional accuracy of the tracks. Increased Accelerations lead to a reduction in comfort behavior for passengers, increase the burden on those to be transported Charges. The component design of the bogies must be this meet increased acceleration demands.
  • the rail inclination is an essential parameter for the Equivalent taper and form stability of the wheel and Rail profiles.
  • EP 0 529 271 A1 relates to a Vignol rail, which should have a particularly low wear, the rail head profile with three partially circular in cross section Curvatures is formed. This curvature points to Curvature of the corresponding instantaneous contact surface of the supporting wheel have a constant difference or have it successive contact surfaces of the track component and the Rad a constantly changing difference in curvature.
  • Such Forming a rail has the disadvantage that the same only to a technical training of a rail wheel is adjusted, whereas for all other rails either increased wear or an unstable running of the wheels is given, so that the desired high-speed properties cannot be reached.
  • the present invention has for its object one Track superstructure and a rail to create which / which allows the height at a given inclination of the rails keeping the equivalent taper low, but also allowed to avoid undesirably low values, to unstable vehicle running and vehicle body resonances To keep the limit speed from being exceeded. Thereby there is little wear on the rail, wheel and vehicle Positional accuracy of the track gratings over longer maintenance periods as well as a reduction in noise emissions.
  • b are given, the second curved profile curve in the third quadrant lying in a third limit curve, in particular between the third limit curve and a fourth limit curve, the values of the third limit curve and those of the fourth limit curve being multiplied by -1 at Identical y values of the first and the second limit curve are obtained and the curved profile curves are continuous and monotonic.
  • the course of the limit curves was determined empirically.
  • the rail heads do not have to be symmetrical with respect to the Plane of symmetry formed by the web part, but it is sufficient for rails in use, if those Areas of the contact surfaces that are actually ground serve as contact surfaces to the wheels. With the new production of rails, however, it is appropriate to use the same To be designed symmetrically, because on the one hand the interchangeability the rails is given and at the same time a material and so that weight savings can also be obtained.
  • b intersects and from this intersection the absolute y values of the third straight line from the absolute y values of the first limit curve at given x values subtracted and the sign of that of the value of the first limit curve corresponds, whereby the further course of the second limit curve is given.
  • This will also be in the bottom Area of the contact surface of the rail head an exact definition of the course of the second curvature, where the second limit curve to the first limit curve itself more and more approximates and almost merges into the same.
  • the web part has a running in the longitudinal direction of the rail Plane of symmetry on which the y-axis of the coordinate system is a particularly good power transmission from the wheel to the rail and to the ones underneath Track superstructure guaranteed.
  • b are given, and the curved profile curve represents a continuous and monotonous curve.
  • the area close to the rail foot is special Interest because the bike with its cooperation areas in this Area with the highest orbital velocity.
  • the web part has a running in the longitudinal direction of the rail Plane of symmetry on which the y-axis of the coordinate system lies, is a symmetrical formation of the Rail head conditional, whereby rails are turned can. Wciters is a particularly good introduction of force from that Wheel on the rail and from the rail to the track superstructure guaranteed.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of the section through a track superstructure.
  • Fig. 2 shows the normal section through a rail.
  • Fig. 3 shows the normal section through a rail in the area the headboard
  • Fig. 5 shows the equivalent taper depending on the Track width and the rail inclination according to the prior art
  • Fig. 6 shows the dependence of the equivalent conicity on the Track gauge and the slope of the rail.
  • Fig. 1 In the track superstructure shown in Fig. 1 are two Rails 1, 2 on a carrier plate 3 of a ballastless The superstructure is releasably attached.
  • the rails 1, 2 are to the middle of the track inclined and lie on inclined contact areas 4 on. Due to the inclination of the rails to each other Track s by the smallest distance between the rail heads is determined to be achieved.
  • the Vignol rail shown in section in FIG. 2 has a foot part 5 with a base 6, a web part 7 and one Head part 8.
  • the head part is divided into a close to the foot Area 9 and an area 10 away from the foot of the head part encloses the contact surface 11.
  • the rail points a maximum width b of 72 mm.
  • Through the plane of symmetry M is the rail, both in relation to the foot, the web part as also the head part, divided into two mirror-identical parts.
  • the Section through the plane of symmetry M and the normal plane through which cut the splint was obtained represents y coordinate of a rectangular coordinate system.
  • the zero point of the coordinate system lies in the contact surface 11, through which the normal to the y coordinate x coordinate is guided, which is also in the normal plane comes to lie.
  • the width b of the rail is 72 mm.
  • the straight line g 1 intersects the straight line g 2 , the values that come to the subtraction being used from the intersection.
  • the line g 2 intersects the line g 3 , after which the values of g 3 are used.
  • the area of the head part close to the foot can be designed as desired.
  • the profile curve K 2 in the third quadrant III lies between the limit curves G 3 and G 4 , which are mirror-symmetrical to the limit curves G 1 and G 2 .
  • the x values of the limit curves G 3 and G 4 are obtained by multiplying the values of the limit curves G 1 and G 2 by -1.
  • the line a 1 shows the equivalent conicity with a track in which the rails have no inclination, with a 2 with a rail inclination of 1:20 and a 3 with a rail inclination of 1:40.
  • the limit value for the rail without inclination is already exceeded with a track width of approx.1,434 mm, with a rail inclination of 1:40 at 1,431 mm and with a rail inclination 1:20 at 1,427.5 mm.
  • Line a4 represents the behavior of a rail or track according to the invention which has no rail inclination, a 5 which has a rail inclination of 1:20 and a 6 which has a rail inclination of 1:40.
  • the critical value of 0.4 of the equivalent taper is only achieved with a track width of 1,229 mm for the rail without inclination, whereas with the other two rail inclinations, even with a track width of 1,428 mm, the critical value is far from being reached.
  • the rail head as shown in dashed lines in Fig. 3, be inclined, d. that is, the coordinate system x 'and y' inclined to the plane of symmetry M is arranged.
  • the contact surface 11 ' corresponds thus the training according to the invention with a symmetrical Rail head and a preferred inclination of 1:40.
  • the contact surfaces between the wheel and rail in the area far from the foot are shifted so that the relative speed differences in the contact areas of the wheel become less so that the wear of both the wheel and the rail become smaller.
  • the contact surfaces shifted more towards the middle of the rails which also an increased stability behavior of the vehicle on the rail is achieved so that the stress on the individual construction parts of the vehicle can be kept lower.

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Abstract

Gleisoberbau mit einem Gleis mit zumindest zwei Schienen (1, 2), die insbesondere zur Gleismitte geneigt sind und jeweils einen Kopf-(8), Steg- (7) und Fußteil (5) mit einer Standfläche (6) aufweisen, wobei die Kopfteile (8) beider Schienen einen, vorzugsweise prismatischen, fußnahen Bereich (9) und einen fußfernen Bereich (10) mit der Kontaktflächc (11) zum Rad besitzen, welche Kontaktflächen (11) im Normalschnitt zur Schienenlängsrichtung eine erste und/oder eine zweite gekrümmte Profilkurve (K1), insbesondere mit drei Teilkreisen (P1, P2, P3), aufweisen, wobei die erste gekrümmte Profilkurve (K1) im vierten Quadranten (IV) eines rechtwinkeligen Koordinatensystems in einer ersten Grenzkurve (G1), insbesondere zwischen der ersten Grenzkurve (G1) und einer zweiten Grenzkurvc (G2), liegt, und die gekrümmten Profilkurven stetig und monoton sind. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleisoberbau mit einem Gleis mit zumindest zwei Schienen, die insbesondere zur Gleismitte zueinander geneigt sind und jeweils einen Kopf-, Steg- und Fußteil mit einer Standfläche aufweisen als auch auf eine Schiene.
Der Gleisoberbau für schienengebundene Fahrzeuge mit Querschwellen und Schotterbett oder schotterlosem Oberbau unterliegt in zwei verschiedenen Entwicklungsrichtungen wesentlichen Änderungen. Einerseits soll die Emission von Schallwellen verringert werden und andererseits soll das Gleis für immer höhere Geschwindigkciten geeignet sein. Mit höher steigenden Geschwindigkeiten muß bei vorgegebenem Schienenprofil und vorgegebener Schienenneigung zunehmend die Differenz zwischen dem Abstand der beiden Räder des Radsatzes zueinander, dem Spurmaß und der Spurwcite des Gleises, das Spurspiel beachtet werden. Je kleiner dieses Spurspiel ist, umso größer ist die äquivalente Konizität und umso geringer ist die Grenzgeschwindigkeit des Fahrzeuges. Ab der Grenzgeschwindigkeit kommt es zum instabilen Fahrzeuglauf (Grenzzykelverhalten bzw. Instabilitätsverhalten). Instabilitätsverhalten führen in der Regel zu höheren Beanspruchungen an Rad und Schienen und zur Erhöhung der Beschleunigungen im Fahrzeugkasten, an den Drehgestellen bzw. Radsätzen. Erhöhte Beanspruchungen bedingen Verschleiß der Schienen und Räder und auch zur Veränderung der Lagegenauigkeit der Gleise. Erhöhte Beschleunigungen führen zur Verminderung des Komfortverhaltens für die Fahrgäste, erhöhen die Belastungen für zu transportierende Ladungen. Die Bauteilauslegung der Drehgestelle muß diesen erhöhten Beschleunigungsbeanspruchungen gerecht werden.
Die Schienenneigung ist ein wesentlicher Parameter für die Höhe der äquivalenten Konizität und Formstabilität der Rad- und Schienenprofile.
Eine Anpassung der Schienen- und Radprofile aneinander ist unbedingt erforderlich und es wurde in der Vergangenheit versucht, diese weitgehend durchzuführen. Das rollende Material unterschiedlicher Herkunftsländer muß geeignet sein, auf den Schienen anderer Länder ein anstandsloses Abrollen zu gewährleisten. Demgemäß sind Schienen und auch Räder mit entsprechenden Toleranzen standardisiert.
Die EP 0 529 271 A1 hat eine Vignolschiene zum Gegenstand, die einen besonders geringen Verschleiß aufweisen soll, wobei das Schienenkopfprofil mit im Querschnitt drei teilkreisförmigen Krümmungen ausgebildet ist. Diese Krümmung weist zur Krümmung der entsprechenden momentanen Kontaktfläche des sich abstützenden Rades eine konstante Differenz auf oder es weisen aufeinanderfolgende Kontaktflächen von dem Gleisbauteil und dem Rad eine sich stetig ändernde Krümmungsdifferenz auf. Eine derartige Ausbildung einer Schiene weist den Nachteil auf, daß dieselbe nur an eine technische Ausbildung eines Schienenrades angepaßt ist, wohingegen für alle anderen Schienen entweder erhöhte Abnützungen oder auch ein unstabiler Lauf der Räder gegeben ist, so daß die erwünschten Hochgeschwindigkeitseigenschaften nicht erreicht werden können.
In der DE 40 08 299 C1, von welchem Stand der Technik die vorliegende Erfindung ausgeht, ist eine Eisenbahnschiene mit Verschleißprofil beschrieben. Es wird hierbei postuiert, daß ein Verschleißprofil, d.h., ein bei der Benützung der Schiene sich selbsttätig einstellcndes und crhaltenbleibendes Profil möglich ist. Hierbei ist allerdings nicht ausreichend berücksichtigt, daß der Verschleiß einer Schiene und auch eines Schienenrades jeweils an den Berührungspunkten, -flächen oder -linien zwischen Rad und Schiene auftritt. Ein Schienenrad weist einen Spurkranz auf, welcher zur Führung des Rades an der Schiene erforderlich ist. Weiters hat das Rad eine Lauffläche, welche ebenfalls am Schienenkopf zum Abrollen gelangt. Die einzelnen Funktionsbereiche eines Schienenrades weisen zwar zwangsweise eine idente Winkelgeschwindigkeit auf, jedoch sind aufgrund der unterschiedlichen Radien unterschiedliche Umfangsgeschwindigkeiten bedingt. Das Schienenrad muß somit zwangsweise zumindest teilweise am Schienenkopf eine Gleitbewegung durchführen. Diese Gleitbewegung bedingt sodann einen Verschleiß, wohingegen im Bereich der rein rollenden Bewegung kein Verschleiß bzw. ein wesentlich geringerer Verschleiß auftritt. Eine Schiene, insbesondere der Schienenkopf, kann somit kein Profil aufweisen, das derart ausgestaltet ist, daß ein gleichmäßiger Verschleiß entlang des gesamten Kopfes auftritt.
Der vorliegenden Erfindung ist zur Aufgabe gesetzt, einen Gleisoberbau und eine Schiene zu schaffen, welcher/welche erlaubt, bei einer gegebenen Schrägstellung der Schienen die Höhe der äquivalenten Konizität auf einen niedrigen Wert zu halten, jedoch weiters erlaubt, unerwünscht niedrige Werte zu vermeiden, um instabilen Fahrzeuglauf und Fahrzeugkastenresonanzen bei Überschrcitung der Grenzgeschwindigkeit hintanzuhalten. Dadurch wird ein geringer Verschleiß an Schiene, Rad und Fahrzeug, die Lagegenauigkeit der Gleisroste über längere Instandhaltungsperioden sowie eine Herabsetzung der Schallemissionen erreicht.
Weiters werden durch die Veränderung der Profilkontur der Schiene, insbesondere bei engen Spurweiten, die Berührungspunkte zwischen Schiene und Rad möglichst weit zur Gleisaußenseite verlegt.
Der erfindungsgemäße Glcisoberbau mit einem Gleis mit zumindest zwei Schienen, die insbesondere zur Gleismitte geneigt sind und jeweils einen Kopf-, Steg- und Fußteil mit einer Standflächc aufweisen, wobei die Kopfteile beider Schienen einen, vorzugsweise prismatischen, fußnahen Bereich und einen fußfernen Bereich mit der Kontaktfläche zum Rad besitzen, welche Kontaktflächen im Normalschnitt zur Schienenlängsrichtung eine erste und/oder eine zweite gekrümmte Profilkurve, insbesondere mit drei Teilkreisen, aufweisen, besteht im wesentlichen darin, daß die erste gekrümmte Profilkurve im vierten Quadranten eines rechtwinkeligen Koordinatensystems in einer ersten Grenzkurve, insbesondere zwischen der ersten Grenzkurve und einer zweiten Grenzkurve, liegt, wobei die erste Grenzkurve durch zumindest drei aneinanderschließende Teilkreise gebildet ist, und eine y-Achse des rechtwinkeligen Koordinatensystems von unten nach oben verläuft und der Nullpunkt, durch welchen eine x-Achse gelegt ist, dem Schnittpunkt der Kontaktfläche mit der y-Achse entspricht, und der erste Teilkreis einen Mittelpunkt mit den Koordinaten x = 0.0, y = -1,806 . b und einen Radius von 1,806 . b, der zweite Teilkreis einen Mittelpunkt mit den Koordinaten x = 9,414 . 10-2. b, y = -8,379 . 10-1. b und einen Radius von 8,333 . 10-1 . b und der dritte Teilkreis einen Mittelpunkt mit den Koordinaten x = 2,000 . 10-1 . b, y = -3,209 . 10-1 . b und einen Radius von 3,056 . 10-1 . b aufweist, wobei b den zweifachen größten Normalabstand der ersten gekrümmten Profil kurve zur y-Achse darstellt und die zweite Grenzkurve durch Subtraktion absoluter y- von den absoluten y-Werten der ersten Grenzkurve bei vorgegebenen x-Werten erhalten ist. und das Vorzeichcn des Wertes dem der ersten Grenzkurve entspricht, wobei die zu substrahierenden y-Werte durch die absoluten Werte zumindest zweier einander schneidende Geraden definiert sind, und die erste Gerade durch den Nullpunkt geht und durch die Gleichung y = 0,02 x und anschließend ab dem Schnittpunkt mit einer zweiten Geraden durch diese mit der Gleichung y = -0,17 x -0,0375 . b gegeben sind, wobei die zweite gekrümmte Profilkurve im dritten Quadranten in einer dritten Grenzkurve, insbesondere zwischen der dritten Grenzkurve und einer vierten Grenzkurve, liegt, wobei die Werte der dritten Grenzkurve und die der vierten Grenzkurve durch Multiplizieren der x-Werte mit -1 bei identen y-Werten der ersten und der zweiten Grenzkurve erhalten sind und die gekrümmten Profilkurven stetig und monoton sind.
Der Verlauf der Grenzkurven wurde empirisch ermittelt. Die Schienenköpfe müssen nicht symmetrisch, bezogen auf die Symmetrieebene durch den Stegteil, ausgebildet sein, sondern es ist bei im Einsatz befindlichen Schienen ausreichend, wenn jene Bereiche der Kontaktflächen geschliffen werden, welche tatsächlich als Kontaktflächen zu den Rädern dienen. Bei der Neuanfertigung von Schienen ist es jedoch zweckmäßig, dieselben symmetrisch auszugestalten, da einerseits die Austauschbarkeit der Schienen gegeben ist und gleichzeitig eine Material- und damit auch Gewichtsersparnis erhalten werden kann. Durch die Kontaktflächen, deren Normalschnitt zur Schienenlängsrichtung innerhalb der beiden Grenzkurven liegt, kann erreicht werden, daß auch bei unterschiedlicher Spurweite und unterschiedlichster Neigung der Schicnen zur Gleismitte die Bercichc der Berührung mehr zur Symmetrieebene, die durch den Steg gelegt werden kann, gebracht werden. Durch die angegebenen Grenzen wird das auch bei Schienen erreicht, die in Geraden aber auch in Bögen bis zu 700 m bzw. 600 m liegen. Durch die weitere Bedingung, daß die Krümmung der Lauffläche stetig sein soll, werden bevorzugte Stellen der Abnützung, die zwangsweise auch zu Schwingungen führen, vermieden. Durch die weitere Bedingung, daß die Kurvenprofile monoton sein sollen, wird erreicht, daß durchgehende Kontaktflächen vorliegen.
Eine weitere Positionierung der zweiten Grenzkurve liegt dann vor, wenn die zweite Gerade sich mit einer dritten Geraden der Gleichung y = 0,0475 . b schneidet und ab diesem Schnittpunkt die absoluten y-Werte der dritten Geraden von den absoluten y-Werten der ersten Grenzkurve bei vorgegebenen x-Werten substrahiert und das Vorzeichen dem des Wertes der ersten Grenzkurve entspricht, wobei durch diese Werte der weitere Verlauf der zweiten Grenzkurve gegeben ist. Damit wird auch im untersten Bereich der Kontaktfläche des Schienenkopfes eine genaue Definition des Verlaufes der zweiten Krümmung angegeben, wobei sich die zweite Grenzkurve an die erste Grenzkurve sich immer mehr annähert und fast in dieselbe übergeht.
Weist die Standfläche der Schiene normal zur Schienenlängsrichtung gesehen und auf die Fahrbahn bezogen eine Neigung von 1 : 38 bis 1 : 42, insbesondere 1 : 40, auf, so ist eine besonders gute Übereinstimmung zwischen der Neigung der Schienen zueinander und der Ausbildung der Kontaktfläche gegeben.
Weist der Stegteil eine in Schienenlängsrichtung verlaufende Symmetriebene auf, in welcher die y-Achse des Koordinatensystems liegt, so ist eine besonders gute Kraftweiterleitung von dem Rad auf die Schiene und auf den darunter befindlichen Gleisoberbau gewährleistet.
Weist die x-Achse eine Ncigung auf, die einer Neigung 1 : 38 bis 1 : 42, insbesondere 1 : 40, entspricht, so ist die Ausbildung der Kontaktfläche der Schienc unabhängig von der Neigung der Schienenfüße bzw. Schienenstege. Eine derartige Ausbildung ist insbesondere bei der nachträglichen Formgebung des Schienen kopfes, beispielsweise durch Schleifen, von besonderer Bedeutung, da eine fast den theoretischen Werten entsprechende Optimierung der Kontaktfläche erreicht werden kann.
Die erfindungsgemäße Schiene mit einem Steg-, Fuß- mit einer Standfläche und einem Kopfteil mit einem, vorzugsweise prismatischen fußnahen Bereich und einem fußfernen Bereich mit der Kontaktfläche zum Rad, welche im Normalschnitt zur Schienenlängsrichtung eine erste und/oder zweite gekrümmte Profilkurve, insbesondere mit drei Teilkreisen, aufweist, besteht im wesentlichen darin, daß die erste gekrümmte Profilkurve im vierten Quadranten eines rechtwinkeligen Koordinatensystems in einer ersten Grenzkurve, insbesondere zwischen der ersten Grenzkurve und einer zweiten Grenzkurve, liegt, wobei die erste Grenzkurve durch zumindest drei aneinanderschließende Teilkreise gebildet ist, und eine y-Achse des rechtwinkeligen Koordinatensystems von unten nach oben verläuft und der Nullpunkt, durch welchen eine x-Achse gelegt ist, dem Schnittpunkt der Kontaktfläche mit der y-Achse entspricht, und der erste Teilkreis einen Mittelpunkt mit den Koordinaten x = 0,0, y = -1,806 . b und einen Radius von 1,806 . b, der zweite Teilkreis einen Mittelpunkt mit den Koordinaten x = 9,414 . 10-2 . b, y = -8,379 . 10-1 . b und einen Radius von 8,333 . 10-1 . b und der dritte Teilkreis einen Mittelpunkt mit den Koordinaten x = 2,000 . 10-1 . b, y = -3,209 . 10-1 . b und einen Radius von 3,056 . 10-1 . b aufweist, wobei b den zweifachen größten Normalabstand der ersten gekrümmten Profilkurve zur y-Achse darstellt und die zweite Grenzkurve durch Subtraktion der absoluten y- von den absoluten y-Werten der ersten Grenzkurve bei vorgegebenen x-Werten erhalten ist, und das Vorzeichen des Wertes dem der ersten Grenzkurve entspricht, wobei die zu substrahierenden y-Werte durch die absoluten Werte zumindest zweier einander schneidende Geraden definiert sind, wobei die erste Gerade durch den Nullpunkt geht und durch die Gleichung y = 0,02 x und anschließend ab dem Schnittpunkt mit einer zweiten Geraden durch diese mit der Gleichung y = -0,17 x -0,0375 . b gegeben sind, und die gekrümmte Profil kurve eine stetige und monotone Kurve darstellt. Damit ist eine Schiene gegeben, die sowohl für die Gerade als auch für Bögen mit einem Radius bis zu 600 m besonders geeignet ist, wobei die Ausgestaltung eine überaus genaue Führung der unterschiedlichsten standardisierten Schienenräder erlaubt und durch geeignete Neigung auch sichergestellt ist, daß selbst bei engeren Spurweiten die Berührungsbereiche mehr zur Mitte des Schiencnkopfes gebracht sind. Weiters können die bereits zu Anspruch 1 angeführten Vorteilc erreicht werden.
Schneidet sich die zweite Gerade mit einer dritten Geraden der Gleichung y = 0,0475 . b und sind ab diesem Schnittpunkt die absoluten y-Werte der dritten Geraden von den absoluten y-Werten der ersten Grenzkurve bei vorgegebenen x-Werten substrahiert und entspricht das Vorzeichcn dem des Wertes der ersten Grenzkurve und ist durch diese Werte der weitere Verlauf der zweiten Grenzkurve gegeben, so kann eine besonders gute Anpassung der Kontaktfläche am Schienenkopf auch im schienenfußnahen Bereich erreicht werden. Der schienenfußnahe Bereich ist von besonderem Interesse, da das Rad mit seinen Kooperationsflächen in diesem Bereich die größte Umlaufgeschwindigkeit aufweist.
Weist der Stegteil eine in Schienenlängsrichtung verlaufende Symmetrieebene auf, in welcher die y-Achse des Koordinatensystems liegt, so ist eine symmetrische Ausbildung des Schienenkopfes bedingt, wodurch Schienen gewendet werden können. Wciters ist eine besonders gute Krafteinleitung von dem Rad auf die Schiene und von der Schiene in den Gleisoberbau gewährleistet.
Liegt eine zweite gekrümmte Profilkurve im dritten Quadranten in einer dritten Grenzkurve, insbesondere zwischen der dritten Grenzkurve und einer vierten Grenzkurve, wobei die Werte der dritten Grenzkurve und die der vierten Grenzkurve durch Multiplizieren der x-Werte mit -1 bei identen y-Werten der ersten und der zweiten Grenzkurve erhalten sind und die gekrümmten Profilkurven stetig und monoton sind, so ist eine vollkommen symmetrische Ausbildung der Schienen gewährleistet, die auch bei Wenden der Schiene sicherstellt, daß die Kontaktfläche zum Rad, bezogen auf die Neigung der Schiene, also Neigung der Schiene zur Schienenmitte, optimiert ausgebildet ist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 in schematischer Darstellung den Schnitt durch einen Gleisoberbau.
Fig. 2 den Normalschnitt durch eine Schiene.
Fig. 3 den Normalschnitt durch eine Schiene im Bereich des Kopfteiles,
Fig. 4 ein Diagramm von drei Geraden,
Fig. 5 die äquivalente Konizität in Abhängigkeit von der Spurweite und der Schienenneigung nach dem Stand der Technik und
Fig. 6 die Abhängigkeit der äquivalenten Konizität von der Spurweite und der Schienenneigung.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Gleisoberbau sind zwei Schienen 1, 2 auf einer Trägerplatte 3 eines schotterlosen Oberbaues lösbar befestigt. Die Schienen 1, 2 sind zur Gleismitte hin geneigt und liegen auf geneigt ausgebildeten Aufstandsflächen 4 auf. Durch die Neigung der Schienen zueinander kann die Spurweite s, die durch den geringsten Abstand der Schienenköpfe zueinander bestimmt ist, erreicht werden.
Die in Fig. 2 im Schnitt dargestellte Vignolschiene weist einen Fußteil 5 mit einer Standfläche 6, einen Stegteil 7 und einen Kopfteil 8 auf. Der Kopfteil gliedert sich in einen fußnahen Bereich 9 und einen fußfernen Bereich 10. Der fußferne Bereich des Kopfteiles umschließt die Kontaktfläche 11. Die Schiene weist eine maximale Breite b von 72 mm auf. Durch die Symmetrieebene M wird die Schiene, sowohl bezogen auf den Fuß, den Stegteil als auch den Kopfteil, in zwei spiegelgleiche idente Teile geteilt. Der Schnitt durch die Symmetrieebene M und der Normalebene, durch welche der Schnitt der Schiene erhalten wurde, stellt die y-Koordinate eines rechtwinkeligen Koordinatensystemes dar. Der Nullpunkt des Koordinatensystemes liegt in der Kontaktfläche 11, durch welchen die auf die y-Koordinate normal stehende x-Koordinate geführt ist, welche ebenfalls in der Normalebene zu liegen kommt.
In Fig. 3 ist der fußferne Bereich 10 eines Kopfteiles der Schiene im Schnitt in dem Koordinatensystem gemäß Fig. 2 dargestellt. Durch die Krümmung U ist die Krümmung einer Standardschiene gemäß UIC 60 wiedergegeben, wohingegen durch die Grenzkurven G1 und G2 bzw. G3 und G4 die beiden Bereiche im IV bzw. III Quadranten angeführt sind, zwischen welchen die erfindungsgemäße Ausbildung einer Kontaktfläche des Schienenkopfes liegt. Die in Fig. 3 dargestellte Ausbildung eines Schiencnkopfes ist symmetrisch. Es kann jedoch der Schienenkopf, insbesondere wenn Schienen nachgeschliffen werden sollen, asymmetrisch ausgebildet werden, so daß lediglich jene Kontaktfläche, die zur Gleismitte weist, die erfindungsgemäße Ausbildung besitzt. Die Grenzkurve G1 ist eine stetige und monotone Krümmung und kann auch bereits die Krümmung der Kontaktfläche sein. Alle anderen Ausbildungen der Krümmung müssen in dem Bereich zwischen den Grenzkurven G1 und G2 liegen und zusätzlich noch die Bedingung erfüllen, daß sie stetig und monoton sind. Die Grenzkurve G1 wird durch drei Teilkreise P1, P2 und P3 mit den Mittelpunkten M1, M2 und M3 und den Radien r1, r2 und r3 erhalten. Die Koordinaten der Kreismittelpunkte sind wie folgt:
  • M1: x = 0
       y = -1,806 . b = -130,0 mm
  • M2: x = 9.414 . 10-2 . b = 6,778 mm
       y = -8,379 . 10-1 . b = -60,329 mm
  • M3: x = 2,000 . 10-1 . b = 14,403 mm
       y = -3,209 . 10-1 . b = -23,102 mm
    • Die Radien betragen
  • r1 = 1,806 . b = 130,0 mm
  • r2 = 8,333 . 10-1 . b = 60,0 mm
  • r3 = 3,056 . 10-1 . b = 22,0 mm
    • Die Breite b der Schiene beträgt 72 mm.
    Zu dieser so erhaltenen Grenzkurve G1, die auch im Mittelbereich keine ebene Fläche, sondern eine gekrümmte Fläche ist, werden sodann die im Diagramm der Fig. 4 von drei Geraden g1, g2 und g3 dargestellten Koordinatenwerte x und y addiert.
    Die Gerade g, ist in dem ersten Quadranten durch die Gleichung y = 0,02 x, die Gerade g2 durch die Gleichung y = 0,17 x -0,0375 . b und die dritte Gerade g3 durch die Gleichung y = 0,0475 . b definiert. Bei symmetrischer Ausbildung des Schienenkopfes liegt ein spiegelsymmetrischer Verlauf der Geraden im zweiten Quadranten II vor. Die Gerade g1 schneidet die Gerade g2, wobei die Werte, die zur Substraktion gelangen, ab dem Schnittpunkt zum Einsatz kommen. Die Gerade g2 schneidet die Gerade g3, wonach die Werte von g3 zum Einsatz kommen. Wie aus diesem Diagramm ersichtlich, kann der fußnahe Bereich des Kopfteiles beliebig ausgebildet sein.
    Die Profilkurve K2 im dritten Quadranten III liegt zwischen den Grenzkurven G3 und G4, welche spiegelsymmetrisch zu den Grenzkurven G1 und G2 sind. Die x-Werte der Grcnzkurven G3 und G4 werden durch Multiplizieren der Werte der Grenzkurven G1 und G2 mit -1 erhalten.
    In dem Diagramm gemäß Fig. 5 ist die äquivalente Konizität in Abhängigkeit von der Spurweite eines Gleises, u, zw. einer Schiene UIC 60, wie sie in Fig. 3 mit der Krümmung U angegeben ist, dargestellt. Bei einer Konizität von 0,4 liegt ein Grenzwert vor, der nicht überschritten werden soll. Durch die Linie a1 ist die äquivalente Konizität mit einem Gleis dargestellt, bei dem die Schienen keine Neigung aufweisen, mit a2 mit einer Schienenneigung von 1 : 20 und a3 einer Schienenneigung von 1 : 40. Wie diesem Diagramm zu entnehmen, ist der Grenzwert bei der Schiene ohne Neigung bereits bei einer Spurweite von ca. 1.434 mm, bei einer Schienenneigung von 1 : 40 bei 1.431 mm und bei einer Schienenneigung 1 : 20 bei 1.427,5 mm überschritten.
    Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung der Kontaktfläche sind die äquivalenten Konizitätswerte wesentlich besser, u. zw. 0,1 bis 0,25, wie Fig. 6 zu entnehmen. Die Linie a4 gibt das Verhalten einer erfindungsgemäßen Schiene bzw. Gleis wieder, die keine Schienenneigung aufweist, a5, die eine Schienenneigung von 1 : 20 und a6, die eine Schienenneigung von 1 : 40 aufweist. Der kritische Wert von 0,4 von der äquivalenten Konizität wird bei der Schiene ohne Neigung erst bei einer Spurweite von 1.229 mm erreicht, wohingegen bei den beiden anderen Schienenneigungen, selbst bei einer Spurweite von 1.428 mm, der kritische Wert noch längst nicht erreicht ist.
    Es ist nicht erforderlich, daß die gesamte Schiene eine bestimmte Neigung aufweist, sondern es kann der Schienenkopf, wie in Fig. 3 strichliert dargestellt, geneigt ausgebildet sein, d. h., daß das Koordinatensystem x' und y' geneigt zur Symmetrieebene M angeordnet ist. Die Kontaktfläche 11' entspricht somit der erfindungsgemäßen Ausbildung bei einem symmetrischen Schienenkopf und einer bevorzugten Neigung von 1 : 40.
    Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung der Schienen wird erreicht, daß die Berührungsflächen zwischen Rad und Schiene in den fußfernen Bereich verschoben werden, so daß die Relativgeschwindigkeitsunterschiede in den Berührungsflächen des Rades geringer werden, so daß die Abnützung sowohl des Rades als auch der Schiene geringer werden. Gleichzeitig werden auch die Berührungsflächen mehr zur Schienen mitte verlagert, wodurch auch ein erhöhtes Stabilitätsverhalten des Fahrzeuges auf der Schiene erreicht wird, so daß die Beanspruchung der einzelnen Konstruktionsteile des Fahrzeuges geringer gehalten werden kann.

    Claims (9)

    1. Gleisoberbau mit einem Gleis mit zumindest zwei Schienen (1, 2), die insbesondere zur Gleismitte geneigt sind und jeweils einen Kopf-(8), Steg- (7) und Fußteil (5) mit einer Standfläche (6) aufweisen, wobei die Kopfteile (8) beider Schienen einen, vorzugsweise prismatischen, fußnahen Bereich (9) und einen fußfernen Bereich (10) mit der Kontaktfläche (11) zum Rad besitzen, welche Kontaktflächen (11) im Normalschnitt zur Schienenlängsrichtung eine erste und/oder eine zweite gekrümmte Profilkurve (K1), insbesondere mit drei Teilkreisen (P1, P2, P3), aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die erste gekrümmte Profilkurve (K1) im vierten Quadranten (IV) eines rechtwinkeligen Koordinatensystems in einer ersten Grenzkurve (G1), insbesondere zwischen der ersten Grenzkurve (G1) und einer zweiten Grenzkurve (G2), liegt, wobei die erste Grenzkurve (G1) durch zumindest drei aneinanderschließende Teilkreise (P1, P2, P3) gebildet ist, und eine y-Achse des rechtwinkeligen Koordinatensystems von unten nach oben verläuft und der Nullpunkt, durch welchen eine x-Achse gelegt ist, dem Schnittpunkt der Kontaktfläche (11) mit der y-Achse entspricht, und der erste Teilkreis (P1) einen Mittelpunkt (M1) mit den Koordinaten x = 0,0, y = -1,806 . b und einen Radius (r1) von 1,806 . b, der zweite Teilkreis (P2) einen Mittelpunkt (M2) mit den Koordinaten x = 9,414 . 10-2 . b, y = -8,373 . 10-1 . b und einen Radius (r2) von 8,333 . 10-1 . b und der dritte Teilkreis (P3) einen Mittelpunkt (M3) mit den Koordinaten x = 2,000 . 10-1 . b, y = -3,209 . 10-1 . b und einen Radius (r3) von 3,056 . 10-1 b aufweist, wobei b den zweifachen größten Normalabstand der ersten gekrümmten Profilkurve (K1) zur y-Achse darstellt und die zweite Grenzkurve (G2) durch Subtraktion absoluter y- von den absoluten y-Werten der ersten Grenzkurve (G1) bei vorgegebenen x-Werten erhalten ist, und das Vorzeichen des Wertes dem der ersten Grenzkurve entspricht, wobei die zu substrahierenden y-Werte durch die absoluten Werte zumindest zweier einander schneidende Geraden (g1, g2) definiert sind, und die erste Gerade (g1) durch den Nullpunkt geht und durch die Gleichung y = 0,02 x und anschließend ab dem Schnittpunkt mit einer zweiten Geraden (g2) durch diese mit der Gleichung y = -0,17 x -0,0375 . b gegeben sind, wobei die zweite gekrümmte Profilkurve (K2) im dritten Quadranten in einer dritten Grenzkurve (G3), insbesondere zwischen der dritten Grenzkurve (G3) und einer vierten Grenzkurve (G4), liegt, wobei die Werte der dritten Grenzkurve (G3) und die der vierten Grenzkurve (G4) durch Multiplizieren der x-Werte mit -1 bei identen y-Werten der ersten und der zweiten Grenzkurve (G1 und G2) erhalten sind und die gekrümmten Profilkurven stetig und monoton sind.
    2. Gleisoberbau mit einem Gleis mit zumindest zwei Schienen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Gerade (g2) sich mit einer dritten Geraden (g3) der Gleichung y = 0,0475 . b schneidet und ab diesem Schnittpunkt die absoluten y-Werte der dritten Geraden (g3) von den absoluten y-Werten der ersten Grenzkurve (G1) bei vorgegebenen x-Werten substrahieren und das Vorzeichen dem des Wertes der ersten Grenzkurve (G1) entspricht, wobei durch diese Werte der weitere Verlauf der zweiten Grenzkurve (G2) gegeben ist.
    3. Gleisoberbau mit einem Gleis mit zumindest zwei Schienen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Standfläche (6) der Schiene (1, 2) normal zur Schienenlängsrichtung gesehen und auf die Fahrbahn bezogen eine Neigung von 1 : 38 bis 1 : 42, insbesondere 1 : 40, aufweist, aufweist.
    4. Gleisoberbau nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Stegteil (7) eine in Schienenlängsrichtung verlaufende Symmetrieebene (M) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die y-Achse des Koordinatensystems in der Symmetrieebene (M) liegt.
    5. Gleisoberbau nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die x-Achse eine Neigung aufweist, die einer Neigung 1 : 38 bis 1 : 42, insbesondere 1 : 40, entspricht.
    6. Schiene, insbesondere für einen Gleisoberbau nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem Steg- (7), Fuß- (5) mit einer Standfläche (6) und einem Kopfteil (8) mit einem, vorzugsweise prismatischen fußnahen Bereich (9) und einem fußfernen Bereich (10) mit der Kontaktfläche zum Rad, welche im Normalschnitt zur Schienenlängsrichtung eine erste und/oder zweite gekrümmte Profilkurve (K1, K2), insbesondere mit drei Teilkreisen (P1, P2, P3), aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste gekrümmte Profilkurve (K1) im vierten Quadranten (IV) eines rechtwinkeligen Koordinatensystems in einer ersten Grenzkurve (G1), insbesondere zwischen der ersten Grenzkurve (G1) und einer zweiten Grenzkurve (G2), liegt, wobei die erste Grenzkurve (G1) durch zumindest drei aneinanderschließende Teilkreise (P1, P2, P3) gebildet ist, und eine y-Achse des rechtwinkeligen Koordinatensystems von unten nach oben verläuft und der Nullpunkt, durch welchen eine x-Achse gelegt ist, dem Schnittpunkt der Kontaktfläche (11) mit der y-Achse entspricht, und der erste Teilkreis (P1) einen Mittelpunkt (M1) mit den Koordinaten x = 0,0, y = -1,806 . b und einen Radius (r1) von 1,806 . b, der zweite Teilkreis (P2) einen Mittelpunkt (M2) mit den Koordinaten x = 9,414 .10-2 . b, y = -8,373 . 10-1 . b und einen Radius (r2) von 8,333 . 10-1 . b und der dritte Teilkreis (P3) einen Mittelpunkt (M3) mit den Koordinaten x = 2,000 . 10-1 . b, y = -3,209 . 10-1 . b und einen Radius (r3) von 3,056 . 10-1 . b aufweist, wobei b den zweifachen größten Normalabstand der ersten gekrümmten Profilkurve (K1) zur y-Achse darstellt und die zweite Grenzkurve (G2) durch Subtraktion der absoluten y- von den absoluten y-Werten der ersten Grenzkurve (G1) bei vorgegebenen x-Werten erhalten ist, und das Vorzeichen des Wertes dem der ersten Grenzkurve (G1) entspricht, wobei die zu substrahierenden Werte durch die absoluten Werte zumindest zweier einander schneidende Geraden (g1, g2) definiert sind, wobei die erste Gerade (g1) durch den Nullpunkt geht und durch die Gleichung y = 0,02 x und anschließend ab dem Schnittpunkt mit einer zweiten Geraden (g2) durch diese mit der Gleichung y = -0,17 x -0,0375 . b gegeben sind, und die gekrümmte Profilkurve eine stetige und monotone Kurve darstellt.
    7. Schiene nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die zweite Gerade (g2) mit einer dritten Geraden (g3) der Gleichung y = 0,0475 b schneidet und ab diesem Schnittpunkt die absoluten y-Werte der dritten Geraden (g3) von den absoluten y-Werten der ersten Grenzkurve (G1) bei vorgegebenen x-Werten substrahiert und das Vorzeichen dem des Wertes der ersten Grenzkurve (G1) entspricht und durch diese Werte der weitere Verlauf der zweiten Grenzkurve (G2) gegeben ist.
    8. Schiene nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Stegteil (7) eine in Schienenlängsrichtung verlaufende Symmetrieebene (M) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die y-Achse des Koordinatensystems in der Symmetrieebene (M) liegt.
    9. Schiene nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite gekrümmte Profilkurve (K2) im dritten Quadranten (III) in einer dritten Grenzkurve (G3), insbesondere zwischen der dritten Grenzkurve (G3), und einer vierten Grenzkurve (G4) liegt, wobei die Werte der dritten Grenzkurve (G3) und die der vierten Grenzkurve (G4) durch Multiplizieren der x-Werte mit -1 bei identen y-Werten der ersten und der zweiten Grenzkurve (G1 und G2) erhalten sind und die gekrümmten Profilkurven (K1, K2) stetig und monoton sind.
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