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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Richten einer Schiene.
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Schienen,
die durch Warmwalzen oder ein anderes Warmformverfahren erzeugt
werden, werden in der Regel ausgehend von ihrer Temperatur am Ende
der Warmverformung auf einem Kühlbett
auf Umgebungstemperatur abgekühlt.
Wegen der unterschiedlichen Verhältnisse
von Masse zu Oberfläche
am Schienenkopf und am Schienenfuß entstehen dabei langwellige
Verbiegungen. Darüber
hinaus können
durch den Verformungsprozeß selbst
und die anschließenden
Transportvorgänge
kurzwellig verlaufende Geradheitsabweichungen verursacht werden.
Zu ähnlichen
Formfehlern kommt es bei Schienen, die aus der Verformungshitze
beschleunigt abgekühlt
werden oder einer ergänzenden
Wärmebehandlung
unterzogen werden.
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Die
mit derartigen Abweichungen von der Geradheit behafteten Schienen
sind als solche für
den Gleisbau nicht zu gebrauchen und müssen deshalb nach dem Abkühlen gerichtet
werden. Das Richten erfolgt üblicherweise
auf einer Richtmaschine, die mit einer ungeraden Zahl, insbesondere
sieben oder neun, Richtrollen ausgestattet ist. Die jeweils ungeradzahligen
(1.,3.,5.,...) Richtrollen sind dabei im allgemeinen dem Schienenfuß zugeordnet,
während
die geradzahligen (2.,4.,6.,...) Richtrollen auf den Schienenkopf
wirken.
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Durch
das Rollenrichten entstehen an und unter der Fahrfläche des
Schienenkopfs und im mittleren Bereich der Unterseite des Schienenfußes hohe
Zugeigenspannungen. Es ist festgestellt worden, daß diese Zugeigenspannungen
die Bruchsicherheit der Schienen bei statischer und dynamischer
Beanspruchung vermindern. Diesen Spannungen überlagern sich im Betrieb noch
die Kontaktspannungen, die durch die auf den Schienen abrollenden
Räder verursacht
werden. Diese Kontaktspannungen lösen wiederum Biegezug- und -druckspannungen
aus. Weitere Spannungen entstehen aus dem Unterschied der jeweils
aktuell gegebenen Schienentemperatur zur Verlegetemperatur.
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Es
sind verschiedene Versuche gemacht worden, die durch das Rollenrichten
verursachten Zugeigenspannungen zu mindern. So ist beispielsweise
vorgeschlagen worden, ein Spannungsarmglühen, ein Reckrichten (
DE 32 23 346 A1 ),
ein seitliches Richten (
DE
19 42 929 C ), ein Richten mit erhöhter Schienenstegtemperatur
(
DE 35 01 522 C1 ),
eine kurzzeitige Schienenstegerwärmung
(
DE 197 20 061 C2 )
oder ein Richten mit vergrößerten Kontaktflächen zwischen
den Richtrollen und der jeweils gerichteten Schiene durchzuführen (
DE 41 37 459 C2 ),
um die Eigenspannungen herabzusetzen. Großtechnisch durchgesetzt hat
sich jedoch keiner dieser Vorschläge. Dies ist zum einen durch
die hohen Zusatzkosten und zum anderen durch das Fehlen geeigneter
technischer Einrichtungen begründet.
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Die
beim Rollenrichten an der Unterseite des Schienenfußes einzuhaltenden,
maximal zulässigen Längszugeigenspannungen
sind in der EN 13 674-1 "Oberbau
Schienen, symmetrische Breitfußschienen
ab 46 kg/m", Entwurf
September 1999 auf höchstens
250 N/mm2 begrenzt worden. Für den Schienenkopf
ist von entsprechenden Werten auszugehen. Gleichzeitig begrenzt
die EN 13 674-1 die maximale vertikale Ebenheitsabweichung auf einer
Bezugslänge
von drei Metern auf höchstens
0,3 mm.
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Der
heutige Hochgeschwindigkeitsverkehr stellt besonders hohe Anforderungen
an die Geradheit von Schienen und deren Bruchsicherheit. Durch einen
optimal geradlinigen Zustand der Schienen wird bei geringen vertikalen
und horizontalen Schwingungsanregungen ein ruhiger Fahrzeuglauf
gewährleistet.
Optimale gerade verlaufende Schienen sind daher Voraussetzung für einen
besonders hohen Fahrkomfort und eine geringe dynamische Belastung
der Schienenfahrzeuge und des Gleisoberbaus.
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Die
hohen an den geraden Oberflächenverlauf
von Schienen gestellten Anforderungen machen erhebliche Biegeverformungen
während
des Rollenrichtens erforderlich. Anders läßt sich die geforderte Maßhaltigkeit
nicht erreichen. Ein derart "scharf" durchgeführtes Rollenrichten
ruft jedoch erhebliche Zugeigenspannungen hervor.
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Auch
Versuche, die Entstehung von Zugeigenspannungen und die Vorgänge beim
Rollenrichten allgemein durch FEM-Berechnungen und Simulationsbetrachtungen
nachzuvollziehen, haben keine Resultate erbracht, die in der Praxis
zu einer unmittelbar verwertbaren Verbesserung geführt hätten.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ausgehend von dem voranstehend
erläuterten
Stand der Technik ein Verfahren zum Rollenrichten zu schaffen, welches
ohne zusätzliche
Einrichtungen und Mittel das Richten von Schienen ohne die Gefahr
des Entstehens hoher Zugeigenspannungen ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
ein Verfahren zum Richten einer Schiene gelöst, bei dem die Schiene eine
Rollenrichtmaschine durchläuft,
welche eine Gruppe den Schienenfuß berührender Rollen und eine Gruppe
den Schienenkopf berührender
Rollen aufweist, wobei mindestens die Rollen einer dieser Gruppen
in Richtung der Schiene anstellbar sind, bei dem die Anstellung
der anstellbaren Richtrollen so gewählt wird, daß im Einlaufbereich
der Richtmaschine an einer Richtrolle ein verglichen mit den an
den anderen Richtrollen erzielten Verformungen maximaler Wert der
Biegeverformung erreicht wird, und bei dem diejenigen Richtrollen,
die im Anschluß an
die Richtrolle, an welcher der maximale Wert der Biegeverformung
erreicht wird, von der Schiene durchlaufen werden, so eingestellt
werden, daß die
maximale Biegeverformung an jeder dieser Richtrollen um jeweils
eine Stufe abgebaut wird.
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Vorzugsweise
werden dabei diejenigen Rollen, die im Anschluß an die Richtrolle durchlaufen
werden, an welcher der maximale Wert der Biegeverformung erreicht
wird, von der Schiene durchlaufen werden, so angestellt, daß die Amplitude
der Biegeverformung an jeder dieser Rollen degressiv mit möglichst
hoher Degression abgebaut wird. Dadurch kann die Entstehung von
Zugeigenspannungen besonders wirkungsvoll vermieden werden. Günstig ist
es in diesem Zusammenhang darüber
hinaus, wenn die Rollen, die nach den im Anschluß an die Rolle mit der höchsten Biegeverformung
positionierten Rollen durchlaufen werden, so angestellt werden,
daß die
Schiene im Übergangsbereich
der elastisch-plastischen Wechselbiegung in den geraden Zustand überführt wird.
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Eine
gezielte Verteilung der ohnehin auf einem niedrigen Niveau vorliegenden
Eigenspannungen über den
Querschnitt der gerichteten Schiene läßt sich dadurch erreichen,
daß ausgehend
von einer Anfangseinstellung die Anstellung der im Auslaufbereich
positionierten Rollen der Richtmaschine über das Verhältnis der Biegekrümmungen
an den betreffenden Rollen von etwa 0,7 bis 1,3 variiert wird.
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Gemäß der Erfindung
wird im Zuge des Richtvorgangs mittels Anstellung einer Richtrolle
eine maximale Biegeverformung an einer Rolle verursacht, die mit
dem Schienenfuß in
Berührung
ist. Diese Verformung reicht aus, um den gewünschten Richteffekt zu erreichen.
Die durch diese maximale Biegeverformung hervorgerufene stetige
Krümmung
der Schiene wird an den anschließend passierten Richtrollen
durch Wechselbiegung der Schiene mit stufenweise abnehmender Amplitude
abgebaut.
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Überraschend
hat sich gezeigt, daß auf
diese Weise eine Schiene gerichtet werden kann, die eine optimale
Geradheit bei geringen Zugeigenspannungen aufweisen. Aufwendiger
Nachbehandlungen der erfindungsgemäß gerichteten Schiene bedarf
es dazu nicht.
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Besonders
gute Ergebnisse des Richtens bei gleichzeitig minimierten Zugeigenspannungen
können erreicht
werden, wenn die Biegerichtrolle, an welcher die maximale Biegeverformung
erreicht wird, dem Schienenfuß zugeordnet
ist. Dabei ist es ebenso günstig,
wenn die Abstufung der einzelnen Verfomungsschritte beim Abbau der
maximalen Biegeverformung so ausgelegt ist, daß die Biegerichtrolle, an der
die letzte plastische Verformung der Schiene beim stufenweisen Abbau
der maximalen Biegeverformung erreicht wird, ebenfalls dem Schienenfuß zugeordnet
ist. Es hat sich gezeigt, daß insbesondere
bei einer derartigen Verteilung der stufenweisen "Rückverfomung" der Schiene sich ein Minimum an Zugeigenspannungen
bei gleichzeitig optimierter Geradheit erreichen läßt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
läßt sich
in hervorragender Weise auf herkömmlich
aufgebauten Richtmaschinen durchführen, bei denen die Richtrollen
der ersten Gruppe in Förderrichtung
der Schiene versetzt zu den Rollen der zweiten Gruppe angeordnet
sind. Die versetzte Anordnung wird allgemein als Teilung bezeichnet.
In der Praxis ist es üblich,
Schienenrichtmaschinen mit Teilungen von 1400 – 1800 mm auszulegen. Die Teilung
der Rollen kann an einer Richtmaschine gleich, unterschiedlich groß oder variable
einstellbar sein. Die Rollen können
in der Maschine horizontal übereinander
oder vertikal nebeneinander angeordnet sein.
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Herkömmliche
Richtmaschinen sind dabei mit anstellbaren Kopfrollen oder mit anstellbaren
Fußrollen ausgerüstet. Die
für den
Richtprozeß nötigen alternativ
wechselnden Biegungen werden in den sogenannten Richtdreiecken erzielt.
Bei bekannten Richtmaschinen der in Rede stehenden Art bilden jeweils
zwei Richtrollen der einen Gruppe mit einer Richtrolle der jeweils
anderen Gruppe ein solches Richtdreieck. Im Hinblick auf die Erfindung ist
es in diesem Zusammenhang günstig,
wenn die Richtrolle, an der die höchste Biegeverformung erreicht
wird, die zuletzt passierte Richtrolle eines Richtdreiecks ist.
Günstig
ist es darüber
hinaus, wenn das betreffende Richtdreieck, dem die Richtrolle zugeordnet
ist, an der die höchste
Biegeverformung erreicht wird, am Anfang der von der Schiene durchlaufenen
Richtstrecke angeordnet ist. Auf diese Weise kann der stufenweise
Abbau der höchsten
Biegeverformung auch auf Maschinen mit einer geringen Rollenzahl
sicher erfolgen. So läßt sich
das erfindungsgemäße Verfahren
beispielsweise auf Richtmaschinen durchführen, die in bekannter Weise
mit sieben oder mehr Richtrollen ausgestattet sind. Dabei ist es
im Hinblick auf die angestrebte Minimierung der Zugeigenspannungen
günstig,
wenn die jeweils ungeradzahligen Richtrollen dem Schienenfuß zugeordnet
sind.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand einer zwei Ausführungsbeispiele darstellenden
Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigen schematisch:
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1 einen Ausschnitt einer
liegenden Richtmaschine in einer Draufsicht;
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2 einen Ausschnitt einer
stehenden Richtmaschine in seitlicher Ansicht.
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Die
in 1 dargestellte, in
herkömmlicher
Weise aufgebaute Richtmaschine R ist mit mindestens sieben Richtrollen 1 bis 7 ausgestattet.
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In
der Richtmaschine R wird eine Schiene S gerichtet, die zuvor durch
Warmwalzen erzeugt und auf einem nicht dargestellten Kühlbett von
der ca. 900 °C
betragenden Walzendtemperatur auf Raumtemperatur abgekühlt worden
ist.
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Die
jeweils ungeradzahligen Richtrollen 1,3,5 und 7 der
Richtmaschine R sind dem Schienenfuß F der Schiene S zugeordnet,
während
die geradzahligen, vertikal verstellbaren Richtrollen 2,4,6 auf
den Schienenkopf K wirken. Die dem Schienenkopf K zugeordneten Richtrollen 2,4,6 sind
dabei in Förderrichtung
P der Schiene S derart versetzt gegenüber den dem Schienenfuß F zugeordneten
Richtrollen 1,3,5,7 angeordnet, daß jeweils
eine der Richtrollen 2,4,6 in Bezug auf
die Horizontale jeweils mittig zwischen einem Paar der Richtrollen 1,3,5 und 7 angeordnet
ist. Auf diese Weise bilden die Richtrollen 1,2 und 3 die
Eckpunkte eines ersten Richtdreiecks RD1. Ein zweites Richtdreieck
RD2 wird durch die Richtrollen 2,3 und 4 gebildet,
ein drittes Richtdreieck RD3 durch die Richtrollen 3,4,5 etc.
Die Richtdreiecke RD1 bis RD3 sind in 1 durch
gestrichelte Linien angedeutet. Zwischen den jeweils einem Richtdreieck
RD1,RD2,RD3,... zugeordneten Richtrollen 1 bis 7 wird
die Schiene S in abwechselnder Richtung biegeverformt.
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Die
dem Schienenkopf K zugeordnete Richtrolle 2 ist so in vertikaler
Richtung auf den Schienenfuß F angestellt,
daß die
Schiene S beim Passieren der Richtrolle 3 eine maximale
Biegeverformung erfährt.
Beginnend mit der anschließend
passierten Richtrolle 4 wird die dadurch hervorgerufene
stetige Krümmung
der Schiene S stufenweise verringert. Die Abstufung ist dabei so
gewählt,
daß die letzte
noch als plastisch zu bezeichnende Biegeverformung an der dem Schienenfuß F zugeordneten
Richtrolle 5 erfolgt.
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Die
bei der Durchführung
des Richtvorgangs erforderlichen Biegekrümmungen sind in der nachfolgenden
Tabelle 1 für
zwei Beispiele angegeben. Beispiel 1A bezieht sich dabei auf eine
Schiene mit normalen bzw. geringen Krümmungsdifferenzen nach der
Abkühlung,
während
Beispiel 1B für
eine Schiene mit größeren Krümmungsdifferenzen
gilt.
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Als
positiv ist in diesem Zusammenhang eine Krümmung definiert, wenn die Biegung
an einer Rolle über
den Schienenkopf K erfolgt, d.h. an den Rollen 2, 4 und 6.
Als negativ sind die Krümmungen
definiert, wenn die Biegung über
den Schienenfuß F
erfolgt, d.h. an den Rollen 3 und 5.
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In
praktischen Versuchen an Schienen des Profils UIC60 in Güte UIC900A
hat sich gezeigt, daß auf einer
gemäß 1 ausgebildeten Richtmaschine
bei erfindungsgemäßer Vorgehensweise
nach dem Richten die Längszugspannungen
im Schienenkopf K gegenüber
den sich bei üblicher
Vorgehensweise einstellenden Längszugspannungen
um mehr als die Hälfte
reduziert sind.
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Die
in 2 gezeigte Richtmaschine
ist mit neun Rollen 11 bis 19 ausgestattet, von
denen im Unterschied zum Beispiel gemäß 1 nicht die dem Schienenkopf K zugeordneten
geradzahligen Rollen 12,14,16,18,
sondern die dem Schienenfuß F
zugeordneten ungradzahligen Rollen 11,13,15,17,19 in
vertikaler Richtung verstellbar montiert sind. Die größere Zahl
von Richtrollen 11 bis 19 hat den Vorteil, daß die mittels geeigneter
Anstellung der Rollen 11, 13 und 15 maximal
eingestellte Krümmung
der Schiene S bis zur Rolle 15 sehr schnell auf einen niedrigen
Krümmungswert
zurückgeführt werden
kann, so daß an
den Rollen 16, 17 und 18 nur noch mit
einer geringen Krümmungsamplitude
gerichtet werden muß.
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Tabelle
2 gibt beispielhaft die beim Richten einer Schiene S in der in 2 dargestellten Richtmaschine
an den einzelnen Richtrollen aufgeprägten bezogenen Biegekrümmungen
k * / v an. Ausgehend von einer solchen Einstellung der Richtmaschine
ist es möglich,
durch gezielte Variation der Anstellung der im Richtbereich der
Maschine angeordneten Rollen 15, 17 und 19 die
Eigenspannungsverteilung in der gerichteten Schiene den praktischen
Anforderungen entsprechend einzustellen. Die mit dieser Zielsetzung
veränderte
Stufung der an den Rollen 16 und 17 jeweils aufgeprägten Krümmungen
ist in den zugeordneten Zeilen der Tabelle 2 jeweils in Klammern
gesetzt.
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Genauso
wie bei der Tabelle 1 ist in Tabelle 2 als positiv eine Krümmung definiert,
wenn die Biegung an einer Rolle über
den Schienenkopf K erfolgt, d.h. an den Rollen 12, 14, 16 und 18.
Als negativ sind die Krümmungen
definiert, wenn die Biegung über
den Schienenfuß F
erfolgt, d.h. an den Rollen 13, 15 und 17.
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Die "bezogenen Biegekrümmungen", welche in den Tabellen
1 und 2 genannt sind, entsprechen den Biegekrümmungen kv im
Kontaktbereich der Rollen 1 bis 7 bzw. 11 bis 19,
die auf die maximal mögliche
elastische Biegekrümmung
ks der Schiene S bezogen sind, wobei ks = 2·Rp0,2 / E·h. Mit Rp0,2 ist
dabei die 0,2 % – Prüfgrenze
bzw. die Streckgrenze des zu richtenden Schienenstahls, mit E der
Elastizitätsmodul
und mit h die Höhe
des Profils der jeweiligen Schiene S bezeichnet. Somit ergibt sich
k * / v = kv / ks.
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Bei
den in der voranstehend angegebenen Tabellen 1 und 2 eingetragenen
Abstufungen handelt es sich um Richtwerte, welche die Größenordnungen
angeben, in denen die im Anschluß an die höchste Biegeverformung durchlaufenen Stufen
der "Rückverformung" liegen. In der Praxis
werden die maximale Biegeverformung und die Stufen der anschließenden "Rückverformung" im wesentlichen
proportional zur Streckgrenze und zum Verfestigungsverhalten des
Schienenwerkstoffs bemessen. Der Wert der höchsten Biegeverfomung muß umso größer sein
je größer die
nach der Abkühlung
der Schiene S vorhandenen Krümmungen
und Welligkeiten der Schiene S sind.
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Wenn
die Werte der maximalen Biegeverfomung und der letzten noch wirksamen
plastischen Verformung bestimmt sind, können die notwendigen Anstellungen
der zwischen der Richtrolle 3 bzw. 13, an der
die höchste
Biegeverformung erzeugt wird, und der Richtrolle 5 bzw. 16 oder 17,
an der die letzte plastische Verformung der Schiene S erzielt wird,
durch eine Betrachtung der elastisch plastischen Biegung der Schiene
S bestimmt werden. Einflußgrößen sind
dabei die technischen Daten der Richtmaschine R (Teilung; Durchmesser,
Anzahl, Art der Anstellung der Richtrollen; Verformung der Richtmaschine
R als Folge des Richtvorgangs).
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Selbstverständlich kann
das Richten der Schiene S auch auf Richtmaschinen durchgeführt werden, die
mit mehr als neun Rollen ausgestattet sind. Es zeigt sich, daß auf solchen
Maschinen eine weitere Absenkung der Zugeigenspannungen erreicht
werden kann.
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Praktische
Versuche an Schienen des Profils UIC60 in Güte UIC900A haben ergeben, daß auf einer gemäß 2 ausgebildeten Richtmaschine
bei erfindungsgemäßer Vorgehensweise
nach dem Richten die Längszugspannungen
gegenüber
den sich bei üblicher
Vorgehensweise einstellenden Längszugspannungen im
Mittel um 40 reduziert sind.
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- 1–7
- Richtrollen
- 11–19
- Richtrollen
- F
- Schienenfuß der Schiene
S
- K
- Schienenkopf
der Schiene S
- P
- Förderrichtung
der Schiene S
- R
- Richtmaschine
- RD1,RD2,RD3
- Richtdreiecke
- S
- Schiene
