Auswertung von Radkraft-Messdaten zur Ermittlung eines Lastkollektives für die Lebensdauerabschätzung von Schienen

Abstract

Um die Lebensdauer einer Schiene abzuschätzen und dadurch die optimalen Wechselintervalle vorausschauend planen zu können, ist es unerlässlich, die Belastung auf die Schienen möglichst genau zu kennen. Normalerweise sind Schienen Belastungen unterworfen, die unterhalb der Dauerfestigkeitsgrenze des verwendeten Werkstoffes liegen. Die eigentliche Abnützung der Schienen erfolgt durch den Verschleiß infolge des Rollkontaktes mit den Rädern der Schienenfahrzeuge. Daher kann die Liegedauer von Schienen je nach Belastung auch bis zu 30 Jahre oder länger betragen. Sind die Schienen aber besonders hohen Belastungen unterworfen, so kann sich die Liegedauer dramatisch reduzieren. Die Abschätzung, wie lange eine Schiene in einem besonders hoch belasteten Streckenabschnitt verwendet werden kann, hängt stark von der Belastung ab. In einem Bogen beispielsweise sind die Belastungen nicht mehr so leicht abschätzbar, da es auch zu ausgeprägten Seitenführungskräften kommt. Wenn man die tatsächlichen Belastungen aber kennt, so kann mit heutigen Finite Elemente-Methoden eine Vorhersage getroffen werden, wann der Werkstoff der Schiene seine Zeitfestigkeit erreicht. In der vorliegenden Arbeit wurde ein besonders hoch belasteter Streckenabschnitt im Schienennetz der Österreichischen Bundesbahnen (ÖBB) ausgewählt, um mit Hilfe der Daten einer ortsfesten Schienenkraft-Messstelle die tatsächlich auftretenden Belastungen auf die Schiene zu ermitteln. Die gewählte Messstelle liegt in einem sehr engen Bogen mit einem Bogenradius von 183 m auf einer der Hauptverkehrsachsen Österreichs. Besonders durch den abwechslungsreichen Verkehr an Fernreisezügen, Nahverkehrszügen und Güterzügen stellt diese Messstelle ein vielfältiges Belastungskollektiv zur Verfügung. Im Folgenden werden in der ersten Betrachtung der Belastung der Schienen die Mittelwerte der Kräfte über die Messstelle ermittelt, um einen Überblick über die zu erwartenden Kräfte zu bekommen. Dabei wird auf unterschiedliche Fahrzeugarten und Fahrgeschwindigkeiten eingegangen. Nachfolgend werden die Kräftepaare der Aufstandskraft (Q-Kraft) und der Seitenführungskraft (Y-Kraft) an jedem Schwellenfach gegenüber gestellt, um die Belastungen der beiden Kräfte an gleichen Belastungsquerschnitten darzustellen. Von Interesse sind dabei die relativen Häufigkeiten des Auftretens der beiden einzelnen Kraftkomponenten, als auch deren Gleichzeitigkeit des Auftretens. Dadurch ergeben sich Häufigkeitsdiagramme, die die tatsächliche Belastung hinsichtlich der Y- und Q-Kraft auf die Schienen wiedergeben. Darüber hinaus werden auch auf Basis der vorliegenden Daten Abschätzungen erarbeitet, um wie viel ein zukünftiges Fahrzeug mit 25 t Radsatzlast langsamer fahren muss, damit es die gleiche Belastung in einem engen Bogen auf die Schienen ausübt, wie ein heutiges Fahrzeug mit 22,5 t Radsatzlast. Des Weiteren werden auch die tatsächlichen Kraftverläufe der Y- als auch der Q-Kraft über die Messstelle für einen Railjet der ÖBB und einen Güterzug betrachtet. Diese zusätzlichen Betrachtungen zeigen durchaus interessante Zusammenhänge auf.

To estimate the operational lifetime of rails and to derive the optimal interval for replacing them, it is necessary to know the loads which are acting on the rails. Usually these loads are among the long life fatigue strength of the used material. The actual abrasions of the rails are driven by wear because of the contact between the rail and the wheels of the vehicles. The duration of the use of rails can reach 30 years or more. If the rails are under extraordinary loads, the duration of use can reduce dramatically. The estimation, how long a rail can be used in a high frequented rail sector depends heavily on the loads which are applied. In a curve for example, the loads on the rails are difficult to estimate, because of the lateral guiding forces acting in addition to the vertical wheel/rail forces. If the actual loads are known, it is possible to calculate a prediction, when the material of the rail is reaching the finite-life fatigue strength by using modern finite element methods. In this present thesis a high frequented rail sector in the network of the Austrian Federal Railways was focused to determine the actual loads which are acting on the rails by using a stationary measuring site for wheel-rail forces. This measuring site was chosen, because it is located in a very tight bend with a radius of 183 m on a major traffic route of Austria. Especially the varying traffic at this rail sector consisting of long-distance trains, commuter trains and freight trains provides a diverse load spectrum. In the first consideration of the loads on the rails, the mean values of the acting forces over the measuring site were focused. In this consideration various vehicle types and driving speeds are observed. In the following the couple of forces, the vertical wheel/rail force (Q) and the lateral guiding force (Y) measured between the sleepers are considered, to show both forces, which are acting on the same cross section of the rail. The interest is concentrated on the relative frequency of the both acting forces and the concurrency of these forces. With these results, diagrams can be drawn for the actual forces with their frequency of acting. Furthermore on base of the available data an estimation on how fast a future vehicle with an axle load of 25 t should be permitted to drive, to apply the same loads on the rails in a tight bend as a current vehicle with 22,5 t axle load, was accomplished. Furthermore the actual curves of the Y- and Q-forces over the measuring site are plotted for a 'Railjet'-train of the Austrian Federal Railways and a freight train. This consideration is showing quite interesting relationships.