Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bearbeiten der Lauffläche einer Schiene mit Hilfe wenigstens eines entlang der Schiene bewegbaren und an deren Lauffläche andrückbaren, rotierenden, spanabhebenden Formgebungswerkzeug und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Stand der Technik

Schienen von Schienenfahrzeuggleisen unterliegen einem Verschleiß, der durch Kontaktkräfte zwischen Schienen und darauf abrollenden Schienenfahrzeugrädern bewirkt wird. Die dabei auftretenden, unerwünschten verschleißbedingten Verän- derungen des Schienenquerschnitts werden zur Verlängerung der Lebensdauer regelmäßig oder anlassbezogen einem Verfahren zum Reprofilieren unterzogen. Auch eine präventive Bearbeitung ist möglich. Schienenunebenheiten im Bereich des befahrenen Schienenkopfes werden in Längswellen (entlang der Schienen- achse), in Riffel (quer zur Schienenachse) und letztendlich in Rauhigkeiten eingeteilt. Längswellen entstehen in der Regel durch den Fährbetrieb. Riffel entstehen beispielsweise auch durch ein Fräsen des Schienenkopfes. Rauhigkeiten entste- hen insbesondere im Zuge einer Schleifbearbeitung des Schienenkopfes. Ein Re- profilieren des Schienenkopfes erfolgt vorwiegend mit spanabhebenden Bearbei- tungsverfahren wie etwa Schleifen, Hobeln, Drehhobeln oder Fräsen, wobei diese Bearbeitungsverfahren entweder an ausgebauten Schienen ausgerührt werden oder heute meist mittels schienengeführten Bearbeitungsfahrzeugen im verlegten Gleis erfolgen können (EP 2 638 209 A1 ).

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reprofilieren einer Schiene ist beispiels- weise aus WO 02/06587 A1 bekannt. Darin ist ein gleisgeführtes Bearbeitungs- fahrzeug offenbart, mit dem die Lauffläche einer Schiene, die im Wesentlichen die Fahrfläche und die Fahrkante umfasst, mittels Umfangsfräsen und erforderlichen- falis mittels eines Schleifvorganges wieder an das Sollprofil herangeführt oder an- genähert wird. Mit einem derartiges Verfahren und einem derartigen Bearbeitungs- fahrzeug kann in kurzer Zeit auf rationelle Weise das Sollprofil von Schienen wie- derhergestellt werden. Deren Einsatz ist jedoch bisher nur auf durchgehenden Gleisabschnitten möglich gewesen, während an Gleisabschnitten mit Unterbre- chungen der Schienen, wie zum Beispiel im Bereich von Weichen und Kreuzun- gen das Reprofilieren vielfach mit handgerührten Bearbeitungswerkzeugen oder kleineren Spezialvorrichtungen erfolgt. Deshalb wurde mit der EP 2 638 209 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reprofilieren von Schienen vorgeschlagen, mit dem ein rationelles und definiertes Reprofilieren auch im Bereich von Weichen und Gleiskreuzungen möglich ist.

Es hat sich gezeigt, (Sadeghi, J., Hasheminezhad, A. Correlation between rolling noise generation and rail roughness of tangent tracks and curbes in time and fre- quency domains. Applied Acoustics 2016; 107: 10— 18), dass eine periodische Rauigkeit an einer Schienenoberfläche, wie sie nach einem Reprofilieren der Schiene durch ein Fräsen oder gegebenenfalls auch durch ein Schleifen entsteht, zu einem wesentlichen Anstieg des Schalldruckes bei einem Überrollen der Schiene mit einem Schienenfahrzeugrad führt, was eine hohe akustische Belas- tung der Umwelt beim Überrollen darstellt.

Auch in Folge des Schienenfahrbetriebes entstehen auf den die Fahrflächen bil denden Schienenoberseiten lokale periodische Fahrflächenunebenheiten, die beim Abrollen der Räder des Schienenfahrzeuges Schwingungen und Körper schall verursachen, die zu einer Lärmbelästigung der Umwelt und zu einer Lärm- und Schwingungsbelästigung der Fahrgäste führen. Eine Möglichkeit zur frühzeiti gen Erkennung von Fahrflächenunebenheiten ist aus der EP 1 612 551 A1 bekannt. Zur Ermittlung der Rauheit von frisch geschliffenen Schienen und /oder Schienenbereichen erden dazu Wlrbelstrom-Prüfsonden über Bereiche von Schienensegmenten geführt und die Messsignale ortabhängig ausgewertet. Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben und eine Vorrichtung zu schaffen, wobei eine periodische Rauigkeit an einer Schienen- oberfläche, wie sie beispielsweise nach einem Reprofilieren der Schiene durch ein Fräsen oder gegebenenfalls auch durch ein Schleifen entsteht, mit einfachen Mit teln vermieden werden kann.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass nach der Bearbeitung mit dem spanabhebenden Formgebungswerkzeug wenigstens ein der formbearbeiteten Schienenoberfläche angepasster Rollkörper zwecks Einebnung von Uneben- heiten der Lauffläche der Schiene, unter Kaltverformung der Lauffläche der Schie- ne über die Schiene gerollt wird.

Der als Walze wirkende Rollkörper rollt mit seinem Mantel auf der Lauffläche der Schiene ab, wobei die Erzeugende der auf der Lauffläche um eine Achse abrol- lenden Mantelfläche, dem Querschnitt einer formbearbeiteten, also bereits reprofi- lierten Schienenoberfläche entspricht. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden im Rahmen der Schieneninstandhaltung im Anschluss an den Schienen- reprofilierungsprozeß, beispielsweise durch Fräsen, Dobeln und/oder Schleifen, ein oder mehrere, der reprofilierten Lauffläche angepasste, Rollkörper mit hohem Kontaktdruck über die Schiene gerollt, um die beim reprofilieren entstandenen Unebenheiten, insbesondere Längswellen bzw. Riffel einzuebnen und/oder die Rauigkeit der Oberfläche zu modifizieren. Erfindungswesentlich ist, dass die Nachbearbeitung mit dem Rollkörper nicht abrasiv erfolgt, sondern unter Kaltver- formung, also ohne Materialabtrag, erfolgt. Das Verfahren arbeitet daher funken- und rückstandslos sowie ohne die Schienenfestigkeit beeinflussenden Wärmeeintrag in die Schiene. Durch den hohen Kontaktdruck kommt es bei entsprechend kleiner Kontaktfläche mit der Schiene zu einer die gewünschte Kaltverformung verursachenden Pressung. Insbesondere sollen Riffel geglättet werden, um periodische Rauigkeit an der Schienenoberfläche zu verringern und Geräuschemissio- nen, wie sie beim Überrollen der Schiene mit einem Schienenfahrzeugrad entstehen zu vermeiden bzw. merklich zu verringern. Der Rollkörper wird unter Kaltverformung wenigstens der Lauffläche der Schiene über die Schiene gerollt, Es kann aber auch die Fahrkante erfindungsgemäß be- arbeitet werden.

Wird der Rollkörper mit einem vor- oder nacheilenden Schlupf von zwischen 0,001 und 20% über die Schiene gerollt, so können mit dem Verfahren noch bessere Er- gebnisse erzielt werden. Der Rollkörper dreht sich also je nach Bedarf schneller oder langsamer, als er es bei schlupffreiem Abwälzen auf der Schiene tun würde.

Es empfiehlt sich, wenn der Rollkörper aus einem höherfesten Material als die Schiene besteht und mit einer vorgegeben, insbesondere feinstrukturierten, Ober flächenstruktur über die Schiene gerollt wird, wobei die Oberflächenstruktur im Überrollprozess plastisch in die Schiene eingedrückt wird. Der Rollkörper weist auf der auf der Schiene abrollenden Mantelfläche die gewünschte feinstrukturierte, Oberflächenstruktur auf, die mit oder ohne Schlupf über die Schiene gerollt wird. Unter dieser Oberflächenstruktur wird eine Oberfläche verstanden, die definierten Hügel und Täler aufweist, wobei die in die Schienenoberfläche eindringenden Hü- gel eine plastische Verformung der Lauffläche der Schiene begünstigende lokale Spitzendrücke generieren können. Damit können Längswellen bzw. Riffel zumin dest teilweise eingeebnet werden.

Um die nötige Pressung zwischen Rollkörper und Schiene mit vertretbarem Aufwand erzielen zu können. Wird vorgeschlagen, dass der Rollkörper mit einem no- minellen Kontaktdruck von 0,8 bis 2, insbesondere von 1 ,2 bis 1.75GPa, über die Schiene gerollt wird. Unter dem nominellen Kontaktdruck wird der Kontaktdruck zischen einem (idealisierten) glatten Rollkörper und einer (idealisierten) glatten Schiene verstanden.

Die vorbeschriebenen Maßnahmen fördern eine gezielt oberflächennahe Plastifi zierung der Schiene, welche einer Einebnung der Wellen bzw. Riffel zuträglich ist. Ziel des Verfahrens ist es, die durch das Reprofilieren erzeugten Unebenheiten in der Lauffläche der Schiene, welche als Ursache der Anregung von schallerzeu- genden Schwingungen im Rad-Schiene System gesehen werden, soweit zu glätten, dass diese Anregung verhindert wird.

Es können wenigstens zwei Rollkörper nacheinander unter Kaltverformung der Lauffläche der Schiene über die Schiene gerollt werden, wobei es insbesondere von Vorteil ist, wenn die Rollkörper mit unterschiedlichem Schlupf und/oder unter- schiedlicher Oberflächenstruktur und/oder unterschiedlichem Kontaktdruck über die Schiene gerollt werden.

Gleichermaßen können das Formgebungswerkzeug und das Rollwerkzeug auch auf einer stationären Bearbeitungsvorrichtung aufgebaut sein und kann die Schie- ne in diesem Fall mit einem Vorschub entlang des Formgebungswerkzeugs und des Rollwerkzeugs zum Bearbeiten wenigstens der Lauffläche einer Schiene ver- lagert werden.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bearbeiten wenigstens der Lauffläche einer Schiene umfasst ein schienengeführten Bearbeitungsfahrzeug bzw. eine sta- tionäre Bearbeitungsvorrichtung, wobei Bearbeitungsfahrzeug bzw. Bearbeitungs vorrichtung derart ausgeführt sind, dass Formgebungswerkzeug und Rollwerkzeug einerseits und die Schiene anderseits gegeneinander bewegbar sind, wobei das wenigstens eine an die Lauffläche der Schiene andrückbare, rotierende, spanabhebende Formgebungswerkzeug die Schiene bearbeitet. Dem spanabhebenden Formgebungswerkzeug ist in seiner Arbeitsrichtung ein der form bearbeiteten

Schienenoberfiäche angepasster Rollkörper nachgeordnet, der zwecks Einebnung von Unebenheiten der Lauffläche der Schiene, unter Kaltverformung der Lauffläche der Schiene mit dem Bearbeitungsfahrzeug entlang der Schiene bewegbar und dabei mit einem Stelltrieb gegen die Lauffläche der Schiene andrückbar ist. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in der Figurenbeschreibung dargestellt. Kurze Beschreibung der Erfindung

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand schematisch beispielsweise dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 ein Bearbeitungsfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Sei- tenansicht

Fig. 2 eine vergrößerte Seitenansicht eines Details der Vorrichtung aus Fig. 1 in Seitenansicht,

Fig. 3 einen auf einer Schiene abrollenden Rollkörper in Schrägansicht,

Fig. 4 ein Diagramm die Einebnung fräserbedingter Längswellen darstellend und Fig. 5 ein Diagramm die Einebnung fräserbedingter Querwellen (Riffel) darstel- lend.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Die Vorrichtung zum Bearbeiten der Lauffläche 1 einer Schiene 2 mit einem schienengeführten Bearbeitungsfahrzeug 3 umfasst wenigstens ein entlang der Schiene bewegbares und an deren Lauffläche 1 andrückbares, rotierendes, span- abhebendes Formgebungswerkzeug 4. Dem spanabhebenden Formgebungswerkzeug 4 ist in seiner in Schienenlängsrichtung verlaufenden Arbeitsrichtung 5 ein der formbearbeiteten Schienenoberfläche angepasster Rollkörper 6 nachge- ordnet, der zwecks Einebnung von Unebenheiten der Lauffläche 2 der Schiene, unter Kaltverformung wenigstens der Lauffläche, insbesondere der formbearbeite- ten Schienenoberfläche, der Schiene 2 mit dem Bearbeitungsfahrzeug 3 entlang der Schiene 2 bewegbar und dabei mit einem Stelltrieb 7 gegen die Lauffläche 1 der Schiene mit einer definierten Anstellkraft FA andrückbar ist. Das Bearbeitungs fahrzeug 3 kann gegebenenfalls aus zwei oder mehreren gegebenenfalls unab hängig operierenden Wagen bestehen, beispielsweise wenigstens einem für das Formgebungswerkzeug 4 und wenigstens einem für die Rollkörper 6.

Der Rollkörper 6 ist mit einem Drehantrieb 8 ausgestattet, der den Rollkörper mit einem vor- oder nacheilenden Schlupf s von zwischen 0,001 und 20% über die Schiene 2 rollt. Der Drehantrieb 8 kann gleichermaßen als Bremstrieb wirken. Der Rollkörper 6 besteht aus einem höherfesten Material als die Schiene und weist ei- ne vorgegebene, insbesondere feinstrukturierte, Oberflächenstruktur 9 mit einer Rautiefe von <10pm, insbesondere von <1 pm, auf.

Der Rollkörper weist beispielsweise einen Durchmesser D von kleiner 50 mm auf und ist mit dem Stelltrieb 7 mit einem nominellen Kontaktdruck von 0,8 bis 2, ins- besondere von 1 ,2 bis 1 75GPa, gegen die Lauffläche der Schiene angedrückt. Der nominellen Kontaktdruck herrscht im Kontaktbereich zwischen Schiene und Rollkörper vor.

In numerischen Untersuchungen zeigt sich, dass es schon nach einer Überrollung der zuvor abrasiv bearbeiteten Schiene mit gezielt ausgewählten Kontaktparame- tern (Wälzkörperdurchmesser, Kontaktdruck und je nach Geometrie und Belas- tung zwischen 0,001 und 20% mit einem vor- oder nacheilenden Schlupf) möglich ist die Oberflächenbeschaffenheit im gewünschten Sinne zu beeinflussen. Durch eine definierte Überrollung der Schiene mit dem Rollkörper kommt es zu einer Einebnung der Rauhigkeitsspitzen.

Fig. 4 zeigt eine Berechnung der Einebnung von Längswellenspitzen (normal auf die Schienenlängsrichtung) über die Darstellung der Oberflächenkoordinaten vor und nach mehreren simulierten Überrollungen mit einem Kontaktdruck von 1 ,25 GPa und einem bremsenden Schlupf von 1 ,5%. Die Schiene verläuft in Richtung der x-Koordinate. Die Z-Koordinate entspricht einer Schienenhochachse. Für eine Wellenspitzenhöhe von 12 pm ist unter den gegebenen Bedingungen ein Überrol- lungszyklus ausreichend um diese einzuebnen. Im speziellen ist eine Einebnung von Längswellen bei Überrollung mit einem glatten Rollkörper dargestellt Der Kon taktdruck entspricht 1 ,25 GPa, bei einem nacheilenden, also bremsenden, Schlupf von 1 ,5 %. Der Schienenstahl weist eine Güte von R260 auf. Es reicht ein Über- rollzyklus für eine ausreichende Einebnung.

In Fig. 5 wird die Einebnung von Querwellen (Riffel) dargestellt. Die y-Koordinate entspricht einer Schienenquerachse. Eine Einebnung von Querwellen bei Überrol- lung mit einem glatten Rollkörper ist für zwei beispielhafte Fälle dargestellt. Einmal mit einem Kontaktdruck von 1 52 GPa und ein zweites Mal mit einem Kontakt- druck 1 ,69 GPa, mit einem nacheilenden Schlupf von 1 ,5 % und eines Schienen- stahls der Güte R260. Mit den vorerwähnten gewählten Parametern lässt sich eine Querwelle mit nur einer Überrollung substantiell und vom Ausmaß her vergleich- bar mit der Einebnung durch ein dem Schienenfräsen direkt nachgelagertes Schleifen einebnen.