Verfahrbare Maschine und Verfahren zum Bearbeiten der Oberfläche eines

Schienenkopfes

Gebiet der Technik

[01] Die Erfindung betrifft eine Maschine mit einem auf Schienenfahrwerken abgestützten Maschinenrahmen zum Bearbeiten der Oberfläche eines Schienenkopfes einer Schiene durch Beschleifen mit entlang einer Bewegungsachse translatorisch hin- und herbewegten Schleifwerkzeugen, angeordnet auf einer an die Lauffläche des Schienenkopfes über einen Höhenantrieb anstellbaren und entlang der Schiene verfahrbaren Schleifeinheit. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung.

Stand der Technik

[02] Eine einwandfreie Schienenoberfläche ist eine wesentliche Voraussetzung für die problemlose Funktion des Rad-Schiene-Systems. Das Rad eines Schienenfahrzeuges verursacht durch die ständige Überfahrt einen messbaren Verschleiß an den Schienen, insbesondere am Schienenkopf. Als Beispiele seien etwa ständiges Verzögern und Abbremsen vor Haltesignalen, an Haltestellen und Bahnhöfen, wie auch spezielles Abrollverhalten in Bögen genannt.

[03] Mit Gleis- und Weichenschleifmaschinen wird die Fahrfläche in

Schienenlängsrichtung bearbeitet. Dies ist die entscheidende Komponente um die Geräuschemission gering zu halten und diese bereits an der Entstehungsquelle zu bekämpfen. Riffeln und Wellen werden durch das bewährte Prinzip der oszillierenden Schleifwerkzeuge, auch als Rutschersteine bezeichnet, beseitigt.

[04] Auch führt das vorbeugende Schleifen von Schienen zu einem geringeren Verschleiß von Oberbau und rollendem Material sowie zu einer stabilen, langanhaltenden Gleislage. Letztlich ist auch der Fahrkomfort wesentlich von der Güte der Lauffläche abhängig. Feste Fahrbahnen im urbanen Bereich, wie auch in Tunneln werden geschont, da eine höhere Laufflächenqualität geringere Vibrationen verursacht.

[05] Weiters ist durch Versuchsreihen belegt, dass durch eine Beschleifung von Neulagen, also eine Bearbeitung der Schienenoberfläche von Neuschienen vor Betriebsaufnahme, Riffel erst wesentlich später entstehen. Der Grund dafür ist die Beseitigung einer herstellungsbedingten Anfangsrauigkeit und die Entfernung der Walzhaut sowie der randentkohlten Schicht. Die Glättung der verrosteten, verzunderten Oberfläche schließt auch die Feinbearbeitung der Schweißstellen mit ein.

[06] Das Bearbeiten von Schienen mittels oszillierender Schleifwerkzeuge ist aus mehreren Dokumenten in verschiedenen Ausführungsformen bekannt.

[07] So werden etwa in der AT 357593 höhenverstellbar und in Längsrichtung der Schiene in Gruppen hintereinander angeordnete Schleifwerkzeuge mit einer Antriebseinrichtung für eine zusätzliche, der kontinuierlichen Fahrbewegung der Maschine überlagerte und von dieser unabhängige, in Maschinenlängsrichtung hin- und hergehende Arbeitsbewegung beschrieben. Die Schleifkörper werden darin von Rutschersteinen oder rotierenden Topfscheiben gebildet.

[08] Eine erhebliche Schwäche bekannter Maschinen und Vorrichtungen ist die fehlende Anpassung und Ausrichtung der Schleifeinheiten beim Einsatz an Gleisbögen mit kleinen Radien, wie diese häufig im urbanen Bereich bei Gleisanlagen von Straßenbahnen und Metros zu finden sind.

[09] Die Schleifeinheiten mit den auf den Schienen aufgesetzten Laufrädern sind durch die meist zu große Bauweise und nur sehr begrenzt bewegliche Aufhängung und Lagerung für kleine Radien aus den heutigen Gesichtspunkten der Gleiserhaltung völlig ungeeignet. Es kann beim Einsatz üblicher Maschinen auch durch vorprofilierte Rutschersteine zu Schäden auf der Lauffläche des Schienenkopfes und den angrenzenden Seitenflanken kommen.

[10] Diese Gleisabschnitte müssen mit großem Mehraufwand, teilweise auch unter hohem körperlichen Arbeitseinsatz bearbeitet werden. Die logische Folge sind dementsprechend hohe Instandhaltungskosten. Zusammenfassung der Erfindung

[11] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Schienenschleifmaschine der eingangs genannten Art eine Verbesserung der Qualität des Schleifergebnisses und einer damit einhergehenden Steigerung der Schleifleistung und Wirtschaftlichkeit gegenüber dem Stand der Technik anzugeben. Zudem soll ein mittels der Schienenschleifmaschine durchgeführtes Verfahren zur Bearbeitung der Oberfläche eines Schienenkopfes einer Schiene angegeben werden.

[12] Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben gelöst durch eine Maschine gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 7. Abhängige Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

[13] Die Erfindung sieht vor, dass die Schleifeinheit über eine Deichselstange mit dem Maschinenrahmen der Maschine gekoppelt ist und durch geometrisch festgelegte Verhältnisse zwischen einem Drehzapfenabstand 2Ί oder Achsabstand 2Ί, sowie einem Anlenkpunkt der Deichselstange in ihrer Bewegungsachse immer tangential zur Schiene ausrichtbar ist.

[14] Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schleifeinheit ein Schleifgestell mit Schleifschlitten umfasst, an dem die Schleifwerkzeuge angeordnet sind.

[15] Dadurch wird eine robuste, kompakte Bauform der Schleifeinheit möglich.

[16] Vorteilhaft ist es, wenn der Antrieb für ein translatorisches Hin- und Herbewegen der Schleifschlitten und damit der Schleifwerkzeuge durch wenigstens einen oszillierend betriebenen Hydraulikaktuator ausgebildet ist.

[17] Damit wird eine hohe Kraftdichte bei guter Regel- und Einsteilbarkeit der Arbeitsfrequenz wie auch Amplitude erreicht. Die Versorgung erfolgt über das vorhandene, bordeigene Hydrauliksystem.

[18] Nach einerweiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schleifeinheit zwei Schleifgestelle umfasst, die um eine Querachse normal zur Bewegungsachse zueinander drehbar gelagert sind.

[19] Durch unterschiedliche Höhenlagen der beiden Schienenstränge können bei einteiligem, starr ausgeführten Schleifgestell durch auf die Schleifeinheiten einwirkende Antriebskräfte in der Vertikalebene nennenswerte Reaktionsmomente entstehen, welche zu einer unterschiedlichen Verteilung der Andruckkräfte auf die Schleifwerkzeuge führen. Durch die drehbar gelagerte Ausführung um die Querachse der Schleifeinheit wird der Anforderung an einen gleichmäßigen Andruck der Schleifwerkzeuge an beiden Schienensträngen Rechnung getragen. Die Tragkonstruktion der Schleifeinheit wird unter wechselnder Last geschont, ein übermäßiges Verwinden oder Tordieren der tragenden Elemente wird verhindert.

[20] Eine sinnvolle Weiterbildung der Erfindung ist, dass die drehbare Lagerung der Schleifgestelle um die Querachse der Bewegungsachse als Gleitlager ausgebildet ist.

[21] Dadurch lässt sich eine langlebige, wartungsarme Konstruktion der Querachse der Schleifgestelle realisieren.

[22] Dabei ist es günstig, wenn die Schleifwerkzeuge aus wenigstens zwei Schleifsteinen bestehen.

[23] Durch die Anzahl der Schleifwerkzeuge je Schleifschlitten wird neben anderen Parametern die Größe der möglichen Bearbeitungsfläche am Schienenkopf und damit auch direkt die Schleifleistung der Maschine festgelegt. Für den Einsatz bei kleinen Bogenradien zeigt sich eine Auswahl von wenigstens zwei Schleifsteinen je Schleifschlitten als ingenieurmäßig gute Wahl zwischen Schleifleistung und Kompaktheit der Schleifeinheit bei damit verbundener Anpassungsfähigkeit an die sich laufend ändernde Geometrie der Schienenlage.

[24] Ein analytischer Nachweis der geometrischen Zusammenhänge wird in der Beschreibung der Ausführungsformen dargelegt.

[25] Diese kontinuierliche, durch mechanische Anlenkung erfolgte Ausrichtung der Schleifeinheit an die Schiene sorgt unabhängig vom jeweiligen Bogenradius für ein gleichmäßiges Schliffbild hoher Güte, auch bei kleinsten Gleisbögen mit Radien bis zu R=17 m.

[26] Bei Schienenfahrzeugen deren Fahrwerke als Doppel- oder Dreifach- Achsdrehgestell ausgeführt sind spricht der Fachmann von einem Drehzapfenabstand 2Ί zwischen den beiden Drehpunkten am Maschinenrahmen. Hingegen bei zwei Einzelachsfahrwerken spricht man von einem Achsabstand 2Ί. [27] Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bearbeiten der Schienenoberfläche sieht vor, dass die Maschine durch einen Gleisbogen mit beliebigem Radius bewegt und durch die mechanische Koppelung der Schleifeinheit über die Deichselstange mit dem Maschinenrahmen die Ausrichtung der Schleifeinheit tangential zur Schiene automatisch vollzogen wird.

[28] Ein Eingreifen von Mensch oder Maschine ist nicht erforderlich, Resultat ist ein gleichmäßiges Schleifergebnis. Aufwändige Antriebe und Regelungssysteme einer tangentialen Ausrichtung zur Schiene entfallen.

[29] Weiters ist vorgesehen, dass durch vom Maschinenbetreiber definierte Betriebsparameter mittels eines Steuerungssystems die vertikale Auflast der Schleifwerkzeuge auf den Schienenkopf durch entsprechende Ansteuerung der Höhenantriebe geregelt wird.

[30] In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens werden die auf dem Schleifschlitten angebrachten Schleifwerkzeuge in horizontaler Richtung durch den oszillierend betriebenen Hydraulikzylinder mittels des Steuerungssystems in ihrer Betriebsfrequenz und Amplitude nach Vorgabe des Maschinenbetreibers betrieben.

[31] Erst dadurch wird ein an die jeweilige Gleissituation und Beschaffenheit der Schienenoberfläche angepasstes und vom Maschinenbetreiber gewünschtes Schleifbild bei entsprechender Schleifleistung erreicht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[32] Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:

Fig. 1 Seitenansicht einer Maschine zum Bearbeiten der Schienenoberfläche

Fig. 2 Vergrößerte Ansicht einer Maschine aus Fig. 1 Fig. 3 Draufsicht bei Bogenfahrt der Maschine Fig. 4 Reduzierte Draufsichten bei Bogenfahrt der Maschine Fig. 5 Geometrische Verhältnisse für analytischen Nachweis

Beschreibung der Ausführungsformen [33] Fig. 1 zeigt eine vereinfacht dargestellte Maschine 1 zum Bearbeiten eines zu einer Schiene 5 gehörenden Schienenkopfes 6, welche durch Schienenfahrwerke 3 auf einem Gleis 4 verfahrbar ist. Diese umfasst Schleifeinheiten 8, die über je eine Deichselstange 15 und vertikal wirkende Höhenantriebe 13 drehbar gelagert an einem zur Maschine 1 gehörenden Maschinenrahmen 2 angebracht sind. Die Schienenfahrwerke 3 sind in dieser Ausführungsform als Doppelachsdrehgestell ausgeführt, drehbar um zugehörige Drehzapfenpunkte P1 und P2 (siehe dazu auch Fig. 3 und 4).

[34] Eine Schleifeinheit 8 besteht aus einem auf Schleifgestelllaufrädern 14 verfahrbaren Schleifgestell 9 mit einem darauf beweglich angebrachten Schleifschlitten 10, der mit Schleifwerkzeugen 11 bestückt ist. Der Antrieb des Schleifschlitten 10 erfolgt dabei über einen oszillierenden Hydraulikzylinder 12, der für ein der Arbeitsgeschwindigkeit 19 der Maschine

I überlagertem, translatorischen Hin- und Herbewegen der Schleifwerkzeuge

I I gegenüber dem Schleifgestell 9 sorgt.

[35] Der Schleifschlitten 10 ist mit dem oszillierenden Hydraulikzylinder 12 über eine beidseitige Säulenführung vertikal beweglich gelagert, um die einem natürlichen Verschleiß unterliegenden Schleifwerkzeuge 11 in ihrer Position gegenüber dem Schleifgestell 9 anpassen und nachjustieren zu können.

[36] Sämtliche hydraulische Aktoren werden von einer internen Versorgungseinrichtung 17 gespeist. Ein Steuerungssystem 18 setzt die vom Maschinenbetreiber definierten Betriebsparameter durch entsprechende Ansteuerung sämtlicher oszillierend betriebener Hydraulikzylinder 12 und Höhenantriebe 13 um.

[37] Die oben zu Fig. 1 erläuterte Ausführungsform ist in Fig. 2 anhand eines Ausschnittes der Kernkomponenten Schienenfahrwerke 3, Schleifeinheit 8 und Deichselstange 15 vergrößert dargestellt.

[38] In Fig. 3 ist eine Draufsicht der Maschine 1 bei Bogenfahrt dargestellt. Wie auch die Schienenfahrwerke 3 sind die Schleifeinheiten 8 stets tangential an den jeweiligen Kontaktpunkt an der Schiene 5 ausgerichtet. Deutlich hervorgehoben sind die Deichselstangen 15 mit den zugehörigen Anlenkpunkten dargestellt. [39] Die beiden Ausführungen in Fig. 4 zeigen eine reduzierte Draufsicht der Maschine 1 bei Bogenfahrt. Verdeutlich wird hier auch die Lage der Bewegungsachsen 7, die eine Parallelität zur Deichselstange 15 aufweisen. Der Bogenradius wird für diese Konstruktion des Gesamtfahrzeuges mit R angegeben. Die hier angeführten Variablen für die Maße gelten bereits für den Nachweis, der in den Ausführungen zu Fig. 5 erfolgt.

[40] Fig. 5 wird für den analytischen Nachweis der tangentialen Ausrichtung und Unabhängigkeit vom Bogenradius R herangezogen. Der Nachweis wird in der folgenden Ausführung über die Berechnung von u, der Länge der Deichselstange, also dem Abstand zwischen dem Drehpunkt P3 und dem Punkt P6 der Schleifeinheit 8 geführt. Durch die Beschreibung von drei rechtwinkeligen Dreiecken T1 , T2 und T3 wird der Zusammenhang der geometrischen Parameter dargelegt.

[41] Als Ansatz dient der Satz des Pythagoras, hier gilt für die beiden beschreibenden, rechtwinkeligen Dreiecke T1 (P1-P4-P5) und T2 (P3-P4- P5): y2 _{+ l} 2 _{= R} 2 y ² + (a + l ) ² = Rp ₃ (2)

Die Gleichungen (1) und (2) nach y ² umgeformt und gleichgesetzt führen zu

Weiters gilt für ein drittes rechtwinkeliges Dreieck T3 (P3-P6-P5):

R ² + u ² = R _P ² ₃ (4)

Aus den Gleichungen (3) und (4) ergibt sich nach Elimination von R ₃ nun [42] Der Abstand u, der die Länge der Deichselstange darstellt, ist nur von den Parametern a und l abhängig. Der Bogenradius R fällt aus der Gleichung heraus, eine tangentiale Ausrichtung der Schleifeinheit ist folglich bei allen Radien gegeben. Allgemein ist ein Grenzwert des Radius R lediglich durch die Rahmen- und Fahrwerkskonstruktion des Schienenfahrzeuges gegeben

[43] In der in Fig. 4 beschriebenen, möglichen Ausführungsform, ergibt sich mit den Abmessungen a = 1330 mm und Z = 2400 mm (7) nach Gleichung (6) eine Deichselstangenlänge u von u = j a ² + 2 al = 1330 ² + 2 1330 2400 = 2855 mm (8)

(ganzzahlig gerundet)