Status Quo der Entwicklung von Schlüsselausrüstungen für das Schleifen von Eisenbahnen

Derzeit ist das Schienensystem am weitesten verbreitet, und der Marktanteil der Schleifverfahren ist relativ groß. Aktive Schleiftechnologie, passive Hochgeschwindigkeitsschleiftechnologie und Fräs- und Schleifverbundtechnologie sind hier die wichtigsten. Im Folgenden werden drei typische Entwicklungsstände von Schienenschleifgeräten zusammengefasst.

1.3.1 Schienenaktive Schleifkeilausrüstung

Die aktive Schleiftechnologie ist derzeit die am weitesten verbreitete, den größten Marktanteil der Schleifmethode, Schleifen von Automodellen mehr. Ausländische Schleifautohersteller sind vor allem die Vereinigten StaatenHARSCOUndGURTUnternehmen und das Schweizer Unternehmen SPENO und so weiter. Die inländische Schienenschleiftechnologie begann spät, nach Jahrzehnten der Entwicklung sind die aktuellen inländischen Schleifwagenhersteller hauptsächlich Golden Eagle Heavy Construction Machinery Company Limited (Golden Eagle Heavy Industry), CNR Beijing Erqi Vehicle Company Limited (CNR Erqi), Zhuzhou CNR Times Electric Company Limited (Times Electric), China Railway Construction High-tech Equipment Company Limited und so weiter. Golden Eagle Heavy Industry (GEHI) und CNR Erqi haben unabhängig voneinander die Schleiffahrzeuge GMC-96X und GMC-96B entwickelt, indem sie Technologie von HARSCO (USA) bzw. SPENO (Schweiz) eingeführt haben, wie in Abbildung 1 und Abbildung 2 dargestellt. Das von TIME ELECTRIC unabhängig entwickelte Schleiffahrzeug GMC-48JS wurde im März 2020 für den Betrieb zugelassen [1].

Feige.1GMC-96X

Feige.2GMC-96B[2]

Die wichtigsten Betriebsparameter und Betriebsanforderungen der derzeit häufig verwendeten Modelle GMC-96X (Golden Eagle Heavy Industry), GMC-96B (China Railway Erqi), PGM-48 (HARSCO, USA) und der neuen Modellreihe GMC-48JS (Times Electric) sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Daten zeigen, dass die Betriebsgeschwindigkeit des Schleifwagens bei etwa 3 bis 24 km/h liegt. Eine niedrigere als die kritische Betriebsgeschwindigkeit kann zu Schienenschäden führen. Unter der kritischen Betriebsgeschwindigkeit kann es in bestimmten Bereichen zu übermäßigem Schleifen kommen, und die lokale Schleifhitze der Schiene bei niedriger Geschwindigkeit kann dazu führen, dass die Schiene verbrennt [3]. Ist die Betriebsgeschwindigkeit zu hoch, kann die optimale Abtragsleistung nicht gewährleistet werden. Ein Schleifwagen, der für eine maximale Betriebssteigung von 30 ‰ ausgelegt ist, kann den Großteil der Schleifwartungsarbeiten an der Strecke bewältigen. Bei einigen Strecken mit langen Steigungen (Steigung über 30 ‰), insbesondere der im Bau befindlichen Sichuan-Tibet-Eisenbahn, stellt die Koordination der Betriebsleistung des Schleifwagens mit den Traktionsproblemen jedoch eine der wichtigsten Herausforderungen dar.

Tab1.Die Betriebsparameter eines typischen Schienenschleifzuges[2]

1.3.2 Schlüsselausrüstung für das passive Hochgeschwindigkeits-Schienenschleifen

Der passive Hochgeschwindigkeits-Schleifwagen HSG wird hauptsächlich von der deutschen Firma VOSSLOH produziert und besteht hauptsächlich aus einem Schleifwagen und einem Hilfswagen, Abbildung 3. Für den Schleifbetrieb ist Lokomotivantrieb mit Betriebsgeschwindigkeiten von bis zu 60–80 km/h erforderlich. Das gesamte Fahrzeug verfügt über vier Schleifeinheiten mit insgesamt 96 Schleifsteinen, die gleichzeitig in Betrieb sind und sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 6000 U/min bei hoher Geschwindigkeit drehen, wie in Abbildung 4 gezeigt. Jede Schleifeinheit ist mit zwei Schleifrahmensätzen ausgestattet. Der Betrieb der Schleifsteine ​​kann ohne Anhalten der gesamten Gruppe bei schneller, kontinuierlicher Drehung erfolgen, d. h. mit einem einzigen Schleifstein können etwa 70 km ununterbrochen geschliffen werden [4], wie in Abbildung 5 gezeigt. Während des Schleifvorgangs können Schleiffunkenmenge, Schleifscheibenverschleiß und Schleifdruck in Echtzeit überwacht werden. Nach dem Schleifen wird das Schienenprofil geprüft, um die Schleifwirkung zu überprüfen. Der Hochgeschwindigkeits-Schleifwagen verlässt sich beim Abtragen des Schienenkopfmaterials ausschließlich auf den Widerstand des Schleifzuges, da die Schleifscheibe nicht angetrieben wird. Die Arbeitsgeschwindigkeit hat daher einen erheblichen Einfluss auf die Leistung des Schleiffahrzeugs. Wenn das Hochgeschwindigkeits-Schleiffahrzeug den Schleifvorgang auf der Strecke zwischen den Stationen durchführt, wird in der Beschleunigungsphase beim Verlassen der Station, wenn die Geschwindigkeit über 30 km/h liegt, der Schleifrahmen abgesenkt und der Schleifvorgang gestartet; in der Verzögerungsphase beim Einfahren in die Station, wenn die Geschwindigkeit unter 15 km/h liegt, wird der Schleifrahmen angehoben und der Schleifvorgang beendet. Daher verringert sich im Bereich, der der Beschleunigung und Verzögerung des Schleiffahrzeugs entspricht, die Schleifwirkung aufgrund der verringerten Fahrzeuggeschwindigkeit; ein Teil des Bereichs, der aufgrund des Anhebens des Schleifrahmens nicht geschliffen werden kann, muss im folgenden Betrieb vom Weichen-Sandfahrzeug in der Station abgedeckt werden.

Feige.3HSG Hochgeschwindigkeits-Schleifwagen

Feige.4Schleifeinheit

Feige.5Schleifrahmenstruktur

In den letzten zehn Jahren haben sich viele inländische Institutionen der Forschung und Entwicklung von Hochgeschwindigkeits-Schleifwagen verschrieben. Am 18. Juni 2021 lief der erste inländische Testprototyp eines intelligenten Hochgeschwindigkeits-Schleifwagens für die Peking-Shanghai-Hochgeschwindigkeitsstrecke, der gemeinsam von der Southwest Jiaotong University, der Peking-Shanghai High-Speed ​​Railway und der Southwest Jiaotong University Railway Development Co. Ltd. entwickelt wurde, vom Band und verwirklichte die originelle Innovation von „Null auf Eins“ [5], wie in Abbildung 6 dargestellt. Am 22. Juli 2021 bestand der von der China Railway Construction High-Tech Equipment Co., Ltd. unabhängig erforschte und entwickelte Schienenschleifwagen KGM-80II die Evaluierung und wurde für den Probebetrieb freigegeben [6], wie in Abbildung 7 dargestellt. Die Einführung des selbst entwickelten Hochgeschwindigkeits-Schleifwagens ist für China von großer Bedeutung, um die vollständige Autonomie der Eisenbahnsystemausrüstung zu verwirklichen.

Feige.6Prototyp eines Testwagens für intelligentes Schnellbahnschleifen auf der Hochgeschwindigkeitsstrecke Peking-Shanghai[5]

Feige.7KGM-80II. Schienen-Schnellschleifwagen[6]

1.3.3 Schienenfräsen und -schleifen Verbundschleifen Schlüsselausrüstung

Schienenfräs- und -schleifwagen werden derzeit häufig auf in- und ausländischen Schwerlaststrecken eingesetzt. Die wichtigsten Hersteller ausländischer Fräs- und Schleifwagen sind die deutsche GMB sowie die österreichischen Firmen LINSINGER und MFL [4,7]. Abbildung 8 zeigt den Fräs- und Schleifwagen SF03 von LINSINGER. Die Gesamtlänge des Wagens beträgt 25 m, das Gewicht des Wagens 120 t, er ist mit zwei dreiachsigen Drehgestellen ausgestattet, erreicht eine Eigengeschwindigkeit von bis zu 100 km/h und eine maximale Betriebsgeschwindigkeit von 0,36 bis 1,20 km/h. Der gesamte Wagen ist mit insgesamt zwei Sätzen Frässcheiben und zwei Sätzen Schleifscheiben ausgestattet [7,8,9]. Zu den inländischen Herstellern zählen vor allem die China Railway Times Construction Machinery Co. in Baoji und die China Railway Construction High-Tech Equipment Co. Abbildung 9 zeigt das Fräs- und Schleiffahrzeug XM-1800 der China Railway Construction High-Tech Equipment Corporation, das sich durch hohe Betriebseffizienz, flexibles Schleifen, Umweltschutz und weniger Funkenflug beim Trimmen der inneren Schienenform und beim Schleifen spezieller Schienenprofile auszeichnet [10]. Tabelle 2 vergleicht die wichtigsten Betriebsleistungsparameter des Fräs- und Schleiffahrzeugs SF03 und des Fräs- und Schleiffahrzeugs XM-1800. Dies zeigt, dass das in China entwickelte Fräs- und Schleiffahrzeug XM-1800 in puncto Materialabtragseffizienz und Betriebspräzision das weltweit höchste technische Niveau erreicht hat.

Feige.8SF03 Fräswagen

Abb. 9 XM-1800 Fräswagen[10]

Tab. 2 Vergleich der Betriebsleistung zwischen SF03 und XM-1800 Schienenfräszug

1.3.4 Umfassender Vergleich der Leistung der wichtigsten Schienenschleifgeräte

Leistungsvergleich dreier typischer Schienenschleifmaschinen: Aktivschleifen, passives Hochgeschwindigkeitsschleifen, Fräsen und Verbundschleifen (siehe Tabelle 3). Aktivschleifen mit Materialabtrag, guter Bandkontur und hoher Laufgeschwindigkeit macht derzeit den größten Marktanteil aus. Beim Aktivschleifen liegt der Schwerpunkt auf der Lösung von Schienenbrandproblemen, um die Oberflächenqualität der Schiene nach dem Schleifen zu verbessern. Studien haben gezeigt, dass die Optimierung der Schleifparameter [11, 3, 12] und der Schleifscheibenstruktur [13] das Brandproblem wirksam reduzieren kann. Die Entwicklung leistungsstarker Aktivschleifscheiben steht daher im Fokus zukünftiger Forschung.

Die hohe Geschwindigkeit des passiven Hochgeschwindigkeitsschleifens ermöglicht theoretisch den intermodalen Betrieb mit normalem Personen- und Lkw-Verkehr, ohne dass ein Schiebedach erforderlich ist, und beeinträchtigt den normalen Schienenverkehr nicht. Darüber hinaus bietet das passive Hochgeschwindigkeitsschleifen auf Grundlage der vorgeschlagenen präventiven Schienenschleifstrategie erhebliche Vorteile bei der Verlängerung der Schienenlebensdauer. Daher ist das Hochgeschwindigkeitsschleifen ein wichtiger Wettbewerbsvorteil für die zukünftige Entwicklung. Der Einsatz unter hohen Geschwindigkeiten, hohen Belastungen, starken Vibrationen und anderen rauen Bedingungen sowie die Erfüllung hoher Effizienz, hoher Qualität und anderer Betriebsanforderungen, um sicherzustellen, dass die Schleifscheibe hervorragende mechanische Eigenschaften (Festigkeit/Zähigkeit) und Betriebsleistung (Schneidleistung, Verschleißfestigkeit usw.) aufweist, ist eine der wichtigsten zukünftigen Herausforderungen.

Das Verbundschleifen bietet erhebliche Vorteile hinsichtlich Materialabtrag, Konturbearbeitung und Oberflächenqualität. Die Betriebsgeschwindigkeit ist jedoch gering. Mit der wirtschaftlichen Entwicklung wird die Schleifzeit künftig stark verkürzt, und die Anforderungen an die Schleifeffizienz steigen. Die Abstimmung der Linienkapazität und der Schleifdauer wird daher im Mittelpunkt stehen. Um die Genauigkeit der Schienenprofilkorrektur und die Betriebseffizienz zu gewährleisten, ist die Entwicklung von Schienenschleifmaschinen, die rauen Betriebsbedingungen standhalten, und hochverschleißfesten Hartmetall-Schneidwerkzeugen ein weiterer Forschungsschwerpunkt.

Tab.3Der Vergleich der drei Arten typischer Schienenschleifgeräte

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