Die Common Rail Schäden

Schienen sind eines der wichtigsten tragenden Elemente im Eisenbahnsystem. Antrieb und Bremsen der Züge erfolgen durch die Reibung zwischen Rädern und Schiene. Ein guter Schienenzustand ist daher Voraussetzung für einen sicheren und reibungslosen Zugbetrieb. Durch die wechselnden Kontaktspannungen kommt es jedoch häufig zu Verschleiß oder Ermüdungsschäden am Schienenmaterial. Wie Abbildung 1 zeigt, sind die häufigsten Arten von Schienenschäden Ermüdungsrisse, Abschälungen, Wellenverschleiß, Quetschungen und Schienenflankenverschleiß, die für über 80 % aller Schienenschäden verantwortlich sind. Mit zunehmender Fahrgeschwindigkeit und Achslast nehmen Ermüdung und Verschleiß der Schienen zu, was zu einem deutlichen Anstieg der Anforderungen an Schienenschleiftechnologien führt.

1. Rollkontakt-Ermüdungsriss.Rollkontakt-Ermüdungsrisse zählen zu den häufigsten Schadensarten an Hochgeschwindigkeitsschienen [1], wie in Abbildung 2 dargestellt. Die Risse erstrecken sich in der Regel nicht vollständig nach unten, sondern verlaufen bogenförmig bis zur Schienenoberfläche und bilden ein Ablösungsbild, wie in Abbildung 2 dargestellt. Die Schienenoberfläche wird durch das Ablösen eingedrückt, und beim Vorbeifahren der Zugräder entstehen Stoßspannungen, die Vibrationen und Lärm verstärken. In manchen Fällen können sich die Astrisse in der Ablösegrube unter die Schiene ausdehnen und zu Schienenbrüchen führen, die schwere Sicherheitsunfälle verursachen können [2].

2. Verschleiß der Schienenriffelung. Unter Riffelverschleiß auf der Schiene versteht man das Phänomen einer periodisch auftretenden ungleichmäßig abgenutzten Oberfläche auf der Schiene innerhalb eines bestimmten Längsbereichs [3, 4], wie in Abbildung 3 dargestellt. Riffelverschleiß erhöht die Vibration und den Lärm des Zuges, beeinträchtigt den Fahrkomfort und verkürzt die Lebensdauer von Lokomotive und Fahrzeugteilen. Je nach Wellenlänge wird der Riffelverschleiß in kurzwellige (Wellenlänge 25–80 mm) und langwellige (Wellenlänge über 100 mm) Riffelung unterteilt. Zu den Hauptursachen von Riffelung gehören dynamische und nicht-dynamische Theorien. Die dynamische Theorie geht davon aus, dass Vibrationen des Rad-Schiene-Systems zur Riffelung führen, darunter selbsterregte Vibrationen, Resonanz und Rückkopplungsvibrationen [5]. Die nicht-dynamische Theorie geht davon aus, dass die Riffelung hauptsächlich mit dem Schienenmaterial und dem Schmelzprozess usw. zusammenhängt. Selbst bei konstanter Rad-Schiene-Zwischenkraft tritt aufgrund des ungleichmäßigen plastischen Fließens der Schiene Riffelung auf [6,7].

3. Schienenzerkleinerung.Schienenbruch ist das Phänomen, dass sich das Schienenobermaterial plastisch verformt und die Schienenlauffläche abgeflacht wird. Dies ist häufig bei Schienen im Kurvenbereich von Schwerlaststrecken zu beobachten [8], wie in Abbildung 4 dargestellt. Schienenbruch verändert die Form des Schienenkopfes und die Rad-Schiene-Kontaktkraft, was Fahrvibrationen und Lärm verstärkt. Schienenbruch geht zudem oft mit Abrieb- oder Ermüdungsrissschäden einher. Die Stabilitätsgrenze wird oft als Kriterium zur Beurteilung von Schienenbruchschäden herangezogen. Eine Erhöhung der Streckgrenze kann diese Schäden verhindern oder verlangsamen.

4. Schienenseitenverschleiß.Wie in Abbildung 5 gezeigt, ist der seitliche Schienenverschleiß die häufigste Schadensart bei Schienen in Kurven mit kleinem Radius [9]. Bei den chinesischen Eisenbahnen werden 98 % der Schienen in Kurven mit kleinem Radius wegen übermäßigen seitlichen Verschleißes verschrottet. Wenn Lokomotive und Fahrzeug in den Kurvenabschnitt einfahren, bewegt sich der Zug aufgrund der Trägheit vorwärts, aber die Gleise zwingen den Zugkörper zum Wenden. In diesem Fall prallen die Räder auf die Schiene und es kommt zu starkem seitlichen Verschleiß. Insbesondere wenn die Zentrifugalkraft und die Zentripetalkraft des Zuges nicht ausgewogen sind, wird die Last der inneren und äußeren Schiene verzerrt, was den seitlichen Verschleiß erheblich verschlimmert [10, 11]. Es ist allgemein anerkannt, dass der seitliche Schienenverschleiß die Lebensdauer der Schiene verkürzt und die Veränderung des Schienenprofils die Wechselwirkung zwischen Rad und Schiene verschlechtert, was die Stabilität des Zuges bei der Kurvenfahrt beeinträchtigt.

Abb. 1 Ermüdungsrisse.

Abb. 2 Schienenablösung.

Abb. 3 Verschleiß der Schienenriffelung.

Abb. 4 Schienenzerkleinerung.

Abb. 5: Schienenseitenverschleiß.

Verweise

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2. X. Zhao, ZL Li. Eine dreidimensionale Finite-Elemente-Lösung des reibungsbedingten Rad-Schiene-Rollkontakts unter elastoplastischen Bedingungen [J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 2015, 229(1): 86-100.
3. W. Zhong, J. Hu, P. Shen, et al. Experimentelle Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Rollkontaktermüdung und Verschleiß von Hochgeschwindigkeits- und Schwerlastschienen und der Auswahl des Schienenmaterials [J]. Wear, 2011, 271(9-10): 2485-2493.
4. S. Grassie, J. Kalousek. Schienenriffelung: Eigenschaften, Ursachen und Behandlung [J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Teil F: Journal of Rail and Rapid Transit, 1993, 207(1): 57-68.
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12. W. Zhai, J. Gao, P. Liu, et al. Reduzierung des Schienenseitenverschleißes in Schwerlastkurven basierend auf der dynamischen Rad-Schiene-Interaktion [J]. Vehicle System Dynamics, 2014, 52(sup1): 440-454.