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Die Schienenschleifstrategien
28.10.2024
Regelmäßiges Schienenschleifen reduziert oder beseitigt Schienenschäden und verlängert deren Lebensdauer. Es gilt als eine der effektivsten Instandhaltungsmethoden im Schienenverkehr. Basierend auf dem Verhalten von Schienenschäden und den Anforderungen an die Schienentransportkapazität entwickeln sich Schienenschleiftechnologien und -ausrüstungen vielschichtig und diversifiziert. Zu den wichtigsten Strategien für das Schienenschleifen gehören Vorschleifen, präventives Schleifen und Reparaturschleifen.
Vormahlen. Beim Warmwalzprozess von Schienen verstärken hohe Temperaturen die Oxidation von Kohlenstoff- und Eisenelementen auf der Schienenoberfläche. Ist die Oxidationsrate von Kohlenstoff höher als die von Eisen, wandelt sich ein Teil des Zementits im Perlit in Ferrit um, wodurch eine Entkohlungsschicht entsteht, wie in Abb. 1 dargestellt. Härte, Festigkeit und Verschleißfestigkeit der Entkohlungsschicht auf der Schiene sind geringer als die des Substrats [1]. Während des Betriebs breiten sich Risse hauptsächlich entlang des Ferrits aus, was eher zu schweren Schienenschäden führt [2]. Während des Baus der neuen Strecke können durch häufiges Anfahren und Stoppen der Baufahrzeuge leicht Schienenkratzer und andere Probleme entstehen. Schienenkratzer sind im Frühstadium für Inspektionspersonal nicht leicht zu erkennen, aber die Reibungswärme zwischen Rad und Schiene verursacht metallografische Veränderungen im zerkratzten Bereich der Schiene, die im späteren Betrieb schnell zu schweren Schäden führen können [3]. Daher sollte beim Bau neuer Strecken und der abschnittsweisen Verlegung neuer Schienen nach der Inbetriebnahme und vor der Inbetriebnahme ein Vorschleifen durchgeführt werden, um die etwa 0,2 mm dicke Entkohlungsschicht auf der Oberfläche sowie die durch den Bauprozess verursachten Schäden zu entfernen. Bei bereits in Betrieb genommenen Strecken ist ein Vorschleifen vor der Übergabe einer Gesamtmasse von 10 Mt erforderlich.
Abb. 1.Die Entkohlungsschicht am Schienenkopf.
Präventives SchleifenBei schwerwiegenden Defekten wie Riffelung, Delamination, seitlichem Abrieb und Quetschungen ist eine größere Schleiftiefe erforderlich, um die Defekte zu beseitigen und gleichzeitig das Schienenprofil zu korrigieren und zu reparieren. Dabei werden große Mengen Schienenmaterial abgetragen und die Schleiftiefe erhöht. Diese Schleifmethode wird als Reparaturschleifen bezeichnet. Aufgrund der konstruktionsbedingten Verschleißtoleranz der Schienenoberseite erhöht sich die Häufigkeit des Schienenwechsels beim Reparaturschleifen, was zu einer unwirtschaftlichen Schleifleistung führt.
China hat klare Vorschriften für den Reparaturschleifbetrieb von Schienentransitstrecken erlassen: (a) Beim Reparaturschleifen müssen je nach den Eigenschaften der Schienendefekte die geeigneten Schleifgeräte und Betriebsparameter ausgewählt, die Schienendefekte beseitigt und das Schienenprofil repariert werden; (b) Auf normalen Strecken muss bei Defekten wie einer Wellenschleiftiefe oder einer Fettkantenbreite über 0,3 mm rechtzeitig ein Reparaturschleifen organisiert werden; (c) Auf Hochgeschwindigkeitsstrecken müssen bei Erschütterungen durch Hochgeschwindigkeitszüge, einem Querbeschleunigungsalarm des Querrahmens, abschnittsweise schlechten Lichtstreifen, einer Fischschuppentiefe der Weichenschiene von bis zu 0,5 mm, einem Gleisaufprallreaktionsindex über dem Verwaltungswert oder Schienendefekten, die die Sanierungsgrenze erreichen, rechtzeitig eine Reparatur und ein Schleifen der Schienen organisiert werden.
Schleifen reparieren. Die Schiene ist periodischen Belastungen durch die Räder ausgesetzt und aufgrund des „Ratscheneffekts“ bildet sich auf der Schienenoberfläche eine Rollkontakt-Ermüdungsschicht (RCF) [4,5]. In der Rollkontakt-Ermüdungsschicht nehmen Härte und Sprödigkeit des Schienenmaterials deutlich zu und die Mikrostruktur weist eine erhöhte Versetzungsdichte und Mikrorissentstehung auf [5]. Die seitliche und längsgerichtete Ausbreitung von Mikrorissen kann zu Schäden wie Delamination und Schienenbrüchen in Schienen führen [1]. Im Rissentwicklungszyklus (Nukleation, Entstehung und Ausbreitung) machen die Zeit der Keimbildung und der Entstehung einen großen Anteil aus. Das Schleifen wird üblicherweise durchgeführt, wenn die Rissausbreitungstiefe 0,2 mm nicht überschreitet, da dies der beste Zeitpunkt ist, um die Ausbreitung von Schienenrissen zu blockieren und eine weitere Verschlechterung der Schiene zu vermeiden, wie in Abb. 2 dargestellt. Basierend auf dem Mechanismus der Rollkontaktermüdung auf der Schienenoberfläche und dem Gesetz der Rissausbreitung wird eine präventive Schleifstrategie vorgeschlagen, die das regelmäßige Entfernen der Rollkontaktermüdungsschicht auf der Schienenoberfläche beinhaltet. Präventives Schleifen hat eine geringere Schleiftiefe, was die Lebensdauer der Schienen verlängert und im Vergleich zum Reparaturschleifen eine bessere Schleifökonomie bietet.
Die China Railway Corporation hat klare Anforderungen an die Durchführung des vorbeugenden Schleifens von Eisenbahnschienen gestellt. (a) Bei Hochgeschwindigkeitsstrecken sollte alle 30–50 Mt Gesamtgewicht ein vorbeugendes Schleifen durchgeführt werden, mit einem Schleifintervall von höchstens zwei Jahren. (b) Bei geraden Abschnitten und Kurvenabschnitten mit großem Radius (> 1.200 m) von Hochgeschwindigkeitsstrecken wird in der Regel einmalig ein Schleifvorgang für ein Gesamtgewicht von 100 Mt durchgeführt; Abschnitte mit kleinem Radius ( 
Die Evolutionsgesetze der Schienenlebensdauer bei unterschiedlichen Schleifverfahren sind in Abb. 2 dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass Schleifen die Lebensdauer von Schienen effektiv verlängern kann. Berichten zufolge beträgt die Wahrscheinlichkeit von Defekten auf der Schienenoberfläche nach Nichtschleifen, Reparaturschleifen und vorbeugendem Schleifen 15 %, 8 % bzw. 4 % [6]. Das zeigt, dass vorbeugendes Schleifen die Wahrscheinlichkeit von Schienendefekten deutlich reduziert. Zudem ist die Abtragsdicke beim vorbeugenden Schleifen geringer, wodurch die Lebensdauer von Schienen im Vergleich zum Reparaturschleifen deutlich verlängert werden kann. Unter den schwierigen Bedingungen des rasanten Wirtschaftswachstums und der dringenden Nachfrage nach Transportkapazitäten im chinesischen Schienenverkehr kann vorbeugendes Schleifen den Schienenaustauschzyklus effektiv verlängern und die Schleifwirtschaftlichkeit steigern. Prädiktives vorbeugendes Schleifen ist die wichtigste Entwicklungsrichtung der zukünftigen Schienenschleiftechnologie.
Abb.2.Das Ausbreitungsverhalten von Wälzkontakt-Ermüdungsrissen
Abb. 3.Der Zusammenhang zwischen Schleifstrategien und der Lebensdauer von Schienen
[1] ZHAO Xiangji, GUO Jun, WANG Hengyu, et al. Auswirkungen der Entkohlung auf die Verschleißfestigkeit und Schadensmechanismen von Schienen, die Kontaktermüdung ausgesetzt sind[J]. Wear, 2016, 364-365:130-143.
[2] ZHAO Xiangji, WANG Hengyu, Guo Jun, et al. Der Einfluss einer entkohlten Schicht auf die Rollkontaktermüdung von Schienenmaterialien unter Trocken-Nass-Bedingungen[J]. Engineering Failure Analysis, 2018, 91: 58-71.
[3] LIU Fengshou, LI Chuang, TIAN Changhai. Forschung zu Frühschäden an chinesischen Hochgeschwindigkeitsschienen. Railway Engineering, 2018, 58(1): 138-140.
[4] Reza Masoudi Nejad, Shariati Mahmoud, Farhangdoost Khalil. Einfluss von Verschleiß auf das Wachstum von Ermüdungsrissen im Rollkontakt in Schienen[J]. Tribology International, 2016, 94: 118-13.
[5] HU Yue, ZHOU Lang, DING Haohao, et al. Mikrostrukturentwicklung von perlitischen Eisenbahnrädern unter Roll-Gleit-Kontaktbelastung[J]. Tribology International, 2021, 154: 106685.
[6] ZAREMBSKI Allan M., PALESE Joseph. Reduziert Schienenschleifen Schienendefekte?[J]. Railway Track&Structure, 2011, 107(2): 32-35.