Das System Gleis und seine Instandhaltung - Plasser & Theurer

GLEISINSTANDHALTUNG
Bernhard Lichtberger
Das System Gleis und seine Instandhaltung
Das System Gleis wurde in den letzten
Jahrzehnten weiterentwickelt und gerade
bezüglich der notwendigen Instandhaltung
perfektioniert. Daraus ergeben
sich - wie im Folgenden gezeigt wird -
zahlreiche Erfahrungswerte hinsichtlich
der Aufgaben sowie der Optimierung des
Systems Gleis und der Beseitigung von
Fehlerquellen bei Bau und Instandhaltung
des Fahrweges.
Das optimierte System Gleis
Die Gesamtkosten einer Gleisanlage bestehen
im Wesentlichen aus drei Kosten tragenden
Parametern, die sich gegenseitig
beeinflussen [1]:
Infrastruktur
Je weniger Instandhaltungsaufwand notwendig
und je haltbarer die eingesetzte
Infrastruktur ist, umso höher sind die Investitionskosten
für die entsprechende Infrastruktur.
Fahrzeug
Der Einfluss der ins Gleis eingebrachten
Kraftspektren auf die Gleisqualitätsverfallsrate
ist hoch, daher haben die für eine
Strecke geplante Betriebsart und das verwendete
rollende Material einen großen
Der Autor
Univ.-Doz. Dr. Bernhard Lichtberger,
Forschungs- & Versuchsabteilung, Plasser
& Theurer, Linz (A)
*)
Der Beitrag wurde anlässlich der iaf 2006 in Münster
als Vortrag gehalten.
Einfluss auf die Häufigkeit der durchzuführenden
Instandhaltungsarbeiten und damit
auch auf die anfallenden Kosten.
Instandhaltungskosten der Infrastruktur
Die Qualitätsverfallsrate des Gleises hängt,
neben der Bauart mit den entsprechenden
Gleiskomponenten, von der bei Bau und
Instandhaltung verwendeten Arbeitstechnologie
sowie - hinsichtlich der erzielbaren
inhärenten Qualität - auch vom Stand
der Technik der eingesetzten Oberbaumaschinen
ab.
Die Suche nach der optimalen Infrastruktur,
dem optimalen Fahrzeug und der optimalen
Instandhaltungsstrategie in Hinsicht
auf ein Gesamtkostenminimum über
die gesamte Lebensdauer, kann daher nur
mit gleichzeitigem Blick auf alle drei Parameter
erfolgen.
Abb. 1 zeigt die Wechselwirkung zwischen
Gleis und rollendem Material [2]. Unebenheiten
der Radlauffläche, die Art der Antriebs-
oder Bremskräfte und das Verhalten
des Gesamtfahrzeuges beansprucht
über die entstehenden statischen und dynamischen
Kräfte den Gleisaufbau. Die geometrischen
Gleisfehler, Fehler der Schienenoberfläche,
aktuelle Spurweite etc.
induzieren entsprechende Fahrzeugreaktionen.
Die Gleisqualitätsverfallsrate hängt
ab von den wirkenden Kräften, von der
Gleiskonstruktion, den Methoden des
Gleisneu- und -umbaus und der Gleisinstandhaltung
sowie der Qualität der Oberbaumaschinen.
Auch zwischen der Qualität
des rollenden Materials und der Art der Instandhaltung
besteht eine funktionelle Beziehung.
Angepasst an die Beanspruchung
(Kraftfrequenzspektrum durch Fahrzeuge)
ist eine adäquate Instandhaltungsmethode
und eine entsprechende Auswahl an Oberbauinstandhaltungsmaschinen
notwendig.
Durch die richtige Wahl der Methode und
der Maschinen wird eine größtmögliche
Haltbarkeit angestrebt.
Aufgaben des Gleises
Das Gleis soll
• die Fahrzeuge entgleisungssicher führen,
• die vertikalen und horizontalen Fahrzeugkräfte
aufnehmen,
• diese Kräfte über Gleisrost und Schotterbett
in den Untergrund ableiten,
• einen guten Fahrkomfort sicherstellen
und
• eine hohe Verfügbarkeit für die Produktion
gewährleisten.
Das Eisenbahnrad überträgt senkrechte
und horizontale Kräfte auf das Gleis. Zusätzlich
unterliegt das durchgehend verschweißte
Eisenbahngleis noch Längskräften
aufgrund von Temperaturänderungen.
Das Gleis wird durch quasistatische (niederfrequente)
und höherfrequente dynamische
Kraftkomponenten beansprucht.
Der Fahrweg selber lässt sich in seinen elasto-plastischen
Eigenschaften wegen des
inhomogenen Verhaltens des Schotterbettes,
der Planumsschutzschicht und des Untergrundes
nicht analytisch exakt beschreiben.
Es werden empirische, durch Versuche
ermittelte Kenngrößen und Zusammenhänge
angewendet.
Die Größe der Kräfte ist eine Funktion der
Achslast, der Radlaständerungen durch
Bogenfahrten oder durch ungleichmäßige
Beladung von Brems- und Anfahrvorgän-
Abb. 1: Wirtschaftliches Gesamtoptimum - beeinflussende
Parameter des Systems Gleis
Abb. 2: Druckabbau vertikaler Lasten
10
EI – Eisenbahningenieur (58) 1/2007

GLEISINSTANDHALTUNG
Abb. 3: Räumliche Verdichtung durch den DGS
Abb. 4: Einbaumöglichkeiten elastischer Elemente
gen und des Abrollens unrunder unausgewuchteter
Räder auf einer mit Fehlern behafteten
Fahrbahn.
Diese Kräfte muss der Gleisrost so verteilen,
dass die zulässigen Größtwerte der Schotterpressungen
unter der Schwelle und die
zulässigen Bodendruckspannungen nicht
überschritten werden.
Der nach heutigen Erkenntnissen instandhaltungsarme
Schotteroberbau für hoch
belastete Gleise besteht aus folgenden Elementen:
• schweres Schienenprofil UIC 60,
• verschleißfeste Schienen im Bogen (kopfgehärtet
oder hochlegiert),
• Betonschwellen für Gleise und Weichen
in optimierter Ausführung (besohlte
Schwellen, Breitschwellen, Rahmenschwellen,
Leiterschwellengleis etc.),
• verdrehfeste und elastische Schienenbefestigungen
(Optimierung der Elastizitäten
und Dämpfungen erforderlich),
• dauerstabiles Schotterbett und
• dauerstabiler, frostsicherer Unterbau (gesichert
durch Einbau von Schutzschichten
und Geotextilien).
Kraftübertragung und Kraftverteilung
durch das Gleis
Abb. 2 zeigt die Lösung einer der Grundaufgaben
des Gleises, und zwar die Verteilung
der Radlast in den Untergrund, bei
gleichzeitiger Reduktion der Bodendruckspannungen
auf ein Maß, welches die
Tragfähigkeitseigenschaften des anstehenden
Bodens nicht übersteigt.
Dabei wird als Beispiel eine statisch wirkende
Radlast von 110 kN (entspricht der derzeit
maximalen Achslast auf europäischen Gleisen
von 22,5 t) mit nur 15 kN dynamischer Radlastschwankung
über eine elliptische Berührungsfläche
zwischen Rad und Schiene von
etwa nur 3 cm 2 übertragen. Durch Vergrößerung
der Kraftübertragungsflächen von Systemelement
zu Systemelement (Schiene –
Unterlagsplatte – tragende Schwellenfläche
– Schotterbett – Planumsschutzschichten)
wird dabei der Druck zunehmend abgebaut,
bis auf ein Maß, welches durch die Tragfähigkeit
des anstehenden Bodens übernommen
werden kann.
Gleiswiderstände
Die Kräfte des Gleises müssen durch entsprechende
Widerstände, die das Gleis diesen
Kräften gegenüberstellt, aufgenommen
werden. Dabei wirken natürlich nicht
nur vertikale Kräfte, sondern durch Antrieb
und Bremsen auch Längskräfte. Querkräfte
treten durch die Führungskräfte des Fahrzeuges
auf. Zusätzlich treten im endlos verschweißten
Gleis auch Beulkräfte auf.
Längswiderstand
Das Gleis macht eine Längenänderung der
Schienen nur nach Überwindung folgender
Reibungswiderstände möglich:
• dem Laschenreibungswiderstand,
• dem Längsverschiebewiderstand
(Schwelle – Bettung) und dem
• Durchschubwiderstand
(Schiene – Schwelle).
Der Laschenreibungswiderstand ist jener
Widerstand, der bei einer Längenänderung
der Schienen in den Laschen überwunden
werden muss.
Der Längsverschiebewiderstand ist der Widerstand,
welcher bei der Verschiebung
der Schwellen in der Bettung in Richtung
der Gleislängsachse auftritt.
Bei Stabilisierung durch den Dynamischen
Gleisstabilisator DGS erhöht sich der Längsverschiebewiderstand
um 30 – 50 %.
Der Durchschubwiderstand ist von der
Wirkung der Befestigungs- bzw. Verspannungsmittel
abhängig. Ein beeinflussender
Faktor ist auch die Reibung zwischen
Schienenfuß und Rippenunterlagsplatte,
die durch Gummizwischenlagen oder anderes
Material vergrößert werden kann.
Querverschiebewiderstand (QVW)
Der Wert des Querverschiebewiderstandes
ist von ausschlaggebender Bedeutung
für die Lagesicherheit des Gleises gegen
Verwerfungen. Der Querverschiebewiderstand
wird durch folgende Faktoren beeinflusst:
• Art, Gewicht, Abmessungen und Abstand
der Schwellen,
• Kornzusammensetzung der Bettung,
• Bettungsstoffmenge zwischen und vor
den Schwellen (Bettungsschulter) und
der
• Verdichtung der Bettung.
Instandhaltungsarbeiten, die das Schottergefüge
verändern, verringern den Querverschiebewiderstand
um 40 – 60 % und
erhöhen so das Risiko einer Gleisverwerfung.
Das ist auch der Grund dafür, dass
besonders beim lückenlosen Gleis nach Instandhaltungsarbeiten
Langsamfahrstellen
eingerichtet werden, bis sich der Querverschiebewiderstand
wieder stabilisiert hat.
Im stabilisierten Zustand können die Führungskräfte
des rollenden Materials wieder
gefahrlos übertragen werden.
Stabilisierung durch Betriebsbelastung
nach Instandhaltungsarbeit
Innerhalb der ersten 0,5 - 2 Mio. t Betriebsbelastung
wird das Gleis vollständig
stabilisiert. Durch die stochastisch wirkenden
Kräfte der Züge ist dieser Vorgang
allerdings mit unregelmäßigen Setzungen
des Gleisrostes und damit entstehenden
Längshöhenfehlern verbunden. Die
Gleisqualität während dieser ersten Belastungsphase
nimmt rasch ab. Die Setzungen
entstehen durch unkontrolliertes,
dichteres Anordnen der Schotterkörner.
Die miteinander verkeilten Schotterkörner
brechen durch die wirkenden Achslasten
an überlasteten Kanten ab, bis ein stabiler
Zustand zwischen Belastung und Kraftableitung
erreicht ist.
EI – Eisenbahningenieur (58) 1/2007 11

GLEISINSTANDHALTUNG
Abb. 5: Schematischer Gleisqualitätsverlauf
Die dynamische maschinelle
Gleisstabilisierung
Durch den Einsatz des dynamischen Gleisstabilisators
wird der QVW wieder in einen
Bereich gebracht, bei welchem das Gleis
verwerfungssicher ist. Damit kann auf
Langsamfahrstellen verzichtet werden. Der
QVW erhöht sich nach einer Instandhaltungsarbeit
durch die Betriebslasten. Der
Einsatz des dynamischen Gleisstabilisators
entspricht typischerweise einer Betriebsbelastung
von mindestens 100 000 t.
Das Schwingaggregat des DGS erfasst
beide Schienen mit Rollzangen und bringt
unter statisch wirkender Auflast das Gleis
in horizontale Schwingungen. Umfangreiche
Versuche der TU Graz 1983 [3] dienten
der Ermittlung der optimalen Einstellwerte
Auflast, Frequenz, Einwirkzeit und
Amplitude. Dabei wurde auch ermittelt,
dass die Verdichtung des Schottergesteines
mit Horizontalschwingungen bis zum Faktor
7 effizienter ist als vertikal vibrierende,
schlagende Systeme.
Der DGS weist daher konstantere Setzungen
auf als die Stabilisierung durch die konventionelle
Betriebsbelastung durch Züge.
Der Gleisstabilisator stabilisiert und homogenisiert
das gesamte Schotterbett. Man
spricht daher von ”räumlich umfassender”
Verdichtung [4]. Daher ergibt sich eine Stabilisierung
in alle drei räumliche Richtungen,
wie Abb. 3 zeigt. Es wird sowohl der
Querverschiebewiderstand als auch der
Längsverschiebewiderstand erhöht. In vertikaler
Richtung kommt es zu einer Homogenisierung
der Schotterbettung und einer
Verringerung von Schwellenhohllagen.
Schwingungsausbreitung und Schwingungsisolation
Ein stehender Zug hat Radsatzlasten bis zu
22,5 t und sinkt, je nach Bettungswiderstand,
in den Untergrund ein. Wenn derselbe
Zug fährt, dann zieht er diese Verformungen
unter sich mit, bis sich der Untergrundaufbau
und damit die Einsenkungsmerkmale ändern.
Beim Befahren z.B. eines Bahnüberganges
oder eines Brückenwiderlagers werden diese
vertikalen Steifigkeitsunterschiede durch entsprechende
Stöße im Fahrzeug wirksam. Das
Fortziehen der wellenförmigen Verformung
unter dem Zug wird auf den umgebenden
Untergrund übertragen und lenkt diesen
zwanghaft über Scherbeanspruchungen aus.
Im Zusammenspiel mit den Federwirkungen
des elastischen Untergrundes entstehen Erschütterungen
und Schwingungen.
Maßgebend für dieses Verhalten sind vor
allem die hochfrequenten Schwingungen,
die durch den Zugverkehr ins Gleis eingebracht
werden. Das Verhalten des Gleises
kann insbesondere bei Schnellverkehr nicht
mehr nur quasistatisch betrachtet werden.
Das Gesamtsystem weist in verschiedenen
Frequenzbereichen Resonanzen auf,
die durch geschickte Wahl federnder und
dämpfender Elemente in Bereiche gelegt
werden können bei denen sie weitgehend
das Gleis nicht schädigen.
Die erforderlichen Elastizitäten können in den
Zwischenlagen, unter der Schwelle (Schwellenbesohlung)
oder unter dem Schotter eingebaut
werden, wie Abb. 4 zeigt.
Die elastischen Elemente wirken dabei in
zweierlei Hinsicht:
Quasistatisch
Durch die elastische Lagerung reduzieren
sich die Stützpunktkräfte, alle davon beeinflussten
Kräfte und Spannungen verringern
sich. Die Schienenspannungen erhöhen
sich mit dem Grad der Einsenkung.
Dynamisch
Wegen der verbesserten Nachgiebigkeit
der Schiene nehmen die dynamischen Rad-
Schiene-Kräfte auf Grund von Radimperfektionen
oder Schienenoberflächenfehler
ab. Diese Wirkung erhöht sich mit zunehmender
Fahrgeschwindigkeit.
Abb. 6: Übersicht Instandhaltungsmaßnahmen
Das System Gleis und
seine Fehler
Durch die hohen Berührkäfte, die Schlupfwirkung
der Räder auf der Schiene oder infolge
von Führungskräften etc. wird die
Schiene hoch beansprucht. Die hohen Beanspruchungen
führen zu Oberflächenfehlern
der Schienen, wie Riffeln, Schlupfwellen,
Schienenrissen (Head Checks) oder zu
einem ausgeprägtem Verschleiß der Schiene
im Bogen durch das anlaufende Rad usw.
Das Gleis antwortet auf die wirkenden
Kräfte der darüber fahrenden Züge aber
auch mit einer Schädigung oder Lockerung
der Befestigungsmittel, einer Abrasion der
Schwellenunterseite, einer Verschmutzung
der Schotterbettung (durch aufsteigende
Feinteilchen, durch Zerkleinerung der
Schotterkörner oder durch sich ablagernde
Feinanteile aus der Umwelt). Mangelnde
oder nicht ausreichende Entwässerung
sowie ungenügender Schichtaufbau verringern
die Tragfähigkeit des Gesamtsystems
– die Folge sind Verwindungs- und
Längshöhenfehler an der Schienenfahrfläche
(Gleisgeometriefehler). Alle diese
Fehler können durch spezielle Oberbauinstandhaltungsmaschinen
beseitigt werden.
Gleisqualitätsverlauf der
Gleisgeometrie
Abb. 5 zeigt den schematischen geometrischen
Gleisqualitätsverlauf. Nach Erreichen
der Eingriffsschwelle (gewünschter Fahrkomfort)
wird das Gleis gestopft und die
Standardabweichung der Gleisfehler (bezogen
auf eine bestimmte Gleislänge von
z.B. 200 m) sinkt. An diese Verbesserung
schließt sich eine Periode des schnellen exponentiellen
Anwachsens des Gleisfehlers an
(im Bild wegen des großen Maßstabes der
12
EI – Eisenbahningenieur (58) 1/2007

x-Achse nicht eingezeichnet), ehe dieser
in einen linearen Verschlechterungsverlauf
übergeht – diese Phase ist durch das Abbrechen
der Kornspitzen und das Umlagern
der Körner in eine dichtere Lage gekennzeichnet.
Anschließend nimmt der Fehler unter der
Betriebsbelastung wieder linear zu. Je
nach Betriebsbelastung und konstruktiver
Gestaltung des Gleisrostes geht diese lineare
Verschlechterungsrate schließlich in
eine exponentiell ansteigende über. Dies
geschieht vor allem dann, wenn zu spät
gereinigt wird oder Untergrundprobleme
vorliegen. Durch die Verschmutzung des
Schotters verliert dieser seine Last verteilende
Wirkung. Dadurch steigt die Schotterpressung
unter den Schwellen und der
Druck auf den Untergrund – die Stopfung
ist nicht haltbar. Gleichzeitig sinkt die erreichbare
Anfangsqualität.
Gleisinstandhaltung –
Beseitigung der Gleisfehler
Wie jede industrielle Anlage, müssen auch
Gleisanlagen gewartet werden. Die Gleisgeometrie
unterliegt neben den statischen
und dynamischen Ansprüchen durch die
Betriebslasten auch noch den Witterungseinflüssen
und anderen externen Beanspruchungen
(chemischer Art, Vegetation).
Die Bauteile des Gleises verfügen, je
nach Einsatzdauer und Beanspruchung,
nur über eine begrenzte Lebensdauer,
nach der sie ersetzt bzw. erneuert werden
müssen.
Typische Durcharbeitszyklen
Bei normalen hoch beanspruchten Hauptgleisen
gelten näherungsweise die folgenden
Durcharbeitungszyklen bzw. Lebensdauern
für die Gleiskomponenten:
Stopfen
40-70 Mio. t 4-5 Jahre
Schleifen
20-30 Mio. t 1-3 Jahre
Reinigen
150-300 Mio. t 12-15 Jahre
Schienenerneuerung
300-1000 Mio. t 10-15 Jahre
Holzschwellenerneuerung
250-600 Mio. t 20-30 Jahre
Betonschwellenerneuerung
350-700 Mio. t 30-40 Jahre
Befestigungsmittel
100-500 Mio. t 10-30 Jahre
Schottererneuerung
200-500 Mio. t 20-30 Jahre
Sanierter Untergrund
> 500 Mio. t > 40 Jahre
Auf den Gleisen 1. Ordnung wird heute
mit Durcharbeitszyklen von bis zu 8 Jahren
gerechnet. Gereinigt wird nur im Zusammenhang
mit dem Umbau (bei Holzschwellengleisen
etwa alle 20 Jahre,
bei Betonschwellengleisen etwa alle 30
Jahre). Die Liegedauer der Schienen beträgt
ungefähr die Hälfte der Liegedauer
des Gleises (ca. 10 Jahre), wobei die
Begrenzung meist nicht von der Abnutzung
der Schiene herrührt, sondern von
den Schienen oberflächenfehlern. Schottertausch
wird in der Regel mit einem
Gleisumbau (also zwischen 20 - 30 Jahren)
durchgeführt.
Die Weichenlebensdauer beträgt etwa 20
Jahre bei Holzschwellenweichen und etwa
30 Jahre bei Betonschwellenweichen. Bei
extrem belasteten Herzstücken werden
diese bis zu 3x pro Jahr getauscht. Im Normalfall
kann von einer mittleren Lebensdauer
der Herzstücke von 5 Jahren ausgegangen
werden.
Instandhaltungsrichtwerte und
Gefahrengrenzwerte
Werden die Richtwerte für die Instandhaltung
überschritten, dann müssen die notwendigen
Arbeiten geplant und durchgeführt
werden. Wird der Gefahrengrenzwert
Das Gleis als komplexes Gesamtsystem
Foto: photocase
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EI – Eisenbahningenieur (58) 1/2007 13

GLEISINSTANDHALTUNG
überschritten, dann muss die Fehlerstelle
entweder sofort behoben werden oder
aber es muss eine Langsamfahrstelle eingerichtet
werden.
Gleisinstandhaltungsarbeiten
Abb. 6 gibt einen Überblick über die Instandhaltungsarbeiten,
die bezüglich der
einzelnen Gleiskomponenten anfallen können.
Im Folgenden wird auf die wichtigsten
Arbeiten eingegangen.
Abb. 7: Monitorbild einer Gleisgeometrieaufzeichnung mittels Gleismesswagen
Abb. 8: Hebewerte
und verbleibende
Hebung nach
vollständiger
Stabilisierung des
Gleises
Gleiszustandserfassung, Analyse
und Planung
Für eine seriöse Betrachtung der Wirtschaftlichkeit
von Instandhaltungsmaßnahmen
und als gesunde Basis zur Entscheidungsfindung,
welche Art von Instandhaltung
angebracht ist, ist der Einsatz eines Oberbaumesswagens
mit analysierendem Messsystem
unumgänglich. Dabei interessiert
nicht nur die aktuelle Qualität des zu erfassenden
Gleisparameters, sondern auch
dessen zeitliche Entwicklung zwischen den
Messfahrten. Dies erlaubt Prognosen über
den Zeitpunkt der nächsten durchzuführenden
Gleisinstandhaltungsarbeit sowie
weitergehende Analysen.
In den letzten Jahren ist international eindeutig
ein Trend in Richtung Multifunktionsmessfahrzeuge
zu erkennen. Bei den
Bahnen ist im Hinblick auf eine effiziente
Instandhaltung und Planung von Gleisumbauten
eine interdisziplinäre Zusammenarbeit
verschiedener Fachbereiche festzustellen.
Es liegt daher nahe, auch die
Erfassung der für die einzelnen Fachbereiche
wichtigen Parameter gleichzeitig mit
ein und demselben Messfahrzeug durchzuführen.
Die Gleichzeitigkeit bietet darüber
hinaus die Möglichkeit, Korrelationen
unterschiedlichster Gleisfehler durchzuführen,
um möglichen Zusammenhängen und
wechselseitigen Beeinflussungen auf die
Spur zu kommen.
Abb. 9: Das „Gedächtnis“ des Gleises
Abb. 10: Verriffelte Schiene mit gelockerter Schienenbefestigung
links (in Folge der entstandenen hohen Vibrationen)
14
EI – Eisenbahningenieur (58) 1/2007

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Budgetkürzungen
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EI – Eisenbahningenieur (58) 1/2007 15

GLEISINSTANDHALTUNG
Abb. 7 zeigt einen typischen Messschrieb
eines Gleismesswagens. Von links nach
rechts sind die folgenden Geometrieparameter
aufgezeichnet: linke und rechte
Längshöhe, linke und rechte Pfeilhöhe
(Seitenlage), Überhöhung, Spurweite und
Verwindung. Jeder Parameter wird hinsichtlich
seiner Qualität durch Toleranzen
überwacht. Abhängig von der Qualität der
Gleislage werden die entsprechenden Instandhaltungsmaßnahmen
geplant. Einzelfehler,
die den sicheren Betrieb gefährden,
werden dabei vorrangig behandelt. Entweder
müssen, angepasst an den Einzelfehler,
Langsamfahrstellen eingerichtet werden
oder die Fehler werden unmittelbar durch
Einzelfehlerbeseitigungsmaschinen behoben.
Die Analyse der Messdaten hinsichtlich
des Komforts, kombiniert mit Aussagen
über die Trendentwicklung, erlauben die
genaue, langfristigere Planung von Gleisinstandhaltungsarbeiten.
Berichtigung der Gleisgeometriefehler
Vorarbeiten am Gleis
Für eine möglichst haltbare und dauerhafte
Instandhaltungsarbeit müssen alle vorhandenen
oder im Entstehen begriffenen Mängel
an Unterbau, Bettung und Gleisrost so
beseitigt werden, dass der feste Schluss der
Gleiskonstruktionselemente gegeben ist.
Das Ergebnis der Instandhaltungsarbeiten
hängt wesentlich von einer gut vorbereiteten
Baustelle ab. Diese umfasst:
• die Gleisvormessung, Ermittlung der Korrekturwerte
zur Erreichung der Sollgeometrie
(Hebungen, Verschiebungen),
• die kraftschlüssige Verspannung zwischen
Schiene und Schwelle,
• das Auswechseln schadhafter Kleineisen,
Zwischenlagen und Federelemente,
• das Begradigen von Schienenstößen
(Schienenbiegerichten – STRAIT),
• die Kontrolle und Berichtigung der Wanderschutzmittel,
• das Säubern der Rand- und Rangierwege
sowie Bahngräben,
• die Beseitigung von Hindernissen (Ausbau
von elektrischen Kontakten im
Schwellenfeld, Magnetschienenkontakte,
Radsensoren, Indusimagnete, Heißläufersensoren,
Bahnübergangsbefestigungen
etc.),
• das Einschottern, wenn größere Hebungen
durchgeführt werden sollen oder
Schottermangel gegeben ist,
• das Auswechseln defekter Schienen oder
Schwellen und
• das Überprüfen und Korrigieren der
Spurweite.
Die Stopfung
Durch die Stopfarbeit wird das Gleis wieder
in die geometrisch korrekte Lage gebracht.
Bei ausreichender Hebung werden unter
dem Gleisrost definierte Auflager hergestellt.
Diese definierten Auflager (Schwelle
= Träger auf zwei Stützen) vermeiden Instabilitäten
der Lage, wie sie durch Schwellenreiten
entstehen.
Konventionelle Stopfmaschinen arbeiten
zyklisch. Dabei muss bei der Vorfahrt von
einer Schwelle zur anderen die gesamte
Maschine beschleunigt werden.
Kontinuierlich arbeitende Stopfmaschinen
haben gegenüber konventionellen Stopfmaschinen
die folgenden Vorteile:
• um bis zu 40 % höhere Arbeitsleistung,
• geringere Energiekosten, weil nicht die
gesamte Maschine bei der Vorfahrt
von Schwelle zu Schwelle beschleunigt
werden muss, sondern nur der Stopfsatellit,
• geringere Beanspruchung des Rahmens,
des Fahrantriebes, der Bremsen – dadurch
reduzierter Verschleiß,
• ergonomische Vorteile für das Personal
durch den Wegfall der Beschleunigungen
beim Anfahren und Bremsen,
• geringere Vibrationen und Geräuschentwicklung
auf der Hauptmaschine und
• die Möglichkeit, andere kontinuierliche
Arbeitsgänge wie Schotterplanierung
und Gleisstabilisation in die Maschine zu
integrieren.
Wenn die Stopfpickel in die Bettung eindringen,
dann müssen diese das Volumen
der Stopfwerkzeuge im Schotterbett verdrängen.
Werden sehr geringe Hebewerte
angewandt, dann wird das Eindringen der
Stopfwerkzeuge erschwert.
Abb. 8 zeigt die Setzungen der verschiedenen
Hebewerte. Wie dem Diagramm unschwer
zu entnehmen ist, resultieren aus
Hebewerten, die unter 15 - 20 mm liegen,
keine verbleibenden Korrekturen im Gleis,
weil die Setzungen etwa gleiche Werte annehmen.
Wird aber z.B. eine Hebung von
40 mm angewandt, dann wird der Fehler
bei der nächsten Durcharbeitung nur mehr
20 mm betragen und im Laufe der Zeit bei
Anwendung der „optimalen“ Hebewerte
zur Gänze beseitigt werden. Geschieht
dies nicht, dann können Effekte beobachtet
werden, die früher als „Gedächtnis“
des Gleises bezeichnet wurden. Darunter
wird das Phänomen verstanden, dass das
Gleis nach einer Durcharbeitung unter Betriebsbelastung
wieder fast genau zu jener
Fehlerform zurückkehrt, in der es vor der
Stopfung war (Abb. 9).
Den derzeit letzten Stand der Technik auf
dem Sektor der kontinuierlich arbeitenden
Stopfmaschinen stellt der Dynamic Stopfexpress
09-4X dar, der in einem Arbeitszyklus
gleichzeitig 4 Schwellen stopfen kann. Der in
die Maschine integrierte Dynamische Gleisstabilisator
(DGS) liefert ein stabilisiertes, sicheres
und dauerhaftes Gleis. Die Gleisstabilisation
sorgt für eine mittlere Verlängerung
der Instandhaltungszyklen um 30 %.
Schienenfehler
Einer der großen Vorteile der Eisenbahn
ist der niedrige Rollwiderstand des Rades
auf der Schiene. Dies wird erreicht durch
Werkstoffe mit einem großen Elastizitätsmodul,
der den Kontaktbereich auch unter
großen Belastungen auf Fingernagelgröße
beschränkt. Erkauft wird dieser Vorteil
allerdings durch die hohen Spannungen,
die weit über 1000 N/mm 2 liegen können.
Abb. 11: Das Prinzip der so genannten „magischen“ Verschleißrate
[ 5 ]
Abb. 12: Kritische Niederschlagsmenge in Abhängigkeit vom
Verschmutzungsgrad
16
EI – Eisenbahningenieur (58) 1/2007

Diese Beanspruchungen sind so
groß, dass sich sowohl das Rad
als auch die Schiene plastisch
verformen können, wobei sich
in oberflächennahen Bereichen
häufig Risse bilden. Dies geschieht
besonders dann, wenn
zu den Vertikalkräften Tangentialkräfte
(Schlupf-, Brems- und
Antriebskräfte) auftreten. Abb.
10 zeigt eine verriffelte Schiene
(kleine periodische Wellen auf
der Schiene).
Berichtigung der Schienenfehler
Durch die hohen Belastungen
der Schienen kommt es
zu verschiedenen Arten von
Schienenfehlern, wie Shells,
Nierenbrüche, Rissen an der
Schienenoberfläche, Head
Checks, Spalling, Squats, Riffel
und Schleuderstellen.
Parameter für extremes Risswachstum
sind die Kombinationen
hohe Radlast, Führungskraft
und Längskraft. Die oben
erwähnten hohen Spannungen
über 1000 N/mm 2 treten vor
allem bei punktueller Berührgeometrie
auf. Abb. 11 zeigt das
Prinzip der so genannten „magischen“
Verschleißrate. Behoben
werden diese Schienenfehler
durch Schleifen mit den
Maschinen. Risse an der Schienenoberfläche
haben die Tendenz,
in die Tiefe der Schiene zu
verlaufen. Die Methode des so
genannten Präventivschleifens
hilft, diese Fehler frühzeitig zu
entfernen und die Lebensdauer
der Schiene zu verlängern. Eine
Lebensdauerverlängerung der
Schiene ist wegen der hohen
Investitionskosten eine höchst
wirtschaftliche Maßnahme.
Das vorgeschlagene Prinzip
des präventiven Schleifens im
Sinne der so genannten magischen
Verschleißrate bedeutet
ein Schleifen der Schiene, wenn
die Risstiefen kleiner gleich 0,2
mm betragen. Nach dem Präventivschleifen
beginnt die Nutzung
der Schiene wieder von
einem rissfreien Zustand aus.
Die internationale Praxis hat gezeigt,
dass durch diese Methode,
auch in schwer belasteten
Strecken, eine Nutzungsdauer
der Schiene von mehr als 1000
Mio. t erreicht werden kann.
Wird ein größeres Risswachstum
in Kauf genommen, dann
müssen die Schienen früher und
öfter getauscht werden. Die
letztgenannte Methode ist für
den Betreiber mit einem höheren
Kostenaufwand verbunden.
Schotterverschmutzung
Die Ursachen der Verunreinigung
des Schotters sind die Absplitterung
und der Abrieb der
Schotterkörner unter Betriebslast,
aufsteigendes Material
aus dem Untergrund bei mangelnder
Filterwirkung sowie
herabfallendes Ladegut, wie
Kohle, Minerale und Erze oder
Laubanfall und Wildkrautbewuchs
der Gleisanlagen. Die
verschmutzte Schotterbettung
weist ein vermindertes Tragverhalten
auf und kann so seine
Aufgaben nicht mehr zufrieden
stellend erfüllen. Die Verschmutzung
behindert den Abfluss
des Oberflächenwassers,
was eine der Ursachen der verminderten
Tragfähigkeit ist.
Die verschmutzte Bettung weist
einen zu hohen Feuchtigkeitsgehalt
auf, was sich nachteilig
auf die Lebensdauer der Holzschwellen
auswirkt.
Ein Kennzeichen der verschmutzten
Bettung ist der rapide
Gleisqualitätsverfall nach
Instandhaltungsmaßnahmen
wegen der Überbeanspruchung
der Tragfähigkeit der
Schotterbettung.
Wie Abb. 12 zeigt, ist ab einem
Verschmutzungsgrad von 30
% Feinanteilen am Gesamtvolumen
der kritische Bereich erreicht.
Oberflächenwasser kann
praktisch nicht mehr abfließen.
Reinigung des verschmutzten
Schotterbettes
Damit das Oberflächenwasser
ungehindert abfließen kann,
ist eine ausreichende Räumbreite
unumgänglich. Wie die
Abb. 13a zeigt, wird bei der
Flankenreinigung der ungehinderte
Abfluss des Wassers nur
auf der rechten Seite ermöglicht.
Im nicht gereinigten Bereich
unter der Schwelle bleibt
die Staunässe erhalten. Die
kritische Niederschlagsmenge,
die noch abgeführt werden
kann, liegt zwischen 0,5 - 30
mm/h, je nach Verschmutzungsgrad.
Wird, wie in Abb.
13b gezeigt, zwar durchge-
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GLEISINSTANDHALTUNG
hend mit Räumbalken gereinigt, aber die
Räumbreite nicht ausreichend gewählt,
dann bleiben verunreinigte Kegel im Vorkopfbereich
stehen, die ebenfalls einen
ungehinderten Abfluss des Wassers zum
Kanal behindern. Hier liegt die kritische
Niederschlagsmenge in einem Bereich von
1 – 10 mm/h. Nur wenn die Räumbreite
adäquat, wie in Abb. 13c gezeigt, gewählt
wird, kann das Wasser ungehindert
und rasch in den Abfluss geleitet werden.
In diesem Fall kann die Bettung Niederschlagsmengen
bis zu 150 mm/h ungehindert
abführen.
Der Längsschnitt
Der ebene, gleichförmige Längsschnitt
beim Reinigen ist für die Qualität der Reinigung
sehr wichtig, weil die Längsfehler des
Planums – der grundsätzlichen Form nach –
auch noch nach Jahren an der Schienenoberfläche
auftreten.
Die Forderung an die Bettungsreinigungsmaschine
besteht daher in der automatischen
Führung der Aushubkette durch
elektronische Messeinrichtungen oder
nach einer Laserreferenzebene (Abb. 14).
Eine alte Methode der Führung der Maschine,
die zwar genau, aber personal- und
kostenaufwendig ist, ist die Führung der
Maschine nach Leitseil.
Fehler des Untergrundes
Die Verkehrsbelastungen können bei den
einzelnen Bodenarten unter dem Einfluss
der Witterung (Niederschläge, Erosion und
Wind) verschieden große Überbeanspruchungen
des Untergrundes und damit Verformungen
und Schäden am Erdplanum
bewirken. Diese zeigen sich als ungleichmäßige
Setzungen unterhalb der Schwellen.
Folgende Schäden sind zu beobachten:
• bei Böden, wie gleichförmiger Sand, ein
Durchwandern des Sandes durch das
Schotterbett bis zur Schwellenoberfläche
als Folge der Bodenschwingungen,
• bei nicht bindigen und schwach bindigen
Böden eine Auflockerung des Erdplanums
und Untergrundes durch dynamische
Belastung, die zur Bildung von
Rissen und Risszonen führen kann,
• bei schluffigen Böden, bei nasser Witterung
eine bald eintretende Verwellung
des Erdplanums und ein Hochpumpen
schlammig gewordenen Bodens unter
den Lastwechseln bis zur Schotteroberfläche,
d.h. das Entstehen von Spritzstellen,
wobei der Schotter unter den
Schwellen versinkt (Schottersäcke). Die
Gleislage wird bei Regenwetter sofort
sehr schlecht und bei trockenem Wetter
verhältnismäßig bald wieder stabil,
Abb. 13:
Schnittformen mit
Räumketten
a) Flankenreinigung
b) zu geringe
Räumbreite
c) optimale
Räumbreite
Abb. 14:
Höhenverlauf der
Schiene und des
Planums nach
unterschiedlicher
Betriebsbelastungsdauer
(rot eingezeichnet:
Grenztoleranz
bei manueller
Räumkettenführung,
grün eingezeichnet:
Grenztoleranz
bei Führung der
Räumkette mittels
Laser)
• bei stark bindigen Böden eine Muldenbildung
unter den Schwellen durch Verdichten
des Bodens unter den Lastwechseln
und Aufwölben des Bodens zwischen
den Schwellen und gegen den Randweg.
Auch bei diesen Böden wird bei Regenwetter
bei den Schwellen Schlamm zur
Schotteroberfläche hochgepumpt (Abb.
15). Diese Bodenverformungen vollziehen
sich bei nasser und trockener Witterung
sehr langsam,
• bei bindigen (schluffigen, tonigen) Böden
im Winter Frosthebungen und im Frühjahr
Tauschäden mit Auflockerungen vor
allem am Planumsrand und
• bei gleichkörnigem Sand können Schäden
durch Winderosion und bei stark
bindigen Böden in der Trockenzeit
Schrumpfrisse und in der Regenzeit
Quellbewegungen, insbesondere in heißen
Klimazonen, entstehen.
Die Schäden des Erdplanums treten bei
schwachen Verkehrsbelastungen erst nach
längerer Liegedauer, bei starker Verkehrsbelastung
bereits nach kurzer Zeit auf.
Erhöhung unzureichender Tragfähigkeit
des Untergrundes
In Europa wird die Untergrundsanierung
vorrangig durch den Einbau von Planumsschutzschichten
aus Sand-Kiesgemischen
durchgeführt. Die durch die Zugbelastungen
auftretenden Spannungen im Schichtenaufbau
des Tragsystems des Eisenbahngleises
dürfen die zulässigen Grenzwerte nicht überschreiten.
Die dazu notwendige Tragfähigkeit
des Schichtsystems Bettung-Planumsschutzschicht-Bodenuntergrund
setzt sich
aus den Tragfähigkeitsanteilen der Schichten
zusammen. Je geringer die Tragfähigkeit
des anstehenden Bodens ist, desto größer
muss der Tragfähigkeitsanteil der einzubauenden
Schichten sein. Ergänzt wird der Einbau
der Schutzschichten durch die Verwendung
von Geotextilien, Hartschaumplatten
und entsprechende Vorsorge zur ausreichenden
Drainagierung und Wasserabfuhr. Der
Vliesstoff erbringt dabei eine bemerkenswerte
Dränwirkung, deshalb sollten die eingebauten
Geotextilien unbedingt bis zum Drainagekanal
verlegt werden.
Gegenüber konventionellen Baumethoden
mit Schubraupen, Erdbaugeräten, einzelfahrbaren
Verdichtgeräten und Lastkraftwagen,
die teilweise auf dem erzeugten
Planum Vorschädigungen bewirken, stehen
heute vollautomatische bewährte Maschinensysteme
zur Verfügung, die unter
Belegung nur eines Gleises, in einer unbeeinflussten
Bauzone das Planum exakt in
Längshöhen- und Querlage herstellen, planieren
und verdichten (Abb. 16). Zu diesen
bewährten Maschinen zählen neben der
PM 200-2R, SVV 100 nun auch die AHM
800 R und die RPM 2002, die neben der
hochwertigen Planumsverbesserung auch
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Abb. 15: Spritzstelle
noch kostenreduzierendes Schotterrecycling
erlauben.
Die mechanisierte Unterbausanierung mit
Großmaschinen wird in Europa schon seit
mehr als 15 Jahren erfolgreich angewendet.
Die Vorteile des gleisgebundenen Einbaus
von Planumsschutzschichten (PSS), mit
Planumsverbesserungsmaschinen gegenüber
den gleislosen Verfahren sind:
• die Witterungseinflüsse während der
Bauarbeiten sind gering,
• das Erdplanum und die PSS werden sehr
homogen eingebaut und werden nicht
durch Erdbaugeräte oder Lkw belastet
und beschädigt,
• Sanierungsarbeiten können auch in
Sperrpausen durchgeführt werden, die
Verfahren weisen eine sehr hohe Arbeitsgeschwindigkeit
auf,
• Verfahren, die Recyclingmethoden einschließen,
sind auf Grund der reduzierten
Transport-, Material- und Entsorgungskosten
sehr wirtschaftlich,
• Arbeits- und Materialtransporte erfolgen
auf dem Gleis, damit kann auch in städtischem
Gebiet und in Bereichen mit erschwerter
Zufahrt und Zugänglichkeit
gearbeitet werden und
• es muss kein aufwendiger Gleislängsverbau
zur Sicherung des Betriebsgleises errichtet
werden.
Zusammenfassung
Die in diesem Artikel beschriebenen Ansätze
einer systematischen Gleisinstandhaltung
stellen nur einen Auszug der vielfältigen
Arbeiten am Fahrweg der Eisenbahnen
dar. Durch den Einsatz modernster Instandhaltungstechnik
werden den Forderungen
des modernen Zugbetriebes Rechnung getragen
und so das bewährte System Gleis
in gutem Zustand gehalten.
Abb. 16:
Oben:
Radargramm einer
konventionellen
Sanierung und
unsanierten Weiche;
Unten: Radargramm
mit gleisgebundener
Sanierung
(AHM800R)
Literatur
[1] Lichtberger, B.: Handbuch Gleis; Tetzlaff Verlag,
Hamburg 2004, 2. Auflage
[2] Lichtberger, B.: Vortrag „Das System Gleis und
seine Instandhaltung“, iaf Münster 2006
[3] Fischer, J.: Einfluss von Frequenz und Amplitude
auf die Stabilisierung von Oberbauschotter, Dissertation,
TU Graz, Juni 1983
[4] Schubert, E.: Die räumliche Wirkung der Verdichtung
des Gleisschotters, ETR Eisenbahntechnische
Rundschau (37) 1/1988, S. 71-74
[5] Laousek, J.; Magel, E.: The „Magic“ Wear Rate,
Railway Track & Structures, March 1997
Summary / Résumé
The track as system and its
maintenance
Over the last few decades, the railway track as
system has been refined and perfected in particular
as regards maintenance requirements. In
the process, as this article illustrates, a wealth of
experience has been gained as regards the necessary
tasks, the optimisation of the track as
system, and the eradication of sources of error
in tracklaying and maintenance.
Le système « voie » et son
entretien
Le système « voie » a été développé au cours des
dernières décennies et perfectionné, en particulier
en ce qui concerne l’entretien nécessaire. Il en
résulte, comme l’article le montre, de nombreuses
valeurs issues de l’expérience et relatives aux
tâches ainsi qu’à l’optimisation du système « voie
» et à la suppression des sources d’erreurs lors de
la construction et de l’entretien de la voie.
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