Gleisarbeiten

Gleisarbeiten: Je schneller sie beendet werden können, desto besser für die Stadt.

Im öffentlichen Stadtverkehr ist der Austausch von Straßenbahnschienen sehr zeit- und kostenintensiv Im öffentlichen Stadtverkehr ist der Austausch von Straßenbahnschienen sehr zeit- und kostenintensiv.

Gleisarbeiten

Gleisarbeiten: Je schneller sie beendet werden können, desto besser für die Stadt.

Daher werden die Schienen in regelmäßigen Abständen instandgesetzt. Den Hauptbestandteil der dabei auszuführenden Arbeiten bildet das Schienenschleifen. Damit lassen sich typische Schienenfehler wie Ermüdungsrisse, Riffel, Schleuderstellen und Eindrückungen beseitigen und gleichzeitig anforderungsgerechte Oberflächen herstellen. Beim Schienenschleifen geht es darum, folgende Ziele zu erreichen:

  • Hohe Produktivität der Instandhaltungsarbeiten, um Störungen im Straßenbahnbetrieb zu vermeiden;
  • Hohe Qualität der Bearbeitung zur Gewährleistung von hohem Fahrkomfort und geringer Lärmemissionen;
  • Geringe Schädigung der Schiene zur Steigerung der Liegedauer und des Intervalls bis zur nächsten Reparatur.

Die Fachliteratur bietet zur Erreichung dieser Ziele und den dazu geeigneten Werkzeugen keine umfassenden Konzepte an. Deshalb erfolgt deren Auswahl in der Praxis meist nach lokalen Gegebenheiten. Die dann genutzten Mittel sind jedoch oft nur begrenzt geeignet.

Üblich ist weiterhin die Veränderung der Prozessparameter während der Bearbeitung, um so die Abtrennrate zu steigern. Dies führt allerdings dann zu nicht einheitlichen Reparaturergebnissen sowie Schwankungen der Oberflächenqualität und Randzonenbeschaffenheit innerhalb einer reparierten Schienenstrecke.

In diesem Zusammenhang eröffnet sich ein weites Feld für systematische Untersuchungen von Auswirkungen unterschiedlicher Schienenschleifprozesse auf die Qualität der Bearbei-tung sowie die erzeugte thermische Randzonenbeeinflussung. Darauf aufbauend lassen sich dann die Schienenschleifprozesse hin zu höheren Maß- und Formgenauigkeiten sowie einer geringen thermischen Randzonenbeeinflussung optimieren. Dabei ist allerdings auch eine möglichst hohe Produktivität der Bearbeitung beizubehalten.

Im Produktionstechnischen Zentrum Berlin (PTZ) wurde ein Versuchsstand zu Schienenschleifen im Laborbetrieb aufgebaut. Dort erfolgten die experimentelle Untersuchung mehrerer herkömmlicher Schienenschleifprozesse und ihre Bewertung hinsichtlich der Reparaturanforderungen. Diese Arbeiten wurden im Rahmen eines von der Europäischen Union durch das EFRE-Programm geförderten Teilprojektes des Fraunhofer-Innovationsclusters „Maintenance, Repair and Overhaul in Energie und Verkehr“ ausgeführt.

Schienenschleifen

Schienenschleifen vor Ort: Optimale Prozesse bieten hohe Schleifqualität bei schädigungsarmer Bearbeitung und damit langen Liegezeiten.

Die Bearbeitung von 10 m Schienenstrecke in 10 Minuten

Als repräsentativer Reparaturfall wurde das Schleifen von Straßenbahnschienen der Berliner Verkehrsbetriebe ausgewählt. Als Grundlage für die Anforderungen wird angenommen, dass eine Schienenstrecke mit einer Länge von l = 10 m innerhalb von Zeit t = 10 Min repariert werden muss. Hinsichtlich der Oberflächengüte sollte der aus der Normung stammende Zielkennwert Rz < 25 µm nicht überschritten werden. Zur Qualifizierung der Schädigung in der Randzone wurde die Messung des Barkhausenrauschens gewählt. Mit Erhöhung der Härte und somit Zunahme thermischer Randzonenbeeinflussung sinkt der Wert des Barkhausenrauschens. Diese Tatsache bestätigte sich während der Voruntersuchungen am Produktionstechnischen Zentrum Berlin (PTZ). Das Barkhausenrauschen wurde dabei in Form der maximalen Amplitude Mmax gemessen. Aus vorangegangenen Arbeiten zum Schienenschleifen am PTZ war bereits bekannt, dass der Werkzeugverschleiß beim Schienenschleifen vernachlässigbar gering ist. Zudem ließen sich die angeforderten Werte der Geradheit und Ebenheit H = ± 0,5 mm stets sicher erfüllen. Daher wurden diese Kenngrößen bei den weiteren Untersuchungen nicht weiter betrachtet. Die Festlegung der Prozessparameter erfolgte, vom geforderten Zielwert der Produktivität QW = 5 mm3/mms ausgehend, folgendermaßen:

  • Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeit vs= 35 und 50 m/s
  • Schleifscheibenvorschubgeschwindigkeit vf = 10; 12,5 und 15 m/min
  • Schleifwerkzeugzustellung ae = 0,03; 0,06 und 0,09 mm

In den Schleifversuchen erfolgte eine vollfaktorielle Variation dieser Parameter, woraus sich insgesamt 18 Kombinationen ergaben.

Der Versuchsstand

Werkstücke und Messgeräte
Als Werkstücke werden Vignolschienen der Spezifikation S49 aus einem Kohlenstoff-Mangan-Stahl R260 mit einer Länge von l = 140 mm eingesetzt. Die Bearbeitung erfolgt an Schienenstegen. Damit entspricht die Eingriffsbreite der Breite des Schienensteges. Sie beträgt ap = 15 mm.
Die Werkzeuge sind grobkörnige kunstharzgebundene Schmelzkorundschleifscheiben der Spezifikation 1A16B5. Der Versuchsstand zum Schienenschleifen im Trockenbearbeitungsmodus wurde an einer Plan- und Profilschleifmaschine vom Typ Profimat 408 der Firma BLOHM JUNG GMBH aufgebaut. Dabei erfolgte eine zusätzliche Absicherung gegen Funkenflug des Innenraums der Maschine. Zur Online-Messung der Zerspankräfte diente eine Kraftmessplattform vom Typ 9752B der Firma Kistler Instrumente AG, Die Erfassung der Oberflächenrauheit erfolgte mit einem taktilen Rauheitsmessgerät vom Typ T1000 der Firma Hommel GmbH. Zur Messung thermischer Randzonenbeeinflussung wurde ein Gerät 3MAII des Fraunhofer IZPF eingesetzt.

Zunächst wurde der Einfluss von Vorschubgeschwindigkeit vf und Werkzeugzustellung ae auf die Bearbeitungsergebnisse bei konstanter Umfangsgeschwindigkeit vs = 35 m/s analysiert. Eine Oberflächengüte Rz < 25 µm ließ sich bei jeder Parameterkombination erzielen. Die Steigerung der Werkzeugzustellung führte zur Erhöhung der Oberflächenrauheit Rz. Mit Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit vf nimmt die erzeugte Oberflächenrauheit Rz, in Einzelfällen um bis zu 30 %, zu.

Bei der Steigerung der Zustellung ae ist unabhängig von der Vorschubgeschwindigkeit vf die Zunahme thermischer Randzonenbeeinflussung festzustellen, da der Wert Mmax sinkt. Dies ist auf größere spezifische Schleiftangentialkräfte zurückzuführen, welche zum Anstieg der kontaktbezogenen Schleifenergie führen. Mit Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit vf nimmt die thermische Randzonenbeeinflussung ab. Dies ergibt sich aus der Senkung der kontaktbezogenen Schleifenergie.

Forschungsprojekt

Erfahrungen für Berlin: Die im Forschungsprojekt bearbeiteten Schienen stellten die Berliner Verkehrsbetriebe AöR zur Verfügung.

Einflussreichstes Kriterium ist die Werkzeugzustellung

Im nächsten Schritt wurde der Einfluss von Vorschubgeschwindigkeit vf und Werkzeugzustellung ae auf die Bearbeitungsergebnisse bei konstanter Umfangsgeschwindigkeit vs = 50 m/s untersucht. Das Zielkriterium für die Oberflächenrauheit Rz < 25 µm, wurde bei allen Prozessen erfüllt. Es zeigte sich, dass die Steigerung der Werkzeugzustellung die Oberflächenrauheit sich negativ auswirkt; in einzelnen Fällen lag die Verschlechterung bei 40 %. Die Veränderung der Vorschubgeschwindigkeit vf beeinflusst die erzielte Oberflächengüte nicht erheblich.

Bei Steigerung der Zustellung ae ist eine höhere thermische Randzonenbeeinflussung erkennbar. Insbesondere beim Übergang von ae = 0,03 mm zu ae = 0,06 mm sind eindeutige Unterschiede in den erzielten Randzonen unabhängig von der Vorschubgeschwindigkeit vf feststellbar. Die Härte nimmt dabei um 15 - 50 % zu. Der Grund dafür sind höhere bezogene Tangentialkräfte, welche zu einer höheren kontaktbezogenen Schleifenergie führen. Es wurde auch festgestellt, dass die Steigerung der Vorschubgeschwindigkeit vf ausschließlich bei der Werkzeugzustellung ae = 0,03 mm einen signifikanten Einfluss auf die Randzonenbeschaffenheit hat. Die Härte der Randzone nimmt dabei kontinuierlich ab, was durch die Senkung kontaktflächenbezogener Energie erklärt werden kann.

Des Weiteren konnten folgende Aussagen über den Einfluss der Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeit vs auf die Bearbeitungsergebnisse gemacht werden:

  • Reduktion der mittleren größten Höhe des Profils Rz um durchschnittlich 25 % bei vs = 50 m/s gegenüber vs = 35 m/s. Grund dafür sind kleinere Einzelspanungsdicken der Schleifkörner
  • Zunahme der Härte der Randzone bei vs = 50 m/s im Vergleich zu vs = 35 m/s. Dies kann durch eine deutliche Steigerung des Energieeintrages erklärt werden.

Die Untersuchungen haben gezeigt, dass anforderungsgerechte Oberflächengüten mit herkömmlichen Schienenschleifprozessen erzielbar sind. Bei der Variation der Schleifparameter unterschiedlich werden zudem stark thermisch beeinflusste Randzonen erzeugt. Veränderungen der Prozessparameter im Betrieb würden aus diesem Grund zu einer inhomogenen Schienenbeschaffenheit und schlechten Einsatzeigenschaften führen. Es sollte daher immer Bearbeitung mit konstanten Prozessparametern bevorzugt werden.

Die Auswirkung unterschiedlicher thermischer Randzonenbeeinflussung, etwa die Zunahme der Härte auf das nachfolgende Schieneneinsatzverhalten, ist nahezu unbekannt. Im Rahmen weiterer Arbeiten am PTZ sind Wirkzusammenhänge zwischen den erzielten Randzonen und der nachfolgenden Liegedauer solcher Schienen zu analysieren. Darauf aufbauend soll im Anschluss die Entwicklung und Optimierung innovativer Schienenschleifprozesse stattfinden. Diese müssen dann die erwünschte Schleifqualität bei schädigungsarmer Bearbeitung gewährleisten.

Prof. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann, Pavlo Lypovka

Kontakt:
Technische Universität Berlin
Institut Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF)
Tel.: 030 314 24960
Email: lypovka@iwf.tu-berlin.de
www.iwf.tu-berlin.de