Kim Sarah Pollak - Überwachungsgemeinschaft Gleisbau e.V.

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Bachelorarbeit zum Thema
Life Cycle Cost am Beispiel von Fahrschienen in
hochbelasteten Bereichen der Hamburger Hochbahn
Vorgelegt von:
Matrikelnummer:
Kim Sarah Pollak
2985154
Erstprüfer:
Zweitprüfer:
Prof. Dr.-Ing. Th. Siefer
Prof. Dr.-Ing. J. Pachl
Betreuer:
Dipl.-Ing. C. Jacob (IVE)
Dipl.-Ing. W. Gaulrapp (Hamburger Hochbahn)
Tag der Ausgabe:
Tag der Abgabe:
14.09.2011
28.12.2011
1
Eidesstattliche Erklärung
Ich erkläre hiermit an Eides statt, dass ich die vorliegende Bachelorarbeit selbstständig angefertigt und
die benutzen Hilfsmittel sowie die befragten Personen und Institutionen vollständig angegeben habe.
Braunschweig, den
……………………………………..
(Unterschrift)
II
III
1
Inhaltsverzeichnis
ABBILDUNGSVERZEICHNIS ............................................................................................ V
TABELLENVERZEICHNIS ................................................................................................ VI
ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS ........................................................................................ VII
1
EINLEITUNG ................................................................................................................... 1
1.1
Motivation und Ziele................................................................................................................................ 1
1.2
Gliederung der Arbeit ............................................................................................................................. 1
2
DIE HAMBURGER HOCHBAHN ................................................................................. 3
3
SCHIENEN ........................................................................................................................ 5
3.1
Allgemeines und Aufgaben...................................................................................................................... 5
3.2
Schienenherstellung ................................................................................................................................. 5
3.3
Schienenfehler .......................................................................................................................................... 6
3.3.1 Belgrospis .............................................................................................................................................. 7
3.3.2 Eindrückungen ....................................................................................................................................... 7
3.3.3 Fahrkantenschäden ................................................................................................................................ 8
3.3.4 Head Checks .......................................................................................................................................... 8
3.3.5 Kurze Wellen ......................................................................................................................................... 9
3.3.6 Lange Wellen....................................................................................................................................... 10
3.3.7 Riffel .................................................................................................................................................... 10
3.3.8 Schleuderstellen ................................................................................................................................... 11
3.3.9 Shelling ................................................................................................................................................ 12
3.3.10
Squats .............................................................................................................................................. 12
3.3.11
Walzfehler ....................................................................................................................................... 13
3.4
Die kopfgehärtete Schiene ..................................................................................................................... 13
3.4.1 Herstellungsverfahren .......................................................................................................................... 14
3.5
Schienenfehlerbeseitigung ..................................................................................................................... 14
3.5.1 Verschiedene Verfahren ...................................................................................................................... 14
3.5.2 Vorgehen bei der Hamburger Hochbahn ............................................................................................. 18
3.5.3 Beschreibung des Einsatzes eines Fremdschleifzuges ......................................................................... 19
3.6
Einsatz von kopfgehärteten Schienen bei der Hamburger Hochbahn .............................................. 22
3.6.1 Einsatzbereiche .................................................................................................................................... 22
3.6.2
Vor- und Nachteile ............................................................................................................................. 23
3.6.3
Vergleich mit normal vergüteter Schiene ........................................................................................... 23
II
4 BESCHREIBUNG DER AUSGEWÄHLTEN STRECKENABSCHNITTE BEI
DER HAMBURGER HOCHBAHN ..................................................................................... 25
4.1
Streckenabschnitt Barmbek .................................................................................................................. 25
4.2
Streckenabschnitt Mundsburg.............................................................................................................. 26
4.3
Streckenabschnitt Rathaus – Rödingsmarkt ....................................................................................... 27
4.4
Streckenabschnitt Landungsbrücken................................................................................................... 28
4.5
Streckenabschnitt Klosterstern ............................................................................................................ 29
4.6
Streckenabschnitt Meßberg .................................................................................................................. 30
5
ABHÄNGIGKEIT VON SCHIENENFEHLERN UND BELASTUNGEN .............. 31
5.1
Abhängigkeit vom Radius ..................................................................................................................... 31
5.2
Abhängigkeit von der Zugbelastung .................................................................................................... 32
5.3
Abhängigkeit von der Rad-Schiene-Geometrie ................................................................................... 33
5.4
Abhängigkeit von der Steigung ............................................................................................................. 35
5.5
Abhängigkeit von der Radsatzlast ........................................................................................................ 35
5.6
Abhängigkeit von Steigung, Zugfrequenz und –belastung sowie Radius.......................................... 35
6
LIFE CYCLE COSTING ............................................................................................... 36
6.1
Grundlagen und Ziele ............................................................................................................................ 36
6.2
Vorgehen ................................................................................................................................................. 37
6.3
Rahmenbedingungen ............................................................................................................................. 37
6.4
Berechnungsgrundlagen ........................................................................................................................ 38
6.5
Berechnung der LCC von Schienen in ausgewählten Abschnitten.................................................... 42
6.5.1 Barmbek .............................................................................................................................................. 43
6.5.2 Mundsburg........................................................................................................................................... 43
6.5.3 Rathaus – Rödingsmarkt ...................................................................................................................... 44
6.5.4 Landungsbrücken ................................................................................................................................ 46
6.5.5 Klosterstern.......................................................................................................................................... 48
6.5.6 Meßberg............................................................................................................................................... 49
7
EMPFEHLUNG FÜR DIE WAHL VON SCHIENEN ............................................... 50
7.1
Beeinflussende Faktoren ....................................................................................................................... 50
7.2
WAHL DER SCHIENE IN BETRACHTETEN ABSCHNITTEN ........................ 51
III
8
FAZIT .............................................................................................................................. 53
LITERATURVERZEICHNIS .............................................................................................. 54
ANHANG ................................................................................................................................ 60
IV
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: U/S/A/R-Plan der Hamburger Hochbahn [65]…………………………………………..4
Abbildung 2: LD-Konverter [34] ............................................................................................................ 6
Abbildung 3: Belgrospis (Rissnester) [41] .............................................................................................. 7
Abbildung 4: Kugeleindrückung [41] ..................................................................................................... 8
Abbildung 5: Grat an der Fahrkante einer eingleisigen Strecke [43] ...................................................... 8
Abbildung 6: Head Checks...................................................................................................................... 9
Abbildung 7: Schlupfwellen [43] .......................................................................................................... 10
Abbildung 8: Lange Wellen zwischen Dehnhaide und Barmbek.......................................................... 10
Abbildung 9: Rissnetz einer stark verriffelten Schiene [43] ................................................................. 11
Abbildung 10: Verriffelung [41] ........................................................................................................... 11
Abbildung 11: Schleuderstelle, durch durchdrehende Achse einer E-Lok verursacht [44] .................. 12
Abbildung 12: Shelling [42] .................................................................................................................. 12
Abbildung 13: Squats [17] .................................................................................................................... 13
Abbildung 14: gehärteter Schienenkopf [45] ........................................................................................ 14
Abbildung 15: Arbeitsprinzip High-Speed-Grinding [13] .................................................................... 17
Abbildung 16: LB6 und SB3 [27] ......................................................................................................... 18
Abbildung 17: Erstes Munster der Fräsmaschine [29] .......................................................................... 19
Abbildung 18: Kontrollpunkt 7; rechts vor dem Schleifen; links nach dem Schleifen [63] ................. 21
Abbildung 19: Zusammenhang zwischen Festigkeit und Zähigkeit der Normalschienenstähle [6] ..... 24
Abbildung 20: Schiene zwischen Barmbek und B`Dehnhaide ............................................................. 26
Abbildung 21: Schiene zwischen Mundsburg und Uhlandstraße .......................................................... 27
Abbildung 22: Schiene vor der Hst. Rödingsmarkt............................................................................... 28
Abbildung 23: Schleuderstellen auf Schiene zwischen Rathaus und Rödingsmarkt ............................ 28
Abbildung 24: Schiene zwischen Landungsbrücken uns St. Pauli ........................................................ 29
Abbildung 25: Schiene zwischen Klosterstern und Kellinghusenstraße ............................................... 30
Abbildung 26: Schiene zwischen Meßberg und Jungfernstieg ............................................................. 30
Abbildung 27: Auftreten von Schienenfehlern in Abhängigkeit vom Radius [10] ............................... 32
Abbildung 28: Zwei-Punkt-Berührung im Bogen [54] ......................................................................... 34
Abbildung 29: Rad-Schiene-Querschnitt bei der Hochbahn [56] ......................................................... 34
Abbildung 30: Lebenszyklusphasen eines Produktes [40] .................................................................... 36
Abbildung 31: Errechnung von Lebenszykluskosten [35] .................................................................... 37
V
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Auszug aus der Liste der Kontrollpunkte für das Schienenschleifen RD-RA [33] .............. 21
Tabelle 2: Kosten der Fremdschleifarbeiten [30] .................................................................................. 21
Tabelle 3: Schleifkosten pro Meter; abhängig von der Schädigung [30] .............................................. 22
Tabelle 4: Vergleich von R260- und R350HT-Schienen ...................................................................... 24
Tabelle 5: Schienenfehler bei R ≤ 100 m .............................................................................................. 31
Tabelle 6: Schienenfehler bei 100 m ≤ R 2≤ 00 m ................................................................................ 31
Tabelle 7: Schienfehler bei 200 m ≤ R ≤ 300m..................................................................................... 31
Tabelle 8: Zugbelastung bei der U1 ...................................................................................................... 33
Tabelle 9: Zugbelastung bei der U3 ...................................................................................................... 33
Tabelle 10: Durchschnittlicher Verschleiß bei HSH-Schienen; 1 Jahr nach Einbau............................. 39
Tabelle 11: Durchschnittlicher Verschleiß bei HSH-Schienen in den ersten 2 Jahren nach Einbau..... 40
Tabelle 12: LCC für R260-Schienen ..................................................................................................... 41
Tabelle 13: LCC für R350HT-Schienen................................................................................................ 42
Tabelle 14: Vergleich LCC von R260 und R350HT, Bogen A 77,3 Barmbek ..................................... 43
Tabelle 15: Vergleich LCC von R260 und R350HT, Bogen A 77,1 Barmbek ..................................... 43
Tabelle 16: Vergleich LCC von R260 und R350HT, Bogen A 67,1 Mundsburg ................................. 44
Tabelle 17: Vergleich LCC von R260 und R350HT, Bogen A 67,2 Mundsburg ................................. 44
Tabelle 18: Vergleich LCC von R260 und R350HT, Bogen A 39,1 RA-RD ....................................... 45
Tabelle 26: Vergleich LCC von R260 und R350HT, Bogen A 25,1 Landungsbrücken ....................... 47
Tabelle 30: Vergleich LCC von R260 und R350HT, Bogen C 70,1 Klosterstern ................................ 48
Tabelle 31: Vergleich LCC von R260 und R350HT, Bogen C 70,21 Klosterstern .............................. 48
Tabelle 32: Vergleich LCC von R260 und R350HT, Bogen C 70,22 Klosterstern .............................. 48
Tabelle 33: Vergleich LCC von R260 und R350HT, Bogen C 202,1 Meßberg ................................... 49
Tabelle 34: Vergleich LCC von R260 und R350HT, Bogen C 202,2 Meßberg ................................... 49
Tabelle 35: Empfehlung der Schienengüte für Barmbek, Mundsburg und Rathaus - Rödingsmarkt ... 51
Tabelle 36: Empfehlung der Schienengüte für Landungsbrücken, Klosterstern und Meßberg ............ 52
VI
Abkürzungsverzeichnis
BA
DB
DE
HBW
HSH (-Schienen)
HV
KE
KR
LA
LCC
MB
MU
PA
RA
RD
UH
Barmbek
Deutsche Bahn
Dehnhaide
Härtewert nach Brinell
Head Special Hardened
Vickershärte
Kellinghusenstraße
Klosterstern
Landungsbrücken
Life Cycle Costs ( Lebenszykluskosten)
Meßberg
Mundsburg
St.Pauli
Rathaus
Rödingsmarkt
Uhlandstraße
VII
1
1
Einleitung
1.1
Motivation und Ziele
Im Netz der Hamburger Hochbahn wurden an den Fahrschienen über die Jahre Verschleiß und
Schienenfehler registriert. Diese führen je nach Stärke und Fortschritt zu einer Verkürzung der
Liegedauer. Besonders hohe Belastungen und eine damit verbundene Fehleranfälligkeit treten vor allem
auf Streckenabschnitten mit großen Steigungen und engen Radien auf. Der erhöhte Verschleiß von
Schienen in engen Radien entsteht durch erhöhte Querkräfte und anlaufende Spurkränze. Die
Hamburger Hochbahn definiert hochbelastete Strecken mit einem Radius kleiner gleich 300 m und gibt
die maximale Streckenbelastung im Innenstadtbereich der Linien U1 und U2 mit etwa
11,5 Mio. Bruttolasttonnen/a und der U3 mit knapp 9 Mio. Bruttolasttonnen/a an. Aufgrund baulicher
Zwangspunkte in der Innenstadt lassen sich aber vor allem enge Radien bei der Trassierung der U-Bahn
kaum vermeiden, sodass die Hamburger Hochbahn den erhöhten Belastungen in diesen Bereichen
durch schienentechnische Maßnahmen entgegentritt. Somit werden seit 1999 bei einem Radius kleiner
gleich 300 m auf beiden Strängen die kopfgehärtete S49-Schienen eingebaut. Jedoch wurden zum
Beispiel auf der stark belasteten Strecke Rödingsmarkt – Rathaus auch an der kopfgehärteten Schiene
Fahrschienenschäden ausgemacht und es kam zu vermehrten Lärmbeschwerden seitens der Anwohner.
Durch diese unerwarteten Negativeffekte ergaben sich bei der Hamburger Hochbahn Fragen bezüglich
der Vorteile von kopfgehärteten Schienen gegenüber herkömmlichen Schienen in hochbelasteten
Bereichen.
Aufgrund der ständigen Kooperation zwischen der Hamburger Hochbahn und dem IVE ergab sich
daraus das Thema dieser Bachelorarbeit „Life Cycle Cost am Beispiel von Fahrschienen in
hochbelasteten Bereichen der Hamburger Hochbahn“.
In der Arbeit sollen die Ursachen für die hohen Belastungen und die daraus resultierenden
Schienenschäden ermittelt werden. Besonderes Augenmerk wird dabei auf mit kopfgehärteten Schienen
versehene Strecken gelegt. Zu untersuchen ist dabei, warum auch die kopfgehärtete Schiene oft
Schädigungen aufweist, woher diese Fahrschienenschäden stammen und ob diese Schienen über den
Lebenszyklus beständiger und kostengünstiger sind. Für diese Untersuchungen werden in Absprache
mit der Hochbahn sechs stark belastete Streckenabschnitte (Barmbek, Klosterstern, Rödingsmarkt) im
Netz ausgewählt, besucht, dokumentiert und verglichen. In der Nachbearbeitung der Besuche sollen die
Einflüsse der verschiedenen Belastungen einzeln und in sinnvollen Kombinationen von mehreren
Belastungen auf die Schienenschäden und Liegedauer bezogen werden.
Ausgehend von Streckeneigenschaften, örtlichen Besonderheiten und dem Kostenaspekt werden für die
ausgewählten Abschnitte abschließend die Lebenszykluskosten der Schienen berechnet und eine
Empfehlung zur Wahl der Schienengüte gegeben werden.
1.2
Gliederung der Arbeit
Zum Einstieg in die Arbeit wird die Hamburger Hochbahn beschrieben, durch die das Thema „Life
Cycle Cost am Beispiel von Fahrschienen in hochbelasteten Bereichen der Hamburger Hochbahn“
initiiert wurde. Dabei kommt es zu einer Vorstellung des Unternehmens im Allgemeinen, sowie zur
Beschreibung des Nahverkehrsangebotes durch Bus und U-Bahn.
Anschließend wird in dem folgenden Kapitel auf die Schienen und deren Aufgaben, die Herstellung
und die einzelnen Schienenfehler eingegangen. Es folgt eine kurze Vorstellung der kopfgehärteten
Schiene, sowie mehrere Verfahren zur Beseitigung von Schienenfehlern. Dabei wird unter anderem
1
beschrieben, wie die Hamburger Hochbahn Schienenfehler beseitigt, und wo die Einsatzbereiche sowie
die Vor- und Nachteile von kopfgehärteten Schienen bei der Hochbahn liegen. Um die Effizienz der
kopfgehärteten Schiene zu überprüfen, wird diese hinsichtlich ihrer Schienenschäden, Kosten und der
Liegedauer mit der normalen S49-Schiene verglichen. Der Vergleich der normal vergüteten Schiene mit
der kopfgehärteten dient der folgenden Empfehlung für die Schienenwahl in besonders belasteten
Gleisabschnitten im Netz der Hamburger U-Bahn.
Im nächsten Kapitel werden die Streckenabschnitte, die zusammen mit der Hochbahn ausgewählt und
besichtigt wurden, beschrieben und die dort auftretenden Schienenfehler aufgezeigt. Mittels
Fotographien der einzelnen Abschnitte soll das Schadensbild visuell verdeutlicht werden.
Basierend auf diesen Beobachtungen werden im folgenden Abschnitt Abhängigkeiten von
verschiedenen Belastungen, die die Liegedauer der Fahrschienen negativ beeinflussen, und den
auftretenden Schienenschäden ermittelt. Dafür werden Streckeneigenschaften wie enge Radien, hohe
Belastung durch Züge, Steigung und unterschiedliche Rad-Schiene-Geometrie untersucht.
Zur Bestimmung der Lebenszykluskosten der einzelnen Streckenabschnitte werden im nachfolgenden
Kapitel allgemeine Grundlagen, Ziele und die Vorgehensweise bei der LCC-Analyse aufgeführt.
Anschließend kommt es zu einer Festlegung der Rahmenbedingungen bei der Hochbahn und
Berechnungsgrundlagen werden aufgestellt. Mit Hilfe dieser Daten können nun die LCC für die
einzelnen Bögen der Gleisabschnitte sowohl für kopfgehärtete, als auch für normal vergütete Schienen
berechnet werden.
Durch diese Berechnungen und aufgrund der Abhängigkeit von Schienenschäden sowie verschiedener
Belastungen erfolgt eine Empfehlung für die Wahl der Schiene in den betrachteten Abschnitten.
In dem abschließenden Fazit werden die Ergebnisse der Arbeit zusammengefasst und in einem
Ausblick wird aufgezeigt wo weiterer Forschungs- und Datenbedarf besteht.
2
2
Die Hamburger Hochbahn
Die Hochbahn stellt mit Bussen und U-Bahnen ein hochwertiges und wettbewerbsfähiges Angebot im
öffentlichen Personennahverkehr der Hansestadt Hamburg. Pro Jahr nutzen 413,8 Millionen Fahrgäste
das Mobilitätsangebot der Hochbahn und leisten damit einen erheblichen Beitrag zum Umweltschutz.
Die U-Bahn transportiert auf ihrem Schienennetz, mit einer Spurweite von 1435 mm (Normalspur)
und einer Länge von 100,7 km [13], jährlich 205,9 Millionen Personen, die die drei Linien U1, U2 und
U3 nutzen. Daraus ergeben sich 1.227,7 Millionen Personen-Kilometer. Es werden mit insgesamt 749
Wagen 89 Haltestellen im U-Bahnnetz mit einer durchschnittlichen Reisegeschwindigkeit von
33,0 km/h angefahren. Im U-Bahnnetz ergeben sich 84.239 Nutz-Wagen-Kilometer. Aktuell werden
Wagen der Fahrzeugtypen DT3 und DT4-DT eingesetzt. Bereits 70 % der U-Bahn-Wagen im
Fahrgastbetrieb sind mit dem modernen DT4-Wagen ausgestattet. Der ältere Fahrzeugtyp DT2 wird
lediglich zur Unterstützung bei erhöhten Fahrgastaufkommen, wie zum Beispiel Großveranstaltungen,
eingesetzt. Im Sommer 2012 soll der neue U-Bahn-Fahrzeugtyp DT5 eingesetzt werden. Er zeichnet
sich durch besonderen Komfort und neuste ökologische und sicherheitsrelevante Standards aus.
Die Busflotte der Hochbahn befördert pro Jahr 207,9 Millionen Fahrgäste, denen 113 Linien zur
Verfügung stehen. Die Transportleistung liegt hier bei 645,8 Millionen Personen-Kilometern. Im
Busnetz werden mit 707 Bussen 1.315 Haltestellen angefahren. Diese Flotte besteht aus 196
Gelenkbussen, 26 Doppelgelenkbussen, 482 Schnell- und Stadtbussen, zwei Kleinbussen/Großtaxen
und einem Reisebus. Sie legt pro Tag im Stadtverkehr 120.000 Kilometer zurück und zeichnet sich
durch zum größten Teil klimatisierte und niederflurige Fahrzeuge aus. Seit August 2011 sind
Brennstoffzellenhybridbusse Teil der Flotte. Vorteile dieser Technologie, bei der emissionsfreie
Brennstoffzellen mit moderner Energiespeicherung kombiniert werden, äußern sich dadurch, dass
keine Schadstoffe ausgestoßen werden und die Fahrzeuge sehr geräuscharm sind.
Diese Flotte erreicht in einem Busnetz mit einer Länge von 906,4 Kilometer [13] 47.021 Nutz-WagenKilometer. Die durchschnittliche Reisegeschwindigkeit beträgt 19,3 km/h.
Die Hamburger Hochbahn hat ihren Sitz in Hamburg und wird als Unternehmen nach
privatwirtschaftlichen Grundsätzen organisiert und geführt. „Mit über 4400 qualifizierten
Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern und zirka einer Millionen Fahrgästen täglich ist sie das zweitgrößte
Nahverkehrsunternehmen Deutschlands.“[14] Eigentümer des Verkehrsunternehmens ist die Freie und
Hansestadt Hamburg und der Vorstand wird von Dipl.-Kfm. Günter Elster (Vorsitzender), Dipl.-Kffr.
Ulrike Riedel und Dipl.-Ing. Ulrich Sieg gebildet [13]. [14]
Die Gründung der Hamburger Hochbahn AG erfolgte am 27.05.1911 durch das Konsortium zwischen
Siemens & Halske und AEG [13], nachdem 1906 der erste Spatenstich erfolgte und Bauarbeiten am
Ring begonnen. Mit dem ersten Teilstück der Ringlinie zwischen Rathaus und Barmbek hatte
Hamburg nach nur sechs Jahren Bauzeit seine erste U-Bahn. Der Ausbau des U-Bahn-Netzes wurde
stetig ausgeweitet und ab 1919 übernahm die Hochbahn nach und nach alle anderen Betreiber
öffentlicher Verkehrsmittel. 1921 erweiterte die Hamburger Hochbahn ihr Angebot mit der ersten
Buslinie zwischen den Haltstellen Landwehr und Schlump. Als direkte Verbindung zwischen
Jungfernstieg und Kellinghusenstraße wurde nach schwierigen Bauarbeiten die Kell-Jung-Linie 1934
eingeweiht. Da während des Zweiten Weltkrieges ein Großteil der Betriebsanlagen und –mittel
zerstört worden waren, wurden diese bis 1950 wieder aufgebaut. Bis 1973 verbesserte die Hochbahn
ihr Angebot stetig durch Innovationen und Modernität. Da die Straßenbahn von vielen
Verkehrsteilnehmern, die den Individualverkehr bevorzugten, zunehmend als Hindernis gesehen
wurde, stellt die Hochbahn den Straßenbahnverkehr 1978 ein und ersetzte ihn durch Busse. Ab 1990
kamen erstmals Gelenkbusse und Niederflurbusse zum Einsatz und die U2 und die U3 wurden
3
verlängert. Als weitere Neuheit bieten seit 2003 elektronische Fahrgastinformations- und
Managementsysteme mehr Service für die Fahrgäste. 2004 kam es zum ersten Einsatz eines fast
25 Meter langen Doppelgelenkbusses. Ab 2012 soll die neue U-Bahn-Linie U4 die HafenCity und die
Innenstadt miteinander verbinden. [15]
Abb. 1 zeigt das bestehende Netz der Hochbahn.
Abbildung 1: U/S/A/R-Plan der Hamburger Hochbahn [65]
4
3
Schienen
3.1
Allgemeines und Aufgaben
Die Schiene fungiert im Rad-Schiene-System des spurgeführten Verkehrs als Fahrfläche,
Führungselement und Träger. Sie wird aus Stahl hergestellt und ist in verschiedenen Schienenformen
erhältlich. Beispiele für gebräuchliche Schienenprofile sind zum Beispiel das Vignolschienenprofil,
welches mit Kopf, Steg und Fuß die Standard-Eisenbahnschiene ist und das Rillenschienenprofil, das
meist bei Straßenbahnen eingesetzt wird [1]. Je nach Stahlsorte ergibt sich für Schienen eine Härte von
200 bis 390 HBW [2]. Durch Beanspruchungen von Quer-, Längs- und Seitenkräften sowie Schmirgeln
und Gleiten durch den Rad-Schiene-Kontakt kann es zu Verschleißerscheinungen kommen. Um diese
vorzubeugen, müssen Schienen folgende Anforderungen erfüllen:
- hoher Verschleißwiderstand,
- hoher Widerstand gegen Verquetschungen,
- hohe Ermüdungsfestigkeit,
- hohe Streckgrenze, Zugfestigkeit und Härte,
- hohe Sprödbruchfestigkeit,
- gute Schweißneigung,
- hoher Reinheitsgrad,
- gute Oberflächenbeschaffenheit,
- Ebenheit und Profiltreue und
- geringe Eigenspannungen nach der Produktion.[3]
Wird die Funktion der Schiene als Träger und Fahrbahn betrachtet, so ist es ihre Hauptaufgabe die
vertikalen Lasten der auf ihr rollenden Wagen aufzunehmen [4] und diese Lasten zu übertragen. Zudem
soll die Schiene den Fahrzeugen eine möglichst glatte Fahrbahn bieten [2]. Als führendes Element sorgt
die Schiene für die Aufnahme von Seitenkräften und eine gesicherte Spurführung [4].
Die Schiene kann ebenso als Leiter von Signal und Fahrströmen dienen. Durch die Eigenschaften des
Schienenstahls wird diese Aufgabe begünstigt [4].
3.2
Schienenherstellung
Bei der Herstellung von Schienen wird als erstes Schienenstahl erzeugt. Dieser besteht bis zu 98 % aus
Eisen. Die restlichen Bestandteile sind Kohlenstoff, Mangan, Silizium und wahlweise Chrom [2]. Um
den Verschleiß zu reduzieren, werden neben normal vergüteten Schienen auch kopfgehärtete Schienen
angeboten, welche in Kapitel 3.4 näher beschrieben werden.
Für die Erzeugung von Schienenstahl wird eisenhaltiges Gestein mit Mineralzusätzen und Koks
vermischt und mit Frischluft versetzt. Im Hochofen entsteht daraus bei 800°C Schlacke und Roheisen.
Mittels Sauerstoffaufblasverfahren wird das Roheisen im LD-Konverter (Abb. 2) auf niedrige
Schwefelgehalte reduziert. Dieses Ergebnis wird erzielt, indem reiner Sauerstoff auf das Roheisenbad
geblasen wird und gleichzeitig inerte Rührgase durch den Konverterboden hinzu gegeben werden.
Dadurch entsteht härtbarer Stahl mit maximal 1,5 % Kohlenstoff oder schmiedbares Eisen [5]. Im
Anschluss an das Sauerstoffaufblasverfahren kommt es zu einer Legierung des Stahls. Die
5
Legierungsstoffe, wie zum Beispiel Mangan und Silizium, sorgen für eine Sauerstoffabbindung
während der Nachbehandlung und begünstigen Eigenschaften wie beispielsweise eine hohe Festigkeit.
Anschließend kommt es zu einer pfannen- und sekundärmetallurgischen Nachbehandlung der
Schmelze. Diese erfolgt mit Hilfe einer RH-Umlaufentgasungsanlage, welche die Aufgaben hat
niedrige Wasserstoffgehalte zu erreichen, einen guten oxidischen Reinheitsgrad zu erzielen, eine
gleichmäßige chemische Zusammensetzung einzustellen und die Temperatur der Schmelze zu
vergleichmäßigen. Vor allem das Erreichen eines hohen oxidischen Reinheitsgrades ist wichtig, da
Aluminiumoxideinschlüsse als Ausgangspunkt für Ermüdungsfehler gelten. Aus diesem Grund wird bei
der Schienenstahlerzeugung die Zugabe von Aluminium zur Bindung von Sauerstoff vermieden. [6]
Nach der Herstellung des Schienenstahls, wird dieser in flüssigem Zustand in eine Form gegossen und
dort gelagert. Nach dem Abkühlen auf die Walztemperatur von 1250°C setzt der Walzprozess ein, bei
dem in circa 20 Walzgängen die Schienenformung erfolgt. Um Schienenlängen von mehr als 100 m zu
erreichen ist auf eine sehr genaue Temperaturführung zu achten. [6]
Während des Abkühlvorgangs verbiegen sich die Schienen, sodass diese bei etwa 50°C nachgerichtet
werden müssen. [6]
Anschließend werden durch das Rollrichten die gewünschten Eigenspannungen erreicht. [6]
Abbildung 2: LD-Konverter [34]
3.3
Schienenfehler
Schienenfehler ist nach der Definition der Oberbegriff für alle Abweichungen der Maße und
Eigenschaften einer Schiene von der Norm [2]. Diese sind laut dem Katalog der Schienenfehler des
UIC Schäden, Risse und Brüche an Schienen und ihren Verbindungsstellen [8]. Je nach Ursache werden
die Unregelmäßigkeiten eingeteilt in:
- Fehler aus der Schmelze, die durch Unregelmäßigkeiten im Schienenherstellungsprozess
entstehen (Herstellungsfehler)
- Durch das Schweißen bedingte Fehler, sowohl im Werk als auch auf der Baustelle
- Walzfehler
- Fehler durch unsachgemäße Transport- und Verlegungsarbeiten (Transportschäden,
Verlegeschäden)
- Beschädigungen durch den Fahrbetrieb und äußere Beeinträchtigungen durch Unfälle,
Witterung und Zerstörung (Verschleißschäden) [4].
6
Des Weiteren werden Schienenfehler in äußere Fehler, die visuell erkennbar sind, und in innere Fehler,
die durch eine zerstörungsfreie Prüfung erkennbar sind, eingeteilt [2].
Innere Schädigungen an Schienen können zum Beispiel durch eine Ultraschallprüfung festgestellt
werden, bei der der Schaden aus dem Reflexionsbild durch reflektierte Ultraschallwellen an der
Oberfläche sichtbar wird [6].
3.3.1 Belgrospis
Diese Art von Schienenfehlern entsteht während des Betriebs der Schiene und tritt periodisch an der
Außenschiene von Richtungsgleisen, sowie als Rissnester (Abb. 3) beziehungsweise als Rissflecken auf
der geraden Strecke auf [2]. Die Rissnester treten in einem Abstand von 20 bis 100 mm auf, haben
einen Durchmesser von 5 bis 15 mm und werden hauptsächlich bei Schienen beobachtet, die mit einer
Geschwindigkeit von mehr als 200 km/h befahren werden [6]. Belgrospis können in unterschiedlich
stark ausgeprägter Form vorkommen und hängen in ihrer Entstehung möglicherweise von vorhandenen
Riffeln ab. So befinden sich die für Belgrospis typischen Rissnester in der gleichen geometrischen
Ebene wie Riffelberge. [2]
Abbildung 3: Belgrospis (Rissnester) [41]
3.3.2 Eindrückungen
Eindrückungen entstehen auf dem horizontalen Teil der Fahrfläche und entstehen durch das Einrollen
von Fremdkörpern auf der Schiene. Durch einen Kugeleindruck wie in Abb. 4 entsteht eine runde Form.
Entsprechend dem eingedrückten Störobjekt kann die Eindrückung aber auch völlig regellos geformt
sein [2]. Grundsätzlich lassen sich Eindrückungen in periodisches oder unregelmäßiges Auftreten
einteilen.
Eine periodische Eindrückung wird durch eine mechanisch verursachte Vertiefung an der Lauffläche
hervorgerufen. Dort setzt starke Korrosion ein und durch die fortwährende Betriebsbelastung entsteht
ein flächenhafter Riss, der in einem flachen Winkel von der Fahrbahnkante weg in den Schienenstahl
hinein wächst. [6]
Unregelmäßige Eindrückungen werden auch braune Flecken genannt. Sie äußern sich anfangs als
blanke Stelle, die sich aber, bedingt durch starke Korrosion hell- bis dunkelbraun verfärbt. Braune
Flecken wachsen sehr schnell und können eine Ausdehnung von wenigen Quadratzentimetern und eine
Tiefe von bis zu 0,7 mm erreichen. [6]
7
Abbildung 4: Kugeleindrückung [41]
3.3.3 Fahrkantenschäden
Fahrkantenschäden zeigen sich wie in Abb. 5 an eingleisigen Strecken und treten nach langen
Liegedauern auf. Sie äußern sich durch Risse, die von dem sich bildenden Grat am unteren Rand der
Fahrkante in den Schienenkopf wachsen. Außerdem entstehen an der Fahrbahnkante Ausbrüche und
Verquetschungen. [9]
Abbildung 5: Grat an der Fahrkante einer eingleisigen Strecke [43]
3.3.4 Head Checks
Head Checks sind feine, schräge Risse (Abb. 6), die auf der Schienenkopfoberfläche äußerlich zu
erkennen sind [2]. Sie treten oft kontinuierlich in Abständen von 0,5 bis 10 mm auf und erreichen eine
Risstiefe von wenigen Zehntel Millimetern bis 2 mm. Head Checks liegen, auf die Schienenlängsachse
bezogen, in einem Winkel von 35 bis 70° und wachsen mit einem immer steiler werdenden Winkel zum
8
Schieneninneren hin. Diese Eigenschaft macht sie zu einem besonders beobachtungswürdigen
Schienenfehler.
Werden Schienen, bei denen Head Checks auftreten, nicht behandelt, so kann es bei weiterer Ermüdung
zu vermehrtem Wachstum und zur Vereinigung von Rissen kommen, wodurch Partikel aus der Schiene
oder der Fahrkante brechen können. [6]
Um dies zu verhindern wird die Wirbelstromprüfung eingesetzt, welche Risse auch im Frühstadium
detektiert. Bei diesem Prüfverfahren werden versetzt angeordnete Vierkanal-Wirbelstromsonden mittels
Rollen mit einem Luftspalt von 0,5 mm über die Schiene geführt. Bei einer geringeren
Wirbelstrombildung, als bei intakten Schienenabschnitten, kann auf Risse in der Schienenoberfläche
geschlossen werden [11].
Head Checks treten an Fahrkanten der bogenäußeren Schiene bei Radien bis zu 1.200 m, bei Radien
über 2.000 m abwechselnd an der Fahrbahnkante an beiden Schienen und auch auf der Fahrfläche
beider Schienen auf.
Sie entstehen als Folge von Rollkontaktermüdungsschäden. Gründe dafür sind hohe Belastungen
und/oder hohe Geschwindigkeiten auf elektrisch betriebenen Strecken und große
Überhöhungsfehlbeträge [10].
Abbildung 6: Head Checks
3.3.5 Kurze Wellen
Kurze Wellen oder auch Schlupfwellen (Abb. 7) sind periodische, wellenförmige Unebenheiten der
Fahrbahnoberfläche. Sie haben eine Wellenlänge von 30 bis 300 mm und eine Fehleramplitude von
0,1 bis 1 mm [2]. Ihr Vorkommen beschränkt sich meist auf die niedriger liegende Schiene bei Radien
unter 500 m. Kurze Wellen werden durch den Schlupf der Räder erzeugt, da Hochleistungsfahrzeuge
und –triebwerke für das Bremsen und Fahren an der Schlupfgrenze ausgelegt sind. Um dem
entgegenzuwirken werden moderne Antiblockier- und Antischlupfsysteme eingesetzt. Entstehen
dennoch Schlupfwellen, so sind diese ab einer Tiefe von 0,3 mm kritisch zu betrachten, da es ab diesem
Wert zu Schotterfließen infolge von einer erhöhten Raddynamik und dadurch zu Gleislagefehlern
kommen kann. [6]
9
Abbildung 7: Schlupfwellen [43]
3.3.6 Lange Wellen
Lange Wellen, wie in Abb. 8, treten auf der Geraden und in Kreisbögen auf. Sie erreichen
Wellenlängen von 30 cm bis 3,0 m [16]. Die Wellentäler der unregelmäßigen Unebenheiten können im
Höchstfall Tiefen von bis zu 1,5 mm erreichen, liegen aber im Durchschnitt bei 0,7 mm [17]. Lange
Wellen entstehen durch Fehler bei der Schienenherstellung [16].
Abbildung 8: Lange Wellen zwischen Dehnhaide und Barmbek
3.3.7 Riffel
Riffel sind kurzwellige, regelmäßige, periodische Unebenheiten auf der Schienenoberfläche (Abb. 10).
Sie sind gekennzeichnet durch ein Aufeinaderfolgen von glänzenden Wellenbergen und dunklen
Wellentälern [2]. Die Wellenlänge dieses Schadenphänomens beträgt 3 bis 6 cm bei einer Tiefe von
10
0,1 bis 0,4 mm [6]. Bei fortwährender Belastung bilden sich die hellen Wellenberge allmählich heraus.
Sie haben eine größere Härte als der zugrunde liegende Schienenstahl. Im Messbeispiel zeigt sich eine
große Differenz bei den Werten Grundwerkstoff/Riffelberg
von 260 HV/480 HV. Auf diesen
Bergen zeigen sich senkrechte Risse und Ausbrüche. [2]
Diese durch Riffelbildung entstandenen Unebenheiten auf der Fahrbahnoberfläche (Abb. 9) führen zu
Lärmbelästigungen und einer höheren dynamischen Beanspruchung der Fahrzeuge und Gleise [6]. Die
maßgebende Riffeltiefe für ein negatives Fahrbahnmaterialverhalten liegt bei 0,1 mm [12].
Riffel bilden sich dort aus, wo ein Sinuslauf der Fahrzeuge zu Stande kommt, wie in Bögen mit großem
Halbmesser oder in Geraden und entstehen durch Reibung, Schlupf und Schwingungsvorgänge
zwischen Rad und Schiene [6].
Abbildung 9: Rissnetz einer stark verriffelten Schiene [43]
Abbildung 10: Verriffelung [41]
3.3.8 Schleuderstellen
Schleuderstellen entstehen in Anfahr- oder Bremsabschnitten [2], wenn Lokomotiven die
Haftwertgrenze überschreiten (Abb. 11). Durch das folgende Durchdrehen der Räder entsteht Hitze.
Diese Wärmeeinwirkung erzeugt eine Materialumwandlung von Perlit zu Martensit mit Stärken bis zu
1 mm [6]. Das verformbare Material wird später zu einem selbstgehärteten Fleck mit ovalem Umfang
[2].
11
Abbildung 11: Schleuderstelle, durch durchdrehende Achse einer E-Lok verursacht [44]
3.3.9 Shelling
Shelling, welches wie in Abb. 12 an Außenschienen von Bögen mit einem Radius von 200 bis 800 m
auftritt, äußert sich erst als schwarzer Fleck, der durch eine Fahrspiegelabsenkung zur Fahrkante hin
entsteht und später im Fahrkantenausbruch endet. Es entsteht in Form von sehr feinen
Schwingungsrissen in einer Tiefe von 3 bis 10 mm. Ursprung dieser Risse ist meist ein zeilenförmiger
Ausgang infolge nichtmetallischer Einschlüsse aus Al2O3 (Aluminiumoxid). [2]
Abbildung 12: Shelling [42]
3.3.10 Squats
Squats (Abb. 13) äußern sich zu Beginn als schwarze Flecken, die sich vergrößern [2] und von denen
„halbkreisförmige oder v-förmige zur Fahrkante hin offene Risse an der Schienenkopfoberfläche“ [6]
ausgehen. Gleichzeitig kommt es zu einer geringen Einsenkung des Fahrspiegels, wodurch der
Rollkontakt zwischen Rad und Schiene unterbrochen wird. Durch den dadurch einsetzenden
Korrosionsprozess erscheint diese Fläche dunkel verfärbt. Aufgrund der, durch hohe dynamische
Wechselwirkungen auftretenden Schotterzerstörung bilden sich oftmals weiße Stellen im Schotterbett.
[6]
12
Squats sind bei Schienen in der Gerade und bei Bögen mit einem Radius von mehr als 1000 m auf der
Fahrfläche und an der Fahrbahnkante zu beobachten [2] und treten vermehrt bei Strecken, die mit mehr
als 200 km/h befahren werden auf [6].
Abbildung 13: Squats [17]
3.3.11 Walzfehler
Walzfehler, die bei der Herstellung von Schienen im Stahlwerk entstanden sind, verursachen oft Fehler
mit einer Wellenlänge von 0,6 bis 2 m und einer mittleren Fehleramplitude von 0,5 mm. Durch diese
Walzfehler entstehen eine Höhenabnutzung auf der Innenschiene und eine Seitenabnutzung auf der
bogenäußeren Schiene. [6]
3.4
Die kopfgehärtete Schiene
Bei besonders starken Belastungen der Schiene, wie zum Beispiel kleine Halbmesser oder große
Steigungen, ist der Verschleißwiderstand der naturharten Schiene nicht ausreichend. Wird allerdings die
Zugfestigkeit eines Schienenstahls erhöht, kann die Verschleißrate verringert werden. Um die
gewünschte Festigkeit zu erreichen werden perlitische normalvergütete Schienen einer
Wärmenachbehandlung unterzogen. Häufigste Anwendung findet dabei die Kopfhärtung. Bei diesem
Vorgang wird die Abkühlung des Schienenkopfes in einem Polymer-Bad so beschleunigt, dass ein
hochfestes feinperlitisches Gefüge entsteht. Die Abkühlung des Kopfes muss so abgestimmt werden,
dass kein kritisches Gefüge wie zum Beispiel Martensit entsteht. Durch dieses Verfahren entstehen
HSH-Schienen (Head Special Hardened). [4]
13
Abb. 14 zeigt den Bereich, in dem die Schiene kopfgehärtet wird.
Abbildung 14: gehärteter Schienenkopf [45]
3.4.1 Herstellungsverfahren
Bei dem Off-Line-Härten werden die Schienen in 2 bis 6 Minuten induktiv auf eine Temperatur von
850 bis 950°C erhitzt [6]. Beim anschließenden Abschrecken des Schienenkopfes wird dieser mit
Sprühwasser, Druckluft oder Wassernebel auf 500 bis 650°C abgekühlt. Diese Abschreckung erzeugt
ein sehr feinperlitisches Gefüge mit hoher Festigkeit und Härte. Durch eine begrenzte Einhärtezone
müssen die Schienen vor und nach der Behandlung gerichtet werden.
Bei dem von voestalpine entwickelten In-Line-Härten werden die gerade gewalzten Schienen, die
immer noch eine Temperatur von rund 800°C haben, direkt nach dem Rollrichten zu einer Härteanlage
gebracht [7]. Dort wird der ganze Kopf durch ein Wasserbad mit synthetischen Zusätzen abgeschreckt.
In diesem Härtebad wird durch ein Kühlmittel, welches einen Film auf der Schiene bildet, die
Abkühlintensität des Wassers vermindert und somit gleichmäßige Abkühlbedingungen geschaffen.
Nach einer Tauchzeit von etwa 2 bis 3 Minuten ist die Schiene bis auf 60°C abgekühlt und kann
gerichtet und geprüft werden. [4]
3.5
Schienenfehlerbeseitigung
Werden Schienenfehler nicht behandelt, so wirken sie sich negativ auf die Schienen in Form von
Ermüdung des Stahls, auf Befestigungsteile durch Verminderung der Verspannung, auf die Schwellen
durch eine stärkere Beanspruchung der Auflagerfläche, auf den Schotter, bei dem das Gefüge zerstört
wird und auf die Geräuschentwicklung, die von Anwohner und Fahrgästen als unzumutbare
Belästigung angesehen wird, aus [17]. Die Folge von Schienenfehlern sind also hohe Kosten für
Fehlerbeurteilung und –beseitigung, eine Einschränkung der Verfügbarkeit und eine Reduzierung der
Schienenliegedauer [10]. Die grundsätzlichen Arbeitsverfahren Schleifen, Fräsen und Hobeln zur
Schienenbearbeitung [4] werden in den folgenden Abschnitten näher beschrieben.
3.5.1 Verschiedene Verfahren
3.5.1.1 Schleifen
Beim Schienenschleifen werden antriebslose oder angetriebene Schleifkörper unter hohem
Anpressdruck über die Schiene geführt [4]. Der gewünschte Materialabtrag wird durch die induzierte
Reibarbeit erreicht. Beim konventionellen maschinellen Schleifen werden Arbeitsgeschwindigkeiten
14
von 5 bis 12 km/h bei rotierenden Schleifscheiben und bis zu 40 km/h bei starren Rutschsteinen erreicht
[4]. Der Einsatzbereich der Schleiftechnik erstreckt sich von präventiven Flächenbearbeitungen, bei
dem es zu einem Materialabtrag von wenigen Hundertstelmillimetern kommt, über die korrigierende
Instandhaltung mit Abträgen im Millimeterbereich zur Beseitigung von Oberflächenfehlern, Riffeln und
Wellen, zur Wiederherstellung des Schienenkopfquerprofils und zur Spurberichtigung [18].
Wichtigster Teil der Schleifzüge sind die Schleifsteine. Das sind prismatische oder
rotationssymmetrische Körper. Sie bestehen aus einem Konglomerat gebundener Schleifkristalle [4].
Die Schleifmittel werden aus sehr harten Mineralien wie Zirkonkorund, Siliciumcarbid und Korund
hergestellt und ihre Qualität ist maßgebend für den Erfolg des Schleifvorgangs.
Anforderungen an die Schleifsteine sind:
- hohe Schleifwirkung
- geringe Rauhigkeit der Schiene nach Schleifvorgang
- lange Standzeit
- gleich bleibende Schleifwirkung. [4]
Voraussetzungen für den Einsatz von Schleifzügen sind Riffeltiefen von 0,05 mm auf Strecken mit
hohen Geschwindigkeiten, Strecken mit dichter, naher Bebauung oder in Tunnelstrecken von
Stadtbahnen. Des Weiteren erfolgt der Einsatz zur Reduktion von Schallemissionen bei
planfestgestellten Strecken, bei Strecken mit einem erhöhten Instandhaltungsaufwand wegen
Fahrflächenunebenheiten und bei Spurverengung [17].
Schleifen mit rotierenden Schleifscheiben
Schienenfehler wie Schlupfwellen oder Riffel mit geringer Tiefe werden durch den Einsatz von
Schleifmaschinen mit rotierenden Schleifscheiben in mehreren Durchgängen beseitigt [6]. Die
Schleifscheiben sind zylinderförmige oder kegelstumpfförmige, angetriebene Schleifkörper, die sich
um eine bewegliche Achse drehen. Zur Materialbearbeitung kann, je nach gewähltem Verfahren, die
Stirnfläche (Topfscheibe) oder die Mantelfläche (Schleifrad) genutzt werden. [18]
Wichtiges Merkmal zur Bearbeitung von Schienen und Weichen ist die Robustheit der Schleifräder
gegenüber Unstetigkeiten der Fahrfläche. Durch das zügige Anpassen der Querschnittsgeometrie der
Schleifscheibe an die Profilform des Schienenkopfes wird das vollständige Bestreichen der gesamten
Fahrfläche gewährleistet. Der Einsatz von Schleifrädern erfolgt zur Glättung der Schiene, nachdem
Topfscheiben eingesetzt wurden und nach dem Fräsen, kann aber auch als eigenständiges Verfahren bei
Nahverkehrsbahnen angewendet werden. [4]
Um eine optimale Fehlerbeseitigung zu erreichen, können Drehzahl und Anpressdruck der einzeln
angetriebenen Topfscheiben der Schleifmaschine an die Fehlergröße angepasst werden. Bei seitlich
ausragenden Graten werden zusätzliche Scheiben eingesetzt. [6]
Um eine durchgängige Bearbeitung des Fahrspiegels bis zur Fahrkante auch im Bereich der Spurrillen
von Radlenkern und Herzstücken zu gewährleisten, stehen für die Arbeit in Weichen und Gleisen
Schleifscheiben mit unterschiedlichen Dicken und Durchmessern zur Verfügung.
Um Längsprofilfehler, deren Wellenberge den Durchmesser einer Schleifscheibe übersteigen,
gleichmäßig abzutragen, können mehrere Schleifeinheiten in einem starren Rahmen fixiert werden. [18]
Der typische durchschnittliche Wertebereich des Schleifabtrages beim Schleifen mit rotierenden
Schleifscheiben liegt zwischen 0,012 und 0,05 mm. Maßgebend für die Höhe des Schleifabtrages sind
Schleifgeschwindigkeit, Anpressdruck der Schleifmittel, Wellenlänge und Amplitude der Fehler,
Qualität und Anzahl der Schleifsteine und –scheiben sowie die Härte der Schienenoberfläche. [6]
Schleifen mit Rutschersteine
Schleifzügen mit Rutschersteinen ist es möglich eingedeckte Gleise und Hindernisse wie
Führungsschienen, Bahnübergänge und Schienenkontakte ungehindert schleifend zu durchfahren. Dabei
15
werden die Rutschersteine, die prismatische Schleifkörper mit rechteckigem Querschnitt sind und
profilfrei arbeiten [18], in senkrechter Richtung auf die Schiene gepresst. Ebenso wie bei den
rotierenden Schleifscheiben, passen sich auch diese Schleifkörper an die konvexe Form des
Schienenkopfes schnell an und gewährleisten somit das vollständige Bestreichen. Die Bearbeitung des
Querprofils ist mittels Rutschersteinen nicht möglich, da diese nicht um die Schienenlängsachse geneigt
werden können. Allerdings kann zwischen einem Verfahren mit starren Rutschersteinen und einem mit
in Schienenlängsrichtung oszillierenden Rutschersteinen gewählt werden. Die Schleifwirkung bei
starren Rutschersteinen resultiert ausschließlich aus dem Anpressdruck und der Fortbewegung der
Arbeitsaggregate über die Schiene. Mit starren Rutschersteinen wird hauptsächlich bei Straßen-, Stadtund U-Bahnen bei präventiven Schleifarbeiten gearbeitet. Sie zeichnen sich durch die universelle
Einsetzbarkeit in offenen und eingedeckten Gleisen, durch ungehinderte Durchfahrt von
Gleisschaltmitteln und Weichen und durch Schleifen während des Regelbetriebs durch eine hohe
Arbeitsgeschwindigkeit von 50 km/h aus. Geringe Lärmemissionen und eine hohe Fahrbahnqualität
werden durch zyklisches Befahren der zu bearbeitenden Strecke in kurzen Abständen ermöglicht. Bei
oszillierenden
Rutschersteinen wird durch eine Pendelbewegung der Schleifaggregate in
Schienenlängsrichtung die Schleifwirkung verstärkt. [4]
Um langwellige Längsprofilfehler zu beseitigen, können mehrere Schleifkörper in einem Rahmen
angeordnet werden. Schleifkörper mit einer entsprechend angepassten Form können die gesamte
Schienenoberfläche bestreichen, den Schienenkopf jedoch nicht reprofilieren. [18]
Anzahl und Qualität der Schleifsteine, der Anpressdruck, sowie Geometrie und Härte der
Schienenoberfläche sind maßgeblich für die Größe des Materialabtrages. Bei Rutschersteinen liegt
dieser im Bereich von wenigen Hundertstelmillimetern pro Fahrt.
Korrigierendes Schienenschleifen, welches eine Durchführung von Pendelfahrten erfordert, wird zur
Beseitigung von Riffeln und Schlupfwellen eingesetzt. Für eine nahezu vollständige Fehlerbeseitigung
können viele Überfahrten von Nöten sein. [4]
Aufgrund der geringen Reibleistung bei rotierenden Schleifscheiben ist der Materialabtrag pro
Überfahrt relativ klein. Um im Vollbahnbereich die Schleifwirkung zu verbessern, wird ein Verfahren
mit in Längsschienenrichtung oszillierenden Rutschersteinen eingesetzt. Bei einer modernen Maschine
mit fünf oszillierenden Schleifaggregaten je Schienenstrang und einer Arbeitsgeschwindigkeit von
1 bis 2 km/h erfolgt ein Materialabtrag von 0,05 bis 0,07 mm [19]. Rutschersteine können geringe
Rauhigkeiten auf Fahrflächen erzielen, glätten diese im Nachlauf zu anderen Bearbeitungsverfahren
und werden deswegen zur Reduzierung der Lärmemissionen des Rad-Schienen-Kontaktes eingesetzt
[18].
Hochgeschwindigkeitsschleifen
High-Speed-Grinding ist ein neues Konzept, welches eigens für präventives Schleifen entwickelt wurde
[20]. Es basiert auf der Zielsetzung mit zyklisch, in den Fahrplan integrierten Schleiffahrten einen
nahezu „kontinuierlichen, geringen Materialabtrag herbeizuführen und dadurch der Entstehung von
Schienenschäden an der Oberfläche vorzubeugen [18]“. Dieser Einsatz während des Regelbetriebes
wird allein durch die hohe Schleifgeschwindigkeit von 80 km/h möglich.
Im Gegensatz zu anderen Schleifverfahren, werden die Schleifsteine beim High-Speed-Grinding nicht
durch eigene Motoren angetrieben [20]. Die antriebslosen, rotationssymmetrischen Schleifkörper
werden schräg zur Schienenlängsachse auf die Schiene gepresst und geraten bei Fortbewegung des
Fahrzeuges unter großem Schlupf in Drehung (Abb. 15) [4]. Die so erzeugte Reibleistung ruft einen
leichten Materialabtrag hervor [18], der Dank der Schrägstellung der Schleifkörper den Schienenkopf
gleichmäßig von der Fahrkante bis zur Fahrfläche schleift. Die große Traktionskraft einer
leistungsstarken Lokomotive gewährleistet die hohe Schleifleistung und durch die lang gezogene
Kontaktlinie entfernen die Schleifkörper versprödete Oberflächen sowie Ansätze von Riffelbergen und
Schlupfwellen [20]. Der Schleifdruck und die Geschwindigkeit der Zugmaschine sind entscheidend für
16
den Erfolg des Schleifvorganges. Beim High-Speed-Grinding kann pro Überfahrt ein Materialabtrag
von bis zu 0,05 mm erreicht werden [21].
Voraussetzung für die Wirksamkeit des Hochgeschwindigkeitsschleifens ist ein unbeschädigtes
Schienenprofil [20], damit die vorgeformten Schleifkörper die gesamte Fahrfläche gleichmäßig
schleifen können [18]. Da die Schleifsteine das Profil der Schienen annehmen, kommt es zu keiner
Schienenprofiländerung [20].
Abbildung 15: Arbeitsprinzip High-Speed-Grinding [13]
3.5.1.2 Fräsen
Fräsen ist ein spanabhebendes Arbeitsverfahren, welches bei mobiler Schienenbearbeitung mit
gleisfahrbaren Maschinen und bei stationärer Schienenbearbeitung angewendet wird [4]. Bei dieser
Bearbeitungsart wird der Schienenkopf mittels rotierendem Fräsrad, das mit vielen einzelnen
Fräsmessern bestückt ist, bearbeitet. Durch ein ideal rundes Fräsrad und die exakte Positionierung der
Schneidewerkzeuge wird ein optimales Ergebnis erzeugt, bei dem in einer Überfahrt das
Schienenkopfquerprofil der Sollgeometrie angepasst wird [4]. Anfallende Frässpäne werden angesaugt
und in der Maschine gelagert. Nach dem Fräsvorgang sind auf der Schienenoberfläche durch das
Schieben der Fräsplatten über die Schienen eine schuppenartige Oberflächenbeschaffenheit und
Facetten sichtbar. Um diese entstandene Rauhigkeit zu verringern [18], wird ein nachlaufendes
Schleifrad eingesetzt oder es folgt eine Bearbeitung mit oszillierenden Rutschersteinen.
Bei Fräsarbeiten liegt der Materialabtrag an der Fahrkante pro Überfahrt bei 0,3 bis 2,5 mm.
Fräsmaschinen erreichen je nach Schienenzustand eine Arbeitsgeschwindigkeit von 0,6 bis 1,5 km/h
[22] und arbeiten im Einrichtungsbetrieb. Soll ein hoher Materialabtrag erfolgen, so ist das Fräsen mit
einer durchschnittlichen Fertigmeterleistung von 450 bis 650 m/h ein sehr erfolgreiches Verfahren,
wohingegen bei präventiven Schienenbearbeitungen mit einem Materialabtrag von wenigen
Zehntelmillimetern das Schleifen höhere Fertigmeterleistungen erzeugt.
Durch eine senkrechte Anordnung der Arbeitsaggregate einer Schienenfräse, wird ein profilfreies
Durchfahren von Gleisschaltmittel und Bahnübergängen ermöglicht [18]. Vorteile der Frästechnologie
liegen in der hohen Genauigkeit im Querprofil, welche durch die exakte Profilgebung der Fräsräder
gewährleistet wird und in der größtenteils staub- und funkenfreien Schienenbearbeitung. [4]
3.5.1.3 Hobeln
Beim Hobeln werden Hobelplatten, die der Schienenkopfkontur angepasst sind, in verschiedenen
Winkelstellungen hydraulisch auf die Schiene gepresst. Dieses spanabhebende Bearbeitungsverfahren
findet seinen Einsatz bei mobilen Schienenbearbeitungen im Gleis und auch bei stationären
Bearbeitungen von Schienen in Aufarbeitungswerken [4].
17
Das Hobeln wird für die Reprofilierung, Entgratung stark verschlissener Schienen in engen Radien und
zur Beseitigung starker Längsprofilfehler eingesetzt [18]. Die Arbeitsgeschwindigkeit beim Hobeln
beträgt je Schnitt 4 bis 5 km/h und die maximale Schnitttiefe liegt bei 2,5 mm [23]. Diese große
Schnitttiefe von mehr als 1,5 mm ist auch der Grund für den optimalen Einsatz des Hobelns bei
korrigierenden Schienenbearbeitungen.
Bei gleisfahrbaren Hobelmaschinen gibt es je Schiene ein Hobelaggregat. Diese werden durch vertikale
und horizontale Rollen auf der Schiene geführt. „Jedes Aggregat trägt einen Werkzeugsupport zur
Aufnahme einer Kassette mit dem Schneidwerkzeug. Die Kassetten werden in Abhängigkeit der
Schnittfolge und dem zu erstellenden Schienenprofil mit Schnellverschlüssen eingesetzt [4]“. Erfolgt
eine vollständige Reprofilierung, müssen mindestens fünf Schnitte angesetzt werden, wobei die Schiene
in unterschiedlichen Winkeln und mit geraden Messern und Radiusmessern Schritt für Schritt bearbeitet
wird. Während dieses Vorganges, bei dem es weder zu Funkenflug noch zu Staubbelastung kommt,
werden die Schneidemesser mit einem Wasserstrahl gekühlt und die Hobelspäne durch eine
Metalltrommel aufgenommen und gesammelt.
Heutzutage können Hobelmaschinen fahrtrichtungsunabhängig eingesetzt werden, was die
Fertigmeterleistung, die von der Anzahl der Schnitte und der Arbeitsabschnittslänge abhängig ist,
erhöht, da die Zeitverluste für das Zurücksetzen der Maschine wegfallen.
Als Fertigmeterleistungen kann bei der Reprofilierung des Schienenkopfes ein Wert von circa 200 m/h
angenommen werden, bei der Reprofilierung der Fahrkante liegt der Wert bei 400 m/h.
Da Hobelmaschinen einen Arbeitsraum benötigen, besteht je nach Platzangebot die Notwendigkeit,
Gleisschaltmittel und andere Hindernisse auszubauen.
3.5.2 Vorgehen bei der Hamburger Hochbahn
Zur Schienenbearbeitung werden bei der Hochbahn zurzeit der eigene Schleifzug sowie das
Handschleifen eingesetzt. Einzelfehler wie Anrisse oder Ausbrüche werden auch manuell
schweißtechnisch bearbeitet. Der Hochbahn-Schleifzug setzt sich dabei aus einem Schleifwagen des
Typs SB3, einem dazugehörigen Lorenbeiwagen der Kennung LB6 (Abb. 16) und einer von 7
vorhandenen Akkulokomotiven vom Typ AL1, die als Traktion verwendet wird, zusammen [26]. Der
SB3 wurde von dem Hersteller Schörling & Co. Waggonbau Hannover 1964 gebaut und im Jahr 2003
umgebaut. Das Eigengewicht des Schleifwagens beträgt bei einer Breite von 2,3 m 27.000 kg. Der
Laufkreisdurchmesser misst 860 bis 790 mm. Um die Schleifklötze mit Wasser zu kühlen und einen
Brand durch Funkenflug zu vermeiden, kommt der SB3 zusammen mit dem Wassertank LB6 zum
Einsatz. Der Wassertank des LB6 fasst ein Volumen von 20 m3 und erreicht damit ein Gewicht von
1.500 kg. [27]
Abbildung 16: LB6 und SB3 [27]
18
Die Akkulokomotive wurde 1995 gebaut und erreicht ein Höchstgewicht von 38.000 kg. Der
wagenbauliche Teil wurde von der Firma Kaelble-Gmeinder übernommen und die technische
Ausstattung erfolgte durch die Siemens AG. Die maximale elektrische Leistung der Lok liegt beim
Fahren bei 300 kW und beim Bremsen bei 360 kW. Diese Leistung wird von 4 Motoren mit je 120 kW
erzeugt. Die Antriebsbatterie, mit einer Gesamtkapazität von 600 Ah, benötigt eine Spannung von
4 x 120 V. Die zulässige Höchstgeschwindigkeit der Akkulokomotive liegt bei 40 km/h, sie ist 2,45 m
breit und der Laufkreisdurchmesser ihrer Räder beträgt 750 bis 680 mm. [28]
Aufgrund der Auslastung des hochbahneigenen Schleifzuges tritt die Option des Einsatzes von
Fremdfirmen für die reprofilierende Schienentechnik auf [26]. Dieses wurde im Oktober 2011
erstmals auf der Strecke Rödingsmarkt – Rathaus getestet und wird aufgrund seines
Versuchscharakters im folgenden Abschnitt näher beschrieben.
Zukünftig ist bei der Hamburger Hochbahn auch der Einsatz von Frästechnik, welche aufgrund des
relativ hohen Materialabtrages zur Beseitigung von Schienenfehlern interessant ist, denkbar. Dafür
kann eine Fräsmaschine der Firma LASA (Weyhe bei Bremen) eingesetzt werden, die sich aber
momentan noch in der Entwicklung befindet (Abb. 17). [26]
Laut Angaben des Herstellers ist Fräsen im Gegensatz zum Schienenschleifen leiser,
umweltfreundlicher, präziser und produktiver [29].
Abbildung 17: Erstes Munster der Fräsmaschine [29]
Allgemein müssen bei der Wahl des Schienenbearbeitungsverfahrens die besonderen Anforderungen,
wie Lichtraumprofil, Lärmemissionen, Zuführungsmöglichkeiten zur Einsatzstelle, Brandschutz und
Einsetzbarkeit im Tunnel, an die eingesetzte Technik beachtet werden.
3.5.3 Beschreibung des Einsatzes eines Fremdschleifzuges
Aufgrund stark verschlissener kopfgehärteter Schienen auf der Strecke Rödingsmarkt – Rathaus
(beschrieben in Kapitel 4.3), insbesondere auf der so genannten Rampe Rödingsmarkt entschied man
sich, anstelle eines baldigen Schienenaustausches, für den Versuch die Strecke vorerst durch
Schleiftechnik erneut Instand zu setzen. Da allerdings der hochbahneigene Schleifzug für einen
Materialabtrag von mehr als 1 mm, der wegen der teilweise stark geschädigten Schienenoberfläche
nötig wäre, ungeeignet ist, wurde der Einsatz eines Fremdschleifzuges beschlossen. Nach Abgleichen
der technischen Anforderungen, wie zum Beispiel das einzuhaltende Lichtraumprofil, bekam die
Firma Luddeneit & Scherf den Zuschlag für die versuchscharakteristischen Instandsetzungsarbeiten.
[30]
Das Schleifgerät
Das eingesetzte Schleifgerät mit der Typbeschreibung LRGM 1-6 / AM65 ist mit einem angehängten
Stromerzeuger verbunden, welcher den Betrieb der Schienenoberflächenbearbeitung, unabhängig vom
Vorhandensein von Stromversorgungskabeln entlang der Einsatzstelle, ermöglicht. Über eine Rampe
19
oder mittels Kran lässt sich das Schleifgerät je nach örtlichen Begebenheiten in der Baustelle ein- und
ausgleisen. Dabei beträgt die Eingleiszeit 8 bis 10 Minuten und die Ausgleiszeit etwa 5 Minuten. Das
Gerät, mit integrierter automatischer Schleifprozessüberwachung, verfügt über sechs unabhängig
voneinander verstellbare Schleifspindeln, die mit Elektromotoren angetrieben werden. Auf jeder Seite
befinden sich damit drei Schleifsteine, die pro Überfahrt drei Facetten schleifen [32]. Der
Einsatzbereich der LRGM 1-6 / AM65 liegt in der Beseitigung von Riffeln, Walzhaut und kurzen
Wellen in der Schienenoberfläche [31], sowie der Reprofilierung des Schienenkopfquerprofils.
Nacharbeiten von Fahrbahnübergängen, Verschleifen von Schweißnähten und Arbeiten in Weichen
sind mit dieser Maschine auch möglich. [31]
Der Schleifvorgang
Die Schleifmaschine der Firma Luddeneit & Scherf wurde dank eines Gewichts von 3 t je Fahrzeugteil
an der Straße Mönkedamm mittels Mobilkran mit geringem Aufwand eingehoben. Während der ersten
Überfahrt mit einer Arbeitsgeschwindigkeit von 1 bis 3 km/h setzen die Schleifsteine an der Fahrkante
an und schleifen bei weiteren Fahrten über die gesamte Schiene. So werden je Überfahrt mit jeweils
drei Schleifsteinen pro Schiene auch drei Facetten geschliffen. Die Schleifspäne werden mittels
Absauger aufgenommen und in einem Behältnis aufbewahrt. Während der Schleifarbeiten ist darauf
zu achten, dass die Schienen nicht überhitzen und so möglicherweise Verformungen entstehen.
Unterschiedlicher Hitzeabfluss kann aber auch Risse aufzeigen, denn an rissgeschädigten Stellen läuft
die Hitze nicht so schnell an wie an fehlerfreien Bereichen. An einigen Stellen wurde nach der ersten
und zweiten Überfahrt eine Welle nach dem Schleifen festgestellt. Dieses ungleichmäßige Schleifen
kommt zu Stande, wenn die Schleifspindeln nicht ideal gelegt wurden, das Fahrzeug Seitenspielraum
hat oder die Schiene nicht gleichmäßig abgefahren wurde.
Bei fertig bearbeiteten Schienen ist das Schleifbild jedoch nicht zu beanstanden und die
Schallemissionen von Generator und Schleifaggregaten wesentlich geringer als erwartet [30]. [32]
Ergebnisse
Um nach Beendigung der Schleifarbeiten die Erfolge einschätzen zu können wurden vorher so
genannte Kontrollpunkte auf der Strecke festgelegt, die durch Fotodokumentation und visuelle
Beobachtung die Schadensbilder vor und nach dem Schienenschleifen zeigen. Zu bearbeitende
Schädigungen waren leichte bis starke Head Checks, Einfahrungen an einigen Schweißstößen und bei
fortgeschrittenen Schädigungen leichte bis starke Ausbrüche in der Fahrfläche [30]. Um eine
Einschätzung zur möglichen Höhe der Fehlerbeseitigung zu erzielen, wurde der Streckenabschnitt
zuvor mit der Firma Luddeneit & Scherf besichtigt. Als realisierbares Ziel während der geplanten vier
Schichten wurde die Beseitigung leichter Ausbrüche und leichter bis mittlerer Head Checks
angenommen. Die Bearbeitung stärkerer Fehler sollte so weit wie möglich erfolgen, um weitere
Erkenntnisse über deren Fehlertiefe zu erlangen und den daraus resultierenden Arbeitsaufwand bei
künftigen Instandhaltungsmaßnahmen ableiten zu können.
Der Kontrollpunktdokumentation (Tab. 1 und Abb. 18) ist zu entnehmen, dass die gesetzten Ziele bei
der Oberflächenfehlerbeseitigung erreicht wurden. Leichte Head Checks und Ausbrüche wurden zu
nahezu 100 % beseitigt [33], sodass auf erheblicher Länge ein annähernd neuwertiger
Schienenzustand erzielt wurde. Stärkere Fehler, die aufgrund von Zeitmangel nicht vollständig
entfernt werden konnten, werden nun beobachtet und gegebenenfalls durch Schienenaustausch oder
Schleifen vollständig beseitigt.
20
Tabelle 1: Auszug aus der Liste der Kontrollpunkte für das Schienenschleifen RD-RA [33]
Abbildung 18: Kontrollpunkt 7; rechts vor dem Schleifen; links nach dem Schleifen [63]
Kosten
Die Dauer des Einsatzes des Fremdschleifzuges im Streckenabschnitt RD-RA betrug 46 Stunden. Dies
entspricht sechs Schichten. Die Firma Luddeneit & Scherf (L&S) berechnete für die gesamte Zeit
allerdings nur vier Schichten, da es sich um einen Erstauftrag handelte.
Einsatzzeit: 46 h
Kosten: 32.100 EUR
Bearbeitete Gleislänge 740 m
(BE (Baustelleneinrichtung) (L&S): 4.600 EUR + Kran
1.000 EUR + 4 berechnete Schichten (L&S) à 5.875
EUR + 6 Schichten Aufsicht (HHA) à 500 EUR)
Gemittelte Leistung: 16 m/h
Gemittelte Kosten: 698 EUR/h (= 44 EUR/m)
Tabelle 2: Kosten der Fremdschleifarbeiten [30]
Die Leistung des Schleifzuges bei kopfgehärteten Schienen (R350HT) kann nun in Abhängigkeit des
Schadensbildes aus der gemittelten Leistung und gewonnenen Erkenntnissen abgeschätzt werden. Bei
leichten Schäden wie leichten und mittleren Head Checks liegt die Leistung bei 40 m/h, mittlere
21
Schädigungen (mittlere Head Checks und leichte Ausbrüche) werden mit einer Leistung von 15 m/h
entfernt und bei starken Schienenschädigungen wie starken Head Checks und mittleren Ausbrüchen
liegt die Leistung bei 10 m/h.
Im Vergleich dazu sind bei der Beseitigung von Schienenschäden bei normal vergüteten Schienen
(R260) die Leistungen etwa um 50 % höher einzuschätzen.
Für eine Kostenermittlung in €/m werden für den Einsatz Fixkosten von 7.000 €
[Baustelleneinrichtung (Pauschalbetrag für An- und Abtransport der Schleifmaschinen): 5.000 €,
Kran: 1.000 €, 20 h Ing./Mstr. BIB (Betrieb Infrastruktur Bahnanlagen; Organisationsbezeichnug der
Hochbahn): 1.000 €] und Schichtkosten von 6.500 € [Maschineneinsatz: 6.000 €, Aufsicht BIB: 500 €]
angegeben. Bei einer zweitägigen Sperrung des Gleisabschnittes während der Schleifarbeiten ergeben
sich folgende Kosten je nach Schädigungsgrad:
Sperrung: 2 Tage
6 Schichten: Kosten 46.000 EUR, Einsatzdauer
48 h
→ 958 EUR/h
Leichte Schädigung
24 EUR/m
Mittlere Schädigung
64 EUR/m
Starke Schädigung
96 EUR/m
Tabelle 3: Schleifkosten pro Meter; abhängig von der Schädigung [30]
3.6
Einsatz von kopfgehärteten Schienen bei der Hamburger Hochbahn
3.6.1 Einsatzbereiche
Seit 1999 werden bei der Hamburger Hochbahn kopfgehärtete Schienen verlegt. Grund für die Wahl
von HSH-Schienen sind die hohen Belastungen auf einigen Streckenabschnitten und die damit
verbundene Häufung der Schienenschäden. In der Regel werden die kopfgehärteten Schienen bei der
Hochbahn ab einem Radius kleiner gleich 300 m auf beiden Strängen eingebaut. Bei anderen
Belastungen, die nicht durch besonders enge Radien hervorgerufen werden, wie zum Beispiel eine
große Bruttotonnenzahl über das Jahr, die bei einer Achslast von nur 10 t durch kurze Taktabstände
entsteht, werden auch bei Radien von 500 m HSH-Schienen eingebaut. So wurden auf der Strecke
Mönkebergstraße – Berliner Tor 2004 kopfgehärtete S49-Fahrschienen der Firma voestalpine verlegt.
Der Einbau der ersten S49-Schienen (voestalpine) erfolgte 1999 auf beiden Gleisen der Strecke
Hauptbahnhof Süd – Lohmühlenstraße, jedoch nur im Oberbogen. Im Jahr 2000 wurden auf den
Gleisen zwischen Haltestelle Emilienstraße und Christuskirche kopfgehärtete Schienen nur im
Oberbogen der Firma Thyssen eingesetzt. Bis 2010 wurden auf 41 Streckenabschnitten
10.090 Gleismeter S49-Schienen verbaut.
22
3.6.2
Vor- und Nachteile
Vorteile
Kopfgehärtete Schienen zeichnen sich vor allem durch eine Steigerung der Festigkeit und der
Verschleißbeständigkeit des beanspruchten Schienenkopfbereiches aus [4]. Messungen bezüglich der
Verbesserung des Verschleißwiderstandes der Schienen haben laut Wiener Linien gezeigt, dass sich
der Verschleißwiderstand und damit die Lebensdauer bei Verwendung von HSH-Schienen gegenüber
der Normalgüte S900A um mindestens den Faktor 2, im Mittel aber um den Faktor 3 bis 5 erhöht hat
[24]. Die wärmebehandelten Schienen zeichnen sich ebenfalls durch eine sehr hohe RCFBeständigkeit (Rolling Contact Fatigue) wie zum Beispiel Head Checks [25] und durch eine Erhöhung
des Widerstandes gegen Riffelbildung aus [24]. Dadurch können Instandhaltungsmaßnahmen
verringert werden. In einem Schleifzyklus von beispielsweise drei Jahren lassen sich Head Checks und
Oberflächenwellen in wenigen Schleifüberfahrten problemlos entfernen. Eine Verschlechterung des
Rad-Verschleißes oder anderer Rad-Schädigungen durch den Einsatz von kopfgehärteten Schienen ist
nicht bekannt. [25]
Aufgrund der höheren Fehlerbeständigkeit bei HSH-Schienen kann es kann es zu einer
Kostenreduzierung des Gesamtsystems kommen [24].
Nachteile
Ein großer Nachteil der kopfgehärteten Schienen ist die verstärkte Lärmentwicklung nach ihrem
Einbau. Durch die härtere Schienenkopfoberfläche dauert es länger bis diese Schienen eingefahren
sind. Das Quietschen, welches durch die Reibung zwischen Spurkranz und unangepasster
Schienenfahrkante entsteht, wird geringer, sobald den Schienen das Radprofil aufgezwungen wurde.
Bei dem Einbau von HSH-Schienen ergeben sich höhere Schweißkosten, da bei der
aluminothermischen Verschweißung spezielle höherwertige Schweißportionen verwendet werden
[24].
3.6.3
Vergleich mit normal vergüteter Schiene
Bei der Hamburger Hochbahn werden regulär normal vergütete Schienen der Stahlsorte R260
eingesetzt. Seit 1999 werden im U-Bahnnetz auch kopfgehärtete Schienen der Stahlsorte R350HT
verbaut. Diese verschiedenen Stahlsorten unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Herstellung und
Eigenschaften. So haben die kopfgehärteten Schienen eine wesentlich längere Lebensdauer als normal
vergütete Schienen. Aus diesem Grund eignen sie sich auch besonders für den Einsatz unter starker
Beanspruchung. [34]
Abb. 19 zeigt, dass der Bereich der Festigkeit und Zähigkeit (Amin) bei Schienenstählen von der
Schienengüte mit der jeweiligen Zugfestigkeit Rm abhängig ist.
23
Abbildung 19: Zusammenhang zwischen Festigkeit und Zähigkeit der Normalschienenstähle [6]
Tabelle 4: Vergleich von R260- und R350HT-Schienen
Stahlsorte
R260
Eigenschaften
Güte (alt)
Zugfestigkeit Rm
MPa
min.
Stahlsorten (Schienengüten)
Härtebereich
HBW
Bruchdehnung
A
%
Min.
Liegedauer in Jahren
Anschaffungskosten
laufenden Meter
900A [4]
880 [4]
R350HT
900A [4]
1175 [4]
Kohlenstoff-Mangan (C-Mn) Kohlenstoff-Mangan (C-Mn) Stahl
Stahl [4]
wärmebehandelt [4]
260 bis 300 [4]
350 bis 390 [4]
10 [4]
9 [4]
25 bis 30 [35]
40 (in Kapitel 6 berechnet)
pro 40 €/m (gerade)
70 €/m (vorgebogen) [26]
55 €/m ( vorgebogen, bei R ≤
300 m) [26]
Tabelle 4: Vergleich von R260- und R350HT-Schienen
24
4
Beschreibung der ausgewählten Streckenabschnitte bei der
Hamburger Hochbahn
Alle betrachteten Streckenabschnitte der Hamburger Hochbahn wurden zusammen mit Herrn Böcker,
aufgrund von engen Radien und besonderen Belastungen, ausgewählt und besucht. Im Anhang eine
Karte des U-Bahnnetzes der Hochbahn, auf der alle Streckenabschnitte gekennzeichnet sind.
Die folgenden Beschreibungen basieren auf visuellen und akustischen Beobachtungen, die bei der
Begehung am 05.10.2011 entstanden. Sämtliche Abschnitte liegen im U-Bahnnetz der Hochbahn auf
Strecke A. Ausschließlich Meßberg und Klosterstern liegen auf Strecke C.
Allgemein liegt die Stromschiene bei der Hamburger Hochbahn auf freier Strecke immer in der Mitte
der beiden Fahrstrecken. Nur bei Streckenabschnitten, die durch einen Tunnel verlaufen befindet sich
die Stromschiene außen nahe der Tunnelwand, da in der Mitte des Tunnels die Stützbalken stehen.
4.1
Streckenabschnitt Barmbek
Bei der Haltestelle Barmbek werden die Gleisbögen A 77,1 mit einem Radius von 90,04 m, und
A 77,3 mit einem Radius von 86,186 m betrachtet [58], die Richtung Dehnhaide verlaufen. Hier
wurden 2001 kopfgehärtete Schienen auch zwischen Haltestelle und Kreisbogenbeginn auf gerader
Strecke verlegt. Risse sind deutlich sichtbar (Abb. 20). Sie entstehen durch die permanente
Überbelastung durch die Fahrzeuge und bohren sich immer tiefer in die Schiene ein, da aufgrund der
fehlenden Kurvenfahrt kein Längs- und Querschlupf existiert, der durch Verschleiß kaputtes Material
abträgt. Auf den Schienen im Bogen Richtung Dehnhaide sind leichte Schlupfwellen, Head Checks,
Längsriefen und Seitenverschleiß zu erkennen. Auf der Außenschiene zeichnet sich eine Wellenspur
ab, welche durch Überhöhung oder Störstellen zu erklären ist. Die Schlupfwellen auf der Innenschiene
wurden bei der letzten Überfahrt des Schleifzuges 2011 größtenteils heraus geschliffen.
An den Führungsschienen, die normal vergütet sind, sind Abplatzungen, Überwalzungen und einen
Grat zur Fahrkante hin sichtbar.
Gründe für diese Schienenfehler an Innen- und Außenschiene im Gleisbogen sind starkes Gefälle
beziehungsweise starke Steigung, die enge Gleisradien und Schlupf durch Bogenlauf. Zudem führt
eine starke Überhöhung dazu, dass mehr Last auf die bogeninnere Schiene verlagert wird und sich
dadurch der Schlupf auf die Außenschiene überträgt. Außerdem kann es zu Verschleiß durch
Beanspruchungen im Rad-Schienen-Kontakt kommen. Da die Bewegung des Rades auf der
Stahlschiene nur näherungsweise als rollend bezeichnet werden kann, ergibt sich bei genauerer
Betrachtung eine Stick-Slip-Bewegung des Rades. Diese zeigt, dass es im Kontaktbereich zwischen
Rad und Schiene zu Haft- und Gleitreibungen kommt. [1]
An den Schweißstößen wurden bei der Überfahrt einer Bahn deutlich Schienengeräusche
wahrgenommen. Diese entstehen, da an Schweißstellen der Stahl nicht die gleiche Härte aufweist, wie
der Rest der Schiene. Im Laufe mehrerer Wagenüberfahrten entstehen Dellen, welche die dumpfen
Geräusche verursachen.
Beim Bezug von Verschleißvorkommen und –stärke auf die bisherige Liegedauer der kopfgehärteten
Schienen und eine Befahrung im Fünf-Minuten-Takt im betrachteten Bereich, lässt sich der Verschleiß
im Gegensatz zur normal vergüteten Schiene unter diesen Beanspruchungen als gering einstufen.
Somit macht sich die HSH-Schienenverlegung bei Barmbek für die Hamburger Hochbahn bezahlt.
25
Abbildung 20: Schiene zwischen Barmbek und Dehnhaide
4.2
Streckenabschnitt Mundsburg
Zwischen der Haltestelle Mundsburg und Uhlandstraße befinden sich die betrachteten Kreisbögen
A 67,1 und A 67,2. Sie sind mit Radien von 208,45 m und 211,55 m [58] zwei der ältesten Bögen mit
kopfgehärteten Schienen. Die erstmalige Installation von HSH-Schienen erfolgte 2000. Wenige
Wochen vor dem Besichtigungstermin wurden teilweise neue Schienen verlegt, die erst am Morgen
des 04.10.2011 wieder befahren worden sind. Diese Bereiche sind eindeutig sichtbar, da sich hier
Schienen, Schwellen und Schotter noch farblich abgrenzen und nicht einheitlich rostfarbend verfärbt
sind (Abb. 21). Das gängige Schleifen der Neuschienen vor Inbetriebnahme zur Entfernung von
Zunderrückständen und kleinen Steinchen erfolgte aus zeitlichen Gründen nicht. Somit kann späterer
Verschleiß unter anderem auf diese Schadensquellen zurückgeführt werden.
Beim Überfahren der neu verlegten Schienen war Quietschen zu vernehmen. Dies resultiert aus sehr
hoher Reibung bei der Zwei-Punkt-Berührung zwischen den unterschiedlichen Profilen des
Spurkranzes und der Fahrschienenkante. Während der Nutzungsdauer wird der Schiene das Radprofil
aufgezwungen. Dies hat zur Folge, dass der Verschleiß der Schiene bis zur vollständigen Anpassung
immer mehr abnimmt.
Auf den noch bestehenden Gleisen von 2000 sind leichte Ausbrüche festzustellen, die aus Head
Checks resultieren. Zum Ausgleich solcher Unebenheiten wurden die Schienen zwischen Mundsberg
und Uhlandstraße vor dem Bogen erst kürzlich geschliffen.
26
Abbildung 21: Schiene zwischen Mundsburg und Uhlandstraße
4.3
Streckenabschnitt Rathaus – Rödingsmarkt
Die Besichtigung der Strecke Rathaus – Rödingsmarkt beginnt mit den Kreisbögen A 42,1 mit einem
Radius von 100 m und A 42,2 mit R gleich 137,326 m an der Haltestelle Rathaus. Es folgen Bögen
A 41,1 mit dem Radius 80 m und A 41,2 mit einem Radius von 86,424 m. Anschließend folgt die
Besichtigung der Bögen A 40,1 (R=126,633 m) und A 40,2 (R=126,235 m). Die letzten Gleisbögen
kurz vor der Haltestelle Rödingsmarkt sind A 39,1 mit einem Radius von 69,45 m und A 39,2 mit R
gleich 74 m. [58]
Im Tunnel nach der Haltestelle Rathaus ist kaum schwerwiegender Verschleiß festzustellen (Abb. 22).
Vereinzelt sind an Schweißnähten Dellen sichtbar, die auch aus Herstellungsfehler entstanden sein
können. Ebenso wurden, wie in Abb. 23 zu erkennen, punktuelle Fehler wie zum Beispiel
Schleuderstellen entdeckt. Diese entstehen, wenn beim Anfahren die Räder durchdrehen und es
dadurch zum Kaltverschweißen zwischen Rad und Schiene kommt. Die entstandene Wulst von
Schienenmaterial wird vorgeschoben und von den nachfolgenden Zügen langsam wieder festgewalzt.
Auch feine Head Checks sind sichtbar. Nahe dem Tunnelausgang sind auf der Außenschiene
Schlupfwellen sichtbar, die durch das Bremsen aufgrund des Gefälles entstehen können. An der
Innenschiene wird eine Zweiteilung der Oberflächenbeschaffenheit durch den Schleifzug deutlich. Die
Schienenkante ist aufgeraut und eben, der Schienenkopf wurde durch die Wellen abgeschliffen.
Der folgende Bogen, der auf der Brücke beginnt, weist starke Head Checks auf, die durch den Einfluss
der großen Steigung und des Wassers aus den Sprühanlagen entstehen. Durch den ständigen
Wasserfilm auf den Schienen verringern sich der Schlupf und der Reibwert. Diese Tatsache würde den
Verschleiß der Schienen verringern. Allerdings kann Wasser auch verschleißfördernd wirken, indem
Material abgerieben wird oder das Wasser durch Eindringen in Risse das Schienenmaterial
auseinander drückt.
Die starken Schienenschädigungen in diesem Bogen, der mit einem Radius von 69 m der Kleinste im
Hauptgleis ist, sind auf die besonderen Belastungen zurückzuführen. Dazu zählen, neben dem engen
Radius, Steigung beziehungsweise Gefälle von fünf Prozent und die Zugüberfahrt im Fünf-MinutenTakt.
27
Abbildung 22: Schiene vor der Hst. Rödingsmarkt
Abbildung 23: Schleuderstellen auf Schiene zwischen Rathaus und Rödingsmarkt
4.4
Streckenabschnitt Landungsbrücken
Auf der Strecke zwischen der Haltestelle Landungsbrücken und St. Pauli wurden die Bögen A 27,1
(R=108,7 m) und A 27,2 (R=97,06 m), sowie A 25,1 mit einem Radius von 190 m [50] und A 25,2 mit
R gleich 188,46 m besichtigt. [58]
Sie gelten als Referenzbögen, da keine kopfgehärteten Schienen verlegt wurden.
28
Auf den Schienen sind kleine Ausbrüche zu erkennen. Beobachtete Head Checks ähneln in ihrer
Ausprägung und dem Vorkommen denen auf HSH-Schienen (Abb. 24). Die Oberfläche der
Außenschiene lässt sich in drei Zonen einteilen. So ist die Fahrkante blank und eben, die Mitte des
Schienenkopfes ist rau und dann folgt wieder ein blanker Abschnitt. Vereinzelt finden sich kleine
Eindrückungen, die durch kleinste Steinchen auf der Schiene entstehen. Die Innenschiene der Bogens
Richtung Haltestelle St. Pauli weist deutlich weniger Verschleißstellen auf.
Abbildung 24: Schiene zwischen Landungsbrücken uns St. Pauli
4.5
Streckenabschnitt Klosterstern
Die betrachteten Kreisbögen zwischen der Haltestelle Klosterstern und Kellinghusenstraße sind
C 70,21 mit R gleich 86,0 m, C 70,22 mit R gleich 89,0 m und Bogen C 70,1 (R=91,8 m) [51].
Auf den ersten Blick sehen die Gleise des Kreisbogens Richtung Kellenhusenstraße noch recht gut
aus. Betrachtet man die Schienen genauer, so kann man erkennen, dass sich auf dem Schienenkopf
feine, gleichmäßige Head Checks gebildet haben (Abb. 25). Über den gesamten Bogen sind
gleichmäßig ganz feine Risse im Ansatz zu erkennen.
Die Intensität der Schienenschäden lassen sich zum größten Teil auf die starke Belastung durch die
U1, die mit 120 m langen Zügen die Strecke im Fünf-Minuten-Takt befährt, erklären. Aufgrund des
dadurch entstehenden Lärms, der von den Anwohnern als Belästigung empfunden wird, wurde die
Strecke Klosterstern – Kellenhusenstraße im Januar intensiv geschliffen und somit ein Großteil der
Schädigungen minimiert.
29
Abbildung 25: Schiene zwischen Klosterstern und Kellinghusenstraße
4.6
Streckenabschnitt Meßberg
Bei der U-Bahnhaltestelle Meßberg wurden die Bögen C 202,1 mit dem Radius von 150 m, und
C 202,2 mit R=146,2 m betrachtet. Die Schienen dieser Bögen sind in beide Richtungen ähnlich gut
erhalten. Lediglich Head Checks von der Innenseite bis zur Außenkante sind zu beobachten (Abb. 26).
Abbildung 26: Schiene zwischen Meßberg und Jungfernstieg
30
5
Abhängigkeit von Schienenfehlern und Belastungen
Die Liegedauer der Fahrschienen ist abhängig von verschiedenen Streckeneigenschaften, die einzeln
oder als Kombination zu Schienenschäden führen. Diese sich negativ auswirkenden Eigenschaften
sind enge Radien, große Steigungen, hohe Gesamtlasten und unterschiedliche Rad-Schiene-Geometrie.
5.1
Abhängigkeit vom Radius
Um die Abhängigkeit der Schienenfehler vom Radius bei der Hochbahn zu ermitteln, wird die Liste
der Bögen bis 300 m [57] (siehe Anhang) in die Bereiche R ≤ 100 m (Tab. 5), 100 ≤ R ≤ 200 m
(Tab. 6) und 200 ≤ R ≤ 300 m (Tab. 7) eingeteilt. Die betrachteten Gleisabschnitte dienen dabei als
Referenzbögen. Mit Hilfe der Fehlerbestimmung vor Ort und eines Berichts von voestalpine sollen
typische Fehler für den jeweiligen Radius ermittelt werden.
R ≤ 100 m
Schienenschädigungen
A 39,1 (R=69,45 m)
Starke Head Checks
A 39,2 (R=74,0 m)
Starke Head Checks
A 41,1 (R=80,0 m)
Schlupfwellen
A 77,3 (R=86,186 m)
Riffel, konformer Rad-Schienen Kontakt [53]
A 41,2 (R=86,424 m)
Schleuderstellen und Dellen an Schweißnähten, feine Head Checks
C 70,2 (R=88,2 m)
Feine, gleichmäßige Head Checks, sehr feine Risse
A 77,1 (R=90,04 m)
Schlupfwellen, feine Risse auf der Fahrfläche [53]
C 70,1 (R=91,8 m)
Feine, gleichmäßige Head Checks, sehr feine Risse
A 27,2 (R=97,06 m)
Leichte bis starke Schlupfwellen → deutliches Lärmempfinden [53]
A 42,1 (R=100,0 m)
Hauptfehler
Head Checks und Schlupfwellen
Tabelle 5: Schienenfehler bei R ≤ 100 m
100 ≤ R ≤ 200 m
A 27,1 (R=108,7 m)
Kleine Ausbrüche, Head Checks
A 40,2 (R=126,235 m)
Feine Head Checks, Schlupfwellen
A 40,1 (R=126,633 m)
Feine Head Checks, Schlupfwellen
A 42,2 (R=137,326 m)
C 202,2 (R=146,2 m)
Head Checks
C 202,1 (R=150,0 m)
Head Checks
A 25,2 (R=188,46 m)
Leichte bis starke Schlupfwellen → deutliches Lärmempfinden [53]
Hauptfehler
Schwache bis mittlere Head Checks und Schlupfwellen
Tabelle 6: Schienenfehler bei 100 m ≤ R ≤ 200 m
200 ≤ R ≤ 300 m
A 25,1 (R=201,8 m)
A 79,4 (R=300,0 m)
Kleine Ausbrüche, schwache Head Checks, kleine Eindrückungen
Leichte Riffel im Vollbogen, keine Head Checks, glatter Fahrspiegel,
keine Schlupfwellen [53]
Hauptfehler
Schwache Head Checks, leichte Riffel
Tabelle 7: Schienenfehler bei 200 m ≤ R ≤ 300m
31
Da allerdings nur relativ wenige Bögen betrachtet wurden, ist eine statistische Auswertung wie diese
nicht vollkommen maßgebend. Hinzu kommt, dass die Schienenfehler in den einzelnen
Gleisabschnitten nicht ausschließlich auf die Belastung durch den Radius zurückzuführen sind. Andere
streckenspezifische Eigenschaften können ebenso eine Rolle gespielt haben. Für einen Abgleich mit
der Literatur lassen sich die Erfahrungen der Deutschen Bahn (DB) auf Stadtbahnen übertragen. Zwar
sind die Radien im Güter- und Reiseverkehr grundsätzlich größer, jedoch werden diese auch mit
größeren Geschwindigkeiten und Gewichten befahren. Diese größeren Belastungen lassen sich dann
mit den geringeren Belastungen bei der Hochbahn in allerdings engeren Radien vergleichen. Gemäß
Abb. 27 wird angenommen, dass Radien von 150 bis ca. 300 m bei der DB einem Radius ≤ 100 m bei
der Hochbahn entspricht. Der zweite betrachtete Bereich bei der Hamburger Hochbahn mit
100 ≤ R ≤ 200 m entspricht dann Radien von 500 bis 3.000 m bei der DB und der dritte Bereich mit
200 ≤ R ≤ 300 m ist vergleichbar mit Radien von 3.000 bis 5.000 m bei der Deutschen Bahn.
Abbildung 27: Auftreten von Schienenfehlern in Abhängigkeit vom Radius [10]
Bei einem Radius von bis zu 100 m kommen auf den Schienen der Hochbahn Head Checks und
Schlupfwellen, sowie vereinzelt Schleuderstellen vor. Der Vergleich mit Abb. 27 zeigt ebenfalls
leichten Verschleiß und Schlupfwellen. Damit scheinen die Ergebnisse der Schienenfehler bei
R ≤ 100 m auf den Strecken der Hochbahn plausibel.
Bei Bögen mit einem Radius von 100 bis 200 m zeigen sich hingegen nur noch schwache bis mittlere
Head Checks und Schlupfwellen auf den Schienen der Hochbahn. Auch im zweiten Vergleichsbereich
(Abb. 27) zeigen sich bei der DB, mit Head Checks und mildem Verschleiß, ähnliche Schädigungen.
Bei der Hamburger Hochbahn sind die Schienenschäden bei Bögen mit Radien zwischen
200 und 300 m schwache Head Checks und leichte Riffel. Bei einem Radius von 300 m zeigen sich
selbst diese Fehler nicht mehr. Vergleicht man diese Angaben mit denen von Abb. 27 für die Radien
von 3.000 bis 5.000 m bei der Deutschen Bahn, so sind hier Head Checks angeführt. Damit kommt es
im dritten Bereich zu einer Abweichung der Beobachtungen bei der DB und bei der Hamburger
Hochbahn.
5.2
Abhängigkeit von der Zugbelastung
Um die Abhängigkeit der Schienenfehler von der Zugbelastung zu ermitteln, werden alle
Gleisabschnitte, die von der U1 angefahren werden und alle Abschnitte auf denen die U3 fährt
miteinander verglichen. Bei der U1 und der U2 entstehen Belastung von ca. 31.500 t/Tag
32
(11,5 Mio Bruttolasttonnen/Jahr). Die Gleisabschnitte, die von der U3 angefahren werden, erfahren
eine Belastung von 24.600 t/Tag. Die Abschnitte an der Linie U1 (Klosterstern und Meßberg) und die
Abschnitte an der U3 (Barmbek, Landungsbrücken, Rathaus – Rödingsmarkt und Mundsburg) werden
im 5-Minuten-Takt angefahren.
U1
Klosterstern
Meßberg
Hauptbahnhof
Lohmühlenstraße [53]
Schienenschädigung
Feine, gleichmäßige Head Checks; feine Querrisse
Head Checks von Innen- bis Außenkante der Schiene
– Außenschiene: feine Querrisse, glatter Fahrspiegel
Innenschiene:
stark
abgefahrenen
Fahrspiegel,
Schlupfwellen → Lärm [53]
Hauptfehler
Head Checks, Querrisse
Tabelle 8: Zugbelastung bei der U1
starke
U3
Barmbek
Schienenschädigung
leichte
Schlupfwellen,
Head
Checks,
Längsriefen,
Seitenverschleiß, Wellenspur auf Außenschiene, Dellen an
Schweißstößen
Landungsbrücken
Kleine Ausbrüche, schwache Head Checks, vereinzelt
Eindrückungen
Rathaus – Rödingsmarkt
Vereinzelt Dellen an Schweißnähten und Schleuderstellen, feine
bis sehr starke Head Checks
Mundsburg
Leichte Ausbrüche, Head Checks, Zwei-Punkt-Berührung →
Quietschen
Hauptfehler
Head Checks, leichte Ausbrüche, Wellen
Tabelle 9: Zugbelastung bei der U3
Eine mögliche Vermutung, dass bei höherer Zugbelastung durch die Linie U1 stärkere Schädigungen
auftreten, hat sich mit Hilfe dieser Angaben nicht bestätigt. Die Schienenschäden beider Linien
(Tab. 8 und Tab. 9) sind etwa gleich, obwohl auch für diese Aussage nicht ausreichend
Vergleichsabschnitte mit genauen Beschreibungen zur Verfügung stehen. Die Schädigungen der
Schienen zwischen den Haltestellen Rathaus und Rödingsmarkt resultieren nicht nur aus der Belastung
durch die Züge, sondern aus einer Kombination aus großer Steigung, hoher Belastung und dem
besonders engen Radius.
Aus allgemeiner Erfahrung geht aber hervor, dass sich der Verschleiß an der Schiene proportional zur
Belastung verhält [61].
5.3
Abhängigkeit von der Rad-Schiene-Geometrie
Der Rad-Schiene-Kontakt hat im Bahnbetrieb die Funktionen Tragen, Führen und Ziehen / Bremsen
[54]. Dabei unterliegen Rad und Schiene hohen Beanspruchungen. So wirken beispielsweise bei der
Hamburger Hochbahn Radlasten von maximal 5 t auf eine Kontaktfläche von wenigen
Quadratzentimetern. Dadurch entstehen im Laufflächenbereich Spannungen von 1.000 MPa, die Radund Schienenmaterial schädigen. [55]
Werden allerdings nicht konforme Rad- und Schienenprofile, wie bei der Hochbahn (siehe Abb. 29),
gewählt, so passt sich die Schiene im Laufe der Liegedauer durch Verschleiß dem Radprofil an [26].
Bevor eine konforme Kontaktfläche entsteht, kommt es in Bögen zu einer Zwei-Punkt-Berührung des
33
Radsatzes (Abb. 28). Ein Berührungspunkt liegt auf der Fahrfläche, der andere an der Schienenflanke.
In engen Radien kommt es zu einer Vorverlagerung des Berührungspunktes an der Flanke. Dieser
führt durch das Hinüberziehen des Rades zu Schlupf und zu Spurkranzkräften, die durch Reibung
Seitenverschleiß erzeugen [61]. [58]
Wird die Kontaktspannung zwischen Rad und Schiene sehr groß kommt es durch plastisches Fließen
zu Schäden im Längsprofil der Schiene. Die Kontaktspannung setzt sich zusammen aus der Drucklast
vom Rad (Druckspannung) und Querkräften, die durch Schlupf bei der Bogenfahrt entstehen
(Schubspannung). Wird bei der Überlagerung von Druck- und Schubspannung die resultierende
Kontaktspannung zu groß, kommt es zu Schädigungen. Überschreiten die entstandenen Spannungen
die Flussgrenze, tritt plastische Verformung ein. Oberflächenfehler bei nicht konformer Rad-SchieneGeometrie sind Mikrorisse, die durch Tangentialkräfte mit hoher Reibung zwischen Schiene und Rad
entstehen und Materialabplatzungen am Schienenkopf durch große Kontaktspannungen. [59]
Mikrorisse entstehen bei jedem Rad-Schiene-Kontakt. Ihre Bildung und das Wachstum werden
allerdings durch eine schlechte Anpassung von Rad und Schienen begünstigt. [61]
Wäre die Geometrie von Rad und Schiene besser aufeinander abgestimmt, würde eine größtmögliche
Kontaktfläche gewährleistet werden, wodurch Spannungen und der Verschleiß an Rad und Schiene
minimiert werden würden. [59]
Abbildung 28: Zwei-Punkt-Berührung im Bogen [54]
Um vor allem in engen Radien konformen Kontakt und eine Kontrolle über
Materialermüdungsschädigungen zu erreichen, kommt reprofilierendes Schleifen speziell bei
kopfgehärteten Schienen zum Einsatz [59]. Durch ein gezieltes Schleifen des Schienenkopfes werden
die Geometrien von Rad und Schienen aufeinander abgestimmt und ermöglichen somit einen sicheren
und verschleißarmen Betrieb [60]. Diese Maßnahme senkt langfristig die Lebenszykluskosten und
erhöht die Liegedauer der Schienen [59].
Abbildung 29: Rad-Schiene-Querschnitt bei der Hochbahn [56]
34
5.4
Abhängigkeit von der Steigung
Treten in der Trassierung von U-Bahnstrecken große Steigungen oder Gefälle auf, so kommt es
dadurch, oder in Kombination mit vielen Bögen und größeren Geschwindigkeiten zum Verschleiß der
Stahlschienen [62]. Das liegt vor allem daran, dass beim Fahren auf Strecken mit großer Steigung das
Maximum der Traktionskraft beim Bremsen und Anfahren benötigt wird, wodurch die Schienen
besonders beansprucht werden [61].
5.5
Abhängigkeit von der Radsatzlast
Werden im Schienenbetrieb Fahrzeuge mit immer höheren Radsatzlasten eingesetzt, so kommt es
dadurch zu einer größeren Beanspruchung des Rad-Schienen-Kontaktes. Durch eine Erhöhung der
Festigkeit des Schienenwerkstoffes können daraus resultierende Schädigungen, die in Kapitel 5.3
beschrieben wurden, verringert werden. Deswegen empfiehlt sich bei Strecken mit hohen Radlasten
der Einsatz von bainitischen Stählen. Bei diesen Stählen steigt die Fließrate langsamer mit der
Kontaktspannung an, als bei perlitischen Stählen. Sehr hohe Radsatzlasten mit bis zu 25 t werden
jedoch nur im Güterverkehr erreicht. [43]
Auch wenn bei der Hamburger Hochbahn die Radlasten geringer sind, führen auch dort Erhöhungen
der Radsatzlast zu größeren Belastungen und begünstigen dadurch die Entstehung von
Schienenfehlern.
5.6
Abhängigkeit von Steigung, Zugfrequenz und –belastung sowie Radius
Im Betrieb wirken auf die Schiene Kräfte aus dem Eigengewicht der Fahrzeuge, aus Anfahren und
Bremsen, Temperaturkräfte und Lastkollektive. Im Zusammenspiel mit äußeren Gegebenheiten, wie
große Steigungen und enge Radien, wirken diese Kräfte verschleißfördernd auf das Material. [43]
Wie sich ein enger Radius, große Steigung und eine Befahrung im Fünf-Minuten-Takt auf die
Schienen der Hamburger Hochbahn auswirken, zeigt sich besonders deutlich am Beispiel der Strecke
Rathaus – Rödingsmarkt. Die Kombination dieser Belastungen bewirkt eine starke
Schienenschädigung durch Schleuderstellen, Wellen, Dellen an Schweißnähten und starke Head
Checks. Als Resultat entstehen bei jeder Überfahrt vermehrte Lärmbelästigungen.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass ein Zusammenspiel mehrerer negativer Belastungen die
Entstehung von Schienenschädigungen begünstigt und zu einer besonders starken Ausprägung dieser
führen kann.
35
6
Life Cycle Costing
6.1
Grundlagen und Ziele
Life Cycle Costing (LCC) ist ein Instrument zur Kalkulation der Lebenszykluskosten eines Produktes
und zur Kostenkontrolle [36]. Zu diesem aktiven und situativen Prozess der
Lebenszykluskostenkalkulation gehört die Erfassung, Analyse und Planung der lebenswegbezogenen
Kosten [37]. Der Lebensweg eines Produktes ist nach DIN EN ISO 14040 als „Aufeinanderfolge und
miteinander verbundene Stufen eines Produktsystems von der Rohstoffgewinnung natürlicher
Ressourcen bis zur endgültigen Beseitigung“ [39] definiert. Entwickelt wurde die LCC-Methode in
den 1930er-Jahren, als sie erstmals für die Beschaffung von Traktoren in der Landwirtschaft eingesetzt
wurde [38]. Die Systemgrenzen sind mit Cradle-to-Grave zu beschreiben, da der gesamte
Lebenszyklus betrachtet wird. Weltweit werden durch Life Cycle Costing Projekte, Produkte und
Dienstleistungen bewertet.
Ziel der LCC-Methode ist die Beschreibung der Gesamtkosten eines Systems oder Produktes über
seinen definierten Lebensweg [37] und die langfristige Kostenoptimierung. Die von den
Produktherstellern und Anlagenbetreibern dafür benötigten Eingabewerte resultieren aus der
Betrachtung sämtlicher über den Lebenszyklus anfallenden Kosten. Mit diesen Eingabewerten können
verschiedene Konstruktionen und Betriebsstrategien entwickelt werden und hinsichtlich ihrer
Kostenwirkungen im Lebenszyklus betrachtet werden.
Am sinnvollsten ist die Anwendung der LCC-Rechnung in der frühen Entwurfs- und
Entwicklungsphase. So kann schon der erste Produktentwurf auf seine Kostenwirkung überprüft und
gegebenenfalls verbessert werden. Aber auch während der Verwendung eines Produktes ist eine
Kostenkalkulation hilfreich, um die Wirtschaftlichkeit von angewendeten Betriebsstrategien zu
beurteilen.
Nach der DIN IEC 60300-3-3 [40] besteht ein Produktlebenszyklus aus folgenden Phasen:
Abbildung 30: Lebenszyklusphasen eines Produktes [40]
Bei LCC-Studien, die vom Einkauf eines fertigen Produktes zu einem vom Hersteller definierten Preis
ausgehen, ist eine Dreiteilung des Lebenszyklus in die drei Phasen Beschaffung und Inbetriebnahme,
Betrieb und Unterhaltung sowie Außerbetriebnahme und Entsorgung hilfreich. [18]
36
6.2
Vorgehen
1. Zielfindung
Zu Beginn der LCC-Analyse müssen die geforderten Funktionen und Leistungen an das Produkt oder
die Anlage festgelegt werden.
2. Identifikation möglicher Alternativen
Aus der Zielfeststellung, die die Anforderungen erfüllen, lassen sich nun Alternativen im Bereich
Beschaffung und Entwicklung ableiten. Damit ein Vergleich durchführbar ist, muss bei beiden
Alternativen die gleiche Funktionalität gewährleistet sein.
3. Erfassung von Informationen
Um die Lebenszykluskosten eines Produktsystems genau bestimmen zu können, müssen notwendige
Informationen wie die Dauer des Lebenszyklus, die Bestimmung der zukünftigen Zahlungsströme und
die Höhe des Diskontierungssatzes erfasst werden.
4. Festlegung der Zielkosten
Nachdem die Rahmenbedingungen gesetzt wurden, erfolgt die Bestimmung akzeptabler Kosten für die
Herstellung, den Betrieb und die Entsorgung in den einzelnen Produktlebensphasen.
5. Ergebnisanalyse
Abschließend erfolgt die Diskontierung der anfallenden Zahlungsströme über den Lebenszyklus auf
den Anschaffungszeitpunkt [38]. Dafür werden zunächst für die Zahlungen jeden Jahres die Barwerte
berechnet, die die Auswirkungen unterschiedlicher Zeitpunkte von Zahlungsströmen im Lebenszyklus
beachten. Durch die Aufsummierung der jährlichen Barwerte ergeben sich die Lebenszykluskosten
(Abb. 31). [35]
Abbildung 31: Errechnung von Lebenszykluskosten [35]
6.3
Rahmenbedingungen
Um die Lebenszykluskosten von Schienen bei der Hochbahn zu berechnen, müssen die
Systemgrenzen abgesteckt werden. Da sich die Hamburger Hochbahn für eine LCC-Analyse von der
Beschaffung der Schienen bis zu deren Entsorgung interessiert, werden in die Berechnung nur die
37
Kosten der Lebensphasen Einbau und Inbetriebnahme, Betrieb und Instandhaltung sowie Entsorgung
einfließen. Die Methode des Life Cycle Costing findet ihren Einsatz auch in der Bestimmung der
Wirtschaftlichkeit von kopfgehärteten und normal vergüteten Schienen. Dafür werden die
Lebenszykluskosten der beiden Varianten bezogen auf ihre Lebensdauer gegenübergestellt. Aus den
Gesamtkosten lassen sich die Jahreskosten der jeweiligen Alternative berechnen und bieten so mit der
Einheit Kosten pro laufender Meter [€/m] den direkten Vergleich.
6.4
Berechnungsgrundlagen
Durch das Aufsummieren der Barwerte über
Lebenszykluskosten eines Produktes ermittelt [35].
Für die Berechnung gilt folgende Formel:
den
Betrachtungszeitraum
werden
die
LCC  t 0 C t  (1  i )  n [18]
N
LCC  
mit: Ct:
t:
N:
i:
n:
Summe der Kostenelemente im Jahr t
Jahr in der Zeitspanne der LCC-Betrachtung
Länge der betrachteten Zeitspanne in Jahren
Kalkulationszinssatz
Anzahl der Jahre zwischen Bezugsjahr und Jahr der Zahlung
Werden die Alternativen A und B miteinander verglichen so entspricht die LCC-Differenz der
Differenz ihrer beiden Barwerte.
LCC  t 0 (C tA  C tB )  (1  i )  n [18]
N
Um eine Life-Cycle-Cost-Analyse für die 49E1-Schienen (ehemals S49-Schienen) der Hamburger
Hochbahn durchzuführen, werden sämtliche Kostenblöcke, die sich während der Liegedauer der
Schienen ergeben, ermittelt. Zu diesen Kostenblöcken zählen Investitionskosten, Installationskosten,
Instandhaltungskosten und mögliche Entsorgungskosten. Daraus ergibt sich für die Berechnung der
Gesamtkosten die Formel:
LCC  Cinvest.  Cinstall.  Cins tan d .  Centsorg.
Mithilfe der unterschiedlichen Liegedauern von normal vergüteten und kopfgehärteten Schienen
lassen sich die jeweiligen Jahreskosten berechnen.
Die Liegedauer von normal vergüteten Schienen der Regelgüte R260 beträgt im Schnitt 25 bis 30
Jahre [35]. Für die Lebensdauer von kopfgehärteten Schiene der Güteklasse R 350 HT liegen von
Seiten der Hersteller keine Angaben vor. Deshalb wird von der Hamburger Hochbahn empfohlen,
diese durch das lineare Hochrechnen des Verschleißes aus Messdaten der Vossloh Rail Services zu
ermitteln. Dabei wird von der Hochbahn angenommen, dass der Verschleiß in den ersten zwei Jahren
nach Einbau der kopfgehärteten Schiene doppelt so hoch ist wie der konstante Verschleißwert, der
sich nach etwa zwei Jahren Betrieb einstellt. [26]
Der Grenzwert für die senkrechte sowie die seitliche Abnutzung beträgt nach AzRUO 20 mm. Aus der
Zusammenfassung des Berichtes lässt sich ein durchschnittlicher senkrechter Verschleiß von weniger
als 0,4 mm pro Jahr bei einem Großteil der Schienen ermitteln. Bei den bekannten engen Bögen
38
beträgt er ca. 0,35 mm. Der seitliche Verschleiß liegt bei den meisten Schienen im Durchschnitt bei
weniger als 0,5 mm. [46]
Die Verschleißwerte für die ersten zwei Jahre nach Neueinbau werden aus den Messdaten von 2007,
2008, 2010 und 2011 durch die Mittelung des Verschleißes aller Schienen mit einer Liegedauer von
ein (Tab. 10) bis zwei Jahren (Tab. 11) bestimmt.
Jahr
Messpunkt Liegedauer
Jahren
in Seitlicher
mm
Verschleiß in Senkrechter Verschleiß in
mm
2007
C3
C10
E7
E8
1
1
1
1
1,5
1,5
2,0
1,0
1,0
0,5
0,0
0,0
C1
C2
C3
C4
C5
C6
C15
1
1
1
1
1
1
1
1,5
0,5
1,5
1,5
2,0
0,5
1,0
0,0
0,5
0,0
0,5
0,5
0,5
0,0
0,5
0
2008
2010
C13
2011
C18
Keine Angabe
1,0
C20
Keine Angabe
1,0
C22
Keine Angabe
0,5
15 mm
6 mm
Summe
Durchschnittlicher Verschleiß
1,25 mm
0,4 mm
Tabelle 10: Durchschnittlicher Verschleiß bei HSH-Schienen; 1 Jahr nach Einbau
39
Jahr
Messpunkt Liegedauer
Jahren
in Seitlicher Verschleiß in Senkrechter Verschleiß in
mm
mm
2008
C8
C10
E7
E8
2
2
2
2
0,5
0,0
0,0
0,0
0,5
0,0
0,5
0,5
2010
C1
2
1,5
1,0
C2
2
0,0
0,5
C3
2
1,5
1,0
C4
2
0,0
0,5
C5
2
1,5
0,5
C6
2
0,0
0,5
C15
2
0,5
0,0
5,5 mm
5,5 mm
Summe
Durchschnittlicher Verschleiß
0,5 mm
0,5 mm
Tabelle 11: Durchschnittlicher Verschleiß bei HSH-Schienen in den ersten 2 Jahren nach
Einbau
Mittelwertberechnung:
(0,5 mm + 1,25 mm) / 2 = 0,875 mm seitlicher Verschleiß
(0,5 mm + 0,4 mm) / 2 = 0,45 mm senkrechter Verschleiß
Als mittlerer Wert für den Verschleiß der ersten zwei Jahre ergibt sich für den seitlichen Verschleiß
0,875 mm und für den senkrechten Verschleiß 0,4 mm.
Mit diesem Werten wird ein maximal zulässiger seitlicher Verschleiß von 20 mm nach ca. 40 Jahren
erreicht. Der Grenzwert für den senkrechten Verschleiß von ebenfalls 20 mm wird nach
50 bis 56 Jahren erreicht. Der geringere Wert ist für das Einhalten der Grenzwerte nach AzRUO
maßgebend. Es ergibt sich somit eine durchschnittliche Liegedauer der kopfgehärteten Schiene von
etwa 40 Jahren.
40
Lebenszykluskosten für normal vergütete Schienen
Kostenblock
Beschaffungskosten [€/m]
einmalig
Kosten
für
komplette
Schienenerneuerung
(ohne
Material) [€/m]
einmalig
Instandhaltungskosten [€/m]
Alle drei Jahre
Normal vergütete Schiene der Regelgüte R260
Minimal
Maximal
Gerade:
Vorgebogen (bei R≤300 m):
- 40 [26]
- 55 [26]
Einseitig:
Beidseitig:
- 300 [26]
- 550 [26]
Schleifzug pro Einsatz:
- 8,33 [26]
Entsorgungskosten (Schrotterlös) + 9,89 [26]
[€/m]
einmalig
Gesamtkosten [€/m]
406,468
Jahreskosten bezogen auf die 14,781
Liegedauer [€/m]
Jahreskosten bezogen auf 40 781,176/40=19,529
Jahre [€/m]
Tabelle 12: LCC für R260-Schienen
Externe Schleifmaschine
Einsatz:
- 44 [30]
+ 9,89 [26]
998,443
36,307
1.786,776/40=44,669
Anmerkungen
Beim Instandhaltungsschleifen wird durch mehrere Überfahrten ein Materialabtrag von mindestens
0,3 mm erreicht. Durch diesen Abtrag werden Fehleransätze vollkommen entfernt und ein
Optimalzustand der Schienen erreicht [64].
Instandhaltungskosten Schleifzug: 2.500 €/Schicht = 0,3 mm Materialabtrag auf 300 m [26]
→ 2.500/300 = 8,33 €/m
Schrotterlös: 49E1 Schiene wiegt 49,43 kg/m [45]
Schrotterlös (stark schwankend) 200 €/t
→ 0,2 €/kg → 0,2 €/kg * 49,43 kg/m = 9,89 €/m
Minimal: Beschaffungskosten für eine gerade Schiene, einseitige Schienenerneuerung, Instandhaltung
mittels Schleifzug, durchschnittliche Liegedauer von (25+30)/2=27,5 Jahren
Maximal: Beschaffungskosten für eine vorgebogene Schiene, beidseitige Schienenerneuerung,
Instandhaltung
mittels
externer
Schleifmaschine,
durchschnittliche
Liegedauer
von
(25+30)/2=27,5 Jahren
41
pro
Lebenszykluskosten für kopfgehärtete Schienen
Kostenblock
einmalig
Kosten
für
komplette
Schienenerneuerung
(ohne
Material) [€/m]
einmalig
Instandhaltungskosten [€/m]
Alle drei Jahre
Kopfgehärtete Schiene der Regelgüte R350HT
Minimal
Maximal
Vorgebogen:
Vorgebogen:
- 70 [26]
- 70 [26]
Einseitig:
Beidseitig:
- 300 [26]
- 550 [26]
Schleifzug pro Einsatz:
- 8,33 [26]
Entsorgungskosten
+ 9,89 [26]
(Schrotterlös) [€/m]
einmalig
471,177
Jahreskosten bezogen auf die 11,779
Liegedauer [€/m] (40 Jahre)
Tabelle 13: LCC für R350HT-Schienen
Externe Schleifmaschine pro
Einsatz:
- 44 [30]
+ 9,89 [26]
1196,777
29,919
Anmerkungen
Minimal: bezogen auf eine Liegedauer von 40 Jahren, einseitige Schienenerneuerung, Instandhaltung
mittels Schleifzug
Maximal: bezogen auf eine Liegedauer von 40 Jahren, beidseitige Schienenerneuerung, Instandhaltung
mittels externer Schleifmaschine
Beim Vergleich der Jahreskosten bezogen auf 40 Jahre von der vorgebogenen R260-Schiene mit der
vorgebogenen R350HT-Schiene, zeigt sich, dass die R260-Schienen mit 44,669 €/m wesentlich teurer
gegenüber der R350HT-Schienen mit 29,919 €/m sind. Die Differenz von 14,75 €/m entsteht durch
zusätzliche Kosten für die Beschaffung und Erneuerung der normal vergüteten Schienen nach
maximal 30 Jahren. Diese Kosten werden fällig, da der Lebenszyklus von normal vergüteten Schienen
kürzer ist, als der der kopfgehärteten Schienen.
6.5
Berechnung der LCC von Schienen in ausgewählten Abschnitten
Um die Lebenszykluskosten in den ausgewählten Abschnitten sowohl für die HSH-Schienen, als auch
für normal vergütete Schienen zu berechnen und die Ergebnisse leichter zu vergleichen werden
folgende Annahmen getroffen:
- In den Bögen werden vorgebogene Schienen eingebaut
- Instandhaltung mit eigenem Schleifzug
- Beidseitige Schienenerneuerung
- Lebensdauer R260 : (25+30)/2= 27,5 Jahre
- Lebensdauer R350HT: 40 Jahre
42
6.5.1 Barmbek
Bei der Haltestelle Barmbek wurden die Bögen A 77,3 und A 77,1 betrachtet. Die Bogenlänge von
A 77,3 entspricht 64,932 m [47], das sind 129,864 m bei zwei Schienen pro Gleis. Die Bogenlänge
von A 77,1 entspricht 120, 680 m [47], das sind 241,36 m bei zwei Schienen pro Gleis.
Kostenblock
R260
vorgebogen
- 55
Kosten für komplette Schienenerneuerung, beidseitig - 550
[€/m]
Instandhaltungskosten, Schleifzug alle drei Jahre [€/m]
- 8,33
Entsorgungskosten [€/m]
+ 9,89
671,468
Jahreskosten bezogen auf Lebensdauer [€/m]
24,417
Jahreskosten des gesamten Bogens bezogen auf 3170,889
Lebensdauer [€]
Jahreskosten bezogen auf 40 Jahre [€/m]
32,779
Jahreskosten des gesamten Bogens bezogen auf 40 Jahre 4.256,812
[€]
Tabelle 14: Vergleich LCC von R260 und R350HT, Bogen A 77,3 Barmbek
R350HT
vorgebogen
- 70
- 550
Kostenblock
R350HT
vorgebogen
- 70
- 550
- 8,33
+ 9,89
721,177
18,029
4.351,479
R260
vorgebogen
- 55
Kosten für komplette Schienenerneuerung, beidseitig [€/m] - 550
- 8,33
+ 9,89
671,468
24,417
Jahreskosten des gesamten Bogens bezogen auf 5.893,287
Lebensdauer [€]
32,779
[€]
Tabelle 15: Vergleich LCC von R260 und R350HT, Bogen A 77,1 Barmbek
- 8,33
+ 9,89
721,177
18,029
2341,318
18,029
2.341,318
18,029
4.351,479
6.5.2 Mundsburg
Zwischen den Haltestellen Uhlandstraße und Mundsburg wurden die Bögen A 67,1 und A 67,2
betrachtet. Hier entspricht die Bogenlänge von A 67,1 238,394 m [48], das sind 476,788 m bei zwei
Schienen pro Gleis. Die Bogenlänge von A 67,2 entspricht 241,579 m [48], das sind 483,158 m bei
zwei Schienen pro Gleis.
43
Kostenblock
R260
R350HT
vorgebogen
vorgebogen
- 55
- 70
- 550
- 8,33
- 8,33
+ 9,89
+ 9,89
671,468
721,177
24,417
18,029
8.596,011
Lebensdauer [€]
32,779
18,029
8.596.011
[€]
Tabelle 16: Vergleich LCC von R260 und R350HT, Bogen A 67,1 Mundsburg
Kostenblock
R260
R350HT
vorgebogen
vorgebogen
- 55
- 70
- 550
- 8,33
- 8,33
+ 9,89
+9,89
671,468
721,177
24,417
18,029
8.710,856
Lebensdauer [€]
32,779
18,029
8.710,856
[€]
Tabelle 17: Vergleich LCC von R260 und R350HT, Bogen A 67,2 Mundsburg
Mit Hilfe der gesetzten Annahmen lassen sich nun die Jahreskosten bezogen auf 40 Jahre und die
Jahreskosten des gesamten Bogens bezogen auf 40 Jahre für jeden Bogen für die R260-Schienen und
für die R350-Schienen berechnen.
Dafür werden die Jahreskosten bezogen auf die jeweilige Lebensdauer von 24,417 €/m bei der normal
vergüteten Schiene und 18,029 €/m bei der kopfgehärteten Schiene mit der doppelten Bogenlänge
(zwei Schienen pro Gleis) multipliziert, um die Jahreskosten des gesamten Bogens bezogen auf die
jeweilige Lebensdauer zu ermitteln.
Anschließend werden die ermittelten Werte von 32,779 € bei der normal vergüteten Schiene und
18,029 € bei der HSH-Schiene für die Jahreskosten bezogen auf 40 Jahre mit der doppelten
Bogenlänge multipliziert, um die Jahreskosten des gesamten Bogens bezogen auf 40 Jahre zu erhalten.
6.5.3 Rathaus – Rödingsmarkt
Zwischen Rathaus und Rödingsmarkt wurden die Bögen A 39,1 und A 39,2, A 40,1 und A 40, 2,
A 41,1 und A 41,2, sowie die Bögen A 42,1 und A 42,2 begangen. Die Analyse der
44
Lebenszykluskosten erfolgt bei Bogen A 39,1 (Bogenlänge von 89,262 m) auf 178,524 m, bei Bogen
A 39,2 (Bogenlänge von 95,110 m) auf 190,220 m, bei Bogen A 40,1 (Bogenlänge von 102,446 m)
auf 204,892 m, bei Bogen A 40,2 (Bogenlänge von 101,856 m) auf 203,712 m, bei Bogen A 41,1
(Bogenlänge von 55,317 m) auf 110,634 m, bei Bogen A 41,2 (Bogenlänge von 53,484 m) auf
106,968 m, bei Bogen A 42,1 (Bogenlänge von 67,681 m) auf 135,362 m und bei Bogen A 42,2
(Bogenlänge von 63,788m) auf 127,576 m. [49]
Kosten A 39,1
R260
vorgebogen
24,417
auf 4.359,021
Jahreskosten des gesamten Bogens bezogen
Lebensdauer [€]
32,779
[€]
Tabelle 18: Vergleich LCC von R260 und R350HT, Bogen A 39,1 RA-RD
Kosten A 39,2
R260
vorgebogen
24,417
4.644,602
Jahreskosten des gesamten Bogens bezogen auf
Lebensdauer [€]
32,779
Jahreskosten des gesamten Bogens bezogen auf 40 Jahre
6.235,221
[€]
Kosten A 40,1
R260
vorgebogen
24,417
auf 5.002,848
Lebensdauer [€]
32,779
[€]
Kosten A 40,2
R260
vorgebogen
24,417
auf 4.974,036
Lebensdauer [€]
32,779
[€]
R350HT
vorgebogen
18,029
3.218,609
18,029
3.218,609
R350HT
vorgebogen
18,029
3.429,476
18,029
3.429,476
R350HT
vorgebogen
18,029
3.693,998
18,029
3.693,998
R350HT
vorgebogen
18,029
3.672,724
18,029
3.672,724
45
Kosten A 41,1
R260
vorgebogen
24,417
auf 2.701,350
Lebensdauer [€]
32,779
[€]
Kosten A 41,2
R260
vorgebogen
24,417
auf 2.611,838
Lebensdauer [€]
32,779
[€]
Kosten A 42,1
R260
vorgebogen
24,417
auf 3.305,134
Lebensdauer [€]
32,779
[€]
Kosten A 42,2
R260
vorgebogen
24,417
auf 3.115,023
Lebensdauer [€]
32,779
[€]
R350HT
vorgebogen
18,029
1.994,620
18,029
1.994,620
R350HT
vorgebogen
18,029
1.928,526
18,029
1.928,526
R350HT
vorgebogen
18,029
2.440,441
18,029
2.440,441
R350HT
vorgebogen
18,029
2.300,068
18,029
2.300,068
6.5.4 Landungsbrücken
An der Haltestelle wurden die Bögen A 25,1 und A 25,2, sowie A 27,1 und A 27,2 betrachtet. Bei
einer Bogenlänge von 65,63 m ergibt sich für Bogen A 25,1 eine Strecke von 131,27 m bei zwei
Schienen pro Gleis, bei Bogen A 25,2 m mit einer Bogenlänge von 66,792 m sind es 133,584 m. Bei
46
Bogen A 27,1 mit einer Bogenlänge von 54,001 m, müssen die LCC für 108,002 m berechnet werden,
bei Bogen A 27,2 (Bogenlänge: 46,132 m) sind es 92,264 m. [50]
Kosten A 25,1
R260
vorgebogen
24,417
auf 3.205,220
R350HT
vorgebogen
18,029
2.366,667
R260
vorgebogen
24,417
auf 3.261,721
R350HT
vorgebogen
18,029
2.408,386
R260
vorgebogen
24,417
auf 2..637,085
R350HT
vorgebogen
18,029
1.947,168
R260
vorgebogen
24,417
auf 2.252,810
R350HT
vorgebogen
18,029
1.663,428
Lebensdauer [€]
32,779
18,029
2.366,667
[€]
Tabelle 26: Vergleich LCC von R260 und R350HT, Bogen A 25,1 Landungsbrücken
Kosten A 25,2
Lebensdauer [€]
32,779
18,029
2.408,386
[€]
Kosten A 27,1
Lebensdauer [€]
32,779
18,029
1.947,168
[€]
Kosten A 27,2
Lebensdauer [€]
32,779
18,029
1.663,428
[€]
47
6.5.5 Klosterstern
An der Haltestelle wurden die Bögen C 70,1, C 70,21 und C 70,22 besucht. Es sind die
Lebenszykluskosten bei Bogen C 70,1 (Bogenlänge von 146,634 m) für 293,268 m zu berechnen, bei
Bogen C 70,21 (Bogenlänge von 48,357 m) für 96,714 m und bei Bogen C 70,22 (Bogenlänge von
96,000 m) für 192,000 m. [51]
Kosten C 70,1
R260
vorgebogen
24,417
auf 7.160,725
R350HT
vorgebogen
18,029
5.287,329
R260
vorgebogen
24,417
auf 2.361,466
R350HT
vorgebogen
18,029
1.743,657
R260
vorgebogen
24,417
auf 4.688,064
R350HT
vorgebogen
18,029
3.461,568
Lebensdauer [€]
32,779
18,029
5.287,329
[€]
Tabelle 30: Vergleich LCC von R260 und R350HT, Bogen C 70,1 Klosterstern
Kosten C 70,21
Lebensdauer [€]
32,779
18,029
1.743,657
[€]
Kosten C 70,22
Lebensdauer [€]
32,779
18,029
3.461,568
[€]
48
6.5.6 Meßberg
An der Haltestelle Meßberg werden die Lebenszykluskosten bei dem Bogen C 202,1 (Bogenlänge von
199,966 m) für 399,932 m und bei dem Bogen C 202,2 (Bogenlänge von 274,100 m) für 548,200 m
berechnet. [52]
Kosten C 202,1
R260
vorgebogen
24,417
auf 9.765,140
R350HT
vorgebogen
18,029
7.210,374
R260
vorgebogen
24,417
auf 13.385,399
R350HT
vorgebogen
18,029
9.883,498
Lebensdauer [€]
32,779
18,029
7.210,374
[€]
Tabelle 33: Vergleich LCC von R260 und R350HT, Bogen C 202,1 Meßberg
Kosten C 202,2
Lebensdauer [€]
32,779
18,029
9.883,498
[€]
Tabelle 34: Vergleich LCC von R260 und R350HT, Bogen C 202,2 Meßberg
Ergebnis der Berechnungen
Die Jahreskosten bezogen auf 40 Jahre der Schienengüte R350HT sind ca. 55 % der Jahreskosten
bezogen auf 40 Jahre der Güte R260 (18,029/32,779=0,55). Somit kostet ein gesamter Bogen im Jahr
bezogen auf 40 Jahre, bei dem Schienen der Stahlsorte R350HT verbaut werden, auch 45 % weniger,
als ein Bogen mit Schienen der Regelgüte R260.
49
7
Empfehlung für die Wahl von Schienen
7.1
Beeinflussende Faktoren
Die Wahl zwischen normal vergüteter Schiene und kopfgehärteter Schienen für einen bestimmten
Gleisabschnitt hängt von mehreren Faktoren ab. Diese Faktoren können streckenspezifisch sein.
Negative Belastungen für die Gleise sind enge Radien, große Steigungen, hohe Zugfrequenz und
große Fahrgeschwindigkeiten.
Bei diesen stark beanspruchten Gleisen hat sich der Einsatz von hochfesten HSH-Schienen als
vorteilhaft erwiesen [4].
Ebenso ist das Riffelwachstum, hervorgerufen durch die streckenspezifischen Belastungen, auf
kopfgehärteten Schienen ein Drittel geringer, als bei Schienen der Regelgüte 900A. Allgemein ist der
Verschleiß bei HSH-Schienen 40 % niedriger als bei der Standardschiene der Güte 900A. [6]
Diese erhöhte Verschleißbeständigkeit bei der kopfgehärteten Schiene führt zu einer Erhöhung der
Lebensdauer [4]. Diese benötigte oder gewünschte Lebensdauer seitens der Gleisbetreiber ist ebenfalls
ein Faktor, der bei der Wahl der Schienengüte eine Rolle spielt.
Stark verbunden mit der Lebensdauer von Schienen sind auch die Lebenszykluskosten, die während
der Betriebszeit anfallen. Dieser finanzielle Faktor ist abhängig von der gewünschten Einsatzzeit.
Werden vorgebogene normal vergütete Schienen eingebaut, so sind ihre Gesamtkosten [€/m] geringer
als bei der kopfgehärteten Schiene. Bei der Bestimmung der Jahreskosten [€/m] bezogen auf die
jeweilige Lebensdauer, sind diese bei der kopfgehärteten Schiene etwa ein Viertel geringer als bei
normal vergüteten Schienen (vgl. Kapitel 6.5.1). Somit lohnt sich der Einsatz von kopfgehärteten
Schienen in Bögen, wenn eine möglichst lange Betriebszeit gewünscht wird. Grundsätzlich sollten
HSH-Schienen nicht in der Geraden verlegt werden, da hier aufgrund des fehlenden Längs- und
Querschlupfes, der nur bei Kurvenfahrt entsteht, defektes Material nicht durch Verschleiß abgetragen
wird und sich Schädigungen immer weiter in die Schiene bohren.
Da allgemein nur stark belastete Bereiche bei der Hochbahn besichtigt wurden, wird die Wahl bei den
Faktoren möglichst lange Lebensdauer und geringe Jahreskosten immer auf die kopfgehärtete
Schienen fallen. Bei weniger belasteten Gleisabschnitten, wie zum Beispiel in der Geraden, können
eine lange Lebensdauer und möglichst geringe Jahreskosten auch durch die normal vergütete R260Schiene gewährleistet werden.
50
7.2
Wahl der Schiene in betrachteten Abschnitten
Abschnitt
Faktoren
Strecke
Faktor
Lebensdauer
Faktor
Kosten
Empfehlung
Barmbek
Eigenschaften
R260
R≤100m;
5-Min-Takt;
maximale
Steigung
von 2 %
R350HT
X
Lange Lebensdauer
X
erwünscht
Jahreskosten
so
X
gering wie möglich
Beim Abschnitt Barmbek wird die R350HTSchiene, wegen den großen Belastungen und
der guten Erfahrungen der HH auf dieser
Strecke mit kopfgehärteten Schienen,
gewählt.
Mundsburg
Eigenschaften
R260
R≥200m;
maximale
Steigung
von 0,8 %
X
R350HT
Lange
Lebensdauer
X
erwünscht
Jahreskosten so gering
X
wie möglich
Aufgrund
relativ
geringer
äußerer
Belastungen würden Schienen der Güte R260
genügen. Da lange Lebensdauer und geringe
Kosten vorrangig sind, wird die R350HTSchiene empfohlen.
Rathaus – Rödingsmarkt
Eigenschaften
R260
R350HT
Kleinster Radius im Netz
mit 69,45 m;
5-Min-Takt;
X
Maximal Steigung von 5
%
Lange
Lebensdauer
X
erwünscht
Jahreskosten so gering wie
X
möglich
Auf den Gleisen zwischen Rathaus und
Rödingsmarkt wird der Einsatz von R350HTSchienen, aufgrund der starken Schädigungen der
Schienen, empfohlen. Bei derart großen
Belastungen würden R260-Schienen noch schnell
ausgetauscht werden müssen
Tabelle 35: Empfehlung der Schienengüte für Barmbek, Mundsburg und Rathaus - Rödingsmarkt
51
Abschnitt
Faktoren Strecke
Landungsbrücken
Eigenschaften
R260
100m ≤R≤ 100 m;
Maximale Steigung von
2,5%
X
R350HT
X
Klosterstern
Eigenschaften
R260 R350HT
R ≤ 100 m;
5-Min-Takt;
Maximale Steigung
X
von 5 %;
150 m lange Züge
Lange Lebensdauer
X
erwünscht
Jahreskosten
so
X
gering wie möglich
Im betrachteten Abschnitt Klosterstern
wird aufgrund der starken Belastungen,
die auch zu Lärmbelästigung führen, die
R350HT-Schiene gewählt.
Faktor Liegedauer Lange
Lebensdauer
X
erwünscht
Faktor Kosten
Jahreskosten so gering wie
X
möglich
Empfehlung
Aufgrund der Belastungen und der gewünschten
geringeren Kosten durch eine längere Lebensdauer
werden R350HT-Schienen empfohlen. Soll
allerdings der Referenzcharakter des Abschnitts
(siehe Kapitel 4.4) erhalten bleiben wird weiterhin
zum Einsatz von R260-Schienen geraten.
Tabelle 36: Empfehlung der Schienengüte für Landungsbrücken, Klosterstern und Meßberg
Meßberg
Eigenschaften
R260
R≈150 m;
Maximale Steigung
von 0,5 %
X
R350HT
Lange Lebensdauer
X
erwünscht
Jahreskosten
so
X
gering wie möglich
Die
geringen
streckenspezifischen
Faktoren lassen eine Empfehlung der
R260-Schiene zu. Kostenaspekte führen
allerdings zur Empfehlung der R350HTSchiene.
Bei allen Abschnitten führen vor allem der Aspekt Lebensdauer und Jahreskosten nach Kapitel 6 zur Empfehlung der kopfgehärteten R350HT-Schiene.
Allerdings fließen in diese Wahl auch subjektive Aspekte mit ein und müssen in jedem Fall mit Erfahrungswerte der Hamburger Hochbahn abgeglichen werden.
52
8
Fazit
In dieser Arbeit wurden Schienen bei der Hamburger Hochbahn in stark beanspruchten
Gleisabschnitten hinsichtlich ihrer Schädigungen, Liegedauern, die durch bestimmte Faktoren
beeinflusst werden, und ihrer Kosten über den Lebenszyklus untersucht, um daraus eine Empfehlung
für die Wahl der am besten geeigneten Schienengüte abzuleiten. Dabei ergab sich, dass die
Schienenfehler, die mit ihrem Vorkommen und ihrer Ausprägungen maßgebend für die Lebensdauer
der Schienen sind, bei der Hochbahn abhängig vom Radius, von der Belastung durch das Zuggewicht,
von der Rad-Schiene-Geometrie, der Steigung und der Radsatzlast sind. Kombinationen aus diesen
Belastungsfaktoren führen zu einer besonders stark ausgeprägten Schädigung der Schienen.
Um auch den Kostenaspekt bei der Wahl der Schienen mit einbeziehen zu können, wurden jeweils für
die normal vergütete R260-Schiene und für die kopfgehärtete R350HT-Schiene die
Lebenszykluskosten berechnet. Bei einem allgemeinen Vergleich der Jahreskosten bezogen auf die
jeweilige Liegedauer der Schienen ist die R260-Schiene günstiger als die kopfgehärtete Schiene. Um
einen direkten Vergleich herzustellen, werden die Lebenszykluskosten bezogen auf 40 Jahre
betrachtet. Dafür werden die Gesamtkosten der jeweiligen Schienengüte für 40 Jahre ermittelt und
anschließend durch 40 dividiert. Durch den verlängerten Betrachtungsraum fallen bei der R260Schiene doppelte Kosten für die Beschaffung und Erneuerung der Schienen an, da normal vergütete
Schienen eine Liegedauer von höchstens 30 Jahren haben. Unter identischen Bedingungen
(vorgebogene Schienen, beidseitiger Einbau und Instandhaltung mit externer Schleifmaschine) ist die
R260-Schiene bei einem Betrachtungszeitraum von 40 Jahren allerdings 25 % teurer als die R350HTSchiene. Auch bei der Berechnung der LCC der betrachteten Bögen bei der Hochbahn zeigt sich beim
Vergleich von R260-Schiene mit R350HT-Schiene unter gleichen Bedingungen (vorgebogene
Schienen, beidseitige Erneuerung und Instandhaltung mit eigenem Schleifzug), dass die Jahreskosten
bei einem Betrachtungszeitraum von 40 Jahren beim Einbau von kopfgehärteten Schienen 45 %
geringer sind als bei normal vergüteten Schienen.
Basierend auf den starken Belastungen, die auf die besonders beanspruchten Abschnitte wirken, und
den Ergebnissen der LCC-Analyse bei einer möglichst langen Lebensdauer wird der Einsatz der
kopfgehärteten R350HT-Schienen für alle betrachteten Gleisabschnitte empfohlen. Auf weniger
belasteten Strecken im Netz der Hochbahn, die im Rahmen dieser Arbeit allerdings nicht betrachtet
wurden, lassen sich eine lange Liegedauer und geringe Lebenszykluskosten aber auch mit normal
vergüteten Schienen realisieren, sodass es dort auch zu einer Empfehlung der R260-Schiene kommen
kann.
Aufgrund relativ geringer Datensätze bezüglich des Vergleichs normal vergüteter und kopfgehärteter
Schienen sowie deren Schadensanfälligkeit unter ähnlichen Bedingungen sind diese Empfehlungen
nicht maßgebend, sondern lediglich das Ergebnis der Interpretation vorhandener Daten. Um einen
besseren Vergleich herzustellen, hätten neben den untersuchten hochbelasteten Bereichen auch normal
belastete Streckenabschnitte betrachtet werden können. Möglich wäre das Sichtbarwerden eines
deutlicheren
Zusammenhanges
bestimmter
Belastungen
und
daraus
resultierenden
Schienenschädigungen.
Unter anderen Vorgehensweisen und einem größeren Datenvolumen kann es gegebenenfalls zu
anderen Ergebnissen und Empfehlungen kommen.
53
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59
Anhang
60
61

Kim Sarah Pollak - Überwachungsgemeinschaft Gleisbau e.V.

Transcription

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