Warum fahren Züge auf Schienen? (Physik des Stahls-auf-Stahllauf)

Schienen sind die wesentliche Infrastruktur einer Eisenbahn. Ihre Funktion besteht darin, die Räder des Zuges vorwärts zu führen und gleichzeitig dem enormen Druck standzuhalten, den die Räder auf sie ausüben. Die Stahlschiene bietet eine glatte, stabile und kontinuierliche Rollfläche für die vorbeifahrenden Räder und fungiert auf elektrifizierten oder automatisch signalisierten Strecken auch als Gleisleiter, der die Zugbelegung erkennt. Die Frage ist, warum diese Anordnung so effektiv ist, dass keine andere geführte Transporttechnologie sie ersetzt hat.

Drei physikalische Gründe für Stahl-auf-Stahl

1. Sehr geringer Rollwiderstand.Ein Stahlrad, das auf einer Stahlschiene rollt, verformt sich nahezu nicht, sodass der Rollwiderstand etwa fünf- bis zehnmal geringer ist als bei einem Gummireifen auf Asphalt. Ein Güterzug kann also eine Tonne Fracht pro Energieeinheit etwa viermal weiter bewegen als ein Lkw. Diese einzige Tatsache ist der Grund, warum der schwere Landtransport auf der Schiene konvergiert.

2. Hohe Tragfähigkeit.Stahlschienen sind durchgehende Stahlträger auf elastischen Stützen. Ein einzelner Schienenkopf kann Achslasten von 22,5 bis 30 Tonnen oder mehr tragen, da sich die Last schnell entlang der Schiene und durch die Schwellen in den Schotter verteilt. Die Kontaktspannung ist extrem, über 800 MPa an der Rad-{5}}Schienenkontaktfläche, aber Schienenstahl mit hohem Kohlenstoffgehalt ist genau für diese Aufgabe ausgelegt.

3. Selbst-zentrierte Anleitung.Die Radlauffläche ist konisch, nicht flach, und der Schienenkopf ist ballig. Wenn sich der Radsatz seitwärts verschiebt, vergrößert sich der effektive Rollradius eines Rades, während sich der andere verkleinert, und der Radsatz lenkt sich wieder in die Mitte. Dieser Konizitätseffekt ermöglicht es Zügen, Hunderte von Kilometern pro Stunde ohne Lenkmechanismus zu fahren, und ist der Grund, warum das Schienenkopfprofil in allen Normen so eng toleriert wird.

Wie das Gleis den Zug auf den Schienen hält

Die Führung hängt auch von der Gleisstruktur rund um die Schiene ab. In Kurven wird die äußere Schiene mit Überhöhung verlegt, so dass die Zentrifugalkraft durch die Schwerkraft ausgeglichen wird, wodurch Flanschkontakt und Verschleiß reduziert werden. Das Befestigungssystem steuert die Schiene in vertikaler, seitlicher und Längsrichtung und hält die Spurweite unter hohen Achslasten und Bremskräften. Da die Führungsgenauigkeit von der Schienengeometrie abhängt, werden Fertigungstoleranzen gemäß den EN-, UIC-, AREMA-, GB- und JIS-Standards streng kontrolliert.

Woraus das Schienensystem besteht

Schienen nach Anwendung und Standard

Da das Gleis zum Verkehr passen muss, werden Schienen in vielen Standards geliefert: leichte Schienen (8 bis 30 kg/m) für Bergbau- und Fabrikgleise, schwere Schienen (38 bis 75 kg/m) für Hauptstrecken und U-Bahnen, Kranschienen (QU-Serie, DIN 536 A-Serie) für Portal- und Brückenkräne sowie Rillenschienen für Straßenbahnen. Jede Norm legt das Profil, die Stahlsorte und die Toleranzen fest, und in der Beschaffungsspezifikation sollten Norm, Abschnitt und Güte immer zusammen genannt werden, zum Beispiel EN 13674-1 60E1 R260 oder GB/T 2585 60 kg/m U75V.

Häufig gestellte Fragen

F: Warum fahren Züge nicht einfach auf Gummireifen auf einer Straße?

Gummireifen haben einen weitaus höheren Rollwiderstand, sodass sich die Energiekosten pro Tonnenkilometer vervielfachen würden und die Lenkung vom Fahrer abhängen würde. Die geführte Stahlschiene sorgt durch die Konizität für einen geringen Widerstand und eine automatische Steuerung, weshalb sich die Schiene für Korridore mit hoher -Kapazität eignet.

F: Wie führt die Schiene den Zug ohne Lenkrad?

Die konische Radlauffläche und der ballige Schienenkopf erzeugen eine wiederherstellende Geometrie: Jede seitliche Verschiebung verändert die Abrollradien der beiden Räder und lenkt den Radsatz zurück in die Mitte. Die Radflansche sind eine Sicherheitsreserve und nicht die primäre Orientierung.

F: Welche Rolle spielt die Schiene bei der Signalgebung?

Auf elektrifizierten und automatisch signalisierten Strecken werden die beiden Schienen von der Erde isoliert und als Gleisstromkreise genutzt. Ein Zugradsatz überbrückt den Stromkreis und das Signalsystem erkennt die Anwesenheit des Zuges. Aus diesem Grund müssen Schienen elektrisch durchgängig sein und bei Bedarf werden isolierte Schienenstöße und Befestigungen verwendet.

F: Warum verschleißen Schienen und müssen geschliffen werden?

Bei jedem Raddurchgang wird-der Schienenkopf härter und verschleißt ihn langsam, insbesondere in Kurven und an Steigungen. Schleifen stellt das Kopfprofil wieder her und entfernt kleine Ermüdungsrisse, bevor sie wachsen. Es ist die wichtigste Erneuerungstechnik, die Schienen jahrzehntelang im Einsatz hält.

F: Was passiert, wenn die Schienen nicht auf die gleiche Spurweite ausgerichtet sind?

Spurweitenschwankungen verändern die Rad-{0}}Schienenkontaktgeometrie und können zu übermäßigem Verschleiß, Vibrationen und im Extremfall zur Entgleisung führen. Deshalb müssen Befestigungssysteme und Schwellen die Spurweite bei allen Belastungen innerhalb enger Toleranzen halten.

F: Gibt es Schienen, die nicht aus Stahl bestehen?

Im Wesentlichen bestehen alle modernen Haupt- und Industrieschienen aus Stahl. Aluminium- und Verbundschienen gibt es nur für spezielle Leichtbau- oder Experimentiersysteme. Durch die Kombination aus Festigkeit, Härte, Zähigkeit und Kosten dominiert Stahl.