Durch die wiederholte Einwirkung der Kontaktbeanspruchung zwischen Rad und Schiene können sich im Laufe der Zeit an der Fahrfläche oder der Fahrkante der Schienen rissartige Ermüdungsschäden bilden. Sie werden als Squats bezeichnet, wenn sie mitten auf der Fahrfläche auftreten, und als Head Checks, wenn sie sich an der Fahrkante gebildet haben. Während Squats als Einzelfehler zu betrachten sind, treten Head Checks in einem Abstand von 2 bis 7 mm in großer Anzahl auf. Gemeinsam ist beiden Defektarten, daß sie sich flach unter der Oberfläche mit einer Neigung von etwa 15 Grad ausbreiten. Gefährlich ist bei den Head Checks, daß sie in kurzen Abständen wiederholt über größere Schienenbereiche auftreten und letztlich zum mehrfachen Bruch der Schiene führen können. Hinsichtlich der Rollkontaktermüdung wurden bruchmechanische Untersuchungen durchgeführt. Um die Beanspruchung zu analysieren wurden FE-Berechnungen an einem ebenen, nachgiebig gelagerten Schienenmodell vorgenommen. Dabei wurden die Spannungsintensitätsfaktoren an der Spitze eines gegenüber der Fahrfläche leicht geneigten Risses unter der Kontakt- und Biegebeanspruchung zweier Räder untersucht. Die Berechnungen wurden für verschiedene Rissneigungswinkel durchgeführt. Je Rissneigungswinkel wurden unterschiedliche Risslängen berechnet. Die Lagerung des Schienenabschnitts wurde durch Federelemente realisiert. Wie die FE-Rechnungen gezeigt haben, tritt an den Spitzen der schräg verlaufenden Risse entweder eine proportionale Mixed-Mode-Beanspruchung oder eine reine Modus-II-Beanspruchung auf. Unter diesen Beanspruchungen behalten die Risse nicht ihre Wachstumsrichtung. sondern ändern diese unter einem bestimmten Winkel. Die Ursache ist in der Veränderung der Eigenschaften des Schienenwerkstoffs im Kontaktbereich zu suchen. Bei den werkstofftechnischen Untersuchungen wurden Härtemessungen und bruchmechanische Prüfungen (Risswachstumseigenschaften) durchgeführt. Die Versuche zeigen, daß die Risse den Verformungslinien (Walztextur) folgen. Diese Walztextur, die auch an der Fahrfläche der Schiene entsteht, ist offensichtlich die Ursache dafür, daß die Rollkontaktermüdungsrisse schräg in die Schiene wachsen und erst in einem Bereich geringerer Verfestigung ihre Richtung ändern.
Rissausbreitung an der Fahrfläche von Eisenbahnschienen durch Rollkontaktermüdung
2002
6 Seiten, 8 Bilder, 4 Quellen
Conference paper
German
Bruchmechanische Analyse der Rißausbreitung durch Rollkontaktermüdung
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