Schiene (Schienenverkehr)
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Erste eiserne Schienen
Bild:CoalbrookdaleProfil.jpgDie ersten eisernen Schienen für Schienenbahnen waren vergleichsweise dünne Blechstreifen, die auf längs zur Fahrtrichtung parallel liegende „Straßbäume“ aufgenagelt wurden. Später wurde gußeiserne Schienen wie etwa das flache Profil von Coalbrookdale oder die von John Curr 1776 in den Kohlegruben von Sheffield eingeführte Winkelschiene verwendet. Diese ersten Schienen hatten alle den Vorteil, daß Fahrzeuge mit normalen Rädern auf ihnen fahren konnten und nicht allein auf die Schienenführung angewiesen waren. Spätere Schienen wir die Fischbauch- und Breitfußschiene erforderten dagegen Räder mit Spurkränzen.
Herstellung
Eisenbahnschienen werden aus qualitativ hochwertigem Stahl gewalzt, wozu etwa zehn Walz-Durchgänge erforderlich sind. Die Schienen werden dann gegebenenfalls noch einer Kopfhärtung unterzogen. Diese besteht in einem Abschrecken aus der Walzhitze durch Tauchen in ein Härtebad oder induktives Aufheizen und anschließendes Pressluftkühlen des Schienenkopfes) Nach dem Auskühlen folgt kaltes Richten auf einer Rollenrichtmaschine.
Bahnschienen werden entweder gleich als 120-m-Abschnitte gefertigt oder im Werk zu Langschienen verschweißt (typischerweise jeweils drei Teilstücke zu 40 m). Weitere Schweißungen bis hin zu 360-m-Stücken sind möglich. Die Langschienenlogistik erfordert lange Spezialwagengespanne und mehrere parallel arbeitende Krane und ist damit anspruchsvoller als die für Kurzschienen, spart jedoch teure Schweißarbeiten im Baugleis. Schienen für enge Kurvenradien (deutlich unter 300 m), die nicht vor Ort in die Krümmung gelegt werden können, werden evtl. ab Werk auf einer Dreirollenmaschine vorgebogen.
War früher die Bahnschiene das Brotprodukt fast aller Walzwerke, sind die Qualitätsanforderungen heutzutage so hoch, dass es nur noch wenige spezialisierte Schienenwerke gibt. Hohe Stahlqualität, geringe Walztoleranzen und Wirbelstrom-Oberflächenprüfung aller Schienen sind selbstverständlich geworden. Das größte Schienenwalzwerk Europas (in Donawitz, Österreich) und das einzige verbliebene Schienenwalzwerk Deutschlands gehören zur Division Bahnsysteme der voestalpine AG.
Qualitative Unterscheidung
Zur genaueren Bezeichnung wird in Deutschland das Metergewicht des Profils verwendet. Die Eisenbahn von Nürnberg nach Fürth (1835) verwendete ein Profil von 12 kg/m. Um 1940 waren Profile von etwa 50 kg/m üblich. Im Bereich der Deutschen Bahn AG werden heute drei Profiltypen verwendet. Das mit dem geringsten Gewicht ist das S 49 mit 49 kg/m Stahl für Nebenstrecken und Nebengleise. Das Standardprofil S 54 mit 54 kg/m findet man auf Hauptstrecken und Bahnhofsgleisen. Das UIC 60 Profil wiegt 60 kg/m und wird meist für neue Hochgeschwindigkeitstrassen vorgesehen.
Straßenbahnbetriebe bauen auf eigenem Gleiskörper aufgrund geringer Belastung meist ein S 41 Profil ein, die Bahnbetriebe in Tagebauen aufgrund der hohen Belastung das Profil S 64.
Schienen werden generell auch nach ihrer Güte klassifiziert, die als Zugfestigkeit in N/mm2 gemessen und mit dem Hersteller, der Profilbezeichnung und dem Walzjahr in die Schiene eingewalzt wird. Üblich sind Güten von 700, 800 oder 900. In Einzelfällen wurden auch Schienen mit 1000er, 1100er oder sogar 1400er Güte hergestellt. Mit höherer Zugfestigkeit nimmt allerdings nicht nur die Verschleißfestigkeit zu, sondern die Bruchgefahr steigt ebenfalls an.
Heutige Schienentypen
Vignolschiene oder Breitfußschiene
Bild:MH Vignolschienen.png Bild:Gleis.jpg Bild:Schienenstrang.JPG Letztlich hat sich die um 1830 von dem US Amerikaner Robert L. Stevens entwickelte Breitfußschiene durchgesetzt, die später Verbesserungen durch den Engländer Charles Vignoles erfuhr, der auch ihren Namen prägte. Sie besteht aus einem breiten, flachen Fuß, mit dem sie meist auf Schwellen befestigt wird. Darauf steht senkrecht ein schmaler Steg, der an seinem oberen Ende den Schienenkopf trägt, der wiederum die Laufbahn für die Räder bildet.
Rillenschiene
Die Rillenschiene ist ein gewalztes Stahlprofil, das insbesondere zum Bau von Gleisen für Straßenbahnen verwendet wird. Sie hat im Vergleich zur Vignolschiene in den Kopf eine Rille eingewalzt. Die Führung des Fahrzeuges bzw. des Radsatzes erfolgt somit über der Spurkranz und Fahrkante.
Die Rille gewährleistet, dass der Fahrbahnbelag beziehungsweise das verlegte Pflaster immer den Spurkanal freihalten, in dem der Spurkranz rollt. Das Säubern des Spurkanals von anderem Schmutz oder Sand wurde früher von Hilfsarbeitern, den sogenannten Ritzenschiebern erledigt, heute erfolgt dies jedoch maschinell mit Schienenreinigungsfahrzeugen.
Vor der Erfindung der Rillenschiene als Einzelprofil wurden häufig zwei Vignolschienen direkt nebeneinander verschraubt, oder ein spezielles Winkelprofil seitlich an einer Vignolschiene angeschraubt.
Kranschiene
Eine zweite Variante der Vignolschiene ist die Kranschiene; diese ist jedoch im Vergleich zu den bei der Eisenbahn eingesetzten Schienen niedriger und hat einen dickeren Steg, damit sie der stärkeren Belastung standhält.
Einspur-Schienen
Einschienenbahnen benutzen als Schiene Betonbalken mit seitlicher und mittiger Spurführung. Für die seitliche Spurführung genügen senkrecht montierte Flachstahlbänder, die die Spurführungskräfte auf seitlich am Fahrzeug angebrachte waagerechte Führungsrollen übertragen. Sofern die seitliche Spurführung nicht auch für die Energiezufuhr herangezogen wird, können hierfür auch Holz- und Betonbalken verwendet werden.
Das seltenere System der mittigen Spurführung wird bei Fahrzeugen verwendet, die auch am allgemeinen Straßenverkehr teilnehmen (z. B. Nancy). In diesem Fall wird in den Fahrbahnbelag eine Rille gefräst, in die besonders geformte (meistens U-förmige) Schienen eingelassen werden, in die der Führungszapfen des Fahrzeuges eingreift.
Hängend geführte Kabinenbahnen und Schwebebahnen haben meist stählerne Schienen, auf denen die Räder laufen, die Schienen ihrerseits sind wieder an Traggestellen oder Betonbalken aufgehängt.
Historische Schienenprofile
Pilzschiene
Eine der ältesten Stahlschienenformen überhaupt bestand nur aus dem verdickten Schienenkopf mit der Lauffläche und einem senkrechten Steg zur Versteifung und Befestigung. Die Befestigung bestand aus einer Einspannung in besonders geformte Steinquader. Es handelt sich hierbei also um eine Unterform der Stuhlschiene. Wegen ihrer Querschnittsform wurden diese Schienen auch Kopf-und-Steg-Schienen oder Pilzschienen genannt. Der senkrechte Steg bot nur wenig Durchbiegungswiderstand, so dass im Laufe der Entwicklung auch an der Unterseite der Schiene eine Verdickung angebracht wurde. Diese Entwicklung führte zunächst unten beschriebenen Doppelkopfschiene und später, nach systematischen Versuchen, zu der noch heute gebräuchlichen Vignolschiene.
Fischbauchschiene
Wegen der relativ leichten Fahrzeuge hatten frühe Eisenbahnschienen wesentlich weniger Auflagepunkte als heute. Üblich waren Stützpunktabstände von ca. einem Meter. Da es andererseits noch nicht möglich war, lange Schienenprofile zu walzen, wurden vielfach gußeiserne Schienen von einem Meter Länge verwendet. Dies bedeutet, dass diese Schienen nur an ihren beiden Enden auflagen. Mit zunehmenden Radsatzlasten führte dies zu immer größeren Durchbiegungen der bis dahin verwendeten Pilzschienen, die zu unruhigem Fahrzeuglauf und erhöhtem Verschleiß führten.
In Anlehnung an das beim Brückenbau geläufige Prinzip des Fischbauchträgers wurde gegen von William Jessop 1789 die Fischbauchschiene entwickelt. Es handelt sich dabei um eine ca. einen Meter lange Schiene, deren Höhe an der Unterseite von den Enden zur Mitte hin stetig zunimmt, wodurch ein höherer Durchbiegewiderstand erreicht wird. Allerdings ist der Materialverbrauch für Fischbauchschienen relativ hoch; auch lassen sie sich nicht durchgehend walzen. Mit der Einführung kürzerer Stützpunktabstände und der Möglichkeit, längere Schienenstücke zu walzen, wurde diese historische Schienenform aufgegeben.
Keilkopfschiene
Keilkopfschienen sind den Vignolschienen sehr ähnlich. Im Gegensatz zu diesen sind die Flanken der Schienenköpfe keil- bzw. trapezförmig abgeschrägt, so dass der Querschnitt des Schienenkopfes nach unten hin abnimmt. Keilkopfschienen kommen vornehmlich bei Bergbahnen zum Einsatz. Als Fahrschienen werden sie beispielsweise bei der Pöstlingbergbahn in Linz oder der Reichenbachfallbahn in Meiringen verwendet, die über eine zusätzliche auf den Schienenkopf wirkende Zangenbremse verfügen. Zahnstangen des Systems Strub werden aus Keilkopfschienen mit erhöhtem Kopf gefräst.
Stuhlschiene
Als Stuhlschienen werden Schienen bezeichnet, die nicht unmittelbar auf den Schwellen oder einer Zwischenplatte aufstehen, sondern seitlich am Schienensteg befestigt werden. Zu diesem Zweck wurden anfangs speziell geformte "Schienenstühle" verwendet, in denen die Schienen mit Holzkeilen fixiert wurden, später verwendete man auf den Schwellen aufgeschraubte Halterungen und stählerne Federklemmen zur Fixierung der Schienen.
Aufgrund ihrer Befestigungsart benötigen Stuhlschienen keine Aufstandsfläche und verfügen daher nicht zwingend über einen breiten Schienenfuß. Dadurch sinkt allerdings auch der Durchbiegungwiderstand, so dass es schneller zu Ermüdungsbrüchen kommen kann. Daher hat sich die Stuhlschiene gegenüber der Vignolschiene nicht durchsetzen können.
In einigen Ländern (z. B. Frankreich) hat man zeitweilig bei einfachen Verhältnissen bei Erneuerungsarbeiten Stuhlschienen durch Vignolschienen ersetzt und diese in dem vorhandenen Oberbau seitlich eingespannt. Durch die Vibrationen beim Befahren der Gleise lockern sich aber die Federklemmen und müssen von Zeit zu Zeit nachgespannt werden, so dass auch diese Bauform wartungsintensiv ist.
Häufigste Form der Stuhlschiene ist die Doppelkopfschiene (s. u.)
Doppelkopfschiene
Eingebaute Schienen werden nur auf der Innenseite von den Radsätzen angefahren, also einseitig abgenutzt. Zur Erhöhung der Lebensdauer dreht man auf schwach befahrenen Gleisen die Schienen oder tauscht sie gegeneinander aus, so dass die noch intakte Außenkante der Schiene nun innen zu liegen kommt. Mit der Doppelkopfschiene sollte die Lebensdauer der Schiene weiter erhöht werden, indem ein symmetrisches Profil mit je einem Schienenkopf an Ober- und Unterseite verwendet wurde. Somit erhielt man vier Einbaumöglichkeiten, indem die beiden Schienenköpfe nacheinander als Lauffläche genutzt und zusätzlich die Schienen nach dem beschriebenen Verfahren gegeneinander getauscht wurden. Da Doppelkopfschienen keinen Fuß haben und zur Schonung des unteren Schienenkopfes nicht unmittelbar auf der Schwelle aufliegen dürfen, müssen sie zwangsläufig wie Stuhlschienen befestigt werden.
Stromschienen
Im Gegensatz zu den vorgenannten Schienenformen dienen Stromschienen weder dem Tragen noch der Führung eines Fahrzeugs, sondern dessen Versorgung mit elektrischer Energie. Hierfür werden ausrangierte Gleisschienen oder andere Bauformen verwendet.
