Schiene (Eisenbahn)

Schiene mit Walzzeichen produziert im Jahr 1979 in der Maxhütte im Standardprofil S54 und in Standardqualität

Schienen sind Walzstahlerzeugnisse und Teil des Gleiskörpers. Zusammen mit den Bahnschwellen und dem Schotterbett bilden sie den Oberbau. Sie dienen als Fahrweg für Schienenfahrzeuge, deren Radsatz dabei sicher durch den Sinuslauf der Radachse geführt wird. Die Schienen werden jeweils paarweise auf Bahnschwellen aus Beton, Stahl oder Holz befestigt.

Entwicklungsgeschichte

Schienenprofil von Coalbrookdale auf Holz-Längsbalken, 1767

Um die Fahreigenschaften von Pferdekarren bei schlechtem Untergrund zu verbessern, entwickelte man schon im 17. Jahrhundert "Schienensysteme" aus Holz. Diese Holzschienen verhinderten das Einsinken der Wagenräder und ermöglichten somit das Befördern von schweren Lasten unabhängig von der Beschaffenheit des Untergrunds. Leider erwiesen sich diese Holzschienen als nicht sehr dauerhaft, worauf man begann, nach anderen geeigneten Materialien zu suchen. In England wurden während der Industrialisierung mit seiner aufstrebenden Eisen- und Stahlherstellung neue Schienensysteme entwickelt. Die ersten eisernen Schienen für Schienenbahnen waren vergleichsweise dünne Blechstreifen, die auf längs zur Fahrtrichtung parallel liegende „Straßbäume“ aufgenagelt wurden und Gleise bildeten. Später wurden gusseiserne Schienen, wie etwa das flache Profil von Coalbrookdale oder die von John Curr, 1776 in den Kohlegruben von Sheffield eingeführte Winkelschiene verwendet ^[1]. 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, wie 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 vier Teilstücke zu 30 m). Üblicher ist aber Walzlängen à 60 Meter zu verschweißen. International möglich sind mittlerweile 120 Meter Walzlänge und bis zu 500 Meter lange verschweißte Schienen.

Schienen können lange Standzeiten haben. Foto aus dem Jahr 2005.

Weitere Schweißungen bis hin zu 360-m-Stücken sind möglich. Die Langschienenlogistik erfordert lange Spezialwagengespanne sowie 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 (TSTG Schienen Technik GmbH & Co. KG) 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. Nach 1920 begann der Einbau von Schienenprofilen mit 49 kg/m (S49). Die aktuell bei der Deutschen Bahn verwendeten Profile werden im Verlauf des Artikel näher beschrieben. Im Bereich der OSShD (Osteuropäischer Eisenbahnverband) waren auch Profile S65 mit 65 kg/m üblich.

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. Besonders bei Schmalspurbahnen kommen aber auch heute noch neben dem Profil S 49 das leichtere Profil S 33 mit 33,5 kg/m oder teilweise sogar noch Profile aus der Länderbahnzeit (z. B. Va in Sachsen) zum Einsatz.

Der Vorteil leichter Schienenprofile liegt zum einen in der Materialersparnis, zum anderen jedoch darin, dass bei starken Temperaturschwankungen die Kräfte infolge Wärmeausdehnung geringer sind. Dies wirkt sich insbesondere in engen Gleisbögen aus, wo es bei starken Temperaturschwankungen zu Gleislagefehlern kommen kann.

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

Aktuelle Schienenprofile mit Bemaßung

Standardprofile

Im Bereich der Deutschen Bahn AG werden heute drei Profiltypen verwendet. Mit 49 kg/m ist das S 49- Profil das leichteste und war das Regelprofil der Deutschen Bahn von 1922 bis 1963. Heute findet man es nur noch auf Nebenstrecken und Nebengleisen. Das Standardprofil S 54 mit 54 kg/m findet man auf Hauptstrecken und Bahnhofsgleisen. Es ist seit 1963 das Regelprofil der Deutschen Bahn. Das UIC 60 Profil wiegt 60 kg/m und wird meist für hochbelastete Strecken (enge Bogenradien, hohe Belastung, Steigungen) seit 1970 verwendet, insbesondere auch für neue Hochgeschwindigkeitstrassen. In den USA wird das 140 RE Profil (70 kg/m) für stark belastete Strecken eingebaut.

Vignolschiene oder Breitfußschiene

Von links nach rechts: Vignolschiene, Rillenschiene, Kranschiene

Gleis mit Vignolschienen

Profil einer Vignolschiene

Straßenbahngleis mit Rillenschienen während Erneuerungsarbeiten.

Schienenhalter mit Vossloh-Klemme

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. Im Bereich der Deutschen Bahn wird heute vorwiegend das Schienenprofil UIC 60 eingesetzt. Es unterscheidet sich von älteren Bauformen durch eine stärker gewölbte Lauffläche und einen höheren Steg.

Um bei späteren Gleisbauarbeiten Verwechslungen auszuschließen, wird auch heute noch der Typ der Schiene und das Herstellungsdatum in den Steg eingeprägt. Vignolprofile werden meist mit einem Buchstabenkürzel, gefolgt von einer Zahl, benannt. Die erste Zahl steht für das Gewicht des Profils pro Meter, in kg. Ein Gleis der DB samt Kleinteilen enthält etwa 132 Tonnen Stahl pro Kilometer.

Die Befestigung der Vignolschiene auf den einzelnen Schwellen erfolgt unter Zwischenlage eines sogenannten Schienenstuhles, der einerseits den Schienenfuß aufnimmt und zur Schwelle hin die Bohrungen bzw. Aussparungen für die Befestigungsschrauben und Federelemente bereitstellt.

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 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.

Die Führung des Schienenfahrzeuges geschieht weiterhin durch den permanenten Kontakt zwischen Spurkranz und Schienenkopf, die Außenkante der Rille dient im wesentlichen nur dem Schutz gegen unbeabsichtigte Verengung. Das ist vor allem dann wichtig, wenn das eingedeckte Rillengleis durch Straßenfahrzeuge befahren wird.

Grundsätzlich werden Rillenschienen, dem Einsatzfall entsprechend, ausgewählt. Straßenbahnen fahren mit schmalen Spurkränzen, und die Straßenbahn-Rillenschienen weisen eine Rillenweite von ca. 40 mm auf. Eisenbahnen fahren mit breiten Spurkränzen, die Eisenbahn-Rillenschienen weisen eine ca. 60 mm breite Rille auf.

Vor der Erfindung der Rillenschiene als Einzelprofil wurden häufig zwei Vignolschienen direkt nebeneinander verschraubt (Bauart Lindau), oder ein spezielles Winkelprofil (Spurrillenschiene) seitlich an einer Vignolschiene angeschraubt. Für Vignolschienen S 49 und S 54 werden solche Profile noch gewalzt.

Rillenschienen werden auch auf Eisenbahnfähren verwendet. Wegen der versenkten Schienen kann das Wagendeck auch von Straßenfahrzeugen befahren werden.

Kranschiene

Eine zweite Variante der Vignolschiene ist die Kranschiene. Es gibt unterschiedliche Arten von Kranschienen:

Form A und F nach DIN 536 diese sind im Vergleich zu den bei der Eisenbahn eingesetzten Schienen niedriger und haben einen dickeren Steg, um der stärkeren Belastung standzuhalten. Lagerung üblicherweise kontinuierlich auf Stahlunterlage.

Vignolschienen werden oft bei diskontinuerlichen Lagerungen eingesetzt, sind aber nur in Ausnahmefällen geeignet. Die diskontinuierliche Lagerung ist höchst schadensanfällig.

Schwere Sonderprofile überwiegend mit der Bezeichnung MRS sind nicht genormt, werden bei hohen Belastungen eingesetzt. Hier gibt es mittlerweile eine "moderne Variante": die Schiene AS 86. Sie wurde aus einem Profil MRS 87a (mit ebener Radlauffläche) so weiterentwickelt, dass durch die Kopfausrundung, analog Form A, die Krafteinleitung möglichst weit zur Kopfmitte verlagert wird.

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 zu der unten beschriebenen Doppelkopfschiene und später, nach systematischen Versuchen, zu der noch heute gebräuchlichen Vignolschiene.

Fischbauchschiene

Ansicht 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 1789 von William Jessop 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 höheres Durchbiege-Widerstandsmoment 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

Profil 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 Reichenbachfallbahn in Meiringen verwendet, die über eine zusätzliche, auf den Schienenkopf wirkende, Zangenbremse verfügen. Bei der Pöstlingbergbahn in Linz waren Keilkopfschienen bis zur Erneuerung im Jahr 2009 im Einsatz. 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.

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

Skizze 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. Die damaligen Erfahrungen zeigten dann jedoch, dass die Schienen mit dem damaligen Material schon brüchig wurden, bevor sie zur mehrmaligen Nutzung gedreht werden konnten. Doppelkopfschienen wurden wie die oben beschriebenen Stuhlschienen mittels Schienenstühlen auf den damals verwendeten steinernen oder hölzernen Schwellen befestigt.

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.

Schäden

Schäden bei Schienen können verschiedene Ursachen haben. Man unterscheidet grob folgende Schäden:

• Herstellungsfehler (Walzfehler, Materialfehler)
• Korrosion
• Rissbildung
• Verschleiß (u.a. in Bögen mit Radien unter 700 m)
• Fahrflächenfehler (Riffel, Wellen, Radschleuderstellen)
• Grübchenbildung (Pitting)
• Verformung durch Temperaturspannungen

Siehe auch

• Gleis
• Gleiskörper
• Oberbau
• Schienenstoß
• Eisenbahnrad

Literatur

• Bundesbahndirektion Hannover: 1843-1983. 140 Jahre Eisenbahndirektion Hannover. Hannover o. J. (1983). Seite 61ff.
• Karl-Otto Edel: Untersuchung des Bruchverhaltens von Eisenbahnschienen und -vollrädern, Magdeburg 1987
• Karl-Otto Edel (Hrsg.): Tagungsbericht, Internationales Symposium "Schienenfehler", Brandenburg an der Havel, 16. und 17. November 2000, Interdisziplinärer Forschungsverbund Bahntechnik, Brandenburg 2000, Verlag FH Brandenburg

Einzelnachweise

1. ↑ John Curr, The Coal Viewer, and the Engine Builder's Practical Companion, (John Northall,1797).

Weblinks

• gleisbau-welt.de
• oberbauhandbuch.de