RZECZPOSPOLITA POLSKA Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (19)PL (11)181772 (13)B1 (21) Numer zgłoszenia: 322359 (22) Data zgłoszenia: 05.03.1996 (86) Data 1 numer zgłoszenia międzynarodowego: 05.03.1996,PCT/AT96/00040 (87) Data 1 numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego. 03.10.1996, W096/30592, PCT Gazette nr 44/96 (5 1) IntCl7 E 01B 5/02 (54) Szyna jezdna profilowana, zwłaszcza szyna kolejowa o niskim poziomie emisji dźwięków przenoszonych powietrzem (30) Pierwszeństwo: 24.03.1995,AT,A527/95 (73) Uprawniony z patentu: VOEST-ALPINE SCHIENEN GMBH, Leoben-Donawitz, AT (43) Zgłoszenie ogłoszono: 19.01.1998 BUP 02/98 (72) Twórcy wynalazku: Herbert A. Schifferl, Leoben, AT (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 28.09.2001 WUP 09/01 (74) Pełnomocnik: Dziarnowska Monika, POLSERVICE PL 181772 B1 (57) 1. Szyna jezdna profilowana, zwłaszcza szyna kolejowa, o niskim poziomie emisji dźwięków przenoszonych powietrzem, złożona ze stopy z powierzchnią wsporczą oraz szyjki z główką zawierającą powierzchnię nośną, posiadająca gabaryty i moment bezwładnościowo-oporowy względem osi środka ciężkości, o wartościach odpowiadających szynom o znormalizowanym profilu, wykazującym każdorazowo tę samą obciążalność, znamienna tym, że profil przekroju poprzecznego ukształtowany, symetrycznie względem osi wysokościowej (Y) szyny (1), ma powierzchnię boczną(31) szyjki (3) w dolnej części (31') pomiędzy położoną od strony stopy (2) krawędzią przejściową (32), znajdująca się przy przejściu od stopy (2 ) szyny (1 ) w powierzchnię boczną (31) szyjki, a osią (X) środka ciężkości, wykonaną jako zaokrąglona wklęsłe bez jakichkolwiek obszarów załamania. Fig.2
Szyna jezdna profilowana, zwłaszcza szyna kolejowa, o niskim poziomie emisji dźwięków przenoszonych powietrzem Zastrzeżenia patentowe 1. Szyna jezdna profilowana, zwłaszcza szyna kolejowa, o niskim poziomie emisji dźwięków przenoszonych powietrzem, złożona ze stopy z powierzchnią wsporczą oraz szyjki z główką zawierającą powierzchnię nośną, posiadająca gabaryty i moment bezwładnościowo-oporowy względem osi środka ciężkości, o wartościach odpowiadających szynom o znormalizowanym profilu, wykazującym każdorazowo tę samą obciążalność, znamienna tym, że profil przekroju poprzecznego ukształtowany, symetrycznie względem osi wysokościowej (Y) szyny (1), ma powierzchnię boczną (31) szyjki (3) w dolnej części (31'), pomiędzy położoną od strony stopy (2) krawędziąprzejściową (32), znajdująca się przy przejściu od stopy (2) szyny (1) w powierzchnię boczną (31) szyjki, a osią(x) środka ciężkości, wykonaną jako zaokrągloną wklęśle bez jakichkolwiek obszarów załamania. 2. Szyna według zastrz. 1, znamienna tym, że w górnej części (31") powierzchni bocznej (31) szyjki (3) pomiędzy położoną od strony główki (4) krawędzią przejściową (34), znajdującą się przy przejściu powierzchni bocznej (42) główki (4) szyny w górną powierzchnię (31") szyjki (3), jest wykonana w przekroju poprzecznym szyny (1) jako zaokrąglona wklęśle bez jakichkolwiek obszarów załamania. 3. Szyna według zastrz. 1, znamienna tym, że powierzchnia boczna (31) szyjki (2) jest utworzona w przekroju poprzecznym szyny (1) z kołowej lub eliptycznej części dolnej (31') i górnej (31") oraz zawiera, korzystnie przechodzący w nią stycznie, prostoliniowy obszar środkowy pośredni, przez który przebiega oś (X) środka ciężkości szyny (1). 4. Szyna według zastrz. 1, znamienna tym, ze odległość (S) osi (X) środka ciężkości szyny (1) od powierzchni wsporczej (21) stopy (2) szyny (1) ma wartość od 0,5 do 0,38 wysokości (A) szyny (1). 5. Szyna według zastrz. 1, znamienna tym, że odległość (S) osi (X) środka ciężkości szyny (1) od powierzchni wsporczej (21) stopy (2) szyny ma wartość od 0,47 do0,41 wysokości (A) szyny (1). 6. Szyna według zastrz. 1, znamienna tym, że stopa (2) szyny (1) ma niniejszą szerokość (B) oraz korzystnie większą wysokość (H) w porównaniu ze znormalizowanym profilem szyny. 7. Szyna według zastrz. 1, znamienna tym, że w główce (4) obszar szyny (1), zawierający powierzchnie nośną (41), ma zwiększoną twardość materiału w porównaniu z szyjką (3) i stopą (2). 8. Szyna według zastrz. 1, znamienna tym, że w stopie (2) środkowy obszar szyny (1), zawierający powierzchnię wsporczą (21) i położony symetrycznie względem osi (Y), ma zwiększoną w porównaniu z szyjką twardość materiału. 9. Szyna jezdna profilowana, zwłaszcza szyna kolejowa, o niskim poziomie emisji dźwięków przenoszonych powietrzem, składająca się ze stopy z powierzchnią wsporczą oraz szyjki z główką zawierającą powierzchnię nośną, posiadająca gabaryty i moment bezwładnościowo-oporowy względem osi środka ciężkości, o wartościach odpowiadających szynom o znormalizowanym profilu, wykazującym każdorazowo tę samą obciążalność, znamienna tym, że profil przekroju poprzecznego ukształtowany symetrycznie względem osi wysokościowej (Y), ma wysokość (H) stopy (2) szyny (1) powiększoną w porównaniu z wysokością stopy szyny o znormalizowanym profilu. 10. Szyna według zastrz. 9, znamienna tym, że w dolnej części (31;) i w górnej części (31"), znajdującymi się pomiędzy położoną od strony stopy (2) krawędzią przejściową (32) i powierzchnią boczną (31) szyjki (3) oraz w górnej części (31") powierzchni bocznej (31) szyjki (3) oraz położoną od strony główki (4) krawędzią przejściową (34), znajdującą się przy przejściu powierzchni bocznej (42) główki (4) szyny w górną powierzchnię (31") szyjki szyny, jest wykonana
181 772 3 w przekroju poprzecznym szyny (1) jako zaokrąglona wklęsłe bez jakichkolwiek obszarów załamania. 11. Szyna według zastrz. 9, znamienna tym, ze powierzchnia boczna (31) szyjki (2) jest utworzona w przekroju poprzecznym szyny (1) z kołowej lub eliptycznej części dolnej (31') i górnej (31") oraz zawiera, korzystnie przechodzący w nią stycznie, prostoliniowy obszar środkowy lub pośredni, przez który przebiega oś (X) środka ciężkości szyny (1). 12. Szyna według zastrz. 9, znamienna tym, że odległość (S) osi (X) środka ciężkości szyny (1) od powierzchni wsporczej (21) stopy (2) szyny (1) ma wartość od 0,5 do 0,38 wysokości (A) szyny (1). 13. Szyna według zastrz. 9, znam ienna tym, że odległość (S) osi (X) środka ciężkości szyny (1) od powierzchni wsporczej (21) stopy (2) szyny ma wartość od 0,47 do 0,41 wysokości (A) szyny (1). 14. Szyna według zastrz. 9, znamienna tym, że stopa (2) szyny (1) ma mniejszą szerokość (B) oraz korzystnie większą wysokość (H) w porównaniu ze znormalizowanym profilem szyny. 15. Szyna według zastrz. 9, znamienna tym, że w główce (4) obszar szyny (1), zawierający powierzchnie nośną (41), ma zwiększoną twardość materiału w porównaniu z szyjką (3) i stopą (2). 16. Szyna według zastrz. 9, znamienna tym, że w stopie (2) środkowy obszar szyny (1), zawierający powierzchnię wsporczą (21) i położony symetrycznie względem osi (Y), ma zwiększoną w porównaniu z szyjką (3) twardość materiału. * * * Przedmiotem wynalazku jest szyna jezdna profilowana, zwłaszcza szyna kolejowa, o niskim poziomie emisji dźwięków przenoszonych powietrzem, składająca się ze stopy z powierzchnią wsporczą oraz szyjki z główką zawierającą powierzchnię nośną, posiadającą gabaryty i moment bezwładnościwo-oporowy względem osi środka ciężkości, o wartościach odpowiadających szynom o znormalizowanym profilu, wykazującym każdorazowo tę samą obciążalność. Szyny jezdne stanowią profilowane walcowane pręty stalowe i służą do wykonania dróg tocznych, zwłaszcza torów, po których odbywa się ekonomiczny transport ładunków. Metalowe koła, wykonane najczęściej ze stali lub z powłoką stalową, toczą się przy tym po powierzchni nośnej tej części szyny, która jest określana mianem główki. Przeciwległa względem główki szyny stopa szyny, łącząca się z tą ostatnią za pomocą szyjki, jest połączona za pośrednictwem swej powierzchni wsporczej z podkładkami. W miarę rozwijania systemów kolejowych normalizowano, zoptymalizowane pod względem funkcjonalnym, profile przekroju poprzecznego szyn, odpowiednio do obciążeń i różnorodnych zastosowań. Profil znormalizowany szyn kolejowych, stosowany często w Europie, nosi symbol UIC 60 przy ciężarze 60 kg/m i zakłada małe tolerancje wymiarowe, na przykład w przypadku wysokości szyny ± 0,6 mm, a w przypadku główki szyny ± 0,5 mm. Małe tolerancje profilu szyny są ważne zwłaszcza przy dokładnym pod względem geometrycznym wykonywaniu tortu, który powinien umożliwić zwiększenie prędkości pociągów bez utraty komfortu jazdy i bez występowania dużych obciążeń dynamicznych. W celu zmniejszenia zużycia, wytwarza się już lub stosuje szyny z główką, która ma zwiększoną twardość materiału. Pomimo największej nawet dokładności wymiarowej, najwyższej jakość i powierzchni nośnej lub jezdnej oraz płaskości szyn, podczas jazdy po nich wagonów występują drgania toczne, a tym samym emisje przenoszonych przez powietrze dźwięków lub szumy, które zwłaszcza przy dużych prędkościach transportowych mają duże natężenie i mogą stanowić znaczne obciążenie dla otoczenia. Hałasy jezdne pociągów są powodowane - jak stwierdzono - w dużej mierze przez przenoszone przez powietrze dźwięki, emitowane przez górną powierzchnię szyny. Próbowano już osiągnąć zmniejszenie natężenie emisji przenoszonych przez powietrze dźwięków za pomocą izolacji akustycznej części powierzchniowych szyny.
4 181772 Powłoka z tłumiącego drgania materiału, jaką proponuje się według opisu niemieckiego DE-A-4225581 lub austriackiego AT-AS 652/90, jest tylko częściowo skuteczna, powoduje bowiem znaczny wzrost kosztów, uniemożliwia wizualne oględziny szyny w torze i może sama w sobie stanowić zagrożenie środowiska wskutek stosowania, zwłaszcza wzmocnionych polimerów. Ponadto proponowano niejednokrotnie, na przykład w niemieckim opisie wyłożeniowym DE-OS 4411 833, zmniejszenie przenoszenia drgań na podkłady, a tym samym emisji przez nie dźwięków powietrznych, za pomocą sprężystych części elementów mocujących. Wszystkie proponowane dotychczas urządzenia i układy do ograniczania emisji, przenoszonych przez powietrze, dźwięków z szyn lub urządzeń torowych mają tę wspólną wadę, że są one mało skuteczne i/lub bardzo kosztowne oraz są ukierunkowane w zasadzie na ograniczanie przenoszenia drgań szyn. Celem wynalazku jest takie zmniejszenie lub ukształtowanie drgań szyny, przy jeździe po niej zwłaszcza z dużymi prędkościami transportowymi, aby został zmniejszony całkowity poziom emisji dźwięków przenoszonych przez powietrze i tym samym aby zostało ograniczone obciążenie środowiska hałasem. Ma to polegać zatem w szczególności na tym, aby zmniejszyć wytwarzające dźwięki drgania materiału lub samej szyny i dzięki temu ograniczyć w prosty sposób emisję dźwięków oraz obciążenie środowiska. Szyna jezdna profilowana według wynalazku, charakteryzuje się tym, że profil przekroju poprzecznego ukształtowany, symetrycznie względem osi wysokościowej szyny, ma powierzchnię boczną szyjki w dolnej części, pomiędzy położoną od strony stopy krawędzią przejściową, znajdującą się przy przejściu od stopy szyny w powierzchnię boczną szyjki, a osią środka ciężkości, wykonaną jako zaokrągloną wklęśle bez jakichkolwiek obszarów załamania lub profil przekroju poprzecznego ukształtowany symetrycznie względem osi wysokościowej, ma wysokość stopy szyny powiększoną w porównaniu z wysokością stopy szyny o znormalizowanym profilu. Korzystnie, w górnej części powierzchni bocznej szyjki pomiędzy położoną od strony główki krawędzią przejściową, znajdującą się przy przejściu powierzchni bocznej główki szyny w górną powierzchnię szyjki, jest wykonana w przekroju poprzecznym szyny jako zaokrąglona wklęśle bez jakichkolwiek obszarów załamania. Zaleca się zwłaszcza, aby powierzchnia boczna szyjki była utworzona w przekroju poprzecznym szyny z kołowej lub eliptycznej części dolnej i górnej oraz aby zawierała, przechodzący w nią stycznie, prostoliniowy obszar środkowy pośredni, przez który przebiega oś środka ciężkości szyny. Korzystnie, odległość osi środka ciężkości szyny od powierzchni wsporczej stopy szyny ma wartość od 0,5 do 0,38 wysokości szyny, a zwłaszcza od 0,47 do 0,41 wysokości szyny. Korzystnie, stopa szyny ma mniejszą szerokość oraz większą wysokość w porównaniu ze znormalizowanym profilem szyny, przy czym zwłaszcza obszar szyny w główce, zawierający powierzchnię nośną ma zwiększona twardość materiału w porównaniu z szyjką i stopą środkowy obszar szyny, zawierający powierzchnię wsporczą i położony symetrycznie względem osi, ma zwiększoną w porównaniu z szyjką twardość materiału. Okazało się nieoczekiwanie, że dużą cześć emitowanego hałasu powoduje nie szyjka pomiędzy główką a stopą szyny, drgając na podobieństwo membrany, jak to przyjęto w świecie fachowców. Przeciwnie, główka szyny, a zwłaszcza jej stopa wykazują wysoki poziom dźwięków materiałowych, a tym samym duży udział w poziomie całego ciśnienia akustycznego i głównie ze swej strony wywołują obciążenie hałasem środowiska. Przyczyny wzmocnionych drgań falopodobnych w kierunku podłużnym lub szybkie przebiegi w zależności od częstotliwości, na przykład jednego ramienia stopy szyny, nie są jeszcze w pełni wyjaśnione naukowo, przyjmuje się jednak, że punkty załamania lub obszary załamania powierzchni albo nieciągłe zmiany grubości przekroju poprzecznego mogą stanowić, z punktu widzenia techniki drganiowej, węzły lub punkty utwierdzenia, wskutek czego powstają lub mogą powstawać wzmocnione drgania części profilu, na przykład jednego ramienia stopy szyny. Powiększenie, w myśl wynalazku, wysokości stopy szyny i/lub, zwłaszcza wolne od punktów załamania albo obszarów załamania, przejście od stopy w powierzchnię boczną szyjki powodują zmianę drgań w obszarze stopy szyny, dzięki
181 772 5 czemu zmniejszona zostaje emisja przenoszonych powietrzem dźwięków przez powierzchnie stopy szyny do otoczenia oraz w danym przypadku do odbijającego je podłoża. Gdy - jak to jest przewidziane dalej w korzystny sposób - dolna część i górna część powierzchni bocznej szyjki szyny pom iędzy położoną od strony stopy k raw ędzią przejściow ą a położoną od strony główki krawędzią przejściową, to jest tą krawędzią, która jest utworzona przy przejściu bocznej powierzchni główki szyny w górną powierzchnie szyjki szyny, jest wykonana w przekroju poprzecznym szyny jako w zasadzie zaokrąglona wklęśle bez punktów załamania lub obszarów załamania, wówczas zostaje ograniczone dodatkowo powstawanie drgań, zwłaszcza w tych częściach profilu, które wskutek tego emitują drgania powietrzne. Z punktu widzenia techniki wytwarzania lub walcowania oraz w celu minimalizacji ciężaru, jednak w szczególności z punktem widzenia zmniejszenia emisji przenoszonych powietrzem dźwięków jest korzystne, jeśli powierzchnia boczna szyjki szyny w przekroju poprzecznym szyny jest utworzona z kołowej i/lub eliptycznej dolnej i górnej części oraz zawiera, przechodzący w nią stycznie, prostoliniowy obszar środkowy lub pośredni, przez który przebiega oś środka ciężkości. Może być przy tym korzystne, gdy najmniejsza grubość szyjki szyny jest wykonana jako równa lub większa od odpowiedniej grubości szyn znormalizowanych. W prosty sposób można w dużym stopniu wyeliminować lub zminimalizować sensybilizacje drganiową zewnętrznych części boków stopy, jeżeli stopa szyny ma w porównaniu z każdorazowym znormalizowanym profilem szyny mniejszą szerokość i/lub większą wysokość. Gdy - jak to jest korzystnie przewidziane - główka, zwłaszcza zawierający powierzchnie nośną obszar szyny według wynalazku, jak to jest jako takie znane, ma zwiększoną twardość materiału, wówczas można znacznie zmniejszyć zwiększoną przez to w profilach znormalizowanych emisję dźwięków, przy czym uzyskuje się szczególnie stabilną postać wykonania, wykazującą optymalne właściwości użytkowe, jeśli dodatkowo stopa, w szczególności środkowy obszar szyny, zawierający powierzchnie wsporczą i położony w zasadzie symetrycznie względem osi, wykazuje zwiększoną twardość materiału. Poniżej objaśnia się bliżej wynalazek na podstawie przykładów wykonania i wyników badań przedstawionych schematycznie na rysunku, którego kolejne figury pokazują: fig. 1 - przekrój poprzeczny szyny znormalizowanej UIC 60, fig. 2 - przekrój poprzeczny szyny, pogrubiony w myśl wynalazku w obszarze stopy, fig. 3 przekrój poprzeczny szyny, zaokrąglonej bez punktów załamania na położonych od strony stopy powierzchniach bocznych szyjki, fig. 4 - kształt przekroju poprzecznego szyny, całkowicie zaokrąglony na powierzchni szyjki, fig. 5 - poziom sumaryczny dźwięków materiałowych i ciężary szyn w zależności od kształtu przekroju poprzecznego. Na figurze przedstawiona jest szyna znormalizowana UIC 60 w przekroju poprzecznym. Szyna ma wysokość całkowita A 172 mm, wysokość główki od powierzchni nośnej 41 do krawędzi 34 przejścia w powierzchnię boczną 31 szyjki, równą37,5 mm, oraz szerokość B stopy 150 mm. Odległość S osi X środka masy od powierzchni wsporczej 21 stopy 2 szyny wynosi 80,95 mm. Tego rodzaju szynę znormalizowaną UIC 60 o ciężarze lub masie 60,34 Kg/m pobudzono do drgań w kierunku pionowym i poziomym za pomocą impulsów, przez oddziaływanie boczne lub mimośrodowe na powierzchnię nośną41, poprzecznie do wymiaru długościowego oraz określono maksymalny poziom sumaryczny dźwięków materiałowych, a także emitowaną moc akustyczną. Wartości, ustalone dla szyny znormalizowanej, stanowią-jak to uwidoczniono na fig. 5, słupek B - wartości podstawowe szyny UIC 60, z którymi porównywane są wartości wynikowe szyn według wynalazku. Na figurze 2 przedstawiona jest szyna według wynalazku ze stopą2, pogrubioną w porównaniu z szyną znormalizowaną UIC 60, lub z większą grubością H stopy. Dzięki temu zmniejszony jest odstęp S osi (X) środka ciężkości od powierzchni wsporczej 21 przy tej samej wysokości całkowitej A szyny oraz zwiększony jest nieco ciężar szyny, jak to jest także uwidoczniany na fig. 5 - słupek I. Przy tym samym pobudzeniu, w porównaniu z szyną znormalizowaną powoduje to ob-
6 181772 niżenie maksymalnego poziomu sumarycznego dźwięków materiałowych i wyraźne zniżenie poziomu sumarycznego dźwięków powietrznych, jak to również wynika z fig. 5 - słupek I. Figura 3 przedstawia profil szyny według wynalazku, przy którym stopa 2 ma wysokość H odpowiednio do profilu znormalizowanego szyny UIC 60, jednak dolna część 31' powierzchni bocznej 31 szyjki 3 szyny 1, pomiędzy położoną od strony stopy krawędzią przejścia 32, a przecięciem z osiąx środka masy, jest wykonana symetrycznie jako zaokrąglona w kształcie okręgu bez punktów załamania. Dzięki temu kształtowi wykonania stwierdzono - w porównaniu z szyną znormalizowaną - przy tym samym wzbudzeniu pulsującym znacznie obniżony poziom sumaryczny dźwięków materiałowych, jak to jest uwidocznione schematycznie na fig. 5 - słupek II, oraz zmniejszony o ok. 1,05 db poziom sumaryczny mocy akustycznej emitowanych dźwięków, przy czym masa szyny (zob. dolną część fig. 5 - słupek II) wzrosła jedynie nieznacznie. Na figurze 4 uwidoczniony jest dalszy profil szyny według wynalazku, który zawiera, w pełni zaokrąglone, wnęki łubkowe lub wolne od obszarów załamania powierzchnie boczne 31 szyjki od, położonej od strony stopy, krawędzi przejściowej 32 aż do, położonej od strony główki, krawędzi przejściowej 34 przy przechodzącej w nią stycznie płasko-równoległej części środkowej szyjki 3 w obszarze osi środka ciężkości. Skierowane ku główce 4 i stopie 2 ciągłe pogrubienie szyjki 3 szyny 1 powoduje wprawdzie - jak to wynika z dolnej części fig. 5 - słupek III - zwiększenie masy szyny 1 na metr, jednak maksymalny poziom sumaryczny dźwięków materiałowych - jak to jest uwidocznione również za pomocą słupka III w górnej części fig. 5 - jest zmniejszony do niewielkiego procentu w porównaniu z profilem znormalizowanym szyny UIC 60, przy czym także zmierzony poziom sumaryczny emitowanej mocy akustycznej jest zredukowany o ok. 3,0 db. W porównaniu z innymi, znormalizowanymi profilami szyn, szyny według wynalazku, wykazywały odpowiednio również znacznie mniejsze sumaryczne moce akustyczne emisji dźwięków.
181 772
181 772 Fig.3 Fig. 4
181 772 Fig. 5
181 772 Fig.1 Fig.2 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz. Cena 2,00 zł.