Schienenbefestigungen für Anwendungen im Schwerlastverkehr

„Auf den ersten Blick müssen Schienenbefestigungen in der Schwerlastanwendung keine höheren Anforderungen erfüllen als in jeder anderen Eisenbahnanwendung. Schwerere Schienenprofile und ein engerer Schwellenabstand können höhere Achslasten ausgleichen, und die Belastung der Befestigungen muss nicht höher sein als üblich. In der Praxis stellen die spezialisierten Betreiber des Schwerlastverkehrs jedoch solche Anforderungen, dass in der Regel ganz andere Ansätze bei der Konstruktion der Gleiskomponenten erforderlich sind.

Die Auslegung von Schienenbefestigungssystemen beeinflusst Parameter wie Spurweite, Steifigkeit der Schienen und Schienenneigung, die wiederum die Mechanik der Rad-Schiene-Schnittstelle beeinflussen. All dies macht die Spezifikation der Schienenbefestigung natürlich zu einem entscheidenden Faktor für den reibungslosen Bahnbetrieb, doch im Falle des Schwerlastverkehrs treten drei weitere Faktoren in den Vordergrund, die zusammen diese Anforderungen noch anspruchsvoller machen.

Hohe jährliche Durchfahrtstonnage

Erstens kann die jährliche Durchfahrtsmenge beim Schwerlastverkehr im Vergleich zu konventionellen Eisenbahnen sehr hoch sein. Bei konventionellen Anwendungen gelten 20 Millionen Tonnen pro Jahr bereits als recht stark befahrene Strecke. Im Schwerlastverkehr sind 200 Millionen Tonnen pro Jahr keine Seltenheit. Die offensichtliche Folge davon ist, dass, wenn Komponenten nach derselben kumulierten Transportmenge noch gewartet oder ausgetauscht werden müssen, dieser Wartungsbedarf in einer viel kürzeren Zeitspanne erreicht wird. Weniger offensichtlich ist die Auswirkung, die dies auf die Lebenszykluskostenanalyse hat. Wartungsmaßnahmen, deren Barwert bei einer konventionellen Eisenbahn aufgrund ihrer weit in der Zukunft liegenden Durchführung vernachlässigbar gering wäre, sind beim Schwerlastverkehr von weitaus größerer Bedeutung.

Auf der Ebene der einzelnen Schienenbefestigungen liegen die Kosten für Instandhaltung und Austausch nicht in den Kosten der Bauteile selbst, sondern in den Arbeitskosten und den Kosten für Gleissperrungen. Es ergeben sich erhebliche wirtschaftliche Vorteile, wenn kleine Gleiskomponenten erst dann ausgetauscht werden, wenn andere Instandhaltungsarbeiten, wie beispielsweise die Wiederverlegung, durchgeführt werden. Dies legt nahe, dass beträchtliche Einsparungen erzielt werden können, indem sichergestellt wird, dass die Lebensdauer der Befestigungskomponenten die Lebensdauer der Schiene übersteigt – und das wird zu einer immer größeren Herausforderung, je länger die Lebensdauer der Schienen wird, da der Schwerlastverkehr auf geraden Strecken mittlerweile davon ausgeht, dass Schienen für 3 Milliarden Tonnen Verkehr ausreichen. Im Falle des Schwerlastverkehrs mit hoher jährlicher Durchfahrtstonnage ist der Barwert solcher Einsparungen hoch genug, um Investitionen in langlebigere Bauteile zu rechtfertigen.

Hohe Zugkräfte

Zweitens können die Auswirkungen der Traktionskräfte auf die Längsspannungen im Gleis sehr erheblich sein. Bei den meisten Eisenbahnen gilt: Sobald ein Gleis so ausgelegt wurde, dass es den Kräften aufgrund der thermischen Ausdehnung und Kontraktion des Gleises sowie den maximal zu erwartenden Bremskräften standhält, ist es standardmäßig stark genug, um auch den auftretenden Traktionskräften standzuhalten. Bei Schwerlastverkehren ist dies jedoch nicht der Fall. An Steigungen kann die anhaltende Anwendung hoher Zugkräfte – Zug um Zug – zu Versagensformen des Gleises führen, die anderswo nicht auftreten. Das erste Anzeichen für ein Versagen ist in der Regel eine ungleichmäßige Bewegung der Schwellen, die sich relativ zu den Schienen und dem Schotter verziehen und verschieben.

Die Lösung des Problems liegt in der Planung, dem Bau und der Instandhaltung eines hochwertigen Gleisbettes sowie in der sorgfältigen Auswahl von Befestigungen für Schienen mit geeigneter Längs-Elastizität. Über mehrere Jahre hinweg an verschiedenen Eisenbahnstrecken durchgeführte Tests haben gezeigt, dass verschiedene Arten von Zwischenlagen, die bei herkömmlichen Tests zur Zulassung ähnliche Leistungsmerkmale aufweisen, dennoch sehr unterschiedliche Leistungen bei der Minderung der Auswirkungen hoher Zugkräfte erbringen.

Extreme Klimabedingungen

Schließlich zeichnen sich Eisenbahnen für den Schwerlastverkehr dadurch aus, dass sie all diese Anforderungen in einigen der unwirtlichsten Umgebungen unseres Planeten erfüllen müssen. Da Mineralvorkommen – insbesondere Eisenerz – an immer schwerer zugänglichen Orten abgebaut werden, ist es notwendig, Eisenbahnstrecken zu errichten, die unter extremen klimatischen Bedingungen gebaut, betrieben und instand gehalten werden können. Für Bauteile aus Stahl und Beton ist das nicht allzu schwierig, doch gibt es insbesondere zwei Materialien, die sich bei extremen Temperaturen und hoher Feuchtigkeit ganz anders verhalten.

Die größten technischen Probleme betreffen Kunststoffe. In den Schienenbefestigungssystemen werden Kunststoffe zur elektrischen Isolierung, zur Elastizität und manchmal als Verschleißschutzelemente eingesetzt. Werkstoffe wie Nylon funktionieren in den meisten Klimazonen gut, werden jedoch unter heißen, feuchten Bedingungen weich und unter trockenen Bedingungen spröde. Es werden umfangreiche Anstrengungen unternommen, um Additive zu finden, die diese Effekte abmildern können, oder um den Einsatz völlig anderer technischer Kunststoffe zu prüfen, die unter „durchschnittlichen“ Bedingungen zwar nicht die beste Leistung erbringen, in einem breiten Spektrum extremer Umgebungen jedoch akzeptabel gut funktionieren.

Was in extremen Klimazonen ebenfalls nicht so gut funktioniert, ist der menschliche Körper! Das mag vielleicht nicht nach einem technischen Problem klingen, aber Tatsache ist, dass wir beim Gleisbau und bei der Instandhaltung nach wie vor einen hohen Anteil an manueller Arbeit erwarten. Wenn Strecken im Schwerlastverkehr an unzugänglichen und unwirtlichen Orten gebaut werden, steigt der Druck, mehr Automatisierung einzuführen und die Wartungsintervalle zu verlängern, da zusätzliche menschliche Faktoren berücksichtigt werden müssen.

Technische Daten und Normen

Die meisten Strecken für den Schwerlastverkehr, die derzeit geplant oder gebaut werden, werden nicht von etablierten Eisenbahnunternehmen, sondern von Bergbauunternehmen vorgeschlagen. Die Bahnstrecke wird Teil des Bergbauprojekts, da sie die wirtschaftlichste und zuverlässigste Möglichkeit darstellt, Massengüter vom Ursprungsort zum Verbraucher zu transportieren; daher wird in den meisten Fällen die gesamte Aufgabe der Planung, des Baus und sogar des Betriebs der Bahnstrecke – genau wie bei jeder anderen Kapitalinvestition – im Rahmen einer Ausschreibung vergeben. Dieser Prozess erfordert eine Spezifikation der technischen Leistungsmerkmale, die in einen kommerziellen Vertrag aufgenommen werden kann. Das Problem besteht darin, dass keine etablierten technischen Normen die oben diskutierten Faktoren berücksichtigen. Erschwerend kommt hinzu, dass die technischen Normen, die innerhalb einzelner Eisenbahnnetze gelten, eng miteinander verknüpft sind.

Beispielsweise basiert die Berechnung der Belastungen, die zur Prüfung einer Schwelle oder eines Schienenbefestigungssystems aufgebracht werden, auf Annahmen hinsichtlich der Steifigkeit und Beschaffenheit des Gleisbettes. Dies wiederum beruht auf einer weiteren Annahme, nämlich dass die an anderer Stelle im System festgelegten Grenzwerte für die Gleisinstandhaltung eingehalten werden – und diese Grenzwerte basieren auf einer empirischen Bewertung der jeweiligen Gleis- und Verkehrsbedingungen. Es reicht selten aus, technische Spezifikationen einer Eisenbahn einfach zu übernehmen und auf eine andere in einem anderen Teil der Welt anzuwenden. Der Schwerlastverkehr kann auf eine beneidenswerte Tradition des Austauschs von technischem Wissen durch Organisationen wie die IHHA zurückblicken. Durch diesen Prozess können bewährte Verfahren auf neue und anspruchsvollere Projekte „exportiert“ werden.