Schienenbefestigungen für den Schwertransportverkehr

Schienenbefestigungsexperte Dr. David Rhodes untersucht, wie die speziellen Anforderungen von Schwertransportbahnen mit der Spezifikation für Schienenbefestigungen erfüllt werden können

„Oberflächlich betrachtet müssen Schienenbefestigungen in Schwertransportanwendungen nicht mehr leisten als bei jeder anderen Eisenbahn. Schwerere Schienenprofile und engere Schwellenabstände können höhere Achslasten ausgleichen und die Belastung der Befestigungen muss nicht höher als üblich sein. In der Praxis sind die Anforderungen der spezialisierten Schwertransport-Betreiber jedoch so hoch, dass in der Regel ganz andere Ansätze für die Auslegung von Streckenkomponenten erforderlich sind.

Die Detailkonstruktion von Schienenbefestigungssystemen beeinflusst Parameter wie Spurweite, Gleissteifigkeit und Schienenneigung, die wiederum die Mechanik der Rad-Schiene-Schnittstelle beeinflussen. Das alles macht natürlich die Befestigungsspezifikation zu einem kritischen Faktor für den reibungslosen Bahnbetrieb, aber im Fall der Schwertransport-Bahnen werden drei zusätzliche Faktoren hervorgehoben, die zusammengenommen diese Anforderungen noch anspruchsvoller machen.

Hohe jährliche Durchfahrt-Tonnage

Erstens, im Vergleich zu konventionellen Eisenbahnen kann die jährliche Durchfahrttonnage von Schwertransportbahnen sehr hoch sein. Bei konventionellen Anwendungen stellen 20 Millionen Tonnen pro Jahr eine recht stark ausgelastete Strecke dar. Im Schwertransportverkehr sind 200 Millionen Tonnen pro Jahr nicht ungewöhnlich. Der offensichtliche Effekt davon ist, dass, wenn Komponenten nach der gleichen akkumulierten durchlaufenden Tonnage immer noch gewartet oder ausgetauscht werden müssen, dieser Wartungsbedarf in einer viel kürzeren Zeit erreicht wird. Weniger offensichtlich ist der Effekt, den dies auf die Analyse der Lebenszykluskosten hat. Instandhaltungsaktivitäten, die bei einer konventionellen Eisenbahn auf einen vernachlässigbaren Kapitalwert abgezinst würden, weil sie so weit in der Zukunft liegen würden, sind bei der Schwertransport-Bahn viel bedeutender.

Auf der Detailebene der Schienenbefestigungen liegen die Kosten für Wartung und Ersatz nicht in den Kosten der Komponenten selbst, sondern in den Kosten für Arbeitskräfte und Gleissperren. Es hat erhebliche wirtschaftliche Vorteile, kleine Gleiskomponenten nur dann zu ersetzen, wenn andere Instandhaltungsarbeiten, wie z. B. Wiederaufgleisen, durchgeführt werden. Das deutet darauf hin, dass beträchtliche Einsparungen erzielt werden können, wenn sichergestellt wird, dass die Lebensdauer der Befestigungskomponenten die Lebensdauer der Schiene übersteigt, und das wird mit der Verlängerung der Lebensdauer der Schiene zu einer größeren Herausforderung, da die großen US-Schwerlastbahnen jetzt davon ausgehen, dass die Schiene für 3 Milliarden Tonnen Verkehr im Tangentialgleis ausreicht. Im Falle einer Schwertransportstrecke mit hoher jährlicher Durchfahrtstonnage ist der Nettogegenwartswert solcher Einsparungen hoch genug, um Investitionen in dauerhaftere Komponenten zu rechtfertigen.

Hohe Zugkräfte

Zweitens können die Auswirkungen von Zugkräften auf Schienenlängsspannungen sehr erheblich sein. Bei den meisten Eisenbahnen ist das Gleis, wenn es einmal so ausgelegt ist, dass es den Kräften aufgrund der thermischen Ausdehnung und Kontraktion des Gleises und den maximal zu erwartenden Bremskräften standhält, standardmäßig stark genug, um den aufgebrachten Zugkräften standzuhalten. Im Schwertransportbereich ist dies nicht der Fall. Bei Steigungen und Gefällen kann die anhaltende Anwendung hoher Zugkräfte, Zug um Zug, Gleisversagensmodi hervorrufen, die unter anderen Umständen nicht zu beobachten sind. Gewöhnlich ist das erste Anzeichen des Versagens 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 qualitativ hochwertigen Gleisbettes und in der Beachtung der Auswahl von Schienenbefestigungen mit geeigneter Längsschubelastizität. Tests, die über mehrere Jahre hinweg auf mehreren Bahnen durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass verschiedene Typen von Schienenunterlagen, die bei konventionellen Typgenehmigungsprüfungen ähnliche Leistungen erbringen, dennoch ganz unterschiedliche Leistungen hinsichtlich der Milderung der Auswirkungen hoher Zugkräfte erbringen.

Extreme Klimaverhältnisse

Schließlich ist es ungewöhnlich, dass die Schwertransport-Bahnen all diese Dinge in einigen der feindlichsten Umgebungen, die unser Planet zu bieten hat, verlangen. Da Mineralvorkommen – insbesondere Eisenerz – an immer unzugänglicheren Orten ausgebeutet werden, wird es notwendig, Eisenbahnen zu bauen, die unter extremen klimatischen Bedingungen gebaut, betrieben und unterhalten werden können. Für Bauteile aus Stahl und Beton ist das nicht allzu schwierig, aber es gibt vor allem zwei Dinge, die bei extremen Temperaturen und Feuchtigkeit ganz anders funktionieren.

Die größten technischen Probleme sind die mit Kunststoffen verbundenen. Innerhalb des Schienenbefestigungssystems werden Kunststoffe verwendet, um elektrische Isolierung, Elastizität und manchmal opferbare Verschleißelemente bereitzustellen. Materialien wie Nylon funktionieren in den meisten Klimazonen gut, werden jedoch bei Hitze und Nässe weich und werden bei Trockenheit spröde. Es wird intensiv daran gearbeitet, Additive zu finden, die diese Auswirkungen mildern können, oder die Verwendung völlig anderer technischer Polymere zu evaluieren, die unter „durchschnittlichen“ Bedingungen möglicherweise nicht die beste Leistung erbringen, die aber unter einer Vielzahl extremer Umgebungen akzeptabel gut funktionieren.

Die andere Sache, die in extremen Klimazonen nicht so gut funktioniert, ist der menschliche Körper! Das klingt vielleicht nicht nach einer technischen Frage, aber Tatsache ist, dass wir immer noch viel Handarbeit für den Bau und die Instandhaltung der Gleise erwarten. Wenn Schwertransportstrecken an unzugänglichen und unwirtlichen Orten gebaut werden, erhöht sich der Druck, mehr Automatisierung einzuführen und die Wartungsintervalle zu verlängern, wegen der zusätzlichen menschlichen Faktoren, die berücksichtigt werden müssen.

Spezifikationen und Normen

Die meisten Schwertransport-Eisenbahnen, die heute geplant oder gebaut werden, werden nicht von etablierten Eisenbahnen, sondern von Bergbauunternehmen vorgeschlagen. Die Eisenbahn wird zu einem Teil des Bergbauprojekts, weil sie die wirtschaftlichste und zuverlässigste Art und Weise ist, Massengüter von der Quelle zum Verbraucher zu befördern, und so wird in den meisten Fällen die gesamte Aufgabe der Planung, des Baus und sogar des Betriebs der Eisenbahn wie jede andere Kapitalinvestition ausgeschrieben. Dieser Prozess erfordert eine Spezifikation der technischen Leistung, die in einen kommerziellen Vertrag aufgenommen werden kann. Das Problem ist, dass keine etablierten technischen Standards die Art von Faktoren berücksichtigen, die oben diskutiert wurden. Erschwerend kommt hinzu, dass die technischen Standards, die innerhalb der einzelnen Eisenbahnnetze existieren, eng miteinander verknüpft sind.

Beispielsweise basiert die Berechnung der Belastungen, die zur Prüfung einer Schwelle oder eines Schienenbefestigungssystems aufgebracht werden, auf Annahmen über die Steifigkeit und Konsistenz des Gleisbettes. Dies wiederum basiert auf einer anderen Annahme, nämlich der, dass die an anderer Stelle im System festgelegten Grenzwerte für die Gleisinstandhaltung eingehalten werden, und diese Grenzwerte basieren auf einer empirischen Bewertung bestimmter Gleis- und Verkehrsbedingungen. Es reicht selten aus, technische Spezifikationen von einer Eisenbahn zu übernehmen und sie auf eine andere in einem anderen Teil der Welt anzuwenden. Die Eisenbahnbranche im Schwertransportverkehr kann eine beneidenswerte Bilanz beim Austausch von technischem Wissen durch Organisationen wie IHHA vorweisen. Durch diesen Prozess können bewährte Praktiken in neue und anspruchsvollere Projekte „exportiert“ werden.