Schiene (Schienenverkehr)

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

Von der Fa. Krupp gewalzte Schiene und Radreifen
Sicht von der Innenseite

Schienen sind im Bahnwesen lineare Trag- und Führungselemente, die meist paarig und parallel zueinander im Abstand der Spurweite angeordnet den Fahrweg für Schienenfahrzeuge bilden.

Frühe Schienen in diesem Sinne waren Spurrillen, längs ausgelegte Baumstämme oder Holzbohlen. Moderne Schienen sind standardisierte und genormte Walzstahlerzeugnisse. Sie sind in regelmäßigen, kurzen Abständen zumeist auf quer zur Gleisachse ausgelegten Bahnschwellen aus Beton, Stahl, Holz oder Kunststoff befestigt und bilden als Gleis zusammen mit dem Kleineisen und der Bettung den Oberbau einer Bahnstrecke.

Anfänge

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, um die Standfestigkeit zu erhöhen und den Verschleiß zu mindern.

Infolge von Absatzproblemen hatte im Jahre 1767 Richard Reynolds, einer der Besitzer der Coalbrookdale-Eisenhütte, Gusseisenbarren in Plattenform auf Lager. Um diese zwischenzeitlich sinnvoll nutzen zu können, ließ er damit verschlissene Holzbohlenschienen der Hüttenbahn auslegen, wo sie den beabsichtigten Zweck hervorragend erfüllten. Dies wird als Geburtsstunde der Eisenschienen für Fahrzeugräder angesehen.

Profile

Historische Profile

• 
  Ansicht der Fischbauchschiene
• 
  Profil der Keilkopfschiene
• 
  Doppelkopfschiene (2),
  1 = Radreifen mit Spurkranz,
  3 = Schienenbefestigung,
  4 = Holzschwelle
• 
  Doppelkopfschienen in Schienenstühlen gehörten zu den ersten eisernen Schienensystemen.
• 
  Querschnitt einer Barlow-Schiene, vormals benutzt bei der Sydney Railway Company
• 
  Haarmannsche Schwellenschiene, Querschnittszeichnung

Winkelschiene

John Curr führte 1776 im Steinkohlenbergbau in den Kohlegruben von Sheffield Winkelschienen ein. Diese ersten Schienen hatten alle den Vorteil, dass Fahrzeuge mit normalen Rädern auf ihnen fahren konnten und nicht allein auf die Schienenführung angewiesen waren. In den ersten Jahren des 20. Jahrhunderts lief die historische Verwendung von Winkelschienen aus. Mit dem Einsatz luftbereifter Spurfahrzeuge hat sie inzwischen eine örtlich begrenzte Renaissance erfahren: Die 1989 eingerichtete automatische Standseilbahn Poma 2000 im nordfranzösischen Laon fährt auf L-Profilen und wird durch deren seitlich hochstehende Kanten auf diesen Schienen gehalten.

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, sodass 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

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.

Fischbauchschiene auf Steinblöcken, Cromford and High Peak Railway, England, 1831

In Anlehnung an das beim Brückenbau geläufige Prinzip des Fischbauchträgers wurde gegen 1789 von William Jessop die Fischbauchschiene entwickelt. Es handelt sich dabei um ein jeweils etwa einen Yard (ca. 91 cm) langes Schienenstück, dessen 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

Keilkopfschienen sind den Vignolschienen sehr ähnlich. Im Gegensatz zu diesen sind die Flanken der Schienenköpfe keil- bzw. trapezförmig abgeschrägt, sodass 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. Die beiderseits am Schienenkopf angreifende Zangenbremse klammert sich gewissermaßen unverlierbar an der Schiene an. 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.

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, sodass 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 und mittels Schienenstühlen befestigt wurden. 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 Erfahrungen zeigten jedoch, dass die Schienen mit dem damaligen Material schon brüchig wurden, bevor sie zur mehrmaligen Nutzung gedreht werden konnten.

Später wurden auch Varianten der Doppelkopfschiene entwickelt, die zwar nicht mehr gewendet werden konnten, weil der Kopf auf einer Seite abgeflacht war, sich aber trotzdem auf den bestehenden Schienenstühlen für Doppelkopfschienen verbauen ließ. Diese im Englischen als Bull Head Rail „Stierkopfschiene“ bezeichnete Schiene war weit bis ins 20. Jahrhundert hinein die Standardschiene in Großbritannien und ist immer noch bei London Underground im Einsatz.

Brücken-, Brunel- und Barlowschiene

Im Jahr 1835 erfand Strickland die Brückenschiene mit einem Querschnitt ähnlich einem senkrecht durchschnittenen Hut. Sie wurde meist auf Langschwellen verlegt, später auch Brunel-Schiene genannt nach dem Ingenieur Isambard Kingdom Brunel, der sie 1836 in großem Umfang bei der Great Western Railway verwendete.

Eine weiter entwickelte Form konzipierte 1849 William Henry Barlow – die gewalzte Barlow-Schiene mit ebenfalls hutförmigem Querschnitt, jedoch erheblich verstärkter Lauffläche. Sie war zudem eine Sattelschiene, die ohne Schwelle verlegt wurde. Seaton schuf 1856 eine Sattelschiene, die auf einer dreikantigen Holzlangschwelle gelagert war.

Haarmanns Schwellenschiene

August Haarmann entwickelte ein längs symmetrisch zweigeteiltes Schienenprofil mit unterhalb quer zur Längsrichtung angebrachten T-Eisen„schwellen“. Mit der Längs-Teilung sollten an den Schienenstößen durch geringfügig überlappenden Zusammenbau ein ruhigerer Lauf der Schienenfahrzeuge ermöglicht werden.

Schienenneigung

Zur Anpassung an die zur Selbstzentrierung im Gleis konischen Laufflächen der Räder stehen die Schienen im Gleis in der Regel zur Gleismitte hin geneigt. Diese Neigung wird entweder in die Unterlagsplatten oder in die Schwellen eingearbeitet. In der Vergangenheit betrug das europäische Regelmaß dieser Neigung, angepasst an langachsständige Zwei- und Dreiachser, 1:20. Bei Drehgestellfahrzeugen hat sich eine geringere Konizität der Radlaufflächen als günstiger für Verschleiß und Laufruhe erwiesen. Aufgrund ihres zunehmenden Anteils am Fahrzeugbestand wurde die Regelneigung der Schienen etwa seit den 60er Jahren des 20. Jahrhunderts, gleichzeitig mit der Einführung schwerer Schienenprofile, auf 1:40 verringert. Gleise mit 1:20 geneigten Schienen finden sich in Deutschland nur noch in Nebengleisen und auf Nebenbahnen mit geringer Belastung und langer Liegedauer des Oberbaues.

Senkrecht stehende Schienen und zylindrische Radreifen gibt es bei einigen Straßenbahnnetzen. Zur Bauzeit war man der Meinung, dass die Selbstzentrierung durch den Sinuslauf aufgrund des geringen Spurspiels und der engen Bogenradien ohnehin kaum wirkt. Ein bekanntes Beispiel für senkrecht stehende Schienen und zylindrische Radreifen ist das Netz der U-Bahn Berlin. Im Betrieb stellt sich allerdings ein konisches Verschleißprofil ein.

In Weichen und Kreuzungen und bei kurzen Gleisstücken bis 40 Meter zwischen Weichen stehen die Schienen insbesondere zur Vereinfachung der Konstruktion senkrecht. Bei einigen neueren Weichenkonstruktionen ist die Neigung in die Fahrfläche der Schienen eingearbeitet. Zwischen Gleisen mit senkrecht stehenden und 1:20 geneigten Schienen baut man Übergangsschwellen mit der Neigung von 1:40 ein.

Heutige Schienentypen

Standardprofile

Standardprofil UIC 60

Standard-Schienenprofile mit Maßen

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 Reichsbahn und ihrer Nachfolger von 1922 bis 1963. Es ist noch auf vielen Strecken vorhanden, wird aber nur noch für weniger belastete Gleise eingebaut. Für Schmalspurbahnen, in Straßen- und U-Bahn-Netzen wird dieses Profil ebenfalls verwendet. Das Standardprofil S 54 mit 54 kg/m findet man auf Hauptstrecken und Bahnhofsgleisen. Es war ab 1963 das Regelprofil der Deutschen Bundesbahn. Das UIC-60-Profil wiegt 60 kg/m und wird seit 1970 in der Regel für hochbelastete Strecken verwendet, sowohl für hohe Achs- und Zuglasten als auch für hohe Geschwindigkeiten. Ein weiteres, von der UIC genormtes Profil, UIC 54, ist dem deutschen Profil S 54 vergleichbar und wird vor allem im europäischen Ausland eingesetzt (z. B. Niederlande).

Im Netz der Deutschen Reichsbahn in der DDR wurde für hohe Lasten das aus der UdSSR importierte Profil R 65 mit 65 kg/m eingebaut. Das der deutschen S 49 vergleichbare Profil R 50 wurde vor allem in Straßenbahnnetzen, aber beispielsweise auch bei der Windbergbahn nach Dresden-Gittersee benutzt. Für Schmalspurstrecken wurde in den 1960er Jahren letztmals das Profil S 33 mit 33 kg/m gewalzt. In U-Bahn-Netzen ist weiterhin das Profil S 41 üblich, das einer Schiene S 49 mit verringerter Kopfhöhe entspricht.

In den USA wird das 140-RE-Profil (70 kg/m) für stark belastete Strecken eingebaut.

Für Weichen wird möglichst dasselbe Schienenprofil wie für die anschließenden Gleise verwendet, bei unterschiedlicher Belastung beider Stränge das des höher belasteten. Die Weichenzungen bei Weichen deutscher Bauart werden aus besonderen, asymmetrischen und in der Höhe verringerten Zungenschienenprofilen hergestellt.

Vignolschiene oder Breitfußschiene

Schienenpaar mit unterschiedlichen Walzzeichen. Vorne alte Reihenfolge; Hersteller (Krupp), Jahr und Monat (03.1988), Profil (UIC 60), Stahlgüte (R320Cr) hinten neue nach EN 13674-1; Hersteller (voestalpine Schienen Donawitz), Stahlgüte (R350LHT), Jahr (2002), Profil (EN 60 E1)

Profil einer Vignolschiene mit Rippenplatte (Oberbau Ks)

Schienenbefestigung bei Oberbau W mit Schwellenschraube, Spannklemme und Winkelführungsplatte

Letztlich hat sich die um 1830 von dem US-Amerikaner Robert Livingston Stevens entwickelte Breitfußschiene durchgesetzt, die später Verbesserungen durch den Engländer Charles Vignoles erfuhr, nach dem sie benannt wird. Sie besteht aus einem breiten, flachen Fuß, mit dem sie üblicherweise mit Spannklemmen 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 Verwechslungen und falsche Verwendungen zu vermeiden, wird in den Steg des Schienenprofils eine definierte Kennzeichnung mit Buchstaben und Ziffern mit eingewalzt. Die aktuelle EU-Normvorgabe für dieses Walzzeichen ist beim Stand von 2014 die DIN EN 13674-1:2011-04 (D). Ältere Formen der Kennzeichnungen waren teilweise rein hersteller-spezifisch.

Die Vignolschiene wird auf den Schwellen meist unter Zwischenlage einer Unterlags- oder Rippenplatte befestigt, die einerseits den Schienenfuß trägt und seitlich führt, sowie zur Schwelle hin die Bohrungen und Aussparungen für die Befestigungsschrauben bzw. Federelemente bereitstellt. In der Vergangenheit und bei einfachen Verhältnissen wurden die Auflager bei der Oberbauform K einfach in die Oberfläche von Holzschwellen eingehobelt und die Schienen mit Schwellenschrauben befestigt. Fortschritte bei der Betonherstellung ermöglichten bei der Oberbauform W wieder den Verzicht auf Unterlagsplatten.

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. Sie werden üblicherweise auf einem durchgehenden weiteren Träger, speziell einer Stahlunterlage, montiert, was als „kontinuierliche Lagerung“ bezeichnet wird.

Vignolschienen werden in Ausnahmefällen auch als Kranschienen verwendet und dabei oft auf Schienenstühlen oder Schwellen montiert, was als „diskontinuierliche Lagerung“ bezeichnet wird. Die diskontinuierliche Lagerung wird hier als sehr schadensanfällig betrachtet.

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.

Rillenschiene

Beschreibung

Profil einer Rillenschiene

Der Linzer Straßenbahntunnel ist mit Rillenschienen ausgestattet, damit Rettungsfahrzeuge in den Tunnel einfahren können

Ulm: Rillenschienen samt großem Gleisabstand ermöglichen im Störungsfall einen problemlosen Schienenersatzverkehr auf dem Gleiskörper der Straßenbahn

Die Rillenschiene ist zumeist ein gewalztes Stahlprofil, das insbesondere zum Bau von Gleisen für Straßenbahnen verwendet wird. Sie unterscheidet sich von der Vignolschiene durch die in den Kopf eingewalzte Rille. Die Rille gewährleistet immer einen freien Spurkanal, in dem der Spurkranz rollt. Höhenunterschiede des Fahrbahnbelages beziehungsweise des Pflasters werden so vom Spurkranz ferngehalten. Im Gegensatz zu Vignolschienen kommen Rillenschienen ohne Schotterbett und ohne Schwellen aus, sie werden meist auf einen festen Untergrund aus Beton aufgelegt und in diesen verankert. Eine Sonderform stellt dabei die sogenannte Großverbundplatte dar, hierbei handelt es sich um vorgefertige Gleisjoche samt Straßenbelag, die vor Ort nur noch eingesetzt werden müssen.

Die Führung des Schienenfahrzeuges übernimmt der 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 überfahren wird. In engen Bögen stellt sich durch den Verschleiß nach einiger Zeit zusätzlich eine Rückflächenführung auf der bogeninneren Seite ein. Zur Erhöhung der Liegedauer werden deshalb in derartigen Bögen Schienen mit verstärkter Rille verlegt. Grundsätzlich werden Rillenschienen dem Einsatzfall entsprechend ausgewählt. In den meisten Straßenbahnnetzen werden aufgrund der historischen Entwicklung schmalere Spurkränze und Radreifen benutzt, darauf angepasste Straßenbahn-Rillenschienen weisen eine Rillenweite von circa 40 Millimetern auf. In Eisenbahnnetzen verwendet man breitere Spurkränze und Radreifen, Eisenbahn-Rillenschienen weisen eine circa 60 Millimeter breite Rille auf.

Ein wesentlicher Nachteil von Rillenschienen ist die Sturzgefahr für Radfahrer, insbesondere wenn die Schienen im spitzen Winkel gequert werden müssen oder nass sind. Ferner werden Rillenschienen zusätzlich auch vom Straßenverkehr abgenutzt, müssen also häufiger ausgetauscht werden als Vignolschienen. Dies wiederum ist stets mit Behinderungen für den Straßenverkehr verbunden und erfordert nach Abschluss der Gleisbauarbeiten zusätzlich die Wiederherstellung der Fahrbahndecke. Zur Ableitung von Oberflächenwasser sind bei Rillenschienen, die im Fahrbahnbelag eingebaut sind, in regelmäßigen Abständen Entwässerungsöffnungen und Wasserkästen vorhanden. Die Öffnungen werden erst nach Einbau der Schiene geschaffen. Das Säubern des Spurkanals von anderem Schmutz oder Sand wurde früher von Hilfsarbeitern erledigt, den sogenannten Ritzenschiebern. Heute erfolgt dies maschinell mit Schienenreinigungsfahrzeugen. Generell besteht bei Rillenschienen durch potentielle Fremdkörper in der Rille eine erhöhte Entgleisungsgefahr gegenüber Vignolschienen. Mitunter werden Rillenschienen auch in Bereichen verbaut, wo im Regelfall kein Individualverkehr auf dem Gleiskörper stattfindet. Jedoch kann dieser im Notfall von Rettungsfahrzeugen befahren werden, was insbesondere bei Tunnelstrecken von Vorteil sein kann. Des Weiteren kann auf solchen Abschnitten leichter ein Schienenersatzverkehr mit Omnibussen eingerichtet werden.

Geschichte

Nachdem bereits 1832 die weltweit erste Straßenbahn in New York verkehrte, ergab sich das Problem, dass die Schienenköpfe der Vignolschienen aus der Fahrbahn herausragten und die übrigen Verkehrsteilnehmer behinderten. Für die erste Straßenbahn Europas, die Straßenbahn Paris, meldete hingegen der Ingenieur Alphonse Loubat 1852 ein Patent auf U-förmige und in der Fahrbahn versenkte Schienen an, die auf Längsbalken aufgenagelt ohne Überstand in die Fahrbahn eingebaut werden konnten.

Vor der Erfindung der Rillenschiene als Einzelprofil wurden häufig zwei Vignolschienen mit Futterstücken nebeneinander verschraubt (Haarmann-Schiene, vergleichbar mit der noch für Überwege genutzten Bauart Lindau), oder ein spezielles Winkelprofil (Spurrillenschiene) wurde seitlich an einer Vignolschiene angeschraubt. Auch heute kommt diese Verfahrensweise teilweise zur Anwendung. Für Schienen S 49 und S 54 werden solche Profile noch gewalzt.

Die ersten Vignol-Rillenschienen wurden im Jahr 1880 bei der Phönix AG in Ruhrort für die Straßenbahn der Stadt Plymouth gewalzt. Durch die ungeschickte Formulierung des Phönix-Patentes nahmen nach und nach auch andere deutsche Stahlwerke wie die Gesellschaft für Stahlindustrie in Bochum 1884 und der Hörder Verein 1887 nach leicht abgewandelten Walzverfahren die Fertigung auf. Erst nach 1900 gelang es auch ausländischen Walzwerken, Vignol-Rillenschienen herzustellen. Nach dem ursprünglichen Hersteller wurde dieses Schienenprofil auch Phönixschiene genannt.

• 
  Frühe Rillenschiene nach dem System Loubat
• 
  Straßenbahngleis mit Rillenschienen auf Beton­unter­grund währ­end Erneuer­ungs­arbeit­en
• 
  Vorrichtung zur Entwässerung einer Rillenschiene, links im Bau – rechts in eingebautem Zustand
• 
  Warnhinweis für Radfahrer in Nottingham

Fahrbahnschienen für luftbereifte Bahnsysteme

Schienensystem des VAL-Bahnsystems

Der Einsatz von luftbereiften Fahrzeugen führte teilweise zu neuartigen Schienenanlagen mit ebenfalls neuartigen Führungs- und Gleiswechselsystemen.

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. Tramway de 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 wie die Wuppertaler Schwebebahn haben meist stählerne Schienen, auf denen die Räder laufen, die Schienen ihrerseits sind wieder an Traggestellen oder Betonbalken aufgehängt.

Herstellung

Vom Gusseisen zum Stahl

Ab 1770 wurden gusseiserne Schienen auf Steinblöcken verlegt, so erstmals bei der Derby Canal Railway in England. Der Engländer Ralph Allen erfand in den 1730er-Jahren den einseitigen Spurkranz, der die Wagen sicher auf dem Gleis führt. Nach anderen Angaben wurde der Spurkranz jedoch erst 1789 eingeführt.

Mit Einführung der Spurkranzräder wurden Schienen mit pilzförmigem Querschnitt mit und ohne untere Verstärkung des Steges verwendet. Die kurzen, gusseisernen Schienen konnten nur ein sehr mangelhaftes, für größere Raddrücke (wie sie die in der Entstehung begriffenen Lokomotiven erforderten) ungeeignetes Gleis bilden. 1820 gelang es John Berkinshaw in Durham, Schienen durch Walzen zu erzeugen, sie damit also aus haltbarerem Material und in großen Längen (damals 15 Fuß engl.) herzustellen.

„Die Querschnittform blieb zunächst noch die gleiche Pilzform und die Unterstützung ebenfalls dieselbe mit gusseisernen Schienenstühlen auf Steinwürfeln. Seltsamerweise glaubte man, auch von der Fischbauchform in Längsrichtung nicht abweichen zu dürfen und walzte mit vieler Mühe die Wellenschiene. So sind diese gewalzten Schienen zuerst auf einem Teil der kleinen Bahn Stocton-Darlington [sic!] (1825) und auf der ersten großen Lokomotivbahn, Liverpool-Manchester (1826–1830), verlegt worden.“ (Meyers Konversationslexikon, 1905)

Mitte des 19. Jh. erfolgte der Übergang zu den wesentlich länger haltbaren Stahlschienen. So lieferten Vorläufer der heutigen voestalpine ab 1850 erste Schienenköpfe aus Schweißeisen, ab 1857 lieferte Robert Forester Mushet die ersten Stahlschienen (Bessemerverfahren), ab 1862 liefert Alfred Krupp Stahlschienen (Bessemerverfahren) und ab 1869 lieferten Vorläufer der voestalpine erste Schienen aus SM-Stahl (Siemens-Martin-Verfahren).

Schienenproduktion heute

Eisenbahn-Schienen werden aus qualitativ hochwertigem Stahl gewalzt, wozu etwa zehn Walzdurchgänge 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 der Walzung werden die Schienen in einem entsprechend langen Kühlbett als Ganzes gleichmäßig und kontrolliert abgekühlt; dabei entstehende Abweichungen vom geraden Verlauf werden durch kaltes Richten auf einer Rollenrichtmaschine unter hohem Druck beseitigt, im Fachjargon auch „Bügeln“ genannt.

Anschließend erfolgt die Qualitätskontrolle jeder einzelnen Schiene; sie wird jeweils auf Geradheit, korrekte Oberfläche und auch inneren Zustand hin geprüft. Dabei werden fehlerhafte Abschnitte aussortiert und weiter verwertet. Die sehr hohe Ausgangsqualität des verwendeten Stahls ermöglicht eine 100 %ige Wiederverwertung der Schienen. In der Endbearbeitung erfolgt schließlich das Sägen auf die gewünschte Länge sowie evtl. auch das Bohren sog. „Laschenlöcher“. Anschließend gehen die Schienen entweder direkt in den Versand oder alternativ ins Lager. Üblich ist die Lieferung Just in time (JIT) auf die entsprechende Baustelle.

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

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. Weitere Schweißungen bis hin zu 360-m-Stücken sind möglich. Der häufigste Versandweg ist die Bahn; bei Lieferungen per Schiff nach Übersee ist die Schienenlänge auf 60 Meter begrenzt.

Die Langschienenlogistik erfordert lange Spezialwagengespanne sowie mehrere parallel arbeitende Kräne und ist damit anspruchsvoller als die für Kurzschienen. In der Folge ist jedoch durch Langschienen ein doppelter Spareffekt möglich: So reduziert sich bereits im Baugleis die Anzahl der teuren Schweißarbeiten nach dem Thermitschweißverfahren oder dem Abbrennstumpfschweißverfahren und später noch einmal der für die Nahtstellen (sog. „Schienenstoß“) jeweils nötige Wartungsaufwand. Schienen für enge Bogenradien (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) gehört zu voestalpine. Der letzte in Deutschland verbliebene Produzent, TSTG Schienen Technik gehörte auch zur voestalpine AG, wurde aber Ende 2013 geschlossen.

Siehe auch: Schienenfreunde

Hersteller

2012 wurden weltweit 9,1 Millionen Tonnen Schienen produziert, darunter 1,5 Millionen Tonnen in Europa.

Schienenwalzwerke:

• Voestalpine: Leoben-Donawitz
• Moravia Steel: Třinec (Tschechien)
• Tata Steel (bis 1. Juni 2016): Usine Saint Jacques Hayange (Frankreich), Scunthorpe (Großbritannien)
• ArcelorMittal: Steelton (USA), Gijon (Spanien), Ostrava (Tschechien), Rodange (Luxemburg), Dąbrowa Górnicza und Chorzów (Polen)
• Evraz: NTMK/Nischni Tagil, NKMK/Nowokusnezk, Pueblo (USA)
• Kardemir: Karabük (Türkei)
• Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation: Yawata, Kitakyūshū
• JFE: West Japan Works
• Panzhihua Iron and Steel: Panzhihua (China)

Qualitative Unterscheidung

Zur genaueren Bezeichnung wird in Deutschland die Metermasse des Profils verwendet. Die bayerische Ludwigs-Eisenbahn von Nürnberg nach Fürth (1835) verwendete ein Profil von 12 kg/m. Nach 1920 begann der Einbau von Schienenprofilen mit 49 kg/m (S 49). Die aktuell bei der Deutschen Bahn AG verwendeten Profile werden im weiteren Verlauf dieses Artikels näher beschrieben. Im Bereich der OSShD (Osteuropäischer Eisenbahnverband) waren auch Profile mit 65 kg/m (R 65) üblich.

Straßenbahn-Betriebe 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 Schwankungen der Temperatur die Kräfte infolge Wärmeausdehnung geringer sind. Dies wirkt sich insbesondere in engen Gleisbögen aus, wo es bei starken Temperaturschwankungen zu Gleislagefehlern kommen kann. Ihre Nachteile sind die geringere Tragfähigkeit und das geringere Widerstandsmoment.

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.

Unterbau

Schallschutz

Holzschwellen haben schon selbst günstige schwingungdämpfende Eigenschaften und daneben relativ geringe Eigenmasse, sodass sie in Stahlbrücken bevorzugt verlegt werden. Bei der Befestigung von Schienen auf Stahl- und Stahlbetonschwellen oder Stahlbetonplatten werden zur Schalldämmung an jeder Befestigungsstelle oftmals etwa 5 mm starke Kunststoffplatten unter den Schienenfuß gelegt. Die Klemmung der Schiene erfolgt durch federnden Druck von oben, die elastische, dämpfende Platte kann an zwei Längskanten hochstehende Stege aufweisen, die den Schienenfuß auch seitlich umfassen. Stahlbetonplatten moderner Schienenwege, ob Straßen- oder Hochgeschwindigkeitsbahn werden bisweilen durch eine geschlossenporige Schaumstofflage darunter und seitlich so umfasst, dass die Körperschallabgabe an den Untergrund und die Schallabstrahlung nach oben reduziert werden. Unterbau, Schiene, Radsatz, Drehgestell und Wagenkasten, sowie Antrieb und Bremsen stellen eine Kette federnd verbundener schwingungsfähiger Massen dar, deren Vibration und Schallabstrahlung zu reduzieren eine komplexe Aufgabe ist.

Stromschienen

Im Gegensatz zu den vorgenannten Schienenformen dienen Stromschienen weder dem Tragen noch dem Führen eines Fahrzeugs, sondern dessen Versorgung mit elektrischer Energie. Hierfür werden spezielle Stromschienenprofile, gelegentlich auch altbrauchbare Fahrschienen oder andere Bauformen verwendet. Aufgrund des notwendigen niedrigeren Widerstandes kommen des Öfteren auch Stromschienen aus Aluminium zum Einsatz. Zur Verschleißminderung existieren, beispielsweise bei der U-Bahn Wien, Aluminiumstromschienen mit aufgesetzter Kontaktfläche aus Stahl.

Schäden

→ Hauptartikel: Schienenfehler

Ausbruch am Schienenkopf

Schienenbruch

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

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

Siehe auch

• Eisenbahnrad
• Gleis
• Oberbau
• Schienenstoß
• Schleifwagen
• Walzzeichen
• Weiche (Verkehrstechnik)

Literatur

• 140 Jahre Eisenbahndirektion Hannover. 1843–1983. Eisenbahndirektion, Hannover 1983, S. 61 ff.
• Karl-Otto Edel: Untersuchung des Bruchverhaltens von Eisenbahnschienen und -vollrädern. Magdeburg 1987 (Magdeburg, Techn. Hochsch., Diss., 1987).
• Fritz Fastenrath (Hrsg.): Die Eisenbahnschiene. Theoretische und praktische Hinweise zur Beanspruchung, Werkstoffbeschaffenheit, Profilwahl, Verschweißung und Behandlung in Gleis und Werkstatt. Ernst & Sohn, Berlin u. a. 1977, ISBN 3-433-00783-7.
• Heinrich Köstermann, Klaus Meißner, Herbert Sladek (Hrsg.): Handbuch der Schienentechnik. Werkstoffe, Herstellung und Bearbeitung, Qualitätssicherung (= Fachbuchreihe Schweißtechnik. 152). DVS Media, Düsseldorf 2008, ISBN 978-3-87155-218-2.

Weblinks

Commons: Rails – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Schiene – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• gleisbau-welt.de
• Europäische Norm DIN EN 13674-12008-01: ThyssenKrupp GfT Gleistechnik GmbH (Memento vom 11. Januar 2013 im Webarchiv archive.today)
• Historische Bilddarstellungen verschiedener Schienenformen und Schienenbefestigungen verschiedener Bahnverwaltungen, zeno.org