Titel: Egen, über die Tragkraft eiserner Schienen.
Autor: Egen,
Fundstelle: 1837, Band 64, Nr. XVIII. (S. 82–91)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj064/ar064018

XVIII. Versuche auf der Elberfelder Probeeisenbahn, und Bestimmung der Tragkraft gußeiserner und gewalzter Schienen; vom Prof. Dr. Egen.18)

Auf Befehl des Ministeriums des Innern wurde im Sommer 1833 in der Nähe von Elberfeld eine Bahn von 30 Ruthen Länge, halb mit einem Gefälle von 1 auf 243, halb horizontal in einem Bogen von 50 Ruthen Radius angelegt, um Versuche über den Widerstand der Wagen und die Tragkraft der Schienen an Ort und Stelle anzustellen. Die dazu verwendeten Schienen waren von Losh, Wilson und Bell in Newcastle-upon-Tyne gewalzt, halb ausgebauchte, halb Parallelschienen, jede Schiene durchschnittlich 15 engl. Fuß lang, mit glatt abgeschnittenen Enden. Das Yard der gebauchten Schienen wiegt 31,74, der parallelen 35,34 Pfd. Beide Schienenarten sollen nach Angabe der Fabrikanten gleiche Tragkraft besizen; ihre Gestalt gibt das Original durch Zeichnung des Querschnittes in natürlicher Größe; wir glauben die Form des Querschnittes genau angeben zu können, wenn wir die Stärken in verschiedenen Tiefen angeben, von dem Scheitel der Schiene an gerechnet. Es ist nämlich bei den Parallelschienen in einer Tiefe von

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1 Linie engl. die Stärke 19'''
3,75 24
3,75 19
1,4 11,8
3,5 7,2
20,3 6,0

Hier schließt sich ein größerer Kreisausschnitt an, welcher 12,2''' Durchmesser und 11,1'''' Höhe hat. – Bei den gebauchten Schienen ist in

1 Linie Tiefe die Stärke 19'''
3,75 24
3,75 19
1,4 11,8
3,5 7,2
12,0 6,0

Hier beginnt die nach beiden Seiten zu angebrachte Verstärkung, welche an der seichtesten Stelle unmittelbar vor dem Stuhle 8,6, in der Mitte des Stuhles 12,7 und in der Mitte der Schiene 17,4 tief niedergeht. Dadurch, daß die Schiene sich mit einer bauchförmigen Erhöhung in eine entsprechende Vertiefung des Stuhles legt, ist das Herabgleiten der Schienen vermieden, welches an der Lyoner Bahn bemerkt wurde.

Folgende Tabelle über die Dimensionen der in England gebräuchlichen Schienen ist bis auf die drei ersten Angaben, die von Oeynhausen und Dechen herrühren, durch direkte Messung des Verfassers zusammengestellt.

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Textabbildung Bd. 64, S. 84
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Die Stühle waren zur Befestigung mit Doppelkeilen eingerichtet, im Durchschnitt 10 Pfd. wiegend. Sie sind durch zwei Holznägel mit eingeschlagenem Eisennagel auf Steinblöke von 15'' Tiefe, 12 und 16'' Seitenlänge, befestigt.

Nachdem die Versuche halb vollendet waren, wurde die Bahn mit aller Sorgfalt nivellirt und das gefundene Resultat als für die gesammten Versuche geltend angenommen.

Von den bei den Versuchen benuzten Wagen ist Nr. 1 dem Kohlenwagen der Darlington-Bahn nachgebildet, jedoch alles Zubehör, was nicht direct zum Versuche nöthig war, weggeblieben. Die schmiedeisernen Achsen sind an den Stellen, wo sie in den Zapfenlagern laufen, sehr sorgfältig abgedreht; die Nabe der Räder ist getheilt, die Achsenöffnung genau centrisch gebohrt; die Lager sind aus Glokenmetall; die Radringe beider Wagen sind gut abgedreht und nicht gehärtet. Die Achsen des Wagens Nr. 2, welcher deren vier hat, für jedes Rad eine besondere, sind gestählt und gehärtet, haben jedoch dabei ihre genaue Rundung eingebüßt; seine Räder sind 36'' hoch, die des ersten Wagens dagegen nur 30'' hoch.

Das Gewicht vom Wagen 1 beträgt: Das Gewicht vom Wagen 2 beträgt:
2 Achsen 222 Pfd. 4 Räder und Achsen 985 Pfd.
4 Räder 782 – 8 Lager 48 –
4 Lager 88 – Eisenwerk 370 –
Eisenwerk 107 – Kasten und Rahmen 637 –
Holzkasten 693 – –––––––
––––––– 2040 Pfd.
1892 Pfd.

Die Wagen waren vollkommen stark; mit 8000 Pfd. Steinen beladen, änderten sie während 2 Monaten nicht im mindesten die Form.

Bei Nr. 1 verhält sich der Achsendurchmesser zum Raddurchm. wie 1 : 12
– Nr. 2 – – – – – – – – 1 : 28,8

Das Resultat der Versuche vom 7. Sept. bis 29. Nov. enthält folgende Tabelle; die Zugkraft ist vom Verf. selbst durch eine mit großer Sorgfalt behandelte Federwaage ermittelt worden. Die relative Zugkraft bezeichnet das Verhältnis der Zugkraft zur ganzen Last.

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Textabbildung Bd. 64, S. 86

In der geraden Bahn ist also nach beiden Wagen für 1000 Pfd. (bei starken Ladungen) 4 Pfd. Zugkraft nöthig; von diesen 1000 Pfd. sind 250 Pfd. todte Last und 750 Pfd. Ladung, so daß für 1000 Pfd. Ladung 5 1/3 Pfd. Zugkraft erfordert wird. Nach anderen Versuchen war keine Differenz in den Zugkräften bei Geschwindigkeitsänderung von 1 bis 8' auf dieser kleinen Bahn zu gewahren; eben so wenig gab die trokene oder feuchte Beschaffenheit der Schienen eine Aenderung.

Auf der krummen Bahn hat Nr. 2 vor Nr. 1 Vorzüge, auf der geraden stehen sie ziemlich gleich, was auf der ausgezeichneten Construction von Nr. 1 beruht. Bei verbundenen Achsen kann auf gekrümmten Bahnen ein Schleifen nie ganz vermieden werden, bei getrennten dagegen wird die Umdrehungsgeschwindigkeit der einzelnen Räder ganz der Krümmung angepaßt, und kurze getrennte Achsen haben noch den Vortheil, daß sich die Räder ein wenig schief stellen können, wodurch die Fortbewegung in der Krümmung sehr erleichtert wird.

Die Versuche über die Tragkraft der Schienen erstreken sich zunächst auf gußeiserne Schienen. Sie sind besonders deßhalb von Werth, weil nur wenige und ungenügende Versuche gerade |87| über gußeiserne Schienen vorhanden sind. Die Versuche wurden vom Verf. mit dem Bauconducteur Pickel 1833 in H. Kamp's Werkstätten in Elberfeld angestellt. Das Eisen zu den Schienen war aus Rotheisenstein erblasenes Masseleisen von der Hütte Henriette bei Olpe, mit 1/3 gutem Brucheisen vermischt und im Cupolofen umgeschmolzen. Die Länge einer Schiene betrug von Stuhlmittel bis Stuhlmittel 36'', die größte Höhe in der Mitte 5'', die größte Kopfbreite 2 1/4'', die größte Kopfstärke 3/4'', die bogenförmige Rippe war unten 1'' stark, jedoch nur bis auf 1'' Höhe zwischen der verstärkten Rippe und dem Kopf befand sich 1/2'' Eisenstärke. Die Schienen waren zu beiden Seiten auch beim Versuche in die Stühle verkeilt, so daß sie so lagen, wie sie wirklich in der Ausübung Last zu tragen haben. Auf die Mitte der Schiene wurde ein Prisma und darauf das eine Ende eines Hebels gelegt, welche die angehängten Gewichte 7 2/5 Mal verstärkten. Durch einen mit vieler Umsicht angebrachten Apparat war es möglich, die Biegung der Schienen unabhängig von dem unverweiblichen Zurükweichen der Unterlagen bis auf 1/100 Linie genau abzunehmen.

Die Resultate der Versuche sind in folgender Uebersicht enthalten:

Gewicht
der
Schiene

Biegung für je 1000 Pfd. Belastung bei Belastungen von:
Die
Schiene
brach bei
2500 Pfd. 4600 Pfd. 6900 Pfd. 8200 Pfd. 14500 Pfd. 15300 Pf.
Pfund. Linien. Linien. Linien. Linien. Linien. Linien Pfund.
39 1/2 0,0553 0,0621 0,0644 0,0684 0,0743 16860
40 1/2 0,084 0,0572 0,0591 0,0616 20275
40 3/4 0,0563 0,0581 0,0603 0,0646 18393
40 1/4 0,0573 0,0569 0,0605 0,0635 0,0684 0,0743 18150

im Mittel.

Die mittleren bleibenden Durchbiegungen betragen nach Belastungen

bei der ersten bei der zweiten bei der dritten Schiene,
von 8000 Pfd. 0,031''' – 0,026 0,042
11500 0,042
15300 0,090
16900 – 0,042

Hieraus ergeben sich folgende Säze:

1) Bis zu 5000 Pfd. ist die Durchbiegung den Belastungen proportional; bis dahin ist 0,000057 p = e, wenn p die Belastung in Pfunden und e die Durchbiegung in Linien bedeutet.

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2) Ueber diese Gränze von 5000 Pfd. hinaus nimmt die Durchbiegung in stärkerem Verhältnisse als die Belastungen zu. Dann drükt die Formel: [0,000057 + 0,0000000017 (p – 500)] p = e oder

(0,0000485 + 0,0000000017 p) p = e

die Beobachtungsresultate sehr genau aus.

3) Nach der Formel erfolgt der Bruch dieser drei Schienen bei einer Durchbiegung von resp. 1,29–1,63 und 1,46 Linien.

4) Die Elasticitätsgränze liegt demnach für diese Schiene bei 5000 Pfd. Belastung, welche 3,7 Mal so gering ist als die, bei der ein Bruch erfolgt. Folglich können die Schienen, sobald sie fehlerfrei sind, 5000 Pfd. mit aller Sicherheit tragen. Ruhen die vierräderigen Eisenbahnwagen auf Federn, so darf ihr Gewicht für diese Schienen 20,000 Pfd. betragen, ohne Federn nur die Hälfte.

5) Die bleibenden Durchbiegungen schreiten sehr unregelmäßig fort, was wahrscheinlich der Einkeilung in die Stühle zuzuschreiben ist. Sie treten ein, sobald die Elasticitätsgränze überschritten ist.

6) Ging eine Reihe von Belastungen vorher, wobei die Elasticitätsgränze überschritten wurde, so fallen die Durchbiegungen bei den folgenden Belastungen stärker aus. Eine Belastung der Schiene über die Elasticitätsgränze schwächt also dieselbe.

Werden die Schienen gleich aus dem Hohofen gegossen, so dürften sie ungefähr 10 Proc. schwächer ausfallen als die obigen; auch dann noch tragen sie mit Sicherheit Bahnwagen ohne Federn von 80 Cntr. Gewicht und mit Federn von 160 Cntr. Vor der Anwendung muß man sie dadurch probiren, daß man ihre Durchbiegung beobachtet.

Die Versuche über die Tragkraft der gewalzten Schienen wurden zunächst auf der Probebahn selbst angestellt und betreffen also die anfangs beschriebenen Schienen. Sie wurden durch den Bahnwagen belastet, und mittelst eines Instrumentes wurde mit erforderlicher Genauigkeit und Sicherheit die Depression der gedrükten Schienenabtheilung untersucht, bei welcher eine Depression von 0,006 Linien noch verbürgt werden kann. Die Schienen lagen fest auf den Stühlen eingeschnitten auf; die lezteren standen ebenfalls fest auf den Lagersteinen. Die angegebene Depression begreift die der Stühle mit, welche leztere jedoch vollkommen elastisch war, indem nach aufgehobenem Druk die Stühle vollkommen in ihre frühere Lage zurükgingen. Beim Wagen Nr. 1 übt jedes Rad einen Druk von 2473, bei dem anderen von 2520 Pfund aus.

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Aus folgender Hauptzusammenstellung der Versuche

Textabbildung Bd. 64, S. 89

würden sich nun die Hauptergebnisse ableiten lassen:

1) Wenn sich auf der Bahn auch die Stühle merklich niederdrüken, so verschwindet diese Depression nach Aufhebung des Drukes gänzlich.

2) Bei den gebauchten Schienen drükt sich die erste Schienenabtheilung 1,71 Mal so stark als die Mitte der dritten Abtheilung.

3) Bei den Parallelschienen findet gerade der umgekehrte Fall Statt, es biegt sich nämlich die Mitte der mittleren Abtheilung 1,55 Mal so stark als die Mitte der ersten Abtheilung.

4) Die Durchbiegungen betragen für den bewegten Wagen 16 Proc. mehr als für den ruhenden.

5) Beide Schienenarten scheinen auf der Bahn gleiche Stärke zu haben. Da die Parallelschienen 11,1 Proc. mehr wiegen als die gebauchten, so scheint unter der Voraussezung, daß sich beide Arten gleich gut walzen lassen, der Vorzug der Parallelschienen nur darin zu bestehen, daß man, wenn sie zu schwach befunden werden sollten, nach Belieben die Anzahl der Stühle vermehren kann (von 5 auf 6).

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Um die Tragkraft der benuzten Schienen ganz rein von anderen Einflüssen zu erhalten, wurden von zwei Schienen alle einzelnen Abtheilungen untersucht; dabei war

die tragende Stuhlbreite dazwischen die Schienenlänge
das 1. Stuhles 2'' 0,0''' von 1–2 31'' 1,5'''
2 4,0 33 3,0
2. – 3 5,0 2–3 31 2,4
3 0,1 31 8,5
3. – 3 7,0 3–4 31 0,0
3 1,7 32 3,6
4. – 3 5,4 4–5 31 6,0
3 1,4 31 10,3
5. – 3 4,5 5–6 31 10,7
3 1,1 32 0,2
6. – 1 4,5
1 5,0

wobei die oberen Zahlen für die gebauchte, die unteren für die Parallelschiene gelten. Die ganze Länge der ersten war daher 14' 6'' 11''', ihr Gewischt 161 Pfd.; bei der zweiten: 14' 7'' 2,9''' und 174 Pfd. Die Untersuchung geschah genau auf dieselbe Art und mit derselben Genauigkeit wie früher für gußeiserne Schienen, und die Resultate gibt folgende Zusammenstellung:

Textabbildung Bd. 64, S. 90

Der Grund, daß sich hier weit mehr Unregelmäßigkeiten finden als bei den Versuchen über die Tragkraft gußeiserner Schienen, beruht darauf, daß die Tragkraft der Schienen hauptsächlich mit von der Befestigung der Schienen in den Stühlen und der Stühle auf den Unterlagen abhängt. Jedoch lassen sich folgende Resultate aus den Versuchen ziehen:

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1) Die Parallelschienen sind im Verhältniß von 5:4 stärker als die gebauchten, das Gewichtsverhältniß ist aber 13 : 12, folglich ist das erstere Verhältniß größer als das leztere, was in der Gestalt des mittleren Querschnitts der Schienenabtheilungen liegt.

2) Die gebauchten Schienen zeigen geringere bleibende Durchbiegungen.

3) Die Gränze, wo die bleibenden Durchbiegungen beginnen, ist nicht zu ermitteln, man kann nur angeben, wo merklich bleibende Durchbiegungen aufhören.

4) Die Schienen scheinen stark genug, um Belastungen von 3000 Pfd. für 1 Rad häufig Und Belastungen von 8000 Pfd. einzeln tragen zu können. Sollen Dampfwagen von 8–9 Tonnen Gewicht auf Schienen laufen, so dürfte zu rathen seyn, die lezteren nicht unter 35 Pfd. Yard schwer zu machen.

5) Bei gebauchten Schienen sind die mittleren Abteilungen entschieden stärker als die äußeren, bei Parallelschienen tritt ein solcher Unterschied nicht hervor.

6) Die gebauchten Schienen biegen sich etwas stärker als proportional den Belastungen, die Parallelschienen bis 14,000 Pfd. proportional den Belastungen.

Aus den Verhandlungen des preußischen Gewerbevereins 1835, Bd. II. S. 121 bis 167; 1836, Bd. III. S. 116 bis 156 im polytechnischen Centralblatt 1837, Nr. 4.

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