Eine entgleiste British Rail Class 165 am Bahnhof London Paddington. Der Zug fuhr über eine Reihe von Fallpunkten, die die Entgleisung verursachten. Nach dem Entgleisen schlug das Heck des Zuges gegen eine Rung und beschädigte die Fahrerseite der Führungseinheit schwer.

Entgleisungen resultieren aus einer oder mehreren verschiedenen Ursachen; Diese können klassifiziert werden als:

• der primäre mechanische Ausfall einer Gleiskomponente (z.B. Schienenbruch, Spurverbreiterung durch Schwellenversagen)
• der primäre mechanische Ausfall einer Fahrwerkskomponente eines Fahrzeugs (z.B. Radkasten-Ausfall, Radbruch)
• ein Fehler in der Geometrie der Gleiskomponenten oder des Fahrwerks, der zu einem quasi-statischen Versagen im Fahrbetrieb führt (z.B. Schienensteigen durch übermäßigen Verschleiß von Rädern oder Schienen, Erdschlupf)
• ein dynamischer Effekt auf die Fahrwerkskomponente
  • der Spur-Fahrzeug-Interaktion (z.B. extreme Hunting, Vertical Bounce, Track Shift unter einem Zug, überhöhter Geschwindigkeit)
  • unsachgemäßer Betrieb von Weichen oder unsachgemäße Einhaltung von Signalen, die sie schützen (Signalfehler)
  • als sekundäres Ereignis nach Kollision mit anderen Zügen, Straßenfahrzeugen oder anderen Hindernissen (Bahnübergangskollisionen, Hindernisse auf der Strecke)
  • Zughandhabung (Fetzen aufgrund plötzlicher Zug- oder Bremskräfte, in Nordamerika als Schlaffheit bezeichnet).
  

  Eine entgleiste Lokomotive in Australien an einem versteckten Fangpunkt (Januar 2007)

  • Gebrochene Schienenbearbeiten
  • Defekte Radebearbeiten
  • Ungewöhnliche Spurwechselwirkungbearbeiten
  • Unsachgemäßer Betrieb von Steuerungssystemenbearbeiten
  • Entgleisung nach Kollision
  • Harter Zugverkehrbearbeiten
  • Flange climbingEdit
  • Rad-Schiene-Interaktionbearbeiten

  Gebrochene Schienenbearbeiten

  

  Eine gebrochene Schiene, wahrscheinlich ausgehend von ihrer Aufnahme in den Schienenkopf

  Eine traditionelle Gleisstruktur besteht aus zwei Schienen, die in einem bestimmten Abstand voneinander befestigt sind (bekannt als Spurweite) und auf Querschwellen (Schwellen) gelagert sind. Einige fortschrittliche Gleiskonstruktionen stützen die Schienen auf einer Beton- oder Asphaltplatte. Die Lauffläche der Schienen muss praktisch durchgehend und von der richtigen geometrischen Anordnung sein.

  Im Falle einer gebrochenen oder gerissenen Schiene kann die Schienenlauffläche gestört werden, wenn ein Stück herausgefallen ist oder sich an einer falschen Stelle festgesetzt hat oder wenn ein großer Spalt zwischen den verbleibenden Schienenabschnitten entsteht. 170 gebrochene (nicht gerissene) Schienen wurden 2008 auf Network Rail in Großbritannien gemeldet, gegenüber einem Höchststand von 988 in den Jahren 1998/1999.

  • Bei Gelenkschienen werden Schienen in der Regel mit verschraubten Laschen (Gelenkstangen) verbunden. Der Steg der Schiene erfährt große Scherkräfte und diese werden um das Bolzenloch verstärkt. Bei schlechter Gleispflege kann metallurgische Ermüdung zur Ausbreitung von Sternrissen aus dem Bolthole führen. In extremen Situationen kann dies dazu führen, dass sich ein dreieckiges Schienenstück am Gelenk löst.
  • Metallurgische Veränderungen finden aufgrund des Phänomens der Rissbildung an den Messecken (bei der sich Ermüdungsmikrorisse schneller ausbreiten als gewöhnlicher Verschleiß) und auch aufgrund der Auswirkungen des Wasserstoffeinschlusses während des Herstellungsprozesses statt, was zu einer Rissausbreitung unter Ermüdungsbelastung führt.
  • Lokale Versprödung des Grundmetalls kann aufgrund von Raddrehung (Antriebseinheiten, die Antriebsräder drehen, ohne sich entlang der Strecke zu bewegen) auftreten.
  • Schienenschweißnähte (bei denen Schienenabschnitte durch Schweißen verbunden werden) können aufgrund schlechter Verarbeitung ausfallen; dies kann durch extrem kalte Witterung oder unsachgemäße Beanspruchung von durchgehend geschweißten Schienen ausgelöst werden, so dass hohe Zugkräfte in den Schienen erzeugt werden.
  • Die Laschen (Gelenkstangen) in Gelenkschienen können versagen, so dass sich die Schienen bei extrem kaltem Wetter auseinanderziehen können; Dies ist normalerweise mit einem unkorrigierten Schienenkriechen verbunden.

  Eine Entgleisung kann aufgrund einer übermäßigen Spurverbreiterung (manchmal auch als Straßenspreizung bezeichnet) auftreten, bei der die Schwellen oder andere Befestigungen die richtige Spurweite nicht einhalten. In der leicht ausgeführten Bahn, in der Schienen zu den Bauholzschwellen versetzt werden (verbissen), führen Spitzenhaltefehler möglicherweise Rotation nach außen einer Schiene, normalerweise unter der erschwerenden Aktion des Krabbens von Drehgestellen (LKWs) auf Kurven.

  Der Mechanismus der Spurverbreiterung ist normalerweise allmählich und relativ langsam, aber wenn er unentdeckt bleibt, tritt der endgültige Ausfall häufig unter der Wirkung eines zusätzlichen Faktors auf, wie z. B. überhöhte Geschwindigkeit, schlecht gewartetes Fahrwerk an einem Fahrzeug, Fehlausrichtung von Schienen und extreme Traktionseffekte (wie hohe Antriebskräfte). Der oben erwähnte Krabbeneffekt ist bei trockenen Bedingungen stärker ausgeprägt, wenn der Reibungskoeffizient an der Rad-Schiene-Schnittstelle hoch ist.

  Defekte Radebearbeiten

  Das Fahrwerk — Radsätze, Drehgestelle (LKW) und Aufhängung — kann ausfallen. Der allgemeinste historische Ausfallmodus ist Zusammenbruch von Gleitlagern wegen der unzulänglichen Schmierung und Ausfall von Blattfedern; Radreifen sind auch zum Ausfall wegen der metallurgischen Sprungausbreitung anfällig.

  Moderne Technologien haben die Häufigkeit dieser Fehler erheblich reduziert, sowohl durch Design (insbesondere die Beseitigung von Gleitlagern) als auch durch Intervention (zerstörungsfreie Prüfung im Betrieb).

  Ungewöhnliche Spurwechselwirkungbearbeiten

  Wenn eine vertikale, laterale oder Crosslevel-Unregelmäßigkeit zyklisch auftritt und bei einer Wellenlänge auftritt, die der Eigenfrequenz bestimmter Fahrzeuge entspricht, die den Streckenabschnitt durchqueren, besteht die Gefahr einer resonanten harmonischen Schwingung in den Fahrzeugen, die zu einer extremen Fehlbewegung und möglicherweise zu einer Entgleisung führt. Dies ist am gefährlichsten, wenn eine zyklische Rolle durch Crosslevel-Variationen eingerichtet wird, aber vertikale zyklische Fehler können auch dazu führen, dass Fahrzeuge von der Strecke abheben; Dies ist insbesondere der Fall, wenn sich die Fahrzeuge im Leerzustand befinden und wenn die Federung nicht für geeignete Eigenschaften ausgelegt ist. Die letzte Bedingung gilt, wenn die Aufhängungsfederung eine für den Belastungszustand optimierte Steifigkeit aufweist, oder für einen Kompromissbelastungszustand, so dass sie in der Tarasituation zu steif ist.

  Die Fahrzeugradsätze werden momentan vertikal entladen, so dass die erforderliche Führung von den Flanschen oder dem Radlaufflächenkontakt unzureichend ist.

  Ein Sonderfall ist das hitzebedingte Knicken: Bei heißem Wetter dehnt sich der Schienenstahl aus. Dies wird erreicht, indem kontinuierlich geschweißte Schienen gespannt werden (sie werden mechanisch gespannt, um bei einer moderaten Temperatur spannungsneutral zu sein) und indem an den Fugen geeignete Dehnspalte vorgesehen werden und sichergestellt wird, dass die Laschen ordnungsgemäß geschmiert werden. Zusätzlich wird die seitliche Rückhaltung durch eine ausreichende Ballastschulter gewährleistet. Wenn eine dieser Maßnahmen unzureichend ist, kann das Gleis knicken; Es kommt zu einer großen seitlichen Verzerrung, die die Züge nicht bewältigen können. (In den neun Jahren 2000/1 bis 2008/9 gab es in Großbritannien 429 Streckensperrungen).

  Unsachgemäßer Betrieb von Steuerungssystemenbearbeiten

  Kreuzungen und andere Änderungen der Streckenführung auf Eisenbahnen werden im Allgemeinen durch Punkte (Weichen — bewegliche Abschnitte, die die Weiterfahrt von Fahrzeugen ändern können) vorgenommen. In den frühen Tagen der Eisenbahnen wurden diese unabhängig von lokalem Personal bewegt. Unfälle — in der Regel Kollisionen – ereigneten sich, wenn das Personal vergaß, für welche Route die Punkte festgelegt waren, oder die Annäherung eines Zuges auf einer widersprüchlichen Route übersah. Wenn die Punkte für beide Strecken nicht korrekt eingestellt wurden – in der Mitte des Hubs —, kann ein vorbeifahrender Zug entgleisen.Die erste Konzentration von Hebeln für Signale und Punkte, die für den Betrieb zusammengebracht wurden, befand sich in der Zeit von 1843 bis 1844 an der Bricklayer’s Arms Junction im Südosten Londons. Der Signalkontrollort (Vorläufer der Signalbox) wurde 1856 durch die Bereitstellung einer Verriegelung verbessert (die verhindert, dass ein klares Signal für eine nicht verfügbare Route gesetzt wird).

  Um die unbeabsichtigte Bewegung von Lastkraftwagen von Abstellgleisen zu laufenden Strecken und andere analoge Fehlbewegungen zu verhindern, sind am Ausgang der Abstellgleise Fallpunkte und Entgleisungen vorgesehen. In einigen Fällen sind diese an der Konvergenz laufender Linien vorgesehen. Es kommt gelegentlich vor, dass ein Fahrer fälschlicherweise glaubt, dass er befugt ist, über die Fallenstellen zu fahren, oder dass der Signalgeber eine solche Erlaubnis nicht ordnungsgemäß erteilt. Die daraus resultierende Entgleisung schützt die andere Linie nicht immer vollständig: Eine Fallpunktentgleisung bei hoher Geschwindigkeit kann zu erheblichen Schäden und Hindernissen führen, und selbst ein einzelnes Fahrzeug kann die freie Linie behindern.

  Entgleisung nach Kollision

  Wenn ein Zug mit einem massiven Objekt kollidiert, ist klar, dass es zu einer Entgleisung des ordnungsgemäßen Laufs der Fahrzeugräder auf der Strecke kommen kann. Obwohl sehr große Hindernisse vorgestellt werden, Es ist bekannt, dass eine Kuh, die auf die Strecke streunt, einen Personenzug mit einer Geschwindigkeit entgleist, wie sie beim Eisenbahnunfall in Polmont aufgetreten ist.

  Die häufigsten Hindernisse sind Straßenfahrzeuge an Bahnübergängen (Bahnübergänge); böswillige Personen legen manchmal Materialien auf die Schienen, und in einigen Fällen verursachen relativ kleine Objekte eine Entgleisung, indem sie ein Rad über die Schiene führen (anstatt durch grobe Kollision).Die Entgleisung wurde auch in Kriegs- oder anderen Konfliktsituationen herbeigeführt, z. B. während der Feindseligkeit der amerikanischen Ureinwohner und insbesondere in Zeiten, in denen Militärpersonal und -material auf der Schiene bewegt wurden.

  Harter Zugverkehrbearbeiten

  Der Umgang mit einem Zug kann ebenfalls zu Entgleisungen führen. Die Fahrzeuge eines Zuges sind durch Kupplungen verbunden; in den frühen Tagen der Eisenbahnen waren dies kurze Kettenlängen („lose Kupplungen“), die benachbarte Fahrzeuge mit erheblichem Spiel miteinander verbanden. Selbst bei späteren Verbesserungen kann es zu einem erheblichen Spiel zwischen der Traktionssituation (Triebwerk, das die Kupplungen festzieht) und dem Bremsen des Triebwerks (Lokomotive, die Bremsen betätigt und Puffer im gesamten Zug komprimiert) kommen. Dies führt zu einem Kopplungsstoß.

  Anspruchsvollere Technologien, die heutzutage im Einsatz sind, verwenden im Allgemeinen Kupplungen, die kein loses Spiel haben, obwohl an den Kupplungen eine elastische Bewegung stattfindet; eine kontinuierliche Bremsung ist vorgesehen, so dass jedes Fahrzeug im Zug vom Fahrer gesteuerte Bremsen hat. Im Allgemeinen wird Druckluft als Steuermedium verwendet, und es gibt eine messbare Zeitverzögerung, wenn sich das Signal (zum Betätigen oder Lösen von Bremsen) entlang des Zuges ausbreitet.

  Wenn ein Lokführer plötzlich und stark bremst, wird zuerst der vordere Teil des Zuges mit Bremskräften beaufschlagt. (Wo nur die Lok bremst, ist dieser Effekt offensichtlich extremer). Der hintere Teil des Zuges kann den vorderen Teil überfahren, und in Fällen, in denen der Kupplungszustand nicht perfekt ist, kann das daraus resultierende plötzliche Schließen (ein Effekt, der als „Einfahren“ bezeichnet wird) dazu führen, dass ein Fahrzeug im Tarazustand (ein leerer Güterwagen) vorübergehend angehoben wird und das Gleis verlässt.

  Dieser Effekt war im neunzehnten Jahrhundert relativ häufig.

  Auf gekrümmten Abschnitten haben die Längs- (Zug- oder Brems-)Kräfte zwischen Fahrzeugen eine Komponente nach innen bzw. nach außen in der Kurve. In extremen Situationen können diese seitlichen Kräfte ausreichen, um die Entgleisung zu fördern.

  Ein Sonderfall von Zughandhabungsproblemen ist die Übergeschwindigkeit in scharfen Kurven. Dies tritt im Allgemeinen auf, wenn ein Fahrer den Zug für einen scharf gekrümmten Abschnitt auf einer Strecke, die ansonsten höhere Geschwindigkeitsbedingungen aufweist, nicht verlangsamt. Im Extremfall führt dies dazu, dass der Zug mit einer Geschwindigkeit in eine Kurve einfährt, mit der er die Kurve nicht überwinden kann, und es kommt zu einer groben Entgleisung. Der spezifische Mechanismus hierfür kann ein körperliches Kippen (Rotation) beinhalten, ist jedoch wahrscheinlich mit einer Störung der Gleisstruktur und einer Entgleisung als primärem Fehlerereignis verbunden, gefolgt von einem Umkippen.Ein Beispiel für Geschwindigkeitsüberschreitungen in einer Kurve wäre die Entgleisung des Philadelphia-Zuges im Mai 2015, an der ein Amtrak-Zug beteiligt war, der mit 106 mph (171 km / h) fuhr, doppelt so schnell wie die maximal zulässige Geschwindigkeit von 50 mph (80 km / h).

  Flange climbingEdit

  Das Führungssystem praktischer Schienenfahrzeuge beruht auf der Lenkwirkung der Konizität der Radlaufflächen in moderaten Kurven (bis zu einem Radius von etwa 500 m oder etwa 1.500 Fuß). Auf schärferen Kurven Flanschkontakt stattfindet, und die Führungswirkung des Flansches beruht auf einer vertikalen Kraft (das Fahrzeuggewicht).

  Eine Flanschkletterentgleisung kann entstehen, wenn das Verhältnis zwischen diesen Kräften, L/V, zu groß ist. Die Querkraft L resultiert nicht nur aus Fliehkrafteffekten, sondern eine große Komponente ergibt sich aus dem Krabbeln eines Radsatzes, der beim Laufen mit Flanschkontakt einen Anstellwinkel ungleich Null aufweist. Der L / V-Überschuss kann durch das Entladen der Räder oder durch unsachgemäße Schienen- oder Radlaufflächenprofile entstehen. Die Physik davon wird im Folgenden im Abschnitt Rad-Schiene-Interaktion ausführlicher beschrieben.

  Das Entladen der Räder kann durch Verdrehen der Spur verursacht werden. Dies kann auftreten, wenn die Schräglage (Crosslevel oder Superelevation) der Spur über den Radstand eines Fahrzeugs erheblich variiert und die Fahrzeugfederung sehr torsionssteif ist. In der quasistatischen Situation kann es in extremen Fällen schlechter Lastverteilung oder bei extremen Bedingungen bei niedriger Geschwindigkeit auftreten.

  Wenn eine Schiene extremem Seitenverschleiß ausgesetzt war oder ein Radflansch in einem falschen Winkel abgenutzt war, kann das L/ V-Verhältnis den Wert überschreiten, dem der Flanschwinkel widerstehen kann.

  Wird eine Schweißreparatur von seitlich verschlissenen Weichen vorgenommen, kann es bei schlechter Verarbeitung zu einer Rampe im Profil in zugewandter Richtung kommen, die einen sich nähernden Radflansch auf den Schienenkopf ablenkt.

  In extremen Situationen kann die Infrastruktur stark verzerrt sein oder sogar fehlen; Dies kann durch Erdbewegungen (Böschungsrutsche und Auswaschungen), Erdbeben und andere große terrestrische Störungen, mangelhaften Schutz während der Arbeitsprozesse usw. entstehen.

  Rad-Schiene-Interaktionbearbeiten

  Fast alle praktischen Eisenbahnsysteme verwenden Räder, die an einer gemeinsamen Achse befestigt sind: die Räder auf beiden Seiten drehen sich im Einklang. Straßenbahnwagen, die niedrige Bodenebenen erfordern, sind die Ausnahme, aber ein großer Vorteil bei der Fahrzeugführung geht durch nicht verkettete Räder verloren.

  Der Vorteil von verketteten Rädern ergibt sich aus der Konizität der Radlaufflächen — die Radlaufflächen sind nicht zylindrisch, sondern konisch. Auf einer idealisierten geraden Strecke würde ein Radsatz mittig in der Mitte zwischen den Schienen verlaufen.

  Das hier gezeigte Beispiel verwendet einen Rechtskurvenabschnitt der Spur. Der Fokus liegt auf dem linken Rad, das mehr mit den Kräften zu tun hat, die für die Führung des Triebwagens durch die Kurve entscheidend sind.

  Diagramm 1 unten zeigt das Rad und die Schiene, wobei der Radsatz gerade und mittig auf der Schiene verläuft. Der Radsatz läuft dem Betrachter davon. (Beachten Sie, dass die Schiene nach innen geneigt dargestellt ist; Dies geschieht auf der Schiene, um das Schienenkopfprofil an das Radlaufflächenprofil anzupassen.)

  Diagramm 2 zeigt den Radsatz aufgrund einer Krümmung der Spur oder einer geometrischen Unregelmäßigkeit nach links verschoben. Das linke Rad (hier abgebildet) läuft nun auf einem etwas größeren Durchmesser; das rechte gegenüberliegende Rad hat sich ebenfalls nach links in Richtung Gleismitte bewegt und läuft auf einem etwas kleineren Durchmesser. Da sich die beiden Räder mit der gleichen Geschwindigkeit drehen, ist die Vorwärtsgeschwindigkeit des linken Rades etwas schneller als die Vorwärtsgeschwindigkeit des rechten Rades. Dadurch krümmt sich der Radsatz nach rechts und korrigiert die Verschiebung. Dies geschieht ohne Flanschkontakt; die Radsätze lenken sich auf moderaten Kurven ohne Flanschkontakt.

  Je schärfer die Kurve ist, desto größer ist die seitliche Verschiebung, die erforderlich ist, um die Krümmung zu erreichen. In einer sehr scharfen Kurve (typischerweise weniger als etwa 500 m oder 1.500 Fuß Radius) reicht die Breite der Radlauffläche nicht aus, um die erforderliche Lenkwirkung zu erzielen, und der Spurkranz berührt die Stirnseite der hohen Schiene.

  Diagramm 3 zeigt den Lauf von Radsätzen in einem Drehgestell oder einem vierrädrigen Fahrzeug. Der Radsatz verläuft nicht parallel zur Spur: Er wird durch den Drehgestellrahmen und die Aufhängung eingeschränkt und giert nach außen der Kurve; das heißt, seine natürliche Rollrichtung würde entlang einer weniger stark gekrümmten Bahn führen als die tatsächliche Kurve der Spur.

  Der Winkel zwischen dem natürlichen Pfad und dem tatsächlichen Pfad wird als Anstellwinkel (oder Gierwinkel) bezeichnet. Wenn der Radsatz vorwärts rollt, wird er durch den Flanschkontakt gezwungen, über den Schienenkopf zu gleiten. Der gesamte Radsatz ist dazu gezwungen, so dass das Rad auf der niedrigen Schiene auch gezwungen ist, über seine Schiene zu gleiten.

  Dieses Gleiten erfordert eine beträchtliche Kraft, um es zu ermöglichen, und die Reibungskraft, die dem Gleiten widersteht, wird als „L“ bezeichnet, die Seitenkraft. Der Radsatz übt eine Kraft L nach außen auf die Schienen und die Schienen eine Kraft L nach innen auf die Räder aus. Beachten Sie, dass dies ziemlich unabhängig von der „Zentrifugalkraft“ ist. Bei höheren Drehzahlen addiert sich jedoch die Fliehkraft zur Reibungskraft zu L.

  Die Last (Vertikalkraft) auf das Außenrad wird mit V bezeichnet, so dass in Diagramm 4 die beiden Kräfte L und V dargestellt sind.

  Der Stahl-Stahl-Kontakt hat einen Reibungskoeffizienten, der bei trockenen Bedingungen bis zu 0,5 betragen kann, so dass die Seitenkraft bis zu 0,5 der vertikalen Radlast betragen kann.

  Während dieser Flanschberührung erfährt das Rad auf der Hochschiene die seitliche Kraft L, zur Außenseite der Kurve hin. Wenn sich das Rad dreht, neigt der Flansch dazu, den Flanschwinkel hochzuklettern. Es wird durch die vertikale Belastung des Rades V gehalten, so dass, wenn L / V die trigonometrische Tangente des Flanschkontaktwinkels überschreitet, ein Klettern stattfindet. Der Radflansch klettert zum Schienenkopf, wo bei der Rollbewegung kein seitlicher Widerstand besteht, und es findet normalerweise eine Flanschkletterentgleisung statt. In Diagramm 5 ist der Flanschkontaktwinkel ziemlich steil und ein Flanschklettern ist unwahrscheinlich. Wenn der Schienenkopf jedoch seitlich abgenutzt ist (Side-Cut) oder der Flansch abgenutzt ist, wie in Diagramm 6 gezeigt, ist der Kontaktwinkel viel flacher und das Flanschklettern ist wahrscheinlicher.

  Sobald der Radflansch vollständig auf den Schienenkopf geklettert ist, gibt es keine seitliche Zurückhaltung mehr, und der Radsatz folgt wahrscheinlich dem Gierwinkel, was dazu führt, dass das Rad außerhalb der Schiene fällt. Ein L / V-Verhältnis von mehr als 0,6 gilt als gefährlich.

  Es wird betont, dass dies eine stark vereinfachte Beschreibung der Physik; erschwerende Faktoren sind Kriechen, tatsächliche Rad- und Schienenprofile, dynamische Effekte, Steifigkeit der Längsrückhaltung an Radsatzgetrieben und die laterale Komponente der Längs- (Zug- und Brems-) Kräfte.

  Rad-Schiene-Wechselwirkungen

  • Diagramm 1: Radlauffläche und Schiene während des Zentrallaufs

  • Diagramm 2: Wheel and rail with wheel displaced to the left

  • Diagram 3: Bogie and wheelset in a right-turning curve

  • Diagram 4: L and V forces in curving

  • Diagram 5: Wheel and rail during flange climbing

  • Diagram 6: Verschlissenes Rad und Schiene beim Flanschklettern