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

Auf Befehl des Ministeriums des Innern wurde im Sommer 1833 in der Naͤhe von Elberfeld eine Bahn von 30 Ruthen Laͤnge, halb mit einem Gefaͤlle von 1 auf 243, halb horizontal in einem Bogen von 50 Ruthen Radius angelegt, um Versuche uͤber 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 natuͤrlicher Groͤße; wir glauben die Form des Querschnittes genau angeben zu koͤnnen, wenn wir die Staͤrken in verschiedenen Tiefen angeben, von dem Scheitel der Schiene an gerechnet. Es ist naͤmlich bei den Parallelschienen in einer Tiefe von

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

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

1 Linie Tiefe die Staͤrke 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 Verstaͤrkung, 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 bauchfoͤrmigen Erhoͤhung in eine entsprechende Vertiefung des Stuhles legt, ist das Herabgleiten der Schienen vermieden, welches an der Lyoner Bahn bemerkt wurde.

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

Textabbildung Bd. 64, S. 84 Name der Bahn; Kopfbreite; Kopfdike; Groͤßte Tiefe; Kleinste Tiefe; Dike des Mittelstuͤkes; Tiefe desselben; Dike der Rippe; Groͤßte Tiefe derselben; Laͤnge der Schienenabtheilungen; Gewicht derselben in Pfunden; Material; Bemerkungen; Dartmoor-Bahn; – – aͤltere Schienen; Elydach-Bahn; Hetton-Bahn; Leeds-Bahn; Darlington-Stockton; Sheffield; Liverpool-Manchester; Leeds-Selby; Newcastle; Darlington-Stockton; Sheffield; Edinburgh-Dal-Keith; Gußeisen; Schmiedeisen; gebaucht; 3. Theil

Die Stuͤhle waren zur Befestigung mit Doppelkeilen eingerichtet, im Durchschnitt 10 Pfd. wiegend. Sie sind durch zwei Holznaͤgel mit eingeschlagenem Eisennagel auf Steinbloͤke von 15'' Tiefe, 12 und 16'' Seitenlaͤnge, befestigt.

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

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

Das Gewicht vom Wagen 1 betraͤgt: Das Gewicht vom Wagen 2 betraͤgt: 2 Achsen 222 Pfd. 4 Raͤder und Achsen 985 Pfd. 4 Raͤder 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, aͤnderten sie waͤhrend 2 Monaten nicht im mindesten die Form.

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

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

Textabbildung Bd. 64, S. 86 Belastung der Achsen; Ganze Last; Relative Zugkraft; Verhaͤltniß dieser Kraͤfte; Bemerkungen; auf der geraden Bahn; auf der krummen Bahn; Wagen Nr. 1; Wagen ist troken; naß; von nun an troken; mit Knochenoͤhl geschmiert; seit 6 Wochen nicht geschmiert; Wagen Nr. 2; Klemmen der Achsenenden; von hier freie Achsenenden; mit Knochenoͤhl geschmiert; seit 6 Wochen nicht geschmiert

In der geraden Bahn ist also nach beiden Wagen fuͤr 1000 Pfd. (bei starken Ladungen) 4 Pfd. Zugkraft noͤthig; von diesen 1000 Pfd. sind 250 Pfd. todte Last und 750 Pfd. Ladung, so daß fuͤr 1000 Pfd. Ladung 5 1/3 Pfd. Zugkraft erfordert wird. Nach anderen Versuchen war keine Differenz in den Zugkraͤften bei Geschwindigkeitsaͤnderung 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 Vorzuͤge, auf der geraden stehen sie ziemlich gleich, was auf der ausgezeichneten Construction von Nr. 1 beruht. Bei verbundenen Achsen kann auf gekruͤmmten Bahnen ein Schleifen nie ganz vermieden werden, bei getrennten dagegen wird die Umdrehungsgeschwindigkeit der einzelnen Raͤder ganz der Kruͤmmung angepaßt, und kurze getrennte Achsen haben noch den Vortheil, daß sich die Raͤder ein wenig schief stellen koͤnnen, wodurch die Fortbewegung in der Kruͤmmung sehr erleichtert wird.

Die Versuche uͤber die Tragkraft der Schienen erstreken sich zunaͤchst auf gußeiserne Schienen. Sie sind besonders deßhalb von Werth, weil nur wenige und ungenuͤgende Versuche gerade uͤber gußeiserne Schienen vorhanden sind. Die Versuche wurden vom Verf. mit dem Bauconducteur Pickel 1833 in H. Kamp's Werkstaͤtten in Elberfeld angestellt. Das Eisen zu den Schienen war aus Rotheisenstein erblasenes Masseleisen von der Huͤtte Henriette bei Olpe, mit 1/3 gutem Brucheisen vermischt und im Cupolofen umgeschmolzen. Die Laͤnge einer Schiene betrug von Stuhlmittel bis Stuhlmittel 36'', die groͤßte Hoͤhe in der Mitte 5'', die groͤßte Kopfbreite 2 1/4'', die groͤßte Kopfstaͤrke 3/4'', die bogenfoͤrmige Rippe war unten 1'' stark, jedoch nur bis auf 1'' Hoͤhe zwischen der verstaͤrkten Rippe und dem Kopf befand sich 1/2'' Eisenstaͤrke. Die Schienen waren zu beiden Seiten auch beim Versuche in die Stuͤhle verkeilt, so daß sie so lagen, wie sie wirklich in der Ausuͤbung Last zu tragen haben. Auf die Mitte der Schiene wurde ein Prisma und darauf das eine Ende eines Hebels gelegt, welche die angehaͤngten Gewichte 7 2/5 Mal verstaͤrkten. Durch einen mit vieler Umsicht angebrachten Apparat war es moͤglich, die Biegung der Schienen unabhaͤngig von dem unverweiblichen Zuruͤkweichen der Unterlagen bis auf 1/100 Linie genau abzunehmen.

Die Resultate der Versuche sind in folgender Uebersicht enthalten:

Gewicht derSchiene Biegung fuͤr je 1000 Pfd. Belastung bei Belastungen von: Die Schienebrach 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 Saͤze:

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.

2) Ueber diese Graͤnze von 5000 Pfd. hinaus nimmt die Durchbiegung in staͤrkerem Verhaͤltnisse als die Belastungen zu. Dann druͤkt 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 Elasticitaͤtsgraͤnze liegt demnach fuͤr diese Schiene bei 5000 Pfd. Belastung, welche 3,7 Mal so gering ist als die, bei der ein Bruch erfolgt. Folglich koͤnnen die Schienen, sobald sie fehlerfrei sind, 5000 Pfd. mit aller Sicherheit tragen. Ruhen die vierraͤderigen Eisenbahnwagen auf Federn, so darf ihr Gewicht fuͤr diese Schienen 20,000 Pfd. betragen, ohne Federn nur die Haͤlfte.

5) Die bleibenden Durchbiegungen schreiten sehr unregelmaͤßig fort, was wahrscheinlich der Einkeilung in die Stuͤhle zuzuschreiben ist. Sie treten ein, sobald die Elasticitaͤtsgraͤnze uͤberschritten ist.

6) Ging eine Reihe von Belastungen vorher, wobei die Elasticitaͤtsgraͤnze uͤberschritten wurde, so fallen die Durchbiegungen bei den folgenden Belastungen staͤrker aus. Eine Belastung der Schiene uͤber die Elasticitaͤtsgraͤnze schwaͤcht also dieselbe.

Werden die Schienen gleich aus dem Hohofen gegossen, so duͤrften sie ungefaͤhr 10 Proc. schwaͤcher 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 uͤber die Tragkraft der gewalzten Schienen wurden zunaͤchst 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 gedruͤkten Schienenabtheilung untersucht, bei welcher eine Depression von 0,006 Linien noch verbuͤrgt werden kann. Die Schienen lagen fest auf den Stuͤhlen eingeschnitten auf; die lezteren standen ebenfalls fest auf den Lagersteinen. Die angegebene Depression begreift die der Stuͤhle mit, welche leztere jedoch vollkommen elastisch war, indem nach aufgehobenem Druk die Stuͤhle vollkommen in ihre fruͤhere Lage zuruͤkgingen. Beim Wagen Nr. 1 uͤbt jedes Rad einen Druk von 2473, bei dem anderen von 2520 Pfund aus.

Aus folgender Hauptzusammenstellung der Versuche

Textabbildung Bd. 64, S. 89 Schiene; Laͤnge in Zollen; Depression in Linien fuͤr; Depression von 100 Pfd. Last fuͤr das Rad nach Linien; Art; Abtheilung; Wagen 1; Wagen 2; in Ruhe; in Bewegung; gebaucht; erste; mittlere; parallel; Hauptmittel

wuͤrden sich nun die Hauptergebnisse ableiten lassen:

1) Wenn sich auf der Bahn auch die Stuͤhle merklich niederdruͤken, so verschwindet diese Depression nach Aufhebung des Drukes gaͤnzlich.

2) Bei den gebauchten Schienen druͤkt 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 naͤmlich die Mitte der mittleren Abtheilung 1,55 Mal so stark als die Mitte der ersten Abtheilung.

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

5) Beide Schienenarten scheinen auf der Bahn gleiche Staͤrke 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 Stuͤhle vermehren kann (von 5 auf 6).

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

die tragende Stuhlbreite dazwischen die Schienenlaͤnge 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 fuͤr die gebauchte, die unteren fuͤr die Parallelschiene gelten. Die ganze Laͤnge 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 fruͤher fuͤr gußeiserne Schienen, und die Resultate gibt folgende Zusammenstellung:

Textabbildung Bd. 64, S. 90 Bezeichnung der Schiene; Mittlere Durchbiegung fuͤr 1000 Pfd. Belastung bei Belastung von; aus d. Riskbiegung geschlossen; Pfd.; Bleibende Biegung nach der staͤrksten Belastung; Gebauchte Schiene.; Abtheilung 1 und 5; – 2 und 4; Parallelschiene; Mittel: gebauchte S.; Parallele; Linien

Der Grund, daß sich hier weit mehr Unregelmaͤßigkeiten finden als bei den Versuchen uͤber die Tragkraft gußeiserner Schienen, beruht darauf, daß die Tragkraft der Schienen hauptsaͤchlich mit von der Befestigung der Schienen in den Stuͤhlen und der Stuͤhle auf den Unterlagen abhaͤngt. Jedoch lassen sich folgende Resultate aus den Versuchen ziehen:

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

2) Die gebauchten Schienen zeigen geringere bleibende Durchbiegungen.

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

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

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

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