z. 121 Transport 2018
Łukasz Stolarczyk, Ewa Kardas-Cinal
Politechnika Warszawska, Wydział TransportuWYBRANE METODY POMIARU SIŁ PODŁUŻNYCH
W SZYNACH TORU BEZSTYKOWEGO
Rękopis dostarczono: kwiecień 2018
Streszczenie: Wysokie temperatury w porze letniej mają wpływ na znaczny wzrost sił ściskających
w szynach kolejowych. Znaczne naprężenia podłużne w szynach wywołane zwiększoną temperaturą oraz obciążenia dynamiczne od taboru kolejowego mogą osiągnąć wartości, przy których pokonane są opory poprzeczne rusztu toru bezstykowego. Skutkiem pokonania oporu poprzecznego toru bezstykowego jest zjawisko wyboczenia. Wyboczenie toru ze względu na nagły charakter stanowi zagrożenie dla bezpieczeństwa ruchu kolejowego. Artykuł przedstawia różne metody pomiaru sił podłużnych w tokach szynowych toru bezstykowego, w tym sposób wykonywania pomiaru tych sił przy użyciu ekstensometru produkcji polskiej. Wykorzystanie tego urządzenia do pomiarów sił podłużnych zostało przyjęte jako optymalne ze względu na łatwość montażu, dokładność pomiaru oraz możliwość wykonywania pomiarów bez konieczności przerw w ruchu pociągów. W podsumowaniu oceniono przydatność metody pomiarowej przy użyciu ekstensometru oraz jej znaczenie w toku dalszych badań.
Słowa kluczowe: tor bezstykowy, naprężenia termiczne, wyboczenie toru
1. WSTĘP
Tor bezstykowy stanowi konstrukcję, w której kolejne szyny są trwale ze sobą łączone, a odcinki toru z szynami spawanymi lub zgrzewanymi mają długość większą niż 180 m [11,12]. W wyniku wieloletnich inwestycji w infrastrukturę transportu kolejowego tor klasyczny jest zastępowany torem bezstykowym. W zakresie technicznym zwiększona została w ten sposób trwałość elementów nawierzchni oraz zmniejszone zużycie kół pojazdów szynowych. Zastosowanie toru bezstykowego poprawiło również komfort jazdy i skróciło czas podróży, co miało istotny wpływ na wzrost konkurencyjności transportu kolejowego.
Tor bezstykowy można stosować we wszystkich klasach torów, jednak tego rodzaju toru nie powinno się układać w miejscach, gdzie podtorze wykazuje tendencje do trwałych odkształceń, w szczególności na osuwiskach czy zapadnięciach oraz nie może zaczynać się i kończyć na krzywej przejściowej. Najmniejszy promień łuku poziomego toru bezstykowego powinien wynosić w torach głównych 500 m na podkładach drewnianych i 450 m na podkładach betonowych, zaś we wszystkich torach stacyjnych 300 m. Ponadto muszą być spełnione wymagania techniczne dotyczące pochylenia podłużnego linii
kolejowej ( 12d ‰), a przytwierdzenie szyn do podkładów powinno być dokonywane
wyłącznie w temperaturze mierzonej w szynie i wynoszącej od +15°C do +30°C. Nawierzchnię toru bezstykowego stanowią szyny typu 60-E1 lub 49-E1, które powinny odpowiadać standardom konstrukcyjnym odpowiedniej klasy torów, podkłady betonowe lub drewniane, których typy i rozstaw określają standardy konstrukcyjne nawierzchni dla odpowiedniej klasy torów, podsypka tłuczniowa ze skał naturalnych o parametrach technicznych określonych w standardach konstrukcyjnych nawierzchni; przytwierdzenia zapewniające siłędocisku szyny do podkładu o wartości 8-12 kN [11].
Z torem bezstykowym związane jest zjawisko wyboczenia [2], które może doprowadzić do wykolejenia pojazdu szynowego. Wystąpienie wyboczenia w trakcie przejazdu pociągu jest szczególnie niebezpieczne ze względu na nagły charakter występowania i może powodować duże straty materialne. Niebezpieczeństwo wystąpienia zjawiska wyboczenia rośnie wraz ze wzrostem prędkości pociągów ze względu na zwiększone oddziaływanie dynamiczne pojazdu szynowego na nawierzchnię kolejową [7]. Przeciwdziałanie wyboczeniom w okresach zwiększonych temperatur obecnie sprowadza się do działań doraźnych w postaci:
ograniczeń prędkości pociągów w celu zmniejszenia naprężeń wywołanych przez oddziaływanie kół poruszającego się pociągu,
polewania toru wodą w celu schłodzenia szyn,
malowania szyn białą farbą w celu odbicia części promieni słonecznych.
Od momentu wprowadzenia do eksploatacji toru bezstykowego ważnym zagadnieniem jest znalezienie skutecznej metody przewidywań wyboczeń toru. Jedną z wielkości ściśle związanych ze zjawiskiem wyboczenia są siły podłużne występujące w tokach szynowych związane z rozszerzalnością cieplną. Niniejsza praca przedstawia praktyczne metody pomiaru tych sił, w szczególności przy zastosowaniu ekstensometru.
2. WYBOCZENIA TORU BEZSTYKOWEGO
Jeśli szyna jest ułożona swobodnie to jej długość L zmienia się wraz ze zmianą temperatury T w następujący sposób:
L' DL T' , (1) gdzie:
L
' – zmiana długości szyny [mm],
D – współczynnik rozszerzalności termicznej [1/ CC] , L – długość szyny [mm] ,
T
' – zmiana temperatury szyny w stosunku do temperatury początkowej [ CC] .
W torze bezstykowym ze względu na przytwierdzenie szyn do podkładów nie jest możliwe wydłużenie szyn (podłużne przemieszczenie), zatem zmiany temperatury powodują powstawanie naprężeń termicznych w strefie nieruchomej toru bezstykowego.
Naprężenia termiczne możemy opisać wzorem:
( N )
E T T
V D , (2) gdzie:
V– naprężenia termiczne [MPa],
E – moduł sprężystości podłużnej (moduł Younga) stali [MPa], T – temperatura otoczenia [ CC],
N
T – temperatura neutralna, przy której nie występują naprężenia termiczne [ CC].
Wartości sił podłużnych w tokach szynowych wywołane różnicą temperatur w stosunku do temperatury układania toru bezstykowego mają bezpośredni związek z wyboczeniami [2]. Wyboczenie toru to nagła utrata stateczności rusztu torowego. Wyboczenie może nastąpić w dwóch kierunkach: pionowym i poziomym. Wyboczenie toru w kierunku pionowym następuje, gdy dochodzi do jego przemieszczenia w górę od niwelety toru. Wyboczenie toru w kierunku poziomym oznacza jego przesunięcie od osi toru w planie toru. Przykład wyboczenia w kierunku poziomym ilustruje fotografia na rysunku 1.
Rys. 1. Wyboczenie toru bezstykowego na linii nr 447 Warszawa Zachodnia – Grodzisk Mazowiecki (Fot. Ł. Stolarczyk)
Wyboczenie toru w kierunku pionowym prowadzi do utraty kontaktu toru bezstykowego z podsypką w płaszczyźnie pionowej. Zjawisko to było analizowane w pracy [3] poprzez badanie wpływu podnoszenia siłą skupioną bezstykowego toru kolejowego na jego równowagę. Uwzględniono przy tym wpływ krzywizny podłoża oraz ciężar toru na możliwość wyboczenia. Opracowano równanie opisujące warunek konieczny wyboczenia w płaszczyźnie pionowej uwzględniający poziomą reakcję podłoża na pracę toru.
Wyboczenie toru bezstykowego w kierunku poziomym wystąpi, gdy towarzyszące zjawisku siły w płaszczyźnie poziomej przekroczą wartości sił oporu poprzecznego rusztu
torowego. Podobnie jak w pierwszym przypadku, wyboczenia poziome uwarunkowane są wartością sił podłużnych w szynach, stanem technicznym toru oraz oddziaływaniem pojazdów szynowych na tor. Na wzrost wartości sił podłużnych w tokach szynowych ma wpływ nie tylko wzrost temperatury, ale także oddziaływanie pojazdu szynowego na tor w postaci sił trakcyjnych podczas rozruchu i hamowania. Stan toru natomiast ma kluczowe znaczenie dla oporów, jakie podsypka tłuczniowa stawia rusztowi torowemu. Niewłaściwe utrzymanie toru bezstykowego skutkujące utratą jego stateczności doprowadzić może do wyboczenia.
Ze względu na powszechne stosowanie sprężystych systemów przytwierdzeń szyny do podkładu (np. SB-4 Rys. 2) nie dochodzi do wyboczeń samych toków szynowych. Wyboczenia takie są powszechne w USA [13], gdzie dominuje nawierzchnia na podkładach drewnianych z klasycznym systemem przytwierdzeń. W Polsce za sprawą prowadzonych inwestycji w infrastrukturę kolejową nastąpiła zmiana nawierzchni z podkładów drewnianych z przytwierdzeniem typu „K” na nawierzchnię z podkładów strunobetonowych z przytwierdzeniem sprężystym. Znalezienie praktycznej metody przewidywania wyboczenia toru bezstykowego jest wysoce pożądane z punktu widzenia codziennej diagnostyki nawierzchni kolejowej.
Rys. 2. Przytwierdzenie sprężyste SB-4 (Fot. Ł. Stolarczyk)
3. WYBRANE METODY POMIARU SIŁ PODŁUŻNYCH W
SZYNACH TORU BEZSTYKOWEGO
Poniżej zaprezentowane zostaną wybrane metody pomiaru sił podłużnych w szynach toru bezstykowego. Należą do nich:
- metodyultradźwiękowe, - metody magnetyczne,
- pomiar za pomocą ekstensometru, - metoda wymuszonych przemieszczeń.
Szczególna uwagę poświęcono metodzie pomiaru przy użyciu ekstensometru, która zostanie wykorzystana w dalszych badaniach eksperymentalnych dotyczących zjawiska wyboczenia toru bezstykowego.
3.1. METODY ULTRADŹWIĘKOWE
Metoda ultradźwiękowa oparta jest na zjawisku elektroakustycznym wynikającym z nieliniowości właściwości sprężystych materiału. Prędkość rozchodzenia się fali dźwiękowej zależy od naprężenia. Technika pomiaru naprężeń termicznych [14] uwzględnia nie tylko zmiany prędkości rozchodzenia się fali wywołane naprężeniem, ale również zmianę temperatury badanego materiału.
Jednym z urządzeń pomiarowych wykorzystujących metody ultradźwiękowe jest opracowany Instytucie Podstawowych Problemów Techniki PAN miernik naprężeń przypowierzchniowych DEBRO [6]. Urządzenie wyposażone jest w głowicę przystosowaną do pomiaru naprężeń przypowierzchniowych na obwodzie szyny [9]. Miernik wymaga uprzedniej kalibracji przez pomiar nieprzytwierdzonej szyny leżącej obok toru jako bazy odniesienia. Pomiar przy użyciu miernika DEBRO obejmuje również naprężenia własne szyny, powstające w procesie produkcji szyn, ich transportu, wyładunku i ułożenia w torze [1,3]
3.2. METODY MAGNETYCZNE
Metody magnetyczne wykorzystują zjawisko magnetosprężystości. W ferromagnetyku, jakim jest stal szynowa, pod wpływem naprężeń wewnętrznych następuje zmiana przenikalności magnetycznej.
Przyrząd Rail Stress Test holenderskiej firmy Grontmij [5] wzbudza w szynie pole magnetyczne. Pomiar naprężeń dokonywany jest na podstawie nierównomierności rozkładu tego pola. Urządzenie cechuje mobilność oraz łatwość montażu. Zgodnie z informacją producenta pomiar nie uwzględnia naprężeń własnych szyny.
Urządzenie Rail Stress Test instalowane jest na główce szyny (Rys. 3). Niemożliwe jest zatem dokonanie pomiaru naprężeń podczas jazdy pociągu, co wyklucza wykorzystanie miernika magnetycznego podczas przejazdu pociągu.
Rys. 3. Przyrząd firmy Grontmij – Rail Stress Test [3]
3.3. EKSTENSOMETR
Urządzenie zwane ekstensometrem od wielu lat jest używane do pomiaru sił podłużnych w szynach, gdyż umożliwia on pomiar zmian odległości między dwoma punktami szyny z dużą dokładnością. Przykładem wykorzystania zasady działania ekstensometru jest przyrząd MS-02 (Rys. 4) [10]. Miernik po wyskalowaniu rejestruje wartości sił podłużnych w szynie względem stanu początkowego ustalonego podczas zamocowania bolców w szyjce szyny. Do zamocowanych w osi obojętnej szyny bolców w rozstawie 425 mm (20 mm) przytwierdzamy przyrząd MS-02, który rejestruje zmianę długości bazy pomiarowej Na zmianę długości bazy pomiarowej wpływa zmiana temperatury szyny oraz oddziaływania pochodzące od obciążenia wywołanego przez przejeżdżający tabor.
Rys. 4. Przyrząd MS-02 [Fot. Ł.Stolarczyk]
Końcówka pomiarowa przyrządu oraz bolce montowane w szynie cechują się tożsamym z szyną współczynnikiem rozszerzalności cieplnej oraz prędkością absorpcji cieplnej. [8] Istotnym elementem urządzenia jest czujnik przemieszczeń liniowych, dzięki któremu wyniki pomiaru można przesłać w postaci sygnału cyfrowego do komputera.
Użycie ekstensometru daje możliwość prowadzenia stałego monitorowania sił podłużnych bez wpływu na ruch pociągów. Możliwość ta będzie wykorzystywana w planowanych badaniach eksperymentalnych, których założenia uwzględniają pomiar naprężeń również w trakcie przejazdu pociągu.
3.4. METODA WYMUSZONYCH PRZEMIESZCZEŃ
Metoda wymuszonych przemieszczeń polega na pionowym podnoszeniu szyny. Na podstawie wartości użytej siły i pomiaru wysokości, na którą została uniesiona szyna, możliwe jest ustalenie naprężeń podłużnych szyny. W USA zbudowano wagon pomiarowy, który po zdemontowaniu przytwierdzeń szyn na pewnej długości podnosił odpiętą szynę do góry przy użyciu siły pionowej. Wykorzystując to samo założenie, w Wielkiej Brytanii opracowany został system pomiarowy VERSE [15], który umożliwia
wykonanie szybszych i mniej kosztowych pomiarów niż rozwiązanie amerykańskie. Również w tym przypadku niezbędne jest zdemontowanie przytwierdzeń.
Wykorzystane w tych pomiarach założenie oparte na zależności pionowej siły niezbędnej do uniesienia szyny od siły podłużnej w szynie w czasie przemieszczenia zainicjowało badania, których efektem było opracowanie podobnych rozwiązań. Naukowcy z Politechniki Gdańskiej [8] zaproponowali metodę pomiaru naprężeń podłużnych polegającą na wymuszonym przemieszczeniu szyny w kierunku poprzecznym (zamiast kierunku pionowego). W swoich badaniach wykorzystali podbijarkę torową do pomiarów dynamicznych. Koncepcja wyznaczania sił podłużnych pomiarami dynamicznymi wykonywanymi podczas nasuwania toru przez podbijarkę jest nadal rozwijana.
4. PODSUMOWANIE
Ryzyko wyboczenia toru bezstykowego wzrasta w okresie zwiększonych temperatur w porze letniej. Obecnie brakuje skutecznej metody diagnostycznej pozwalającej na skuteczne przewidywanie zjawiska wyboczenia toru, aby można było efektywnie przeciwdziałać jego występowaniu. Wyboczenie toru bezstykowego jest związane ze znacznym wzrostem sił podłużnych w tokach szynowych, co wskazuje na potrzebę ich monitorowania w trakcie eksploatacji drogi kolejowej.
Wymienione wyżej metody magnetyczne pomiaru sił podłużnych nie sprawdzają się w przypadku uwzględniania oddziaływań wywołanych przez przejeżdżający tabor. Metody wymuszonych przemieszczeń pionowych ze względu na konieczność demontażu przytwierdzeń są niepraktyczne w diagnostyce.
Metoda DEBRO ze względu na konieczność kalibracji urządzenia pomiarowego na nieprzytwierdzonej szynie leżącej obok badanego toru również nie stanowi łatwego w zastosowaniu narzędzia diagnostycznego.
W badaniach eksperymentalnych obejmujących wykonanie pomiaru sił podłużnych w torze bezstykowym w różnych temperaturach, także podczas przejazdu pociągu wygodne jest użycie ekstensometru. Umieszczenie miernika MS-02 w wykonanych otworach w osi obojętnej szyny nie ma negatywnego wpływu na trwałość szyny. Ponadto urządzenie pozwala na wyznaczanie wartości sił podłużnych z dużą dokładnością bez potrzeby demontowania przytwierdzenia szyny do podkładu podczas pomiaru. Zastosowanie miernika MS-02 nie ma wpływu na ruch pociągów.
Z tych powodów wskazane jest użycie ekstensometru jako narzędzia pomiarowego w rozpoczętych badaniach eksperymentalnych współautora (Ł.S.) niniejszej pracy, będących przedmiotem jego rozprawy doktorskiej, dotyczącej ograniczenia prędkości pociągów w torze bezstykowym w okresie zwiększonych temperatur. Wyniki pomiarów sił podłużnych występujących w eksploatowanym torze bezstykowym w czasie całego roku będą przydatne w planowanych badaniach symulacyjnych.
Bibliografia
1. Adamski M. ,,Naprężenia własne’’. Inżynieria Materiałowa. Wydawnictwo Biuro Gamma. Warszawa (1999), str. 1-85
2. Bałuch H.: Skalowanie zagrożeń wyboczeń torów kolejowych, TTS Technika Transportu Szynowego, zeszyt 2-3, 2013, str. 71-76
3. Bednarek W.: Analiza wpływu podnoszenia siłą skupioną bezstykowego toru kolejowego na jego równowagę, Problemy Kolejnictwa, zeszyt 144, 2007, str. 118-135
4. Deputat J.: Nieniszczące badania własności materiałów. Wydawnictwo Biuro Gamma. Warszawa (1997), str. 1-121.
5. https://www.yumpu.com/nl/document/view/22088219/rail-stress-test-simply-safe-sustainable-grontmij, dostęp kwiecień 2018
6. Instrukcja obsługi Aparatu DEBRO - 35 (Cześć 1-3). Warszawa 2001
7. Kardas-Cinal E.: Selected problems in railway vehicle dynamics related to running safety, Czasopismo, Archives of Transport, vol. 31, iss. 3, 2014, pp. 37-45
8. Koc W., Wilk A., Chrostowski P., Grulkowski S.: Określanie wartości sił podłużnych w szynach toru bezstykowego, Problemy Kolejnictwa, zeszyt 163, 2014, str. 43-65
9. Kukulski J.: Metody badań naprężeń własnych w szynach, rozjazdach i kołach monoblokowych, Problemy Kolejnictwa, zeszyt 141, 2006, str. 97-115
10. Patent. Polska, nr 166733. Sposób i urządzenie do pomiaru sity podłużnej powstającej w stalowych kształtownikach ustrojów nośnych, zwłaszcza w szynach kolejowych. Politechnika Krakowska. Twórcy wynalazku: M. Jamka, W Chetmecki, B. Bogdaniuk, 1995, WUP 06/95
11. Towpik K.: Infrastruktura transportu kolejowego, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2004
12. Towpik K.: Tor bezstykowy - zagrożenia, diagnostyka, utrzymanie, Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej –Transport, zeszyt 114, 2016, strony 417-426.
13. Track Buckling Prevention: Theory, Safety, Concepts, and Applications. US Department of Transportation. DOT/FRA/ORD - 13/16, Final Report, March 2013
14. Utrata D., Strom A., Negley M.: Stress measurement in railroad rail using ultrasonic and magnetic techniques Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, vol. 14 Edited by D.O. Thompson and D.E. Chimenti, Plenwn Press, New York, 1995
15. VERSE, http://www.vortok.com/rail-stress-management/verse, dostęp kwiecień 2018
SELECTED METHODS OF MEASURING LONGITUDINAL STRESSES IN CONTINUOUS WELDED RAIL TRACK
Summary: High temperatures in the summer season lead to significant increase in compressive forces in
railway rails. Significant stresses in rails caused by an increased temperature and dynamic loads from the rolling stock can reach values that can overcame the lateral resistance of the continuous welded rail (CWR) track. The result of overcoming the lateral resistance of the CWR track is the buckling phenomenon. The buckling of the track is a threat to railway traffic safety due to its sudden nature. The article presents various methods for measuring longitudinal forces in the CWR track, including the method using the Polish production extensometer. The use of this device for measurements of longitudinal forces has been accepted as optimal due to the ease of assembly, measurement accuracy and the ability to perform measurements without the need to stop trains. In the summary, the usefulness of the measurement method using the extensometer and its significance in the course of further research are evaluated.