Seria: BUDOW NICTW O z. 95 N r kol. 1559
Sławomir GRULKOWSKI*
Politechnika G dańska
KONCEPCJA O K REŚLANIA C H ARA KTERYSTYK
MECHANICZNYCH TORU BEZSTYKOW EG O PO DCZAS PRO CESU REGULACJI G EO M ETRY CZN EJ
Streszczenie. W referacie zaprezentow ano koncepcję w yznaczania sił osiow ych występujących w szynach toru bezstykow ego oraz m ożliw ości oceny oporów podsypki.
Omówiono możliw ości w ykorzystania i oprzyrządow ania podbijarki torowej dla pom iarów charakterystyk toru. Przedstaw iono w yniki badań toru z użyciem m aszyn torow ych wykorzystywanych w bieżącym utrzym aniu toru.
CONCEPT FOR DETERMINATION OF CWR TRACK MECHANICAL CHARACTERISTICS DURING RECTIFICATION OF TRACK GEOMETRY
Summary. The paper presents concept for determ ination o f basic m echanical characteristics o f C W R track. In particular axial forces in rails as well as ballast resistance are taken into account. The possibilities o f use or application o f tam ping m achine for measurement o f track characteristics have been described. The results o f track m easurem ents made with track m achines have been presented.
1. Wstęp
Rozwój transportu szynow ego idzie w kierunku zw iększania prędkości w ruchu pasażerskim do ponad 300 km/h, a w ruchu tow arow ym pow yżej 120 km /h przy naciskach na oś rzędu 250 kN. M usi to prow adzić do opracow ania now ych koncepcji utrzym ania i diagnozowania toru bezstykow ego oraz oceny znaczenia poszczególnych czynników konstrukcyjnych i eksploatacyjnych. W spółczesne trendy w eksploatacji kładą szczególny nacisk na m ożliw ość kontroli stanu obiektu, w ykonywanej w czasie system atycznych
* Opiekun naukow y: D r hab. inż. W ładysław Koc, prof. nadzw. Politechniki G dańskiej
czynności utrzym aniow ych. Sprow adza się to m. in. do praktycznego w ykorzystania maszyn biorących udział w napraw ach toru (np. podbijarek torow ych) do oceny sił podłużnych w szynach, do oceny stanu podsypki, określenia oporów poprzecznych i podłużnych podsypki [11]. N ależy zaznaczyć, że zarów no problem w pływ u oporu poprzecznego podsypki na stateczność toru, ja k też kw estia określania w artości naprężeń w torach bezstykow ych wciąż pozostają nie do końca rozw iązane [7, 12],
2. Ogólna charakterystyka sił podłużnych i oporów poprzecznych w torze
L iczne badania oraz dośw iadczenie utrzym ania naw ierzchni w skazują na trzy podstawowe elem enty stateczności toru: sztyw ność ram y torow ej, opory podsypki przeciwdziałające poprzecznem u przesunięciu ramy toru oraz pow stałe nierówności geom etryczne tom.
N ajw ażniejszym zagadnieniem są tutaj opory poprzeczne podsypki. O w szystkim decydują jed n ak w ystępujące w szynach siły osiow e od tem peratury [3, 14].
2.1. C harakterystyka sposobów określania sił podłużnych
Siły podłużne w torze bezstykow ym w pływ ają na całość pracy konstrukcji. Z byt duże siły, spow odow ane najczęściej złym utrzym aniem toru, w skrajnych przypadkach prow adzą do w yboczeń. N ie istnieje jed n ak jednoznaczny, bezpośredni sposób określania naprężeń w eksploatow anym torze bezstykowym . W w ielu ośrodkach badaw czych i zarządach kolejow ych podejm ow ano próby nad różnymi metodam i pom iaru: 1) pom iary za pomocą tensom etrów m echaniczno-optycznych i ekstensom etrów , 2) ocena sił podłużnych na podstaw ie analizy podnoszenia toru (w agon VNTSC); 3) ocena za pom ocą pom iaru drgań odcinka szyny (prędkość fali zależna od w ielkości naprężenia); 4) m etody R ailscan i Railtest (zależności pom iędzy w łasnościam i magnetycznym i stali szynowej a naprężeniam i); 5) ocena na podstaw ie pom iaru szum u B arkhausena lub dyfrakcji prom ieni R oentgena; 6) metody ultradźw iękow e w ykorzystujące nieliniow ość w łasności sprężystych stali [3, 8],
2.2. C harakterystyka pom iarów oporów poprzecznych podsypki
B adania oporów bocznych podsypki były na bieżąco przeprow adzane przez ośrodki naukow e i zarządy kolejowe. A nalizow ano w pływ poszczególnych operacji technologicznych
utrzymania nawierzchni na zm ianę zagęszczenia podsypki lub je j rozm ieszczenia w torze.
Roboty nawierzchniowe oddziałujące na w arstw ę podsypki, np. oczyszczanie podsypki i regulacja geom etryczna położenia toru połączona z podbiciem , pow oduje zm niejszenie oporów bocznych toru naw et o 40% [4, 5, 6, 13, 14], C iągle brakuje jed n ak m etody bieżącego pomiaru oporów poprzecznych, a co za tym idzie stanu podsypki określanego w skaźnikow o.
3. Przebieg badań
Badania w torze kolejow ym przeprow adzono w ram ach projektu badaw czego K B N n r 7 T07E 05808 pt. „A naliza sił osiow ych w szynach toru kolejow ego” . Polegały na pionow ym i poziomym przem ieszczaniu rusztu torow ego, przy zm iennych w artościach sił rozciągających P w tokach szynow ych (w zakresie 0 + 500 kN). Technologia utrzym ania naw ierzchni nie
pozwala na pracę w w iększym zakresie sił ściskających w szynach (w ysoka tem peratura). D o naprężania obydwu toków stosow ano naprężacze szynow e, natom iast przem ieszczenia toru wymuszano za p om ocą podbijarki w czasie bieżącej pracy m aszyny. R ejestrow ano sygnały:
siły poprzecznej, siły osiowej w szynie oraz przem ieszczenia poziom ego. Przeprow adzono również, w ograniczonym zakresie, pom iary przy pionow ym podnoszeniu toru.
Zastosowany sposób prow adzenia pom iarów sił i przem ieszczeń toru kolejow ego omówiono szczegółow o w pracy [1]. Program badaw czy zakładał pom iary sił generow anych przez układy podnosząco-nasuw ające m aszyn torow ych. M ożliw e są tutaj dw a sposoby pomiaru. Pierw szy w ym aga m ontażu siłom ierzy w układach podnoszących, a drugi wykorzystuje w charakterze elem entów pom iarow ych czujniki m ontow ane na tłoczyskach siłowników hydraulicznych. W realizow anym projekcie badaw czym w ybrano w ariant drugi.
Głowice czujników są instalow ane na tłoczyskach (poziom ym i pionow ym ) m aszyny torowej.
Tłoczyska siłow ników w podbijarce m ają kształt w alcow y, a w ięc czujniki do pom iaru sił poprzecznych m usiały m ieć budow ę głow icy walcowej m ontowanej na tłoczyskach siłownika. N ajw ażniejszym elem entem tej głow icy są czujniki indukcyjne.
Przem ieszczenia poprzeczne w yznaczano m ierząc strzałki ugięcia toku szynow ego względem układu odniesienia zw iązanego z ram ą m aszyny torowej. W realizow anym projekcie badaw czym zastosow ano m etodę dotykow ą ze w zględu na m niejsze koszty czujnika. Sposób ten w ym agał zam ontow ania na końców ce trzpienia dotykow ego rolki ślizgowej ja k o sprzęgu ślizgającego się po szynie. D o pom iaru sił w szynie, oprócz czujnika o
konstrukcji w alcow ej, zastosow ano rów nież czujnik o konstrukcji liniow ej, umożliwiający m ontaż na pow ierzchniach lokalnie płaskich (jak np. szyjka szyny) [2, 10]
4. W yniki przeprowadzonych badań
4.1. U w agi w prow adzające
N a rysunku 1 pokazano przykładow e przebiegi czasow e pom ierzonych sygnałów przem ieszczenia poziom ego y , siły poprzecznej Y oraz siły osiowej S w szynie. Z punktu w idzenia oceny przydatności podbijarki ja k o urządzenia diagnostycznego celow e będzie przeanalizow anie sygnałów:
• siły poprzecznej Y (do określania oporów poprzecznych podsypki);
• siły osiowej S (do w yznaczania sił podłużnych w szynie).
Rys. 1. Przebiegi czasowe sygnałów: przemieszczenia poziomego szyny y (chO), siły poprzecznej Y w siłowniku hydraulicznym (chi) oraz siły podłużnej S w szynie (ch2) podczas pracy podbijarki przy początkowej podłużnej sile rozciągającej P = 500 kN
Fig. 1. Signals time characteristics o f the horizontal displacement y of the rail (chO), the lateral force Y in the hydraulic servo (chi), and the longitudinal force S in the rail (ch2) during the operation o f the tamping machine at pull P = 500 kN
4.2. A naliza sygnału siły poprzecznej
Z uzyskanych przebiegów czasow ych sygnału siły poprzecznej Y w ynika, że siłownik poziom y w podbijarce działa w sposób im pulsowy. Siła osiow a narasta w nim stopniow o do m om entu, w którym opór podsypki je s t tak duży, że nie pozw ala na przem ieszczanie ramy.
W ów czas następuje spadek w artości siły w tłoczysku i ponow ne jej narastanie aż do pokonania oporów. K olejne etapy pokonyw ania oporów podsypki następują tak długo, aż
osiągnięta zostanie zadana w artość nasunięcia ram y toru. Siła Y w siłow niku w ów czas również osiąga m aksim um . G dy siła spada do zera, to r cofa się w kierunku pierw otnego położenia aż do osiągnięcia now ego położenia rów now agi. Spow odow ane je s t to sprężystością konstrukcji rusztu torow ego oraz naprężeniam i w szynach. W ów czas w układzie podbij aj ąco-nasuw ającym w podbijarce stosuje się funkcję autom atyki w ybiegu, dzięki której tor dopychany je s t na w ym agane położenie. Czas osiągnięcia zadanego przemieszczenia je s t zm ienny, charakter zaś pracy siłow nika - bardzo zróżnicow any. Próby analizy siły poprzecznej Y w stosunku do osiąganego przem ieszczenia y w określonym czasie nie przyniosły niestety do tej pory zadow alających i spodziew anych rezultatów . W yniki analizy okazały się bardzo nieregularne przy różnych siłach osiow ych P (rysunek 2). Taki stan trudno interpretow ać niejednorodnością podsypki i jej oporu w przekroju poprzecznym . Pierwsze obserw acje w skazują na nieregularny charakter pracy siłow nika poprzecznego Starano się więc w yelim inow ać im pulsow y sposób pracy. M ożna zauw ażyć, że tylko pierwsza faza pracy odbyw a się całkow icie w otoczeniu nienaruszonej podsypki i bez działań impulsowych. Próba interpretacji pierw szych faz pracy podbijarki przy różnych siłach osiowych naciągu szyny P pozw oliła zauw ażyć pew ną nie do końca zbadaną jeszcze zależność m aksym alnych przesunięć od generow anych sił.
Rys. 2. Wykres zależności siły poprzecznej Y w siłowniku podbijarki torowej od przemieszczenia y w' pierwszym etapie nasuwania toru przy różnych siłach osiowych P
Fig. 2. The lateral force Y in the hydraulic servo o f tamping machine versus displacement y at various axial forces P
Nie m ożna jeszcze m ów ić o jakiejkolw iek tendencji ze w zględu na bardzo m ałą liczbę wyników w ykorzystanych w analizie, co spow odow ane je s t stosunkow o długim okresem próbkowania (co 0,33 s). Przy P =0 kN i niew ielkim przem ieszczeniuy= 1 mm m usiała zostać zastosowana siła ponad F=10 kN. Z kolei, przy P=500 kN i przem ieszczeniu praw ie ośmiokrotnie w iększym y = 7,40 mm siła poprzeczna T=15,7 kN. Stw ierdzono, że
bezw zględna w artość siły Y nie je s t czynnikiem decydującym o w ielkości uzyskanego przesunięcia y . Przy dużych siłach naciągu P siła Ymax m oże się naw et okazać mniejsza niż dla m niejszych wartości P (w zam ian w ydłuża się nieco sum aryczny czas działania tej siły).
Przy dłuższym czasie działania siły poprzecznej w ystępują przesunięcia skokow e, czemu odpow iadają gw ałtow ne spadki siły w tłoczysku siłow nika hydraulicznego. Przebieg zmian siły Y je s t w znacznym stopniu uzależniony od konstrukcji i system u sterow ania układu nasuw ającego podbijarki. O kazało się, że przy m niejszych siłach osiow ych w szynach przem ieszczanie ram y torowej w ym aga dużego różnicow ania sił w siłow nikach w kolejnych fazach nasuw ania toru ze w zględu na duży w pływ oporu poprzecznego podsypki. Przy w zrastających siłach osiow ych P w szynach zaw ęża się zakres sił poprzecznych Y pow odujących nasuw anie rusztu torowego. W pływ oporu staje się w tej sytuacji coraz m niejszy (rysunek 3) [11],
Rys. 3. Wykres maksymalnych sił Y stosownych w poszczególnych etapach nasuwania toru w funkcji jego przemieszczenia y
Fig. 3. Maximum forces Y at various stages o f track lining as a function o f displacement y
4.3. A naliza sygnału siły osiowej w szynie
Podczas pom iarów rejestrow ano elem entarne przem ieszczenia podłużne w strukturze szyny za pom ocą czujnika indukcyjnego liniowego. Pozw alało to w yznaczyć w artość siły osiowej wprowadzanej naprężaczem szynowym przed rozpoczęciem poprzecznego przem ieszczania toru. K onstrukcja czujnika pozw ala przyjąć, iż podczas nasuw ania toru uzyskuje się wartości, które m ożna w ykorzystać do szacow ania krzyw izny poziomej.
U zyskana w artość liczbow a A S (m iernik krzyw izny) zależy od konstrukcji czujnika.
W yrażono j ą w jed n o stk ach siły, chociaż w rzeczyw istości czujnik określa siłę w szynie tylko w tedy, gdy przem ieszczenie poprzeczne je s t rów ne zeru. N a rysunku 4 pokazano
przykładowe przebiegi czasow e sygnału A S . O kazało się, że w odróżnieniu do sił Y wskaźnik A S w ykazuje w yraźną zależność od siły P. Potw ierdza to jednoznacznie rys. 6, na którym pokazano kształtow anie się zależności funkcji A S = f(y ,P ) dla w ybranych serii pomiarowych.
Rys. 4. Przykładowe przebiegi czasowe sygnału wskaźnika AS [41,5 MPa/V| dla różnych wartości siły osiowej P w szynie
Fig. 4. Examples o f time characteristics for the signal o f index AS [41,5 MPa/VJ for various axial forces P in rail
Diagramy na rys. 5 w skazują na w yraźną zależność w skaźnika A S od siły osiowej P występującej w szynie przed rozpoczęciem nasuw ania toru.
4 S [kN ]
R5's. 5. Wrażliwość czujnika liniowego AS w funkcji siły osiowej P w szynie i przemieszczenia poprzecznego y
Fig. 5. Sensitivity o f the linear sensor AS in function o f axial force P in rail and lateral displacement y
Jak w idać, w raz ze w zrostem tej siły m aleje m iernik krzyw izny AS. W ynika stąd wniosek, że rejestracja krzyw izny, przy określonej w artości przem ieszczenia poprzecznego y , może stanow ić podstaw ę do w yznaczania siły osiowej w szynie. T o interesujące spostrzeżenie zostało w pełni potw ierdzone w toku dalszej, bardziej szczegółowej analizy. Zbadano istnienie korelacji pom iędzy pom ierzonym i w artościam i w skaźnika zlS i przem ieszczenia y przy różnych w artościach siły P.
Rys. 6. Wykresy prostych regresji AS =f(y) przy różnych wartościach sity osiowej P w szynie Fig. 6. Diagrams o f regression lines AS f(y) for various axial force values in rail
U w zględniono w szystkie w yniki pom iarow e, uzyskane przy y > 5 mm. Rezultaty przeprow adzonej analizy przedstaw ia rysunek 6. Istotność korelacji nie ulega w ątpliwości. W najgorszym przypadku, dla P=0, w spółczynnik korelacji r= 0,947 . O trzym ane proste regresji różnią się przede w szystkim w spółczynnikiem nachylenia. W spółczynnik ten m aleje wraz ze w zrostem siły P (z w yjątkiem przypadku / J= 100 kN, ale tutaj m ogły odgryw ać rolę warunki przeprow adzenia eksperym entu, w tem peraturze około 0 C i straty w prow adzanej siły na pokonanie oporu podłużnego) [9, 10],
5. Podsum owanie
Z dotychczasow ych dośw iadczeń m ożna stw ierdzić, iż je s t m ożliw e w nioskow anie na tem at siły podłużnej w szynach na podstaw ie pom iaru krzyw izny przy różnych wartościach przem ieszczenia poprzecznego. W ym aga to jed n ak dalszych badań terenow ych oraz stosow ania odpow iedniego czujnika do pom iaru krzyw izny, instalow anego do ramy
podbijarki. W om aw ianych badaniach krzyw iznę szacow ano bow iem w sposób pośredni (czujnikiem liniow ym do pom iaru siły), co niew ątpliw ie m iało w pływ na uzyskiw aną dokładność.
Uzyskano też pew ne przesłanki dla w ykorzystania siły poprzecznej w siłow niku podbijarki do określenia w ystępującego oporu bocznego podsypki (będącego fun k cją stanu ustabilizowania toru). N iew ątpliw ie pom iar taki musi być w ykonyw any przed procesem regulacji geom etrycznej toru. T rzeba jed n ak w trakcie dalszych badań lepiej poznać charakterystyki eksploatacyjne m aszyny oraz określić najbardziej korzystny i w ym ierny sposób sterow ania przez operatora p racą zespołu podnosząco-nasuw ającego.
W tym też celu trw a realizacja kolejnego projektu badaw czego K B N n r 8 T07E 027 21 pt.
„Diagnostyka toru kolejow ego podczas procesu regulacji geom etrycznej”, gdzie prace nad powyższymi zagadnieniam i znacznie uszczegółow iono i sprecyzow ano, a zakres badań poszerzono o analizę num eryczną problem ów , gdyż klasyczna teoria belek II rzędu nie spełnia założeń problem u; je st to specyficzny ustrój, w którym podczas zginania w ystępuje osiowa siła podłużna. Problem kom plikuje się jeszcze bardziej, kiedy siła podłużna w szynie istnieje ju ż w stanie w yjściow ym i nie je s t też obojętne, czy je s t to siła ściskająca czy rozciągająca. N iedostatki istniejących program ów kom puterow ych w ykorzystujących aplikacje M ES doprow adziły do opracow ania specjalnego oprogram ow ania analizującego wielkości sił osiow ych w zginanej szynie [15].
LITERATURA
1. Barylski A., K oc W ., W ilk A.: L ongitudinal forces in railw ay track and tam ping m achine shifting sets, N D T& E International, 32(8), 1999, 445-455.
2. Barylski A., K oc W ., K uć K., Szym czak C., W ilk A.: B adanie sił osiow ych w szynie przy wymuszonych przem ieszczeniach poprzecznych, (M ateriały) IX K onferencja N aukow a
’’Drogi K olejow e”, K raków - K ościelisko 1997, 33-44.
3. Czyczuła W ., Tow pik K.: Problem y m odelow ania oraz identyfikacji modeli toru bezstykowego, Problem y K olejnictw a, n r 128, W arszaw a 1998, 67-97.
4. Improved know ledge o f forces in C W R track (including sw itches). Lateral and longitudinal resistance m easurm ents: synthesis report. ERR1 D 202/RP 7, U trecht 1999.
5. Improved know ledge o f forces in C W R track (including sw itches). Lateral R esistance Tests. E R R ID 202/D T 360, U trecht 1997.
6. Improved know ledge o f forces in C W R track (including sw itches). M easurem ent o f lateral resistance characteristics fo r ballasted track. ER R I D 202/D T 361, U trecht 1998.
7. K oc W.: O kreślanie w artości naprężeń w torach bezstykow ych, Zeszyty Nauk-Techn.
O ddziału SITK w K rakow ie, seria: M ateriały K onferencyjne 41(84), K raków 2000, 139- 155.
8. K oc W.: Przegląd prac badaw czych nad określaniem sił podłużnych w szynach tom bezstykow ego, (M ateriały) Czw arte Sem inarium D iagnostyki N aw ierzchni Szynowych, G dańsk 2002, 39-58.
9. K oc W ., W ilk A., G rulkow ski S.: M ożliw ości w ykorzystania pracy podbijarki w diagnostyce toru kolejow ego, (M ateriały) D rugie Sem inarium D iagnostyki Nawierzchni K olejow ej, Gdańsk - Sycow a H uta 2000, 59-69.
10. K oc W ., W ilk A., Grulkowski S.: Prospects for a tam ping m achine application in the railw ay track diagnostics, 4th International C onference „R ailw ay E ngineering 2001”, London, UK, 30th April - l sl M ay 2001, [CD-ROM ],
1 1 K oc W ., W ilk A., G rulkow ski S.: Rola podbijarki torowej przy określaniu oporów poprzecznych podsypki, (M ateriały) Trzecie Sem inarium D iagnostyki Nawierzchni Szynow ych, G dańsk 2001, 69-74.
12. Sam avedam G., K ish A.: Continuous w elded rail track buckling safety assurance through field m easurem ents o f track resistance and rail force, T ransportation R esearch Record, nr
1289, 1995.
13. Tow pik K.: B adania toru bezstykow ego dla potrzeb M iędzynarodow ego Związku K olejow ego (U IC), (M ateriały) Sym pozjum N aukow o-T echniczne ’’B udow a i utrzymanie toru bezstykow ego” , K raków - Z akopane 1996, 115-121.
14. Tow pik K.: U trzym anie naw ierzchni kolejow ej, W KŁ, W arszaw a 1990, 129-133.
15. W ilk A., K oc W ., D obrow olski P., G rulkow ski S.: N um erical analysis o f the rail m echanics in the process o f adjustm ent o f track level, 5th International Conference
„Railw ay Engineering - 2002”, London, UK, 3rii - 4th July 2002, [CD-ROM ],
Recenzent: D r hab. inż. W łodzim ierz Czyczuła, prof. Politechniki Krakowskiej
A bstract
The results o f the researches and analyses w hich had been obtained w ithin the confines of the K B N (Scientific R esearch C om m ittee) research project no. 7 T07E 05808 - „T he Analysis o f axial strengths in railw ay track rails” m otivated th e interdisciplinary research team o f the Technical U niversity o f G dansk to m ake use o f a tam ping m achine in surface’s diagnosis and m ost im portantly - to define the axial strengths in rails as a result o f the track distortion set (curvature). The secondary effect o f the researches and m easurem ents w as a problem of ballast section condition assessm ent (especially its lateral resistance), estim ated as a result of the transverse clearance o f the railw ay track. This experim ent - w ith the use o f the original m easurem ent apparatuses - and subsequent detailed analysis confirm ed the direct relation betw een curvature arising during lining o f the track process and the strengths in rails. It leads up to the conclusion that there is a need to construct special apparatuses w hich w ould be installed on a tam ping m achine and w ould create num erical datas for analysis.
