P O L I T E C H N I K A P O Z N A Ń S K A W yd z i a ł M as zyn R o b o c z yc h i

P O L I T E C H N I K A P O Z N A Ń S K A

Wydział Maszyn Roboczych i Transportu

mgr inż. Roksana Licow

OCENA USZKODZEŃ POWIERZCHNI TOCZNEJ SZYN KOLEJOWYCH ZA POMOCĄ ZJAWISK

WIBROAKUSTYCZNYCH

Praca doktorska

Promotor:

prof. dr hab. inż. Franciszek Tomaszewski

POZNAŃ 2018

1 SPIS TREŚCI

SPIS WAŻNIEJSZYCH SYMBOLI I OZNACZEŃ... 4

STRESZCZENIE... 6

WPROWADZENIE... 7

1. RODZAJE USZKODZEŃ POWIERZCHNI TOCZNYCH SZYN ORAZ ICH DIAGNOSTYKA... 10

1.1. Wstęp... 10

1.2. Klasyfikacja uszkodzeń w szynach kolejowych... 10

1.3. Charakterystyka wybranych uszkodzeń powierzchni tocznych szyn na sieci PKP PLK... 12

1.3.1. Head checking... 12

1.3.2. Squat... 14

1.3.3. Wybuksowania... 15

1.3.4. Uszkodzenie powierzchni tocznej... 16

1.4. Metody prowadzenia (rodzaje) badań diagnostycznych szyn kolejowych w Polsce... 16

1.5. Metody zapobiegania powstawaniu wad powierzchni tocznych... 19

1.5.1. Reprofilacja szyn... 21

1.5.2. Zastosowany profil szyny... 23

1.6. Podsumowanie... 24

2. ANALIZA PRZYCZYN ZUŻYWANIA SIĘ SZYN W ZALEŻNOŚCI OD WARUNKÓW TECHNICZNO – EKSPLOATACYJNYCH TORU... 26

2.1. Wstęp... 26

2.2. Charakterystyka analizowanych linii kolejowych... 26

2.3. Analiza uszkodzeń szyn... 27

2.3.1. Średnia liczba uszkodzeń występujących na toku szynowym... 27

2.3.2. Średnia liczba uszkodzeń w zależności od typu szyn... 30

2.3.3. Występowanie uszkodzeń w zależności od natężenia ruchu... 31

2.3.4. Miejsca występowania analizowanych uszkodzeń... 33

2.4. Analiza korelacyjna pomiędzy zmiennymi a liczbą wad... 34

2.4.1. Zależność pomiędzy typem szyny a liczbą wad... 34

2

2.4.2. Liczba wad na wagon... 35

2.4.3. Zależność pomiędzy obciążeniem linii a liczbą wad... 36

2.5. Podsumowanie... 37

3. ANALIZA PROBLEMU BADAWCZEGO... 38

3.1. Stan badań z zakresu diagnostyki szyn... 38

3.2. Cel i teza pracy... 39

3.3. Zakres pracy... 40

4. WYBRANE ZAGADNIENIA DIAGNOSTYKI WIBROAKUSTYCZNEJ... 42

4.1. Podstawowe wiadomości dotyczące wibroakustyki... 42

4.2. Charakterystyka zjawisk wibroakustycznych... 43

4.2.1. Drgania... 43

4.2.2. Hałas... 47

4.3. Źródła hałasu kolejowego i metody jego ograniczania... 53

4.4. Kolejowy klimat akustyczny w Polsce... 57

4.5. Podsumowanie... 59

5. METODYKA BADAŃ USZKODZEŃ SZYN... 61

5.1. Metodyka pomiarowa... 61

5.2. Zakres badań... 65

5.3. Lokalizacja i wybór miejsc pomiarowych... 67

5.4. Aparatura pomiarowa... 69

5.4.1. Przetwornik trójosiowy typu 4504 A... 69

5.4.2. Przetwornik jednoosiowy drgań typ 4513 – B – 001... 70

5.4.3. Aparatura wykorzystana w pomiarach hałasu kolejowego... 71

5.4.4. Inna aparatura wykorzystana w pomiarach... 72

5.5. Obiekty badań... 73

5.6. Mierzone wielkości hałasu... 75

5.7. Mierzone wielkości drgań... 78

3

6. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ... 83

6.1. Wyniki pomiarów drgań na linii 213 Reda – Hel... 83

6.1.1. Wyniki pomiarów drgań w osi X z czujnika trójosiowego na linii 213 Reda – Hel... 83

6.1.2. Wyniki pomiarów drgań w osi Y z czujnika trójosiowego na linii 213 Reda – Hel... 84

6.1.3. Wyniki pomiarów drgań w osi Z z czujnika trójosiowego na linii 213 Reda – Hel... 86

6.1.4. Wyniki pomiarów drgań z czujnika jednoosiowego na linii 213 Reda – Hel... 87

6.2. Wyniki pomiarów drgań na linii 131 Chorzów Batory – Tczew... 89

6.2.1. Wyniki pomiarów drgań w osi X z czujnika trójosiowego na linii 131 Chorzów Batory – Tczew... 89

6.2.2. Wyniki pomiarów drgań w osi Y z czujnika trójosiowego na linii 131 Chorzów Batory – Tczew... 90

6.2.3. Wyniki pomiarów drgań w osi Z z czujnika trójosiowego na linii 131 Chorzów Batory – Tczew... 92

6.2.4. Wyniki pomiarów drgań z czujnika jednoosiowego na linii 131 Chorzów Batory – Tczew... 93

6.3. Analiza wyników otrzymanych z pomiarów hałasu... 95

6.3.1. Wyniki pomiarów hałasu na odcinku toru referencyjnego... 95

6.3.2. Wyniki pomiarów hałasu na odcinku toru z uszkodzeniem squat... 96

6.3.3. Wyniki pomiarów hałasu na odcinku toru z uszkodzeniem wybuksowanie.... 98

6.3.4.Wyniki pomiarów hałasu na odcinku toru z wadą powierzchni tocznej... 99

6.4. Synteza wyników badań... 101

PODSUMOWANIE I WNIOSKI... 105

LITERATURA... 109

Załącznik I 114

Załącznik II 115

Załącznik III 133

Załącznik IV 139

4 SPIS WAŻNIEJSZYCH SYMBOLI I OZNACZEŃ

DMU − spalinowe zespoły trakcyjne, E

− ekspozycja hałasu  ^dB ( ) ^A  ^,

E

− ekspozycja progowa  ^{Pa }

^s  ^,

EZT − elektryczny zespół trakcyjny,

AE

 L

SEL − poziom ekspozycyjny pojedynczego zdarzenia akustycznego w  ^dB ( ) ^A  ^,

Tp

L

− równoważny poziom dźwięku A podczas jazdy w   ^{dB ,}

T

L

− równoważny poziom dźwięku A w  ^dB ( ) ^A  ^,

max

L

− maksymalny poziom dźwięku A podczas jazdy przy zastosowaniu stałej czasowej F (FAST) w   dB ,

L

− oznacza długookresowy średni poziom dźwięku A wyrażony w   ^{dB ,}

L

− poziom mocy akustycznej źródła hałasu  dB ( ) A  ,

/

L

− efektywny poziom mocy akustycznej źródła  dB ( ) A  ,

OTM − specjalny tabor kolejowy przeznaczony do budowy i utrzymania infrastruktury kolejowej np. maszyny torowe, zespół DPUS,

p

− ciśnienie akustyczne odniesienia równe 2∙10

  ^Pa (=20 µPa),

( ) ^t

p − ciśnienie akustyczne   ^{Pa ,} ( ) t

p

− średni kwadrat ciśnienia akustycznego   ^{Pa ,} ( ) t

p

− chwilowe ciśnienie akustyczne w   Pa skorygowane według charakterystyki częstotliwościowej A ,

( ) t

p

− średni kwadrat ciśnienia akustycznego skorygowany zgodnie z charaktery- styką częstotliwościową A   Pa ,

0

c

 − impedancja akustyczna powietrza  ^{kg / m}

^{ s}  ^,

Parametry techniczno - ekploatacyjne

− ustalone przez zarządcę dla danej linii kolejowej parametry określające:

prędkość maksymalną, naciski osi, obciążenie przewozami oraz skrajnię budowli,

PLK − Polskie Linie Kolejowe S.A.,

RMS − wartość skuteczna np. przyspieszeń drgań, t

− czas odniesienia   ^{s , t}

= 1 ^s ,

T − temperatura powietrza  

^{C ,}

UIC − Międzynarodowy Związek Kolei (ang. International Union of Railways), W

− moc odniesienia 10

  ^W (odpowiada progowi słyszenia dla 1000 Hz), v − prędkość jazdy  m / s  ,

v

− prędkość maksymalna w  ^{km / h}  ^.

5 Summary

The development of railway transport through an increase in financial for the upgrading and maintenance of railway lines and consequently, the increase in operating speeds, have to ensure an increase in the level of safety of persons and goods transported by railway transport. The growing problem of the diagnosis of the railway surface has become defects (damage) of the rail running surface, which as a consequence rail broken lead to the derailment of the train. Currently the conducted of rail diagnostic are insufficient to unequivocally assessment the occurrence of damage on the rail running surface. In the doctoral dissertation to present a concept whose the aim is to examine the possibility of assessing selected damages (defects) of the rail running surface by the use vibroacoustic phenomena generated during the passage of the train. In the work presents the characteristics of the most frequent damage (defects) on the rail running surface, discusses their diagnostics carried by the main manager of the railway infrastructure in Poland and presents the methods of preventing the occurrence of the discussed damage. The rail damage analysis was performed depending on the technical and operational conditions of the track as well as correlation analysis between track load and the quantity of damages present. The analysis were carried on the basis of real data provided by the Diagnostic Centre of Polish Railway Lines in Warsaw. A review of current regulations and legal acts related to noise was also carried including the measurement of sound levels near railway lines.

Author research methodology was developed, on the basis to account existing legal regulations and conditions for conducting research. On the basis of the developed author methodology, conduct the research of vibrations and noise on selected railway lines were performed with selected damage (defects) on the rail running surface and on the reference track during train passage.

The digital analysis of registered vibration and noise signals and the results of the research were analysed. The results of research and analysis allowed to prove the thesis that it is possible to assessment selected types of damage (defects) on the rail rolling surface based on selected measures (estimates) of vibroacoustic processes.

In dissertation presents conclusions resulting from the use of vibration signals to

assessment the rail rolling surface and presents further perspectives for the development of

rail rolling surface diagnostics with use vibroacoustic phenomena generated during the

wheel passage on the damage rail running surface.

6 Streszczenie

Rozwój transportu kolejowego poprzez wzrost nakładów finansowych na modernizację i utrzymanie linii kolejowych a w następstwie podwyższanie prędkości eksploatacyjnych musi zapewniać zwiększanie poziomu bezpieczeństwa osób i towarów przewożonych drogą kolejową. Narastającym problemem diagnostyki nawierzchni kolejowej stały się wady (uszkodzenia) powierzchni tocznej szyn, które w konsekwencji pęknięcia lub złamania szyny prowadzą do wykolejenia pociągu. Prowadzona dotychczas diagnostyka szyn jest niewystarczająca do jednoznacznej oceny występowania uszkodzenia na powierzchni tocznej, stąd pojawiła się koncepcja pracy doktorskiej, której celem jest zbadanie możliwości oceny wybranych uszkodzeń (wad) powierzchni tocznej szyn kolejowych z wykorzystaniem zjawisk wibroakustycznych generowanych podczas przejazdu pociągu.

W pracy przedstawiono charakterystykę najczęściej występujących uszkodzeń powierzchni tocznej szyn, omówiono ich diagnostykę prowadzoną przez głównego zarządcę infrastruktury kolejowej w Polsce oraz przedstawiono metody zapobiegania występowaniu omawianych uszkodzeń. Przeprowadzona została analiza uszkodzeń szyn w zależności od warunków techniczno-eksploatacyjnych toru oraz analiza korelacyjna pomiędzy zmiennymi obciążenia toru a liczbą występujących uszkodzeń. Analizy zostały przeprowadzone na podstawie danych rzeczywistych udostępnionych przez Centrum Diagnostyki Polskich Linii Kolejowych w Warszawie. Wykonano również przegląd aktualnych przepisów i aktów prawnych związanych z hałasem w tym z prowadzeniem pomiarów poziomów dźwięku w pobliżu linii kolejowych.

Opracowano autorską metodykę badań, uwzględniającą istniejące przepisy prawne oraz warunki prowadzenia badań terenowych. Na podstawie opracowanej metodyki przeprowadzono badania terenowe drgań i hałasu na wybranych liniach kolejowych przy wybranych uszkodzeniach powierzchni tocznej szyn oraz toru referencyjnego podczas przejazdu pociągów.

Przeprowadzono analizę cyfrową zarejestrowanych sygnałów drgań i hałasu, przeanalizowano wyniki badań. Uzyskane wyniki badań oraz analiz pozwoliły udowodnić postawioną tezę, że możliwa jest ocena wybranych rodzajów uszkodzeń powierzchni tocznych szyn kolejowych w oparciu o wybrane miary (estymaty) procesów wibroakustycznych.

W pracy przedstawiono wnioski wynikające z zastosowania sygnałów drganiowych do

oceny powierzchni tocznej szyn oraz przedstawiono dalsze perspektywy rozwoju

diagnostyki powierzchni tocznych wykorzystując zjawiska wibroakustyczne generowane

podczas przejazdu koła przez uszkodzenia powierzchni tocznej szyny.

7 WPROWADZENIE

W związku z licznymi dofinansowaniami z funduszy krajowych takich jak Fundusz Kolejowy, Budżet Państwa, jak i z funduszy Unii Europejskiej przede wszystkim Program Operacyjny Infrastruktura i Środowiska jak również Program Polska Wschodnia, instrument CEF „Łącząc Europę” oraz Regionalne Programy Operacyjne spowodowały, iż transport kolejowy w Polsce w ostatnich latach przechodzi całkowity renesans. Rozwój transportu kolejowego i związane z tym podnoszenie parametrów techniczno – eksploatacyjnych linii kolejowych przy zastosowaniu nowoczesnych technologii zabudowy konstrukcji nawierzchni konwencjonalnej i niekonwencjonalnej musi wiązać się rozwojem narzędzi do poprawnej, późniejszej diagnostyki tych nawierzchni kolejowych.

Składową wymienionych nawierzchni kolejowych są m. in. szyny, które w toku eksploatacji nabywają różnego rodzaju uszkodzenia oraz ujawniają wady produkcyjne.

Koła taboru w bezpośrednim kontakcie z niewykrytymi uszkodzeniami szyn mogą doprowadzić do ich pęknięcia lub złamania co w konsekwencji powoduje wykolejenie pociągu. Doświadczenie nabyte podczas Stażu Doktoranckiego w Zakładzie Północnym w Gdyni PLK S.A. pozwala stwierdzić, iż obecna diagnostyka realizowana przez poszczególne zakłady głównego zarządcy sieci kolejowej w Polsce jest niewystarczająca.

Wzrastająca liczba niebezpiecznych uszkodzeń powierzchni tocznej szyn takich jak squat (uszkodznie nr 227 wg Katalogu Wad PLK), czy wada powierzchni tocznej (wada nr 221 wg Katalogu Wad PLK) stwarzają konieczność poszukiwania nowoczesnych metod i narzędzi do jednoznacznej identyfikacji wad powierzchni tocznej szyn.

Świadomość ogromnego problemu jakim jest brak narzędzi do diagnostyki powierzchni tocznej szyn spowodował powstanie potrzeby zajęcia się tym tematem i wybrania odpowiedniej nieniszczącej metody wykrywania wad i uszkodzeń w materiałach, która mogłaby zostać zastosowana w transporcie kolejowym.

W tym celu poszerzono wiedzę z obszaru nauk technicznych jakim jest wibroakustyka.

Wibroakustyka zajmuje się sygnałami drganiowymi oraz akustycznymi a informacje

w nich zawarte znajdują zastosowanie w technice np. do diagnostyki maszyn. Za pomocą

informacji zawartej w sygnale wibroakustycznym istnieje możliwość określania cyklu

życia maszyny, zużycia poszczególnych jej elementów oraz określania kryteriów zdatności

eksploatacyjnej. Wibrodiagnostyka pozwala na szybkie wykrywanie nieprawidłowości

i eliminowanie zarówno poważnych, kosztownych awarii, katastrof ekologicznych, jak

i zagrożeń, jakie czekają na pracowników obsługi oraz podróżnych.

8 Drgania i hałas są również zagrożeniem dla utrzymania określonego poziomu bezpieczeństwa całego środowiska. Zjawiska wibroakustyczne charakteryzują się mnogością źródeł oraz powszechnością występowania. Stanowią również jedną z głównych przyczyn degradacji środowiska naturalnego oraz negatywnego wpływu na człowieka pogarszając jego jakość życia. Negatywny wpływ drgań w transporcie kolejowym najczęściej zauważalny jest na infrastrukturze przyległej w pobliżu linii kolejowych. Do tej infrastruktury można zaliczyć: perony, budynki obsługi podróżnych, przepusty, wiadukty, mosty i tunele a również budynki mieszkalne usytuowane w pobliżu linii kolejowych i metra. W zakresie transportu kolejowego, w literaturze krajowej i zagranicznej można znaleźć wiele opracowań na temat prowadzonych badań odnośnie wpływu hałasu kolejowego na środowisko naturalne w tym na człowieka [17, 38, 45, 47, 48, 49, 59, 61, 65, 67, 68, 72, 76]. Drgania generowane podczas przejazdu pociągu są również przedmiotem wielu dyskusji oraz opracowań najczęściej w kontekście destrukcyjnego wpływu na budynki usytuowane w pobliżu linii kolejowych [15, 27, 28, 46] lub w celu oceny komfortu jazdy podróżnych [15, 20]. W Polsce, do ośrodków zajmujących się badaniem zjawisk wibroakustycznych w pobliżu linii kolejowych i tramwajowych należą m. in. Politechnika Warszawa Wydział Transportu, Politechnika Poznańska Zakład Pojazdów Szynowych, natomiast badania nad stanem infrastruktury kolejowej i metodami jej oceny prowadzone są m. in. na Politechnice Gdańskiej Katedra Transportu Szynowego, na Politechnice Warszawskiej czy na Uniwersytecie Technologiczno – Humanistycznym w Radomiu. Dodatkowo wiele zagranicznych ośrodków naukowych w tym Beijing Jiaotong University i NS Technical Research w Chinach, Delft University of Technology w Holandii czy University of Southampton w Anglii prowadzi badania nad modelowaniem hałasu w kontakcie koło – szyna, wpływu drgań na elementy konstrukcji kolejowej takiej jak podkłady czy przytwierdzenia. Jednak nie znaleziono w żadnym opracowaniu podjęcia się tematyki wykorzystania drgań i hałasu do oceny powierzchni tocznej szyn w kontekście najczęściej występujących uszkodzeń szyn.

Przegląd literatury, konferencje, staże naukowe, spotkania branżowe potwierdziły słuszność podjętego tematu. Wskazały na jego aspekt praktyczny, innowacyjny, niepowielony przez żadnego badacza.

W niniejszej pracy wykonano szczegółową analizę stanu istniejącego infrastruktury

kolejowej przy współpracy z Zakładem Polskich Linii Kolejowych w Gdyni oraz Centrum

Diagnostyki Polskich Linii Kolejowych w Warszawie. Na podstawie zebranych danych

9 diagnostycznych oraz wymiany doświadczeń określono skalę problemów związanych z diagnostyką powierzchni tocznej szyn w kontekście najczęściej występujących wad i uszkodzeń na powierzchni tocznej. Dodatkowo dokonano szczegółowego przeglądu istniejącej literatury krajowej oraz zagranicznej związanej z diagnostyką nawierzchni kolejowej oraz zjawiskami wibroakustycznymi występującymi w obszarze transportu kolejowego. Przeanalizowano normy, regulacje prawne oraz instrukcje wewnętrzne określające zasady prowadzenia badań na liniach kolejowych, wartości dopuszczalne hałasu w pobliżu linii kolejowych oraz akty prawne związane z diagnostyką sygnałów drganiowych.

Wnikliwa analiza literatury, opracowań aktów prawnych oraz analiza skali problemu jakim są uszkodzenia powierzchni tocznej szyn na sieci kolejowej w Polsce posłużyła opracowaniu metodyki wykonania badań zjawisk wibroakustycznych na wybranych, najczęściej występujących, uszkodzeniach powierzchni tocznej. W tym celu wytypowano skrajnie różniące się parametrami techniczno – eksploatacyjnymi dwie linie kolejowe na których wybrano punkty z wybranym uszkodzeniem oraz punkt z odcinkiem toru referencyjnego. Określono miejsca zamocowania przetworników drgań na szynie oraz odległości umiejscowienia mikrofonów. Przy użyciu opracowanej metodyki wykonano badania terenowe drgań i hałasu w określonych lokalizacjach.

Na podstawie wyników uzyskanych z pomiarów terenowych przeprowadzono analizę wyników hałasu oraz analizę drgań w funkcji czasu w dziedzinie przyspieszeń oraz prędkości dla każdego przejazdu pociągów. Wyniki analiz wstępnych, pozwoliły na określenie miar (estymat) służących identyfikacji uszkodzeń powierzchni tocznej.

W wyniku czego wykonano analizę wartości skutecznych przyspieszeń drgań w funkcji częstotliwości dla wartości średnich z liczby -n przejazdów w określonej lokalizacji.

Wyniki tej analizy jednoznacznie potwierdziły słuszność podjętego tematu oraz pozwoliły na sformułowanie wniosków i wskazały dalsze kierunki badań z zastosowaniem sygnałów drganiowych w diagnostyce nawierzchni kolejowej.

Praca ma charakter teoretyczno – eksperymentalny i dotyczy odpowiedzi na pytanie,

czy możliwa jest ocena stanu powierzchni tocznej szyn kolejowych w oparciu o wybrane

miary procesów wibroakustycznych (drgań i hałasu) generowanych podczas przejazdu

pociągu przez określone uszkodzenia szyn.

10

1. RODZAJE USZKODZEŃ POWIERZCHNI TOCZNYCH SZYN ORAZ ICH DIAGNOSTYKA

1.1. Wstęp

Rozwój transportu szynowego i związane z tym zwiększanie prędkości przejazdowych oraz podnoszenia poziomu bezpieczeństwa stwarza konieczność prowadzenia kompleksowej diagnostyki uszkodzeń powierzchni tocznych szyn kolejowych. Znaczenie jej może określić fakt na podstawie badań prowadzonych w Delft University of Technology przez prof. Z. Li, że w Europie do pierwszej połowy lat 90 – tych ubiegłego wieku uszkodzeń powierzchniowych nie zaliczano do uszkodzeń najczęściej występujących. Na podstawie danych diagnostycznych prowadzonych przez PKP PLK, od 2012 roku stwierdzono, że uszkodzenia powierzchni tocznej, stały się powodem prawie 340 złamań szyn kolejowych w Polsce natomiast w 2013 roku liczba ta wzrosła do 488 złamań. Obecnie, 19% wszystkich złamań oraz pęknięć na sieci Polskich Linii Kolejowych rejestrowanych jest za przyczyną uszkodzeń powierzchni tocznych, w szczególności wad typu squat. Przy prowadzeniu niezaawansowanej diagnostyki szyn, w krytycznych przypadkach uszkodzenia te mogą doprowadzić do pęknięć lub złamań szyn co w konsekwencji może spowodować wykolejenia pociągów [33, 114].

Na sieci Polskich Linii Kolejowych, diagnostykę nawierzchni kolejowej przeprowadza się głownie na podstawie instrukcji wewnętrznych zarządcy kolejowego Polskich Linii Kolejowych: Id-1 – Warunki techniczne utrzymania nawierzchni na liniach kolejowych oraz Id-14 – Instrukcja o dokonywaniu pomiarów, badań i oceny stanu toru. Skupiając się na diagnostyce szyn konieczne jest uwzględnienie dodatkowych instrukcji wewnętrznych jakimi są: Instrukcja badań defektoskopowych szyn, spoin i zgrzein w torach kolejowych – Id-10 oraz Katalog Wad w Szynach Polskich Linii Kolejowych. W rozdziale tym przedstawiono znaczenie i zakres prowadzenia diagnostyki szyn skupiając się na powierzchni tocznej. Scharakteryzowano wybrane wady powierzchni tocznej główki szyny występujące na sieci Polskich Linii Kolejowych na podstawie uzyskanych danych z Centrum Diagnostyki PLK w Warszawie. Dodatkowo przedstawiono kilka metod zapobiegania powstawaniu omawianych wad [114].

1.2. Klasyfikacja uszkodzeń w szynach kolejowych

Klasyfikację wad w szynach kolejowych opracowano w listopadzie 1956 w katalogu

wad i uszkodzeń szyn do użytku służb drogowych. W roku 1957 rozpoczęto

11 przygotowania karty na temat wad w szynach na poziomie Międzynarodowej Unii Kolei (UIC). W styczniu 1979 roku została ogłoszona karta UIC712 – wady w szynach, która w 2002 roku została dodatkowo rozszerzona o niektóre typy wad. Zakres zastosowania kraty UIC712 obowiązywał we wszystkich państwach członkowskich Międzynarodowej Unii Kolei (w 2007 roku – 199 państw) .

W Polsce, w 2005 roku, opracowano Katalog Wad w Szynach Polskich Linii Kolejowych. Powstał on na podstawie tłumaczonej karty UIC712 z języka angielskiego na język polski. Konsekwencją tłumaczenia w Katalogu Wad Polskich Linii Kolejowych jest nazwanie wszystkich uszkodzeń wynikających z eksploatacji – wadami. Należy podkreślić, że „wady” powstałe wskutek eksploatacji toków takie jak: squat, wybuksowanie czy head checking należy nazwać uszkodzeniem, co zostało ujęte w pracy [114].

Dodatkowo, Katalog wad w szynach zawiera między innymi informacje na temat oznaczenia wad w szynach, zalecenia dotyczące postępowania z określonymi wadami oraz metody wykrywania wad. Uproszczony schemat określania numeru wady przedstawiono w załączniku 1.

Podczas przeprowadzanej diagnostyki szyn kolejowych, ważnym jest określenie stopnia degradacji szyny czyli kwalifikację szyny do czynności zapobiegawczych takich jak szyna w obserwacji czy szyna w naprawie.

Na podstawie nadrzędnego dokumentu dotyczącego diagnostyki szyn jakim jest Katalog wad w szynach określono trzy stopnie degradacji szyn: szyna uszkodzona, szyna pęknięta i szyna złamana.

Szynę uszkodzoną klasyfikujemy jako: szynę, która posiada inne uszkodzenia (wady) niż pęknięcie i złamanie. Większość uszkodzeń (wad) zawartych w Katalogu Wad w Szynach PLK klasyfikuje szyny do określenia ich jako uszkodzonych, za wyjątkiem szyn w których nastąpiło pęknięcie materiału.

Szyną pękniętą jest szyną, która w dowolnym miejscu w przekroju posiada co najmniej jedną widoczną lub niewidoczną nieciągłość materiału. Dodatkowo rozwój tej nieciągłości może prowadzić do szybkiego jej złamania.

Szyna złamana jest to szyna, która rozdzieliła się na dwie lub więcej części lub jeśli w szynie powstał ubytek materiału o szerokości 5 cm i głębokości 1 cm (rys. 1.1).

W pracy zwrócono również uwagę na terminologię kolejowych pojęć w których to

każde odchylenie od normy jest określone wadą. Należy odróżnić wadę od uszkodzenia

12 czy zużycia eksploatacyjnego. Przykładem uszkodzenia np. zużycia eksploatacyjnego może być zużycie faliste.

Rys. 1.1. Ubytek materiału klasyfikujący szynę jako szyna złamana [opracowanie własne na podstawie 58]

Przykładem uszkodzenia – pęknięcia może być squat (pęknięcie i miejscowe zagłębienie główki szyny). W drugiej grupie, przykładem jest wada nr 221 wg Katalogu Wad w Szynach PLK (wada powierzchni tocznej), wada powstała na etapie procesu hutniczego czyli wada produkcyjna [58].

1.3. Charakterystyka wybranych uszkodzeń powierzchni tocznych szyn na sieci PKP PLK

1.3.1. Head checking

Na sieci linii kolejowych w Polsce, szyny ulegają ciągłej degradacji wynikającej między innymi z przenoszonego obciążenia, warunków atmosferycznych, położenia linii w terenie a przede wszystkim niekorzystnej współpracy koła z szyną.

Pierwszym z analizowanych uszkodzeń jest head checking (wada nr 2223 wg Katalogu Wad PLK), który występuje poza końcami szyn na główce szyny (rys. 1.2).

Rys. 1.2. Wada head checking [opracowanie własne]

Head checking jest uszkodzeniem z grupy wad kontaktowo – naprężeniowych (ang.

Rolling Contact Fatique - RFC). Powstaje najczęściej w miejscach silnych oddziaływań

13 dynamicznych. Przykładem mogą łuki o zbyt małym nachyleniu, gdzie płaszczyzna działania sił pochodzących od następujących po sobie kół nachylona jest do płaszczyzny toru pod kątem mniejszym niż 90°. W takim przypadku uszkodzeniu ulega strefa narożna główki szyny. Uszkodzenie powstaje w miejscu zmęczenia materiału na powierzchni tocznej a wyglądem przypomina niewielkie szczeliny ułożone równolegle do siebie w różnych odstępach. W prowadzonych badaniach na Akademii Górniczo – Hutniczej, stwierdzono, że w pierwszej fazie degradacji powstają mikropęknięcia, zazwyczaj równolegle do siebie, po wewnętrznej stronie główki szyny. Mikroszczeliny przyjmują długość około 10 – 15 mm i nachylone są pod kątem kilkunastu stopni do wzdłużnej osi szyny w przeciwnym kierunku do ruchu pojazdów szynowych.

W dalszych badaniach struktur miejsc z uszkodzeniem head checking zauważono występowanie tego uszkodzenia w miejscach silnych odkształceń plastycznych. Powodują one wraz z istniejącym na powierzchni szyn pittingiem, tworzenie się łusek, które w następstwie stają się zarodkami wady. Dodatkowo, zauważono, że rozwój pęknięcia nie zależy od wtrąceń niemetalicznych w strukturze stali szynowej jednak przebiega w ich otoczeniu. Proces tworzenia i rozwój wad typu head checking bezpośrednio zależą od silnych odkształceń tzn. płynięcia warstwy wierzchniej szyny i istnieniem na jej powierzchni pittingu.

Centrum Diagnostyki Polskich Linii Kolejowych w celu przeciwdziałania występowaniu uszkodzeń typu head checking kontroluje możliwość niedopuszczenia do płynięcia materiału w narożu warstwy wierzchniej szyny poprzez zmniejszanie obciążenia na oś zagrożonych odcinków linii. Kolejnym wariantem zapobiegania powstawania uszkodzeń jest podjęcie działań w kierunku dopracowania struktury materiału szyny w miejscach szczególnie narażonych. Ostatnim i najbardziej realnym rozwiązaniem jest szlifowanie, które usunie warstwę odkształconego materiału oraz pitting. Jednak określenie czasu do kolejnego szlifowania w uzależnieniu od intensywności obciążenia toru jest dość trudnym zadaniem do przewidzenia i opracowania.

Na podstawie zaleceń Kraty UIC712, uszkodzenie head checking można wykryć

wizualnie oraz poprzez badania ultradźwiękowe. Głębokość tych mikrouszkodzeń mieści

się w zakresie od części mm do kilku mm od powierzchni główki szyny. W przypadku

tego uszkodzenia zaleca się: obserwację, szlifowanie, wymianę lub natychmiastową

wymianę szyny w zależności od stopnia degradacji [50, 58, 112,114].

14 1.3.2. Squat

Kolejnym uszkodzeniem jest pęknięcie i miejscowe zagłębienie powierzchni tocznej – squat (wada nr 227 wg Katalogu Wad PLK) (rys. 1.3). Squat występuje poza końcami szyn jedynie na powierzchni tocznej główki szyny. W pierwszych fazach rozwoju wady objawia się jako ciemny punkt często jeszcze niezawierający pęknięć o półkolistym kształcie.

Kolejnym etapem po wgłębieniu jest łuszczenie i pękanie materiału na powierzchni tocznej. Pękanie następuje w głąb główki i może doprowadzić do całkowitego pęknięcia nieobserwowanej szyny. Uszkodzenia typu squat występują na prostych odcinkach toru i wzniesieniach o pochylenie do 4,0‰.

Rys. 1.3. Wada SQUAT [opracowanie własne]

Badania nad przyczynami powstawania uszkodzeń typu squat były prowadzone m.in na Akademii Górniczo Hutniczej, Delft University of Technology czy Massachusetts Institute of Technology. Wyniki badań jednostek potwierdziły, iż przyczyny powstawania uszkodzeń nie są jednoznaczne. Określono, że pęknięcia wzdłużne powiązane są z występowaniem białej warstwy bezpostaciowego martenzytu na powierzchni tocznej szyn oraz że w większości, zaobserwowano zahamowanie rozwoju mikropęknięć uszkodzeń typu squat przekraczających strefę białej warstwy martenzytu do materiału rodzimego główki szyny. Wyniki badań potwierdziły również, że uszkodzenia w warstwie rodzimej zmieniają kierunek degradacji z niemal prostopadłego na bardziej poziome.

W rozwoju uszkodzenia typu squat dominują siły zgniatające, symetryczne w stosunku do osi poprzecznego przekroju szyny. Kierunek rozwoju pęknięć typu squat zależy od kierunku działania największych naprężeń ścinających panujących pod powierzchnią główki szyny.

Według analiz przeprowadzonych w celu poznania przyczyn powstawania uszkodzeń

typu squat stwierdzono, że na powierzchni tocznej główki szyny istnieją nierówności

15 i mikronierówności powstałe w procesie hutniczym. Są one istotnym czynnikiem wpływającym na powstawanie uszkodzeń squat. Wszelkie urządzenia biorące udział w produkcji szyn posiadają pewną klasę błędu jak również wyrób ostateczny w postaci szyny kolejowej posiada odchyłki producenta.

Uszkodzenie squat można wykryć wizualnie oraz poprzez badania ultradźwiękowe.

Zalecenie do tego uszkodzenia wg Centrum Diagnostyki PLK są następujące: obserwacja, szlifowanie, wymiana albo natychmiastowa wymiana szyny [33, 51, 58, 77, 111, 112, 114].

1.3.3. Wybuksowania

Uszkodzenie nr 2252 i 2251 zawarte w Katalogu Wad w Szynach PLK są to uszkodzenia nazwane – wybuksowaniami, które powstają poza końcami szyn na środku główki szyny (rys. 1.4).

Wybuksowanie jest to uszkodzenie wynikające całkowicie z eksploatacji szyn kolejowych. Najczęściej zauważalne jest na odcinkach toru, gdzie składy kolejowe dokonują gwałtownych hamowań bądź ciężkie pociągi towarowe wykonują rozruchy/ruszanie z miejsca. Wynikiem takich działań jest poślizg kół na powierzchni tocznej szyny. Poślizg ten często nazywany jest buksowaniem koła stąd też nazwa uszkodzenia. Do takich zjawisk dochodzi gdy prędkość pociągu jest mała a prędkość obwodowa kół pociągu bardzo duża. Wybuksowania najczęściej zauważane są przed semaforami wjazdowymi, przejazdami kolejowo – drogowymi i przed rozjazdami.

Rys. 1.4. Wada wybuksowanie [opracowanie własne]

Badania prowadzone na Akademii Górniczo – Hutnicznej dotyczyły również mechanizmu powstawania uszkodzeń typu wybuksowanie. Na podstawie wyników określono, że w początkowym etapie tej wady powstają mikropęknięcia, które tworzą warunki do powstawania oprócz wybuksowań pojedynczych uszkodzeń typu squat.

Wybuksowanie występuje symetrycznie na obu tokach szynowych i wykrywane jest za

pomocą badań poligonowych – wizualnych. Postępowanie w trakcie eksploatacji odcinka

16 linii kolejowej z uszkodzeniem typu wybuksowanie zależy od stopnia degradacji i obejmuje: obserwację, szlifowanie, wymianę lub natychmiastową wymiana szyny [52, 58, 112, 114].

1.3.4. Uszkodzenie powierzchni tocznej

Wada nr 221 (wg Katalogu Wad PLK) jest wadą powierzchni tocznej występującą poza końcami szyn umiejscowiona na główce szyny. Jest wadą pochodzenia hutniczego, możliwą do zaobserwowania w trakcie eksploatacji toków. Najczęściej objawia się łuszczeniem blaszkowatym powierzchni tocznej, rysami czy pęknięciami w kształcie rowka. Najczęściej wada nr 221 jest wykrywana za pomocą badań wizualnych. Na rysunku 1.5 przedstawiono wadę 221 – uszkodzenie powierzchni tocznej.

Rys. 1.5. Wada nr 221 – uszkodzenie powierzchni tocznej [opracowanie własne]

Podczas wykrycia wady 221 w trakcie oględzin szyn zaleca się w zależności od stopnia rozwoju wady: obserwację szyny, szlifowanie lub napawanie [58, 112, 114].

1.4. Metody prowadzenia (rodzaje) badań diagnostycznych szyn kolejowych

Diagnostyka nawierzchni poszczególnych elementów w tym między innymi szyn ma na

celu określenie ich stanu technicznego (w przypadku szyn m.in. zużycia pionowego

i bocznego) oraz ustalenie zakresu zadań naprawczych. Na sieci Polskich Linii

17 Kolejowych badania prowadzone są na podstawie wewnętrznej Instrukcji Id-14 „Instrukcja o dokonywaniu pomiarów, badań i oceny stanu torów”. Na podstawie dokumentu Id-14 wyróżniamy kilka metod prowadzenia badań diagnostycznych szyn ze względu na wykorzystywany do tego sprzęt:

− metoda bezpośrednia: oględziny szyn, przeglądy,

− metoda wizyjna,

− metoda defektoskopowa,

− badania pojazdem diagnostycznym.

Metoda bezpośrednia – oględziny, przeglądy

Metoda bezpośrednia określana zazwyczaj jako oględziny lub przeglądy polega na wizualnym wykrywaniu wad i uszkodzeń. Dodatkowo za pomocą specjalistycznego sprzętu np. profilomierz, istnieje możliwość określenia zużycia bocznego jak również pomiar zużycia pionowego za pomocą specjalistycznej suwmiarki. Najważniejszym jednak zadaniem podczas oględzin szyn jest ustalenie liczby uszkodzeń w tym przede wszystkim pęknięć, które w dalszej degradacji stanowią istotne zagrożenie bezpieczeństwa dla przewożonych osób i towarów. Pojęcie pęknięcia i złamania szyny opisano w podrozdziale 1.2.

Przeglądy, oględziny torów przeprowadza obchodowy lub diagnosta. Wyniki pomiarów zapisywane są w książce kontroli stanu toru (załącznik nr 4, Id-14 Instrukcja o dokonywaniu pomiarów, badań i oceny stanu torów).

W Instrukcji Id-14 ustalono częstotliwość prowadzenia poszczególnych badań na sieci Polskich Linii Kolejowych. Obchody linii kolejowych powinny być wykonywane nie rzadziej niż:

‒ w torach szlakowych, głównych zasadniczych i głównych dodatkowych na stacji linii magistralnych i linii pierwszorzędnych – dwa razy w tygodniu,

‒ w torach szlakowych, głównych zasadniczych i głównych dodatkowych linii drugorzędnych i znaczenia miejscowego – raz w tygodniu,

‒ w torach pozostałych wszystkich kategorii linii – raz w tygodniu,

‒ w torach linii zamkniętych lub wyłączonych z eksploatacji – raz na 6 miesięcy.

Badania techniczne, inaczej przeglądy torów, skupiające się na prowadzeniu

diagnostyki poszczególnych elementów infrastruktury toru kolejowego przeprowadza się

na wszystkich czynnych liniach kolejowych. Badania torów należy wykonywać raz w roku

18 (na wiosnę) łącząc je z innymi pomiarami bezpośrednimi (pomiarami geometrii toru) [114].

Metoda wizyjna

Technologie wizyjne czyli obszar obejmujący kamery, serwery znalazł również zastosowanie w diagnostyce toru kolejowego. Metoda wizyjna znajduje zastosowanie w detekcji uszkodzeń powierzchni tocznych szyn, w ocenie braku elementów przytwierdzeń, geometrii szyn czy w ocenie stanu podsypki. Zagadnieniem wizyjnej diagnostyki toru kolejowej zajmuje się wiele ośrodków badawczych m.in. University of Central Florida (USA), National Research Centre Bari (Włochy) oraz University of Dalarna (Szwecja).

W Polsce, ośrodkiem prowadzącym badania nad zastosowaniem metod wizyjnych w ocenie stanu powierzchni tocznych szyn jest Uniwersytet Techniczno – Technologiczny w Radomiu. Badania zespołu badawczego koncentrują się przede wszystkim na detekcji i klasyfikacji uszkodzeń powierzchniowych główki szyny typu squat oraz head checking [3, 31, 32, 114].

Metoda defektoskopowa

Defektoskopia ultradźwiękowa jest nieniszczącą metodą badania materiałów. Pozwala wykrywać niejednorodności materiału (np. pęknięcia). Metoda ta polega na emisji ultradźwięków i rejestracji ich po przejściu przez badaną substancję. Na sieci Polskich Linii Kolejowych badania defektoskopowe szyn mają na celu podniesienie bezpieczeństwa ruchu pociągów poprzez wykrywanie uszkodzeń powstałych w szynach i złączach szynowych, które są niewidoczne dla oka. Dodatkowo badania defektoskopowe mają na celu ocenę szkodliwości i poziom zaawansowania uszkodzeń oraz wydanie na tej podstawie zaleceń dalszego postępowania z uszkodzoną szyną. Badania metodą defektoskopową są przeprowadzane za pomocą jednotokowych defektoskopów lub głowic defektoskopowych zainstalowanych na drezynie pomiarowej.

Instrukcją wewnętrzną, regulującą zasady oraz częstotliwość prowadzenia badań defektoskopowych szyn jest Instrukcja Id-10 Instrukcja badań defektoskopowych szyn, spoin i zgrzein w torach kolejowych. Na podstawie Id-10 badania defektoskopowe należy przeprowadzać w temperaturze powyżej -5

C oraz przy braku opadów atmosferycznych.

Wyniki badań defektoskopowych szyn należy zamiesić w karcie badania

defektoskopowego szyn (załącznik nr 3 do Id-10) [58, 114].

19 Celem prowadzenia dokumentacji jest określenie rodzaju uszkodzenia/wady, lokalizacji i zaleceń dalszego postępowania. Uszkodzenia w szynach lub złączach mogą być zakwalifikowane do dwóch kategorii:

‒ „O” – obserwacja wady i postępu jej rozwoju,

‒ „W” – szyna do natychmiastowej wymiany.

Badaniom defektoskopowym szyn podlegają wszystkie czynne linie kolejowe a zalecana częstotliwość badań poszczególnych linii zależy od maksymalnej dozwolonej prędkości:

‒ dla v ≥ 160 km/h czterokrotnie w ciągu roku,

‒ dla 120 km/h ≤ v ≤ 160 km/h trzykrotnie w ciągu roku,

‒ dla 100 km/h ≤ v ≤ 120 km/h dwukrotnie w ciągu roku,

‒ dla v < 100 km/h jednokrotnie w ciągu roku.

Badania pojazdem diagnostycznym

Centrum Diagnostyki Polskich Linii Kolejowych dysponuje specjalistycznymi pojazdami pomiarowymi wyposażonymi w głowice ultradźwiękowe. Obserwacja wad w szynach następuje poprzez wykorzystanie metody defektoskopowej jednak z poziomu pojazdu szynowego [114].

Częstotliwość pomiarów torów pojazdami pomiarowymi w zależności od prędkości ustala się następująco:

‒ na liniach o prędkościach maksymalnych v ≥ 160 km/h pomiary wykonywane czterokrotnie w ciągu roku,

‒ na liniach o prędkościach maksymalnych 100 km/h ≤ v ≤160 km/h pomiary wykonywane dwukrotnie w ciągu roku,

‒ na liniach o prędkościach maksymalnych v < 100 km/h pomiar wykonywany jednokrotnie w ciągu roku.

1.5. Metody zapobiegania powstawaniu wad powierzchni tocznej

W podrozdziale omówiono kilka metod służących zapobieganiu omawianych uszkodzeń powierzchni tocznych. Metody zostały podzielone na te, które służą zapobieganiu postawaniu wad w czasie eksploatacji jak np. szlifowanie szyn, oraz na zapobieganiu powstawaniu wad w czasie realizacji inwestycji i planowania inwestycji np.

poprzez dobór stali szynowej i profilu szyny.

20 Najwięcej rejestrowanych uszkodzeń szyn następuje po przeniesieniu obciążenia na poziomie 10 Tg, dla linii nr 131 Chorzów Batory – Tczew to jest po około półrocznym eksploatowaniu nowych szyn. Rejestrowanie tych wad związane jest z procesem uwidacznia się wady oraz możliwościami rejestracyjnymi przyrządów pomiarowych. Na rysunku 1.6. przedstawiono charakterystykę rozwoju wady od wartości minimalnej do wartości krytycznej.

Rys. 1.6. Charakterystyka rozwoju wady [17]

Wady posiadają minimalny próg wykrywalności (P) w zależności od przyjętej techniki badań. Od progu wykrywalności rozpoczyna się obserwacja wady do momentu aż osiągnie ona rozmiar krytyczny (F). Odległość P do F została określona jako przedział bezpiecznej eksploatacji. Krzywa przedstawiona na wykresie w punktach od P – R określa czas na podjęcie decyzji oraz możliwości w tym czasie przeprowadzenia regeneracji co wydłuży czas eksploatacji szyny. Po wykryciu wady możliwym jest przeprowadzenie regeneracji jednak nie później niż po przeniesieniu obciążenia na poziomie 10 – 20 Tg od momentu wykrycia. Po przeniesieniu obciążenia powyżej 20 Tg od wykrycia wady i próba przeprowadzenia regeneracji może skutkować zwiększonym ryzykiem wykonania wadliwej napoiny. Proces napawania jest procesem regeneracji szyn i części rozjazdów.

Polega on na wyszlifowaniu miejsc na którym zarejestrowano ubytki materiały,

podgrzaniu miejsca do wymaganej temperatury a następnie nałożeniu na to miejsce jednej

lub kilku warstw ściegów. Ostatnią czynnością jest wyrównanie poprzez oszlifowanie

napawanej części szyny. Oprócz kontroli czasu i przenoszonego obciążenia, ważna jest

kontrola jakości początkowej wykonywanych prac regeneracyjnych [2, 17, 21, 112, 114].

21 1.5.1. Reprofilacja szyn

Reprofilacja to proces zmechanizowanej obróbki główki szyny kolejowe, polegającej na usunięciu warstwy materiału o grubości niezbędnej do nadania powierzchni tocznej szyny wymaganego przekroju poprzecznego i profilu podłużnego. Reprofilacja obejmuje określony obszar powierzchni tocznej główki szyny. Zakres prac reprofilacyjnych można określić za pomocą maszyn używanych do ich przeprowadzenia:

− szlifowanie,

− frezowanie,

− struganie.

W tabeli 1.1 przedstawiono wybrane uszkodzenia powierzchni tocznych szyn oraz preferowane metody wykorzystywane przez głównego zarządcę linii kolejowych do ich usunięcia.

Tabela 1.1. Preferowane metody usuwania uszkodzeń szyn [21]

Metoda Uszkodzenie

Szlifowanie rotacyjne

Szlifowanie

oscylacyjne Frezowanie Struganie Uszkodzenia head

checking *** - *** ***

Zużycie faliste * *** * **

Reprofilacja prewencyjna *** * ** -

Spływy ** - ** ***

*** zalecana; ** alternatywna; * dopuszczalna; - nie stosuje się

W tabeli przedstawiono metody zapobiegania degradacji uszkodzeń w toku ich eksploatacji. W związku z brakiem wytycznych i norm odnośnie stosowania określonych metod do wybranych przypadków, pozostaje praktyka wykorzystywanych metod w stosunku do ich skuteczności [21, 114].

Szlifowanie

Pierwszą z omawianych w pracy metod zapobiegania powstawaniu uszkodzeń powierzchni tocznych jest szlifowanie szyn. Metodę tą można podzielić na szlifowanie:

rotacyjne, oscylacyjne, obwodowe i taśmowe. Najczęstszą metodą stosowaną na sieci

Polskich Linii Kolejowych jest szlifowanie rotacyjne. Wykonuje się je za pomocą użycia

tarcz szlifierskich, które obracają się wokół własnej osi, prostopadle do główki szyny. Na

rysunku 1.7 przedstawiono pociąg do szlifowania szyn firmy SPENO, który brał udział

w pracach modernizacyjnych linii kolejowej nr 9 Warszawa Wschodnia Osobowa –

Gdańsk Główny.

22

Rys. 1.7. Pociąg do szlifowania szyn firmy SPENO (RR32 M-3) na stacji Gdańsk Wrzeszcz [opracowanie własne]

Prędkość tego typu pozjadów wynosi od 2 – 5 km/h. Podczas przejazdu szlifierki może zostać wykonanych kilka szlifów w różnych przekrojach. Szerokość szlifu zależy od siły docisku kamieni szlifierskich i zaleca się by minimalna grubość usuwanej warstwy materiału na powierzchni tocznej szyny wynosiła 0,15 mm, natomiast na wyokrągleniu główki nie przekraczała 0,6 mm.

Polskie przepisy nie regulują częstotliwości z jaką powinno się przeprowadzać szlifowanie szyn. Brakuje również standardów określających liczbę granicznych cykli szlifierskich w kontekście trwałości określonego typu szyn [21, 112, 114].

Frezowanie

Frezowaniem jest rodzaj obróbki szyny ze skrawaniem. Cechą charakterystyczną frezowania jest nierównoczesna praca ostrzy narzędzi, ostrza te pracują jedno po drugim.

Do reprofilacji szyn stosuje się frezowanie obwodowe. Polega ono na rozmieszczeniu frezów na powierzchni walca obracającego się i przesuwającego w kierunku skrawania.

Kolejne frezy odcinają wióry i usuwają je. Głębokość krawania maszyny frezującej wynosi do 1,8 mm na powierzchni jezdnej oraz do 5 mm na powierzchni tocznej [21. 114].

Struganie

Struganie jest to rodzaj obróbki ze skrawaniem w którym materiał zostaje usunięty przez obróbkę ruchem prostoliniowym, równoległym do obrabianej powierzchni. Proces strugania odbywa się w trakcie kilku przejazdów z wymianą narzędzi skrawających co pozwala na zmianę profilu poprzecznego główki szyny. Wykonywane przede wszystkim w przypadkach występowania falistego zużycia szyn gdy fale osiągają długość 30 – 100 m.

Głębokość frezowania może osiągać nawet do 3 mm.

23 Do zalet frezowania można zaliczyć dużo łatwiejsze usunięcie z góry narzuconego profilu szyny niż w przypadku użycia innych maszyn, gdzie jest to znacznie utrudnione lub wręcz niemożliwe. Dodatkowo za pomocą frezowania można z łatwością usunąć resztkowe nierówności podłużne [21, 114].

1.5.2. Zastosowany profil szyny

Jedną z wielu metod zapobiegającą powstaniu uszkodzeń powierzchni tocznych jest użycie określonego typu szyny. Najczęściej spotykane profile szyn stosowane w Polsce są to szyny wraz z parametrami przedstawione w tabeli 1.2.

Tabela 1.2. Parametry wybranych typów szyn [opracowanie własne]

Oznaczenie Wymiary [mm] Masa 1 m

[kg] Normy/ standardy

H C C

1

B S

S 49 149 70 67 125 14 49,43 AT/07-2012-0147-01 49E1 149 - 67 125 14 49,39 EN 13674-1:2003+A1:2007 UIC 60 172 74,30 72 150 16 60,34 UIC861-3 V: 1969

60E1 172 - 72 150 16,50 60,21 EN 13674-1:2003+A1:2007

Rys. 1.8. Szyna z zaznaczonymi parametrami (rozpatrywać razem tabelą 1.2) [opracowanie własne na podstawie 114]

W Raporcie InnoTrack po wielu badaniach nad profilami szyn, stwierdzono, że profilem zapobiegającym powstaniu wad typu head checking jest profil szyny 60E2 (rys.

1.9).

Profil ten jest dość rzadko spotykany w Polsce na nowych liniach kolejowych jak i na

tych rewitalizowanych poprzez ciągłą wymianę szyn. Najczęściej stosowanym typem

szyny jest szyna o profilu 60E1. Badania Instytutu Kolejnictwa w Warszawie wskazały na

kierunek profilowania szyn typu 60E1 do uzyskania profilu 60E2.

24

Rys. 1.9. Wykres profili dla szyn typu 60, 54 i NR-HR1 [111]

Istotnym, jest brak udostępnionych danych porównawczych na temat liczby wad typu head checking na szynach typu 60E1 a profilu szyny 60E2 po eksploatacji dwóch, jednakowo obciążonych odcinków linii kolejowej [111, 112, 114].

1.6. Podsumowanie

Obecnie całokształt diagnostyki powierzchni tocznych szyn skupia się na problematyce

określenia czynników mających wpływ na występowanie i rozwój uszkodzeń jak również

bezbłędne zdiagnozowanie uszkodzenia/wady. Poznanie jednoznacznych czynników

wpływających na występowanie uszkodzeń/wad ułatwiłoby zahamowanie większości

procesów degradacji. Niestety, w prowadzonych badaniach w Europie, ciągle brak

jednoznacznych wyników na temat czynników wpływających na zużycia eksploatacyjne

szyn. Istotnym jest fakt, że tempo rozwoju uszkodzeń zależy przede wszystkim od

warunków techniczno – eksploatacyjnych toru. Bezbłędne zdiagnozowanie uszkodzeń/wad

powierzchni tocznych w metodach bezpośrednich polega jedynie na dużym doświadczeniu

diagnosty. Często ta ocena jest subiektywna i błędna ze względu na brak wiedzy

i doświadczenia. Istotą problemu jest brak nowoczesnych metod określania uszkodzeń/wad

powierzchni tocznych szyn. Metod, które nie byłyby metodami intuicyjnymi obarczonymi

25

często wieloma błędami i nieprawidłowościami lecz metodami, które służyłyby łatwością

odczytu jednoznacznych wyników.

26

2. ANALIZA PRZYCZYN ZUŻYWANIA SIĘ SZYN W ZALEŻNOŚCI OD WARUNKÓW TECHNICZNO –

EKSPLOATACYJNYCH TORU

2.1. Wstęp

Diagnostyka elementów nawierzchni kolejowej jest istotnym czynnikiem wpływającym na poprawę stanu technicznego infrastruktury kolejowej oraz bezpieczeństwa w Polsce.

Monitorowanie zmian zachodzących na powierzchni tocznej szyn powoduje zwiększanie poziomu bezpieczeństwa przewozów prowadzonych transportem szynowym. W rozdziale przedstawiono niektóre z czynników wpływających na proces degradacji powierzchni tocznej szyn w odniesieniu do wybranych uszkodzeń zawartych i zdefiniowanych w Katalogu Wad w Szynach Polskich Linii Kolejowych [58]. W analizie wybranymi parametrami techniczno – eksploatacyjnymi są: rodzaj przewozów, natężenie przewozów i typ szyny. Dla celów badawczych wyszczególniono miejsca w elementach geometrycznych toru na których występują poszczególne rodzaje uszkodzeń.

W rozdziale, analizując przyczyny zużywania się szyn kolejowych, skupiono uwagę na uszkodzeniach, które występują wyłącznie na powierzchni tocznej główki szyny.

Uszkodzenia te sklasyfikowane są w Katalogu Wad w Szynach PLK jako head checking, squat, wybuksowanie oraz wada powierzchni tocznej. W rozdziale przedstawiono je w formie ilościowej pod względem liczby występowania na wybranych liniach kolejowych na podstawie danych rzeczywistych uzyskanych z Centrum Diagnostyki Polskich Linii Kolejowych. Do analizy przyjęto pięć linii kolejowych różniących się od siebie parametrami techniczno – eksploatacyjnymi, położeniem oraz natężeniem ruchu pociągów.

2.2. Charakterystyka analizowanych linii kolejowych

Analizę poszczególnych uszkodzeń szyn przeprowadzono na podstawie pięciu linii kolejowych o zróżnicowanych parametrach techniczno – eksploatacyjnych oraz położeniu.

Wybrane linie kolejowe zostały przedstawione w obszarach działania Zakładów Polskich Linii Kolejowych (rys. 2.1).

Pierwszą linią poddaną analizie jest linia kolejowa nr 9 łącząca stacje Warszawa

Wschodnia Osobowa – Gdańsk Główny, która została zmodernizowana w latach 2006 –

2014 do prędkości 200 km/h. Łączny koszt inwestycji Programu Pendolino wyniósł 8 mld

zł. Linia nr 9 ma znaczenie krajowe w przewozach pasażerskich i towarowych a długość

jej wynosi 323,393 km.

27 Kolejną linią jest linia nr 131 – najbardziej obciążona linia ruchem towarowym w Polsce. Roczne przeniesione obciążenie wynosi ok. 30 Tg. Dawniej zwana magistralą węglową obecnie łączy stacje Chorzów Batory – Tczew. Długość linii kolejowej nr 131 wynosi 493,391 km.

Rys. 2.1. Analizowane linie kolejowe [opracowanie własne na podstawie 108]

Następną jest linia nr 213, przebiega w województwie pomorskim i łączy stacje Redę i Hel. Jest linią znaczenia regionalnego, niezelektryfikowaną, której rewitalizacja trwała od 2007 roku. Długość linii kolejowej nr 213 wynosi 62,827 km.

Linia kolejowa nr 271 jest w pełni zelektryfikowana linią o znaczeniu krajowym na której prędkość maksymalna pociągów wynosi 160 km/h. Linia 271 łączy stacje Wrocław Główny i Poznań Główny a długość jej wynosi 164,454 km.

Ostatnią z analizowanych jest linia nr 353 o długości 389,975 km, położona w trzech województwach: wielkopolskim, kujawsko – pomorskim i warmińsko – mazurskim.

Częściowo zelektryfikowana, łącząca stacje Poznań Wschód – Skandawa [108, 112, 114].

2.3. Analiza uszkodzeń szyn

2.3.1. Średnia liczba uszkodzeń występujących na toku szynowym

Analiza powierzchniowych uszkodzeń szyn uwzględnia stosunek rodzajów pociągów

towarowych i pasażerskich występujących na wybranych liniach kolejowych oraz typ

szyny na której te uszkodzenia wystąpiły. Dodatkowo wyznaczono średnie długości

28 poszczególnych uszkodzeń oraz zwrócono uwagę na miejsca w geometrii toru narażone na występowanie omawianych uszkodzeń.

Na rysunku 2.2 oraz w tabeli 2.1 przedstawiono zestawienie ilościowe uszkodzeń (wad) oraz przedstawiono średnią wartość występowania poszczególnych uszkodzeń na 10 km toku szynowego.

Tabela 2.1. Średnia liczba uszkodzeń/wad na 10 km toku szynowego wybranych linii kolejowych [opracowanie własne na podstawie 75]

Linia nr 9 Długość toków szynowych 1293,572 km

Numer wady Liczba wad Liczba wad na 10 km toku szynowego

2251 726 5,61

2252 65 0,50

2223 79 0,61

227 48 0,37

Linia nr 131 Długość toków szynowych 1973,564 km

Numer wady Liczba wad Liczba wad na 10 km toku szynowego

2251 11380 57,66

2252 2957 14,98

2223 6939 35,16

227 3669 18,59

Linia nr 213 Długość toków szynowych 125,654 km

Numer wady Liczba wad Liczba wad na 10 km toku szynowego

2251 14 1,11

2252 17 1,35

2223 0 0

227 147 11,70

Linia 271 Długość toków szynowych 657,816 km

Numer wady Liczba wad Liczba wad na 10 km toku szynowego

2251 2206 33,54

2252 883 13,42

2223 1941 29,51

227 1631 24,79

Linia 353 Długość toków szynowych 1559,9 km

Numer wady Liczba wad Liczba wad na 10 km toku szynowego

2251 5942 38,09

2252 607 3,89

2223 2316 14,85

227 5169 33,14

29 Średnią liczbę wad występujących na toku szynowym wyznaczono z zależności:

t c

k

k

L n

SW w

=  

(2.1)

gdzie:

SW

– średnia liczba wad określonej kategorii, w

– wada określonej kategorii,

L

– długość linii kolejowej, n

– liczba toków szynowych.

Rys. 2.2. Średnia liczba wad występująca na 10 km toku szynowego wybranej linii kolejowej [opracowanie własne na podstawie 75]

a) – linia nr 9, b) – linia nr 131, c) – linia nr 271, d) – linia nr 353, e) – linia nr 213 5,61

0,50 0,61 0,37 0,00

1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00

Linia nr 9 liczba

wad a)

2251 2252 2223 227

57,66

14,98 35,16

18,59

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00

Linia nr 131 liczba wad

b)

2251 2252 2223 227

1,11 1,35 0

11,70

0,00 5,00 10,00 15,00

Linia nr 213 liczba

wad e)

2251 2252 2223 227 33,54

13,42 29,51

24,79

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00

Linia 271 liczba wad

c)

2251 2252 2223 227

38,09

3,89 14,85

33,14

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00

Linia 353 liczba

wad d)

2251 2252 2223 227

30 Wadą najczęściej występującą na analizowanych liniach położonych na sieci Polskich Linii Kolejowych są wybuksowania. Na liniach najbardziej obciążonych (np. linia 131 Chorzów Batory – Tczew) ich częstotliwość występowania dochodzi nawet do 5-ciu wybuksowań na 1 km toku. Najczęściej występują wybuksowania pojedyncze, które zauważane są również na nowych, zmodernizowanych liniach takich jak linia nr 9 Warszawa Wschodnia Osobowa – Gdańsk Główny.

Do uszkodzeń najczęściej występujących można zaliczyć również squat. Na przeanalizowanych liniach, trudno określić zależność częstotliwości występowania squatów od obciążenia linii czy stanu technicznego infrastruktury [34, 75].

2.3.2. Średnia liczba uszkodzeń w zależności od typu szyny

Kolejnym kryterium poddanym analizie był typ szyny. W tabeli 2.2 przedstawiono długości toków szynowych (typ 49E1, S49 i 60E1, UIC60) na wybranych liniach kolejowych.

Tabela 2.2. Długość toków szynowych w zależności od typu szyny [opracowanie własne na podstawie 75]

Numer linii Długość toków szynowych [km]

Szyny 49E1, S49 Szyny 60E1, UIC60

Linia nr 9 210 1083

Linia nr 131 6,5 1967

Linia nr 213 63 0

Linia nr 353 297 1263

Na rysunku 2.3 przedstawiono średnią liczbę uszkodzeń z podziałem na typy szyn. Do analizy, przyjęto również linię nr 213 Reda – Hel, pomimo występującego na niej tylko jednego typu szyny – S49.

Analizując liczby powstałych uszkodzeń w toku eksploatacji różnych typów szyn,

stwierdzono, że najwięcej wybuksowań (2251, 2252) występuje na szynach typu 49E1 linii

131 – ponad 60 wybuksowań pojedynczych na odcinku 1 kilometra. Ta liczba

spowodowana jest bardzo złym stanem technicznym infrastruktury oraz wiekiem szyn

położonych na 6-cio kilometrowym odcinku na terenie Zakładu Polskich Linii Kolejowych

w Tarnowskich Górach. Jest to jedyny odcinek na całej długości linii 131, który nie został

jeszcze poddany rewitalizacji.

31

Rys. 2.3. Średnia liczba uszkodzeń (227, 2223, 2252 i 2251, 221) na długości 1 km szyny: a) 49E1, S49; b) 60E1, UIC60 [opracowanie własne na podstawie 75]

Na szynach typu 60E1 liczba uszkodzeń typu wybuksowanie jest znacznie mniejsza.

Dla linii nr 131 średnia liczba wybuksowań wynosi 5 uszkodzeń na 1 km toku szyny 60E1.

Istotny jest fakt, zauważony na linii nr 9 Warszawa Wschodnia Osobowa – Gdańsk Główny. Po dwóch latach eksploatacji nowej, zmodernizowanej linii nr 9, podczas diagnostyki nawierzchni zarejestrowano na całej linii liczne wybuksowania. Na nowych szynach (60E1) średnia liczba uszkodzeń wynosi około jedno uszkodzenie na 2 km toku szynowego. Co oznacza, że na 1 km linii dwutorowej nr 9 występuje jedno wybuksowanie na szynach 60E1 [34, 75].

2.3.3. Występowanie uszkodzeń w zależności od natężenia ruchu

Do analizy przyjęto liczbę pociągów poruszających się po analizowanych liniach kolejowych. W tabeli 2.3 przedstawiono zestawienie pociągów pasażerskich i towarowych za pomocą którego określono natężenie ruchu na analizowanych liniach.

Najbardziej obciążoną linią kolejową w Polsce jest linia nr 131 – około 30 Tg/ rok, natomiast najmniej obciążoną, z analizowanych linii, jest linia nr 213 – około 4 Tg/ rok.

W tabeli przedstawiono zestawienie liczby pociągów na wybranych liniach kolejowych

0 10 20 30 40 50

221 2251 2252 2223 227

Liczba uszkodzeń Numer uszkodzenia wg [58]

a)

linia nr 213 linia nr 353 linia nr 131 linia nr 9

0 2 4 6

2251 2252 2223 227

Liczba uszkodzeń

32 z podziałem na pociągi pasażerskie i towarowe. Pod względem przejazdów towarowych, największe natężenie ruchu występuje na linii 131. Najwięcej przejazdów pociągów pasażerskich występuje na linii nr 271.

Tabela 2.3. Dobowa liczba pociągów na wybranych liniach kolejowych [opracowanie własne na podstawie 75]

Numer linii Pociągi pasażerskie [szt.] Pociągi towarowe [szt.]

9 20 – 50 2 – 10

131 20 – 50 powyżej 40

271 50 – 80 10 – 20

353 20 – 50 20 – 30

213 10 – 20 1 – 2

Na rysunku 2.4 przedstawiono wykresy występowania uszkodzeń typu wybuksowanie i squat w zależności od panującego ruchu na określonej linii kolejowej. Wskaźnik został obliczony na podstawie zależności 2.2.

( )

wad wag Wt Wo

w

n

n Q n

W +   365

= 

(2.2)

gdzie:

n

– liczba wagonów osobowych na dobę,

n

– liczba wagonów towarowych na dobę,



– współczynnik wagi od pojazdów towarowych ( 

= 5), Q – roczne przeniesione obciążenie [Tg],

n

– liczba uszkodzeń określonej kategorii.

Rys. 2.4. Wskaźnik występowania uszkodzeń typu wybuksowanie i squat w zależności od sytuacji ruchowej na linii kolejowej [opracowanie własne na podstawie 75]

0 5 10 15 20 25 30 35 40

213 271 9 353 131

Ww

numer linii wskaźnik wybuskowań wskaźnik squatów