Ofotbanen, 40 tonn aksellast

Transkript

1 Ofotbanen, introduksjon av 4 tonns aksellast Innledning Hva er gjort og hva utføres Nedbrytning og vedlikehold Høyfrekvente og lavfrekvente Q krefter, Y krefter EN og målestasjon på Haugfjell Kryp og hva kryp medfører Utfordringer på eksisterende bane Kontaktmekanikk hjul/skinne Sporveksler NorJeTS 1

2 Ofotbanen, introduksjon av 4 tonns aksellast NorJeTS 2

3 Ofotbanen, introduksjon av 4 tonns aksellast NorJeTS 3

4 Railway Vehicle Characterisitcs: Iron Ore Wagons of type Fanoo 4 with Amsted Motion Control bogie - total weight: 12 tons - length between couplings: 1,29m - axle spacing of bogie: 1,78m - wheel diameter unworn: 915 mm Iron Ore Locomotive: - two units, each unit with two 3 axle bogies - 3 tons axle load - axle arrangement: Co Co + Co Co - axle spacing within bogie: 1,92m - max starting traction forces: 2 x 6 kn - max dynamic braking force: 2 x 375 kn NorJeTS 4

5 Innføring av 4 tonn aksellast Ofotbanen Workshop for idédugnad for utredning, Narvik (212) Foreliggende hovedrapport Utredning, dobbeltspor på Ofotbanen (213) Prosjektleder Helge Voldsund (plan og utvikling i Trondheim) Delrapporter for forberedende tekniske studier (213) Tekniske forutsetninger for trasé, over- og underbygning Nedbrytningsmekanismer og vedlikehold Profilsimulering av nye (fiktive) vogner Beregning av sporbelastning for nytt spor NorJeTS 5

6 Innføring av 4 tonn aksellast Ofotbanen Typegodkjenning av rullende materiell i Europa Gjennomføres iht. EN (gyldig for aksellast opp til og med 25 tonn) Pr. EN 14363, CRM starter opp neste år (214)» Railway applications Testing and Simulation for the acceptance of running characteristics of railway vehicles Running behaviour and stationary tests LKAB, Trafikkverket, JBV, MiW Konsult, SJT og søsterorganisasjon i Sverige, Interfleet Pr. (213)» Ny norm för godkännande av fordon med axellaster över 25 ton och upp til 35 ton ( i Norge: Ofotbanen og Malmbanen (Ørtfjell Mo i Rana for 3 tonn)) NorJeTS 6

7 Innføring av 4 tonn aksellast Ofotbanen Forberedende tekniske studier som grunnlag:» Vedr. sporbelastning, nedbrytning, vedlikehold, overbygningskonstruksjon Lyst ut et FoU prosjekt (3 delprosjekter) Del 1: Hvilken standard for under- og overbygning er best egnet for aksellast på 4 tonn (UIC regime og AREMA regime) Eller finnes andre egnede standarder for tunglastbaner? Del 2: Design av over- og underbygning for 4 tonns aksellast» System og enkeltkomponenter Komponentene må opptre i et system, men også individuelt Del 3: Tiltak på eksisterende bane i over- og underbygning for økning av aksellast fra 3 tonn og opp til 4 tonn» Antakelse om at 1 % av lastet malmtrafikk må gå på eksisterende bane grunnet vedlikehold på ny bane» Fortrinnsvis ikke kurveutretting NorJeTS 7

8 Innføring av 4 tonn aksellast Ofotbanen Marlo Consultants GmbH i samarbeid med NewRail (Newcastle Centre for Railway Research)» Del 1: Definere standard for 4 tonns aksellast» Del 2: Design av overbygning for 4 tonns aksellast (ikke trassering) NORUT i samarbeid med SINTEF og TTCI (Transport Technology Center Inc/HDR)» Del 3: Nødvendig oppgradering av eksisterende bane for 4 tonns aksellast (1 % av trafikken) I kontraktsforhandlingene (spesielt med Marlo GmbH)» Hvorfor øke aksellasten opp til 4 tonn; hvorfor ikke heller kapasitetsøkende tiltak med eksisterende 3 tonns aksellast (frekvenser) og benytte lengre togstammer? Prognosene tilsier mer frakt som må føre til økt aksellast Trolig logistikkproblemer på flere hold hvis ikke økning av aksellasten Uansett hva man måtte mene:» Mandatet som er gitt, er økning av aksellast på opp til 4 tonn Workshop:» Partnerne har startet opp» Behov for en workshop hvor partnerne er samlet» Kontroll for at de trekker i samme retning NorJeTS 8

9 Innføring av 4 tonn aksellast Ofotbanen Tidligere utførte prosjekter for 3 tonn (1996) Rapporter som omfattet økning av aksellast fra 25 tonn til 3 tonn» Belastning på overbygning med eksisterende sporkomponenter, vurdering av underbygning (støttemurer, fyllinger), kontrollberegning av bruer inkludert landkar med mer Sporkraftmålinger ( i årene ca )» For lokomotiv og vogner iht. prosedyrer i UIC 518 (er nå erstattet av EN 14363) med egendefinerte grenseverdier for sporbelastning: LKAB, Trafikkverket og JBV, Interfleet, SJT, Trafikkstyrelsen NORSK prosjektet (samarbeid JBV og TU Graz, Østerrike) Omkring årene ca I fokus: strategier for vedlikehold på Ofotbanen Frekvenser for sporunderholdning basert på historiske data Mest knyttet til 25 tonns aksellast Men noe synsing for 3 tonns aksellast Nytt instrument (stasjonært målesystem på Haugfjell), 211?» Overvåkning av vognmateriell i malmtrafikken NorJeTS 9

10 Lengde og spordata for eksisterende bane: kilometer Minste kurveradius: R = 26 m Stort antall av kurver med: R = ca. 3 m Største gradient: 17,6 mm/m Hastighet for lastet tog: 5 km/h Aksellast: 3 tonn Svilleavstand: 52 mm Skinner (hodeherdede): 54E4 (54 kgs), delvis 6E1) Hovedsakelig tresviller; men lagt inn betongsviller ved fornyelse Distribusjon av kurver: Rette strekninger: 21 % Kurver med R < 3 m: 24 % Kurver med 3 m < R < 5 m: 15 % Kurver med 5 m < R < 1 m: 1 % Kurver med R > 1 m: 7 % Overgangskurver: 23 % NorJeTS 1

11 Sentrale spordata for ny bane (utredningen): Lastede malmtog (4 tonn aksellast): V = 6 km/h Kurveradius (normal): R = 8 m Overhøyde i kurve: h = 4 mm (manglende overhøyde på 14 mm) Kurveradius minste krav: R = 6 m Overhøyde i kurve: h = 5 mm (manglende overhøyde på 2 mm) Relativt lange overgangskurver: Lav rampestigningshastighet og lavt rykk Gradient: 17 mm/m Sporveksler, normalt (bevegelig krysspiss): 1 : 14 R76 (opprettholdelse av hastighet i avvikskjøring) Sporveksler (bevegelig krysspiss), minste krav: 1 : 12 R5 Nødvendig ballasthøyde under sville: ca cm Tommelfingerregel: like stor høyde i cm som aksellast i tonn NorJeTS 11

12 Komponenter i sporet (søk på nett (googling)) Vurdering med tilhørende materialkvalitet Vossloh befestigelse Skinneprofil: UIC: 6E1; AREMA: 136 RE Pandrol befestigelse Design: RAIL ONE Betongsville, 4 kg, Lengde : 26 mm Bredde: 33 mm Høyde: 229 mm Benyttelse av svillematter av relativ hard kvalitet, for 3 tonn: C =,25 N/mm3 Bevegelig krysspiss NorJeTS 12

13 Anbefaling av bruk av skinnekvalitet i UIC Code 721 Ofotbanen: R37CrHT i skinnehodet; annen kvalitet i steg og fot Befestigelse: Pandrol FE 154 Fastclip for skinne 6E1 på betongsville JBV 6 (eksisterende) NorJeTS 13

14 Underbygning, nytt spor Geotekniske vurderinger (JD 52): Fyllingers stabilitet og bæreevne Forstøtninger mot sporet Landkar for bruer Støttemurer Kulverter og rørkrysninger Skjæringer i løsmasse og i fjell Drenering Stabiliserende tiltak Driftsveg; eventuelt landingsplass for helikopter Plass til kabelkanaler, mastefundamenter med mer NorJeTS 14

15 Tunneler 2 konsepter: konvensjonell drivmetode og TBM Konvensjonell metode har den fordel at massene kan gjenbrukes til fyllinger, moloer med mer Deponi av utsprengte masser Må planlegges Last på underbygning: 3 tonns aksellast har linjelast 12 tonn/meter (12 kn/m) Antakelse om at vognens lengde blir uforandret: 4 tonns aksellast får linjelast 16 tonn/meter (16 kn/m) Ved innlagt parsell langs hovedspor samme linjelast for begge spor (ingen lastreduksjon for det ene sporet) NorJeTS 15

16 Bruer (EN ; EN 15528) Fiktiv modell for dimensjonering av bruer for 4 tonn Framtidige lokomotiv vil trolig bestå av 3 enheter, hver enhet med 6 hjulsett for 4 tonns aksellast Dagens lokomotiv har 2 enheter; Hver enhet med 12 hjulsett for 3 tonn aksellast NorJeTS 16

17 Vognkasseprofiler Vognkasser for 3 tonns aksellast LKAB vogn: Lengde: 1, m Bredde: 3,5 m Høyde: 3,6 m Lastevolum:46 m3 Taravekt: ca. 2 tonn Lastevekt: 1 tonn KIRUNA WAGON: Lengde: 1, m Bredde: 3,5 m Høyde1: 3,2 m Høyde2: 3,9 m Lastevolum: 46 m3 Taravekt: ca. 2 tonn Lastevekt: 1 tonn NorJeTS 17

18 Profil, takstrossing eksisterende bane Vognkasse for 4 tonns aksellast: Lastevekt: ca. 14 tonn Lastevolum: ca. 64 m3 Økning i lastevolum: ca. 18 m3 Areal i topp vogn: 31,5 m2 Økning i høyde: ca.,6 m Takstrossing for LKAB vogner: ny høyde for vogn: 4,2 m Ikke takstrossing for KIRUNA WAGON Lasttilfelle P47 har høyde 4,4 m og er godkjent for dette; bredde = 2,6 m Ny bane: UIC GC profil NorJeTS 18

19 Nedbrytning og vedlikehold (basert på 25 tonn) NORSK prosjektet med TU Graz Tamping:,15 Pakking hvert 6,7 år i snitt Rail exchange inner rail:,6 for R > 6 m Hvert 16,6 år i snitt,8 for 4 < R < 6 m: Hvert 12,5 år i snitt,12 for R < 4 m Hvert 8,3 år i snitt Hyppighet: (1/ faktor) NorJeTS 19

20 Vedlikehold; Transnet i Sør Afrika (3 tonn) Bemerkelsesverdig: antall pakkinger i året i sporet avtar med økende akkumulert tonnasje Hvordan? Ingen opplysninger om overbygningen Smalsporet bane År 211: akkumulert tonnasje på 88 mill. levetid i sporet: 17 år; ca. 15 mill. tonn Men: Sterkere komponenter i sporet gir redusert behov for pakking: For Ofotbanen: AREMA bedre enn EN? NorJeTS 2

21 Vedlikehold; Transnet i Sør Afrika (3 tonn) Antall skinnebrudd hos Transnet År Brutto tonnasje mill mill mill.

22 Belastning på skinnen Artikkel i ZEVrail Glasers Annalen (26) Liggetid i sporet som funksjon av motstandsmomentet ved momentbøyning, ikke spissbelastning som kan føre til brudd Liggetiden i sporet er ikke vedlikeholdsfritt: pakking og sporjustering -sliping ved rifler og bølger -ballastrensing (alt i definerte frekvenser) Skinne 6E1: Im Europäsichen Mischverkehr, dauerfeste Liegezeit der Schiene im Gleis vedvarende varig liggetid i sporet NorJeTS 22

23 Belastninger på skinnen Polygonal Wöhler kurve (artikkel i Glasers Annalen (26)) Ved belastning under «threshold value of fatigue strength» i polygonal Wöhler kurve, lang levetid Beregning av levetid for skinner, vurdering av 4 hovedparametere: - aksellast, akkumulert tonnasje over en definert tidsperiode, hastighet, traksjon eller bremsing (kryp) - Aksellast har størst virking på slitasje og må vektes tyngre enn de andre parametere i en vurdering (,5,15,1,25) NorJeTS 23

24 Vedlikehold (tabell 5), ny bane; 6 mill. akk. t. Ofotbanen, ny bane, R > 8 m og R > 6 m Årlig akkumulert tonnasje: 6 mill. tonn, skinne 136 RE Vedlikeh Pakk BaTi BaPl BaRe 1 SkSl SkByY,4,4,4,4,4,4 SkByI SvBy,5, 5 MeBy PuVe Ultra Gemå SpVe Sk.brudd Hvordan lese tabell: SkByY Faktor (1/,4) x 4 = 1-4 % skinnebytte hvert 4. år - Levetid på 1 år - Akk. Tonnasje: 6 x 1 = 6 mill. tonn Vedlikehold (år); Pakk = pakking med maskiner; BaTi = ballasttilførsel (m3/km); BaPi = ballastfordeling (1 pr. år), BaRe = ballastrensing; SkSI = skinnesliping; SkByI og SkByY = skinnebytte indre og ytre skinnestreng; SvBy = svillebytte; MeBy = bytte av mellomlegg; PuVe = punktvis og stedvis vedlikehold; Ultra = ultralydkontroll; Gemå = måling av sporkvalitet med målevogn (spørsmål om pakking 2 ganger i året?), SpVe = sporveksel NorJeTS 24

25 Pakking Utfordringer: Tung betongsville; stor nok pakkraft Fri avstand mellom svillene er 27 mm; Flersvillepakking ikke mulig NorJeTS 25

26 Ofotbanen, sporkvalitetsanalyse i Optram Global analyse Malmbanen Ofotbanen Sammenligning med Europaspor 8 12 km/h < = 8 km/h Akkumulert fordeling av høydebeliggenhet uttrykt i standardavvik for bølgelengde 3 25 m, sporavsnitt i glidende vindu på 2 m Akkumulert fordeling av sidebeliggenhet uttrykt i standardavvik for bølgelengde 3 25 m, sporavsnitt NorJeTS 26 i glidende vindu på 2 m

27 Målestasjon Hva kan registreres ved Haugfjell målestasjon (Damill system)? Vertikale krefter 8 punkt / lengde 3,64 m Laterale krefter 6 punkt / lengde 2,6 m Sideforskyvningskraft S = Y i - Y y Longitudinelle krefter 2 punkt Målefrekvens 5 6 Hz NorJeTS 27

28 Filtrering i høye og lave frekvenser; eksempel Simulering på en banestrekning i JBV: Kurvatur (radius; overhøyde) Sporkvalitet: høydeforskjell mellom skinnene, lat. feil, vert. feil, sporvidde ukompensert sideakselerasjon aq = 1,5 m/s2 NorJeTS 28

29 Filtrering i høye og lave frekvenser for lateral kraft 1 kn 6 kn Samme tilstand; bare filtreringen til frekvenser er forskjellig Laterale krefter for venstre hjul (ytterhjul i høyrekurver) i førende aksel Venstre: simulering med Vampire i 4 Hz tilsvarende bruk av strekklapper montert på hjulaksel i en testkjøring Høyre: filtrering i lave frekvenser i 2 Hz ved bruk av algoritmestrukturen i evalueringsprosessen for godkjenning av rullende materiell iht. EN Spordata fra målevognkjøring som er konvertert til ASCII file - American Standard Code for Information Interchange NorJeTS 29

30 Vurdering av Y krefter for lokomotiv - Endring av vinkekoeffisient for regresjonslinjen ved R = 7 m - Vurdering i lavfrekvent passfilter, 2 Hz NorJeTS 3

31 Detaljer i skandinavisk norm for maks 35 tonn S Y 2m,max,lim Y /, 8 Q maks 2 1, 1 Q 3 2,85 1 Q 3 Q statisk hjulkraft Y qst,lim Q Q qst, lim maks, lim 6 kn 4 P, 8 kn for P 25 tonn maks for 4 P, maks kn for 3 tonn 25 P, maks 155 kn for 22,5 tonn P 27,9 tonn 1,133 Q kn for P, maks 27,9 tonn 3 tonn Min Q 9; 21 kn for 22,5 tonn P (1,133 Q 55) for P, maks 27,9 tonn 27,9 tonn Verdiene gjelder i lav frekvens på 2 Hz Må vurderes høyere maks. verdier for 4 tonns aksellast a vogn; vert. m / 5 s 2 NorJeTS 31

32 Dimensjonering og modellering av sporet Vogn av type Fanoo4 med three piece bogie: 3 tverrbjelker; 2 sidebjelker Vognkasse plassert på midtre tverrbjelke Midtre tverrbjelke har opplegg på fjærer på sidebjelker Sidebærere i gummi tjener som oppheng Spiralfjærene (primæroppheng) blir understøttet av demperelement: kiler i stål NorJeTS 32

33 Dimensjonering og modellering av sporet Kraft på momentbøyning på skinne for høyfrekvent Q Q DYN Q Q dlf Q dhf m C m W g m C a C m W 2 2 v L z H r z i H i W 1 k h Q HENG I tillegg: hjulslag Høye dynamiske tilleggskrefter L er global bølgelengde i bandet 3 25 m EN har grenseverdi lik 5 m/s2 for vertikal akselerasjon for vogn Hr (iω) og Hw (iω) er overføringsfunksjoner, benevnes reseptans (m/n) kh er Hertz kontaktstivhet (N/m) MiW Konsult AB: High-frequent Q- forces Klaus Knothe: Gleisdynamik MMT (Manchester Metropolitan University); paper i IAVSD i 29 NorJeTS 33

34 Dimensjoneringsdiagram Korte bølgelengder i sporet fører til større belastning i beskatningsparameterne Tunge komponenter i overbygningen fører til lavere framvekst i slike bølger: 136 RE er bedre enn 6E1 Bølgene modelleres som Cosinusspor JBV vurderer sporkvalitet i 3 25 m båndet NorJeTS 34

35 Dimensjonering og modellering av sporet Samlet belastning på skinne på momentbøyning: Trafikkbelastning: - Statisk kraft av vogn - Statisk kraft av boggi og hjulsett - Dynamisk kraft av avfjæret vogn - Dynamisk kraft av uavfjæret masse - Dynamisk tillegg av rifler og bølger - Dynamisk tillegg av hengende sviller - Eventuelt hjulslag Egenspenninger i skinner Temperatursvingninger Spenninger på grunn av bruer Samlet spenning fra trafikkbelastning: σ trafikk 2 (22) N/mm2 NorJeTS 35

36 Dimensjonering og modellering av sporet Belastning på momentbøyning av skinne: Flere tilstander er beregnet i AREMA systemet og i EN systemet under hensyntagen til overbygningens og underbygningens elastisitet for skinner i 9 kvalitet i skinnefot og for V = 6 km/h Ikke overraskende: Korte bølgelengder i sporet gir de største spenninger; Men i ingen tilfeller blir kapasitet på trafikkspenning = 2 N/mm2 (22) overskredet AREMA systemet gir mindre spenninger enn EN systemet U. K. FOT M W I tillegg vil opptre spissbelastninger som kan føre til skinnebrudd: - Dårlig utførte sveiseskjøter - Rifler og bølger på skinnehode - Irregulariteter i høyde og lateralt i skinne NorJeTS 36 - Hjulslag

37 MDZ diagrammer, eksempel fra NORSK NorJeTS 37

38 Distribusjon av krefter i kurver Normal situasjon på åpen linje Distribusjon av Q krefter Fordeling over flere sviller på grunn av elastisitet Fordeling av Y på flere sviller med rammevirkning? - sviller, befestigelse, skinner som medfører «fagverksdrager» horisontalt Tillatt spenning i symmetriakse i skinnefot (2 eller 22 N/mm2) Tillatte kantspenninger i skinnefot C og D (25 N/mm2) Store kantspenninger i hjørne skinnehode A og B (325 N/mm2) Plastiske deformasjoner 37 NorJeTS 38

39 Dimensjonering og modellering av sporet Overbygning (søk på nettet) Pandrol Fastclip FC15, FE 154, FC16 Ballastspor Max. Aksellast 4 tonn Min. kurveradius: 8 m Typiske skinneprofil: 6E1, 54E1 (?), AREMA 136RE (R37CrHT) Svillematter er obligatorisk Parametere for vurdering: Befestigelse for vert. og hor. kraft; rulling av skinne Krefter i «rail seat» på sville for momentberegning Trykk mot ballast fra sville Trykk mot formasjonsplanet til underbygning Med stedlige forhold i undergrunn og de valgte komponenter i overbygning blir belastningsverdiene akseptable NorJeTS for 4 tonn 39

40 Modellering og dimensjonering av sporet Ballastlaget og undergrunn mht. bæreevne Undergrunn er meget god (fjell, god leire) Svilleflate og svilleavstand for 4 tonn aksellast er valgt slik at belastning i u.k. svilleflate mot ballasten er omtrent den samme som for 3 tonns aksellast i eksisterende situasjon Større ballasthøyde for ny bane (4 cm) gir god lastfordeling ned til formasjonsplanet Det er nok elastisitet i sporet for betongsviller Ilegges svillematter for bedre fordeling av belastning mellom flate og ballast Samtidig har sporet sterk nok armering for bæreevne NorJeTS 4

41 Kryp med mer Generell formulering (lengderetning og lateralt):,, a / b v N F f,,, a / b N F f, Resulterende krypkraft: N er normalkraft lik vertikal Q krat på rett linje: μ er friksjonskoeffisient ved ren glidning F F 2 F 2 F 1 NorJeTS 41

42 Kryp med mer Når opptrer kryp: Bremsing og traksjon av rullende materiell Ved et lengdekryp på 1 % opptrer nær fullstendig glidning i kontaktflate mellom hjul og skinne Ved kraftig oppbremsing kan krypet anta 4 % Δr differanse i rulleradius til hjulene på et hjulsett avviker fra tilhørende radiusdifferanse for ytre og indre skinne i kurver Rulleretningen til hjulsettet avviker i forhold til bevegelsesretningen (kvasistatisk betraktning) For Ofotbanen må virkning av krypet vurderes NorJeTS 42

43 Kryp med mer (konklusjoner fra institutter, forskningssentra, testsentra) Rullende materiell: Bremsing har størst virkning (oppvarmet hjulbane) max, 62 p a v c Studier av oppvarming hos LKAB ved Chalmers (Anders Eklund) Ingen fare for overoppheting ved 3 tonns aksellast Overbygning med komponenter: Traksjon har størst virkning;» Utøvelse tett opp til sluregrense gir skade på skinnehodet» Kan trekke skinner til seg ( i kurver kan sporet bli trukket innover mot origo i sirkelkurver, forstyrrelse av nøytraltemperatur)» Glidning av mellomlegg i befestigelse Klemkraft, friksjon mellom gummibelegg og skinne/sville» Bevegelse av sville (rotasjon) Bremsing: vil medføre skinnevandring K NorJeTS 43

44 Ofotbanen, forskyvning venstre side: god skjøt som holder igjen skinne spenning introduseres høyre side: mindre god skjøt som gir friere skinne område med Hey-Back befestigelse: I II svakere klemkraft; gir loket anledning til å trekke skinne/spor til seg ved høy traksjon lengdeforskyvelse finnes en kort kurve med Pandrol, er ikke nok spørsmål om å skifte ut Hey Back med Pandrol er nok? Eller kreves også tyngre betongsviller i tillegg? I: kortere lengdeforskyvelse med Pandrol II: lengre forskyvelse med Hey Back spenningen er den samme NorJeTS 44

45 Kryp med mer AREMA 21 konferanse: Friksjon mellom mellomlegg og skinneopplegg Alternativer: Rammesville HDS sviller med dobbelt befestigelse Bredere sviller (33 cm) NorJeTS 45

46 Utfordringer for eksisterende bane Antakelse om at 1 % av malmtrafikken for 4 tonns aksellast må utføres på eksisterende bane (med kurver ned mot 3 m) Tresviller erstattes av betongsviller Bedre stabilitet; redusere omfanget av skinnevandring Bruk av ballastmatter lagt i formasjonsplanet ved lav ballasthøyde ( lav høyde forårsaker brukne betongsviller) Hva skjer med betongsviller ved lav ballasthøyde med myk ballastmatte i formasjonsplanet? Vil det opptre svingninger av sville som gir riss og brudd? Tiltak dersom fare: Bunnstrossing for å få nok ballasthøyde? NorJeTS 46

47 Utfordringer for eksisterende bane Artikkel i ETR, 21: Myke svillematter kan føre til uønskede svingninger av betongsviller Lav ballasthøyde som medfører stivt spor og sprukne betongsviller; derfor tresviller 3 tonn er absolutt kapasitetsgrense for tresviller, Innføring av betongsviller Omfattende bunnstrossing til høy kostnad Alternativt bruk av ballastmatter 4 cm ballasthøyde er tilstrekkelig for nødvendig elastisitet Hvor mye kan ballasthøyde reduseres med ved bruk av ballastmatter: Resulterende elastisitet lik elastisitet for nytt spor h = f (kballast, kballastmatter, h1, h2, ksvillematter ) Betongsville skal fungere (ikke utsettes for skadelige svingninger) Pukksteiner vil være i bevegelse med vertikale akselerasjoner; hva medfører dette (svekket motstand)? Vurdering av motstand mot sideforskyvning av sporet (UIC rapport om mulig redusert motstand ) Hvilken redusert robusthet i sporkonstruksjonen er tilrådelig og heller akseptere et mer omfattende vedlikehold (1 % av lastet malmtrafikk på eksisterende bane) Mye vedlikehold for kostnad til opprusting til fullverdig overbygningskonstruksjon NorJeTS 47

48 Dimensjonering og modellering av sporet Hjul/skinne kontaktmekanikk 5 aspekter: Økning i belastning i forhold til økning av hjulkraft: 15 kn mot 2 kn ved uendret hjuldiameter; konsekvenser? Optimal tilpassing av tverrprofilene for skinnehodet og hjulbane Riktig valg av kvalitet i stål i skinnehodet Riktig hjuldiameter Akseptable verdier i kontaktflate mht. materialflyt og slitasje i skinnehodet ikke elliptiske kontaktflater eksisterer: 6E1 i kombinasjon med S12 NorJeTS 48

49 Dimensjonering og modellering av sporet Hjul/skinne kontaktmekanikk (rett linje) Normalkraft (kn) 3, 325, 35, 4, 6, Økning i akselkraft 1, 1,83 1,167 1,333 2, Økning i spenning σ ξ, max 1, 1,26 1,54 1,1 1,26 Stål så hardt som mulig i skinnehodet: 13 kvalitet I løpebaneområdet til skinnehodet er R = 3 mm Tverrprofil til hjulbane best mulig lik som for skinnehodet gir lave spenningsverdier; men spørsmål vedr. løpedynamikk? Ren konkav hjulbane (1 : 3) gir størst spenning i kontaktflaten, men best løpedynamikk NorJeTS 49

50 Dimensjonering og modellering av sporet Hjul/skinne kontaktmekanikk (rett linje) Normalkraft (kn) 3, 325, 35, 4, 6, Økning i akselkraft 1, 1,83 1,167 1,333 2, Økning i spenning σ ξ, max 1, 1,26 1,54 1,1 1,26 E. Andersson: Spårfordons dynamikk Beregningsmodell iht. Hertz teori Stål så hardt som mulig i skinnehodet: 13 kvalitet I løpebaneområdet til skinnehodet er R = 3 mm Tverrprofil til hjulbane best mulig lik som for skinnehodet gir lave spenningsverdier; men spørsmål vedr. løpedynamikk? Ren konkav hjulbane (1 : 3) gir størst spenning i kontaktflaten, men best løpedynamikk NorJeTS 5

51 Dimensjonering og modellering av sporet Hjul/skinne kontaktmekanikk (rett linje) 2 3 Q a b I kurver blir belastningen Ca. 1,2 1,4 ganger større Pr. dags dato ingen sikker konklusjon Instrument for vurdering av belastning: Shakedown diagram: forholdet: p/ke = qmax/τtillatt For hjuldiameter lik 96 mm ligger verdiene rundt 2,5 3,5 for stål i 13 kvalitet på rett strekning iht. Hertz teori: Gir slitasje på overflaten for tørre skinner NorJeTS 51

52 Tabelloversikt maks tillatts Stålkvalit et (N/mm 2 ) Hjulkraft (kn) Hjulbane tverretni ng r ƞ (m) Hjul radius r ξ (m) Skinne tverretni ng r ƞ R (m) Skinne lengde r ξ R (m) Konta kt flate A e (mm 2 ) Trykk spennin g σ ξ maks (mm 2 ) Skjær kapasi t τ tillatt (mm 2 ) Forhold, ,4, , ,46, ,26,5,48, , ,26, ,9, , ,4, ,76, , ,62, ,64,5,48, , ,46, ,51, , ,28, ,35, , ,8, ,25,5,48, , ,95, ,14, , ,8 NorJeTS 52

53 Videre studier i utarbeidelse av norm for høyere aksellaster på tunglastbaner i Norge og Sverige ble avdekket: Behov for prosjekt for vurdering av forholdet Q/d Hjulkraft/hjuldiameter Rett linje: Hertz teorier (elliptisk kontaktflate med langakse i skinnehodets tverretning) Tverrprofiler til skinnehode og hjulbane, hjulradius, skinnestreng (R = ) Kurver: Kalkers teorier (elliptisk kontaktflate med langakse i skinnehodes lengderetning I tillegg en ytterligere parameter: radius i sirkelkurve Felles parametere: Sporvidde Skinnehelning Tverrprofil på skinnehodet Ny bane i Norge, samme sporgeometri som i Sverige Rett linje, store kurveradier Utfordring for eksisterende bane med små kurveradier NorJeTS 53

54 Ikke oppkjørbare sporveksler på rett linje Hvor stor er den laterale kraft på drivstengslene? Utgangspunkt i kraftsystemene: Kraftdiagrammene gjelder for utledning av Nadals formel for evaluering av avsporingsfare i kurvekjøring Nødvendig å etablere fiktive forutsetninger for beskrivelse av realistisk hendelse Friksjonskoeffisienten μ vil på en måte beskrive kapasitet på holdepunktkraften NorJeTS 54

55 Ikke oppkjørbare sporveksler på rett linje Parti av sporveksel hvor tunge skal være tilliggende for venstre skinne i kjøring fra venstre mot høyre Tilfelle i sommer 213 hvor tunge var tilliggende og sporveksel ble dermed kjørt opp Definisjon av 5 stadier: NorJeTS 55

56 Ikke oppkjørbare sporveksler på rett linje Vertikal kraft Q = 16 kn > 15 kn Neglisjerer momentarm a Antakelse om en vertikal kraft: Qflens = 8 kn Flensvinkel ϒ = 7 Friksjonskoeffisient μ =,36 Q 8, N 118, kn cos sin,34,36,94 sin cos 118,,94,36,34 99, kn Y N I et kraftpolygon med likevekt gjelder for vertikale og horisontale krefter: Qskinnehode = Qtunge =,5 Q = 8, kn Yskinnehode = Ytunge = 99, kn Fiktiv vurdering hvor μ representerer kapasitet på holdekraften i drivstengselet Egentlig er vurdert hvilken minste Y kraft som gir oppklatring NorJeTS 56

57 Ikke oppkjørbare sporveksler på rett linje Deformert blad i tunge: - Bratt flens - Lite qr mål - Gap mellom skinne og tunge uttrykt ved qw kan gi flensklatring NorJeTS 57

58 Ofotbanen-Sporveksel Område for ledeskinner; spesiell situasjon Erfaring med brudd i brakettene NorJeTS 58 4

59 Ofotbanen-Sporveksel Gjennomkjøring i avvik i sporveksel (3 tonn) Forespørsel fra banesjef ( ) (rettet til Alf Helge Løhren og Hallstein Gåsemyr) Svar fra begge: har ikke tid før ut på nyåret (214) I dobbeltsporutredningen (4 tonn): Sporveksel 1 : 14, R = 76 med krysspiss velges primært» Ved avvikkjøring V = 6 km/h med 4 tonns aksellast (hensikt å unngå retardasjon, nedbrytningskonsekvenser tosidig må utredes)» For øvrig V = 7 km/h Sporveksel 1 : 12, R = 5 m» Ved avvikkjøring V = 5 km/h; for øvrig V = 6 km/h (konsekvensutredning) Nede ved Narvikterminalen (ikke vurdert i utredningen): Sporveksel 1 : 9 R = 3 Ønsket hastighet V = 5 km/h? (utredning påkrevet) NorJeTS 59

60 Ofotbanen-Sporveksel Modellering Ikke nok bare å betrakte virkning av sentifugalkraft EN 1313; EN 1314 Klaus Knothe: Schienenfahrzeugdynamik - Algorimestruktur for spissgang NorJeTS 6

61 Bilag til Dagbladet, 2.nov. 213 NorJeTS 61