Lærebok i jernbaneteknikk. Større sporarbeider. Sporbygging Bearbeiding av skinner Ballastrensing

Transkript

1 Lærebok i jernbaneteknikk Større sporarbeider Sporbygging Bearbeiding av skinner Ballastrensing Utgitt:

2 1. SPORBYGGING HISTORIKK SPORBYTTE BYGGING AV NYTT SPOR METODER HAMAR-METODEN TRONDHEIMSMETODEN SKINNEBYTTEMASKIN SPOROMBYGGINGSTOG PORTALKRAN UTENLANDSKE-METODER VALG AV METODE BEARBEIDING AV SKINNER SKINNENS LENGDEPROFIL RIFLER KORTE BØLGER LANGE BØLGER RUHET NEDBRYTENDE EFFEKTER FRA RIFLER OG BØLGER STØY SKINNENS TVERRPROFIL KONTAKTUTMATTING METODER FOR BEARBEIDING SLIPING MED AKTIVE ROTERENDE SLIPESTEINER HØYHASTIGHETSSLIPING FRESING HØVLING PLANLEGGING OG FORBEREDELSER OPPFØLGING OG DOKUMENTASJON BEARBEIDINGSSTRATEGI SLIPING AV SPORVEKSLER BALLASTRENSING HVORFOR RENSES BALLASTEN TIDSPUNKT FOR BALLASTRENSING METODER FOR KONTROLL AV BALLASTEN I SPORET INNGREPSKRITERIUM METODER FOR BALLASTRENSING 40

3 1. SPORBYGGING 1.1 Historikk grusnivellement Tidligere var sporbygging og sporombygging langt på vei en manuell prosess. På forhånd måtte linjen være utstyrt med såkalte gruspeler, som anga såvel skinnegangens høydebeliggenhet som avstanden til spormidt. For å bestemme riktig høyde av skinneoverkant ved hver gruspel, ble det foretatt et grusnivellement, hvor skinneoverkantens beliggenhet ble avmerket på pelene. På forhånd ble skinnene presset, det vil si eventuelle transportskader ble rettet. Skinner som skulle ligge i kurver med radius under 1000 m ble på forhånd formet etter den kurveradius de skulle ha. Sporets komponenter ble så kjørt frem til arbeidsstedet med et arbeidstog, på arbeidsstedet ville vognene med skinner og sviller gå forrest, deretter fulgte grusvognene og til sist lokomotivet. Skinne- og svillevognene ble skjøvet foran den grusede del av skinnegangen så langt som mulig. Deretter ble svillene båret frem og lagt på planum etter at utlagt lektemål. Dette var mulig da dagens benyttede tresviller kun veier ca. 50 kg i motsetning til betongsviller som veier kg. Skinnene ble ført på en tralle så langt som de tidligere var lagt, deretter trukket på plass ved hjelp av skinnekroker. Etterhvert ble det tatt i bruk metoder med renner påmontert ruller på eller ved siden av arbeidstoget, slik at skinnene kunne rulles på plass. En slik metode er Holmans metode (se figur 1), hvor skinnekoblet har egen maskin for fremtrekk av skinnelengder. Dette økte produktiviteten betraktelig. Vel fremme ble skinneskjøtene skrudd sammen etter at såkalte varmeblikk ble anbrakt i varmerommene for å kompensere for temperaturforskjellene, så ble skinnene festet til svillene med treskruer eller såkalte hakebolter. Treskruene ble skrudd inn i hull boret på forhånd, hakeboltene ble slått inn med spesielle hammere. Figur 1 Holmans metode for skinnelegging grusballastering Grusballasteringen ble utført i to såkalte løft, dvs ballasten ble først lagt i ballastprofilets halve høyde (første løft) og så ble skinnegangen løftet opp i Større sporarbeider 3

4 denne høyde. Deretter ble ballasten lagt i full høyde (annet løft). Ved bruk av pukkballast ble det som regel bare spørsmål om ett løft, da underkulten var blitt lagt på forhånd. Skinnegangen ble løftet ved hjelp av såkalte lever (løftearm). Senere ble det benyttet små donkrafter (jekker). Grusbasen hadde ansvaret for at skinnegangen fikk riktig høyde Til sist ble hver enkelt sville pakket. Ved grus ble det benyttet pakkspader med lange rektangulære blad, som to mann på hver sin side og hver sin halvpart av svillen arbeidet med mot hverandre. Hvis det ble benyttet pukk som ballast ble det benyttet pakkhakker og pakkspett. Disse redskaper er vanlige hakker og spett hvor spissen er utformet til et pakkhode. Etter at løftingen og pakkingen var utført, kom turen til lappingen, som besto i at mulig manglende ballastmateriale ble påkjørt eller at materiale ble flyttet for å oppnå en så jevn fordeling som mulig. 1.2 Sporbytte Grunnen til at man setter i gang med sporbytte eller sporfornyelse kan være at noen av overbygningskomponentene har nådd en slitasjegrense, sin levetid eller et ønske om heving av sporstandarden (overbygningsklassen) på banestrekningen. Størrelsen på arbeidet avgjør som regel om det benyttes større eller mindre maskiner til arbeidet. Målet er alltid å gjennomføre arbeidene på kortest mulig tid på grunn av toggangen og med minst mulige kostnader. Fornyelsene må derfor planlegges med tanke på: hva som skal gjøres hvordan det skal gjøres hvilken rekkefølge hvilke maskiner som skal benyttes hva som trengs av mannskap, materialer og lignende når arbeidene skal utføres legge forholdene til rette for rasjonell utførelse av arbeidene samarbeide med andre avdelinger linjedisponeringer Det er viktig å sørge for at alt nødvendig mannskap og materialer er på rett plass til rett tid. 1.3 Bygging av nytt spor sporombyggingstoget Ved bygging av nytt spor er det utviklet en rekke metoder basert både på skinnegående og hjulgående maskiner. Det norske sporombyggingstoget kan f. eks. utstyres med belter foran for å kunne legge nytt spor Større sporarbeider 4

5 Figur 2 Sporombyggingstoget ved bygging av nytt spor portalkran Det er også vanlig å benytte portalkran til svillelegging og mindre spesialmaskiner til skinneutlegging og -montering. Det vises også til avsnitt Figur 3 Svillelegging på Gardermobanen Større sporarbeider 5

6 Jernbaneverket Figur 4 Skinneutlegging med hjullaster og bruk av spesialsutstyr (1) Figur 5 Skinneutlegging med hjullaster og bruk av spesialsutstyr (2) Større sporarbeider 6

7 1.4 Metoder Hamar-metoden Denne metoden ble utviklet for betongsviller i det tidligere Hamar distrikt, derav navnet. Utgraving av pukk og innløfting av betongsviller foregår med traktorgraver påmontert et spesialskjær. Skjæret har utsparinger for skinnene, og gravingen kan foregå uten å demontere skinnene. Med det samme skjæret pakkes svillen midlertidig, slik at togene kan passere arbeidsstedet med nedsatt hastighet. Arbeidsstyrken er på 4 5 mann. På et skift kan et arbeidslag klare å legge inn sviller alt etter toglukene. Ulempen med denne metoden er imidletid at pukkballasten blir forurenset med grus, slik at ballastrensing er nødvendig etterpå. Figur 6 Hamar-skjæret Trondheimsmetoden Metodene som er nevnt hittil fører ikke til at skinnetopp endrer høyde. Trondheims-metoden vil derimot forårsake en løfting av sporet. Her blir skinnene løsnet og lagt ut til siden. De gamle svillene tas opp ved hjelp av en hjullaster med gaffel. Ballasten planeres og de nye svillene legges ut med en Større sporarbeider 7

8 traktor påsatt kran, hjullaster eller lignende. Skinnene løftes så tilbake. Et arbeidslag består av mann. Som ved Hamar-metoden må svillene kjøres ut på forhånd, men Trondheimsmetoden tillater samtidig bytte av skinnene. Ballasten kan helt eller delvis fornyes, og det kan også foretas teleisolering. Dette går imidlertid ut over fremdriften. Tidsintervallet som er disponibelt mellom togene vil som regel være med på å bestemme hvilken av disse metodene som velges for svillebyttet. Det bør ikke være flere enn 2 3 togpasseringer på et 7,5-timers skift for at Trondheimsmetoden skal egne seg Skinnebyttemaskin Skinnebyttemaskinen er en skinnegående enhet som benyttes til å ta ut gamle og legge inn nye skinner. Maskinen er utstyrt med 2 boggier med hydraulisk fremdrift og løfteanordning for fotplate som løfter maskinrammen med boggier. Dermed er skinnene klare av svillen og kan forskyves. En person styrer maskinen og manøversentralen er plassert midt på maskinrammen. Figur 7 Skinnebyttemaskin Sporombyggingstog Sporombyggingstoget (SPOT) kom til NSB/JBV høsten 1985 og fikk sin første ordinære arbeidssesong i SPOT-ens oppgave er å fjerne gamle sviller og eventuelt skinner og legge inn nye. Det består av 3 enheter: Hovedmaskin, energistasjon og portalkran, foruten en rekke spesialbygde svilletransportvogner Større sporarbeider 8

9 Figur 8 Sporombyggingstoget (SPOT) Hovedmaskinen er i grove trekk utstyrt med: Hydraulisk aktiverte skinnetenger som etter at befestigelsen er fjernet skyver de gamle skinnene utenfor sporet. Hydraulisk aggregat som plukker ut de gamle svillene. Samlebånd som bringer de brukte svillene frem til en posisjon på maskinen, hvorfra portalkranen senere tar dem med i retur til svillevognene. Hydraulisk gravekjede som graver ut ballasten og/eller planerer den. Transportør som bringer uønsket masse utenfor sporet. Samlebånd som bringer de nye svillene frem til leggeaggregatet. Hydraulisk aggregat som legger ut de nye svillene i innbyrdes riktig avstand. Et senkbart hydraulisk drevet aggregat med skinnehjul som sørger for fremdriften i startfasen inntil man har plukket opp tilstrekkelig antall sviller, så den hydraulisk drevne belteboggien kan senkes ned på ballasten og vekten av hovedmaskinen overføres til denne etter at skinnene er løftet ut til siden for sporet. Portalkranen som mater leggeaggregatet med nye sviller og bringer de utskiftede svillene tilbake til tomme svillevogner, kjører på skinner som er bygget ved siden av SPOT-en og svillevognene. Denne kranen har hydraulisk fremdrift og kjøringen skjer fra et førerhus i kranenden. Før sporbytte tar til kjører SPOT-en over strekningen en gang for å kontrollere og måle sporgeometrien. SPOT legger ut det nye sporet fra disse målingene. Teoretisk kan sporet justeres sideveis med 300 mm. Det er også mulig å senke sporet 50 mm med gravekjedet Større sporarbeider 9

10 SPOT trekkes vanligvis av et eget diesellokomotiv fra stasjonen til arbeidsstedet. Riggtiden er på ca. 30 min. Skinner og sviller må fjernes over en lengde på 6 meter. Dette gjøres for å danne et pukkplanum hvor maskinens larveføtter/belteboggi overtar fremdriften. Alle skinnefester må også være løsnet før SPOT kan begynne å arbeide. Sporbytte med SPOT kan settes opp i følgende punkter: 1. Kurvekorrigering (ikke altid nødvendig) 2. Utkjøring av nye skinner (ikke altid nødvendig) 3. Sville-/skinnebytting Opprigging Skinner og sviller fjernes over 6 m All skinnebefestigelse fjernes foran SPOT Opptak av gamle sviller Planering av planumet Utlegging av nye sviller Innlegging av skinner Festing av skinnene 4. Pukktømming/ballastfordeling 5. Sporjustering 6. Helsveising Selve sville-/skinnebyttingen foregår på følgende vis: Maskinens to 3-akslede boggier heves fra sporet ved hjelp av den hydraulisk drevne belteboggien. Skinnetengene styrer og legger skinnene utenfor svilleenden. Svilleopptageraggregatet tar de gamle svillene opp fra sporet med gafler, og de transporteres på samlebånd til en plattform oppe på maskinen. Portalkranen frakter dem videre til vognene som kom med nye sviller og fyller dem etterhvert opp med gamle. Bak svilleopptageraggregatet planeres ballasten i et plan i høyde med svilleunderkant, eventuelt senker sporet med inntil 50 mm. Planeringen skjer med et roterende kjede. I kurver kan det også planeres med overhøyde. Portalkranen som tar med seg 22 sviller pr. tur henter nye sviller fra svillevognene og legger de på en plattform oppe på maskinen, hvorfra de føres på et samlebånd til svilleleggeraggregatet. Dette legger svillene på plass i sporet. To mann følger etter med mellomlegg før de gamle eller nye skinnene legges tilbake i sporet som egen arbeidsoperasjon etter SPOT. Til dette nyttes skinnebyttere. Deretter monteres befestigelsen. Tog kan nå slippes over arbeidsstedet før pukksupplering og helsveising er utført. SPOT frakter de nye svillene ut til arbeidsstedet og tar med de utskiftede svillene tilbake til utgangsstasjonen. Dette innebærer at etter hver arbeidsdag må svillevognene kjøres til en plass hvor de gamle svillene kan losses og vognene frigjøres for opplasting av nye sviller. Selv om SPOT kan forskyve sporet sideveis 300 mm, er det mest hensiktsmessig å gjøre kurvekorrigeringer på forhånd. Fremdriften er størst når SPOT bare kan følge eksisterende sporgeometri Større sporarbeider 10

11 1.4.5 Portalkran Portalkranene ble levert til NSB/JBV i mai 1985 og fikk sin første sesong på Nordlandsbanen hvor de hovedsaklig har vært benyttet. De brukes først og fremst når både skinner og sviller skal byttes, men kan også anvendes ved legging av svilledekket på helt nye banestrekninger. Eksempel på det er sporlegging i Trollkona-tunellen på Bergensbanen i Arbeidsoperasjonene ved portalkranmetoden er slik at de nye skinnene kjøres ut på forhånd og plasseres på ballastskuldrene med en spoavstand på 3,30 m (45 cm fra hver svilleende) og tjener først som kjørebane for portalkranene (portalkransporet). Ballastskulderen er planert ut tidligere med et spesialskjær. Tidligere ble de nye skinnene på 40 m mellomsveist ute i sporet med en mobil sveisemaskin til 80 eller 120 m. Nå fraktes skinnene ut med langskinnetoget i 120 eller 160 m lengder direkte fra skinnelageret på Hauerseter. Portalkranene (2 stk.) og bjelken mellom dem er plassert på en egen vogn som kjøres ut og inn sammen med svillevognene (Rps-vogner). På arbeidsstedet blir kranene med bjelken satt direkte på portalkransporet. Hver kran har egen fremdrift, løfteanordning og fører og er derfor selvgående. Bjelken er utstyrt med 4 par gripeklør og 56 par kjettinger med kroker. Dette utgjør festeanordningen for henholdsvis skinnestiger og betongsviller. Figur 9 Donelli Portalkran Sporbytte med portalkraner kan deles opp i følgende arbeidsoperasjoner: 1. Utkjøring av nye skinner 2. Planering av portalkransporet 3. Utlegging og lasking av ledeskinner/portalkranspor med avstand 3,30 m 4. Skinnelegging/svillebytting oppkutting av det gamle sporet i 19 m skinnestiger opplasting av gamle skinnestiger på vogner planering av traséen utlegging av betongsviller Større sporarbeider 11

12 innlegging av nye skinner festing av skinnene 5. Pukktømming 6. Sporjustering 7. Helsveising Selve sville-/skinnebyttingen foregår på følgende vis: Et arbeidslag går foran og kapper opp det gamle sporet i 19 m lengder (skinnestiger) som portalkranen henter og legger på en tom svillevogn. Kranene tar to og to skinnestiger om gangen. For å jevne planumet før betongsvillene legges ut, senkes skinnestigene ned i den ene enden og trekkes fremover. I og med at den gamle pukken bare planeres ut, løftes sporet cm. Etter å ha lagt de gamle skinnestigene på en vogn, henter portalkranene nye sviller som hektes fast med kroker til bjelken og plasseres med riktig avstand på det ferdige planumet. I hver vending tar portalkranene med seg nok betongsviller til å dekke rommet etter to skinnestiger á 19 m. Svilleavstanden er 60 cm. Mens svillene ligger på transportvognene legger to mann på mellomleggene. Befestigelseskomponenter legges ut manuelt ved hver sville etter at de er plassert ut av portalkranene. Med skinnebyttemaskinen legger man inn de nye skinnene og skinnene festes. Så foregår pukktømming, justering og til slutt helsveising av sporet. De tre siste operasjonene er som regel ikke nødvendig å gjøre før tog kan passere over arbeidsstedet. Ved sporbytte med portalkraner slipper en å kjøre ut betongsvillene på forhånd, svillene blir fremført på vogner direkte fra fabrikken og til arbeidsstedet. Etterhvert som en vogn er losset for betongsviller, kan de gamle skinnestigene lastes opp på de samme vognene. Denne sporbyttemetoden medfører derfor at alt gammelt materiell blir innkjørt til lager- eller demonteringsplass med en gang Utenlandske-metoder TGV metoden TGV metoden er mye brukt ved bygging av høyhastighetslinjer, men kan benyttes på alle typer dobbeltsporede strekninger. Først planeres terrenget til et planum, samtidig som alle fastpunkter bygges, så som tunneler, broer, kulverter osv. Deretter legges ut et lag med pukk som jevnes og derved danner underlag for hjulgående arbeidsmaskiner. Det legges nå et midlertidig spor hvor det ene dobbeltsporet senere skal ligge, vanligvis prefabrikerte sporseksjoner i 18 m lengde på tresviller. Ingen ballastering siden sporet er midlertidig Større sporarbeider 12

13 Figur 10 Utlegging av midlertidig spor Det midlertidige sporet kan dermed benyttes av skinnegående maskiner til den resterende sporbyggingen. Langskinnetoget kjører nå ut skinnelengder på m og legger disse på hver side av det midlertidige sporet, ca. 3.5 m fra hverandre. Disse skinnene skal nå benyttes av en portalkran. Et arbeidstog halvt lastet med sviller ankommer, dette toget er lavt nok til å gå under portalkranen. Kranen løfter opp en seksjon av det midlertidige sporet og legger ned sviller i en ramme, hvor svillene har riktig svilleavstand. Figur 11 Utlegging av sviller Større sporarbeider 13

14 Figur 12 Innlegging av skinner En skinneutlegger, som går på samme skinner som portalkranen, men kan også stå på svillene, løfter nå skinnene opp på svillene, hvor de sveises sammen, nøytraliseres og festes. Til slutt ballasteres og justeres sporet Større sporarbeider 14

15 1.5 Valg av metode Kriterier som influerer på valg av metode er: Arbeidets art og størrelse. Prisen på arbeidet. Kvalitet på utført arbeid. Tidsforbruk. Tilgjengelige ressurser (mannskap, maskiner). Påvirkning på regularitet i toggangen. Metodene er vesensforskjellige i ytelse og anvendelse. Trondheimsmetoden bytter både skinner og sviller samtidig. Metoden brukes fortrinnsvis på større arbeider og under forutsetning av uforstyrret dagsverk. Dersom arbeidsdagen må deles opp av en/flere togpassering(er), vil enhetsprisen øke drastisk. Ved arbeider kortere enn 400 spm vil kostnadene øke forholdsvis mye. Portalkran-metoden brukes når det skal skiftes skinner og sviller samtidig. Brukes ved større arbeider. Relativt rimelige enhetskostnader som stiger litt ved arbeider av mindre omfang < spm. Hamar-metoden benyttes når det kun er snakk om å bytte sviller. Velegnet for mindre arbeider og ved mange togpasseringer i løpet av arbeidsdagen. SPOT benyttes helst ved svillebytte, skifting av skinner med SPOT har til nå kun vært benyttet i begrenset omfang. Dersom skinner skal byttes, må disse kjøres ut på forhånd. Brukes helst ved større arbeider. Tabell 1 Sammenligning mellom Trondheimsmetoden og portalkran Økonomi Trondheimsmetoden Portalkran Fordeler Ulemper Fordeler Ulemper v/ flere v/ små og togpasseringer middelstore høye kostnader arbeider ut-/innkjøring (> 2000 spm) v/ svært små arbeider (< 1000 spm) Kvalitet masseutskifting teleisolering Miljø variert arbeid lite mekanisert variert arbeid Regularitet bra sporet løftes skinner vrakes Tabell 2 Sammenligning mellom Hamarmetoden og SPOT Økonomi Hamarmetoden SPOT Fordeler Ulemper Fordeler Ulemper høye enhetskostnader v/ store høye rigg- arbeider kostnader (> spm) forurenser sporgeometri Kvalitet ballasten kan justeres Miljø variert arbeid fysisk kortvarig belastende Regularitet v/ høy framdrift bra samlebåndseffekt Større sporarbeider 15

16 2. BEARBEIDING AV SKINNER Bearbeiding av skinner foretas i hovedsak for å forlenge levetiden på skinner og andre sporkomponenter, samt det rullende materiell. Bearbeiding utføres for å forhindre utvikling av bølger og andre slitasjeskader på skinnene, som overflateutmatning og utvalsing av tverrprofilet. Bearbeiding er også viktig for å redusere støy og vibrasjoner mot omgivelsene. Bølgedannelse kan ha flere årsaker, men det vanligste i Norge er korte bølger på innerstrengen i skarpe kurver. Overflateutmatningsdefekter kan f.eks. være «kjørekantsprekker» (head-checks), som etter en tids trafikkbelastning kan gi avskallinger og sprekktilvekst i dypet, noe som øker risikoen for skinnebrudd. Konsekvensene av skadene er økt nedbrytning av spor og sporkomponenter, skader på rullende materiell, nedbrytning av ballast, økt støy og vibrasjoner og økt energiforbruk. Det gjelder å redusere/minske skadelige overflatedefekter eller å skape en gunstigere kontakt mellom hjul og skinne, for å forlenge tiden innen problemene oppstår eller har fått for stort omfang. Dette kan oppnås ved å bearbeide til bestemt tverrprofil tilstrekkelig ofte. På nye skinner finnes det et spesielt overflateproblem. Overflatesjiktet på nye skinner består av en allmenn overflateruhet og små ujevnheter, et tynt glødeskall (med mindre hardhet) ned til ca. 0.5 mm dyp. Overflateproblemet på nye skinner kan rettes ved såkalt preventiv bearbeiding. Begrepet preventiv bearbeiding er et forebyggende tiltak for overflateproblem på nye skinner eller for senere å holde tilbakevendende problemer i sjakk. Omfanget av bearbeiding må veies mot innsparinger pga. lengre levetid for sporkomponenter, lavere vedlikeholds- og utskiftningskostnader for sporet og kostnader til bygging av støyskjermer. Togenes forbedrede komfort og gangegenskaper må også vurderes. Likeså økt levetid og mindre vedlikeholdskostnader hos det rullende materiell. 2.1 Skinnens lengdeprofil De periodiske ujevnhetene som kan observeres på skinnehodet deles opp i rifler, korte bølger og lange bølger. Alle typene kjennetegnes ved at de dannes ved plastisk deformasjon av skinnhodets overflate, dvs. at stålets flytegrense er oversteget, og at det dannes herdede soner med martensittstruktur. Årsakene til de forskjellige fenomenene er ulike, men felles er at vibrasjoner eller slipp (dvs. at hjulet spinner ørlite) fører til at overflatespenningene i skinnen gått over stålets flytegrense Større sporarbeider 16

17 2.1.1 Rifler Rifler har en bølgelengde på 3-8 cm og en bølgedybde på mm. De forekommer hovedsakelig på rettlinje og i slake kurver. De danner regelmessige mønstre i skinneoverflaten med blanke topper i martensitt og matte bunner mellom riflene. I toppen av en rifle kan hardheten nå opp i ca. 900 HV (Vickers), mens gjennomsnittet er 290 HV, en økning på over 300%. Rifledannelse er vanlig på baner med høye hastigheter, og er et fenomen som gir svært mye støy og vibrasjoner. I Norge er rifledannelse relativt sjelden. Rifler opptrer ikke overalt hvor forholdene ellers later til å være like. Hos Deutsche Bahn viser undersøkelser at 12-15% av skinnen danner rifler, hvorav 80% er på rettlinje og 20% i kurver med R > 1000m. Det er mistanke om at et svært stivt spor kan medføre raskere dannelse av rifler. initielle ujevnheter Årsaken til rifledannelse er ennå ikke fullt ut forklart, men det synes som om det kommer av vibrasjoner/resonans pga. små initielle ujevnheter i skinnene som setter hjulsatsen i svingninger. Av den grunn vil det kunne hjelpe å slipe de nye skinnene umiddelbart etter innlegging for å fjerne valsehud og få en jevnere overflate. Figur 13 Rifler Større sporarbeider 17

18 2.1.2 Korte bølger Korte bølger har en bølgelengde på 8-30 cm og en bølgedybde på mm. De forekommer i innerstrengen i skarpe kurver (R < 600 m). Alvorlige bølgedannelser skjer i kurver med R < m. På grunn av kurvaturen i Norge er korte bølger svært vanlige, og er et stort problem på flere baner. De induserer kraftige vibrasjoner i hjulsatsene som øker kreftene i overbygningen vesentlig. «rulleslipp» i kurver Årsaken til korte bølger er «rulleslipp» i kurver. Jernbanemateriell er utstyrt med koniske hjul og en stiv aksel som styrer hjulsatsen langs skinnene. Dersom hjulsatsen forskyver seg sideveis, vil rulleradiusen bli forskjellig for de to hjulene og hjulsatsen forsøker å sentrere seg på nytt. I slake kurver vil denne forskjellen i hjulradius kompenseres med den forskjellige lengden de to hjulene skal tilbakelegge, og hjulsatsen kan rulle fritt gjennom kurven (uten flenskontakt). Er kurvens radius derimot skarpere enn ca. 600 m, klarer ikke rulleradiusdifferansen å utligne forskjellen i lengde mellom de to strengene. Et av hjulene må «slippe» (eller spinne) for at hjulsatsen skal kunne komme gjennom kurven. Dette skjer periodisk hver gang horisontalkraften blir større enn friksjonskraften, bl.a. som følge av torsjon i akselen. Kontaktspenningene hjul/skinne blir så store at stålet flyter. 4- Figur 14 Korte bølger på innerstreng Bortsett fra i kurver, kan korte bølger også oppstå andre steder hvor materiellet settes i vibrasjon, f.eks. på steder hvor sporets elastisitet er ujevn, hvor en skifter fra skinner med en strekkfasthet til en annen, ved lave isolerte skjøter, ved sporveksler, ved brukar eller ved sveiste skjøter med dårlig geometri Større sporarbeider 18

19 Skinner med stor strekkfasthet kan utsette dannelsen av korte bølger. Det kan være en del å vinne på ha skinner med høy strekkfasthet på innerstrengen Lange bølger elliptiske valser Lange bølger har en bølgelengde på m og en bølgedybde på mm. Lange bølger er en produksjonsfeil som skyldes at valsene som valser skinnene ikke er helt sirkelrunde. Dersom kontrollen med rullene ikke er god nok, vil de kunne bli elliptiske og dermed lage en liten periodisk ujevnhet i skinnene. Under påvirkning av det rullende materiellet blir så disse gradvis dypere. I tillegg kan lange bølger forekomme på baner som bare blir trafikkert av én type materiell hvor alle tog setter sporet i like vibrasjoner Ruhet slipe-riper Ruhet brukes i litteraturen både om overflatedefekter med bølgelengder i størrelsesorden < 10 mm og om bølgedannelse. Ruhet brukes også om slipe- «ripene» som oppstår ved sliping, dette er ikke en defekt i seg selv, men må holdes innen visse grenser. Ruhets-parametre: Ra = aritmetisk middelverdi av overflateprofilet over en gitt målelengde Ry = største enkelt topp- til bunnverdi innen målelengden Rz(DIN) = middel av største topp- til bunnverdi av fem delmålelengder. Begrepet ruhet brukes ofte i støysammenheng Nedbrytende effekter fra rifler og bølger Togtrafikken forårsaker krefter som påvirker overbygningen på forskjellige måter. Belastningen kan deles opp i en statisk, en kvasistatisk og en dynamisk del. Kvasistatiske og dynamiske krefter øker med hastigheten. Den statiske lasten utgjøres av aksellasten, mens de kvasistatiske skyldes omlagringer av hjullasten i forbindelse med kjøring gjennom kurver. På grunn av omlagring fra innerstreng til ytterstreng ved kjøring gjennom en kurve fås endrede vertikallaster og sidekrefter mot skinnene. Den dynamiske lasten kan deles opp i impulslast og vibrasjonslast. Impulslaster skyldes ujevnheter i skinnenes overflate eller at hjulene ikke er helt runde. Impulslastene kan være meget høye. Målinger har vist opp til 2.5 ganger den statiske aksellasten. Vibrasjonslaster kan ha flere ulike årsaker. Det rullende materiellet i seg selv kan indusere vibrasjoner eller det kan være rifler og bølger på skinneoverflaten som induserer vibrasjoner, eller det skyldes svillene. Svillene ligger med en viss avstand fra hverandre og gir en noe ulik elastisitet i sporets lengderetning. Rifler og bølger (og andre ikke periodiske ujevnheter i sporet) gir kraftige påvirkninger av spor og materiell pga. økte dynamiske krefter og vibrasjoner Større sporarbeider 19

20 Dette fører bl.a. til kortere levetid på sporets komponenter og på sporjusteringen, slitasje på rullende materiell, dårligere komfort, økt støy og økt energiforbruk. Impulslaster Vibrasjonslaster frosset spor Impulslaster som skyldes rifler og bølger har tydelig innflytelse på nedbrytningen av hele overbygningen. Dette kan observeres på steder som har slike feil, der det sannsynligvis vil finnes stor slitasje på sviller/befestigelse og nedbrytning av ballasten som følge av de store kreftene som oppstår. Vibrasjonslastene i sporet som følge av rifler og bølger kan også bli meget store og bidra sterkt til nedbrytning av sporets komponenter. Både skinner, befestigelse, sviller og ballast utsettes for store krefter. Dersom de angripende kreftene har en frekvens som er lik konstruksjonens egenfrekvens, kan det dessuten oppstå en risiko for resonans. Dette kan medføre sprekkdannelser i betongsviller. Vibrasjonslaster kan også gi «flyt» i ballasten. Dette betyr at ballasten flytter seg litt for hver togpassering og sporets justeringsstandard vil raskt nedbrytes. Bølger med stor stigning (f.eks. korte og dype bølger) på hard grunn, kan gi spesielt høye tilleggskrefter, under slike forhold kan tilleggskraften kan komme opp i over 300kN. «Hard grunn» forekommer mye i Norge pga. frosset spor vinterstid, samt tilnærmet også i fjellskjæringer etc. sommerstid. Rifler og bølger har altså også store økonomiske virkninger i tillegg til virkningen på komforten Støy Spor med rifler/bølger har et betydelig høyere støynivå enn spor uten disse defekter. I kurver med korte bølger kan dette medføre en økning av støynivået på opp til 10 db, dvs. mer enn en fordobling. Dette tilsvarer støyskjermer på 2 meter i 4 m avstand fra spor. Støyproblematikk inntreffer oftest når rifler er hovedproblemet. I Europa utføres mye sliping mot støy, spesielt pga. rifledannelse. 2.2 Skinnens tverrprofil Skinnens tverrprofil spiller en viktig rolle. Kontakten mellom hjul og skinne bestemmer spenningene på skinneoverflaten og de indre spenningene i skinnen. Unøyaktig kontakt kan forårsake utmatting på hjul og skinne. Tverrprofilet er viktig for gangen/oppførselen til det rullende materiell. På rettlinje og i slake kurver vil hjulenes konisitet sentrere hjulsatsen slik at ingen av hjulflensene vil berøre skinnehodet. I skarpe kurver derimot ligger hjulflensen på det ledende hjul an mot skinnehodet på den ytre skinnen med en horisontalt rettet kraft. Dette medfører en sideveis slitasje. Slitasje på skinner og hjul kan minskes gjennom smøring. Smøring er gunstig for å minske slitasjen på skinnene, men mindre slitasje kan gi økte utmatningsproblemer Større sporarbeider 20

21 Asymmetriske profiler Skinner kan bearbeides til såkalte asymmetriske profiler. Asymmetrisk bearbeiding utføres i skarpe kurver for å få en mest mulig gunstig kontaktflate mellom hjul og skinne. Dette vil gi mindre sideveis slitasje / flensslitasje på skinnen og redusere slippeffekten på innerstrengen. Målet med metoden er å kontrollere hjulets kontaktpunkt på skinnen. Metoden går i korthet ut på å slipe de steder på skinneoverflaten hvor det ikke ønskes kontakt mellom hjul og skinne. Det vil si at skinnene slipes slik at rullediameteren blir størst mulig på ytre skinne og minst mulig på indre skinne (figur 34). Figur 15 Assymetrisk bearbeiding kontaktspenninger Profiler mot kontaktutmatting De fleste skinneprofiler blir valset med en relativt liten radius i overgangen mellom kjøreflate og kjørekant (R=13 mm). Denne noe spisse overgangen forårsaker ofte en svært liten kontaktpunktflate mellom hjul og skinne i ytterstreng i kurver. En liten kontaktpunktflate skaper enorme kontaktspenninger som igjen gir opphav til utmattingsskader som kjørekantsprekker og avskallinger. Ved å slipe vekk noe av hjørnet mellom kjøreflate og kjørekant får vi fordelt kreftene fra hjulet på en større kontaktflate slik at kontaktspenningene blir mindre (figur 35). Dessuten fjernes utmattet materiale. Ved å fjerne materiale på denne måten vil det i skarpe kurver oppstå to kontaktpunkter mellom skinne og hjul. Denne to-punkt kontakten kan ha negativ innflytelse på hvordan boggiene styres gjennom kurvene, med økende sideslitasje som resultat. Sliping som medfører to-punkts-kontakt bør ikke anvendes på steder hvor sideslitasje er den begrensende faktor for skinnenes levetid Større sporarbeider 21

22 Figur 16 Sliping mot kontaktutmatting 2.3 Kontaktutmatting Slitasjen (og evt. bølgedannelsen) står ofte i et balanseforhold til overflateutmatningsskader og evt. andre overflateskader. Slitasjen påvirkes av materialet i hjul og skinner. Slitasje Utmatningsskader Slitasje vil si bortslitning av metall, ved utmatting dannes sprekker i skinnen som resulterer i avskallinger. Både slitasje og utmatting er oftest hovedårsaken til utskiftning av skinner. Utmatningsskader kan initieres på tre ulike nivåer i skinnen; på overflaten, like under overflaten og lengre inn i skinnen. Utviklingen kan deles inn i tre stadier, sprekker dannes tilvekst av sprekkene ved syklisk belastning til slutt kan brudd skje. Til overflateutmatningsskader regnes skader som har startet på overflaten og ned til mm under overflaten. Dypere skader er rene indre feil. Avhengig av hvor en sprekk er initiert og i hvilken retning tilveksten skjer, innen brudd eller avskalling inntreffer, gis skaden / defekten ulike navn. Utmattingsskader på skinnehodet kan være: Shelling, som er sprekker som initieres 5-10 mm under overflaten og fører til avskallinger på kjørekanten. Sprekkene kan også bøye av innover i skinnen og forårsake tverrbrudd. Kjørekantsprekker (head-checks), som er overflate-initierte, parallelle sprekker ned mot kjørekanten. Avhengig av trafikkens hovedbelastningsretning kan typiske vinkler og avstand mellom sprekkene utvikles. spalling, som er et etterfølgende stadie av kjørekantsprekker, da små materialbiter løsner Større sporarbeider 22

23 Squat, som er en punktformet overflatefeil som kan få en V-formet sprekktilvekst i dypet, og hvor en mørk flekk ofte syns på overflaten. «Squats» fører til slutt til tverrgående sprekkdannelse som kan føre til skinnebrudd. Årsaken til «squats» er ennå ikke helt avklart. 2.4 Metoder for bearbeiding Sliping med aktive roterende slipesteiner Slipetogene har et variabelt antall slipesteiner (avhengig av type tog) som sliper skinnehodet og kjørekanten. Etter sliping vil skinnene ha en overflate som er jevnere enn nye skinner og med et profil godt tilpasset hjulet. Det finnes slipetog med bare 4 slipesteiner beregnet for punktvis innsats, og det finnes noen få tog med over 100 slipesteiner. I Europa er det mest vanlig å anvende slipetog med 16, 32, eller 48 slipesteiner. Figur steiners slipetog fra Loram aggressive slipetog Tidligere var det svært lite metall som ble fjernet ved sliping pr. overfart. Høvling var da et naturlig alternativ dersom det var behov for å fjerne mye metall, f.eks. ved mye "skjeggdannelser". Men rundt 1990 kom det såkalte aggressive slipetog på markedet som har en kapasitet på opptil 5 ganger av det tidligere slipetog hadde. I dag regnes derfor sliping som like effektivt som høvling. Ved sliping er det to legemer i kontakt med hverandre; skinnen og slipesteinen. Det er et mål å oppnå størst mulig abrasiv avvirkning av skinnen i forhold til avvirkning av slipesteinen. Denne balansen er bestemt av type slipestein som anvendes, skinnekvalitet og trykket som slipesteinen utøver mot skinnen. Slipegraden kan uttrykkes som volumet av skinne som er avvirket dividert på volumet av slipestein som er avvirket. Imidlertid brukes ikke denne uttrykksmåten når man snakker om skinnesliping. I stedet snakker vi om Større sporarbeider 23

24 slipehastighet metallavvirkning som en tykkelse (mm). Den andre dimensjonen av volumet er et resultat av slipehastigheten. Disse to dimensjonene (tykkelse og slipehastighet) er avhengig av hverandre. Vi kan grovt si at de er omvendt proporsjonale med hverandre. Ved å senke slipehastigheten øker vi tykkelsen av metallavvirkningen og motsatt. Det er imidlertid begrensninger når det gjelder slipehastighet. Ved for lav hastighet kan vi få lokal overoppheting av skinnen, og ved for høy hastighet vil avvirkningen gå mot 0. Sliping kan utføres med slipehastigheter fra ca km/h. Det vanlige er å anvende slipehastigheter mellom 4 og 6 km/h. Vinkelen mellom slipesteinen og skinneoverflaten har innvirkning på avvirkningen. På overgangen mellom kjøreflate og kjørekant vil slipesteinen berøre et mindre areal av skinneoverflaten. For et gitt avvirkningsvolum får vi dermed større avvirkning målt i dybde. Dessuten vil det mindre arealet føre til at slipesteinen øver et større trykk mot skinneoverflaten, noe som igjen øker avvirkningen. Figur 18 Slipetog med roterende steiner Større sporarbeider 24

25 De aller fleste slipetog har roterende steiner som kan dreies for å profilere skinnene. Figuren under viser et slipetog med 32 steiner. Det finnes også slipetog med oscillerende steiner. Disse togene kan imidlertid ikke profilere skinnene. Normalt har slipesteinene en diameter på ca 25 cm og et omdreiningstall på 3600 o/min. Hver slipestein er drevet av en kraftig elektromotor som kan levere en effekt på kw. Figur steners slipetog fra Speno støvutvikling I tunneler medfører sliping problemer pga. den store støvutviklingen. Dette fører til at dieselmotorene «kveles». Dessuten er slipestøvet elektrisk ledende pga. av innholdet av metallpartikler, noe som kan føre til problemer med isolasjon av kontaktledningen og av sporet. I de lengre tunnelene må det derfor benyttes slipetog som er utstyrt med et system som suger opp støvet. Dersom ikke slikt utstyr er tilgjengelig, bør det vurderes bruk av høvel i lange tunneler. Bakdelen med slipetog som har støvoppsamlerutstyr er at kapasiteten blir noe mindre enn for tilsvarende tog uten støvoppsamling. I praksis betyr dette at det ofte vil være nødvendig med 1-2 slipepass ekstra med disse togene. Figur 20 viser skjematisk hvordan oppsamling av slipestøv foregår i slipetogene. Ved hjelp av en kraftig turbin-vifte (11) dannes et vakuum i et skall (2) som omkranser skinner og slipesteiner. Slipestøvet suges opp i et filter (6) som skiller ut støvet. Slipestøvet blir liggende i støvoppsamleren (7) Større sporarbeider 25

26 Figur 20 System for oppsamling av slipestøv overflateruhet Rett etter sliping med slipetog, vil skinnene ha en relativt ru overflate (fig. 21) og når tog passerer vil en høre en høyfrekvent støy. Denne overflateruheten forsvinner normalt i løpet av relativt kort tid. Maksimal dybde ligger i området m. På baner trafikkeres vesentlig av lett materiell kan imidlertid overflateruheten bli stående relativt lenge. På slike strekninger er det viktig å unngå for høy overflateruhet. Figur 21 Sliperiller etter sliping Vi skiller gjerne mellom følgende former for sliping: Preventiv / vedlikeholdssliping Korrektiv sliping Profilsliping Profilsliping utføres som regel sammen med korrektiv sliping Større sporarbeider 26

27 2.4.2 Høyhastighetssliping Høyhastighetssliping er passiv sliping med slipesteiner som er skråstilt i forhold til lengderetningen av skinnene. Når man drar disse slipesteinene langs skinnene vil de rotere samtidig som de utfører et slipearbeid. Hastigheten til slipetoget er typisk 80 km/h. Et slipepass vil fjerne ca. 0,05 mm skinnemateriale Ideen med høyhastighetssliping er at man skal kunne utføre bearbeidingen i mellom den normale trafikken uten behov for lengre trafikkavbrudd. Da man fjerner svært lite materiale pr. slipepass vil det være behov for å utføre denne bearbeidingen relativt ofte. Dette er en metode som bare kan brukes preventivt og ikke for korrektiv bearbeiding der større skader har oppstått. Figur 22 Passive slipesteiner Figur 23 Høyhastighetssliping Større sporarbeider 27

28 2.4.3 Fresing Fresing av skinner er en relativ ny bearbeidingsmetode. Det anvendes et eller 2 fresehjul pr. skinnestreng for å fjerne materiale. Med denne metoden kan det fjernes fra 0,3 til 3 mm skinnemateriale i et fresepass. Hastigheten på fresetoget i operasjon er typisk ca 500 meter pr. time. Fresing er en godt egnet metode dersom man ønsker å fjerne mye materiale, for eksempel ved kontaktutmattingsskader på skinnene. Metoden har også fordeler i tettbebygde strøk da fresemaskinene avgir langt mindre støy og støv enn slipemaskiner. Overflaten på skinnene etter fresing blir tilnærmet helt glatt i motsetning til sliperillene som oppstår etter sliping med aktive roterende steiner. Fresing egner seg dårligere for preventiv bearbeiding der lite materiale skal fjernes. Her vil sliping være mer effektivt. En annen ulempe er at man er låst til et bestemt profil under bearbeidingen i motsetning til aktiv sliping der man kan tilpasse tverrprofiler langs banen. (f.eks. spesialprofiler i kurver og normalprofil på rettstrekning) Figur 24 Fresehjul og fresetog Høvling Høvling kan brukes til å fjerne rifler og bølger, men metoden er mest aktuell i forbindelse med full reprofilering av oversiden av skinnehodet (pga. utvalsing, «shelling» eller ekstrem bølgedannelse). Resultatet etter høvlingen blir som regel bra, men overflatekvaliteten (jevnheten) blir noe dårligere enn ved sliping. Er kravene meget høye, kan høvlingen kombineres med sliping av sporet umiddelbart etter høvling. Vanligvis er imidlertid høvling godt nok alene og bør vurderes når det er mye metall som skal fjernes, samt ved virkelig dårlig tilstand slik at skinnen må reprofileres Større sporarbeider 28

29 2.5 Planlegging og forberedelser Planlegging av berbeiding har til nå blitt gjort, og gjøres stort sett fremdeles, på grunnlag av målinger fra målevognskjøringer. Ut fra målingene lokaliseres de strekninger hvor bølgedannelsen overstiger gitte krav, og som da vil ha behov for sliping. Ifølge deler av litteraturen, bør dette kravet være rundt 0.1 mm for korte bølger. Andre har strengere krav. Kravene er ofte differensiert alt etter hva slags bane, støyhensyn man setter, etc. Tabellen under viser inngrepskriterier som er fastlagt i JD532, kap.7. Tabell 3 Inngrepskriterier for sliping ved Jernbaneverket Sth (km/h) Trafikkbelastning (Mbrt/år) Bølgedybde - korte bølger RMS verdier topp til bunn verdier > 160 0,02 mm 0,06 mm 4 0,02 mm 0,06 mm 130 v 160 < 4 0,03 mm 0,08 mm 2 0,03 mm 0,08 mm < 130 < 2 0,05 mm 0,15 mm Ved boligområder i tettbygd strøk med utendørs støynivå > 65 db(a) bør bearbeiding iverksettes når bølgedybden for korte bølger overstiger 0,05 mm ( topp til bunn ). I de senere årene er det fokusert mer på slipeprogram basert på preventiv sliping, det vil si slipeprogram basert delvis på trafikkbelastning (mill.br.tonn) og ikke bare på visuelle / målbare kriterier. Ved denne metoden elimineres problemene før de oppstår. Forberedelsene er viktig, f.eks påleggsveising av sår i skinnene (evt. innlegging av skinnekapp), pakking/justering av sporet dersom den geometriske kvaliteten er dårlig. Ved sliping av lange bølger må sporet ha en tilfredsstillende standard, når sliping eller høvling skal gjennomføres dersom resultatet skal bli tilfredsstillende. inngrepskriterier påleggssveising brannfare Før sliping iverksettes, bør skinnene på strekningen gås nøye over. Sliping (eller høvling) ikke kan reparere sluresår eller andre større skader i skinneoverflaten. Slike skader fører til store dynamiske påslag i sporkreftene og vil før eller siden ødelegge betongsvillene under den skadede skinnen. Ballastspenningene blir også svært høye på slike steder, noe som fører til nedknusing av ballasten. Før påleggsveising foretas, må en være sikker på at skinnen ikke har fått dypere sprekkdannelser som følge av skadene i overflaten. Har den dypere skader, må det sveises inn skinnekapp. Sliping om sommeren kan skape store problemer på grunn av brannfaren. Stadige branntilløp senker effektiviteten, samt at man må ha mer ressurser i form av mannskap og maskiner/vannvogner Større sporarbeider 29

30 2.6 Oppfølging og dokumentasjon De fleste jernbaneforvaltninger stiller bestemte krav til hvordan skinnene skal se ut etter bearbeiding. Det stilles krav til skinnens lengdeprofil, tverrprofil og overflateruhet i standarden EN Lengdeprofil Tabell 4 viser akseptansegrensene som er foreslått i den nye euronormen. Standarden krever slipeoperatøren utfører kontinuerlige målinger etter siste slipepass. Målingene skal filtreres for å vise bølgehøyder innenfor flere bølgelengdeområder. Målingene kan presenteres enten som gjennomsnittlig bevegelig RMS amplituder eller som gjennomsnittlig topp til topp amplituder. Kjøperen av slipetjeneste kan velge mellom to standarder (A og B). Det tillates innenfor hver standard at en viss prosentandel av målingene overstiger akseptansegrensene. Tabell 4 Akseptansegrenser for lengdeprofil etter sliping Bølgelengde område [mm] Målebasis lengde [m] 0,6 0,6 1 5 gj.snitt bevegelig RMS amplitude 0,004 0,004 0,012 0,04 topp-topp gj.snitt bevegelig amplitude [mm] 0,010 0,010 0,030 0,10 Maks overskridelse Standard A 5% 5% 5% 10% Maks overskridelse Standard B 10% 10% Tverrprofil Før bearbeiding må kjøperen definere et målprofil som det skal bearbeides til. Dette kan være et standard skinneprofil, f.eks UIC60, eller et spesialprofil for å motvirke slitasje eller kontaktutmatting. EN-standarden krever at slipeoperatøren skal utføres min. 1 tverrprofilmåling for hver 500 meter som er slipt. Tabell 5 viser akseptansegrenser som er foreslått for tverrprofil etter sliping Tabell 5 Akseptansegrenser for tverrprofil etter sliping Avvik fra målprofil - variasjonsbredde Kval.standard 0,6 mm 1,0 mm 1,7 mm Q 80% 100% 100% R - 80% 100% S % For tverrprofilet kan kjøperen velge mellom 3 standarder (Q,R og S). I den strengeste standarden skal min. 80% av målingene ligge innenfor en variasjonsbredde på 0,6 mm i forhold til målprofilet og alle målinger skal ligge innenfor en variasjonsbredde på 1,0 mm i forhold til målprofilet. Overflateruhet Overflateruheten etter sliping bør ikke være for høy av hensyn til støyen som oppstår når togene kjører på en ru overflate. EN-standarden krever at operatøren tar 6 sammenhengende målinger innenfor ± 10 mm fra skinnehodets senterlinje pr. uke. Målingene skal tas innenfor samme Større sporarbeider 30

31 slipefasett. Akseptansekravet som er foreslått er at overflateruheten ikke skal overstige 10 m (Ra) i mer enn 1 av de 6 målingene. 2.7 Bearbeidingsstrategi Det refereres ofte til to typer, eller «filosofier», for bearbeiding av skinner: * Preventiv bearbeiding som vil si bearbeiding før problemene oppstår. Intervaller mellom hver bearbeiding kan være basert på krav til støy, på trafikkbelastningen (et visst antall mill.br. tonn), kurveradius, erfaring med strekningen mhp. når problemer tidligere har oppstått etc. Ved preventiv sliping vil slipetoget ha få passeringer, og slipingen gjøres raskere og billigere enn dersom defektene hadde vært større. * Korrektiv bearbeiding som utføres når det allerede har oppstått problemer, eller ved bestemte inngrepskriterier, så som bølgedybde, støypåvirkning eller krav til komfort. Typisk for korrektiv bearbeiding er lange tidsintervaller mellom hver bearbeiding. Men det betyr ikke at kostnadene til bearbeiding blir redusert i forhold til preventiv bearbeiding. Når det går lang tid mellom hver gang bearbeiding blir utført blir bølgeamplitudene større, slik at det er nødvendig flere passasjer for å få vekk bølge-formasjonene. Over tid kan vi grovt si at vi trenger det samme slipearbeidet enten vi velger preventiv eller korrektiv slipestrategi. Ved en korrektiv slipestrategi vil vi imidlertid ha lengre tidsperioder med relativt store bølgeamplituder. I disse periodene vil vi få en langt større belastning på sporkomponentene enn ved preventiv sliping der bølgeamplitudene hele tiden holdes på et lavt nivå. På lang sikt er det derfor liten tvil om at en preventiv slipestrategi er billigere når vi tar med alle kostnader knyttet til sporvedlikehold. Bølgedybde Preventiv/vedlikeholdssliping Korrektiv sliping Stor belastning på sporkomponenter ÅR Figur 25 Slipestrategier Større sporarbeider 31

32 På strekningen Kiruna - Riksgrensen har det i lengre tid vært store problemer med head checks, spalling og shelling. Strekningen har relativt store kurveradier og små problem med sideslitasje (overveiende 1100 skinner). Dette i kombinasjon med relativt bra smøring og tunge aksellaster har gitt store kontaktutmattingsproblem. For å forebygge kontaktutmatting prøver man å slipe et skinneprofil på ytterstrengen i kurvene med stor avlastning på kjørekanten (ca 2-3 mm material tas bort på det meste). Det tilstrebes å slipe til et profil som ligner mest mulig på det naturlige slitasjeprofilet i kurver på strekningen. Figur 26 viser et typisk slitasjeprofil på Malmbanan, mens figur 27 viser målprofilet som det slipes til. Begge profilene er vist sammen med et nytt BV50 profil Rettstrekninger og innerstrengen slipes til normalt BV 50 profil. Resultatet av slipingen har vært svært positivt. Større overflateskader av type spalling har nesten helt opphørt. Head checks finnes, men tilveksten synes å ha stoppet der de forekommer. Den gjentatte slipingen (årlig) har redusert det årlige behovet for skinnebytte til ca 1/3 av det normale. Videre har det vist seg å være av stor betydning å identifisere et profil som virkelig gir avlastning på kjørekanten samt å se til at det skapes med stor nøyaktighet (små toleranser er nødvendig). Hvis ikke får ikke slipingen full effekt. Dette krever mye av bestilleren men kan vise seg å bli svært kostnadseffektivt. Figur 26 Innslitt profil på malmbanen sammen med BV Større sporarbeider 32

33 Figur 27 Målprofil på malmbanen sammen med BV Sliping av sporveksler Rifler og bølger vil også opptre i sporveksler som på fri linje. Normalt anvendes de samme inngrepskriterier for sliping i sporveksler som for fri linje. Det er imidlertid ikke mulig å slipe hele sporvekselen. F.eks må slipesteinene løftes i skinnekrysset. Figur 28 viser hvilke restriksjoner som gjelder ved sporvekselsliping Større sporarbeider 33

34 Figur 28 Sliping av sporveksler Ved å bruke slipesteiner med mindre diameter enn hva som er vanlig ved sliping på fri linje er det mulig med full reprofilering av kjøreskinnene forbi ledeskinnene og stokkskinner ved fraliggende tunge. Sliping av stokkskinnen Sliping av krysspiss Ved fraliggende tunge kan stokkskinnen reprofileres fullstendig. Ved tilliggende tunge kan man derimot ikke profilere utsiden av stokkskinnen. Slipesteiner som er vinklet for sliping på stokkskinnens utside må løftes over partiet der hjulet går over fra tunge til stokkskinne. Dette området kan slipes senere ved omlegging av sporvekselen. Det er vanlig å løfte slipesteinene over området rundt krysspiss og vingeskinne. Dette gjøres for å unngå at slipesteinene støter mot krysspissen. Sliping av krysspiss kan derimot utføres når slipingen starter fra bakkant der man sliper med spissen. Sliping av krysspiss er imidlertid vanskelig delvis pga. at spissens form gjør det vanskelig å holde korrekt trykk på slipesteinene og delvis pga. at krysspissen skal ha bestemte ramper Større sporarbeider 34

35 Ved sporvekselsliping er det vanlig å bruke mindre slipeenheter enn for sliping på fri linje. Figur 29 viser en slipemaskin spesielt tilegnet sporvekselsliping. Figur 29 Slipetog for sliping av sporveksler Større sporarbeider 35

36 3. BALLASTRENSING 3.1 Hvorfor renses ballasten Årsaken til at man renser ballasten er at den ikke lenger fyller sin nødvendige funksjon på grunn av for høy andel materiale med liten diameter eller innhold av andre uønskede materialer. Ballastrensingen fjerner dette, og det erstattes med ny og riktig pukk slik at kornfordelingen blir god, ballasten blir fri for humus etc. og ballastprofilet blir stort nok. Ved å rense ballasten oppnår man i første rekke en forbedret fraksjonering, men også renhet. Samtidig nytter man den delen av ballasten i sporet som fortsatt tilfredsstiller selskapets krav. Kreftene som oppstår i sporet føres via skinner og sviller til ballasten hvor den spres i pyramider eller vifter ned til formasjonsplanet/underbygningen, se figur 30. Hvis ballasten er forurenset vil pyramidene ha brattere sidekanter og kraftfordelingen på formasjonsplanet blir dårligere enn tilfellet er ved god ballast. Vi får da en situasjon hvor områdene under pyramidene får store spenningskonsentrasjoner mens områdene mellom dem så og si er spenningsfrie. Dette kan føre til at pukken under svilla fortrenger materialene i underbygningen som i sin tur skyves opp i ballastlaget mellom spenningspyramidene. Ballasten får høyt finstoffinnhold og mister sine ønskede egenskaper i forbindelse med drenering, frost og dermed motstand mot sideforskyvning av sporet. Figur 30 Spenningsfordeling i spor med god ballast og ballast med for stor andel små fraksjoner For å fordele kreftene fra toget, via skinner og sviller, jevnt ned i underbygningen kreves også en viss tykkelse på ballastlaget. Hvis ballastlaget er for tynt, blir pyramidene for lave. Vi får i prinsippet et lignende bilde som i figur 30, med påfølgende opptrenging av finstoff fra underbygningen mellom spenningspyramidene. Hvis man i slike tilfelle bare renser uten å øke ballastlagets tykkelse vil problemet komme tilbake relativt raskt Større sporarbeider 36

37 Mengde og kvalitet på ballasten som ligger på siden av svillene har stor betydning for sporets stabilitet. Det betyr at ballastskulderen også må være ren og ha riktig fasong. Jernbaneverkets tekniske retningslinjer har derfor krav om økt skulderbredde og overhøyde på ballastskulderen på steder med store sidekrefter, for eksempel i kurver med små radier. motstand mot forskyvning på tvers av sporet Et eksempel på betydningen av ballastkvaliteten er faren for solslyng, som er et problem spesielt i helsveist spor. Ved høye skinnetemperaturer oppstår det store spenninger i skinna på grunn av at stålet utvider seg i varme. Men, skinna er "låst fast" til svillene av befestigelsen, og svillene ligger i ballasten som ved riktig sammensetning og oppbygning gir tilstrekkelig motstand mot forskyvning på tvers av sporet. Hvis det er noe "feil" med ballasten, for eksempel mye finstoff eller store variasjoner i kvalitet eller profil, blir motstanden mot forskyvning ujevn eller gjennomgående for lav. Dette kan gi sporet en mulighet til å "knekke ut" med avsporing som mulig konsekvens. 3.2 Tidspunkt for ballastrensing Som nevnt i kap. 2 (Krav til ballast i sporet), er Jernbaneverkets krav til ballasten etter at den er lagt i sporet basert på funksjon og ikke teoretiske prøver eller tester. Det er ikke definert hva "ren ballast" er, og det er heller ikke mulig å vite hva finkornig egentlig vil si. Er det 25 mm som er grensen mellom fin- og grovkorning materiale? Hvis man skal legge kravene til ny ballast til grunn for vurdering av rensebehovet vil det oppstå behov for rensing på de fleste av Jernbaneverkets strekninger. Jernbaneverket har ikke definert noen annen øvre grense for andel av en bestemt fraksjon for ballasten i sporet Metoder for kontroll av ballasten i sporet Jernbaneverket utfører i dag ingen systematisk kontroll av ballastens fraksjonering i sporet, men både de og flere selskaper har innsett betydningen av et godt ballastlag og at det er viktig å ha en strategi for ballastrensingen, - både av hensyn til økonomien i selve ballastrensingen, men også for å begrense vedlikehold og utskifting av andre komponenter i sporet. manuell prøvetaking maskinell prøvetaking Det er ikke lett å finne metoder som egner seg til kontroll av ballasten i sporet. Hittil har så og si all prøvetaking foregått manuelt. På grunn av de store fraksjonene er pukken et vanskelig materiale å håndtere, spesielt når det i tillegg ligger hardt pakket i et godt brukt spor. Det skal store krefter til for å presse noe ned i ballastlaget. Manuelt opptak er arbeidskrevende men fleksibelt, og det kan være effektivt på strekninger med begrenset sportilgang og stor trafikk. For manuell prøvetaking er det viktig at prøvene tas fra samme sted i ballastprofilet, at de er omtrent like store og at de blir tatt opp på en bestemt og fast måte. Banverket har en ombygd pakkmaskin, MUM 9601 populært kalt Sorken, som er beregnet for opptak av ballastprøver, se figur 31,. Den har en hydraulisk borerigg som kan forskyves sideveis, fra spormidt helt ut mot skinnestrengene, og den kan ta prøver ned til 1,4 meter under skinneoverkant. Boret har en spalte/luke som kan tas av slik at lagdeling og ballastlagets Større sporarbeider 37

38 tykkelse kan registreres (se figur 32) før prøven slippes ned i prøvegropen igjen, eventuelt etter fotografering og sikteanalyse. Figur 31 Banverkets MUM "Sorken" Figur 32 Borerøret med åpen luke og innsyn til ballastprøven Større sporarbeider 38

39 Manuell og maskinell prøvetaking har hver sine fordeler og ulemper i forhold til sportilgang og effektivitet. Maskinelle metoder gir mange prøver pr. skift, men krever lengre intervaller med sportilgang enn hva manuelle metoder gjør. Manuelle metoder kan være egnet i områder med tett trafikk og god adkomst til sporet fra veg eller lignende. Hvis prøvene som tas opp skal sammenholdes med sentralt formulerte krav til maks. finstoffinnhold er det viktig at de, uansett metode, blir tatt opp på én bestemt og fast måte Inngrepskriterium I en rapport fra ORE /8/ er det foreslått en definisjon på forurenset ballast: Ballasten anses som forurenset hvis andelen finstoff overskrider kravet i leveransebeskrivelsen. Finstoff er de partikler som er mindre enn minimum tillatt diameter. Hvis man tar utgangspunkt i kravene til ny ballast er dette en relativt streng klassifisering av forurenset ballasten. Det betyr ikke at slik ballast ikke fyller de funksjoner man krever. ORE har i samme rapport foreslått følgende inngrepskriterium for ballastrensing: Ballasten i sporet bør renses når gjennomsnittsverdien fra prøvene viser at vekt-% finstoff, som passerer 22,4 mm kvadratiske sikt nærmer seg 30 %. Jernbaneverket retningslinjer for ny ballast tillater mindre enn 10 vekt-% av denne fraksjonen. Ut fra betraktninger om hvilke fraksjoner som er sårbare for frost og som reduserer stabiliteten i ballastlaget kan inngrepskriterium for ballastrensing knyttes til mindre fraksjoner. Det kan se ut som om ballasten tåler en vekt- % av fraksjonen 11,2 mm opp mot 14 % før den mister sin tilsiktede funksjon. Det er i tillegg viktig å være oppmerksom på at andre lokale forhold kan ha stor betydning for ballastlagets funksjon. Dette gjelder blant annet ballastlagets tykkelse, drenering og tidligere rensemetoder som ikke omfattet ballastskulderen Større sporarbeider 39

40 3.3 METODER FOR BALLASTRENSING Jernbaneverket benytter store skinnegående maskiner, renseverk, til ballastrensing. Figur 33 Renseverk, Plasser & Theurer RM80 Rensingen gjennomføres uten demontering av skinnestigen. Kjedet som skal grave ut ballastpukken, demonteres i ett ledd og føres rundt skinnestigen før det monteres sammen igjen. Skinnestigen løftes litt, og når kjedet settes i bevegelse drar det med seg ballastmaterialet ut til siden og opp i store sikt. Finstoffet siktes ut og fraktes på transportbånd til spesielle vogner, Plasser & Theurer MFS som gjør opplastingen og transport av finstoffet effektiv og gir mindre behov for omlasting, se figur 34 og 35,. Vognene har innvendige transportbånd som fører massene videre til neste vogn. Dette gjør at vognen lengst unna renseverket fylles først og kan tømmes mens rensearbeidet pågår kontinuerlig. Figur 34 Plasser & Theurer MFS, transport og silovogner Større sporarbeider 40

41 Figur 35 Plasser & Theurer MFS, innvendig transportbånd Det bør renses ned til cm under svilleunderkant, og framføringshastigheten på renseverket skal tilpasses ballastkvalitet og fuktighet i sporet. Dårlig ballast og høyt vanninnhold krever lav framføringshastighet for å få tilfredsstillende resultat. Den gamle ballasten som tilfredsstiller kravene til kornstørrelse, legges tilbake i sporet, og det bør med jevne mellomrom tas prøver av denne for å sikre at den tilfredsstiller kravene til fraksjonering og renhet. Tidligere var det vanlig å legge finstoffet ut i skråninger som breddeutvidelse eller rett og slett bare dumpe det i terrenget, men Jernbaneverkets tekniske retningslinjer sier klart at dette ikke skal gjøres. Framgangsmåten var uheldig både med hensyn på drenering og setninger i og rundt sporet og ikke minst estetikk. Det har vært vanlig å rense bare en del av ballastprofilet. Ballastskuldrene har blitt stående urørt, - dog full av finstoff. Dette har ført til at skuldrene etterhvert dannet sidekanter i et tett trau, som var (og mange steder fortsatt er) en effektiv stopper for drenering av den rensede delen av ballastlaget. Slik har effekten av rensinga blitt kraftig redusert. Utpløying, eller rensing av ballastskuldrene er nødvendig og har i det siste blitt mer vanlig. Drenering av hele sporkonstruksjonen, inkl. underbygning, er viktig for å oppretthold sporets kvalitet. Kontroll av at stikkrenner, kummer og grøfter er åpne og i orden bør være en naturlig del av ballastrensinga. Ballastrensing kan fort bli penger ut av vinduet hvis man hurtigst mulig pløyer over strekninger uten tanke på at flere forhold har betydning for justeringsstandard og stabilitet. Flere operasjoner kan kombineres med rensing av ballasten. Det er mulig å legge ned isolasjonsplater eller filterduk i samme prosess. Etter selve rensingen må det etterfylles ballast for å oppnå stort nok ballastprofil, og sporet må pakkes og justeres til riktig posisjon og kurvatur. I Norge er grunnlaget for justeringen løfteskjema og den geodetisk varige utfestingen av linjen, GVUL Større sporarbeider 41