Lærebok i jernbaneteknikk. Det helsveiste sporet

Transkript

1 Lærebok i jernbaneteknikk Det helsveiste sporet Utgitt:

2 1. INNLEDNING 4 2. SVEISEMETODER ALUMINIOTERMISK SKJØTSVEISING DEN ALUMINIOTERMISKE PROSESS SYSTEM FOR SKJØTSVEISING AV SKINNER ELEKTRISK MOTSTANDSSVEISING VALG AV SVEISEMETODE VED SKJØTSVEISING MEKANISKE EGENSKAPER NYE SPOR/SPOROMBYGGING VEDLIKEHOLDSSVEISING KREFTER I HELSVEIST SPOR AKSIALKREFTER PGA. TEMPERATURENDRINGER NØYTRALTEMPERATUR MAKSIMALE TRYKK OG STREKKREFTER PUSTEPARTI BALLASTMOTSTAND LENGDE AV PUSTEPARTI BRUDDÅPNING VED SKINNEBRUDD AKSIAKREFTER PGA SKINNEVANDRING AKSIALKREFTER PGA SIDEFORFLYTNING AKSIALKREFTER I SPORVEKSLER AKSIALKREFTER I SKINNER PÅ BRUER BRUER UTEN GLIDESKJØT BRUER MED GLIDESKJØT MÅLING AV NØYTRALTEMPERATUREN I SPOR DESTRUKTIV MÅLING AV NØYTRALTEMPERATUR KAPP METODEN IKKE DESTRUKTIV MÅLING AV NØYTRALTEMPERATUR SPORETS SIDEMOTSTAND FAKTORER SOM PÅVIRKER SIDESTABILITETEN SIDEFORSKYVNINGSMOTSTAND BALLASTPROFILET BALLASTKVALITET BALLASTENS KONSOLIDERINGSSGRAD SVILLETYPE SIDEFORSKYVNINGSMOTSTAND FOR HELE SPORET MÅLINGER AV SIDEFORSKYVNINGSMOTSTAND VRIDNINGSMOTSTAND SKINNEPROFILETS BETYDNING FOR SIDESTABILITETEN SOLSLYNG 43

3 5.1 UTKNEKKINGSMEKANISMER SOLSLYNG UNDER TOGPASSERING BEREGNING AV KRITISK KNEKKTEMPERATUR MEIERS METODE NØYTRALISERING INNLEDNING PRINSIPP FOR NØYTRALISERING UTGANGSPUNKT VED NØYTRALISERING UTGANGSPUNKT MED HENSYN PÅ SKINNETEMPERATUR NØYTRALISERING I FORHOLD TIL ANDRE ARBEIDER I SPORET ARBEIDSGANG VED NØYTRALISERING SPENNINGSFRIGJØRING MÅLING AV SKINNETEMPERATUR BEREGNING AV FORLENGELSE UTSETTING AV DILATASJONSMERKER KAPPING AV SVEISEÅPNING FORLENGELSE AV SKINNENE STREKKAPPARAT ELLER VARMEVOGN? 62

4 1. INNLEDNING Fra begynnelsen av jernbanens historie ble skinnene forbundet med hverandre ved hjelp av lasker. Det er dette som er opphavet til den nostalgiske kadunk-kadunk -lyden. Allerede på begynnelsen av dette århundret ble de første jernbaneskinner skjøtet sammen med hjelp av aluminiotermisk sveising i Tyskland. Mot slutten av 1930-tallet startet man forsiktig med å sveise sammen skinner i Norge. Pga. skinnenes utvidelse og faren for utknekking ble ikke skinnene sveist sammen til lengre lengder enn meter. På 1950-tallet ble det for første gang gjort forsøk med kontinuerlig sammensveiste skinner. I dag er over 95 % av Jernbaneverkets hovedspor helsveist spor. Innføring av helsveiste skinner er kanskje det viktigste sportekniske fremskritt i dette århundret. Det helsveiste sporet har medført en dramatisk reduksjon i slitasje på både sporet og det rullende materiell. Men det helsveiste sporet har introdusert nye problemstillinger som kan føre til alvorlig sikkerhetsrisiko dersom de ikke behandles på riktig måte. Problemene knytter seg til de store aksialkreftene som blir låst inne i skinnene. Disse kreftene medfører økt fare for skinnebrudd om vinteren og solslyng i sommerhalvåret. Aksialkrefter i helsveiste skinner spor kan forårsakes av følgende faktorer: temperaturendringer i skinnene skinnevandring forflytning av sporet i horisontalplanet utvalsing (plastisk deformasjon) i skinnehodet De store trykkreftene som oppstår i et helsveist spor ved høye skinnetemperaturer stiller store krav til sporets komponenter. Sporet må ha tilstrekkelig motstand mot sideveis utknekking for å unngå solslyng

5 2. SVEISEMETODER I dag anvendes følgende sveisemetoder for skjøtsveising av skinner: Aluminiotermisk sveising ( thermit ) Elektrisk motstandssveising Stasjonær Mobil Elektrisk lysbuesveising (formsveising) Tidligere ble det også sveist skinner med autogensveising (oksygen / acetylengass). Denne metoden ble forlatt på 60-tallet. Det blir utført ca til skjøtsveiser pr. år i Norge fordelt på aluminiotermisk sveising og elektrisk motstandssveising. Elektrisk lysbuesveising blir bare benyttet i enkelte tilfeller ved sveising av sporveksler pga. plassproblemer. Figur 1 viser antall skjøtsveis med fordeling på ulike sveisemetoder fra 1978 til Vi ser at antall skjøtsveiser har hatt en synkende tendens. Dette skyldes flere faktorer, bl.a. er man i dag ferdig med å helsveise alle strekninger i Norge og har gjennomført en omfattende skinnefornyelse. Når det bygges nye spor i dag legges det dessuten mer vekt på å bruke lengre skinnelengder enn tidligere. De siste årene er det imidlertid en økning i antall skjøtsveis. Dette har sammenheng med en kraftig økning i vedlikeholdsinnsatsen på sporene våre Stasjonær maskinsveis Mobil maskinsveis Thermitsveis Ant. sveis År Figur 1 Sveisemetoder anvendt til skinnesveising i Norge

6 2.1 Aluminiotermisk skjøtsveising I Norge ble aluminiotermisk sveising av skinner innført på begynnelsen av tallet. Selv om det bare er gjort små forandringer i sveisemetoden er det i dag fortsatt den dominerende sveisemetode for skjøtsveising av skinner i spor. Hvert år blir det utført mellom 5 og skjøtsveiser i spor med denne metoden ved Jernbaneverket. Dette utgjør i dag nesten 100 % av samtlige skjøtsveiser i sporet. Den aluminiotermiske sveisemetoden kjennetegnes ved at den er svært fleksibel og er lite avhengig av kostbart utstyr sammenlignet med andre sveisemetoder. Det er imidlertid en operatøravhengig metode som krever at sveiserne følger en fastlagt prosedyre nøye for å unngå sveisefeil Den aluminiotermiske prosess Mot slutten av forrige århundre oppdaget Professor Hans Goldschmidt i Tyskland at det var mulig å fremstille rene tungmetaller ved hjelp av metalloksyder og aluminium. Grunnlaget for denne prosessen er aluminiumets sterke affinitet til oksygen som gjør det til et svært effektivt reduksjonsmiddel. Prosessen kalles også gjerne "thermit" 1 - prosessen. Den aluminiotermiske prosess skjer ved antenning av en pulverisert blanding av metalloksyd og aluminium i en digel. Det skjer en redoksreaksjon hvor metalloksydet reduseres til rent metall og aluminiumet oksyderes til aluminiumoksyd. En avgivelse av oksygen fra et metalloksyd krever energi mens oksydasjon av et metall frigir energi. Pga. aluminiumets sterke affinitet til oksygen blir det frigitt mer energi ved oksydasjon av aluminiumet enn det trengs for reduksjon av metalloksydet, slik at det totalt sett blir frigjort energi ved en aluminiotermisk prosess. metalloksyd + aluminium metall + aluminiumoksyd + energi Energien som blir frigjort fører til en sterk varmeutvikling slik at metallet og aluminium oksydet smelter og kan tappes ut av digelen og ned i en støpeform. Varmemengden som blir utviklet er avhengig av hvor mye energi som skal til for å redusere de enkelte metalloksyder. I tabell 1 er det angitt nødvendig energimengde for reduksjon av en del kjente metalloksyder, samt energimengden som blir frigjort ved oksydasjon av aluminium. 1 Thermit er registrert varemerke for Elektro Thermit GmbH

7 Tabell 1 Energifrigjøring ved aluminiotermiske reaksjoner Metalloksyd Energi som brukes for reduksjon av 1 mol (kj) Energi som frigjøres ved oksydasjon av 1 mol Al (kj) Frigjort energi ved Alu-termisk reaksjon /mol (kj) CuO NiO Fe 2 O Mn 2 O Cr 2 O Vi kan sammenligne den aluminiotermiske reaksjon med andre oksydasjonsforløp som f.eks. forbrenning av kull. Kullet tar det nødvendige oksygenet fra luften, mens aluminiumet tar oksygenet fra et metalloksyd. I starten ble den aluminiotermiske prosess brukt til fremstilling av karbonfrie metaller som krom, kobber og jern. Rundt århundreskiftet ble prosessen tatt i bruk for sveising av skinner, først sporveisskinner og i årene jernbaneskinner. Sveising av skinner er i dag det klart største anvendelsesområde for den aluminiotermiske prosess. Andre anvendelsesområder er reparasjon og sveising av store konstruksjonselementer som f.eks. skipsaksler, og sveising av kobberkabler System for skjøtsveising av skinner Aluminiotermisk skjøtsveising av skinner blir klassifisert som en smeltesveisemetode, dvs. at det blir dannet en forbindelse ved at skinneendene bringes til flytende fase hvor det blander seg med et flytende tilsatsmateriale. Forbindelsen dannes altså uten bruk av ytre krefter i motsetning til press-sveisemetoder som f.eks. elektrisk motstandssveising. Varmen som skal til for å smelte opp skinneendene kommer dels fra tilsatsmaterialet og dels fra forvarming med brenngasser. Sveiseporsjonene blir levert i plastposer og er tilpasset skinneprofil, skinnekvalitet og sveisemetode. Porsjonene inneholder følgende i pulverisert form: jernoksyd (Fe 2 O 3 ) aluminium (Al) legeringselementer skrapjern Hovedbestanddelene i sveiseporsjonen er Jernoksyd og rent aluminium (99,8%) i pulverisert form. Jernoksydet er vanligvis glødeskall etter valsing av bløtt stål som blir levert fra egnede valseverk. Blir blandingen antent med en spesialtennstikke, starter en reaksjon som gir jern og aluminiumoksyd som resultat. Reaksjonen kan beskrives etter denne kjemiske ligningen: Fe 2 O 3 + 2Al 2Fe + Al 2 O kj Energi

8 1 kg sveiseporsjon gir ca. 1/2 kg jern, 1/2 kg slagg (aluminiumoksyd) og 3550 kj energi. Temperaturen til stålet og slagget ved tapping er ca C. Figur 2 Aluminiotermisk sveising Figur 2 viser en skjematisk oppstilling av Thermit - Smw-F sveisemetode som i dag er standard sveisemetode ved Jernbaneverket. Skinneendene ligger med en avstand fra mm fra hverandre (sveiseåpning) og blir omsluttet av sveiseformer. Over er det fastspent en digel hvor thermit - reaksjonen skjer. Skinneendene forvarmes til ca C før antenning av thermitporsjonen. Etter antenning tar det sekunder før reaksjonen er over, og det flytende stålet kan tappes ned i formene. Ca. 5 min. etter tapping er stålet størknet slik at formene kan tas av og skjøten bearbeides. Figur.3 Aluminiotermisk reaksjon

9 2.2 Elektrisk motstandssveising Elektrisk motstandssveising av skinner er en press -sveisemetode hvor emnene som skal skjøtes i sammen blir varmet opp ved hjelp av elektrisk strøm som blir matet fra en transformator til skinneendene. Sekundærkretsen gir ca A med en spenning på ca 6 V. Under sveiseprosessen føres emnene mot og fra hverandre slik at det oppstår stor elektrisk motstand over skjøten. Emnene blir da varmet opp. Når emnene er blitt tilstrekkelig varme (ca C) blir de stuket mot hverandre under høyt trykk og dermed sveist sammen. Elektrisk motstandssveising skjer uten tilførsel av tilsatsmaterialer og gir en smal sveisesone med svært gode fasthetsegenskaper sammenlignet med andre sveisemetoder for skjøting av skinner. Elektrisk motstandssveising av skinner skjer først og fremst ved stasjonære anlegg hvor skinner i lengder på m blir sveist sammen til langskinner på m. Det finnes også mobile sveisemaskiner som muliggjør elektrisk motstandssveising av skinner i spor. Figur 4 viser et eksempel på et diagram som viser strøm, bevegelse og stukkraft ved elektrisk motstandssveis. Figur 4 Sveisediagram - elektrisk motstandssveis

10 Figur 5 Stasjonær sveisemaskin for elektrisk motstandssveising av skinner Figur 6 Railtech Schlatter mobilt sveisehode

11 2.3 Valg av sveisemetode ved skjøtsveising Valg av sveisemetode for skjøting av skinner er i hovedsak avhengig av følgende faktorer: mekaniske egenskaper anvendelighet/fleksibilitet skinnelengder pris 2.4 Mekaniske egenskaper Når vi ser isolert på de mekaniske egenskaper finner vi at den elektriske motstandssveisen er overlegen i forhold til den aluminiotermiske sveisen. Spesielt gjelder dette seighet og utmattingsfasthet. Dette skyldes i hovedsak at den aluminiotermiske sveisefugen består av en relativt grovkornet støpestruktur. Dessuten er sveisesonen som inkluderer de varmepåvirkede sonene langt bredere ved en aluminiotermisk sveis enn ved en elektrisk motstandssveis. Figur 7 viser et etset lengdesnitt av de to sveisemetodene. SkV Thermit sveis Elektrisk motstandssveis Figur 7 Lengdesnitt av thermit-sveis og elektrisk motstandssveis For utmattingsfastheten er det rimelig å anta følgende verdier for skinnen og de forskjellige sveisemetodene. Skinne: 300 N/mm 2 Elektrisk motstandssveis: 270 N/mm 2 Aluminiotermisk sveis: 220 N/mm

12 2.5 Nye spor/sporombygging Figur 8 viser hvordan skinnene vanligvis sveises sammen til et helsveist spor. Fra valseverket kommer skinnene i lengder på m. Disse kortskinnene blir så sveist sammen til langskinner i et stasjonært motstandssveiseverk. Avhengig av kapasiteten til valseverket vil lengdene på langskinnene variere fra m. Jernbaneverket sitt sveiseverksted på Hauerseter sveiser 4x40m til 160 m langskinner mens Banverkets sveiseverksted har kapasitet på lengder opp til 400 m. Sammensveising til helsveiste skinner ute i spor skjer vanligvis med aluminiotermisk sveisemetode Årsaken til at skinnene sveises sammen til langskinner stasjonært er den overlegne mekaniske kvaliteten til den el. motstandssveisen. På den måten kan man redusere antall aluminiotermisk sveiste skjøter i sporet m Sveiseverksted (el. motstandssveising) m Aluminiotermisk sveising i spor Helsveist spor Figur 8 Produksjon av helsveist spor med mellomsveising i sveiseverksted Ca % av alle skinnebrudd oppstår i skjøtsveiser hvor brudd i aluminiotermiske sveiste skjøter utgjør hovedparten. Ved å bygge nye spor uten aluminiotermisk sveiste skjøter kan man trolig spare store vedlikeholdskostnader som følge av færre skinnebrudd/skinnefeil. Nye mobile sveisemaskiner som er i stand til å utføre strekking av skinnene samtidig som de sveises sammen muliggjør dette. Samtidig skjer det for tiden en utvikling i retning av lengre skinner fra valseverkene. For tiden kan to av valseverkene i Europa levere skinner i lengder opp til 120 m. Muligens vil vi derfor se en utvikling av at nye spor blir bygd uten at skinnene er innom stasjonære sveiseverk, samtidig som mobile sveisemaskiner utfører sveising i spor (figur 9)

13 Valseverk m Mobil sveisemaskin (elektrisk motstandssveising) i spor Helsveist spor Figur 9 Produksjon av helsveist spor med utkjøring av lange skinner i spor direkte fra valseverk Vedlikeholdssveising Med vedlikeholdssveising menes her stikkbytte av skinner, reparasjon av skinner ved å sveise inn kapp og utskifting av isolerte skjøter/sporvekselkomponenter. Denne type sveising krever disponering av et trafikkert spor, noe som stiller krav til sveisemetodens fleksibilitet. Til tross for de relativt dårlige fasthetsegenskapene er den aluminiotermiske sveisemetoden nesten enerådende når det gjelder vedlikeholdssveising. Dette skyldes at sveisemetoden er fleksibel, billig og krever lite utstyr. Mobile skinnegående sveisemaskiner blir generelt svært lite fleksible i bruk på enkeltsporet strekning. Det er dessuten ikke mulig å anvende mobile sveisemaskiner i sporveksler. Elektrisk lysbuesveising har de samme fordelene som aluminiotermisk sveising når det gjelder fleksibilitet. Men denne sveisemetoden er mer tidkrevende og stiller langt større krav til sveiseren som utfører skjøten. I sporveksler, spesielt i doble kryssveksler kan det i enkelte tilfeller være så trangt at det ikke er mulig å plassere sveiseformer. Her er elektrisk lysbuesveising eneste mulighet

14 3. KREFTER I HELSVEIST SPOR Men det helsveiste sporet har introdusert nye problemstillinger som kan føre til alvorlig sikkerhetsrisiko dersom de ikke behandles på riktig måte. Problemene knytter seg til de store aksialkreftene som blir låst inne i skinnene. Disse kreftene medfører økt fare for skinnebrudd om vinteren og solslyng i sommerhalvåret. Aksialkrefter i helsveiste skinner spor kan forårsakes av følgende faktorer: temperaturendringer i skinnene skinnevandring forflytning av sporet i horisontalplanet utvalsing (plastisk deformasjon) i skinnehodet De store trykkreftene som oppstår i et helsveist spor ved høye skinnetemperaturer stiller store krav til sporets komponenter. Sporet må ha tilstrekkelig motstand mot sideveis utknekking for å unngå solslyng. 3.1 Aksialkrefter pga. temperaturendringer En skinne som ligger fritt opplagret vil forandre lengde når temperaturen i skinnen forandrer seg. Skinnen vil utvide seg når temperaturen øker og krympe når temperaturen synker. Lengdeendring avhengig av temperaturendring kan uttrykkes ved hjelp av formel 1 L/2 L/2 L L + L Figur 10 Lengdeforandring ved temperaturendring l t L L opprinnelig lengde [ m] L lengdeendring [ m] lengdeutvidelseskoeffisient 1, [ m/ 0 C m] t temperaturendring [ C ] 0 (1) lengdeforandring ved temperaturendring lengdeforandring ved kraftpåvirkning Dersom vi påfører en ytre kraft i skinnens lengderetning, trykk eller strekk, vil vi forandre skinnens lengde. Lengdeendringen er avhengig av aksialspenningen i skinnen og kan uttrykkes ved hjelp av formel

15 P L/2 L L + L L/2 P Figur 11 Lengdeforandring ved kraftpåvirkning L L E (2) L opprinnelig lengde [ mm] L lengdeendring [ mm] P aksialspenning [ A N / mm 2 ] E elastisitets mod ul 207, 10 N / mm P aksialkraft [ N ] 2 A skinnens tverrsnittsareal [ mm ] 5 2 aksialspenninger Inne i et helsveist sporavsnitt blir skinnene helt hindret fra å bevege seg pga. friksjonskrefter mellom skinne og sviller og mellom sville og ballast. Ved temperaturendringer vil det derfor opptre aksialspenninger i skinnene i stedet for en lengdeforandring. Vi kan finne et uttrykk for aksialspenningene som opptrer ved å kombinere formel 1 og formel 2, dvs. forlengelse pga. temperaturendring = forlengelse pga. påført ytre kraft = 0 L t L E E t (3) Vi ser at aksialspenningene bare er avhengige av temperaturvariasjonen. Skinnelengden er uten betydning. Utvidelseskoeffisienten og elastisitetsmodulen E kan vi regne som konstante innenfor det temperaturområdet som er aktuelt. Ved å sette inn verdiene for disse faktorene får vi følgende enkle uttrykk: 24, t N / mm 2 (4) For hver grad temperaturendring i en helsveist skinne vil aksialspenningen altså endres med 2,4 N/ mm 2. aksialkrefter Aksialkreftene som oppstår finner vi ved å multiplisere med skinnens tverrsnittsareal. S54 og UIC60 skinner har tverrsnittsareal på hhv mm 2 og 7686 mm

16 1 grads temperaturøkning medfører dermed en kraftøkning på N (1,6 tonn) for S54-skinne og N (1,8 tonn) for UIC60 - skinne. Et tyngre skinneprofil medfører m.a.o. større aksialkrefter i et helsveist spor Nøytraltemperatur For å oppnå tilstrekkelig kontroll med kreftene som oppstår i et helsveist spor. er det fastlagt en skinnetemperatur hvor aksialspenningene skal være lik null. Denne temperaturen kalles nøytraltemperaturen. Ved fastsettelse av nøytraltemperaturen må man balansere behovet for sikkerhet mot solslyng opp mot behovet for sikkerhet mot skinnebrudd. En høy nøytraltemperatur fører til mindre trykkrefter i skinnene ved høye temperaturer om sommeren, mens strekkreftene blir desto større ved kulde om vinteren. Ved JBV er nøytraltemperaturen satt til C. nøytralisering middeltemperaturen nøytraltemperaturområdet Ved fastsetting av nøytraltemperaturen er det tatt utgangspunkt i middeltemperaturen, dvs. den skinnetemperaturen som ligger midt i mellom høyeste og laveste påregnelige skinnetemperatur. For de fleste steder i Norge regner vi med at skinnetemperaturen kan nå opp til C og ned til C. Dette gir en middeltemperatur på C. Når nøytraltemperaturen er satt 6 0 høyere skyldes dette at vi ønsker en større sikkerhet mot solslyng. Dette fordi solslyng anses som en større avsporingsrisiko enn skinnebrudd. Riktig nøytraltemperatur i skinnene tilordnes ved å feste og sveise skinnene sammen ved nøytraltemperatur, eller etter kunstig forlenging av skinnene til en lengde som medfører spenningsfri tilstand ved nøytraltemperatur. Denne arbeidsoperasjonen kalles nøytralisering. Under nøytralisering ved JBV kan nøytraltemperaturen tilordnes innenfor en toleranse på ± 3 0 C, dvs. innenfor temperaturområdet C. Dette kalles nøytraltemperaturområdet Maksimale trykk og strekkrefter Tabell 2 viser de maksimale trykk- og strekkrefter vi kan forvente dersom vi forutsetter en nøytraltemperatur på C, laveste skinnetemperatur C og høyeste skinnetemperatur C. Tabell 2 Maksimale aksialkrefter Skinneprofil Tverrsnittsareal Strekkraft ( t = 51 0 C) Trykkraft ( t = 34 0 C) S mm kn 518 kn S mm kn 567 kn UIC mm kn 627 kn Maksimalkreftene i tabell 2 gjelder for en skinnestreng. De langsgående kreftene for hele sporet blir altså dobbelt så store. Merk også at vi kan få større maksimalkrefter dersom nøytraltemperaturen ikke er som forutsatt

17 3.1.3 Pusteparti Hittil har vi bare sett på hva som skjer inne i et helsveist spor hvor motstanden mot langsgående bevegelse av skinnene er så stor at skinnene er helt fastlåst. Ved hver ende av et helsveist spor, dvs. ved åpne skjøter, vil det ikke være noe som hindrer en bevegelse av skinnen i lengderetningen (bortsett fra evt. motstand i lask). Når vi beveger oss bort fra den åpne skjøten vil det gradvis bygges opp motstand mot bevegelse inntil motstanden er så stor at skinnene er fullstendig hindret fra å bevege seg. Dette partiet kalles pustepartiet (figur 12). t Figur 12 Pusteparti I pustepartiet vil spenningene i skinnene gradvis bygges opp i pustepartiet inntil full bevegelseshindring inntreffer. Motstanden mot lengdeforskyvning utgjøres av friksjonen mellom sville og ballast eller mellom skinne og sville. Denne motstanden betegnes som ballastmotstand Ballastmotstand Ballastmotstand er definert som den motstand skinnen møter når den beveger seg eller prøver å bevege seg i sporets lengderetning. Bevegelse i lengderetningen kan foregå på to måter: 1. skinnene sklir gjennom befestigelsen mens svillene står i ro 2. skinnene beveger seg sammen med svillene relativt til ballasten Ved moderne befestigelse er som regel friksjonen mellom skinne og sville betydelig større enn mellom sville og ballast. Bevegelse i pustepartiet vil da skje ved at svillene beveger seg i forhold til ballasten

18 Ballastmotstanden uttrykkes gjerne ved motstand pr. lengdeenhet. Dersom vi kjenner motstanden som hver enkelt sville yter, finner vi ballastmotstanden ved å dividere med svilleavstanden. Det er vanlig å regne ballastmotstanden pr. skinnestreng, dvs. pr. halve sville motstan d pr. halve sville Ballastmotstand svilleavstand [ N / m] (5) Figur 13 viser ballastmotstanden målt av British Rail på et betongsvillespor med Pandrol befestigelse. Vi ser at motstanden ved små forskyvninger er avhengig av hvor stor bevegelse som finner sted, mens motstanden når en konstant verdi på ca. 9 kn etter 4-6 mm bevegelse. Med svilleavstand på 0,6 m gir dette en ballastmotstand på 7,5 kn/m (pr. skinnestreng). Figur 13 Ballastmotstand Det er vanlig å regne ballastmotstanden i et normalt konsolidert spor med god befestigelse til 7-10 kn/m pr. skinnestreng. Ballastmotstanden kan imidlertid variere sterkt. Nyjustert spor kan ha langt lavere ballastmotstand mens spor med frosset ballast kan ha ballastmotstand opp til kn/m pr. skinnestreng. Moderne befestigelsessystemer har en typisk forskyvningsmotstand på kn pr. befestigelsespunkt, noe som gir en motstand på kn/m ved 60 cm svilleavstand. For spor med dårlig befestigelse som yter dårlig lengdeforskyvningsmotstand kan imidlertid motstand mellom sville og skinne bli bestemmende ballastmotstand ved at skinnene beveger seg relativt til svillene

19 3.1.5 Lengde av pusteparti Lengden av et pusteparti er avhengig av ballastmotstanden og hvor stor aksialkraft vi har i det fastlåste partiet. Dersom vi antar en konstant ballastmotstand kan vi beregne lengden av pustepartiet etter formel 6. P R a r (6) a pustepartiets lengde [m] P kraft i fastlåst parti av helsveist spor [N] R motstand i evt. lask [ N ] r ballastmotstand [ N / m] Motstanden i evt. lask kan settes til ca. 100 kn. Figur 14 viser hvor lange pustepartiene blir i et S54-spor avhengig av ballastmotstanden og temperaturendring i forhold til nøytraltemperaturen. Hver linje i diagrammet representerer en ballastmotstand [kn/m]. Det er i diagrammet sett bort fra motstand i evt. lask Lengde av pusteparti [m] Temperaturendring [gr.c] Figur 14 Lengde av pusteparti i spor med S54 skinner For et normalt godt konsolidert spor kan vi få pustepartier på opptil m, mens vi for et spor med dårlig ballastmotstand gjerne kan få pustepartier på opp til m ved ekstremt lave skinnetemperaturer. Det er viktig å være klar over at vi utløser pustepartier med tilhørende bevegelse av skinnene hver gang vi bryter skinnestrengen som f.eks. ved skinnebrudd eller når vi kapper skinnene for å legge inn et skinnekapp. Dersom vi ikke tar hensyn til dette når vi sveiser skinnene sammen igjen vil vi

20 ikke oppnå riktig nøytraltemperatur i området hvor det har vært langsgående bevegelse av skinnene Bruddåpning ved skinnebrudd Når det oppstår skinnebrudd ved lav temperatur vil det oppstå en bruddåpning som resultat av at bruddet utløser pustepartier hvor skinnene beveger seg fra hverandre. Størrelsen av bruddåpningen vil være en funksjon av ballastmotstanden og hvor stor aksialkraften var i skinnen når bruddet oppsto. Figur 45 viser bruddåpning ved skinnebrudd i et spor med S54-skinner. De forskjellige linjene i diagrammet representerer ballastmotstanden [kn/m]. 80,0 70,0 60,0 Bruddåpning [mm] 50,0 40,0 30, ,0 10,0 0, Nøytraltemp. - bruddtemp [gr. C] Figur 15 Bruddåpning ved skinnebrudd i spor med S54-skinner

21 3.2 Aksiakrefter pga skinnevandring Når tog akselererer eller bremser ned blir det ledet langsgående krefter fra toget til skinnene. Forsøk gjort i USA viser at aksialkrefter opp til 260 kn blir overført til skinnene ved oppbremsing og akselerasjon av tunge godstog. Skinnevandring er en gradvis lengdeforskyvning av skinnene som resulterer i endring av nøytraltemperaturen. Problemet er størst på steder hvor det vanligvis oppstår kraftig oppbremsing eller akselerasjon (foran signaler, sterk stigning/fall mm.). tilleggskrefter restkrefter beregningsmodell Krefter som overføres ved bremsing og akselerasjon kan ikke alene utløse solslyng eller skinnebrudd, men ved et fra før av høyt spenningsnivå i skinnene kan disse tilleggskreftene bidra i negativ retning. Tester (også fra USA) viser at akselerasjon/bremsing ikke bare overfører krefter i det toget passerer, men at restkrefter på opp til 45 kn blir igjen i skinnene etter at toget har passert. Dette beror på at det har funnet sted en langsgående bevegelse i skinnene (Resultatene fra tester utført i USA med tunge godstog kan selvfølgelig ikke overføres direkte til europeiske forhold med langt lavere aksellaster og togvekter). Ved Krakow tekniske universitet i Polen er det utarbeidet en modell for beregning av restkrefter som oppstår i skinnene ved oppbremsing, CREEP. Figur 16 viser et eksempel av beregninger etter denne modellen ved oppbremsing i spor med hhv. 15, 10, og 5 fall. I dette eksemplet er det valgt en vertikal last på 86,25 kn/m i en lengde på 640 m. Figur 16 Beregning av krefter ved skinnevandring Figuren viser kraftøkninger opp til 180 kn ved oppbremsing i spor med 15 fall. Dersom sporet har UIC60 skinner, tilsvarer dette en reduksjon av nøytraltemperaturen på 10 0 C

22 skinnevandring i dobbeltspor Også i spor uten stigning og oppbremsing/akselerasjon kan vi ha skinnevandring. Skinnene vandrer i kjøreretningen og forekommer følgelig hovedsaklig på dobbeltsporstrekninger. Årsaken til denne bevegelsen synes å være sporets bølgebevegelse i vertikalplanet ved togpassering. Løftebølgen foran hjulet forårsaker en tøyning av skinnefoten. Tøyningen resulterer i en liten bevegelse forover av skinnen fordi forskyvningsmotstanden er mindre her enn under den belastede delen av sporet. Når hjulet har passert, vil skinnen bak hjulet igjen bevege seg noe forover pga. at skinnefoten trekker seg sammen igjen. 3.3 Aksialkrefter pga sideforflytning Ved sideforflytning av sporet i kurver endrer vi lengden av skinnene i det partiet som blir flyttet, dvs. at skinnene blir strukket, eller trykket sammen. Dersom vi flytter sporet innover i kurven som vist på figur 17, vil dette medføre en reduksjon i nøytraltemperaturen. Dersom vi flytter kurven utover, vil det medføre en økning i nøytraltemperaturen. Endringen i nøytraltemperatur kan regnes ut etter ligning 7 R A B Figur 17 Sideforflytning av sporet t R R (7) t endring i nøytraltemperatur [ C] R kurveradius [ m] R sideforflyttning [ m] lengdeutvidelseskoeffisient [ 115, 10 m / m C] Figur 18 viser sammenhengen mellom sideforflytning og endring av nøytraltemperaturen ved forskjellige kurveradier

23 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 Kurveradius [m] , Endring nøytraltemp. [gr C] Sideforskyvning [mm] Figur 18 Endring av nøytraltemperatur ved sideforflytning Eks: En sideforflytning på 10 cm i en kurve med radius = 300 m vil medføre en endring av nøytraltemperaturen på 28 0 C. sporjustering i kaldt vær Vi ser at nøytraltemperaturen blir mest påvirket ved sideforflytning i kurver med små radier. Problemer med at sporet flytter seg i kurver er utbredt i Norge. Dette skyldes i hovedsak sporjustering i kaldt vær hvor strekkreftene i skinnene er så store at sporjusteringsmaskinen ikke klarer å legge sporet tilbake der det skal være, men trekker sporet innover i kurven. Men også manglende ballastskulder kan føre til at sporet flytter seg innover i streng kulde. Det er derfor viktig at temperaturgrensene for sporjustering overholdes [JD 532, kap 10]. Justering av sporet skal bare utføres innenfor temperaturområder som angitt i tabell 3. Tabell 3 Temperaturgrenser for sporjustering Kurveradius Temperaturintervall 800 m C m C 400 m C VUL/GVUL For å holde kontroll med aksialkreftene i skinnene er det helt nødvendig å vite hvor sporet ligger i forhold til posisjonen sporet hadde ved nøytralisering. Det er derfor nødvendig med et kontrollsystem hvor man kan måle inn sporets posisjon i forhold til referansepunkter i terrenget (VUL/GVUL). Teknisk regelverk setter grenser for hvor stort avvik sporets sidebeliggenhet kan ha (tabell 4). Dersom disse grensene overskrides, må sporet bakses på plass, eller evt. må sporet nøytraliseres på nytt

24 Tabell 4 Tillatt horisontalt avvik fra sporets posisjon ved nøytralisering Kurveradius Toleranse R < 350 m 15 mm 351 m < R < 500 m 20 mm 501 m < R < 750 m 30 mm R > 750 m 40 mm 3.4 Aksialkrefter i sporveksler I helsveiste sporveksler får vi tilleggskrefter som følge av at to spor går over i et spor. Tungene utgjør frie ender i sporvekselen slik at aksialkraften ved tungespiss vil være lik 0. Aksialkreftene i tungestrengen overføres i stedet gjennom svillene til skinnene som går kontinuerlig gjennom sporvekselen. Hvor store krefter som overføres er avhengig av hvor stive svillene er. Målinger gjort i Tyskland viser at aksialkreftene i sporveksler øker med opptil 40% ved stokkskinneskjøt (figur 19). Figur 19 Aksialkrefter i 1:12 sporveksel målt i Tyskland Selve sporvekselen er som regel meget stiv i horisontalplanet slik at det er liten fare for utknekking her. Derimot er sporet foran stokkskinneskjøt spesielt utsatt for solslyng ettersom kraftøkningen også påvirker sporet utenfor sporvekselen. 3.5 Aksialkrefter i skinner på bruer I likhet med skinnene er også bruer utsatt for temperaturendringer. De fleste bruer er utstyrt med et eller flere bevegelige lagre slik at lengdebevegelse av brua tillates ved temperaturendring. Selv om det er forholdsvis små forskjeller i utvidelseskoeffisient for bru og skinne, vil den store forskjellen i oppvarmingsog avkjølingshastighet føre til relativ bevegelse mellom bru og skinne. Dessuten har vi forskjellige ekstremtemperaturer for bru og skinne. Relativ

25 bevegelse mellom bru og skinne fører til en overlagring av aksialkrefter i skinnene Bruer uten glideskjøt Når en bru uten glideskjøt beveger seg overføres krefter gjennom ballast og sviller til skinnene. Kraften som overføres påvirker aksialkraften til skinnene. Figur 5 viser et forenklet bilde av aksialkraft og lengdebevegelse i en bru med et spenn. Vi ser at bevegelse av brua fører til en økning av aksialkraft ved bruas bevegelige lager, mens vi får en kraftreduksjon ved det faste lageret. Bevegelse av brua påvirker ikke bare kraftbildet i skinnene inne på brua, men også sporet utenfor blir påvirket. Brubevegelsens påvirkning av skinnenes aksialkraft er forbundet med en lengdebevegelse av skinnene. Den største bevegelsen finner sted ved bruas symmetriakse, der avstanden til sporet utenfor brua som holder igjen er størst. ballastmotstand, r skinne sville bevegelig lager fast lager aksialkraft [N] Ld/2 Ld Ld/2 upåvirket aksialkraft bevegelse skinne [mm] l maks Figur 20 aksialkraft og bevegelse i skinner på bru uten glideskjøt maksimal tilleggskraft Hvor store krefter som kan overføres er avhengig av bruas dilatasjonslengde og ballastmotstanden. Formel 8 gir maksimal tilleggskraft ved det bevegelige lageret. Vi forutsetter her konstant ballastmotstand og ser bort fra evt. relativ bevegelse mellom ballast og brukar. P tileggskraft pga. bruas bevegelse [ N] Ld bruas dilatasjonslengde [ m] r ballastmotstan d [ N / m] P Ld r 2 (8) Vi ser at tilleggskraften øker proporsjonalt med dilatasjonslengden og ballastmotstanden. For bruer med gjennomgående ballast kan vi regne med en ballastmotstand på 7 kn/m. For en bru med dilatasjonslengde på 100 m gir

26 dette en maksimal kraftoverføring på 350 kn. Dersom vi har UIC60-skinner på brua vil dette tilsvare en økning på 37 % av maksimal strekkraft om vinteren, og en økning på 55 % av maksimal trykkraft om sommeren (forutsatt nøytraltemperatur = C). Den store økningen i trykkrefter vi kan få fører til økt fare for solslyng. På brua har som regel sporet god sideforskyvningsmotstand. Det er spesielt sporet på land ved det bevegelige lageret som er utsatt. Om vinteren kan frosset ballast føre til høyere ballastmotstand. Dermed øker kraftoverføringen og vi kan få svært høye strekkspenninger i skinnene i ugunstige tilfeller, noe som øker faren for skinnebrudd. På mange stålbruer er brusvillene festet direkte til brua. Det er da lengdeforskyvningsmotstanden i befestigelsen som avgjør hvor store krefter brua kan overføre til skinnene. Ved vanlig type befestigelse får vi uakseptable store tilleggskrefter. Skinner på stålbruer uten ballast og uten glideskjøt er derfor som regel festet med en spesiell type befestigelse som tillater skinnene å bevege seg relativt fritt i forhold til svillene. Dvs. at ballastmotstanden, og dermed kraftoverføringen blir svært liten. Ulempen med denne type befestigelse er at vi kan få store bruddåpninger ved evt. skinnebrudd. Det er derfor begrensninger i hvor lange lengder man kan ha denne type befestigelse. Ved JBV tillates maks. 100 m Bruer med glideskjøt For å unngå for store tillegg i skinnenes aksialkraft må det installeres glideskjøt når bruas dilatasjonslengde blir stor. Ved JBV er kravet at det skal være glideskjøt dersom dilatasjonslengden er over 120 m for bruer med gjennomgående ballast, og over 100 m for bruer uten ballast. Glideskjøter monteres alltid ved bruas bevegelige lager der bruas lengdeendring er størst. glideskjøt ballastmotstand, r skinne sville aksialkraft [N] bevegelig lager pusteparti, a Ld pusteparti, a fast lager P upåvirket aksialkraft 0 bevegelse skinne [mm] l maks med bru l maks uten bru med bru 0 Figur 21 Aksialkraft og lengdebevegelse i skinner på bru med glideskjøt pustepartier Figur 8 viser aksialkraft og bevegelse i skinner på en bru med 1 spenn og glideskjøt. Ved glideskjøten kan skinnene bevege seg helt fritt i lengderetningen, noe som fører til at aksialkraften faller til 0. De frie endene som

27 glideskjøten representerer medfører pustepartier med lengdebevegelse av skinnene. Ulempen med glideskjøter er at vi får store bevegelser av sviller og skinner ved skjøten. Etterfølgende eksempel viser hvor store bevegelser vi får ved glideskjøten på en betongbru med dilatasjonslengde på 400 m. 3.6 Måling av nøytraltemperaturen i spor For å ivareta sikkerhet mot avsporing er det viktig å overvåke sikkerhetskritiske sporparametere. Det har lenge vært gode muligheter for overvåking av sporgeometriske parametere som sporvidde, vindskjevheter samt sporfeil i høyde og sideretning. De absolutte aksialspenningene i skinnene har derimot ikke latt seg måle på noen enkel måte. Inntil nylig har den eneste måten å kontrollere nøytraltemperaturen på vært å kappe skinnene. Dette er en svært kostbar og tidkrevende metode, da skinnene må sveises sammen igjen etterpå Destruktiv måling av nøytraltemperatur Kapp metoden Ved å kappe skinnene vil man utløse spenningene ved kappstedet og skinnene vil bevege seg. Ved å måle denne bevegelsen kan man anslå hva nøytraltemperaturen var før man kappet skinnene. Nøyaktig beregning av nøytraltemperaturen betinger imidlertid at man kjenner den eksakte ballastmotstanden, hvilket neppe er tilfellet. Helt nøyaktige beregninger kan man imidlertid oppnå ved å instrumentere skinnen med strekklapper. Dette gjør hele operasjonen svært kostbar Ikke destruktiv måling av nøytraltemperatur I de senere årene er det lagt ned betydelige ressurser på å utvikle måleutstyr for ikke destruktiv testing av skinnespenninger. Noen instrumenter er allerede på markedet og er tatt i bruk hos enkelte forvaltninger. Grovt kan vi si at måleutstyr for ikke destruktiv testing baserer seg på en av de følgende 3 prinsipper: magnetiske egenskaper i skinnestålet ultralyd mekanisk løft Magnetiske egenskaper Stålets magnetiske egenskaper vil endre seg med det mekaniske spenningsnivået. Dette prinsippet er bl.a. benyttet av Metal Elektro med sitt måleinstrument Railscan. Med Railscan kan man enkelt utføre en serie målinger langs en skinnestreng. Instrumentet kan betjenes av en mann og er raskt å bruke. Railscan måler ikke de absolutte aksialspenninger over hele profilet, men måler spenningene i steget like under skinnehodet. For å oppnå korrekte måleresultater er man avhengig av å kalibrere instrumentet opp mot en skinne som har den samme egenspenningsfordelingen som skinnene man skal måle. Fordeling av egenspenninger vil variere med skinneprofil, valseverk,

28 retteprosess, stålkvalitet og evt. varmebehandling. I praksis bør man ha tilgjengelig kalibreringsskinner av enhver kombinasjon av ovennevnte variabler dersom man ønsker korrekte målinger. Dette begrenser nytten av instrumentet betraktelig. Et nederlandsk firma, Grontmij, har også utviklet et måleinstrument basert på magnetiske egenskaper. Måleprinsippet bygger på den såkalte Villari - effekten, dvs. forandring av magnetiseringsdomene når et materiale påvirkes av mekanisk spenning. En spole omslutter skinnen, noe som betyr at man må fjerne noe ballast. Dette instrumentet krever ekstern strømforsyning. Figur 22 Railscan (Metal Elektro) Figur 23 Grontmij Rail stress tester

29 Ultralyd Stålets egenskaper til å forplante lyd vil også endre seg med det mekaniske spenningsnivået. Ved å sende ut longitudinelle ultralydbølger på et sted og fange opp lydbølgene på et annet sted langs skinnen kan man måle tiden og dermed lydhastigheten som igjen er avhengig av de mekaniske spenninger. Debro 30 er et instrument utviklet i Polen som bygger på dette akustoelastiske prinsippet. Det er imidlertid heller ikke her de absolutte aksialspenninger over hele profilet som måles, men spenningene langs en smal stripe i skinnesteget. Dette instrumentet må i likhet med railscan kalibreres opp mot samme skinnetype som skinnen man skal måle og har således de samme begrensninger. Mekanisk løft I England har Vortok sammen med AEA Technology utviklet et instrument som bygger på det enkle prinsippet om at kraften som skal til for å løfte en skinnestreng øker med økende aksialkraft i skinnen. VERSE er pr. i dag det eneste instrumentet som måler den absolutte aksialspenningen direkte. Man trenger ikke ta hensyn til forskjellige stålkvaliteter, valse/retteprosesser og evt. varmebehandling av skinnene man skal teste. Det eneste instrumentet skal vite om skinnen er høyden på profilet. VERSE er i dag tatt i bruk av enkelte forvaltninger, bl.a. VR i Finland. Instrumentet har imidlertid også begrensninger. Man er avhengig av at det er strekkspenninger i skinnene. Dette setter begrensninger på når det er mulig å teste. På sommeren må er man nødt til å teste på nattid for å unngå trykkspenninger i skinnene. Krappe kurveradier har også vært et problem for VERSE. På de første utgavene av instrumentet var det ikke mulig å måle i kurver med radier under meter. I dag er instrumentet kraftig forbedret på dette punktet. VR i Finland anvender i dag VERSE i kurver med radius ned til 600 meter

30 Figur 24 VERSE

31 4. SPORETS SIDEMOTSTAND For å unngå at sporet knekker ut ved store trykkspenninger i skinnene, må vi ha tilstrekkelig sidestabilitet i sporet. En rekke faktorer er med på å bestemme hvor stabilt sporet er mot sideveis forskyvning. De viktigste er ballastprofil ballastkvalitet ballastens komprimeringsgrad svilletype befestigelsestype skinneprofil 4.1 Faktorer som påvirker sidestabiliteten Sporets stabilitet mot sideveis utknekking er avhengig av sporets sideforskyvningsmotstand sporets vridningsmotstand Sideforskyvningsmotstand Sideforskyvningsmotstanden kan defineres som den motstand en sville møter når den beveger seg eller prøver å bevege seg sideveis. Den totale sideforskyvningsmotstand kan vi dele opp i 3 komponenter: F b = motstand fra svillebunn (30-50 %) F s = motstand fra svillesider/svillemellomrom (40-60 %) F e = motstand fra ballastskulder/svilleender (10-30 %) Praktiske forsøk har vist at sideforskyvningsmotstanden er avhengig av veien svillene forflytter seg (figur 25). Figur 25 Sideforskyvningsmotstand avhengig av vei For nylig pakket spor antar forskyvningsmotstanden en konstant verdi etter noen få millimeter forskyvningsvei. For et konsolidert spor når forskyvningsmotstanden en maksverdi (F P ) før den avtar til en konstant verdi (F L ). Praktiske forsøk har vist at maksverdien for konsolidert spor opptrer ved en

32 sideforskyvning på 5 mm eller mindre, mens forskyvningsmotstanden når en konstant verdi etter mm forskyvningsvei. Følgende faktorer har innflytelse på motstanden som sporet møter ved sideforskyvning: ballastprofil ballastkvalitet ballastens konsolideringsgrad svilletype svilleavstand Ballastprofilet Ballastskulderen Ballastskulderen har en avgjørende innflytelse på sporets sideforskyvningsmotstand. Ikke bare mengden ballast utenfor svilleendene, men også ballastmengden i svillemellomrommet bidrar til sporets motstand mot sideveis forskyvning. For å sikre tilstrekkelig sidemotstand er det satt krav til ballastprofilet for spor som skal helsveises (Figur 2) [JD 530, kap 10]. Tabellen under viser hvilke profiler som skal anvendes ved forskjellige kombinasjoner av kurveradier og svilletyper. Tabell 5 Ballastprofiler spor med tresviller spor med betongsviller skinnelengder > 30 m. skinnelengder < 30 m. Rettlinje og radier Rettlinje og radier > Profil 1 Profil 1 > 500 m 400 m Radier m Radier m Profil 2 Profil 1 Radier m Radier m Profil 3 Profil 1 Radier < 300 m Radier < 250 m ikke tillatt Profil

33 Figur 26 Ballastprofiler for helsveist spor Figur 27 For lite ballast

34 Figur 28 Spor med godt ballastprofil Ballastkvalitet Ballastmaterialets kornform og fraksjonering har innflytelse på hvor stor motstand ballasten yter mot sideveis forskyvning av svillene. Det er et krav om at ballasten i et helsveist spor skal bestå av fullverdi pukk med kornstørrelse mm. (tidl mm). Forurensninger og vann i ballasten vil nedsette forskyvningsmotstanden betraktelig. Dårlig drenering vil altså være med på å redusere sikkerheten mot solslyng Ballastens konsolideringssgrad sporjustering Alle arbeider som reduserer ballastens konsolideringsgrad medfører en reduksjon i sideforskyvningsmotstanden. Figur 29 viser resultater av forsøk med å sideforskyve sporet etter sporjustering. Vi ser at forskyvningsmotstanden rett etter sporjustering faller til % av full motstand. Dersom vi bruker kantvibrator øker motstanden noe, mens bruk av dynamisk sporstabilisator som vibrerer hele sporet øker forskyvningsmotstanden til mellom 60 og 75 % av full motstand. Etter sporjustering skal det iverksettes hastighetsreduksjon i kurver med radius 400 m dersom det kan forventes skinnetemperaturer over C [JD 532, kap.13]. Full sidemotstand oppnås etter ca brt togpassering. Dette tilsvarer 3-6 dager ved hovedspor i Norge. Bruk av dynamisk sporstabilisator vil øke sidemotstanden tilsvarende ca brt umiddelbart. ballastrensing Andre sporarbeider som reduserer forskyvningsmotstanden er ballastrensing og svillebytte. Etter ballastrensing kan vi regne med at motstanden er redusert til % av full motstand

35 Det må utvises meget stor aktsomhet ved slike sporarbeider i varmt vær. Regler for vedlikehold av helsveist spor [JD 532, kap. 10] gir temperaturbegrensninger for slike arbeider. Arbeid som svekker sporets stabilitet skal bare utføres i skinnetemperaturområdet C. Figur 29 Sideforskyvningsmotstand etter sporjustering

36 4.1.5 Svilletype Svillenes form og tyngde er med på å bestemme sporets sidestabilitet. Figur 30 viser resultatet av praktiske forsøk med sideforskyvning av sporavsnitt med forskjellige svilletyper. Forsøkene er utført av ERRI. Figur 30 Sideforskyvningsmotstand med forskjellige svilletyper I figuren er forskyvningsmotstanden for tresviller brukt som referanse. Vi ser at betongsviller har vesentlig bedre sideforskyvningsmotstand enn tresviller og stålsviller. Det er fremfor alt tyngden til betongsvillene som gjør at disse yter større motstand. Vekten til en betongsville er kg mens en tresville veier fra kg. Formen på svillene har også betydning for sideforskyvningsmotstanden. Figur.31 viser skjematisk tresville, monoblokk betongsville og toblokk betongsville sett ovenfra. Vi ser at monoblokk betongsvillens innsving på midten bidrar til større friksjon mot ballasten ved sideveis forskyvning enn den rektangulære tresvillen. Toblokk betongsviller har to endeflater som yter motstand mot bevegelse sideveis og er således den svilletypen med suverent best sideforskyvningsmotstand. Det er også verdt å merke seg at betongsvillenes underkant har betydelig større flate enn overkanten på svillene. Dette pga. at friksjonen mellom underkant av sville og ballasten utgjør en stor del av den totale sideforskyvningsmotstanden

37 Tresville Monoblokk betongsville toblokk betongsville Figur.31 Svilletyper I Østerrike er det utviklet noen spesielle varianter av betongsviller som gir svært god sideforskyvningsmotstand, Rammesville og HDS sville. Rammesvillen er støpt som en ramme noe som medfører et svært stabilt spor. Spor med rammesviller kan imidlertid ikke justeres med vanlige sporjusteringsmaskiner. HDS svillen ligner mer på en normal monoblokksville, men denne har en bredere opplagsflate mot skinnen slik at det blir plass til doble sett med befestigelsesfjærer. I spor med denne type sviller kan man bruke vanlige sporjusteringsmaskiner. I Norge er det også gjort forsøk med monoblokk betongsviller som har innstøpt et kraftig mønster/spor på undersiden. Ideen bak dette er at mønsteret skal bidra til at friksjonen mellom sville og ballast øker ved at pukksteinene griper inn i svillens underkant. Laboratorieforsøk viser at det spesielle mønsteret har god effekt på sideforskyvningsmotstanden. Figur 32 Rammesviller

38 Figur 33 HDS sviller Figur 34 Monoblokk betongsviller med innstøpt mønster under Sideforskyvningsmotstand for hele sporet Sideforskyvningsmotstand uttrykkes gjerne som motstand pr. lengdeenhet. Dersom vi kjenner motstanden for en sville finner vi sideforskyvningsmotstanden ved å dividere med svilleavstanden. motstand pr. sville Sporets sideforskyvningsmotstand (9) svilleavstand Sporets sideforskyvningsmotstand er altså omvendt proporsjonal med svilleavstanden. For å opprettholde tilstrekkelig sideforskyvningsmotstand i et helsveist spor er det derfor viktig at ikke svilleavstanden blir for stor. Ved JBV tillates det maks 65 cm svilleavstand i helsveist spor dersom sporet har kurveradius større enn 500 m. For kurver med mindre radius skal svilleavstanden ikke overstige 60 cm

39 4.1.7 Målinger av sideforskyvningsmotstand Sideforskyvningsmotstanden måles ved å skyve/dytte enten enkeltsviller eller flere sviller sammen. Figur 35 viser et oppsett for å måle sideforskyvningsmotstanden. Figur 36 viser typiske verdier for sideforskyvningsmotstand i nypakket spor, mens figur 37 viser verdier fra målinger på tresvillespor i USA. Figur 35 Måling av sideforskyvningsmotstand Figur 36 Sideforskyvningsmotstand i nypakket spor

40 Figur 37 Sideforskyvningsmotstand for tresviller ved varierende ballaststyrke

41 4.2 Vridningsmotstand For at en utknekking av sporet i horisontalplanet skal kunne oppstå, må skinnene rotere i forhold til svillene (figur 38). Figur 38 Vridningsmotstand Når vi betrakter sporet som en ramme bestående av skinner og sviller vil vridningsmotstanden i rammens ledd ha innflytelse på sidestabiliteten til sporet. Vridningsmotstanden, eller rammestivheten er avhengig av befestigelsen. Fjærens klemkraft og friksjonen mellom skinne og mellomlegg/isolator er av stor betydning. Lengden av skinnefotsidens anleggsflate mot underlagsplate eller isolator er avgjørende. Dersom vi sammenligner Hey-Back befestigelsessystem med Pandrol PR og e systemer ser vi at Hey-Back platens ribbekant har betydelig lengre anleggsflate mot skinnefotsiden enn Pandrol-isolatoren har. Figur 8 viser tydelig hvor stor betydning denne forskjellen har på vridningsmotstanden. Det nye befestigelsessystemet Pandrol Fastclip har en sideisolator som har betydelig lengre anleggsflate mot skinnefotsiden enn Pandrol PR/e-clip-systemene og vil derfor ha en større vridningsmotstand. slitasje på isolator og mellomlegg På et betongsvillespor vil slitasje på isolator og mellomlegg kunne redusere vridningsmotstanden betraktelig ved at det oppstår "slark" i befestigelsen. Slitasje på isolatorer opptrer først og fremst i krappe kurver hvor de laterale sporkreftene er størst. Nettopp i krappe kurver har vi den største risiko for solslyng. Det er derfor god grunn til å holde isolatorenes tilstand under oppsyn i krappe kurver

42 Figur 39 Vridningsmotstand for Hey-Back og Pandrol PR 4.3 Skinneprofilets betydning for sidestabiliteten Skinneprofilets treghetsmoment om skinnens vertikale akse har innflytelse på hvor stivt hele sporet blir mot sideveis forskyvning. Samtidig øker aksialkraften i skinnene når tverrsnittsarealet øker. Det er dermed ikke gitt at et større skinneprofil medfører større sikkerhet mot solslyng. Figur 40 viser hvilken innflytelse forskjellige skinneprofil har for sikkerhet mot utknekking, hvor det er tatt utgangspunkt i S49. Beregningene gjelder for rett linje og er utført etter Meiers metode (se avsnitt 5.3.1). Vi ser for eksempel at S54 medfører en reduksjon i sikkerhet mot solslyng på 4% i forhold til S % % 100-4% S49 S54 UIC54 UIC60 Figur 40 Skinneprofilets innflytelse på sikkerhet mot utknekking

43 5. SOLSLYNG 5.1 Utknekkingsmekanismer Solslyng er utknekking av sporet i horisontalplanet som oppstår pga. store trykkrefter i skinnene ved høye skinnetemperaturer der sporets sidestabilitet er for liten til å fastholde sporet. Ved JBV er definisjonen på solslyng at pilhøydefeilen er på min. 25 mm målt med 10 m korde. Prinsipielt kan utknekking skje i 3 forskjellige former (figur 41). Sporet kan knekke ut i en enkel halv-sinusbølge (modus 1) eller flere halvsinusbølger (modus 2 og 3). Ved en utknekking vil det alltid skje en langsgående bevegelse av skinnene i de tilstøtende områder på begge sider av solslyngen. Vi kan si at skinnene mates inn i solslyngområdet. Dette fører til at aksialkreftene i skinnene påvirkes i de tilstøtende områder. Figur 41 Knekkformer Figur 42 Solslyng Østfoldbanen

44 Figur 43 viser et helsveist spor på rettlinje med en liten sinusformet sporfeil med pilhøyde f 0 og lengde 2L 0. Når aksialtrykkreftene i sporet øker som følge av en temperaturøkning, vil sporforskyvningen kunne øke noe inntil en kritisk temperaturøkning Tk nås. Når skinnetemperaturen overstiger den kritiske temperaturen, vil det skje en plutselig utknekking til en stor pilhøyde f over lengde 2L. En ytterligere temperaturøkning vil gradvis øke sporforskyvningen. Figur 43 Figur 44 viser sideforskyvning som funksjon av temperaturøkning ved solslyng. Fra A til B foregår det en liten sideforskyvning som følge av at aksialtrykkreftene øker. Ved B har vi en ustabil situasjon hvor sporet plutselig knekker ut. Utknekkingen medfører en avlasting av trykkreftene inntil sporet er stabilt ved S. Skinnetemperaturen ved pkt. S defineres som den lavere kritiske knekktemperatur, Tk MIN. Skinnetemperaturen ved pkt. B defineres som den høyere kritiske knekktemperatur, Tk MAKS. Figur 44 Likevektstilstander ved utknekking Tk MIN er den laveste skinnetemperaturen hvor sporet kan knekke ut fra pkt. A dersom sporet blir tilført ekstra energi utenfra. Ved Tk MAKS derimot vil sporet knekke ut uten tilførsel av ekstra energi. Sporets likevekt ved Tk MAKS kan sammenlignes med den likevekt et kronestykke har når vi balanserer det på en skarp kant. I figur 44 er det forutsatt at solslyng opptrer som en plutselig sporforskyvning. Dette er ikke alltid tilfelle. Ved en kombinasjon av store initielle sporfeil og liten

45 sideforskyvningsmotstand kan sporet sideforskyves gradvis uten noen eksplosiv fase. 5.2 Solslyng under togpassering Under togpassering vil sporet bevege seg i vertikalplanet i bølgebevegelser. Under hver aksel og boggi får vi en nedbøyning, mens vi foran, mellom og bak aksler og boggier får en heving av sporet (figur 45). Figur 45 Dynamisk avlastning dynamisk avlastning Denne dynamiske avlastningen resulterer i at sideforskyvningsmotstanden reduseres. Tapet av sideforskyvningsmotstand er sporets egenvekt multiplisert med friksjonskoeffisienten mellom sville og ballast. Sideforskyvningsmotstanden under dynamisk avlastning blir da: F D F Q (10) S F F D S sideforskyvningsmotst. under avlastning statisk sideforskyvningsmots. friksjonskoeffisient sville / ballast Q sporets egenvekt friksjon mellom sville og ballast Friksjonskoeffisienten mellom sville og ballast kan bestemmes gjennom praktiske forsøk. For betongsviller kan den variere mellom 0,4 og 0,9 avhengig av ruhet av svillenes underside, ballastkvalitet og konsolideringsgrad. For tresviller kan vi ha langt større variasjoner fordi ballastmateriale i noen tilfeller kan grave seg inn i svilleoverflaten og øke friksjonen betraktelig. Reduksjonen i sideforskyvningsmotstand fører til en reduksjon i kritisk knekktemperatur og dermed økt fare for solslyng under togpassering. En stor del av solslyngtilfellene skjer derfor under togpassering. Sammen med sporets

46 egenvekt og friksjon sville/ballast vil størrelse og karakteristikk av den dynamiske avlastningen avgjøre hvor mye den kritiske knekktemperaturen reduseres i forhold til ubelastet spor. Følgende faktorer har innflytelse på den dynamiske avlastingen: aksellast akselavstand boggiavstand sporets vertikale stivhet (ballastsiffer) 5.3 Beregning av kritisk knekktemperatur Kritisk knekktemperatur kan finnes ved å betrakte sporet som en uendelig lang stav som hviler på et underlag som yter motstand mot forskyvning ved friksjon. Matematisk eksakte løsninger kan bare finnes ved hjelp av differensialligninger. Imidlertid kan tilnærmede løsninger finnes gjennom energibetraktninger Meiers metode Meier lanserte en metode for beregning av kritisk knekktemperatur i Tyskland i Metoden antar knekkformer som vist i figur 4. I modellen inngår en faktor som kalles sporets ekvivalente treghetsmoment, altså skinnestigens stivhet sideveis. Denne faktoren bestemmes ut fra praktiske forsøk for hver aktuelle sporkonstruksjon. Figur 46 Knekkformer - Meier

47 Ved hjelp av energibetraktninger kan man finne empiriske formler for kritisk sporfeil og kritisk knekktemperatur. Formel 11 gir kritisk sporfeil og formel 12 gir kritisk knekktemperatur for rettlinjet spor. f * E J 8 7, F (11) 2 Pk 8 7, J F Tk (12) 2 A E f Formel 13 gir kritisk sporfeil og formel 14 gir kritisk knekktemperatur for kurver. f * Pk 16 E J F (13) R Pk 8 J 8 J 16 J F Tk 2 2 A R f A R f A E f 2 (14) 0 Tk kritisk temperaturøkning ( C) 5 2 E elastisitets mod ulen 2,07 10 N / mm 5 stålets utvidelseskoeff. 1, A skinnenes samlede tverrsnittsflate ( mm ) 4 J sporets ekvivalente treghetsmoment ( mm ) R kurveradius ( mm) F sideforskyvningsmots tan d ( N / mm) * f kritisk sporfeil f antatt sporfeil ( mm) Pk kritisk trykkraft i sporet Figur 47 og 6 viser beregninger som er foretatt på S49 - spor med tre- og betongsviller med Meiers metode. Kritisk temperaturøkning er økning av skinnetemperaturen i forhold til nøytraltemperaturen. Det er brukt følgende forutsetninger i beregningene: svilleavstand = 65 cm ballastskulder = 40 cm koeffisient for konsolideringsgrad = 0,7 koeffisient for løfting mellom boggier = 0,

48 Kritisk temperaturøkning [ 0 C] Pilhøydefeil 5mm 10mm 15mm 20mm Kurveradius [m] Figur 47 Kritisk temperaturøkning S49/betongsviller etter Meier Kritisk temperaturøkning [0C] Kurveradius [m] Pilhøydefeil 5mm 10mm 15mm 20mm Figur 48 Kritisk temperaturøkning S49/tresviller etter Meier

49 Vi ser at kritisk temperaturøkning for en kurve med radius = 300 m er 50 0 C for betongsvillesporet med pilhøydefeil = 10 mm. Dette gir oss en sikkerhetsmargin mot solslyng på ca C (forutsatt maks skinnetemperatur C og nøytraltemperatur C). Dette er for lite og viser tydelig behovet for større sidemotstand i krappe kurver. Større sidemotstand kan oppnås ved å øke skulderbredden på ballastprofilet som vist i figur 49. Her er skulderbredden økt til 55 cm som foreskrevet i JD 530 for spor med liten kurveradius (< 300 m for betongsviller / < 400 m for tresviller). Sporet vil nå teoretisk knekke ut ved skinnetemperatur på 80 0 C i en 300 m radius kurve med pilhøydefeil på 10 mm (forutsatt maks skinnetemperatur C og nøytraltemperatur C). Dette gir oss en sikkerhetsmargin på ca C. Forutsetninger i beregningene: svilleavstand = 65 cm ballastskulder = 55 cm ballast over svilleplan: 10 cm koeffisient for konsolideringsgrad = 0,7 koeffisient for løfting mellom boggier = 0,7 Kritisk temperaturøkning [0C] Pilhøydefeil Kurveradius [m] Figur 49 Kritisk temperaturøkning S49/betongsviller etter Meier

50 6. NØYTRALISERING 6.1 Innledning Dette avsnittet omhandler arbeidsoperasjonene i sporet som utføres for å sikre at skinnene får den nøytraltemperaturen vi ønsker. nøytraltemperatur Nøytralisering er altså en arbeidsoperasjon som utføres for å gi det helsveiste spor en riktig nøytraltemperatur, dvs. at spenningene i skinnene blir liggende på riktig nivå i forhold til temperaturen i skinnene. Ved JBV er det fastsatt at nøytraltemperaturen skal være C. Videre er det fastsatt et nøytraltemperaturområde hvor det tillates at den praktiske nøytraltemperaturen blir liggende innenfor. Dette er temperaturintervallet mellom +18 og C. Nøytralisering består av følgende arbeidsoperasjoner: måling av skinnetemperatur spenningsfrigjøring beregning av forlengelse (dilatasjon) utsetting av dilatasjonsmerker kapping av sveiseåpning forlengelse av skinnene festing av skinnene og sveising 6.2 Prinsipp for nøytralisering Figur 50 viser en 100 m lang skinne som skal sveises inn i sporet. Skinnen har en temperatur på +5 0 C. Dersom vi nå sveiser denne skinnen inn i sporet uten videre vil den få en nøytraltemperatur på +5 0 C, forutsatt at den ikke har innelåste spenninger ved innsveising. 100 m +5 0 C Figur 50 Prinsipp for nøytralisering For at skinnen skal få riktig nøytraltemperatur kunne vi tenke oss at vi varmet opp skinnen til C, og så sveiste den inn i sporet. Imidlertid er det svært vanskelig i praksis å kontrollere skinnetemperaturen slik at skinnen har riktig temperatur over hele dens lengde og tverrsnitt samtidig. I stedet for å bruke temperaturen, bruker vi skinnens lengde som mål på at nøytraltemperaturen blir riktig. Formel 15 viser sammenhengen mellom lengdeendring og temperaturendring i en skinne. I vårt eksempel skal skinnens nøytraltemperatur heves fra +5 0 C til C, altså en temperaturendring på 16 0 C. Ut fra formel 15 kan vi enkelt regne ut at denne temperaturendringen krever en lengdeendring på 18 mm når skinnen er 100 m lang

51 L opprinnelig lengde [ m] L lengdeendring [ m] L t L (15) lengdeutvidelseskoeffisient 1, [ m/ 0 C m] t temperaturendring [ C ] 0 Det vi i praksis gjør er altså å forlenge skinner som har lavere skinnetemperatur enn nøytraltemperaturen. I vårt eksempel forlenger vi skinnen med 18 mm før vi sveiser den siste sveisen, som vi gjerne kaller sluttsveis. Forlengelse av skinner kan utføres enten ved hjelp av varme (varmevogn) eller ved å strekke skinnen (strekkapparat). 6.3 Utgangspunkt ved nøytralisering Utgangspunkt med hensyn på skinnetemperatur Ved helsveising av spor kan vi ha følgende utgangspunkt i forhold til hvilken temperatur skinnene har: a) Skinnene blir lagt og helsveist umiddelbart ved nøytraltemperatur. b) Skinnene har nøytraltemperatur ved helsveising. c) Skinnetemperaturen er lavere enn nøytraltemperaturen ved helsveising d) Skinnetemperaturen er høyere enn nøytraltemperaturen ved helsveising Tilfelle a I tilfelle a kan skinnene helsveises uten nøytralisering da skinnene er spenningsfri ved nøytaltemperaturen. Tilfelle b I tilfelle b har skinnene nøytraltemperatur, men vi vet ikke om de er spenningsfrie. Dersom skinnene er lagt og fastspent utenfor nøytraltemperaturområdet vil hele skinnestrengen ha innelåste spenninger. Dersom skinnene er lagt ved nøytraltemperatur, men skinnetemperaturen i mellomtiden har vært utenfor nøytraltemperaturområdet vil skinnene ha pustepartier med innelåste spenninger. Ved tilfelle b er det derfor nødvendig med en spenningsfrigjøring av skinnene før helsveising. Tilfelle c Ved tilfelle c må skinnene forlenges til en lengde som tilsvarer spenningsfri tilstand ved nøytraltemperatur. Forlengelsen beregnes ut fra en spenningsfri tilstand ved temperaturen skinnene har, og må derfor utføres med utgangspunkt i en spenningsfri

52 skinne. Det er derfor nødvendig med en spenningsfrigjøring av skinnene før forlengning. tilfelle d Skinnene må komprimeres til en lengde som tilsvarer spenningsfri tilstand ved nøytraltemperatur. Da det i praksis ikke er mulig å komprimere lengre skinnelengder kan ikke skinner helsveises ved skinnetemperatur over nøytraltemperaturen. Man må altså vente til skinnetemperaturen synker til nøytraltemperaturområdet igjen Nøytralisering i forhold til andre arbeider i sporet Når nøytralisering er utført i forbindelse med bygging eller vedlikehold av spor, skal skinnene ha riktig nøytraltemperatur. Det er viktig å være klar over at nøytraltemperaturen i stor grad påvirkes av sporets posisjon. Når vi flytter sporet i en kurve, endrer vi lengden av skinnene i kurven og dermed også nøytraltemperaturen, jf. L532, kap.5. Dersom vi bakser sporet i en kurve etter at vi har nøytralisert skinnene, får vi en ny nøytraltemperatur etter baksing. Flytter vi sporet innover, reduserer vi nøytraltemperaturen, mens vi øker nøytraltemperaturen når vi flytter sporet utover. Nøytralisering skal derfor alltid utføres etter at sporet er lagt på plass der det skal ligge. I praksis betyr dette at nøytralisering er det siste man gjør i forbindelse med bygge og vedlikeholdsarbeider. Det tillates imidlertid finjustering med små sideforskyvninger innenfor gitte baksekorridorer etter at sporet er nøytralisert, jf. JD 532, kap Arbeidsgang ved nøytralisering Spenningsfrigjøring Når vi skal forlenge skinnene, må vi ha et spenningsfritt utgangspunkt. Dersom skinnene har nøytraltemperatur, er det ikke nødvendig med forlengelse, men skinnene kan ha innelåste spenninger som må frigjøres. Skinnene er spenningsfrie når de kan bevege seg helt fritt i lengderetningen. Befestigelsen er konstruert for å gi størst mulig motstand mot langsgående bevegelse mellom skinne og sville. Vi må derfor frigjøre skinnefoten for alle befestigelsesfjærer ved spenningsfrigjøring. ruller Selv om skinnefoten er frigjort vil friksjonen mellom mellomleggsplate og skinnefoten yte motstand mot langsgående bevegelse av skinnen. Skinnen skal derfor løftes opp på ruller som plasseres på hver sville slik at skinnefoten ikke hviler på mellomleggsplaten noe sted. Rullene kan være vanlig rundtjern eller rør som er kappet i egnede lengder, eller spesialkonstruerte ruller

53 Figur 51 Spenningsfrigjøring Når skinnene er lagt på ruller skal de bankes med skinnebankemaskin eller klubber for at evt. friksjonskrefter skal løses ut. Det skal ikke brukes slegger av stål da disse kan lage små sår i skinnene som kan gi utgangspunkt for sprekker og brudd. Figur 52 Ulike typer ruller til bruk for nøytralisering av spor

54 Spenningsfrigjøring er som regel den mest tidkrevende arbeidsoperasjonen i forbindelse med nøytraliseringen. Ved nøytralisering av en 500 meter lang skinnestreng skal 1667 befestigelsesfjærer tas av før spenningsfrigjøring og settes på plass igjen før sveising. Dette krever normalt mye personell og tid. På spor med Pandrol PR/e-clip - systemer kan man raskt fjerne befestigelsesfjærene ved hjelp av en såkalt Pandriver. Installasjon av fjærene igjen krever imidlertid mye tid og mannskap da fjærene først må plukkes opp fra pukken og settes på plass før Pandriver kan skyve fjærene i posisjon. På spor med det nye befestigelsessystemet, Pandrol Fastclip, er det imidlertid mulig med store besparelser ved å bruke nyutviklet maskinelt utstyr til å frigjøre skinnefoten for fjærer og sette fjærene på plass igjen. Ved bruk av utstyr som vist på figur 53 er kapasiteten 28 sviller/min. Figur 53 Bruk av maskinelt utstyr til frigjøring/fastspenning av skinnefot ved nøytralisering av spor med Pandrol Fastclip Måling av skinnetemperatur Måling av skinnetemperaturen utføres gjerne med skinnetermometere som har innebygget magnet slik at de kan festes på skinnen. Men også elektroniske termometre med rask respons kan anvendes. Skinnetemperaturen kan variere betydelig over skinnens lengde, spesielt dersom skinnen er lang og den ligger dels i skygge og dels i solskinn. Skinnetemperaturen skal derfor måles flere steder med maks 60 m mellom hvert målepunkt, jf. JD 531, kap.6. Skinnetemperaturen skal alltid måles i skinnesteget på skinnens skyggeside. I varierende værforhold skal man ta hensyn til at skinnetemperaturen kan endres over tid, slik at det kan være nødvendig å utføre flere målinger

55 6.4.3 Beregning av forlengelse Forlengelsen vi må gi skinnene beregnes ut fra differansen mellom målt skinnetemperatur og nøytraltemperatur, og lengden av skinnene. Dersom skinnetemperaturen varierer over lengden vi skal nøytralisere, beregnes en gjennomsnittstemperatur. Beregning av forlengelse skjer etter formel 15. For praktisk bruk i sporet er det laget en tabell etter denne formelen (tabell 6) som gir nødvendig forlengelse ved å gå inn med temperaturdifferanse og skinnelengde. Tabell 6 Skinneforlengelsestabell Eksempel: Skinnetemperatur = 8 0 C Nøytraltemperatur = 21 0 C Skinnelengde = 160m Temperaturdifferanse nøytraltemperatur - skinnetemperatur = 13 0 C Forlengelse = 24 mm

56 6.4.4 Utsetting av dilatasjonsmerker For å kontrollere forlengelsen av skinnene må vi sette ut dilatasjonsmerker på skinnefoten. Figur 2 og figur.3 viser hvordan dilatasjonsmerker skal settes ut. Dilatasjonsmål = beregnet forlengelse. Figur 54 Utsetting av dilatasjonsmerker Figur 55 Merking av forlengelse på skinnefoten I tillegg til dilatasjonsmerke i enden av skinnene må vi også sette ut flere dilatasjonsmerker langs skinnestrengen. Dette gjøres for å kontrollere at skinnen får en jevn forlengelse over hele sin lengde. Eksempelet under viser hvordan vi kan få en fullstendig gal nøytraltemperatur dersom vi ikke kontrollerer forlengelsen godt nok over hele lengden

57 Eksempel: Skinnetemperatur = 12 0 C t = = 9 0 C Skinnelengde = 160 m Beregnet forlengelse = 17 mm I dette tilfelle blir det bare avmerket 1 dilatasjonsmerke i enden av skinnen. Skinnen blir hengende fast på midten slik at hele forlengelsen kommer på den siste halvdelen av skinnen. Dette oppdages ikke fordi man bare har ett dil.merke som kontrollerer den totale forlengelsen. Figur 56 Eksempel - dilatasjonsmerking Resultatet blir at nøytraltemperaturen for de første 80 m blir værende på 12 0 C fordi vi ikke har fått noen forlengelse her. Hele forlengelsen på 17mm får vi på de siste 80 m. Dersom vi går "baklengs" inn i skinneforlengelsestabellen finner vi at dette tilsvarer en økning i nøyt.temperaturen på 18 0 C. Nøytraltemperaturen på de siste 80 m blir altså = 30 0 C. Figur 57 Eksempel - dilatasjonsmerking Befestigelsen er som tidligere nevnt konstruert for å gi stor motstand mot lengdeforskyvning mellom sville og skinne. Vi kan derfor ikke regne med at forskjellen i nøytraltemperatur vil utjevne seg under trafikkbelastning. For å sikre oss mot slike tilfeller må vi sette ut flere dilatasjonsmerker. Kravet til antall dil.merker er gitt i tabell 7. Tabell 7 Krav til antall dilatasjonsmerker Kurveradius (m) r < r 800 r > 800 Antall dil.merker min. 1 / 40 m min. 1 / 60 m min. 1 / 80 m

58 Forlengelsen beregnes ut i fra hvor langt det er fra begynnelsen av skinnestrengen til dilatasjonsmerket Kapping av sveiseåpning Når vi skal kappe sveiseåpning må vi ta hensyn til beregnet forlengelse. Dersom sveiseåpningen skal være 21 mm og beregnet forlengelse er 14 mm, må vi ha en åpning på = 35 mm før forlengelse. Figur 58 Kapping av sveiseåpning Forlengelse av skinnene Forlengning av skinnene kan utføres på to måter: ved bruk av hydraulisk strekkapparat ved bruk av varmevogn Når vi bruker strekkapparat strekker vi skinnene til riktig lengde, mens vi ved bruk av varmevogn varmer opp skinnene slik at de utvider seg til riktig lengde. Forlengelse ved bruk av strekkapparat Strekkapparat er en innretning som tar tak i skinnesteget på begge sider av en åpen skjøt og trekker skinnene mot hverandre. Ved hjelp av hydraulikkaggregat eller håndpumpe økes trykket i to hydraulikksylindre slik at stempler forbundet med strekkstenger beveges innover i sylindrene og dermed trekker skinnene med seg. Strekkapparater som finnes på markedet i dag har en maksimal trekkraft på kn. Ved bruk av strekkapparat trekker vi altså skinnene mot hverandre. For ikke å overbelaste den sist sveiste skjøt mot det helsveiste og befestede sporet ved

59 strekking, er det vanlig at halve langskinnen er befestet mens den andre halvdelen strekkes. Dersom foregående skjøter er helt avkjølt er det ikke nødvendig med denne praksisen. sidestøtteruller Ved bruk av strekkapparat i skarpe kurver vil vi kunne få problemer med at vi trekker skinnene innover. Det vil da ofte være nødvendig å montere sidestøtteruller for å hindre dette. Sidestøtteruller monteres i svilleankeret og støtter opp skinnen i skinnesteget slik at skinnen følger riktig linje gjennom kurven. Figur 59 Sidestøtterull tilpasset Pandrol Fastclip Ved strekking av skinnene kontrolleres alle dilatasjonsmerker slik at man er sikker på at forlengelsen blir jevnt fordelt. Skinnene skal bankes/løftes eller vibreres under strekking for å sikre jevn forlengelse. Dersom man merker at forlengelsen skjer ujevnt, kan man feste skinnene noen steder på partier som har oppnådd sin forlengelse. kompensere for krymping Etter at vi har oppnådd riktig forlengelse, slås befestigelsen på og sveisingen kan starte. Etter sveising skal strekkapparatet holde forlengelsen stabil i min. 15 min. for å unngå at vi får strekkspenninger i sveisen før den er avkjølt. For å kompensere for krymping i sveisen under avkjøling, kan vi øke trykket på strekkapparatet ørlite (1/2-1 pumpeslag). De fleste strekkapparater er profilfrie slik at tog kan passere så snart vi har grovslipt sveisen. Ved bruk av strekkapparat er det mulig å nøytralisere med lengder opp til 1000 m avhengig av type strekkapparat, temperaturforhold og horisontaltrasé. Det anbefales imidlertid ikke lengder over 2 x 160m ved nøytralisering i kurver med radius under 500 m. Strekkapparat er godt egnet til bruk i lave temperaturer. Det vil være den nedre temperaturgrense for sveising (0 0 C) som vil være bestemmende ved bruk av strekkapparat

60 Figur 60 Strekkapparat Forlengelse ved bruk av varmevogn Med varmevognen varmer vi skinnene slik at de utvider seg til riktig lengde. Det er viktig å være klar over at det er skinnenes lengdeforandring som kontrolleres, ikke skinnetemperaturen. En eller flere varmevogner kjøres frem og tilbake langs hele skinnestrengen inntil skinnene har oppnådd riktig forlengelse ved alle dilatasjonsmerker. Under oppvarmingen må skinnene bankes/løftes eller vibreres. Varmen fra varmevognen skader isolatorer og mellomleggsplater av gummi. Vi må derfor fjerne disse før vi starter oppvarmingen

61 Etter at vi har oppnådd riktig forlengelse, slås befestigelsen på. For å hindre at skinnen trekker seg tilbake under avkjølingen, skal skinnene festes først nærmest skjøten som skal sveises, og deretter bakover. Like før istøping av det flytende stålet i sveiseformene må skinnene nær sveisen gis ekstra varme for å hindre krympespenninger under størkning av thermit-stålet. Figur 61 Varmevogner Ved lave skinnetemperaturer kan det være svært vanskelig å holde forlengelsen stabil under sveising. Det skal derfor brukes strekkapparat ved skinnetemperaturer under 10 0 C. Strekkapparatet vil dessuten forlenge skinnene langt raskere enn varmevognen ved lave temperaturer. Varmevogner er opprinnelig konstruert for liggende propanflaske, som vist i bildet over, for at gassen skal tilføres brennerne i flytende form. Dette er imidlertid ikke lenger tillatt da sikkerhetsventilen i propanflasken ikke fungerer når den ligger. Varmevogner som skal anvendes i dag må ha stående propanflasker. Dette reduserer effekten på brennerne betraktelig da det er begrenset hvor mye gass som kan fordampe og tilføres brennerne. Selv med to sammenkoplede stående gassflasker, vil effekten være mindre enn med en liggende gassflaske

62 Figur 62 Ombygd varmevogn med stående gassflasker Strekkapparat eller varmevogn? Tidligere var varmevognen tilnærmet enerådende ved nøytralisering i Norge, men i de siste årene har strekkapparatet overtatt som det dominerende hjelpemiddel brukt til nøytralisering. Hovedårsaken til denne utviklingen ligger i begrensninger som i de senere år er innført for varmevognen med hensyn til lave skinnetemperaturer og bruk av varme på isolator/mellomlegg. Tidligere var det ikke vanlig å fjerne isolatorer og mellomlegg ved bruk av varmevogn. Dette resulterte ofte i skader på disse plast- og gummikomponentene. Når det i dag er påkrevd at isolatorer og mellomlegg skal fjernes, medfører dette mye ekstraarbeid som man unngår ved bruk av strekkapparat. Det viktigste argumentet mot å bruke strekkapparat har vært tyngden på apparatets komponenter. Strekkapparatet skal håndtere store krefter (opp til 900 kn). Dette krever en solid utførelse der enkelte deler av strekkapparatet har en vekt på kg. Det sier seg selv at det er svært uheldig sett fra et ergonomisk synspunkt å håndtere disse delene nede i pukken. Heldigvis er det i de senere årene blitt utviklet lettere strekkapparater ved hjelp av aluminiumslegeringer i kombinasjon med høyfast stål. Det finnes strekkapparater i handelen i dag hvor ingen komponenter veier over 30 kg. Ved Jernbaneverket er det også utviklet en spesialtralle for enkel transport av strekkapparater mellom nøytraliseringspunkter langs linjen (figur 63)

63 Figur 63 Tralle til transport av strekkapparat Nedenfor er listet de viktigste fordeler og ulemper ved bruk av strekkapparat og varmevogn. Fordeler og ulemper ved strekkapparat Fordeler: gir raskere forlengelse holder forlengelsen stabil / bedre kontroll under sveising kan brukes i lave temperaturer (ned til 0 0 C) fjerning av isolatorer og mellomlegg er ikke nødvendig Ulemper: tunge komponenter trekker skinnene innover i skarpe kurver Fordeler og ulemper ved bruk av varmevogn Fordeler: trekker ikke skinnene innover i skarpe kurver lett å håndtere Ulemper dårlig kontroll med forlengelse i lave temperaturer isolatorer og mellomlegg må fjernes forlengelsen mer tidkrevende, spesielt ved lange skinnelengder / lav temperatur stort gassforbruk ved lav skinnetemperatu