Wielkoskalowe badanie zmęczeniowe mat wibroizolacyjnych RockDelta

Transkrypt

1 Włókna wełny kamiennej RockDelta posiadają wyjątkową odporność na długotrwałe obciążenia mechaniczne i wpływ środowiska w którym znajduje sie torowisko. Szczególnie ważne jest to, że maty zachowują praktycznie niezmienne własności funkcjonalne i stałe wymiary nawet po dziesiątkach lat użytkowania. Szereg badań, przeprowadzonych na miejscu oraz w warunkach laboratoryjnych, potwierdził te unikalne cechy mat wibroizolacyjnych na bazie wełny kamiennej RockDelta. Wprowadzenie Maty na bazie wełny kamiennej wykazują wyjątkową skuteczność I trwałość nawet po dziesiątkach lat użytkowania w torowiskach pracujących pod pełnym obciążeniem. Na miejscu potwierdzono to przeprowadzonym w Norwegii badaniem 1 trwałości funkcjonalnej i własności mat wibroizolacyjnych na bazie wełny kamiennej w trudnych warunkach klimatycznych. Wyczerpujące badania laboratoryjne przeprowadzone na Politechnice Duńskiej potwierdziły wyjątkową trwałość włókien wełny kamiennej RockDelta pod bardzo dużymi i długotrwałymi naprężeniami mechanicznymi. Niniejsza nota techniczna zawiera opis i omówienie odkrycia wielkoskalowego badania laboratoryjnego, obejmującego 15 kolejnych miesięcy i ponad 100 milionów dynamicznych cykli obciążeniowych, przeprowadzonego na Politechnice Duńskiej, Laboratorium Fizyki i Materiałów Budowlanych, Wydział Inżynierii Budowlanej przy czym kontrola nad badaniem i sformułowanie ostatecznych wniosków były udziałem Politechniki w Monachium, Instytut Budownictwa Drogowego, Kolejowego i Lotniczego Bezpieczeństwo, niezawodność i trwałość kluczowe parametry każdego torowiska Bezpieczne i pewne rozwiązania są kluczowymi kwestiami w projektowaniu torowisk kolejowych i tramwajowych. W przypadku torów podpartych sprężyście, zaprojektowanych w celu tłumienia wibracji przenoszonych przez podłoże, dwa parametry mają kluczowe znaczenie: odkształcenia szyn i wibracje przenoszone przez podłoże. Odkształcenia szyn powinny być stałe i znane w ciągu całego okresu eksploatacji toru, gdyż nadmierne odkształcenia mogą prowadzić do problemów zmęczeniowych i, w konsekwencji, zwiększonych kosztów eksploatacji. Badanie odporności zmęczeniowej zgodnie z niemiecką normą kolejową DB BN artykuł 2.6 W przypadku konstrukcji torowisk kolejowych i tramwajowych, bezpieczeństwo i pewność zastosowanego rozwiązania mają oczywiście kluczowe znaczenie. W przypadku torów podpartych sprężyście, zaprojektowanych w celu tłumienia wibracji przenoszonych przez podłoże, dwa parametry mają kluczowe znaczenie: odkształcenia szyn i wibracje przenoszone przez podłoże. Odkształcenia szyn powinny być stałe i znane w ciągu całego okresu eksploatacji toru, gdyż nadmierne odkształcenia mogą prowadzić do problemów zmęczeniowych i, w konsekwencji, zwiększonych kosztów eksploatacji. Niemieckie badanie według normy DB BN dopuszczające maty do stosowania w konstrukcji torowisko podsypkowych zaleca, między innymi, badanie zmęczeniowe przy 12,5 miliona dynamicznych cykli obciążeniowych (artykuł 2.6) i surowych wymogach w zakresie dopuszczalnych zmian sztywności. w celu określenia trwałości zmęczeniowej Wcześniejsze badania trwałości zmęczeniowej przeprowadzane według niemieckie normy kolejowej DB BN artykuł 2.6 wykazały brak praktycznie jakichkolwiek zmian w sztywności dynamiczne badanych próbek. Zaczęto zadawać sobie pytanie ile cykli obciążeń dynamicznych mogą wytrzymać maty wibroizolacyjne na bazie wełny kamiennej bez zmiany sztywności. W tym celu firma RockDelta zwróciła się do Politechniki w Monachium, Instytut Budownictwa Drogowego, Kolejowego i Lotniczego z zapytaniem o możliwości zaprojektowania wielkoskalowego badania trwałości zmęczeniowej. Rys. 1. Sprężysta struktura włókien w połączeniu z szczególną starannością na każdym kluczowym etapie produkcji oraz unikalny proces sztucznego sezonowania umożliwia oferowanie mat wibroizolacyjnych nie wykazujących efektu Mullina. W rezultacie, maty wibroizolacyjne RockDelta wykazują praktycznie niezmienne własności w zakresie sztywności i tłumienia wibracji w całym okresie eksploatacji Układ badawczy na Politechnice Duńskiej W oparciu o te dyskusje, stworzono starannie schemat badania z udziałem następujących uczelni i instytutów badawczych (1) Politechnika Duńska, Laboratorium Fizyki i Konstrukcji przygotowanie rozbudowanego układu badawczego i przeprowadzenie wielokrotnych obciążeń dynamicznych zgodnie z zalecaną metodyką badawczą 2 ; (2) Ingemansson Technology AB w Szwecji wykonanie podstawowych pomiarów sztywności dynamicznej 3 na 1/5

2 początku badania, w jego trakcie i na końcu badania, oraz ; (3) Politechnika w Monachium, Instytut Budownictwa Drogowego, Kolejowego i Lotniczego nadzór badawczy i sformułowanie ostatecznych wniosków 4. Ogólna struktura badania Po skonstruowaniu mechanicznego układu badawczego, badanie obciążeń dynamicznych rozpoczęto we wrześniu 2002 i zakończono w marcu 2004 po osiągnięciu 100 milionów cykli. Jak pokazano na Rys.2 i Rys.3, układ badawczy składa się z prasy Amsler połączonej z pulsatorem Amsler. Przetwornik ciśnienia HBM mierzył ciśnienie oleju w prasie, co odpowiada sile wywieranej na próbkę, podczas gdy czujnik tensometryczny został zastosowany do precyzyjnego mierzenia odkształceń. obciążenie sinusoidalne wahało się w przedziale 15 i 30 kn/m 2 ; (b) w ciągu następnych 2,5 miliona cykli obciążeniowych obciążenie sinusoidalne wahało się pomiędzy 15 i 40 kn/m 2, oraz; (c) w ciągu pozostałych 87,5 miliona cykli, obciążenie sinusoidalne znowu wahało się pomiędzy 15 i 30 kn/m 2. Patrz Rys. 7. Badano reakcję odkształceniową masy i stwierdzono jej praktyczną niezmienność w ciągu całego okresu badania. Patrz Rys. 8. Pomiary sztywności próbek wykonane przez Ingemansson Technology AB Po wykonaniu wcześniej określonej liczby cykli obciążeniowych (szczegóły na Rys. 6) cztery próbki zostały starannie spakowane i wysłane pocztą kurierską bezpośrednio do Ingemansson Technology AB w Szwecji gdzie przeprowadzono pomiary sztywności dynamicznej według normy ISO :1997 oraz pomiary dynamicznego modułu podłoża według niemieckiej normy kolejowej BN artykuł 2.4. sinusowej w zakresie 10 do 200 Hz. Stała prędkość 5 mm/s RMS była zapewniona przez obwód kontrolny zawierający akcelerometr piezoelektryczny zamontowany starannie na górnej płycie oraz wzmacniacza impulsów ładunkowych podłączonego do analizatora sygnału. Statyczne obciążenie wstępne odpowiednio 1 T/m 2 i 3 T/m 2 przyłożono do próbki przy użyciu siłownika. Podczas skanowania sinusa skokowego, funkcja odpowiedzi częstotliwościowej oporu siła podzielona przez prędkość (F/v) została zmierzona i przekształcona w funkcję odpowiedzi częstotliwościowej sztywności dynamicznej siła podzielona przez przemieszczenie (F/x). Wielkość wynikowej złożonej sztywności została przedstawiona na wykresie jako sztywność dynamiczna. Powierzchnia próbek została następnie użyta do ostatecznego obliczenia sztywności dynamicznej. Rys. 2. Układ badawczy do badania trwałości zmęczeniowej na Politechnice Duńskiej zaprojektowany specjalnie do długoterminowego badania trwałości mat wibroizolacyjnych RockXolid na bazie wełny kamiennej. Mechaniczny układ składa się z prasy Amsler w centralnej części układu. Badanie ciągłe trwające ponad 15 miesięcy, jak pokazano na Rys. 9, składało się z obciążeń sinusoidalnych o pojedynczej częstotliwości według następującego schematu: (a) w ciągu pierwszych 10 milionów cykli Po każdym pomiarze sztywności w Ingemansson Technology AB pakowano próbki i przesyłano pocztą kurierską z powrotem na Politechnikę Duńską do Laboratorium Fizyki i Konstrukcji Budynków w celu kontynuacji obciążeń. Ten schemat badania trwał oczywiście do czasu osiągnięcia 100 milionów cykli obciążeniowych, a ostatni pomiar sztywności wykonano w marcu Sztywność dynamiczna według ISO :1997 Jak widać na Rys. 4, każda próbka RockXolid była umieszczana pomiędzy, dwoma sztywnymi metalowymi płytami, z których górna była poruszana siłownikiem hydraulicznym, a dolna została zamontowana na ogniwie obciążnikowym. Elementy te składają się na urządzenie testowe spełniające wymogi powołanej normy ISO Cyfrowy analizator sygnału i jednostka sterująca zostały zastosowane do wygenerowania i pomiaru skokowej fali Rys. 3. Zbliżenie układu badawczego do badania trwałości zmęczeniowej na Politechnice Duńskiej. Cztery próbki RockXolid umieszczone jedna obok drugiej, widać na dnie kanału badawczego znajdującego się bezpośrednio pod sztywną płytą drewnianą. Każda próbka miała następujące wymiary (L x W x H): 270 mm x 300 mm x 50 mm. Wyniki badania sztywności dynamicznej według ISO przedstawiono na Rys. 5. Jak można tam zauważyć, wartości sztywności dynamicznej (przy 20 Hz, 50 Hz i 100 Hz przy obciążeniu wstępnym 30 kn/m 2 pokazane jako przykładowe) na początku i na końcu badania 2/5

3 wykazują praktycznie brak jakichkolwiek zmian. Wszystkie badania wykonano w temperaturze pokojowej. Dynamiczny moduł podłoża przy niskiej częstotliwości według DB BN artykuł 2.4 Wykorzystując podobny układ badawczy do opisanego w poprzedniej części, jednak z zastosowaniem przetwornika przemieszczenia w miejsce akcelerometru piezoelektrycznego, przyłożono do próbki stacjonarną siłę sinusową ( N odpowiadającą ciśnieniu 0,02 0,10 N/mm 2 ) zgodnie z wymogami DB BN artykuł 2.4. Mierzono przemieszczenie całkowite po upływie dziesięciu sekund przy częstotliwościach pomiędzy 1 i 20 Hz. Na podstawie tych wartości obliczono dynamiczny moduł podłoża dla niskich częstotliwości. Wszystkie badania przeprowadzono w temperaturze pokojowej. Wyniki modułu sztywności dynamicznej dla niskich częstotliwości według niemieckiej normy kolejowej DB BN artykuł 2.4 przedstawiono na Rys. 6. Po raz kolejny, jak można zauważyć, dynamiczny moduł podłoża dla niskich częstotliwości (pokazany dla 2Hz i 20 Hz) na początku badania i na końcu badania wykazuje praktyczną niezmienność. Uwaga dotycząca obciążeń szczytowe Podczas pomiarów w Ingemansson Technology AB, wszystkie cztery próbki zostały poddane około 3200 cykli obciążeniowych o obciążeniu szczytowym dochodzącym do 100 kn/m 2. Wielkoskalowe badanie trwałości zmęczeniowej obejmujące okres ponad 15 miesięcy wykazało, że mata wibroizolacyjna na bazie wełny kamiennej, znana pod nazwą handlową RockXolid, posiada praktycznie niezmienną sztywność dynamiczną zarówno według ISO :1997, jak i według niemieckiej artykuł 2.4 po poddaniu 100 milionom dynamicznych cykli obciążeniowych o stałej częstotliwości i obciążeniu sinusoidalnemu wahającemu się od 15 do 40 kn/m 2. Rys. 4. Szczegóły układu badawczego do badania sztywności dynamicznej (wg. ISO : 1997) dynamicznego modułu podłoża dla niskich częstotliwości wg. niemieckiej normy kolejowej DB BN ) w Ingemansson Technology AB, przedstawiające, między innymi: jedną z czterech próbek RockXolid, przetwornik siły, przetwornik przyspieszenia oraz siłownik hydrauliczny MTS. Podczas 15 miesięcy badania, tzn. do czasu osiągnięcia 100 milionów cykli obciążeniowych, wykonano osiem pomiarów sztywności dynamicznej i osiem pomiarów dynamicznego modułu podłoża dla niskich częstotliwości każdej próbki po wykonaniu wcześniej określonej liczby cykli obciążeniowych. zmiany sztywności będące w granicach niepewności pomiaru 5. Przypisy 1 Rapport til NSB Gardermobanan A/S: Utvikling av metode for reduksjon av strukturstøy fra jernbane, delrapp Søren Traberg, Politechnika Duńska, raport z badań BYG, 10 marca 2004, BYG-DTU SR-25338: Badanie zmęczeniowe mat wibroizolacyjnych RockDelta, Zastosowanie w sprężystych systemach torowisk kolejowych. 3 Jörgen Svensson and Claes Fredö, Ingemansson Technology AB, raport , : RockXolid 50 Badanie sztywności dynamicznej przy 100 cykli obciążeniowych. 4 Prof. Dr. Ing. G. Leykauf, Technische Universität München, Lehrstuhl und Prüfamt für Bau von Landverkehrswegen, Forschungsbericht Nr. 2167, : Untersuchungen zur elastischen Steifigkeit und zum Frost/Tau- Verhalten einer RockXolid Mineralfasermatte. 5 Analiza niepewności (w oparciu o niepewność typu A i typu B) wykazała niepewność na poziomie 8%. Ta wartość odpowiada poziomowi pewności 95% (przy dwóch odchyleniach standardowych średniej zakładając normalny rozkład) Ten poziom niepewności należy, jednakże, porównać z artykułem ISO :1997, który przewiduje niepewność całkowitą 18% dla pomiaru zgodnego z normą. Cztery próbki zostały zatem poddane skrajnym obciążeniom przekraczającym nawet 40 kn/m 2, które były zalecane jako maksymalne obciążenie podczas wykonywania 100 milionów cykli obciążeniowych. Wnioski Wyniki badania trwałości zmęczeniowej były jednoznaczne: sztywność próbki przedstawiono jako funkcję liczby cykli obciążeniowych przy wybranych częstotliwościach, przy czym wykresy sztywności dynamicznej (według ISO :1997) oraz dynamicznego modułu podłoża dla niskich częstotliwości (według niemieckiej normy kolejowej DB BN artykuł 2.4) pokazują 3/5

4 Rys. 5 Wartości sztywności dynamicznej zgodnie z ISO dla jednej z czterech próbek RockXolid.Ciągłe badanie trwałości objęło 15 miesięcy i osiągnęło 100 milionów cykli obciążeniowych przy obciążeniu sinusoidalnym wahającym się od 15 do 40 kn/m 2.Jak widać na wykresie, wartości sztywności dynamicznej (dla przykładowych częstotliwości 20 Hz, 50 Hz i 100 Hz przy obciążeniu wstępnym 30 kn/m 2 )na początku i na końcu badania są praktycznie niezmienione. Rys. 6. Pomiary dynamicznego modułu podłoża dla niskiej częstotliwości (33 Hz and 20 Hz) według niemieckiej normy kolejowej DB BN artykuł 2.4 jednej z czterech próbek RockXolid. Obserwacje pozostają w pełnej zgodności z przedstawionymi na poprzednim wykresie, tj. dynamiczny moduł podłoża na początku I na końcu badania jest praktycznie niezmieniony 4/5

5 Rys. 7 Zakres siły (wahający się pomiędzy 15 kn/m 2 do 40 kn/m 2 ) jest widoczny jako funkcja liczby cykli obciążeniowych do 100 milionów, którą to liczbą zamknięto badanie. W trakcie 2,5 miliona cykli maksymalne obciążenie sięgało 40 kn/m 2, a w trakcie pozostałych 97,5 miliona maksymalne obciążenie sięgało 30 kn/m 2. We wszystkich przypadkach minimalne (statyczne) obciążenie nigdy nie spadało poniżej 15 kn/m 2. odkształcenie (mm) liczba cykli (w milionach) Rys. 8 Odkształcenie próbek (2 mm) jako funkcja 100 milionów cykli obciążeniowych Liczba cykli obciążeniowych Przyłożone obciążenie sinusoidalne Sztywność dynamiczna wg. ISO ( Hz). Czas pomiaru Dynamiczny moduł podłoża DB BN (1 20 Hz). Czas pomiaru [kn/m 2 ] 0 ( pomiar początkowy) grudzień 2002 grudzień x styczeń 2003 styczeń x luty 2003 luty ,5 x marzec 2003 marzec ,5 x kwiecień 2003 kwiecień x lipiec 2003 lipiec ,5 x grudzień 2003 grudzień x marzec 2004 marzec 2004 Rys. 9 Pomiary sztywności w Ingemansson Technology AB wykonano wg. ISO i niemieckiej normy kolejowej DB BN artykuł 2.4. Tabela przedstawia liczbę wcześniej określonych cykli obciążeniowych i związane z nimi terminy pomiarów sztywności w okresie od grudnia 2002 do marca /5