Obserwacje jako podstawowe narzędzie

Transkrypt

1 Obserwacje jako podstawowe narzędzie w diagnostyce szyn kolejowych W ostatnich latach na polskiej sieci kolejowej zachodzą zasadnicze zmiany w strukturze rodzajowej i ilościowej rejestrowanych wad w szynach. Przede wszystkim maleje liczba wykrywanych wad: pęknięcie poprzeczne spoiny termitowej oraz pęknięcie poziome na przejściu szyjki w główkę. Jednocześnie rośnie liczba wykrywanych wad kontaktowo-zmęczeniowych, głównie squat. Jerzy Zariczny, Sławomir Grulkowski Katedra Transportu Szynowego i Mostów, Politechnika Gdańska Wady w szynach kolejowych dzielą się na wady końców szyn, wady występujące poza końcami szyn, wady spowodowane uszkodzeniami szyn oraz wady powstałe podczas procesu łączenia szyn lub ich napawania. Wady końców szyn występują na długości łubków. Do najczęściej wykrywanych wad w tej grupie należą pęknięcie poziome na przejściu szyjki w główkę, pęknięcie pionowe podłużne oraz pęknięcie promieniowe z otworów dla śrub łubkowych. Obecnie, z uwagi na powszechne stosowanie toru bezstykowego, są to wady typowe dla złączy izolowanych. Wady występujące poza końcami szyn, w tym poza strefami złącz, stanowią najliczniejszą i najbardziej różnorodną grupę. Dzielą się one na: złamania i pęknięcia głównie złamanie poprzeczne bez widocznej przyczyny, pęknięcie poprzeczne po- 10 i n f r a s t r u k t u r a t r a n s p o r t u 6/2014

2 Rys. 1. Wada shelling powierzchni tocznej. Źródło: własne Rys. 2. Typowe postacie wady head check w zależności od fazy rozwoju. Źródło: własne Rys. 3. Typowe postacie wady head check w zależności od fazy rozwoju. Źródło: własne Rys. 4. Typowe postacie wady head check w zależności od fazy rozwoju. Źródło: własne stępujące, tzw. pęknięcie zmęczeniowe i pęknięcie pionowe podłużne, zużycie boczne i zużycie pionowe, wady kontaktowo-zmęczeniowe przede wszystkim squat i head check, zużycie faliste, wybuksowanie, miejscowe wgniecenie powierzchni tocznej. Wady spowodowane uszkodzeniami szyn powstają w trakcie eksploatacji w wyniku tzw. skaleczenia, niewłaściwej obróbki mechanicznej lub trwałego odkształcenia. Obecnie skaleczenie jest często wykrywaną wadą na zmodernizowanych lub zrewitalizowanych liniach kolejowych w Polsce. r e k l a m a w w w. i n f r a s t r u k t u r a. e l a m e d. p l 11

3 Rys. 5. Typowe postacie wady squat po lewej pęknięcie w kształcie litery V, po prawej pęknięcie w kształcie półkolistym. Źródło: własne Rys. 6. Wada squat w strefie złącza. Źródło: własne Rys. 7. Wada squat w lokalizacjach o złym stanie technicznym pozostałych elementów nawierzchni kolejowej. Źródło: własne Rys. 8. Wada squat w lokalizacjach o złym stanie technicznym pozostałych elementów nawierzchni kolejowej. Źródło: własne Rys. 9. Wada squat w lokalizacjach o złym stanie technicznym pozostałych elementów nawierzchni kolejowej. Źródło: własne Rys. 10. Wada squat w późniejszej fazie rozwoju. Źródło: własne Przyczyną tego zjawiska są zarówno błędy w technologii robót torowych, jak i błędy w konstrukcji elementów infrastruktury kolejowej, np. przejazdów kolejowych. Do wad powstałych podczas procesu łączenia szyn lub ich napawania zaliczane są wszystkie wady, które występują w strefach złącz, czyli w odległości do 10 cm, licząc od osi złącza spawanego lub zgrzewanego w obydwu kierunkach (łącznie 20 cm) lub w obszarach napoin. Do najczęściej wykrywanych wad w tej grupie należą pęknięcie poprzeczne spoiny termitowej oraz pęknięcie poprzeczne zgrzeiny. Pęknięcie poprzeczne spoiny termitowej nadal jest najczęściej spotykane wśród wad, których rozwój prowadzi do złamań szyn, ale zdecydowanie częściej pękają spoiny wykonane przed 1992 rokiem niż w latach , czyli przed zmianą (ulepszeniem) technologii spawania termitowego. Natomiast wada squat wykazuje największą dynamikę wzrostu liczby wywołanych złamań szyn, przy czym pod względem samej liczby wywołanych złamań szyn zajmuje obecnie trzecie miejsce. Malejąca liczba wykrywanych wad pęknięcia poziomego na przejściu szyjki w główkę wynika z powszechnego zastępowania toru klasycznego torem bezstykowym. 12 i n f r a s t r u k t u r a t r a n s p o r t u 6/2014

4 Rys. 11. Złamanie szyny spowodowane rozwojem wady squat. Źródło: własne Rys. 12. Zestawienie ilościowe i procentowe zarejestrowanych wad w szynach. Źródło: własne Kryteria trwałości eksploatacyjnej szyn [1, 4, 7, 9] Według przepisów obowiązujących na sieci kolejowej zarządzanej przez PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. obowiązują cztery kryteria oceny trwałości (przydatności) eksploatacyjnej szyn kolejowych: a) dopuszczalna liczba pęknięć szyn na 1 km toru, z podziałem na wszystkie i pierwotne, b) dopuszczalne zużycie pionowe szyny wyrażone w mm, c) dopuszczalne zużycie boczne szyny wyrażone w mm, z uwzględnieniem kąta nachylenia zużytej powierzchni bocznej główki szyny, d) graniczne, sumaryczne obciążenie szyn wyrażone w Tg. Dotychczas najważniejszym z nich było kryterium dopuszczalnej liczby pęknięć szyn na 1 km toru. Obecnie ulega ono stopniowo dezaktualizacji. Wynika to z malejącej liczby wykrywanych wad 421 pęknięcie poprzeczne spoiny termitowej. Wada 421 jest nadal najczęstszą przyczyną pęknięć szyn, ale dominuje w szynach wbudowanych przed 1992 rokiem. Jest to skutek zmiany oraz ulepszenia technologii spawania termitowego. Rośnie natomiast liczba wykrywanych wad kontaktowozmęczeniowych, głównie wady 227 squat, 2223 head checking i 2221 shelling powierzchni tocznej. Największą dynamikę wzrostu wykazuje wada 227 squat. Dotyczy to również zjawiska pękania szyn. Charakterystyka wad kontaktowo-zmęczeniowych [2, 5, 8, 10] Wady kontaktowo-zmęczeniowe powstają na głębokości do 3-5 mm poni- Rys. 13. Rozmieszczenie wad w szynach na długości analizowanego szlaku. Źródło: własne żej powierzchni główki szyny wskutek dużych naprężeń kontaktowych oraz dużych oddziaływań dynamicznych (uderzeń) o wysokiej częstotliwości w układzie koło szyna. W trakcie ich rozwoju dochodzi do oddzielenia się części materiału, czyli do powstania ubytku o określonej długości, szerokości i głębokości na powierzchni tocznej główki szyny. Do tej pory nie udało się rzeczowo wyjaśnić mechanizmu powstawania i rozwoju wad kontaktowo-zmęczeniowych. Do najczęściej wykrywanych wad w tej grupie należą: shelling powierzchni tocznej oznaczenie katalogowe 2221 łuszczenie blaszkowate powierzchni tocznej, head check oznaczenie katalogowe 2223 szczeliny na wewnętrznej krawędzi główki, squat oznaczenie katalogowe 227 pęknięcie i miejscowe zagłębienie powierzchni tocznej. Wada 2221 shelling powierzchni tocznej Na powierzchni tocznej główki szyny występują deformacje podobne do zużycia falistego, czyli cykliczne nierówności pionowe, na długości których w trakcie rozwoju wady dochodzi do złuszczenia się materiału. Złuszczenia mogą osiągnąć głębokość do kilku milimetrów (rys. 1). Shelling powierzchni tocznej jest w większości przypadków wadą wielokrotną. Prowadzone przez autorów od października 2010 roku badania wad w szynach wykazały, że wada 225 wybuksowanie w późniejszej fazie rozwoju może się przekształcić w wadę 2221 shelling powierzchni tocznej. Wada 2223 head check Wada ta występuje na wewnętrznej krawędzi powierzchni tocznej główki szyny, w większości przypadków w zewnętrznym toku szynowym na długości łuków poziomych i krzywych przejściowych, czyli w miejscach oddziaływania siły odśrodkowej. Powstaje również na prostych oraz na długości rozjazdów kolejowych. Przyjmuje postać równoległych rys lub szczelin o rozstawie od 1 mm do kilku centymetrów, zależnych od warunków techniczno-eksploatacyjnych w danej lokalizacji oraz gatunku stali szynowej. Wada head check, w zależności od fazy rozwoju, przybiera formę jednorodnych i regularnych rys propagujących przeciwnie do kierunku w w w. i n f r a s t r u k t u r a. e l a m e d. p l 13

5 jazdy pociągów (rys. 2), rys z łuskami powstałymi w wyniku oddzielenia się części materiału wskutek propagacji rys równolegle do wewnętrznej krawędzi powierzchni tocznej główki szyny (rys. 3) lub szczelin z zaciemnionymi zagłębieniami po stronie przeciwnej do kierunku jazdy pociągów (rys. 4). Wada 227 squat Wada powstaje na powierzchni tocznej główki szyny w strefie styku koła z szyną. Przyjmuje postać zaciemnionego zagłębienia zawierającego pęknięcie w kształcie półkolistym lub w kształcie litery V (rys. 5). Squat występuje w losowych lokalizacjach jako wada pojedyncza lub wielokrotna. Często jest wykrywany w strefach złącz (rys. 6), wówczas jest klasyfikowany jako wada powstała podczas procesu łączenia szyn. Prowadzone przez autorów badania wad w szynach wykazały, że wady 224 miejscowe wgniecenie powierzchni tocznej oraz 225 wybuksowanie w późniejszej fazie rozwoju mogą się przekształcić w wadę 227 squat. Przykłady wad kontaktowo-zmęczeniowych w torach szlakowych Na polskiej sieci kolejowej w torach szlakowych wśród wykrywanych wad kontaktowo-zmęczeniowych dominuje squat. Dla porównania w Europie Zachodniej główny problem zarządców infrastruktury stanowi wada head check. Prowadzone przez autorów badania wad w szynach wykazały, że wada squat występuje w większości przypadków: w strefach częstych rozruchów i hamowań taboru kolejowego, w lokalizacjach o złym stanie technicznym pozostałych elementów nawierzchni kolejowej (rys. 7-9), na wzniesieniach o pochyleniach do 4,0, oraz że do złamania szyny dochodzi po osiągnięciu przez wadę squat głębokości około 6 mm (rys. 11). Wyniki obserwacji (badań wizualnych) odcinka doświadczalnego [2, 3, 5, 6, 11] Obserwacje (badania wizualne) odcinka doświadczalnego o długości 31,5 km są prowadzone przez autorów 14 Rys. 14. Rozmieszczenie wad w szynach w obydwu tokach szynowych. Źródło: własne Rys. 15. Zestawienie ilościowe i procentowe zarejestrowanych wad w szynach prawy tok szynowy. Źródło: własne Rys. 16. Zestawienie ilościowe i procentowe zarejestrowanych wad w szynach lewy tok szynowy. Źródło: własne od października 2010 roku. Odcinek ten jest zlokalizowany w torze nr 1 i 2 w km 452, ,400 linii kolejowej nr 131 Chorzów-Batory Tczew. Jego początek stanowi granica między Zakładem Linii Kolejowych PKP PLK S.A. w Bydgoszczy i Gdyni, a koniec znajduje się na stacji kolejowej Subkowy. W trakcie ostatniej serii obserwacji (badań wizualnych) odcinka doświadczalnego wykonanej w lipcu 2012 roku w torze nr 2 na szlaku Smętowo Morzeszczyn zarejestrowano 126 wad w szynach (rys. 12), co daje średnio 18 wad/km, czyli 9 wad/tok szynowy/ km. Dzielą się one na siedem typów: a) 2221 shelling powierzchni tocznej, b) 2223 head checking, c) 224 miejscowe wgniecenie powierzchni tocznej, d) 2251 pojedyncze wybuksowanie, e) 227 squat, f) 411 pęknięcie poprzeczne zgrzeiny, g) 421 pęknięcie poprzeczne spoiny termitowej. Najliczniej występują wady 227 squat 61 (48,4% wszystkich wad). Szczególną uwagę należy zwrócić również na wady 224 (18; 14,3% wszystkich wad), które w późniejszej fazie rozwoju mogą się przekształcić w wady 227 squat. Łącznie stanowią one 62,7% wszystkich wad. Natomiast sumaryczny udział wad 411 i 421 nie przekracza 4,0%. Dla porównania w badaniach defektoskopowych wykonanych w sierpniu 2012 roku zarejestrowano 87 wad w szynach. Jest to zaledwie 69,0% wad wykazanych w ramach obserwacji (badań wizualnych). Były one rozmieszczone i n f r a s t r u k t u r a t r a n s p o r t u 6/2014

6 Rys. 17. Rozmieszczenie wad w szynach na długości analizowanego szlaku prawy tok szynowy. Źródło: własne Rys. 18. Rozmieszczenie wad w szynach na długości analizowanego szlaku lewy tok szynowy. Źródło: własne nierównomiernie zarówno na długości analizowanego szlaku (rys. 13), jak i w obydwu tokach szynowych (rys. 14). Najwięcej z nich występowało w km 458, ,000; 461, ,000 oraz 465, , z 30 (76,7%) wad zarejestrowanych w km 458, ,000 znajduje się w odległości do 500 m przed semaforem wjazdowym na stację Smętowo, a więc w strefie częstych rozruchów i hamowań taboru. Stąd też 10 z nich (43,5%) to wady Analogicznie 30 z 31 (96,8%) wad zarejestrowanych w km 465, ,948 znajdowało się w odległości do 400 m przed semaforem wjazdowym na stację Morzeszczyn (patrząc w kierunku niewłaściwym), a więc w strefie częstych rozruchów taboru. W tym przypadku na odcinku o długości 25 m (km 465, ,605) występuje aż 19 wad 227 squat i 5 wad 224. Natomiast w km 461, ,408 zlokalizowana jest krzywa przejściowa, na której znajdowało się 6 wad 2251 i 2 wady 2221 shelling powierzchni tocznej. Bezpośrednio przed nią (patrząc w kierunku właściwym), na fragmencie łuku o długości 35 m znajdowało się kolejnych 7 wad Łącznie stanowią one 57,7% (15 z 26) wad zarejestrowanych w km 461, ,000. Koniec łuku i następująca po nim krzywa przejściowa to strefa częstego zwiększania i zmniejszania prędkości taboru. Na rys oraz zaprezentowano, z podziałem na prawy i lewy tok szynowy, odpowiednio zestawienie ilościowe i procentowe zarejestrowanych wad w szynach oraz ich rozmieszczenie na długości analizowanego szlaku. W prawym toku szynowym występowało ich prawie dwa razy więcej niż w lewym. W lewym toku szynowym w km 464, ,000 nie ma ani jednej. Podsumowanie Szyny kolejowe poddawane ogromnym wpływom mechanicznym i dynamicznym wymagają stałej kontroli i obserwacji. Niestety procedury oraz narzędzia diagnostyczne najczęściej nie pozwalają na określanie przyczyn zjawisk wpływających na szyny. Wieloaspektowość, a często cykliczność pojawiających się wad pozwala stwierdzić, że główna przyczyna tkwi nie w samej szynie, a raczej w konstrukcji toru, w układzie geometrycznym usytuowania szyny, a także w specyficznych cechach pojazdów jeżdżących po torach. Rosnąca liczba wykrywanych wad kontaktowo-zmęczeniowych stawia przed diagnostami nowe wyzwania. Przede wszystkim konieczne jest opracowanie nowych kryteriów oceny trwałości (przydatności) eksploatacyjnej szyn. Należy odejść od uśredniania liczby pęknięć szyn na 1 km toru. Wady w szynach powinny być analizowane w poszczególnych kilometrach linii i tokach szynowych. Bez tego nie będzie możliwe zidentyfikowanie i skwantyfikowanie czynników wpływających na ich powstawanie i rozwój. Ta wiedza jest niezbędna do formułowania prawidłowych zaleceń utrzymaniowych, pod warunkiem że celem jest usunięcie przyczyn zjawiska, a nie ciągłe usuwanie jego skutków. Natomiast żadne kryteria nie mogą zwolnić diagnostów z korzystania z własnego doświadczenia, wiedzy eksperckiej i zdrowego rozsądku. q Piśmiennictwo 1. Bałuch H., Bałuch J.: Prognozowanie pęknięć szyn. Problemy Kolejnictwa, 2010, z Heyder R.: The New UIC Catalogue of Rail Defects. Der Eisenbahningenieur 2002, No Instrukcja badań defektoskopowych szyn, spoin i zgrzein w torach kolejowych Id 10 (D 16). PKP Polskie Linie Kolejowe S.A., Warszawa Katalog wad w szynach. Karta UIC 712R, Katalog wad w szynach. PKP Polskie Linie Kolejowe S.A., Warszawa Radomski R., Zariczny J.: Wpływ wymiany szyn na dalszy proces eksploatacji nawierzchni. Zeszyty Naukowo-Techniczne SITK RP Oddział w Krakowie, 2010, nr 95 (z. 154). 7. Radomski R.: Trwałość eksploatacyjna szyn na wybranych odcinkach toru nr 1 i 2 linii Katowice Tczew. Technika Transportu Szynowego, 2009, nr Steenbergen M., Dollevoet R.: On the mechanism of squat formation on train rails Part I: Origination. International Journal of Fatigue, 2013, Vol Warunki techniczne utrzymania nawierzchni na liniach kolejowych Id 1 (D 1). PKP Polskie Linie Kolejowe S.A., Warszawa Zariczny J.: Wpływ warunków technicznoeksploatacyjnych na występowanie i rozwój wad w szynach kolejowych. Przegląd Komunikacyjny, 2011, nr w w w. i n f r a s t r u k t u r a. e l a m e d. p l 15