Diagnostyka stanu nawierzchni kolejowej na przykładzie linii CMK w torze nr 1, km do

Transkrypt

1 BŁASZKIEWICZ Dorota 1 CHUDYBA Łukasz 2 Diagnostyka stanu nawierzchni kolejowej na przykładzie linii CMK w torze nr 1, km do WSTĘP Ciągła eksploatacja torów kolejowych prowadzi do ich degradacji. Brak odpowiedniego utrzymania torów wpływa negatywnie na ich eksploatację: obniżenie prędkości, zmniejszenie spokojności jazdy, obniżenie bezpieczeństwa prowadzenia ruchu kolejowego, zwiększoną degradację kruszywa oraz podtorza kolejowego, zwiększone oddziaływanie dynamiczne na otaczającą zabudowę. W chwili obecnej w sieci PKP PLK S.A. jest ok km torów o zróżnicowany stanie technicznym. Uznaje się, iż 43% eksploatowanych torów posiada stan techniczny dobry, 30% zadowalający, natomiast 27% niezadowalający. W celu określenia stanu torów, a co za tym idzie konieczności prowadzenia prac naprawczych niezbędne jest wykonanie pomiarów diagnostycznych, które pozwolą na określenie stanu obecnego, a co za tym idzie zapobieganiu negatywnych oddziaływaniom. W niniejszej pracy Autorzy do opisu badań diagnostycznych wykorzystali rzeczywiste wyniki z badań eksploatacyjnych szyn w cyklu dopuszczeniowym udostępnione dzięki uprzejmości ThyssenKrupp GfT Polska. Należy podkreślić, iż tożsamo prowadzone są badania będące częścią procesu diagnostycznego. 1 CO TO JEST DIAGNOSTYKA 1.1 Charakterystyka procesu diagnostyki Wszystkie linie kolejowe zarówno nowo budowane jak i modernizowane muszą spełniać wymagania wielu norm. Aktualnie obowiązującym dokumentem dotyczącym diagnostyki nawierzchni kolejowej na terenie linii PKP Polskie Linie Kolejowe S.A., jest Instrukcja diagnostyki nawierzchni kolejowej Id-8. Zgodnie z tym dokumentem diagnostyka jest to całokształt metod i środków służących do określania wartości parametrów eksploatacyjnych elementów nawierzchni wynikających z ich aktualnego stanu technicznego, oraz do prognozowania zmian tego stanu z uwagi na warunki eksploatacyjne w różnych horyzontach czasowych [1]. W celu przeprowadzenia procesu diagnostyki nawierzchni kolejowej, wszystkie badania i procedury muszą zostać odpowiednio przygotowane i zaplanowane. Cały proces diagnostyki nawierzchni kolejowej w pierwszym etapie obejmuje: oględziny, badania i pomiary. Kolejny etap związany jest z przeanalizowaniem, oceną i odpowiednią interpretacją uzyskanych wyników pomiarów. Po opracowaniu wniosków należy przedstawić zalecenia eksploatacyjne i utrzymaniowe, a uzyskane wyniki pomiarów powinny być zarejestrowane i zarchiwizowane. Badania diagnostyczne przeprowadzane są w celu bezpośredniego lub pośredniego ustalenia, w określonych miejscach toru, wartości takich parametrów jak: dopuszczalna prędkość, dopuszczalny nacisk osi, skrajnia budowli oraz dopuszczalna masa pociągów. Na podstawie wyników badań diagnostycznych może zostać podjęta decyzja w zakresie: konieczności wprowadzenia zmiany parametrów techniczno eksploatacyjnych, tj. przekwalifikowanie toru do innej klasy, określenia rodzaju, zakresu oraz miejsca przeprowadzenia napraw, zmiany zakresu i terminów kolejnych badań diagnostycznych jak również, w przypadku gdy uzyskane wyniki badań nie przekraczają wartości granicznych, decyzji o pozostawieniu toru w dotychczasowej klasie. 1 Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki, Wydział Inżynierii Lądowej, Instytut Inżynierii Drogowej i Kolejowej, Katedra Infrastruktury Transportu szynowego i Lotniczego, Tel: , dorotablaszkiewicz@gmail.com 2 Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki, Wydział Inżynierii Lądowej, Instytut Inżynierii Drogowej i Kolejowej, Katedra Infrastruktury Transportu szynowego i Lotniczego, Tel: , lchudyba@poczta.onet.pl 2036

2 Określenie aktualnego stanu nawierzchni kolejowej wykonywane jest na podstawie takich pomiarów jak: szerokość toru, różnica wysokości toków szynowych, wichrowatość toru, nierówności poziomych toków szynowych a także nierówności pionowych toków szynowych. Podczas pomiarów należy również określić wartość syntetycznego wskaźnika stanu toru J. Niektóre linie kolejowe mogą wymagać wykonania dodatkowych pomiarów takich jak: położenie toru w odniesieniu do znaków regulacji osi toru, wartość przesunięć toków szynowych w stosunku do punktów stałych dla toru bezstykowego, oraz określenie wartości luzów w stykach dla toru klasycznego [7]. Warto zwrócić szczególną uwagę na wskaźnik jakości toru J, który to wskaźnik jest obiektywną oceną stanu toru, jest on niezależny od dopuszczalnej prędkości jazdy pociągu na danej linii. Wartość wskaźnika nie jest odczytywana wprost z pomiarów, jest on obliczany na podstawie odchyleń standardowych poszczególnych parametrów nawierzchni. Wskaźnik jakości toru oblicza się według następującego wzoru: gdzie: S z odchylenie standardowe nierówności pionowych S y odchylenie standardowe nierówności poziomych S p odchylenie standardowe wichrowatości toru S e odchylenie standardowe szerokości toru 1.2 Proces diagnostyki szyn W niniejszej pracy autorzy opisali badania przeprowadzone na odcinku linii CMK, ze szczególnym uwzględnieniem badań związanych z określeniem stanu szyn. Do takich badań zalicza się: wizualne określenie i pomiar zewnętrznych wad i uszkodzeń, pomiary zużycia pionowego, bocznego i kąta zużycia główki, badania defektoskopowe, pomiar falistego zużycia na powierzchni tocznej szyny oraz ustalenie liczby pęknięć z określeniem ich wystąpień. Kryteria oceny przydatności eksploatacyjnej szyn określone zostały w Załączniku nr 14, Warunków Technicznych utrzymania nawierzchni na liniach kolejowych, Id-1. W Tabeli 1 przedstawiono wartości graniczne dla kryteriów użytkowania szyn. Tab. 1. Wartości graniczne dla kryteriów użytkowania szyn [7]. (1) Na Rysunku 1 przedstawiono schemat wyznaczenia kąta zużycia główki szyny. 2037

3 Rys. 1. Wyznaczenie kąta zużycia główki szyny [7]. Przekroczenie wartości granicznych tych parametrów może zdyskwalifikować szynę do dalszej eksploatacji. 2 STAN ISTNIEJĄCY ANALIZOWANEJ LINII W celu przedstawienia badań diagnostycznych wykorzystano wyniki badań eksploatacyjnych wykonanych podczas prób eksploatacyjnych szyn o profilu 60E1, gatunku R260, o długości 120 m produkcji nieistniejącej już huty TSTG w Duisburgu. Ww. szyny zostały zabudowane na odcinku testowym w roku 2007 na linii CMK, w torze nr 1, km do na zlecenie firmy ThyssenKrupp GfT Polska. Badania zostały przeprowadzone w celu uzyskania świadectwa dopuszczenia do eksploatacji, wydawanego przez Urząd Transportu Kolejowego. Producent potwierdził, iż szyny zostały wykonane zgodnie z normą [2]. Całościowy program badań eksploatacyjnych został opracowane przez Politechnika Krakowską na podstawie [3]. Badania zostały przeprowadzone na odcinku o standardzie konstrukcyjnym nawierzchni jak dla torów klasy magistralnej (0) zgodnie z [4]. Na tym odcinku zabudowano szyny typu 60E1, z podkładami strunobetonowymi typu PS-94, mocowaniem typu SB z łapką sprężystą SB4, na podsypce kolejowej 31,5/50 mm gatunku 1, klasy 1 o grubości warstwy właściwej 350 mm. Na Rysunku 2 przedstawiono przekrój poprzeczny przez analizowaną nawierzchnię. Rys. 2 Przekrój poprzeczny przez analizowaną nawierzchnię [7]. 2038

4 3 SPOSÓB PRZEPROWADZENIA BADAŃ Przygotowany i odpowiednio opracowany (zgodnie z [4]), obejmował: a) Pomiary geometryczne toru; b) Ultradźwiękowe badania defektoskopowe; c) Oględziny stanu powierzchni nieuzbrojonym okiem; d) Pomiary nierówności powierzchni w okolicach złączy; e) Pomiary falistego zużycia powierzchni tocznej; f) Pomiary zużycia pionowego i bocznego. program badań eksploatacyjnych Niezwłocznie po oddaniu toru do eksploatacji dokonano pomiarów drezyną pomiarową oraz wykonano pomiary złączy szynowych w odniesieniu do możliwości występowania wad wewnętrznych i prostoliniowości złączy w płaszczyźnie poziomej i pionowej badania zostały przeprowadzone przez upoważnioną jednostkę PKP PLK S.A.. Wyrywkowo wykonano także oszacowanie zużycia bocznego i pionowego główki szyny (w momencie wbudowania szyn, badania te związane były z zachowaniem tolerancji produkcyjnych) [5]. Kolejne badania kontrolne w torze zostały wykonane w lipcu 2008 roku. Pomiary zostały przeprowadzone za pomocą drezyny pomiarowej EM 120. W przypadku badań defektoskopowych wykorzystano aparat Metrison DI-62 o czułość badania głowicą normalną 66 db, głowica skośna 72 db, natomiast badania wykonanych zgrzein przeprowadzono defektoskopem typu EPOCH LT, czułość badania głowicą normalną 52 db, głowica skośna 56 db. Pomiary końcowe zostały wykonane dwukrotnie: w grudniu 2008 oraz w marcu 2009 roku. Na podstawie tych badań wysunięto następujące wnioski: Zgrzeiny szynowe na odcinku testowym nie mają wad wewnętrznych, a prostoliniowość złączy jest prawidłowa; Położenie geometryczne toru jest dobre: średni wskaźnik J na badanym odcinku ma wartość 1.02, a najwyższy 1.26; Zużycie pionowe i boczne nie występuje (tolerancje są w granicach dopuszczalnych). 4 ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ [6] 4.1 Pomiary geometryczne toru Pierwsze pomiary przeprowadzone bezpośrednio po zabudowie nawierzchni, dały wynik pozytywny. Położenie geometryczne toru określone zostało jako dobre: średni wskaźnik J na badanym odcinku miał wartość 1.02, a najwyższy Kolejne wyniki położenia geometrycznego toru, również okazały się bardzo dobre. Syntetyczny wskaźnik jakości toru kształtował się na poziomie 0,8 0,9 mm, a jedynie na pierwszym odcinku 1- kilometrowym wynosi 1,17. Odchylenia standardowe poszczególnych odchyłek położenia geometrycznego toru rzadko przekraczały wartość 1 mm w odniesieniu do odcinków 1 km. Końcowe pomiary wykonane na przełomie 2008/2009 również dały wyniki pozytywny. Średni wskaźnik J w grudniu wyniósł 1,2, natomiast w marcu 2009 roku 1,3. Odchylenie standardowe wyniosło 0,14. Na Rysunku 3 przedstawiono przykładowy wykres odchyłek szerokości toru z dnia

5 Rys. 3 Wykres odchyłek szerokości z dnia [5]. 4.2 Ultradźwiękowe badania defektoskopowe szyn na występowanie wad wewnętrznych Wszystkie badania defektoskopowe dały wynik pozytywny, zarówno w przebadanych szynach, jak i złączach nie wykryto żadnych wad w chwili zabudowy jak i podczas pomiarów końcowych. 4.3 Oględziny stanu powierzchni nieuzbrojonym okiem Oględziny stanu powierzchni tocznej szyn wykonano dwukrotnie w lipcu 2008 roku oraz grudniu W obu przypadkach nie stwierdzono żadnych wgnieceń, złuszczeń, ani innych wad. 4.4 Pomiar falistego zużycia powierzchni tocznej szyn Pomiar falistego zużycia wykonano 27 stycznia 2009 roku i wykazały, że podczas eksploatacji toru nie dochodzi do zużycia falistego główki szyny. Na Rysunku 4 przedstawiono wykres z badań falistości główki szyny z dnia w km 170,850 w zakresie 100 mm 300 mm, natomiast na Rysunku 5 badanie w zakresie 30 mm 100 mm w km 171,255. Rys. 4 Wykres badań falistości główki szyny z dnia w km 170,850 w zakresie 100 mm 300 mm [5]. 2040

6 Rys. 5 Wykres badań falistości główki szyny z dnia w km 171,255 w zakresie 30 mm 100 mm [5]. 4.5 Pomiar zużycia pionowego i bocznego Zużycia pionowe i boczne nie wystąpiły podczas pomiarów wykonanych w listopadzie 2008 roku. Tolerancje znajdowały się w dopuszczalnych granicach. Końcowy pomiar wykonany w styczniu 2009 nie wykazał zarówno zużyć pionowych jak i bocznych, wszystkie wartości znalazły się w granicach dopuszczalnych. Na Rysunku 6 pokazano przykładowy wykres zużycia szyny wykonany podczas badań eksploatacyjnych. Rys. 6 Wykres zużycia główki szyny na analizowanym odcinku [5]. WNIOSKI Przedstawione powyżej badania wykonane na Centralnej Magistrali Kolejowej pokazują sposób ich przeprowadzenia oraz uzyskane wyniki podczas rzeczywistych pomiarów. Wyliczony wskaźnik syntetyczny toru J przedstawia nam obecny stan obserwowanych torów. Zgodnie z załącznikiem 13 z [7] można zakwalifikować dane tory do eksploatacji przy bezpiecznej dla nich prędkości. Ww. obliczeniach uzyskano wskaźnik J nieprzekraczający 1,3 co zgodnie z [7] kwalifikuje tor do eksploatacji z prędkością 200 km/h, a więc największą dopuszczalną przez ww. przepisy. Warto zwrócić uwagę, iż zużycie główki szyny w czasie ponad rocznej eksploatacji jest niewielkie, a co za tym idzie można spodziewać się zadowalającego kontaktu na styku koło szyna. Również badania defektoskopowe nie wykazały wad wewnętrznych szyn, co świadczy o należytym ich wykonaniu. Podsumowując należy podkreślić, że poprawnie prowadzone badania diagnostyczne są nieodzownym procesem podczas eksploatacji torów kolejowych i należytego utrzymania nawierzchni. 2041

7 Streszczenie W niniejszym artykule autorzy opisali proces diagnostyki nawierzchni kolejowej, wraz z określeniem kolejności wykonywania poszczególnych czynności związanych z określeniem stanu nawierzchni kolejowej. Proces ten został opisany na przykładzie przeprowadzenia badań eksploatacyjnych na linii CMK, w torze nr 1, w km do W artykule w sposób szczegółowy opisano sposób oraz zakres przeprowadzanych badań. Autorzy dokonali analizy wyników uzyskanych wyników badań w zakresie: pomiaru geometrycznego toru, ultradźwiękowego badania defektoskopowego szyn na występowanie wad wewnętrznych, oględzin stanu powierzchni nieuzbrojonym okiem, pomiary falistego zużycia powierzchni tocznej szyny oraz pomiaru zużycia pionowego i bocznego. Na podstawie przeprowadzonej analizy wyciągnięto wnioski. Diagnostics status of railway surface on the example of the CMK line in track No. 1, km to Abstract In this article the authors describe process of diagnosis of railway tracks, setting out the order of execution of the various activities related to the determination of the status of the superstructure. This process is described on the example carrying out field tests on the CMK line in track No. 1, at km to The article describes in detail the method and scope of the research carried out. The authors analyzed the results of the obtained results in terms of: measuring a geometric path, ultrasonic testing of rails the occurrence of internal defects, visual inspection of the surface condition to the naked eye, measuring the consumption of corrugated rail running surface and measuring the vertical and lateral wear. Based on analysis of conclusions have been drawn. BIBLIOGRAFIA 1. Instrukcja diagnostyki nawierzchni kolejowej Id-8, Warszawa PN EN Tor. Szyna. Część 1: Szyny kolejowe Vignole a o masie 46 kg/m i większej. 3. WTWIO-ILK3d-518/3/07 Warunki Techniczne Wykonania i Odbioru Szyn Kolejowych. 4. Dz. U nr 151 poz. 987, Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 10 września 1998 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budowle kolejowe i ich usytuowanie. 5. Wstępne sprawozdanie z badań eksploatacyjnych szyn o długości 120 m, produkowanych przez TSTG (Niemcy), Politechnika Krakowska maj Końcowa opinia z badań eksploatacyjnych szyn o profilu 60E1, gatunku 260, o długości 120m, produkowanych przez TSTG (Niemcy), zabudowanych na linii CMK w torze nr 1, km 170,850 do 174,050, Politechnika Krakowska, Kraków Warunki techniczne utrzymania nawierzchni na liniach kolejowych Id-1, Warszawa