Grzegorz Stencel Instytut Kolejnictwa Zak ad Dróg Kolejowych i Przewozów gstencel@ikolej.pl Oddzia ywanie dynamiczne na rozjazdy kolejowe Dynamic impact on railway turnouts Wprowadzenie Badania dynamiczne rozjazdów z ruchomym dziobem krzy ownicy Badania dynamiczne rozjazdów ze sta ym dziobem krzy ownicy Mo liwe kierunki rozwoju bada Podsumowanie Roboty modernizacyjne infrastruktury kolejowej w Polsce s okazj do kompleksowej wymiany nawierzchni na d ugo ci ca ej linii, w tym równie na stacjach. Zmiana pr dko ci maksymalnej na liniach, a tak e ci g y post p w rozwoju rozjazdów pozwalaj stosowa konstrukcje bardziej trwa e i nie wymagaj ce cz stych zabiegów utrzymaniowych. W ci gu ostatnich kilkunastu lat pracownicy Centrum Naukowo-Technicznego Kolejnictwa przebadali wiele rozjazdów o ró nej konstrukcji. W ród nich by y rozjazdy z ruchomym dziobem krzy ownicy zabudowane na stacji Psary. Przeprowadzone badania wykaza y przydatno ich stosowania na liniach o pr dko ci konstrukcyjnej 200 km/h [1]. Fot. 1 Krzy ownica z ruchomym dziobem w rozje dzie zwyczajnym typu 60E1-1200-1:18.5 na stacji Psary W 2009 roku zako czono badania na kolejnym poligonie badawczym zlokalizowanym na Centralnej Magistrali Kolejowej. Badania na stacji Korytów s u y y sprawdzeniu mo liwo ci zastosowania rozjazdów ze sta ym dziobem krzy ownicy przy pr dko ci 200 km/h. Rys. 1 Schemat rozmieszczenia badanych rozjazdów na stacji Korytów Badania dynamiczne rozjazdów z ruchomym dziobem krzy ownicy
Na stacji Korytów w torach g ównych zasadniczych zabudowano 10 rozjazdów zwyczajnych ze sta ym dziobem krzy ownicy: sze typu 60E1-1200-1:18.5 oraz cztery typu 60E1-500-1:12 (tablica 1). Rozjazdy zosta y dostarczone przez trzech producentów: KolTram, KZN Cogifer oraz VAE. We wszystkich rozjazdach pochylenie poprzeczne szyn wykonane za pomoc podk adek ebrowych lub obróbki mechanicznej powierzchni tocznej wynosi 1:40. Zwrotnice wszystkich rozjazdów s wyposa one w rolki podiglicowe: zamocowane do stopki opornicy lub wbudowane w p yty podiglicowe. Zamkni cia nastawcze s niewra liwe na pe zanie iglic. Szyny w zwrotnicy (iglice i opornice) s wykonane ze stali gatunku R350HT. Szyny cz ce wykonane s ze stali gatunku R260, a szyny w krzy ownicy (skrzyd owe, dziobowe lub toczne kierownicy) ze stali R260 lub R350HT. Rozjazdy s przytwierdzone do podrozjazdnic strunobetonowych typu SP-93. Fot. 2 Zwrotnica rozjazdu nr 1 na stacji Korytów
Fot. 3 Zwrotnica rozjazdu nr 2 na stacji Korytów Fot. 4 Zwrotnica rozjazdu nr 26 na stacji Korytów Zakres bada Badania przeprowadzono w dwóch etapach. Pierwszy etap obejmowa dwie serie pomiarów w zakresie podstawowym, które przeprowadzono w lutym 2008 roku (okres zimowy) oraz w czerwcu 2008 roku (okres letni). W drugim etapie wykonano dodatkowo pomiary oddzia ywa dynamicznych, które zako czono w listopadzie 2009 roku. Zakres podstawowy bada by nast puj cy (I etap):
Pomiary ci g e parametrów geometrycznych toromierzem samorejestruj cym na kierunku zasadniczym i zwrotnym; Pomiary punktowe parametrów geometrycznych wg arkuszy badania technicznego rozjazdów; Pomiary niwelety i strza ek wg arkuszy badania uzupe niaj cego rozjazdów dla pr dko ci v 160 km/h; Pomiary dolegania iglic do opornic oraz opórek i siode ek podiglicowych; Badania poprawno ci przyj tej liczby wrotek podiglicowych i ich rozmieszczenia w zwrotnicach; Pomiary twardo ci powierzchniowej krzy ownicy, opornic, iglic, szyn cz cych w wybranych przekrojach; Pomiary przekrojów poprzecznych w wybranych punktach krzy ownicy, zwrotnic i szyn cz cych; Badania defektoskopowe krzy ownic; Ogl dziny poszczególnych cz ci rozjazdów; Pomiary si oporów przestawiania zwrotnic; Okre lenie warto ci maksymalnych si nastawczych nap dów w oparciu o stwierdzone si y oporów przestawiania i z uwzgl dnieniem obowi zuj cych przepisów; Badania podstawowych parametrów zamkni nastawczych oraz poprawno ci dzia ania zamkni nastawczych, sprz e i kontrolerów po o enia iglic; Badania poprawno ci wspó pracy rozjazdów z nap dami zwrotnicowymi, w tym ocena przyj tych parametrów kontroli po o enia iglic i ich wspó pracy z urz dzeniami srk, w oparciu o próby zapadkowe oraz pomiary odleg o ci iglic od opornic na wysoko ci zamkni nastawczych i kontrolerów po o enia iglic; Badania skuteczno ci ogrzewania zwrotnic i zamkni nastawczych oraz sprawno ci dzia ania tych elementów rozjazdów w okresie wyst powania niskich temperatur i opadów niegu; Sprawdzenie skuteczno ci ochrony zamkni nastawczych, dr ków nap dów i dr ków kontrolerów przed blokowaniem przez nieg nawiewowy oraz przed uszkodzeniami mechanicznymi; Sprawdzenie poprawno ci rozmieszczenia w podrozjazdnicach zespolonych elementów nap dów, zamkni nastawczych i dr ków kontrolerów i ich wzajemnej wspó pracy z uwzgl dnieniem wype nienia podrozjazdnic elementami ogrzewania rozjazdów. Zakres pe ny (II etap) oprócz bada wymienionych powy ej obejmowa : Badania oddzia ywa dynamicznych w rozje dzie podczas jazd próbnych z pr dko ciami od 160 km/h do 220 km/h na kierunkach zasadniczych rozjazdów; Badania oddzia ywa dynamicznych w taborze podczas jazd próbnych z pr dko ciami od 160 km/h do 220 km/h na kierunkach zasadniczych rozjazdów. Ocena przydatno ci stosowania rozjazdów ze sta ym dziobem na liniach du ych pr dko ci Warunki Techniczne TSI dla linii du ych pr dko ci [2] stanowi, e rozjazdy i skrzy owania po o one na liniach o pr dko ci ruchu v 280 km/h powinny posiada ruchome dzioby krzy ownic. Na odcinkach linii dla pr dko ci v<280 km/h mo na uk ada rozjazdy z krzy ownicami z dziobem sta ym. Oczywi cie nie mo na do tych zapisów podchodzi bezkrytycznie, bowiem okre laj one tylko graniczn pr dko, przy której mo na stosowa krzy ownice ze sta ym dziobem. Poza tym, dobór krzy ownicy powinien by uzale niony równie od pozosta ych parametrów eksploatacyjnych linii, na której planuje
si zabudowa rozjazd. Tak wi c istotnym czynnikiem jest nie tylko pr dko maksymalna, ale równie struktura ruchu (pasa erski, towarowy, mieszany) i jego nat enie. Z uwagi na powy sze spostrze enia, nale y w tym miejscu zaznaczy, e stacja Korytów po o ona jest na linii, gdzie dominuje ruch poci gów pasa erskich, a roczne obci enie przewozami nie przekracza 10 Tg. Z uwagi na to, e badania zosta y przeprowadzone w dwóch etapach, wyniki niektórych pomiarów (np. zu ycia cz ci stalowych czy parametrów geometrycznych torów) mo na wykorzysta do zaprezentowania zmian w okresie pó torarocznej eksploatacji. Nie przeanalizowano jednak w ten sposób pomiarów niwelety, gdy przed ostatni seri bada, w okresie letnim, dokonano ci g ego podbicia rozjazdów w celu przygotowania ich do bada dynamicznych. Wiadomo natomiast, e w okresie mi dzy pierwsz i drug seri bada, tj. w okresie czterech miesi cy, osiadanie rozjazdów praktycznie nie wyst pi o. Pomiary parametrów geometrycznych badanych rozjazdów nie wykaza y wi kszych zmian wszystkie parametry mie ci y si w granicach odchy ek dopuszczalnych. W rozje dzie zabudowanym na podrozjazdnicach strunobetonowych ewentualne odchylenia w szeroko ci torów mog by g ównie wynikiem zu ycia elementów stalowych, a takie zjawisko w okresie, w którym badano rozjazdy praktycznie nie wyst pi o. Na potwierdzenie tej tezy poni ej przedstawiono wybrane obrysy elementów stalowych jednego z rozjazdów typu 60E1-500-1:12, które wykonano w strefie zwrotnicy i krzy ownicy. Rysunek 2 przedstawia przekrój pó zwrotnicy z o onej z iglicy prostej i opornicy ukowej, a rysunek 3 zestawienie przekrojów krzy ownicy. Jak wida na rysunkach, przekroje stalowych cz ci jezdnych po pó tora roku s niemal e identyczne. Rys. 2 Przekroje pó zwrotnicy w rozje dzie zwyczajnym typu 60E1-500-1:12 Rys. 3 Przekroje krzy ownicy w rozje dzie zwyczajnym typu 60E1-500-1:12 Jednym z czynników, który pozytywnie wp ywa na trwa o stali jest zjawisko utwardzania pod wp ywem oddzia ywuj cego obci enia. Przebieg tego procesu wida wyra nie w przypadku dzioba krzy ownicy. Rysunek 4 prezentuje wyniki pomiarów twardo ci w poszczególnych przekrojach krzy ownicy, wykonanych przy pomocy przeno nego twardo ciomierza. Przy pomocy tego przyrz du mo na dokona pomiarów twardo ci z dok adno ci ±10%.
Rys. 4 Twardo dzioba krzy ownicy w rozje dzie zwyczajnym typu 60E1-1200-1:18.5 We wszystkich czterech typach krzy ownic (fotografie 5 8) zastosowanych w rozjazdach na stacji Korytów rednia twardo stali podczas ostatniej serii waha a si w granicach 500 600 HB (zarówno w rozjazdach typu 60E1-1200-1:18.5, jak i w rozjazdach typu 60E1-5001:12). Wzrost twardo ci jest widoczny szczególnie w pocz tkowej cz ci dzioba, czyli tam, gdzie w wyniku przej cia ko a z szyny skrzyd owej wyst puj zwi kszone oddzia ywania dynamiczne. Nale y tu doda, e proces utwardzania charakteryzuje si wyst powaniem odkszta ce plastycznych na powierzchni, przejawiaj cych si sp ywami materia u. Z punktu widzenia ywotno ci konstrukcji istotnym jest, aby szczególnie w pocz tkowym okresie eksploatacji sp ywy te na bie co usuwa. Fot. 5 Krzy ownica typu INSERT ze stali manganowej w rozje dzie nr 1
Fot. 6 Krzy ownica typu Perlit 1300 ze stali perlityzowanej w rozje dzie nr 3 Fot. 7 Krzy ownica monoblokowa ze staliwa bainitycznego w rozje dzie nr 6
Fot. 8 Krzy ownica monoblokowa ze stali manganowej w rozje dzie nr 26 Na zako czenie drugiego etapu bada przeprowadzono pomiary oddzia ywa dynamicznych. Podczas przejazdów poci gu z o onego z lokomotywy Taurus 183 601 Husarz i jednego wagonu, rejestrowano sygna y z czujników zamontowanych na wózku i pudle wagonu oraz na elementach stalowych rozjazdów i podrozjazdnicach. Z powodu zwi kszonych oddzia ywa wyst puj cych w rejonie krzy ownicy, podczas bada oddzia ywa dynamicznych, czujnik przyspiesze pionowych zamocowano m.in. na dziobie krzy ownicy. Wyniki pomiarów przyspiesze dzioba krzy ownicy jednego z rozjazdów typu 60E1-1200-1:18,5 zaprezentowano na rysunku 5 w postaci wykresu. Rys. 5 Przyspieszenia dzioba krzy ownicy (RMS) w rozje dzie typu 60E1-500-1:12 Warto ci przyspiesze dzioba krzy ownicy odnotowane w innych rozjazdach znajdowa y si (poza pewnymi wyj tkami) na zbli onym poziomie. Jak wida, nie zawsze wzrost pr dko ci oznacza wzrost przyspiesze poszczególnych cz ci rozjazdu. Wynika to z faktu, e rozjazd jest konstrukcj z o on i przy tym relatywnie krótk, co determinuje pewn przypadkowo otrzymywanych rezultatów. Wynik zale y cz sto od sposobu
wpisania si zestawów ko owych w tor rozjazdu, co przy ka dej je dzie mo e nast powa nieco inaczej. W zwi zku z powy szym pomiar punktowy obarczony jest du doz przypadkowo ci. Dlatego te, w przypadku rozjazdów, bardziej przejrzyste wnioski mo na wysnu z analizy sygna ów zarejestrowanych przez czujniki zamontowane na taborze. Celem lepszego zlokalizowania poszczególnych stref rozjazdu, konstrukcj podzielono na sekcje pomiarowe identyfikowane za pomoc fotokomórek (rysunek 6). Rys. 6 Podzia rozjazdu na sekcje pomiarowe Na rysunku 7 przedstawiono wykres warto ci skutecznych przyspiesze poprzecznych ma nicy zanotowanych na d ugo ci rozjazdu. Do analizy wzi to pod uwag przejazdy w kierunku z ostrza nie tylko dlatego, e podczas przejazdów w tym kierunku zanotowano wi ksze warto ci przyspiesze, ale równie w celu stwierdzenia jak szybko przyspieszenia poprzeczne wywo ane przejazdem przez krzy ownic ulegaj zmniejszeniu. Podczas przejazdu przez rozjazd, który w przypadku rozjazdu typu 60E1-500-1:12 trwa poni ej 1 s, wzrost przyspiesze poprzecznych zanotowano w okolicach dzioba krzy ownicy, ale na wykresach wida doskonale równie to, e zaraz potem przyspieszenia te zosta y skutecznie wygaszone. Fakt, e cz stotliwo ci drga konstrukcji rozjazdu i elementów pojazdu s na ró nym poziomie, dzi ki czemu nie wyst puje zjawisko rezonansu, jest kluczowy z punktu widzenia bezpiecze stwa eksploatacji. Rys. 7 Przyspieszenia poprzeczne ma nicy w rozje dzie typu 60E1-500-1:12
Innym istotnym kryterium, wg którego oceniano przydatno badanych konstrukcji do stosowania na liniach z pr dko ci maksymaln 200 km/h, jest kryterium spokojno ci jazdy. Kryterium to rozpatrywano w oparciu o pomiary przyspiesze pud a wagonu. Warto dopuszczalna wynosi 0.75 m/s 2 dla przyspiesze pionowych oraz 0.5 m/s 2 dla przyspiesze poprzecznych. Z przeprowadzonych bada wynika, e w wi kszo ci przypadków wy sze warto ci przyspiesze zanotowano podczas jazdy z ostrza oraz na rozjazdach typu 60E1-500- 1:12, gdzie zbli a y si one do warto ci granicznych. W rozjazdach typu 60E1-1200-1:18.5 warto ci przyspiesze pionowych i bocznych pud a wagonu by y rednio o po ow ni sze. W przypadku wszystkich rozjazdów kryterium spokojno ci jazdy zosta o spe nione. Dla porz dku nale y doda, e wszystkie podane w analizie dynamicznej warto ci s warto ciami skutecznymi obliczonymi po przefiltrowaniu danych przy cz stotliwo ci 200 Hz. Podsumowanie W ramach bada eksploatacyjnych rozjazdów zabudowanych na stacji Korytów przeprowadzono trzy serie bada przy pomocy pomiarowego sprz tu diagnostycznego oraz badania oddzia ywa dynamicznych. Podczas bada dynamicznych wykonano cznie prawie 80 przejazdów z pr dko ci v 160 km/h, w tym kilkana cie z pr dko ci 220 km/h. Przeprowadzone badania wykaza y wysok jako wykonania badanych rozjazdów. Bior c pod uwag struktur i nat enie ruchu na Centralnej Magistrali Kolejowej, nale y stwierdzi, e rozjazdy ze sta ym dziobem krzy ownicy bardzo dobrze nadaj si do zastosowania na liniach z pr dko ci maksymaln do 200 km/h, szczególnie na odcinkach, gdzie dominuje ruch poci gów pasa erskich. Z uwagi na utrudnione mo liwo ci interpretacji wyników oddzia ywa dynamicznych odnotowanych w nawierzchni, nale y rozwa y mo liwo certyfikacji nowych konstrukcji rozjazdów przystosowanych do du ych pr dko ci wy cznie na podstawie wyników pomiarów oddzia ywa dynamicznych zarejestrowanych przez czujniki zamontowane na taborze. Literatura: [1] Cejmer J.: Badania oddzia ywa dynamicznych w rozjazdach przeznaczonych do du ych pr dko ci poci gów. Problemy Kolejnictwa, zeszyt 140. Warszawa, 2005. [3] Stencel G. i in.: Badania eksploatacyjne rozjazdów zwyczajnych typu 60E1-1200-1:18.5 i 60E1-500-1:12 przystosowanych do pr dko ci v=200 km/h, z krzy ownicami ze sta ym dziobem, na stacji Korytów. Prace CNTK nr 3694/11, 3695/11, 3696/11. Warszawa, 2009. [4] Stencel G.: Badania rozjazdów kolejowych przystosowanych do du ych pr dko ci, wykonywane przez IK. Problemy Kolejnictwa, zeszyt 153. Warszawa, 2011.