Skinnesliping

__NUMBEREDHEADINGS__

Innledning

Sliping av skinner foretas i hovedsak for å forlenge levetiden på skinner og andre sporkomponenter, samt det rullende materiell. Sliping utføres for å forhindre utvikling av bølger og andre slitasjeskader på skinnene, som overflateutmatning og utvalsing av tverrprofilet.

Sliping er også viktig for å redusere støy og vibrasjoner mot omgivelsene.

Bølgedannelse kan ha flere årsaker, men det vanligste i Norge er korte bølger på innerstrengen i skarpe kurver. Overflateutmatningsdefekter kan f.eks være «kjørekantsprekker» (head-checks), som etter en tids trafikkbelastning kan gi avskallinger og sprekktilvekst i dypet, noe som øker risikoen for skinnebrudd.

Konsekvensene av skadene er økt nedbrytning av spor og sporkomponenter, skader på rullende materiell, nedbrytning av ballast, økt støy og vibrasjoner og økt energiforbruk.

Det gjelder å redusere/minske skadelige overflatedefekter eller å skape en gunstigere kontakt mellom hjul og skinne, for å forlenge tiden innen problemene oppstår eller har fått for stort omfang. Dette kan oppnås ved å slipe til bestemt tverrprofil tilstrekkelig ofte.

På nye skinner finnes det et spesielt overflateproblem. Overflatesjiktet på nye skinner består av en allmen overflateruhet og små ujevnheter, et tynt glødeskall (med mindre hardhet) ned til ca. 0.5 mm dyp.

Overflateproblemet på nye skinner kan rettes ved såkalt preventiv sliping. Begrepet preventiv sliping er et forebyggende tiltak for overflateproblem på nye skinner eller for senere å holde tilbakevendende problemer i sjakk.

Omfanget av sliping må veies mot innsparinger pga. lengre levetid for sporkomponenter, lavere vedlikeholds- og utskiftningskostnader for sporet og kostnader til bygging av støyskjermer. Togenes forbedrede komfort og gangegenskaper må også vurderes. Likeså økt levetid og mindre vedlikeholdskostnader hos det rullende materiell.

Skinnens lengdeprofil

De periodiske ujevnhetene som kan observeres på skinnehodet deles opp i rifler, korte bølger og lange bølger.

Alle typene kjennetegnes ved at de dannes ved plastisk deformasjon av skinnhodets overflate, dvs. at stålets flytegrense er oversteget, og at det dannes herdede soner med martensittstruktur. Årsakene til de forskjellige fenomenene er ulike, men felles er at vibrasjoner eller slipp (dvs. at hjulet spinner ørlite) fører til at overflatespenningene i skinnen gått over stålets flytegrense.

Rifler

Rifler har en bølgelengde på 3 - 8 cm og en bølgedybde på 0.02 - 0.4 mm. De forekommer hovedsakelig på rettlinje og i slake kurver. De danner regelmessige mønstre i skinneoverflaten med blanke topper i martensitt og matte bunner mellom riflene. I toppen av en rifle kan hardheten nå opp i ca. 900 HV (Vickers), mens gjennomsnittet er 290 HV, en økning på over 300%.

Rifledannelse er vanlig på baner med høye hastigheter, og er et fenomen som gir svært mye støy og vibrasjoner. I Norge er rifledannelse relativt sjelden.

Rifler opptrer ikke overalt hvor forholdene ellers later til å være like. Hos Deutsche Bahn viser undersøkelser at 12-15% av skinnen danner rifler, hvorav 80% er på rettlinje og 20% i kurver med R > 1000m. Det er mistanke om at et svært stivt spor kan medføre raskere dannelse av rifler.

Initielle ujevnheter

Årsaken til rifledannelse er ennå ikke fullt ut forklart, men det synes som om det kommer av vibrasjoner/resonans pga. små initielle ujevnheter i skinnene som setter hjulsatsen i svingninger. Av den grunn vil det kunne hjelpe å slipe de nye skinnene umiddelbart etter innlegging for å fjerne valsehud og få en jevnere overflate.

Korte bølger

Korte bølger har en bølgelengde på 8-30 cm og en bølgedybde på 0.1 - 1.2 mm. De forekommer i innerstrengen i skarpe kurver (R < 600 m). Alvorlige bølgedannelser skjer i kurver med R < 350-400 m.

På grunn av kurvaturen i Norge er korte bølger svært vanlige, og er et stort problem på flere baner. De induserer kraftige vibrasjoner i hjulsatsene som øker kreftene i overbygningen vesentlig.

«Rulleslipp» i kurver

Årsaken til korte bølger er «rulleslipp» i kurver. Jernbanemateriell er utstyrt med koniske hjul og en stiv aksel som styrer hjulsatsen langs skinnene. Dersom hjulsatsen forskyver seg sideveis, vil rulleradiusen bli forskjellig for de to hjulene og hjulsatsen forsøker å sentrere seg på nytt. I slake kurver vil denne forskjellen i hjulradius kompenseres med den forskjellige lengden de to hjulene skal tilbakelegge, og hjulsatsen kan rulle fritt gjennom kurven (uten flenskontakt).

Er kurvens radius derimot skarpere enn ca. 600 m, klarer ikke rulleradiusdifferansen å utligne forskjellen i lengde mellom de to strengene. Et av hjulene må «slippe» (eller spinne) for at hjulsatsen skal kunne komme gjennom kurven. Dette skjer periodisk hver gang horisontalkraften blir større enn friksjonskraften, bl.a. som følge av torsjon i akselen. Kontaktspenningene hjul/skinne blir så store at stålet flyter.

Bortsett fra i kurver, kan korte bølger også oppstå andre steder hvor materiellet settes i vibrasjon, f.eks. på steder hvor sporets elastisitet er ujevn, hvor en skifter fra skinner med en strekkfasthet til en annen, ved lave isolerte skjøter, ved sporveksler, ved brukar eller ved sveiste skjøter med dårlig geometri.

Skinner med stor strekkfasthet kan utsette dannelsen av korte bølger. Det kan være en del å vinne på ha skinner med høy strekkfasthet på innerstrengen.

Lange bølger

Elliptiske valser

Lange bølger har en bølgelengde på 0.25 - 2.0 m og en bølgedybde på 0.5 - 5 mm. Lange bølger er en produksjonsfeil som skyldes at valsene som valser skinnene ikke er helt sirkelrunde. Dersom kontrollen med rullene ikke er god nok, vil de kunne bli elliptiske og dermed lage en liten periodisk ujevnhet i skinnene. Under påvirkning av det rullende materiellet blir så disse gradvis dypere. I tillegg kan lange bølger forekomme på baner som bare blir trafikkert av én type materiell hvor alle tog setter sporet i like vibrasjoner.

Ruhet

Slipe-riper

Ruhet brukes i litteraturen både om overflatedefekter med bølgelengder i størrelsesorden < 10 mm og om bølgedannelse. Ruhet brukes også om slipe-«ripene» som oppstår ved sliping, dette er ikke en defekt i seg selv, men må holdes innen visse grenser.

Ruhets-parametre:

• Ra = aritmetisk middelverdi av overflateprofilet over en gitt målelengde
• Ry = største enkelt topp- til bunnverdi innen målelengden
• Rz(DIN) = middel av største topp- til bunnverdi av fem delmålelengder.

Begrepet ruhet brukes ofte i støysammenheng.

Nedbrytende effekter fra rifler og bølger

Togtrafikken forårsaker krefter som påvirker overbygningen på forskjellige måter. Belastningen kan deles opp i en statisk, en kvasistatisk og en dynamisk del.

Kvasistatiske og dynamiske krefter øker med hastigheten. Den statiske lasten utgjøres av aksellasten, mens de kvasistatiske skyldes omlagringer av hjullasten i forbindelse med kjøring gjennom kurver. På grunn av omlagring fra innerstreng til ytterstreng ved kjøring gjennom en kurve fås endrede vertikallaster og sidekrefter mot skinnene.

Den dynamiske lasten kan deles opp i impulslast og vibrasjonslast. Impulslaster skyldes ujevnheter i skinnenes overflate eller at hjulene ikke er helt runde. Impulslastene kan være meget høye. Målinger har vist opp til 2.5 ganger den statiske aksellasten. Vibrasjonslaster kan ha flere ulike årsaker. Det rullende materiellet i seg selv kan indusere vibrasjoner eller det kan være rifler og bølger på skinneoverflaten som induserer vibrasjoner, eller det skyldes svillene. Svillene ligger med en viss avstand fra hverandre og gir en noe ulik elastisitet i sporets lengderetning.

Rifler og bølger (og andre ikke periodiske ujevnheter i sporet) gir kraftige påvirkninger av spor og materiell pga. økte dynamiske krefter og vibrasjoner. Dette fører bl.a. til kortere levetid på sporets komponenter og på sporjusteringen, slitasje på rullende materiell, dårligere komfort, økt støy og økt energiforbruk.

Impulslaster

Impulslaster som skyldes rifler og bølger har tydelig innflytelse på nedbrytningen av hele overbygningen. Dette kan observeres på steder som har slike feil, der det sannsynligvis vil finnes stor slitasje på sviller/befestigelse og nedbrytning av ballasten som følge av de store kreftene som oppstår.

Vibrasjons-laster

Vibrasjonslastene i sporet som følge av rifler og bølger kan også bli meget store og bidra sterkt til nedbrytning av sporets komponenter. Både skinner, befestigelse, sviller og ballast utsettes for store krefter. Dersom de angripende kreftene har en frekvens som er lik konstruksjonens egenfrekvens, kan det dessuten oppstå en risiko for resonans. Dette kan medføre sprekkdannelser i betongsviller. Vibrasjonslaster kan også gi «flyt» i ballasten. Dette betyr at ballasten flytter seg litt for hver togpassering og sporets justeringsstandard vil raskt nedbrytes.

Frosset spor

Bølger med stor stigning (f.eks. korte og dype bølger) på hard grunn, kan gi spesielt høye tilleggskrefter, under slike forhold kan tilleggskraften kan komme opp i over 300kN. «Hard grunn» forekommer mye i Norge pga. frosset spor vinterstid, samt tilnærmet også i fjellskjæringer etc. sommerstid.

Rifler og bølger har altså også store økonomiske virkninger i tillegg til virkningen på komforten.

Måling av rifler og bølger

ROV-diagram

To ganger i året foretar Jernbaneverket sporgeometrimålinger Tidligere skjedde dette med «Mauzin -vognen» som nå er utfaset. Diagrammer (ROV-diagrammer) fra disse målingene kan benyttes til å vurdere tilstanden på sporet. ROV-diagrammene måler blant annet bølgedybde og bølgelengde for korte og lange bølger. Eksempler på ROV-diagram (bølgedybde korte bølger) er vist i figur 8.1.

Figur 8.1 ROV-diagram fra Mauzin målevogn

Målevogn for registrering av rifler/bølger leies også ut av slipefirmaet Speno. Denne vognen – SM775 gjør målinger med en hastighet på 60 km/h og med en nøyaktighet på 0.01 mm for korte bølger og 0.1 mm for lange bølger. Disse målingene gir absolutte målinger av bølgedybder og bølgelengder for korte og lange bølger og gjennomsnittsmålinger av bølgedybden. Tverrprofilets form og dets avvik fra et gitt profil blir også målt. Dessuten skrives det ut en oversikt hvor den målte strekningen er gruppert i klasser (1-8) ut fra bølgedybde, dvs. at man får en oversikt over antall km innen de forskjellige klassene. Dette forenkler planleggingen vesentlig og betyr at man kan planlegge antall overfarter mer nøyaktig. De forskjellige klassene fra Speno-diagram er gitt i tabell 8.1

Tabell 8.1 Kvalitetsklasser i hht. Speno SM 775 - målevogn

Klasse	1	2	3	4	5	6	7	8
Bølgedybde i mm	0.02 - 0.04	0.04 - 0.06	0.06 - 0.08	0.08 - 0.10	0.10 - 0.15	0.15 - 0.20	0.20 - 0.25	0.25 -

Figur 8.2 Speno SM 775 - målevogn for lengde- og tverrprofil

I tillegg til målevognskjøringer, kan observasjoner i sporet fra f.eks strekningsledere, banemannskap, togførere og andre som «kjenner» strekningene, benyttes som supplement til målediagrammene.

«Elektroniske linjaler»

Kvalitet på skinnene mhp. bølgedannelse, kontroll av sliping, geometrikontroll av sveis og retthet av kjøreflate/kjørekant kan også måles lokalt i sporet ved hjelp av håndholdt utstyr, såkalte «elektroniske linjaler».

Skinnens tverrprofil

Skinnens tverrprofil spiller en viktig rolle. Kontakten mellom hjul og skinne bestemmer spenningene på skinneoverflaten og de indre spenningene i skinnen. Unøyaktig kontakt kan forårsake utmatting på hjul og skinne.

Tverrprofilet er viktig for gangen/oppførselen til det rullende materiell. På rett-linje og i slake kurver vil hjulenes konisitet sentrere hjulsatsen slik at ingen av hjulflensene vil berøre skinnehodet. I skarpe kurver derimot ligger hjulflensen på det ledende hjul an mot skinnehodet på den ytre skinnen med en horisontalt rettet kraft. Dette medfører en sideveis slitasje.

Slitasje på skinner og hjul kan minskes gjennom smøring. Smøring er gunstig for å minske slitasjen på skinnene, men mindre slitasje kan gi økte utmatningsproblemer.

Profil sliping / asymmetrisk sliping kan også minske slitasjen sideveis.

Kontaktutmatting

Slitasjen (og evt. bølgedannelsen) står ofte i et balanseforhold til overflateutmatningsskader og evt. andre overflateskader. Slitasjen påvirkes av materialet i hjul og skinner.

Slitasje

Slitasje vil si bortslitning av metall, ved utmatting dannes sprekker i skinnen som resulterer i avskallinger. Både slitasje og utmatting er oftest hovedårsaken til utskiftning av skinner.

Utmatnings-skader

Utmatningsskader kan initieres på tre ulike nivåer i skinnen; på overflaten, like under overflaten og lengre inn i skinnen. Utviklingen kan deles inn i tre stadier,

• sprekker dannes
• tilvekst av sprekkene ved syklisk belastning
• til slutt kan brudd skje.

Til overflateutmatningsskader regnes skader som har startet på overflaten og ned til 10-15 mm under overflaten. Dypere skader er rene indre feil. Avhengig av hvor en sprekk er initiert og i hvilken retning tilveksten skjer, innen brudd eller avskalling inntreffer, gis skaden / defekten ulike navn.

Utmattingsskader på skinnehodet kan være:

• Shelling, som er sprekker som initieres 5-10 mm under overflaten og fører til avskallinger på kjørekanten. Sprekkene kan også bøye av innover i skinnen og forårsake tverrbrudd.
• Kjørekantsprekker (head-checks), som er overflate-initierte, parallelle sprekker ned mot kjørekanten. Avhengig av trafikkens hovedbelastningsretning kan typiske vinkler og avstand mellom sprekkene utvikles.
• spalling, som er et etterfølgende stadie av kjørekantsprekker, da små materialbiter løsner.