El 18 på Flåmsbana

Innledning

El 18 vurderes å bli satt inn i trafikk som trekkmateriell for vogner på Flåmsbana til erstatning for El 17.

Aspektet gir en betydelig økning av aksellasten; fra 16,0 tonn for El 17 til 21,3 tonn for El 18. NGI har utført et prosjekt for å undersøke stabilitet i fyllinger, støttemurer med mer. Det er dokumentert at det ikke er fare for utglidninger. NGI anbefaler allikevel å overvåke steder hvor det kan være mulighet for utglidning under spesielle forhold.

Flåmsbana har en krevende geometri. I langsgående retning er det fall/stigning på 55 mm/m. Det finnes et stort antall av kurver med små radier; R = 200 m med D = 50 mm og R = 150 m med D = 50 mm. Kurveradius ned mot 130 m finnes også.

Med sin kurvatur faller Flåmsbana utenfor rammene i EN 14363. Det kreves dermed særskilte vurderinger. Flåmsbana er klassifisert i overbygningsklasse b. Iht. teknisk regelverk tillates vogner i persontog å ha en aksellast på 18 tonn ved framføring i 100 km/h. Denne hastigheten er ikke aktuell på Flåmsbana på grunn av kurvaturen. Hastigheten settes til 30 km/h.

I teknisk regelverk i tabell for kombinasjon for tillatt aksellast og hastighet er det definert underpunkter som kommer til anvendelse

• maks aksellast for lokomotiv i persontog er 22,5 tonn

• den totale masse av toget skal ikke overstige maksimal nominell aksellast x antall aksler x 1,02 (lokomotiv i persontog holdes utenfor i denne beregning)

Kulepunktene innebærer at lokomotiv med aksellast inntil 22,50 tonn kan benyttes til framføring av vogner på Flåmsbana. El 18 har en aksellast lik 21,3 tonn.

Det legges til grunn at det ved målevognkjøring i den senere tid er verifisert at Flåmsbana har en sporkvalitet som minst er i samsvar med retningslinjene for tillatte avvik for bestemmende sporkvalitetsparametere gitt for den hastighetsavhengige kvalitetsklasse for sikker framføring av togmateriell. Aspektet innebærer at kvalitetsparameterne ikke overskrider verdier i grense for vedlikehold; eventuelt for tiltak. Det legges også til grunn at komponenter i sporet er i en slik forfatning at El 18 kan framføres. Aspektet har særlig gyldighet for tresviller.

En viktig parameter er den faktiske sporvidde målt i lastet tilstand med målevogn. Sporvidden må bli vurdert i sammenheng med reell sporvidde (nominell + utvidelse på grunn av kurvatur), skinneslitasje og svilleskruens kontakt med trevirke i svillene.

En annen parameter er vindskjevhet i overgangskurve sett i sammenheng med tilhørende sirkelkurve og overhøyde i sirkelkurven.

Parametere for sporkonstruksjonen

På grunn av de små kurveradiene har Flåmsbana lasket spor.

Skinner er 49E1 overveiende i kvalitet R 260 Mn med strekkfastheten min. 880 N/mm2. Skinner av samme profil i kvalitet R 200 Mn finnes også. Min. strekkfasthet for denne skinnekvaliteten er 680 N/mm2. Hodeherdede skinner er også registrert.

Ifølge BANADATA Innsyn Overbygning finnes ca. 10.000 til 11.000 meter skinnestreng i kvalitet R 200 Mn. Disse er lagt i sporet omkring 1965. Skinner i kvalitet R 260 Mn er lagt i sporet på et senere tidspunkt.

Det er undersøkt om skinnene i kvalitet R 200 Mn ligger på steder på strekningen som gir mindre belastning. Til dette formålet er benyttet løfteskjema og BANADATA Innsyn Overbygning. Iht. stikkprøver er det ikke funnet en slik sammenheng.

Tresviller i bøk og furu av relativt nyere dato er lagt i sporet.

Betongsville Bet-NSB-Enhetssville forekommer også.

Sviileavstanden er overveiende 640 mm.

En del av befestigelsen på sporet er av en type Pandrol og beskrives som god. En annen type som benyttes, er Hey-Back. Erfaringer tilsier at Hey-Back befestigelsen har en svakere klemkraft enn Pandrol befestigelsen.

Konklusjoner

Det legges til grunn en overbygningsstandard iht. beskrivelse i BANADATA Innsyn Overbygning og at sporet opprettholdes i en kvalitet som er i samsvar med den kvalitetsklasse som gjelder for Flåmsbana basert på målinger med målevogn.

Videre legges til grunn normale klimatiske forhold. Ved eventuelt ekstremvær som kan virke nedbrytende på overbygningskonstruksjonen, må trafikk med El 18 vurderes.

Det er utført beregninger og/eller vurderinger for følgende aspekter for den laskede sporkonstruksjonen på Flåmsbana:

• Belastning på momentbøyning av skinner på elastisk underlag ved vertikalkrefter (rett strekning)
• Belastning på momentbøyning av skinner i kurver ved vertikal- og horisontalkrefter
• Belastning på befestigelse
• Belastning i skjøter i lasket spor på elastisk underlag
• Belastning ved hjulslag og belastning på lasker i skjøter
• Kontaktmekanikk, belastning på skinnehodet i hjul/skinne i kontaktflate
• Belastning ved bremsing for konstant hastighet og nedbremsing til full stopp
• Belastning ved traksjon for akselerasjon og konstant hastighet
• Vurderinger mht. skinnevandring ved oppbremsing og traksjon av materiell i lasket spor ved nøytraltemperatur
• Vurderinger mht. skinnevandring ved oppbremsing og traksjon av materiell i lasket spor ved avvik i nøytraltemperatur
• Termisk oppvarming (særlig av hjulbane)
• Vurdering av sidestabilitet ved Prud`Hommes formel
• Vurdering av (Y/Q) ved dynamisk belastning
• Vurdering av (Y/Q) ved statisk belastning ved lav hastighet (hjulavlastning)
• Delta r kriteriet
• Vurdering av radiell styringsindeks
• Opprettholdelse av sporvidde vurdert ut fra kurveradius, skinneslitasje og kontakt av svilleskrue for befestigelsen mot trematerialet til tresviller
• Forholdet R/D/g (sirkelkurve, overhøyde, vindskjevhet i overgangskurve)
• Stabilitet

Det er innledningsvis for flere temaer beskrevet en teoretisk orientering som grunnlag for de formler som er anvendt i beregningene.

Belastning på momentbøyning av skinner på rett strekning

På rett strekning og i kurver med store radier oppstår spenninger i dynamisk tilstand i skinnefot i symmetriaksen som er lavere enn tillatt anbefalt spenningskapasitet for skinner i kvalitet R 200 Mn og i kvalitet R 260 Mn. Det skulle derfor ikke være fare for utmatting.

Det påpekes at den kvasistatiske kraft QKV.ST. vurderes i samsvar med tilhørende kvasistatisk kraft i EN 14363 evaluert i et lavpassfilter på 20 Hz. Denne kraften er en 50 % kraft og forekommer derfor svært ofte.

Den dynamiske kraft QDYN vurderes i samsvar med tilhørende dynamisk kraft i EN 14363 evaluert i et lavpassfilter på 20 Hz. Denne kraften er en 99,85 % kraft og forekommer dermed meget sjeldent.

Beregningene er utført med nominelt skinneprofil og dermed nominelt treghetsmoment. Med den slitasje som er registrert og vist i slutten av dette kapittel, så er bæreevnen svakere enn ved nominelt profil. Det forventes imidlertid ikke utmatting i underkant skinnefot i symmetriaksen.

Belastning på momentbøyning av skinner i kurver ved vertikal- og horisontalkrefter

I kurver med små radier opptrer en kombinasjon av eksentrisk virkende vertikale krefter og horisontale krefter på skinnehodet. I en kvasistatisk vurdering er de beregnede spenninger i kant av skinnehode og skinnefot tolererbare og akseptable i skinnekvalitet R 200 Mn og R 260 Mn. De kvasistatiske spenninger er å oppfatte som 50 % verdier i en statistisk vurdering og opptrer dermed ofte. De kvasistatiske spenninger er tolererbare.

Dynamisk betraktning for eksentrisk virkende vertikalkrefter og horisontale krefter gir beregningsmessig meget høye spenninger i kantene på skinnehodet og i skinnefot. De beregnede spenninger overskrider anbefalte grenseverdier; særlig gjelder dette for skinnekvalitet R 200 Mn. Plastiske deformasjoner vil kunne opptre teoretisk. Imidlertid er det nødvendig å være oppmerksom på de beregnede dynamiske spenningene er å oppfatte som 99,85 % verdier i en vurdering i et lavpassfilter på 20 Hz i samsvar med betingelsene i EN 14363 og at de derfor opptrer meget sjeldent og har lokal opptreden. De største beregnede spenningene som opptrer i underkant skinnefot i punkt C (det vises til figur i relevant kapittel), har en størrelse på 344,10 N/mm2; dvs. ca. 50 % av strekkfastheten for skinnestål R 200 Mn.

I tillegg til krefter fra rullende materiell opptrer også belastning forårsaket av kurveradius, egenspenninger og temperaturspenninger. I særlige tilfeller kan da den resulterende spenning bli opp mot 480 N/mm2. Imidlertid er det nødvendig å være oppmerksom på at temperaturspenningene sjeldent opptrer med maksimale verdier. Aspektet vil ha betydning for sannsynlighet for opptreden av plastisk deformasjon i punkt C på skinneprofilet (det vises til figur i gjeldende kapittel).

Det er også å bemerke at skinner i kvalitet R 200 Mn har ligget i sporet siden ca. 1965. Ifølge BANADATA Innsyn finnes ca. 10.000 – 11.000 løpemeter skinner i denne kvaliteten. Øvrige skinner har kvalitet R 260 Mn og er lagt i sporet på et senere tidspunkt.

Beregningene er utført med nominelt skinneprofil og dermed nominelt treghetsmoment. Med den slitasje som er registrert og vist i slutten av dette kapittel, så er bæreevnen svakere enn ved nominelt profil. Det forventes imidlertid ikke plastiske deformasjoner på sensitive steder i profilet.

Belastning på befestigelse

På grunn av kurver med radier R = 150 m opptrer horisontale og vertikale krefter i befestigelsen. Aspektet gir en resulterende kraft rettet mot befestigelsen. Det forventes ikke en økning i helningsvinkelen for virkningslinjen for den resulterende kraft fra det tyngre lokomotivet El 18 sammenlignet med virkningslinjen for de kombinasjonskrefter som oppstår ved framføring av det lettere lokomotivet El 17. Aspektet har sammenheng med de radielle styringsegenskaper til boggiene i El 18. Med El 17 eksisterer betydelig erfaring for virkning på befestigelsen. Imidlertid vil det trolig bli en økning i de horisontale krefter fra El 18 på grunn av større aksellast. Aspektet kan føre til hurtigere opptreden av slitasje i skruehullene på tresvillene på grunn av treets mekaniske egenskaper. Det er derfor nødvendig å føre kontroll med skruene ved for eksempel utøvelse av et definert dreiemoment (som beskrevet i Teknisk Regelverk).

Belastninger fra hjulslag og belastning på skjøter i lasket spor på elastisk underlag og i sporveksler

Det er vurdert 4 aspekter:

• Kraft ved hjulslag på tresviller på elastisk underlag
• Støtkrefter i skinneskjøter i lasket spor
• Belastning i svevende skjøter i lasket spor
• Belastning i sporveksler (krysspiss og braketter)

Kulepunkt

Målinger av tester i bl. annet. ORE D 161 viser at ved en aksellast på 22,50 tonn så øker slagkraften med 30 kN/mm for tresviller på elastisk underlag ved framføringshastighet på 30 km/h.

Slagkraften skulle dermed anta en verdi på ca. 45,00 kN. Dette er ikke urovekkende.

Kulepunkt

Overgang fra eksisterende lokomotiv El 17 med aksellast 16 tonn til nytt lokomotiv El 18 med aksellast 21,3 tonn gir en økning i støtkreftene P1 og P2 på om lag en faktor lik 1,15 for hastighet V = 30 km/h. Økningen i lasten har en faktor lik 1,33.

Økningen i støtlasten oppfattes ikke å være dramatisk.

Kulepunkt

For svevende skjøter opptrer store belastninger i stållaskene vurdert etter en konservativ metode. Det er imidlertid nødvendig å være oppmerksom på at laskene har anlegg mot overkant skinnefot og underkant skinnehode. Stållaskene opptrer dermed ikke som teoretisk virkende fritt bærende bjelker. Store belastninger kan imidlertid føre til utmatting ved skruehullene på grunn av dynamiske belastninger.

Kulepunkt

En enkel betraktning viser at støtkraft i krysspiss vil øke med en faktor lik 1,15 ved overgang fra El 17 til El 18. Ved ofte passeringer må det forventes hurtigere nedbrytning av krysspiss.

I områder for ledeskinner kan det forekomme at ledeskinnen blir belastet bare på horisontale krefter da de vertikale kreftene fra hjulbane overføres til hovedskinne. Ledeskinnene er festet til underliggende sville og blir dermed utkraget. Ved stor horisontal belastning kan det derfor inntreffe brudd i brakettfot ved små sporveksler. Det er ikke mulig å konkretisere om dette vil skje; sannsynligheten er meget lav. Men brakettene må overvåkes.

Belastning på skinnehodet

Følgende tabell viser økning i spenning i kontaktflaten som funksjon av økning av aksellasten:

Lokomotiv	El 17	El 18	Fiktiv El
Akselkraft (kN)	160	213	320
Økning i akselkraft	1,000	1,33	2,00
Økning i spenning σξ, max	1,00	1,10	1,26