Nøytralisering
__NUMBEREDHEADINGS__
Innledning
I dag består over 95% av Jernbaneverkets hovedspor av helsveiste skinner. Det helsveiste spor medfører store innsparinger i vedlikehold i forhold til kortskinnespor med laskede skjøter. Temperaturvariasjoner i skinnene kan imidlertid føre til store aksialkrefter i skinnene med farlige utknekninger (solslyng) eller skinnebrudd som resultat. I Norge regner vi med at skinnetemperaturen kan svinge mellom –30°C og + 55°C. Det som bestemmer hvor store aksialkreftene blir ved disse ekstremtemperaturene er hvilken temperatur skinnene har når aksialkraften = 0. Denne temperaturen kalles nøytraltemperaturen.
Dette kapitlet omhandler arbeidsoperasjonene i sporet som utføres for å sikre at skinnene får den nøytraltemperaturen vi ønsker. Du kan lese mer om krefter i skinnene i L532, kap. 5 ”Aksialkrefter i helsveist spor”
nøytral-temperatur Nøytralisering er altså en arbeidsoperasjon som utføres for å gi det helsveiste spor en riktig nøytraltemperatur, dvs. at spenningene i skinnene blir liggende på riktig nivå i forhold til temperaturen i skinnene. Ved JBV er det fastsatt at nøytraltemperaturen skal være + 21°C. Videre er det fastsatt et nøytral-temperaturområde hvor det tillates at den praktiske nøytraltemperaturen blir liggende innenfor. Dette er temperaturintervallet mellom +18 og +24°C.
Nøytralisering består av følgende arbeidsoperasjoner:
- måling av skinnetemperatur
- spenningsfrigjøring
- beregning av forlengelse (dilatasjon)
- utsetting av dilatasjonsmerker
- kapping av sveiseåpning
- forlengelse av skinnene
- festing av skinnene og sveising
Prinsipp for nøytralisering
Figur 6.1 viser en 100 m lang skinne som skal sveises inn i sporet. Skinnen har en temperatur på +5°C. Dersom vi nå sveiser denne skinnen inn i sporet uten videre vil den få en nøytraltemperatur på +5°C, forutsatt at den ikke har innelåste spenninger ved innsveising.
For at skinnen skal få riktig nøytraltemperatur kunne vi tenke oss at vi varmet opp skinnen til +21°C, og så sveiste den inn i sporet. Imidlertid er det svært vanskelig i praksis å kontrollere skinnetemperaturen slik at skinnen har riktig temperatur over hele dens lengde og tverrsnitt samtidig.
I stedet for å bruke temperaturen, bruker vi skinnens lengde som mål på at nøytraltemperaturen blir riktig. Formel 6.1 viser sammenhengen mellom lengdeendring og temperaturendring i en skinne. I vårt eksempel skal skinnens nøytraltemperatur heves fra +5°C til + 21°C, altså en temperaturendring på 16°C. Ut fra formel 6.1 kan vi enkelt regne ut at denne temperaturendringen krever en lengdeendring på 18 mm når skinnen er 100 m lang.
| (6.1) |
hvor:
| L = opprinnelig lengde [m] |
| ΔL = lengdeendring [m] |
| α = lengdeutvidelseskoeffisient = 1,15*10-5 [m/°C*m] |
| Δt = temperaturendring [°C]. |
Det vi i praksis gjør er altså å forlenge skinner som har lavere skinnetemperatur enn nøytraltemperaturen. I vårt eksempel forlenger vi skinnen med 18 mm før vi sveiser den siste sveisen, som vi gjerne kaller sluttsveis. Forlengelse av skinner kan utføres enten ved hjelp av varme (varmevogn) eller ved å strekke skinnen (strekkapparat).
Utgangspunkt ved nøytralisering
Utgangspunkt med hensyn på skinnetemperatur
Ved helsveising av spor kan vi ha følgende utgangspunkt i forhold til hvilken temperatur skinnene har:
a) Skinnene blir lagt og helsveist umiddelbart ved nøytraltemperatur.
b) Skinnene har nøytraltemperatur ved helsveising.
c) Skinnetemperaturen er lavere enn nøytraltemperaturen ved helsveising
d) Skinnetemperaturen er høyere enn nøytraltemperaturen ved helsveising
Tilfelle a
I tilfelle a kan skinnene helsveises uten nøytralisering da skinnene er spenningsfri ved nøytaltemperaturen.
Tilfelle b
I tilfelle b har skinnene nøytraltemperatur, men vi vet ikke om de er spenningsfrie. Dersom skinnene er lagt og fastspent utenfor nøytraltemperaturområdet vil hele skinnestrengen ha innelåste spenninger.
Dersom skinnene er lagt ved nøytral¬temperatur, men skinnetemperaturen i mellomtiden har vært utenfor nøytraltemperaturområdet vil skinnene ha pustepartier med innelåste spenninger.
Ved tilfelle b er det derfor nødvendig med en spenningsfrigjøring av skinnene før helsveising.
Tilfelle c
Ved tilfelle c må skinnene forlenges til en lengde som tilsvarer spenningsfri tilstand ved nøytraltemperatur.
Forlengelsen beregnes ut fra en spenningsfri tilstand ved temperaturen skinnene har, og må derfor utføres med utgangspunkt i en spennings¬fri skinne. Det er derfor nødvendig med en spenningsfrigjøring av skinnene før forlengning.
Tilfelle d
Skinnene må komprimeres til en lengde som tilsvarer spenningsfri tilstand ved nøytraltemperatur. Da det i praksis ikke er mulig å komprimere lengre skinnelengder kan ikke skinner helsveises ved skinnetemperatur over nøytraltemperaturen. Man må altså vente til skinnetemperaturen synker til nøytraltemperaturområdet igjen.
Nøytralisering i forhold til andre arbeider i sporet
Når nøytralisering er utført i forbindelse med bygging eller vedlikehold av spor, skal skinnene ha riktig nøytraltemperatur. Det er viktig å være klar over at nøytraltemperaturen i stor grad påvirkes av sporets posisjon. Når vi flytter sporet i en kurve, endrer vi lengden av skinnene i kurven og dermed også nøytraltemperaturen, jf. L532, kap.5.
Dersom vi bakser sporet i en kurve etter at vi har nøytralisert skinnene, får vi en ny nøytraltemperatur etter baksing. Flytter vi sporet innover, reduserer vi nøytraltemperaturen, mens vi øker nøytraltemperaturen når vi flytter sporet utover. Nøytralisering skal derfor alltid utføres etter at sporet er lagt på plass der det skal ligge. I praksis betyr dette at nøytralisering er det siste man gjør i forbindelse med bygge og vedlikeholdsarbeider. Det tillates imidlertid finjustering med små sideforskyvninger innenfor gitte baksekorridorer etter at sporet er nøytralisert, jf. JD 532, kap.10.
Arbeidsgang ved nøytralisering
Spenningsfrigjøring
Når vi skal forlenge skinnene, må vi ha et spenningsfritt utgangspunkt. Dersom skinnene har nøytraltemperatur, er det ikke nødvendig med forlengelse, men skinnene kan ha innelåste spenninger som må frigjøres. Skinnene er spenningsfrie når de kan bevege seg helt fritt i lengderetningen.
Befestigelsen er konstruert for å gi størst mulig motstand mot langsgående bevegelse mellom skinne og sville. Vi må derfor frigjøre skinnefoten for alle befestigelsesfjærer ved spennings¬frigjøring.
Ruller
Selv om skinnefoten er frigjort vil friksjonen mellom mellomleggsplate og skinnefoten yte motstand mot langsgående bevegelse av skinnen. Skinnen skal derfor løftes opp på ruller som plasseres på hver 6 - 10. sville slik at skinnefoten ikke hviler på mellomleggsplaten noe sted. Rullene kan være vanlig rundtjern eller rør som er kappet i egnede lengder, eller spesialkonstruerte ruller.
Når skinnene er lagt på ruller skal de bankes med skinnebankemaskin eller klubber for at evt. friksjonskrefter skal løses ut. Det skal ikke brukes slegger av stål da disse kan lage små sår i skinnene som kan gi utgangspunkt for sprekker og brudd.
Spenningsfrigjøring er som regel den mest tidkrevende arbeidsoperasjonen i forbindelse med nøytraliseringen. Ved nøytralisering av en 500 meter lang skinnestreng skal 1667 befestigelsesfjærer tas av før spenningsfrigjøring og settes på plass igjen før sveising. Dette krever normalt mye personell og tid. På spor med Pandrol PR/e-clip - systemer kan man raskt fjerne befestigelsesfjærene ved hjelp av en såkalt ”Pandriver”. Installasjon av fjærene igjen krever imidlertid mye tid og mannskap da fjærene først må plukkes opp fra pukken og settes på plass før ”Pandriver” kan skyve fjærene i posisjon.
På spor med det nye befestigelsessystemet, Pandrol Fastclip, er det imidlertid mulig med store besparelser ved å bruke nyutviklet maskinelt utstyr til å frigjøre skinnefoten for fjærer og sette fjærene på plass igjen. Ved bruk av utstyr som vist på figur 6.4 er kapasiteten 28 sviller/min.
Måling av skinnetemperatur
Måling av skinnetemperaturen utføres gjerne med skinnetermometere som har innebygget magnet slik at de kan festes på skinnen. Men også elektroniske termometre med rask respons kan anvendes.
Skinnetemperaturen kan variere betydelig over skinnens lengde, spesielt dersom skinnen er lang og den ligger dels i skygge og dels i solskinn. Skinnetemperaturen skal derfor måles flere steder med maks 60 m mellom hvert målepunkt, jf. JD 531, kap.6. Skinnetemperaturen skal alltid måles i skinnesteget på skinnens skyggeside. I varierende værforhold skal man ta hensyn til at skinnetemperaturen kan endres over tid, slik at det kan være nødvendig å utføre flere målinger.
Beregning av forlengelse
Forlengelsen vi må gi skinnene beregnes ut fra differansen mellom målt skinne¬temperatur og nøytraltemperatur, og lengden av skinnene. Dersom skinne¬temperaturen varierer over lengden vi skal nøytralisere, beregnes en gjennomsnittstemperatur.
Beregning av forlengelse skjer etter formel 6.1. For praktisk bruk i sporet er det laget en tabell etter denne formelen (tabell 6.1) som gir nødvendig forlengelse ved å gå inn med temperaturdifferanse og skinnelengde.
Tabell 6.1 Skinneforlengelsestabell
Eksempel:
Skinnetemperatur = 8°C Nøytraltemperatur = 21°C Skinnelengde = 160m
Temperaturdifferanse nøytraltemperatur - skinnetemperatur = 13°C Forlengelse = 24 mm
Utsetting av dilatasjonsmerker
For å kontrollere forlengelsen av skinnene må vi sette ut dilatasjonsmerker på skinnefoten. Figur 6.5 og figur 6.6 viser hvordan dilatasjonsmerker skal settes ut. Dilatasjonsmål = beregnet forlengelse.
Figur 6.5 Utsetting av dilatasjonsmerker
Figur 6.6 Merking av forlengelse på skinnefoten
I tillegg til dilatasjonsmerke i enden av skinnene må vi også sette ut flere dilatasjons¬merker langs skinnestrengen. Dette gjøres for å kontrollere at skinnen får en jevn forlengelse over hele sin lengde. Eksempelet under viser hvordan vi kan få en fullstendig gal nøytraltemperatur dersom vi ikke kontrollerer forlengelsen godt nok over hele lengden.
Eksempel:
Skinnetemperatur = 12°C t = 21 - 12 = 9°C Skinnelengde = 160 m
Beregnet forlengelse = 17 mm
I dette tilfelle blir det bare avmerket 1 dilatasjonsmerke i enden av skinnen. Skinnen blir hengende fast på midten slik at hele forlengelsen kommer på den siste halvdelen av skinnen. Dette oppdages ikke fordi man bare har ett dil.merke som kontrollerer den totale forlengelsen.
Figur 6.7 Eksempel - dilatasjonsmerking
Resultatet blir at nøytraltemperaturen for de første 80 m blir værende på 12°C fordi vi ikke har fått noen forlengelse her. Hele forlengelsen på 17mm får vi på de siste 80 m. Dersom vi går "baklengs" inn i skinneforlengelsestabellen finner vi at dette tilsvarer en økning i nøyt.temperaturen på 18°C. Nøytraltemperaturen på de siste 80 m blir altså 12 + 18 = 30°C.
Figur 6.8 Eksempel - dilatasjonsmerking
Befestigelsen er som tidligere nevnt konstruert for å gi stor motstand mot lengdeforskyvning mellom sville og skinne. Vi kan derfor ikke regne med at forskjellen i nøytraltemperatur vil utjevne seg under trafikkbelastning.
For å sikre oss mot slike tilfeller må vi sette ut flere dilatasjonsmerker. Kravet til antall dil.merker er gitt i tabell 6.2.
| Kurveradius (m) | r ≤ 400 | 400 < r < 800 | r > 800 |
|---|---|---|---|
| Antall dil.merker | min. 1 / 40 m | min. 1 / 60 m | min. 1 / 80 m |
Forlengelsen beregnes ut i fra hvor langt det er fra begynnelsen av skinnestrengen til dilatasjonsmerket.
Kapping av sveiseåpning
Når vi skal kappe sveiseåpning må vi ta hensyn til beregnet forlengelse. Dersom sveiseåpningen skal være 21 mm og beregnet forlengelse er 14 mm, må vi ha en åpning på 21 + 14 = 35 mm før forlengelse.
Figur 6.9 Kapping av sveiseåpning
Forlengelse av skinnene
Forlengning av skinnene kan utføres på to måter:
- ved bruk av hydraulisk strekkapparat
- ved bruk av varmevogn
Når vi bruker strekkapparat strekker vi skinnene til riktig lengde, mens vi ved bruk av varmevogn varmer opp skinnene slik at de utvider seg til riktig lengde.
Forlengelse ved bruk av strekkapparat
Strekkapparat er en innretning som tar tak i skinnesteget på begge sider av en åpen skjøt og trekker skinnene mot hverandre. Ved hjelp av hydraulikk-aggregat eller håndpumpe økes trykket i to hydraulikksylindre slik at stempler forbundet med strekkstenger beveges innover i sylindrene og dermed trekker skinnene med seg. Strekkapparater som finnes på markedet i dag har en maksimal trekkraft på 700 – 900 kN.
Ved bruk av strekkapparat trekker vi altså skinnene mot hverandre. For ikke å overbelaste den sist sveiste skjøt mot det helsveiste og befestede sporet ved strekking, er det vanlig at halve langskinnen er befestet mens den andre halvdelen strekkes. Dersom foregående skjøter er helt avkjølt er det ikke nødvendig med denne praksisen.
Sidestøtteruller
Ved bruk av strekkapparat i skarpe kurver vil vi kunne få problemer med at vi trekker skinnene innover. Det vil da ofte være nødvendig å montere sidestøtteruller for å hindre dette. Sidestøtteruller monteres i svilleankeret og støtter opp skinnen i skinnesteget slik at skinnen følger riktig linje gjennom kurven.
Figur 6.10 Sidestøtterull tilpasset Pandrol Fastclip
Ved strekking av skinnene kontrolleres alle dilatasjonsmerker slik at man er sikker på at forlengelsen blir jevnt fordelt. Skinnene skal bankes/løftes eller vibreres under strekking for å sikre jevn forlengelse. Dersom man merker at forlengelsen skjer ujevnt, kan man feste skinnene noen steder på partier som har oppnådd sin forlengelse.
Kompensere for krymping
Etter at vi har oppnådd riktig forlengelse, slås befestigelsen på og sveisingen kan starte. Etter sveising skal strekkapparatet holde forlengelsen stabil i min. 15 min. for å unngå at vi får strekkspenninger i sveisen før den er avkjølt. For å kompensere for krymping i sveisen under avkjøling, kan vi øke trykket på strekkapparatet ørlite (1/2 - 1 pumpeslag). De fleste strekkapparater er profilfrie slik at tog kan passere så snart vi har grovslipt sveisen.
Ved bruk av strekkapparat er det mulig å nøytralisere med lengder opp til 1000 m avhengig av type strekkapparat, temperaturforhold og horisontaltrasé. Det anbefales imidlertid ikke lengder over 2 x 160m ved nøytralisering i kurver med radius under 500 m. Strekkapparat er godt egnet til bruk i lave temperaturer. Det vil være den nedre temperaturgrense for sveising (0°C) som vil være bestemmende ved bruk av strekkapparat.
Figur 6.11 Strekkapparat
Forlengelse ved bruk av varmevogn
Med varmevognen varmer vi skinnene slik at de utvider seg til riktig lengde. Det er viktig å være klar over at det er skinnenes lengdeforandring som kontrolleres, ikke skinnetemperaturen. En eller flere varmevogner kjøres frem og tilbake langs hele skinnestrengen inntil skinnene har oppnådd riktig forlengelse ved alle dilatasjonsmerker. Under opp¬varmingen må skinnene bankes/løftes eller vibreres. Varmen fra varmevognen skader isolatorer og mellomleggsplater av gummi. Vi må derfor fjerne disse før vi starter oppvarmingen.
Etter at vi har oppnådd riktig forlengelse, slås befestigelsen på. For å hindre at skinnen trekker seg tilbake under avkjølingen, skal skinnene festes først nærmest skjøten som skal sveises, og deretter bakover.
Like før istøping av det flytende stålet i sveiseformene må skinnene nær sveisen gis ekstra varme for å hindre krympespenninger under størkning av thermit-stålet.
Figur 6.12 Varmevogner
Ved lave skinnetemperaturer kan det være svært vanskelig å holde forlengelsen stabil under sveising. Det skal derfor brukes strekkapparat ved skinnetemperaturer under 10°C. Strekkapparatet vil dessuten forlenge skinnene langt raskere enn varmevognen ved lave temperaturer.
Strekkapparat eller varmevogn?
Tidligere var varmevognen tilnærmet enerådende ved nøytralisering i Norge, men i de senere årene har strekkapparatet overtatt som det dominerende hjelpemiddel brukt til nøytralisering. Hovedårsaken til denne utviklingen ligger i begrensninger som i de senere år er innført for varmevognen med hensyn til lave skinnetemperaturer og bruk av varme på isolator/mellomlegg.
Tidligere var det ikke vanlig å fjerne isolatorer og mellomlegg ved bruk av varmevogn. Dette resulterte ofte i skader på disse plast- og gummikomponentene. Når det i dag er påkrevd at isolatorer og mellomlegg skal fjernes, medfører dette mye ekstraarbeid som man unngår ved bruk av strekkapparat.
Det viktigste argumentet mot å bruke strekkapparat har vært tyngden på apparatets komponenter. Strekkapparatet skal håndtere store krefter (opp til 900 kN). Dette krever en solid utførelse der enkelte deler av strekkapparatet har en vekt på 50 – 60 kg. Det sier seg selv at det er svært uheldig sett fra et ergonomisk synspunkt å håndtere disse delene nede i pukken. Heldigvis er det i de senere årene blitt utviklet lettere strekkapparater ved hjelp av aluminiumslegeringer i kombinasjon med høyfast stål. Det finnes strekkapparater i handelen i dag hvor ingen komponenter veier over 30 kg.
Ved Jernbaneverket er det også utviklet en spesialtralle for enkel transport av strekkapparater mellom nøytraliseringspunkter langs linjen (figur 6.13)
Figur 6.13 Tralle til transport av strekkapparat
Nedenfor er listet de viktigste fordeler og ulemper ved bruk av strekkapparat og varmevogn.
Fordeler og ulemper ved strekkapparat
Fordeler:
- gir raskere forlengelse
- holder forlengelsen stabil / bedre kontroll under sveising
- kan brukes i lave temperaturer (ned til 0°C)
- fjerning av isolatorer og mellomlegg er ikke nødvendig
Ulemper:
- tunge komponenter
- trekker skinnene innover i skarpe kurver
Fordeler og ulemper ved bruk av varmevogn
Fordeler:
- trekker ikke skinnene innover i skarpe kurver
- lett å håndtere
Ulemper
- dårlig kontroll med forlengelse i lave temperaturer
- isolatorer og mellomlegg må fjernes
- forlengelsen mer tidkrevende, spesielt ved lange skinnelengder / lav temperatur
- stort gassforbruk ved lav skinnetemperatur
Litteraturhenvisninger
1. JD 531, Jernbaneverket Overbygning - Regler for bygging – 1998
2. JD 532, Jernbaneverket Overbygning - Regler for vedlikehold – 1998
3. Pandrol Fastclip Track installation guide – Pandrol Rail Fastening Limited – 1999