Samvirke mellom rullende materiell og spor
__NUMBEREDHEADINGS__
Lenke til PDF-filen: Samvirke mellom rullende materiell og spor
INNLEDNING
Studiet av de dynamiske bevegelser til det rullende materiell ved framføring på et skinnegående spor er meget komplisert. Dette har sammenheng med de dynamiske belastninger som hjulsettet utsettes for når det beveger seg på skinnegangen. Men bevegelsen til det rullende materiell følger allikevel grunnleggende dynamiske prinsipper. Dette gjelder både vertikalt og lateralt samt rulling.
Temaet samvirke rullende materiell/bane er delt inn i to kapitler. Denne første delen omhandler vognens bevegelser på sporet, herunder konisitet og vogndynamikk. Forhold knyttet til adhesjonsegenskaper og kryp er beskrevet i del 2.
Et spor blir aldri helt perfekt. Ved meget lange bølgelengder vil den geometriske linjeføringen mht. sporet lateralt og vertikalt samt i lengderetning påvirke bevegelsene til vogn og boggi . Ved korte bølgelengder vil uregelmessigheter i skinnene føre til urolige bevegelser. Riktig konstruksjon og oppbygging av sporet og underbygningen samt definert og planlagt vedlikehold vil redusere amplitudene på sporfeilene.
Det er gjennom lang tid observert at amplituden for ulike sporfeil er en funksjon av bølgelengder. Jo større bølgelengden er, jo større er vanligvis amplituden i sporfeilen. Dette er illustrert i figur 2.1 En sporfeil av type A vil oppstå langt oftere enn en sporfeil av type B for samme bølgelengde. Videre vil en sporfeil av type C med større amplitude ved lang bølgelengde oppstå like lett som en sporfeil av type A ved kort bølgelengde. Som en første tilnærming kan gjøres den antakelse at størrelsen på amplituden til en sporfeil er en funksjon av sporets bølgelengde.
SAMVIRKE RULLENDE MATERIELL/BANE
Samvirke mellom det rullende materiell og bane er et meget vidt begrep, men skal i det etterfølgende begrenses til det som kalles gangdynamikkeller gangegenskaper.
Dette omfatter:
- Bevegelser av det rullende materiell på skinnebundet spor
- Krefter mellom rullende materiell og spor (sporkrefter)
Følgende hendelser kan relateres til ovenstående:
- Avsporinger
- Slitasjeav f.eks. hjul og skinner
- Komfortfor de reisende
Følgende aspekter er relatert til gangdynamiske prinsipper:
- Sikkerhetsom en funksjon av hastighetog sporstandard
- Tillatt lastkapasitettil det rullende materiell som funksjon av påkjenninger på sporet
- Togets tillatte hastighetpå grunn av sporgeometrisk linjeføring
- Passasjerenes opplevelser av reisen samt risiko for forskyvning av lasten og dermed skader på gods
- Vedlikeholdskostnader på det rullende materiell og på sporet
Kjøreegenskapene til det rullende materiell har stor betydning for:
- Sikkerhet
- Komfortog skader på gods
- Økonomi
Gjeldende utviklingstendenser er framføring av tog med tyngre laster og med
større hastigheter. Disse aspektene er i høy grad avhengig av god
kjøredynamikk.
I forbindelse med kjøreegenskapene til det rullende materiell på skinnebundet
spor skal det beskrives noen grunnleggende begreper:
- Statisk tilstandinntreffer når det rullende materiell står stille på et perfekt spor.
- Kvasistatisk tilstander den tilstand som opptrer når det rullende materiell framføres med konstant hastighetpå et perfekt spor. Det forutsettes atdette sporet har konstant kurveradiusmed konstant overhøyde. Videre eksisterer det konstante friksjonsforhold mellom hjul og skinne. Dette medfører at alle krefter eller forskyvninger i det rullende materiell og mellom det rullende materiell og sporet er konstant hele tiden.
- Dynamisk tilstand definerer de bevegelser og tilleggskreftersom det rullende materiell utøver på grunn av sporfeil, endring av opprinnelig sporgeometri, endring av hastighetog friksjoni sporet. Selvgenererende bevegelser som f.eks. sinusforløpog ustabilt løpinngår i begrepe
Vognenes vibrasjonsmønster
I dette avsnittet skal det gis en beskrivelse av bevegelsene til det rullende materiell.
Det er 6 mulige bevegelser for alle komponenter til det rullende materiell ved framføring på et skinnegående spor. Dette gjelder for selve vognkassen, boggirammenog hjulsettet. Bevegelsene er vist samlet i figur 2.2.
| Bevegelser | Engelsk betegnelse | Norsk betegnelse | |
|---|---|---|---|
| Translasjonsbevegelse i kjøreretningen (X -retning) | Langsgående bevegelse eller longitudinell bevegelse | X Longitudinal | Rykk i kjøreretningen |
| Translasjonsbevegelse i tverretningen (Y -retning) | Sidebevegelse eller lateral bevegelse | Y Lateral | Sidesleng |
| Translasjonsbevegelse vinkel rett mot sporplanet | Vertikalbevegelse | Z Vertical, bounce | Hopping |
| Rotasjons -bevegelse i et plan tvers på lengderetninge) | Vognbevegelse | φ Roll, sway | Rulling |
| Rotasjons bevegelse i et langsgående vertikalplan | χ Pitch | Galoppering elle
vipping | |
| Rotasjons - bevegelse i selve sporplanet | ψ Yaw | Svingning |
Langsgående bevegelser eller rykkav vognene har sammenheng med
stivhetsparametre i forbindelse med buffere i en togformasjon.
Figur 2.2 Frihetsgrader mht. bevegelser til en jernbanevogn og vognens
hovedkomponenter
Jernbanevogner er vanligvis symmetriske om den vertikale akse. Dette er
illustrert i figur 2.3. Vertikale ujevnheter i sporet kan antas å påvirke vognens
bevegelser symmetrisk om denne aksen.
Figur 2.3 Det rullende materiell er vanligvis symmetrisk om den vertikal
akse.
Bevegelser mht. hoppingog galopperinger overveiende uavhengige av
laterale ujevnheter i sporet og rulling. Hopping og galoppering opptrer derim
i spor med ujevnheter i vertikal retning og er illustrert i figurene 2.4 og 2.5.
Figur 2.4 Illustrasjon mht. hoppingav vogn.
Figur 2.5 Eksempel på galoppering av vogn
På grunn av jernbanevognenes konstruksjon er vognmateriellet ikke
symmetrisk om noen lateral akse. Lateral bevegelse og rulling vil derfor
oppstå samtidig. Disse 2 sammenkoblede bevegelsene kan beskrives som
øvre rulling og nedre rulling. Bevegelsene er vist i figurene 2.6 og 2.7.
Figur 2.6 Eksempel på øvre rulling av vognmateriellet
Figur 2.7 Eksempel på nedre rulling av vognmateriellet
Ved nedre rulling har rotasjonssenteret et lavt nivå, mens for øvre rulling ligger
rotasjonssenteret høyere oppe. Frekvensen for den øvre liggende rulling vil
vanligvis være høyere enn for den lavere liggende rulling.
Svingningsmønsteret (yaw) er vist i figur 2.8
Figur 2.8 Svingningsmønsteret for en vogn
Typiske frekvensområder for ulike bevegelser er:
- Lavere rulling: 0,6 Hz
- Svingning: 0,9 Hz
- Hopping: 1,0 Hz
- Galoppering: 1,4 Hz
- Øvre rulling: 1,6 Hz
Reaksjonsmønsteret til en virkelig vogn er meget komplekst. Dette gjelder også når vognen framføres på et idealisert spor. Denne kompleksiteten er sammensatt av et antall av fysiske effekter. Det er nødvendig å beskrive samspillet av disse fysiske effektene for å få innsikt i forståelsen av hvordan vognen oppfører seg i et spor.
VOGN I FJÆR/DEMPER-SYSTEM
I det foregående avsnittet er bevegelsene til det rullende materiell beskrevet og illustrert. I dette avsnittet skal bevegelsene uttrykkes matematisk. Dette er særlig tilfelle for den vertikale bevegelse.