Aksialkrefter i helsveist spor

__NUMBEREDHEADINGS__

Innledning

Den første jernbane som ble åpnet i England i 1826 hadde skinnelengder mindre enn 5 m. Produksjonstekniske fremskritt har siden gjort det mulig åfremstille stadig lengre skinnelengder. I 1945 var skinnelengdene økt til 20 m og rundt 1960 til 40 m. I dag fremstilles det helvalsede skinner på 120 m. Tidlig på 1900-tallet ble det utviklet metoder for å sveise sammen skinner slik at skinner kunne skjøtes uten bruk av lasker. Til tross for dette våget man ikke å sveise sammen lengre skinnelengder enn 30-40 m. Helt frem til midten av vårt århundre var det vanlig å skjøte skinnene sammen med lasker. En lasket skjøt forårsaker store slagpåkjenninger som bryter ned både

sporkomponenter og rullende materiell. Rundt 1950 (1960 i Norge) ble det satt i gang med å sveise skinner sammen til kontinuerlige strenger, dvs. helsveiste skinner. Dette var mulig pga. bedre ballast, sviller, og fremfor alt bedre befestigelse som holdt skinnene bedre fast, og gjorde sporet stivere sideveis. I dag er over 95 % av Jernbaneverkets hovedspor helsveist spor. Innføring av helsveiste skinner er kanskje det viktigste sportekniske fremskritt i dette århundret. Det helsveiste sporet har medført en dramatisk reduksjon i slitasje på både sporet og det rullende materiell. Men det helsveiste sporet har introdusert nye problemstillinger som kan føre til alvorlig sikkerhetsrisiko dersom de ikke behandles på riktig måte. Problemene knytter seg til de store aksialkreftene som blir låst inne i skinnene. Disse kreftene medfører økt fare for skinnebrudd om vinteren og solslyng i sommerhalvåret. Aksialkrefter i helsveiste skinner spor kan forårsakes av følgende faktorer:

• temperaturendringer i skinnene
• skinnevandring
• forflytning av sporet i horisontalplanet
• utvalsing (plastisk deformasjon) i skinnehodet

De store trykkreftene som oppstår i et helsveist spor ved høye skinnetemperaturer stiller store krav til sporets komponenter. Sporet må ha tilstrekkelig motstand mot sideveis utknekking for å unngå solslyng. Dette blir behandlet i kapittel 7, “Sporets sidemotstand”.

Aksialkrefter pga. temperaturendringer

Lengdeforandring ved temperaturendring

En skinne som ligger fritt opplagret vil forandre lengde når temperaturen i skinnen forandrer seg (figur 5.1). Skinnen vil utvide seg når temperaturen øker og krympe når temperaturen synker. Lengdeendring avhengig av temperaturendring kan uttrykkes ved hjelp av formel 5.1.

$\Delta l=\alpha \cdot \Delta t\cdot L$

(5.1)

$L=opprinneliglengde[m]$

$\Delta L=lengdeendring[m]$

$\alpha =lengdeutvidelseskoeffisient=1,15\cdot 10^{-5}[m/^{\circ }C\cdot m]$

$\Delta t=temperaturendring[^{\circ }C]$

Lengdeforandring ved kraftpåvirkning

Dersom vi påfører en ytre kraft i skinnens lengderetning, trykk eller strekk, vil vi forandre skinnens lengde (figur 5.2). Lengdeendringen er avhengig av aksialspenningen i skinnen og kan uttrykkes ved hjelp av formel 5.2.

Figur 5.2 Lengdeforandring ved kraftpåvirkning

$\Delta L={\sigma \cdot L \over E}$

(5.2)

$L=opprinneliglengde[mm]$

$\Delta L=lengdeendring[mm]$

$\sigma =aksialspenning={P \over A}[N/mm^{2}]$

$E=elastisitetsmodul=2,07\cdot 10^{5}[N/mm^{2}]$

$P=aksialkraft[N]$

$A=skinnenstverrsnittsareal[mm^{2}]$

Aksialspenninger

Inne i et helsveist sporavsnitt blir skinnene helt hindret fra å bevege seg pga. friksjonskrefter mellom skinne og sviller og mellom sville og ballast. Ved temperaturendringer vil det derfor opptre aksialspenninger i skinnene i stedet for en lengdeforandring. Vi kan finne et uttrykk for aksialspenningene som opptrer ved å kombinere formel 5.1 og formel 5.2, dvs. forlengelse pga. temperaturendring = forlengelse pga. påført ytre kraft = 0

$\alpha \cdot t\cdot L={\sigma \cdot L \over E}$
$\Updownarrow$	(5.3)
$\sigma =\alpha \cdot E\cdot \Delta t$

Vi ser at aksialspenningene bare er avhengige av temperaturvariasjonen. Skinnelengden er uten betydning. Utvidelseskoeffisienten a og elastisitetsmodulen E kan vi regne som konstante innenfor det temperaturområdet som er aktuelt. Ved å sette inn verdiene for disse faktorene får vi følgende enkle uttrykk:

$\sigma =2,4\Delta t[N/mm^{2}]$

(5.4)

For hver grad temperaturendring i en helsveist skinne vil aksialspenningen altså endres med 2,4 N/mm^2.

Aksialkrefter Aksialkreftene som oppstår finner vi ved å multiplisere med skinnens tverrsnittsareal. S54 og UIC60 skinner har tverrsnittsareal på hhv. 6950 mm2 og 7686 mm2. 1 grads temperaturøkning medfører dermed en kraftøkning på 16680 N (1,6 tonn) for S54-skinne og 18446 N (1,8 tonn) for UIC60 - skinne. Et tyngre skinneprofil medfører m.a.o. større aksialkrefter i et helsveist spor.

Nøytraltemperatur

For å oppnå tilstrekkelig kontroll med kreftene som oppstår i et helsveist spor. er det fastlagt en skinnetemperatur hvor aksialspenningene skal være lik null. Denne temperaturen kalles nøytraltemperaturen. Ved fastsettelse av nøytraltemperaturen må man balansere behovet for sikkerhet mot solslyng opp mot behovet for sikkerhet mot skinnebrudd. En høy nøytraltemperatur fører til mindre trykkrefter i skinnene ved høye temperaturer om sommeren, mens strekkreftene blir desto større ved kulde om vinteren. Ved JBV er nøytraltemperaturen satt til + 21 0C . Ved fastsetting av nøytraltemperaturen er det tatt utgangspunkt i middeltemperaturen, dvs. den skinnetemperaturen som ligger midt i mellom høyeste og laveste påregnelige skinnetemperatur. For de fleste steder i Norge regner vi med at skinnetemperaturen kan nå opp til + 55 0C og ned til -30 0C. Dette gir en middeltemperatur på + 15 0C. Når nøytraltemperaturen er satt 6 0 høyere skyldes dette at vi ønsker en større sikkerhet mot solslyng. Dette fordi solslyng anses som en større avsporingsrisiko enn skinnebrudd. Riktig nøytraltemperatur i skinnene tilordnes ved å feste og sveise skinnene sammen ved nøytraltemperatur, eller etter kunstig forlenging av skinnene til en lengde som medfører spenningsfri tilstand ved nøytraltemperatur. Denne arbeidsoperasjonen kalles nøytralisering og blir behandlet i L534 - ”Produksjonsteknikk”. Under nøytralisering ved JBV kan nøytraltemperaturen tilordnes innenfor en toleranse på ± 3 0C, dvs. innenfor temperaturområdet + 18 - 24 0C. Dette kalles nøytraltemperaturområdet.