Nøytralisering

1 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 0C og + 55 0C. 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 0C. Videre er det fastsatt et nøytral-temperaturområde hvor det tillates at den praktiske nøytraltemperaturen blir liggende innenfor. Dette er temperaturintervallet mellom +18 og +24 0C.

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

2 Prinsipp for nøytralisering

Figur 6.1 viser en 100 m lang skinne som skal sveises inn i sporet. Skinnen har en temperatur på +5 0C. Dersom vi nå sveiser denne skinnen inn i sporet uten videre vil den få en nøytraltemperatur på +5 0C, forutsatt at den ikke har innelåste spenninger ved innsveising.

Figur 6.1 Prinsipp for nøytralisering

For at skinnen skal få riktig nøytraltemperatur kunne vi tenke oss at vi varmet opp skinnen til +21 0C, 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 0C til + 21 0C, altså en temperaturendring på 16 0C. 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)

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).

3 Utgangspunkt ved nøytralisering

3.1 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.

3.2 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.

4 Arbeidsgang ved nøytralisering

4.1 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.

Figur 6.2 Spenningsfrigjøring

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.

Figur 6.3 Nøytraliseringsrull

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.

Figur 6.4 Bruk av maskinelt utstyr til frigjøring/fastspenning av skinnefot ved nøytralisering av spor med Pandrol Fastclip

4.2 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.

4.3 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

4.4 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 180C. 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.

Tabell 6.2 Krav til antall dilatasjonsmerker

Forlengelsen beregnes ut i fra hvor langt det er fra begynnelsen av skinnestrengen til dilatasjonsmerket.

4.5 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

4.6 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.

4.6.1 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.