Vady kolejnic
Otto Plášek
Tato prezentace byla vytvořen pro studijní účely studentů 1. ročníku magisterského studia oboru „Konstrukce a dopravní stavby“ na Fakultě stavební VUT v Brně a nesmí být použita k žádným jiným účelům.
Vady kolejnic
Vady kolejnic
Vady kolejnic jsou zpravidla výsledkem namáhání kolejnic na únavu. Lomy kolejnic nejčastěji vznikají z malých defektů nebo z koncentrace namáhání. Z tohoto důvodu je nutné drobné trhliny považovat za počáteční stadium lomu kolejnice. Zjišťování kolejnicových vad: vizuálně; pomocí ultrazvukových defektoskopů; Klasifikace vad pro stanovení příčin; návrh vhodných provozních opatření; statistické zpracování.
Vady kolejnic
Ruční ultrazvukový defektoskop
Zdroj: www.mdz.sk
Zdroj: ndt.cz
Vady kolejnic
Kontaktní namáhání kolo – kolejnice
Hertzova teorie (1887) Eliptická dotyková plocha Absolutní velikost závisí na velikosti normálové síly Poměr velikosti poloos a a b záleží:
na poloměru dotykové plochy kolejnice; poloměru jízdního obrysu kola poloměru kola.
Vady kolejnic
Kontaktní elipsa
Napětí nad dotykovou plochou má tvar poloviny elipsoidu s maximální hodnotou ve středu dotykové plochy: σ max =
Výpočet velikosti poloos:
(
3Q 1 − ν 2
a =ξ 3
3 Q 2 πab
)
1 1 E + R kola Rkolejnice
(
3Q 1 − ν 2
; b =η 3
)
1 1 E + R kola Rkolejnice
Pro běžný styk kolo-kolejnice v oblasti pojížděné hrany kolejnice se uvažuje ξ = 1,20 a η = 0,80. Vady kolejnic
Kontaktní elipsa
Rkola [mm] Rprofil [mm]
Rkolejnice [mm]
a [mm]
b [mm]
σN [MPa]
460
∞
300
6,1
3,7
1012
460
-330
300
3,9
14,6
502
460
-330
80
7,1
2,7
1520
150
-330
80
4,2
3,3
2103
Kontaktní elipsa pro různé kombinace poloměru kola a kolejnice a pro Q = 60 kN
Vady kolejnic
Hertzova pružiny kontaktu kolo kolejnice
Tuhost má nelineární charakter Hertzova teorie zohledňuje závislost tuhosti na kolové síle Q.
kH = 3
3E 2 Q Rkola Rkolejnice
(
2 1 −ν 2
)
2
Vady kolejnic
Smykové napětí v místě kontaktu kolo kolejnice
Maximum smykového namáhání se nachází v pod povrchem průřezu a může vést ke vzniku únavových vad. Maximální hodnoty smykového napětí τmax v hloubce 4 – 6 mm pod povrchem průřezu
q mean =
π ⋅E Q 64 ⋅ 1 − ν 2 Rkola ⋅ b
(
)
τ max ≅ 0,3.q mean
Vady kolejnic
Kategorie kolejnicových vad
ČD S67 Vady a lomy kolejnic z roku 1997 Vychází z katalogu kolejnicových vad UIC Vady, poškození a lomy jsou zatříděny pomocí číselného kódu Vada, která je označena čtvrtou doplňkovou číslicí (podle S67 oddělenou tečkou), má stejný původ nebo charakter, má však odlišný průběh nebo umístěn. Vady se mohou nacházet:
na koncích kolejnic; uprostřed délky kolejnic; v oblasti svarů; konce kolejnic
oblast svaru
délka spojek
20 cm Vady kolejnic
Kategorie kolejnicových vad podle opatření k zajištění bezpečného provozu
Kategorie vady
Opatření
A
Bezodkladné odstranění výměnou součásti nebo opravou vadného místa
B C
Odstranění výměnou či opravou v krátké lhůtě Odstranění výměnou či opravou v rámci udržovacích (opravných) prací
D
Zvýšené pozorování
Vady kolejnic
Popis vlastností nebo vzhledu vady
Zda je vada výsledkem chybného výrobního procesu nebo napětí od provozu Kde se vada nachází převážně Kde se má hledat inicializace vady, zda na povrchu nebo uvnitř průřezu Které rysy charakterizují vnější vzhled vady Které vlastnosti charakterizují vadu uvnitř průřezu kolejnice Jak se vada vyvíjí v průběhu času S kterými jinými vadami může být vada zaměněna
Vady kolejnic
Zatřídění kolejnicových vad podle katalogu UIC 1. číslice
Pozice v koleji 1 Vady na konci kolejnice 2 Střední část kolejnice
2. číslice
Pozice v průřezu kolejnice 0 Celý průřez 1 Hlava kolejnice 3 Stojina kolejnice 5 Pata kolejnice
2 Pojížděná plocha kolejnice
3 Poškození kolejnice
4 Vady svárů a návarů
Pozice v průřezu kolejnice 0 Celý průřez
Svařovací metoda 1 Odporové s odtavením 2 Alumino-termické 3 Elektrickým obloukem 4 Acetylenovým plamenem 5 Plynotlakový 6 Indukční 7 Opravný svár 8 Ostatní
5 Skryté vady jazyků výhybek
Vady kolejnic
3. číslice Charakter, původ vady 1 Napříč 2 Vodorovné 3 Podélné / svislé 4 Koroze 5 Přes otvor 6 Mimo otvor 9 Převalek 0 Ojetí 1 Povrchová poškození 2 Odlupování 3 Roztlačování 4 Místní prohlubně 5 Protočení kol 6 Squat 1 Povrchové poškození 2 Výrobní 3 Trvalé deformace
1 Napříč 2 Vodorovné / Vylomení
Přehled nejdůležitějších vad podle UIC katalogu Kód vady
Popis kolejnicové vady podle předpisu S67
Opatření
Třída 1 a 2 100/200 Výrobní vady 111/211
Vady na konci kolejnice a v její střední části Křehký lom bez zřejmé příčiny
A
Příčné trhliny postupně se rozvíjející z hloubi průřezu
B (A)
112/212 1321/2321 1322/2322
C (B) Vodorovná trhlina v hlavě kolejnice Vodorovná trhlina v zaoblení mezi hlavou a stojinou B (A) B (A) kolejnice Vodorovná trhlina v zaoblení mezi stojinou a patou kolejnice
113/213 133/233 153/253
Podélná svislá trhlina v hlavě kolejnice Podélná svislá trhlina ve stojině kolejnice Podélná svislá trhlina v patě kolejnice
C (B) B B
121/221 2222
Povrchové vady Odlupování pojížděné hrany kolejnice (shelling)
D C (B,A)
124/224 236 139/239
Zhmoždění hlavy kolejnice s převalky Trhliny vycházející z vyražených a vyválcovaných značek Převalky z válcování
D B D
Vady kolejnic
Přehled nejdůležitějších vad podle UIC katalogu Vady v důsledku provozu 2201 Vlnkovitost koleje a skluzové vlny 2202 Vlnovitá deformace (dlouhé vlny)
D D (C)
2203
Boční opotřebení (ojetí)
D (B)
2204
Mimořádné svislé opotřebení
D (B)
122 2221 2223
D
227 134/234
Odlupování na hraně pojížděné plochy a konce kolejnice Odlupování materiálu na pojížděné ploše Head check /tvorba trhlin / vylupování materiálu na pojížděné hraně Roztlačení hlavy kolejnice Vybroušená místa na pojížděné ploše od prokluzu kol (ojedinělá nebo souvislá) Trhliny a místní protlačení pojížděné plochy (squat) Koroze stojiny
154/224 135
Koroze paty Trhliny z otvorů ve stojině pro spojkové šrouby
C C (B)
235
Trhliny z jiných otvorů než z otvorů pro spojkové šrouby
C (B)
123/223 125/225
Vady kolejnic
D (C) D D (B)
D (C)
Přehled nejdůležitějších vad podle UIC katalogu Třída 3 301
Vady způsobené poškozením kolejnice Povrchové poškození kolejnice
C (B)
302
Nepřípustné nebo vadné opracování
C (B)
303 Třída 4 411/421/431 412/422/432 471 472
Trvalá deformace Vady svárů a návarů Příčná trhlina v oblasti S svaru Vodorovná trhlina ve stojině v oblasti S svaru Příčná trhlina v hlavě kolejnice v návaru Uvolnění nebo vydrolení navařené vrstvy na pojížděné ploše
B B B C (B)
481
Příčné trhliny od pájených nebo přivařených propojek
B
Vady kolejnic
Nejčastější vady kolejnic Kód vady Popis kolejnicové vady podle předpisu S67 Vady charakterizované trhlinou vzniklou v důsledku kontaktního namáhání 111/211 Příčné únavové trhliny postupně se rozvíjející z hloubi průřezu oválného tvaru 2222 Odlupování pojížděné hrany kolejnice (shelling) 2223 Head check /tvorba trhlin / vylupování materiálu na pojížděné hraně Není ve standardech Belgrospis 227 Squat Vady charakterizované trhlinou vzniklou v důsledku účinků vozidel 301 Vtisky 125/225 Vybroušená místa na pojížděné ploše od prokluzu kol (ojedinělá nebo souvislá) Vady v důsledku přeměny materiálu nebo ojetí 2201 Vlnkovitost koleje a skluzové vlny 2202 Vlnovitá deformace (dlouhé vlny) Vady svarů kolejnic 411/421/431 Příčná trhlina v oblasti svaru
Vady kolejnic
Příčné únavové trhliny
Příčná únavová trhlina postupně rozvíjející se z hloubi průřezu hlavy kolejnice je únavová vada, jejíž původ je ve výrobních vadách. Prvotní příčinou těchto trhlin jsou příčné vločky. Vločky se dynamickými účinky vozidel rozšiřují v příčné únavové trhliny. Tato vada může vznikat v důsledku plynových dutin, nekovových vměstků, vnitřních vodorovných trhlin a zcela výjimečně z shellingu hluboko v průřezu. Únavové trhliny mohou dosáhnout povrchu kolejnice, ale rozměry na povrchu bývají tak malé, že je lze jen velmi těžko zjistit pohledem. Vady se častěji zjišťují ultrazvukem.
Vady kolejnic
Příčné únavové trhliny
Vada 211: Příčné únavové trhliny postupně se rozvíjející z hloubi průřezu oválného tvaru Vady kolejnic
Shelling
Podélné trhliny vznikají v důsledku kontaktních a skluzových sil, zejména při jízdě obloukem. Kolejnice nejprve vykazují v nepravidelných vzdálenostech tmavé podélné skvrny na zaoblení pojížděné hrany kolejnice. Po určitém čase se projeví převalek na boční ploše, dále prasklinky a posléze oddělení materiálu od pojížděné plochy, mnohdy značných rozměrů. Ve stádiu rozvoje vady dochází v důsledku teční materiálu k snížení pojížděné plochy. Odlupování z pojížděné plochy postihuje zpravidla konce kolejnic ve vnějších kolejnicových pásech oblouků, kde je vlivem mazání okolků potlačeno ojíždění materiálu kolejnic. Při odstraňování vady se vyměňuje vždy celé kolejnice. Vada je zjistitelná pohledem a v pozdějším stadiu ultrazvukovým defektoskopem. Vady kolejnic
Shelling
Vada 2222: Odlupování pojížděné hrany kolejnice (shelling)
Vady kolejnic
Head Check
Head check jsou jemné povrchové trhlinky, objevující se více či méně pravidelných vzdálenostech mezi 0,5 mm a 10 mm. Při pohledu shora jsou trhlinky proměnné délky orientovány pod úhlem 35 až 70°vzhledem k podélné ose kolejnice. Trhliny probíhají navzájem paralelně, začínají obvykle růst směrem dovnitř kolejnice pod mírným úhlem 10 až 15°. Čím je trhlina delší, tím se stává strmější, až dosáhne úhlu až 60°a v některých případech délky několika milimetrů. Vada je zjišťována vizuálně, zjištění pomocí ultrazvuku je problematické.
Vady kolejnic
Head Check
Vada 2223: Head check /tvorba trhlin / vylupování materiálu na pojížděné hraně
Vady kolejnic
Squat
Vady typu squat jsou charakteristické půlkruhovými trhlinami nebo trhlinami ve tvaru V. Trhliny se nacházejí na pojížděné ploše kolejnice a jsou otevřené směrem k pojížděné hraně. V oblasti trhlin dochází k zatlačení pojížděné plochy. Snížená oblast je zřetelně tmavší než okolí a pojížděná plocha je mírně širší. Vada se vyskytuje v přímé koleji nebo v obloucích o velkém poloměru a vyskytuje se na tratích, pojížděných vysokou rychlostí. Vady se často vyskytují ve skupinách, v nichž jsou náhodně rozmístěny.
Vady kolejnic
Squat
Vada 227: Squat
Vady kolejnic
Vtisky
Příčinou vady jsou povrchová poškození kolejnic, vznikající působením vnějších vlivů.
Vada 301: Vtisky
Vady kolejnic
Vybroušená místa na pojížděné ploše od prokluzu kol
Prokluzování hnací nápravy způsobuje vznik samovolně zakalené skvrny s oválným obvodem. Vada se zjišťuje pohledem.
Vada 125/225: Vybroušená místa na pojížděné ploše od prokluzu kol
Vady kolejnic
Vlnkovitost koleje
Vlnky se vyznačují téměř pravidelnými, za sebou následujícími lesklými vlnovitými vyvýšeninami a tmavými vlnovými prohlubněmi na pojížděné ploše. Vzdálenost vyvýšenin je asi 3 až 8 cm. Vlnkovitost je možné dále rozlišovat na:
pásy vlnek, pruh pojížděné plochy ve vlnkových vyvýšeninách i prohlubních kovově lesklý rozvolněné pásy vlnek, svazky jsou spojeny lesklým pruhem jednotlivé podélné vlnky, kovově leklé část vyvýšenin vlnek je podlouhlá jednotlivé příčné vlnky, kovově lesklá část vyvýšenin vlnek stojí na jednokolejných tratí kolmo k pojížděné hraně, na dvoukolejných tratích pod úhlem 105° bodové vlnky hákovité vlnky, kovově lesklá část vlnek tu má tvar háku s mnoha variacemi nepravidelné vlnky dvojité vlnky, kovově lesklé plošky leží vedle sebe Vady kolejnic
Vlnkovitost koleje
Vada 2201: Vlnkovitost koleje
Vady kolejnic
Vlnkovitost Vyvolávají
Brzdí
Faktory vozidel Vlnkovitost obručí kol Bezvadné obruče Homogenní doprava vozidly stejných vozidel Smíšená doprava s vozidly různých vlastností a stejných vlastností a rychlostí, například na rychlostí tratích s přepravou surovin, příměstských tratích apod Velké rozdíly poloměru protilehlých kol Přesné seřízení dvojkolí Spřažený pohon Použití profilů, podléhajících opotřebení Elektrická trakce Brzdné a rozjezdové síly Pečlivé vyrovnání hmotností na kolo Použití výkonnějších trakčních vozidel Použití stejných pružnostních charakteristik u motorových jednotek Rozjezd plným výkonem motoru u prázdných Vybroušená místa na pojížděné ploše od motorových vlaků prokluzu kol (ojedinělá nebo souvislá) Faktory jízdní dráhy Počáteční nerovnosti a válcovací okuje na Broušení nových kolejnic a ostranění pojížděné ploše kolejnice válcovacích okují Vlhká jízdní dráha a koroze Suchá jízdní dráha Nestejná pružnost koleje Konstantní pružnost koleje Málo únosný železniční spodek Kolejnicová ocel se speciálním legováním Vysoká vnitřní pnutí při výrobě kolejnic Žíhání kolejnic Vnitřní pnutí např. při rovnání kolejnic Objemově kalené kolejnice Vady kolejnic
Vlnovitá deformace (dlouhé vlny)
Dlouhé vlny jsou pravidelné vertikální vlny s vlnovou délkou počínaje 25 cm, obvykle však 150 – 300 cm. Jejich hloubka se pohybuje mezi 0,5 – 4 mm. Původ vady je ve výrobním procesu, zvláště v rovnání kolejnic neokrouhlými rovnacími válečky. Zjišťují se pohledem, měřidly nebo speciálním měřícím zařízením.
Vada 2202: Vlnovitá deformace koleje
Vady kolejnic
Příčná trhlina v oblasti svaru
Vada 411: Příčná trhlina v oblasti S svaru
Vada 421: Vady v AT svaru
Vady kolejnic
Broušení a hoblování kolejnic
Vady kolejnic, zejména geometrické vady jako je vlnkovitost a vlnovitá deformace pojížděné ploše kolejnice, může působit velmi vysoké dynamické účinky. Jedinou technologií pro opravu těchto vad je opracování hlav kolejnic. Opracování kolejnic je také účinné v prvních fázích rozvoje kontaktních vad. K opracování kolejnic se používají v zásadě dvě technologie:
broušení; hoblování.
Vady kolejnic
Brousící technologie
Brousící technologie lze dělit podle způsobu pohybu brusných kamenů:
rotační pohyb brusných kotoučů podélný oscilující pohyb brusných kamenů pevné brusné kameny se používají u brousících vozidel
Hlava kolejnice Brusný kotouč
Brousící hlava
Princip brousící technologie pomocí rotační brusných kamenů Vady kolejnic
Brousící jednotka pro podélně oscilující brusné kameny
Vady kolejnic
Hoblování kolejnic
Hoblování kolejnic je účinné zejména v případech, kdy je hlava kolejnice výrazně deformována. Výhodou technologie je, že se při jednom technologickém pojezdu odděluje větší množství materiálu. Stroj se hodí především k odstraňování převalků a hlubokých prokluzových vln. Opracování kolejnic se provádí v několika fázích v různých rovinách. Představitelem této technologie jsou hoblovací jentoky firmy Plasser&Theurer.
Vady kolejnic
Prevence kolejnicových vad
rychlost růstu
péče o základní prostředky
snižování míry rizika
A
lom kolejnice
B ojetí + broušení ojetí hloubka trhliny
1. fáze vznik a počáteční růst kolo
2. fáze růst pod malým úhlem; lehké nebo střední kontaktně únavové vady
3. fáze růst rozvětvených trhlin; velké a velmi velké kontaktně únavové vady
kolo
kolo hlava kolejnice
Rychlost růstu trhliny v závislosti na hloubce trhliny
Vady kolejnic
Princip preventivního broušení Projetá provozní zátěž [mil. hrt] 10
20
30
Hloubka pod pojížd pojížděnou plochou kolejnice [mm]
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0
"Magický" poměr ojetí Rozvoj trhlin při preventivním broušení Rozvoj trhlin bez preventivního broušení
Vady kolejnic
40
Použitá a doporučená literatura
[1] ESVELD, C. Modern RailwayTrack. Second Edition. MRT Production, Delft 2001, ISBN 90-800324-3-3 [2] ČD S67 Vady a lomy kolejnic [3] The New Catalogue of Rail Defects. Eisenbahningenieur, vol. 52, n. 9/2001, p.102 – 109 [4] FUNKE, H. Broušení kolejnic. Elka Press, Praha 1992, 122 str. [5] GRASSIE, S.L. Preventivní broušení drží kontaktně únavové vady pod kontrolou. International Railway Journal, 1/2001, str. 1317
Vady kolejnic