A vonatforgalom által keltett ciklikus dinamikus igénybevételek sokféle károsodást okoznak a sínekben. A terhelések folyamatos növekedése – egyre nagyobb tengelyterhelések és vontatási erők – új kihívások elé állítják az infrastruktúra-üzemeltetőket.
A kerék-sín gördülési érintkezésből adódó, Európa-szerte robbanásszerűen megnövekedett gyakoriságú fáradásos hibák, az úgynevezett head check (HC) hibák jelentős karbantartási munkákat és felújítási intézkedéseket vonnak maguk után, amelyek nagy pénzbeli ráfordításokkal és a vasúti pálya rendelkezésre állásának korlátozásával járnak. Az életciklusköltség alapú, célzott sínkarbantartással azonban késleltethető a sín állapotának romlása, és meghosszabbítható a sín hasznos élettartama.
Az állapotfüggő karbantartás viszont megköveteli, hogy a sínhibamérés–sínköszörülés– felújítás időzítésének szabályozó körfolyamata következetesen megvalósuljon. Ez a cikk az ÖBB Infrastruktur AG-nek a sín életciklus-menedzsmentje területén végzett sikeres tevékenységeit mutatja be.
Bevezetés
Az infrastruktúra-üzemeltető célja, hogy biztonságos és gazdaságos pálya álljon rendelkezésre, ehhez tartozik elsősorban a közlekedéstechnikailag optimális sínpálya biztosítása. Az ÖBB Infrastruktur AG ennek érdekében évente kb. 650 km vágány és kb. 700 csoportkitérő köszörüléssel történő megmunkálását, illetve kb. 500 km vágány felújítását végzi el. A köszörülési munkák kb. 80%-át a sínfelület gördülési érintkezésből adódó fáradási károsodásainak javítása teszi ki. A gördülési érintkezésből adódó fáradás jelensége minden előfordulási formájában közvetlen összefüggésben áll a kerék és a sín közötti érintkezési körülményekkel, de olyan más tényezők is befolyásolják, mint például a vontatási erők, a kerékcsúszás, a súrlódási együtthatók vagy a felület tulajdonságai.
A HC hibák esetében kimerül a kerék-sín érintkezési felület tartós szilárdsága, a koncentrált erőbehatások az anyag még elviselhető nyírófeszültségi értékét átlépik, és károsodások alakulnak ki. A sín futóélének környezetében ezáltal keletkező anyagtorzulások annál gyorsabban fejlődnek, minél több olyan paraméter lép fel helyileg, amely a gördülési érintkezésből eredő fáradásra érzékeny. Ezek a károsodások szinte kizárólag a 300–3000 m sugarú ívek külső sínszálán lelhetők fel (1. kép).
1. kép Hullámos kopás az ív belső oldalán, ívsugár R = 300 m
Az ívben közlekedő jármű haladásakor keletkező erők alapján a gördülési érintkezésből adódó fáradási viselkedések és kopási ráták három ívintervallumba oszthatók:
R > 3000 m sugarú ívek és egyenes szakaszok:
- Csekély mértékű HC képződés, mivel a futóél környezetében nem állandó a kerék-sín érintkezés.
- A sín állapotromlása (magassági és oldalkopás) csekély mértékű.
300 m < R < 3000 m sugarú ívek:
- Erős HC képződés lehetséges, főként az 1200 méternél kisebb sugarú ívekben. Az érintkezési pont a futóél környezetében van. Az ívben közlekedő jármű haladásakor keletkező erők csak kis mértékű oldalkopást okoznak, a kerék-sín érintkezés nem távolítja el a HC hibákat.
- A 600 méternél nagyobb sugarú ívekben az oldalkopás általában nagyon csekély, tehát a nő a HC képződés veszélye.
R < 300 m sugarú ívek:
- Nagy a hullámos kopás veszélye.
- Csekély HC képződés, mivel a sínek erőteljes kopása miatt nem tudnak kifejlődni, vagy azonnal „lecsiszolódnak”.
HC repedések keletkezése és növekedése
A HC repedések növekedése két fázisra osztható:
1. fázis: korai növekedési fázis a repedés csekély terjedésével
A kezdeti szakaszban a repedések áthatolnak a sínfelszín nagy szilárdságú rétegén, ezután kb. 30°-os szögben továbbterjednek a sínfej belseje felé. Ezzel egyidejűleg a felszínen látható repedés hossza is megnő. A HC hibákhoz kapcsolódóan a HC repedések keletkezésének első fázisában az úgynevezett „spalling” figyelhető meg. Ez alatt a sínfej felületi kitöredezését értjük (2. kép).
2. kép HC repedések és kitöredezések („spalling”) a futóélen az I. növekedési fázisban
II. fázis: a repedés növekedésének előrehaladott stádiuma
Kb. 3-5 mm repedésmélységtől megváltozik a HC hibák növekedési folyamata. Az egymással szomszédos repedések összenőnek, kitöredezések jelentkeznek a futóélen, vagy megnő a repedés hossza, és a repedés mélysége tovább nő. A repedéseknek a sínfejben való összenövésével kitöredezések jönnek létre a futóélen (nyitókép). Ahhoz, hogy a repedések ne terjedhessenek tovább a sínfej belseje felé, a síneket az I. fázisban meg kell munkálni. Az eltávolításhoz számos módszer áll rendelkezésre, mint például a marás, köszörülés vagy a gyalulás. Azonban le kell szögeznünk, hogy a 3 mm-nél mélyebb anyageltávolítás a legritkább esetben gazdaságos, ezért a sínmegmunkálásra vonatkozóan alacsonyabb beavatkozási küszöbértékeket kell megadni. Ebben a tekintetben az ÖBB arra törekszik, hogy a sín megmunkálásra kerüljön, amint a repedés eléri az 1 mm-es mélységet, hogy így megakadályozzák a HC hibák fejlődésének II. fázisát.
Sínköszörülés tervezése határértékek alapján
A megmunkálandó szakaszok meghatározása és a köszörülés tervezése a mindenkori aktuális mérési eredmények figyelembevételével történik. A köszörülés tervezéséhez alapul vett sínfelületi mérési adatokat az ÖBB EM 250-es felépítményi mérőkocsija szolgáltatja, a HC hibák felismeréséhez szükséges örvényáramos vizsgálatot a MÁV KFV Kft. végzi. 2013-ban sor került a síngondozási program optimalizálására, és első ízben támogatta az Életciklus-menedzsment (LCM) Szakterület szervezete országos köszörülési javaslatával a regionális infrastruktúra-felelősöket. Ehhez részben automatikusan kiértékelésre kerültek a sínköszörülés tervezése szempontjából releváns mérési adatok, mint a tengelycsapágy-gyorsulás, az egyenértékű kúposság és az örvényáramos vizsgálat, egy további lépésben pedig a prioritások megállapítása történt meg. A munkavégzés tervezéséhez meghatározásra kerültek a hullámos kopás, az egyenértékű kúposság és a HC hibák életciklus-költségekre (LCC) támaszkodó, fizikailag mérhető határértékei.
Rovátkás és hullámos kopás: (minimális túllépési hossz: 15 m)
10 g tengelycsapágy-gyorsulás (középérték)
Egyenértékű kúposság: (minimális túllépési hossz: 20 m)
„S” vonalbesorolás: (fővonalak)
0,35 (80–120 km/h)
0,20 (121–160 km/h)
Head check: (minimális túllépési hossz: 2 m)
1 mm-es repedési mélység
Ebből kereken 70 000 bruttótonna napi terhelés esetén az ívsugár függvényében az 1. ábrán látható tervezett megmunkálási időközök adódnak.
1. ábra Előírt sínköszörülési ciklusidő (év) az ívsugár függvényében
Az ÖBB a fővonali szakaszok esetében az „integrált karbantartás” koncepcióját követi. A vágányszabályozás és a sínköszörülés itt egy vágányzárban történik. A rendelkezésre állás optimalizálása mellett így nagyon magas karbantartási minőség érhető el.
Sínállapot ábrázolása a NATAS rendszerrel
A NATAS (New Austrian Track Analysing System) az ÖBB Infrastruktur AG szakértői rendszere a felépítményi mérési adatok és további rendelkezésre álló vágányinformációk megjelenítésére szolgál. Tehát egy olyan módszer, amely lehetővé teszi a vágány állapotának központi, objektív ábrázolását. Az „Integrált sínállapotelemzés” című megjelenítő lap minden olyan adatot tartalmaz, amely a sínállapot felmérése és értékelése szempontjából releváns (2. ábra).
2. ábra A NATAS „Integrált sínállapot-elemzés” lapja
Egyrészt mérési adatokat tartalmaz a sínfelület kopásáról, de pályageometriai és karbantartási adatokat is közöl. Emellett megjeleníti az ezekhez tartozó beavatkozási küszöbértékeket is a kitérők, állomások, alagutak, jelzők stb. mindenkori mérési jelei és létesítményadatai alapján. A szakaszok ábrázolása több lapon történik, melyek egyenként a vágány egy 5 km-es szakaszát jelenítik meg a következő paraméterek megadásával:
- nyomtáv
- egyenértékű kúposság
- síndőlés
- tengelycsapágy-gyorsulás, ill. rovátkás/ hullámos kopás
- oldalkopás, ill. kiegyenlített magassági kopás
- HC repedések mélysége
Repedés mélysége a bal, ill. jobb sínszálon:
Ez a két diagram az örvényáramos mérés eredményeit ábrázolja, és a HC repedések mélységének megadása mellett a méterenkénti repedésszámról is információkat szolgáltat. Az esetleges vizsgálati hiányokat szürke szín jelöli. Ilyen hiányok pl. váltók keresztezési csúcsainál vagy útátjáróknál keletkeznek, ahol fel kell emelni a mérőszondákat.
A mért repedésmélységeket különböző színek (zöld, sárga, narancssárga, piros) jelölik. A diagram fölötti sáv a mérési jel jelentéséről ad információt. A zöld szín a megfelelő állapotot jelöli, a sárga méterenként kevesebb, mint 100 mért HC repedést, a piros méterenként több mint 370 mért HC repedést jelez. Ilyen esetekben előfordulhat, hogy a megjelenített károsodás nem HC hiba, hanem más felületi hiba, mint pl. rovátkás kopás vagy hasonló károsodás. Az országos szintű központi kiértékelés biztosítja az igényekhez igazodó gépi munkavégzés tervezését és a sínmegmunkálási feladatok fontossági sorrendjének meghatározását is.
Műszaki okokból a sínfelület megmunkálásának csak akkor van értelme, ha a teljes ív kerül megmunkálásra (átmeneti ív elejétől a másik átmeneti ív elejéig). Ezért az olyan szakaszoknál, amelyek túllépték a beavatkozási küszöböt, egy következő lépésben történik a megmunkálási tartományok, tehát a köszörülési hosszak megállapítása. Miután az LCM Szakterület lezárta a kiértékelést, megküldi a köszörülési javaslatot, illetve az egyes túllépett határértékeket a regionális létesítményfelelősöknek, akik ezeket ellenőrzik, és átdolgozzák a már tervezett vágányfelújítási, illetve síncseremunkák figyelembevételével. A javaslatot ki lehet bővíteni olyan szakaszokkal is, amelyek eddig még nem szerepeltek a programban. Ezután a megmunkálandó szakaszokat rögzítik, és központosítva összesítik egy országos munkaprogramban. A munkaprogram alapján felügyelik a sínmegmunkálási feladatok (csiszolás/köszörülés) elvégzését, valamint ez alapján történik a minőségi auditok lebonyolítása is a köszörülési munka folyamán és azt követően.
Összefoglalás: alapfeltételek és innováció a sínköszörülési program vonatkozásában A vasúti pálya változó igénybevétele miatt rendszeres karbantartási és felújítási munkálatok elvégzésére van szükség a létesítmény minőségének folyamatos biztosítása érdekében.
Ez a cikk a sínköszörülést a műszakilag gazdaságos vágánykarbantartás elemi alkotórészeként mutatta be. Az elvégzett LCC-elemzések segítségével kimutatható, hogy a HC képződés szempontjából veszélyeztetett ívek fenntartási költségei a ciklikus köszörüléssel jelentős mértékben csökkenthetők. Csak a sínek rendszeres karbantartásával érhető el a pályában fekvő sín élettartamának 40 évre történő meghosszabbítása, ami így megegyezik a beépített betonaljak élettartamával. Az előzőekben említett beavatkozási küszöbök figyelembevételével a 600 < R < 1000 m sugarú ívek esetében 70 000 bruttótonna napi terhelés mellett a szükséges köszörülési időköz kereken hat év. Kisebb sugarú íveknél az intervallumot megfelelő mértékben csökkenteni kell.
A jelenérték-módszerrel kifejezve egy kilométer vágány karbantartási költsége sínköszörüléssel – napi 70 000 bruttótonna terhelés és 600 < R < 1000 m sugarú ív feltételezésével – 64 000 euró/ km-re tehető 30 éves időszakra. Sínköszörülés nélkül ezek a költségek a szükségessé váló (idő előtti) síncsere miatt 290 000 euró/km-re emelkednek 30 évre számolva. A sínkarbantartási stratégiába történő integrálás szempontjából döntő a jobb tervezési minőség, amely objektív mérési paramétereken alapul.
Ez a következő előnyökkel jár:
– a mérési adatok objektív kiértékelése,
– különböző ügyintézők szubjektivitásának befolyása csökken,
– azonos beavatkozási küszöbértékek alkalmazása a teljes országos vonalhálózaton,
– a mérési adatok hibás értelmezésének illetve a határérték-túllépések véletlen figyelmen kívül hagyásának elkerülése,
– a károsodási mélység megadása megkönnyíti az erőforrások tervezését,
– egyes paraméterek igazításával lehetővé válik a stratégiai irányítás,
Ez pedig a munkatervezés hatékonyságának növelését és a sínfelület megmunkálásának minőségi javulását eredményezi, mivel a megfelelő intézkedések a megfelelő helyen és a megfelelő időben valósulnak meg, ami hosszú távon szolgálja a magas színvonalú biztonságot és a gazdaságosságot.
