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).
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).
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.
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).
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.