Az utóbbi évtizedekben az európai vasúthálózat tömegközlekedési és áruszállítási kínálata folyamatosan javult. A végbement fejlődés leginkább a vonatok számának növekedésében, nagyobb sebességekben és erősebb, nagyobb teljesítményű vontatójárművek megjelenésében vehető észre.
A megvalósult és további folyamatos fejlesztések a vasutat mint közlekedési és áruszállítási alternatívát a rövidebb utazási és áruszállítási idővel, valamint az utazási komfort szélesebb kínálatával teszik vonzóbbá. Ezek a vasúti infrastruktúra igénybevételét növelő változások az üzemeltetőt új kihívások elé állítják, hiszen hatásukra sokkal intenzívebb karbantartási tevékenység válik szükségessé. Legfőképpen a sínek gördülési érintkezési kifáradása elleni küzdelem okozza a megnövekedett karbantartási igényt, ezért mindenekelőtt ez a károsodási jelenség a voestalpine Schienen GmbH mint innovatív síngyártó fejlesztési tevékenységének fő ösztönzője.
A folyamatosan növekvő kihívásokkal szemben vállalatunk a 350HT HSH® vasúti sín anyagminőség kifejlesztésével már az 1990-es években jelentős technológiai ugrást ért el. Ez a cikk a gördülési érintkezési kifáradással kapcsolatos stratégiák előnyeinek és hátrányainak említése mellett a hőkezelt, hipereutektoidos 400UHC® HSH® – az EN13674-1: 2011 szabványban R400HT jelölésű – anyagminőségű vasúti sín bemutatásával egy további technológiai ugrást is szemléltet. Örömünkre szolgál, hogy az R400HT anyagminőségű sínjeinket egy referenciaívben immár a MÁV Zrt. is beépítette (nyitókép). Úgy gondoljuk, hogy az üzemeltető saját tapasztalatai hozzá fognak járulni ahhoz, hogy indokolt esetekben hazánk kötöttpályás vasúti közlekedésében – akár a városi közlekedésben, pl. a frekventált forgalmi terhelésű metrókban – is tért nyerjen.
A perlites sínacélok és azok gördülési érintkezési kifáradással szembeni ellenálló képessége
Mindkét korábban említett vasúti sín anyagminőség esetén ferrit- és cementitlamellákból álló, kétfázisú, ún. perlites szövetszerkezetről beszélünk, amely a hengerlési folyamatot követően, a sín lehűlése során, a korábban ausztenites szövetszerkezetű acél perlitessé átalakulásával keletkezik. A szövetszerkezetben a szén diffúziója szénben gazdagabb és szegényebb területeket hoz létre, amelyekből a későbbiekben ferrités cementitlamellák képződnek (1. ábra).
1. ábra Perlites acélok lamellás szerkezete
A kopással szembeni ellenálló képességét a perlit a cementitlamellákból nyeri:
– A cementitlamellák mintegy 7-10-szer keményebbek a ferritlamelláknál, és az anyag kopással szembeni ellenálló képességének meghatározói.
– A perlit az anyagkifáradással szembeni ellenálló képességét a lamelláris szerkezetéből nyeri. A szövetszerkezetben egy kemény (cementitlamellák) és egy lágyabb fázis (ferritlamellák) egészíti ki egymást, és gondoskodnak az anyag duktilitásáról és tartós szilárdságáról. A metastabil vas-szén kettős anyagrendszerben tiszta perlit kb. 0,8% széntartalomnál alakul ki. E határ fölött – idesoroljuk a 400UHC® HSH®-t is, a maga minimum 0,9% széntartalmával – ún. hipereutektoidos acélminőségek helyezkednek el. Ez az anyagminőség az EN-13674-1:2011 szabványban R400HT jelöléssel, az 1. táblázat szerinti specifikációval került szabványosításra.
1. táblázat Az R400HT sínanyag mechanikai jellemzői és vegyi összetétele [1]
Mindemellett a sínacélok 3 fő károsodási mechanizmussal:
– a gördülési érintkezési kifáradással,
– a kopással,
– a hullámos kopásképződéssel szembeni ellenálló képessége és e mechanikai jellemző között egyértelmű korreláció állapítható meg (2. ábra).
2. ábra Perlites acélok szövetszerkezetének mikroszkopikus felvételei
Amíg a 400UHC® HSH® 100%-ban perlites sínacél minőség keménysége 400 Brinellnél nagyobb, tartós szilárdsága más perlites anyagminőségekkel (R260 und R350HT) hasonló értékeket mutat. Jellemzője a célirányosan megerősített, különösen kicsi lamellatávolságú cementitrétegek által eredményezett kiváló üzemi viselkedés.
Head Check károsodás kialakulásaés növekedése
Tekintsük át pontosan, mit is értünk a vasúti sín Head Check meghibásodása alatt. E károsodást a futóélen kialakuló periodikus repedések jellemzik, amelyek a sínacél anyagának folyamatos, ciklikusan ismétlődő túlterhelése miatt a sín belseje felé növekednek. Amint a győri Széchenyi István Egyetem vizsgálatai is megmutatták, e repedések a sín felületének a forgalom által hidegalakított rétegéből erednek. A 3. és 4. ábrán [2] látható a szövetszerkezet részecskéinek hosszirányban történő erős megnyúlása.
3. és 4. ábra Keresztmetszet – Head Check hibák a sín felületének hidegalakított zónájában
Ez azt is eredményezi, hogy a perlitlamellák többnyire hosszirányban rendeződnek el. A felületről kiinduló repedés e hidegalakított mikroszerkezet mentén növekszik. Amint az már bemutatásra került [3], a sínacél növekvő szilárdságával csökken a plasztikus alakváltozás mélysége. A 400UHC® HSH® acélminőség alakváltozásának mélysége lényegesen, mintegy 30 %-kal kisebb az R260-as minőségnél. Az anyag nagyobb ellenálló képessége mellett a vékonyabb hidegalakított réteg is hozzájárul vágányban bizonyítottan kedvezőbb üzemi viselkedéshez (5. ábra).
5. ábra A plasztikus alakváltozás mélysége a keréksínpróbapadon [2]
A vasúti sínek Head Check meghibásodása ellen két sikeresen bevethető stratégia létezik. Az egyik út a sínacélminőségek folyamatos fejlesztésén keresztül vezet. A 350HT HSH® minőséget már majdnem minden európai országban sikeresen alkalmazzák a Head Check hibák ellen. Ha annak jobb ellenálló képességét az R260-as anyagminőséggel összevetjük, a gördülési érintkezési kifáradással szembeni javulás mértéke bizonyítottan, legalább 2-es faktorral jellemezhető [4, 5, 6]. A nagy tengelyterhelésű vágányokban kipróbált 400UHC® HSH® minőség vegyes forgalmú pályákon való bevezetésével a voestalpine Schienen egy lépéssel tovább megy és egy ún. hipereutektoidos, hőkezelt sínt kínál a gördülési érintkezési kifáradással, kopással és hullámos kopásképződéssel szemben rendkívüli mértékben megnövelt ellenálló képességgel.
A megfelelő sínacélminőség kiválasztása mellett a vasúti sín profiljának optimalizálása is célravezető stratégia. E célból a voestalpine Schienen a 100-nál több profilból álló kínálatával, továbbá egyedi, partnerre specifikált profil kifejlesztésének lehetőségével áll rendelkezésre. A két stratégia kombinációja vezet az optimális eredményhez. A 400UHC® magas kopással szembeni ellenállóképessége alapján a többi sínacéllal összevetve kiváló profilhűséggel rendelkezik, s a jól kiválasztott hipoeutektoidos szövetszerkezetű sínprofillal jelentősen hosszabb a pályában eltöltött idő.
Vágánytesztekből származó ismeretek, tapasztalatok
A 400UHC® HSH® minőségű sínek kifejlesztése igazi sikertörténet, hiszen azok értékesítési volumene immár meghaladja a 250 000 tonnát. Elsősorban Európán kívüli iparvidékek nagy tengelyterhelésű vasútjai járnak élen ezen hipoeutektoidos sínacélok előnyeinek kihasználásában. Sínjeinkkel 35 t tengelyterhelés mellett is akár 3500 millió elegytonna áthaladását biztosító élettartamot értek el. Az utóbbi időben egyre több vegyes forgalmú vasút is felismeri ezen sínek előnyeit, üzemi tapasztalataik a gördülési érintkezési kifáradást illetően tiszta képet mutatnak. A következő részben két olyan vágányteszt eredményét szemléltetjük – R = 550 m és R = 1500 m sugarú íves vágányok –, melyeknél a 400UHC® HSH® minőség üzemi viselkedését vegyes forgalmi viszonyok között két másik acélminőséggel vetették össze (6. és 7. ábra).
6. ábra Repedés mélysége 100 millió elegytonna áthaladása után egy R = 550 m sugarú ívben
7. ábra Repedés mélysége 100 millió elegytonna áthaladása után egy R = 1500 m sugarú ívben
Megmutatkozik, hogy a károsodás mélysége az R350HT-vel összevetve legalább 2-es faktorral jellemezhetően csökken. Gondoljunk arra, hogy a Head Check hibák eltávolítása céljából csiszoláskor így csak feleakkora anyagleválasztás szükséges, ez számottevően csökkenti a karbantartási ráfordítást, mindemellett jelentősen meghosszabbodott élettartamhoz is vezet. A szükséges karbantartások közötti időintervallumok meghosszabbodnak, továbbá beavatkozáskor a síncsiszolás munkálatai rövidebb idő alatt elvégezhetőek. A 400UHC® HSH® további előnye a nagy kopással szembeni ellenálló képességből adódóan jelentkező profilhűség. A pályatesztek alapján a normál minőségnél kedvezőbb kopásállóságú R350HT-vel összevetve (8. ábra) e tulajdonság további 2-es faktorral jellemezhető javulása figyelhető meg.
8. ábra: Kopás mértéke 100 millió elegytonna áthaladása után egy R = 185 m sugarú ívben
Mindezzel együtt a hullámos kopásképződéssel szembeni sokkal kedvezőbb ellenálló képesség is megmutatkozik, melyet egy osztrák hegyi vasúti pálya ívében végzett mérési eredmények nagyon jól visszatükröznek (9. ábra).
9. ábra: Hullámos kopás mértékének mérési eredményei 40 millió elegytonna áthaladása után R = 185 m sugarú ívben
Következtetés
Mint a vasút minden területére, a sínacélokéra is folyamatos fejlődés jellemző, amely bizonyos időszakonként technológiai ugrást is magába foglal. A legújabbat a 400UHC® HSH® – az EN13674-1:2011 szabványban R400HT jelölésű – sínacél kifejlesztésével értük el, eredménye egy olyan innovatív gyártási koncepció, amely lényegesen kedvezőbb üzemi viselkedésű, új tulajdonságokkal rendelkező szövetszerkezet megvalósítását teszi lehetővé. Vágánytesztek és üzemeltetési tapasztalatok alapján ezt a hőkezelt sínacélt az ugyancsak hőkezelt 350HT HSH®1 vasúti sín anyagminőséggel összevetve a következő összefoglalást tehetjük:
– gördülési érintkezési kifáradás: a javulás mértéke 2-es – 3-as faktorral jellemezhető
– kopási viselkedés és profilhűség: a javulás mértéke 2-es faktorral jellemezhető
– hullámos kopás képződés: a javulás mértéke 3-as faktorral jellemezhető.
Az üzemi viselkedés ilyen mértékű javulása alapozza meg a sínek hosszabb élettartamát, és csökkenti jelentősen a vasúti sínek miatt szükségessé váló karbantartási intézkedéseket és tevékenységeket, ezáltal hozzájárulva a középtávon egyébként szükségessé váló karbantartások miatti lassújelek és vágányzárak elkerüléséhez. A vasúti infrastruktúra megfelelő gazdaságosságának egyik meghatározó összetevője a kevesebb karbantartást igénylő, hosszabb élettartamú vasúti sín. A 400UHC®HSH® acélminőség alacsony élettartamköltségével és a többletbefektetés rövid idő alatti megtérülésével e gazdaságossághoz egyértelműen hozzájárul.
Összes ismert előnye alapján a nagy tengelyterhelésű vasútvonalak sínjeinek járatos szokványos acélminőségét egyre gyakrabban alkalmazzák Európa vegyes forgalmú hálózatán is, ahol az a jobb üzemi viselkedést már többszörösen bebizonyította.
A cikket fordította: Tömő Róbert
voestalpine Hungária Kft.
Felhasznált irodalom
[1] ISO EN13674-1:2011
[2] Dr. Horvát Ferenc: Sínfej hajszálrepedések laboratóriumi vizsgálata, sínfejmegmunkálás gazdaságossági szempontok figyelembevételével 2014
[3] Jörg A.; Stock R.: Wärmebehandelte Schienengüte R400HT – Hochfeste Schienenstähle in Österreich und Schweiz, ZEVrail, Ausg.136 – Sonderausgabe InnoTrans 2012, Seite 72-79.
[4] Girsch G.; Heyder R.: Advanced pearlitic rail steels promice to improve rolling contact fatigue resistance, 7th WCRR, Montreal, Canada, June 2006.
[5] Girsch G.; Heyder R.: Head hardened Rails put to the test; Railway Gazette International, September 2004
[6] Mädler K.; Zoll A.; Heyder R.; Brehmer M.: Schienenwerkstoffe – Alternativen und Grenzen, ZEV Glasers Analen 132 (2008), S. 496-503.
1 A 350HT HSH® anyagminőségű sínek az R260 acélminőséggel szemben már 2 és 4 közötti faktorral jellemezhető kedvezőbb üzemi viselkedést mutatnak.
