Anti head check -kiskoprofiilin vaikutus junakaluston ohjautumiseen

Kokoteksti

(1)Ida Sangi. ANTI HEAD CHECK –KISKOPROFIILIN VAIKUTUS JUNAKALUSTON OHJAUTUMISEEN. Diplomityö Rakennetun ympäristön tiedekunta Tekniikan tohtori Heikki Luomala Väitöskirjatutkija Tiia Loponen 12 2020.

(2) TIIVISTELMÄ Ida Sangi: Anti head check -kiskoprofiilin vaikutus junakaluston ohjautumiseen Diplomityö Tampereen yliopisto Rakennustekniikan DI-tutkinto-ohjelma Joulukuu 2020. Vuonna 2014 kiinnitettiin huomiota Suomen rataverkolta löytyneisiin kaarteiden ulkokiskon vierintäväsymisvaurioihin, niin sanottuihin head check -vaurioihin. Näitä havaittiin erityisesti Helsingin ja Tampereen välisellä rataosuudella. Tämän seurauksena otettiin käyttöön korjaava anti head check- hionta (AHC-hionta), jonka tarkoituksena on hioa muodostuneet head check vauriot pois ja lisäksi estää pyörän ja kiskon välisen kontaktipinnan muodostumista head check herkälle alueelle kiskon kulkupinnalla. Anti head check -hionnasta ei ole kuitenkaan tehty merkittäviä tutkimuksia, miten kyseinen hionta vaikuttaa kaluston kulkuominaisuuksiin radalla. Tässä työssä perehdyttiinkin anti head check hiontaan kyseisestä näkökulmasta simuloinnin avulla. Simulointiin käytettiin VampirePro ohjelmistoa. Simuloinneissa tarkasteltiin SBB:ltä saatua anti head check -profiilia, mutta työssä otettiin huomioon myös kulumisen vaikutus käyttämällä radalta mitattuja todellisia kiskoprofiileja. Tämän seurauksena otettiin huomioon myös se, että anti head check -hiontaa on Suomessa tehty lähinnä korjaavana hiontana, eli radalta mitattu profiili ei ole välttämättä missään vaiheessa vastannut SBB:ltä saatua referenssiprofiilia. Lisäksi tarkasteluja tehtiin myös vertailukohteena ideaalilla 60E2-, 54E1- ja 54E5-profiileilla. Pyöräprofiileina käytettiin ideaalia ja kuluneita S1002-profiileita sekä ideaalia että kuluneita EPS/h32/e28,5/10%-profiileja. Kalustona käytettiin Tampereen teknillisen yliopiston aiemmassa projektissa verifioitua kaksikerroksisen InterCity-vaunun, eli Edvaunun, kalustomallia. Työssä tarkasteltiin ensin ohjautumista vierintäsäde-eron mukaan, joiden perusteella valittiin tarkempiin simulointeihin pyörä-kisko -yhdistelmät. Tarkemmissa simuloinneissa tutkittiin kaluston käyttäytymistä kaarteissa liukuvoimien, Tγ-arvojen sekä poikittaiskiihtyvyyksien näkökulmasta. Erityisesti kiinnitettiin huomiota laippakontakteihin. Näissä tarkasteluissa käytettiin kolmea eri kaarresädettä, joista kustakin valittiin kaksi eri kallistusta. Saatujen tulosten perusteella voidaan sanoa, että ideaalin anti-head check -profiilin vaikutukset ohjautumiseen itsessään ovat pieniä. Kuitenkin havaittiin, että anti head check -profiili saattaa vaikuttaa kiskon kulumisnopeuteen sitä kasvattavasti. Kiskon kulumisen seurauksena ohjautuminen puolestaan heikkenee tulosten puitteissa.. Avainsanat: Vierintäväsyminen, head check, kiskoprofiili, kontaktipinta, liukuvoima, kuluminen. Tämän julkaisun alkuperäisyys on tarkastettu Turnitin OriginalityCheck –ohjelmalla..

(3) ABSTRACT Ida Sangi: The effect of anti head check -railprofile to the guidance of rolling stock Masters thesis Tampere University Master of Science December 2020. In year 2014 a type of rolling contact fatigue, head checks, was discovered on Finnish railwork network. These kind of damges were detected especially on the railway section between Helsinki and Tampere. After these discoveries, the railway section was introduced with so called corrective anti head check grinding, which had the purpose to grind off the head check cracks that had already been formed and prevent the contact between wheel and rail where the rail head is the most prone to head checks. However, how the anti head check grinding affects the guidance of the rolling stock has not been studied very much. In this thesis it was focused, how the anti head check railprofile affects the guidance of the rollinfg stock through simulations. Simulations were made with VampirePro simulation program. For the simulations an anti head check profile received from the SBB was used as well as actual rail profiles that were measured form the rails. In this way it was acknowledged that in Finland the anti head check grinding were done as a corrective measure and the actual measured profiles might not have been equivalent at any point with the ideal anti head check profile from SBB. Also ideal 60E2, 54E1 and 54E5 profiles were studied in comparison to the anti head check profile. For wheels an ideal profile and worn profiles were used for the S1002 and EPS/h32/e28,5/10% wheel profiles. A vehicle model of a two-storey InterCity car, Ed car, which has been been verified in a previous project in Tampere university of technology, were used for the simulations. In this thesis, the guidance was first studied from the perspective of rolling radius difference, from which the wheel-rail combinations were picked for the simulations. In the detailed simulations the guidance in curves were studied based on creep forces, Tγ values and lateral acceleration, paying attention especially to flange contacts. For curves there were three different radii of curvatures, which each had two different cants. According to the results, the ideal anti head check profile does not have to much affect on the guidance of the rolling stock. However, it was concluded that the anti head check profile might increase the wear rate of the wheel and rail. According to the results, rail wear seems to lead to inferior guidance of the rolling stock.. Keywords: Rolling contact fatigue, head check, rail profile, contact area, creep force, wear. The originality of this thesis has been checked using the Turnitin OriginalityCheck service..

(4) ALKUSANAT Tämä diplomityö on tehty osana Tampereen yliopiston ratarakenteiden tutkimusryhmän projektia, jossa tutkitaan sivukulumisen vaikutusta suistumisriskiin. Projektin tilajaana oli oli Väylävirasto. Työn tavoitteena oli selvittää miten anti head check -kiskoprofiili vaikuttaa junakaluston ohjautumiseen radalla ja onko sillä sen myötä vaikutusta kiskon sivukulumiseen. Anti head check -kiskoprofiili otettiin käyttöön niin sanotusti korjaavana hiontana vuonna 2014 Helsingin ja Tampereen välisellä rataosuudella. Työn lopuksi pohdittiin myös mahdollisia jatkotutkimuksen aiheita. Haluan kiittää työn ohjaajia ja tarkastajia Heikki Luomalaa ja Tiia Loposta heidän antamastaan tuesta ja ohjauksesta. Lisäksi haluan kiittää Väyläviraston edustajaa Tuomo Viitalaa tarjoamastaan tiedosta, joka mahdollisti tämän diplomityön tekemisen.. Tampereella, 17.12.2020.

(5) SISÄLLYSLUETTELO 1.. JOHDANTO .......................................................................................................... 1. 2.. RATA .................................................................................................................... 2. 3.. 4.. 5.. 6.. 7.. 8.. 2.1. Radan rakenne ........................................................................................... 2. 2.2. Kiskot ......................................................................................................... 3. 2.3. 2.2.1 Valmistus ja materiaalit ................................................................. 3 2.2.2 Kiskoprofiilit................................................................................... 6 Radan geometria ........................................................................................ 8. KALUSTO ........................................................................................................... 11 3.1. Teli ........................................................................................................... 11. 3.2. Pyörät ....................................................................................................... 13. KALUSTON JA RADAN VUOROVAIKUTUS ...................................................... 17 4.1. Ohjautuminen ja kartiokkuus..................................................................... 18. 4.2. 4.1.1 Klingelin liike ............................................................................... 18 4.1.2 Ekvivalenttinen kartiokkuus ......................................................... 19 Kontaktit ................................................................................................... 20. 4.3. Pyörän ja kiskon väliset voimat ja kuormat ............................................... 23. 4.4. Osittaisluisto ja liukuvoimat ....................................................................... 26. KISKON VAURIOITUMISMEKANISMIT .............................................................. 28 5.1. Kuluminen ................................................................................................ 28. 5.2. Metallin väsyminen ................................................................................... 29. 5.3. Vierintäväsyminen .................................................................................... 30. 5.4. 5.3.1 Head check ................................................................................. 33 5.3.2 Head check –vaurioiden minimointi anti head check –kiskoprofiilin avulla 34 5.3.3 Muut vierintäväsymisen tyypit ..................................................... 36 Kulumisen ja vierintäväsymisen keskinäinen vaikutus .............................. 37. SIMULOINTIEN LÄHTÖAINEISTO ..................................................................... 38 6.1. Käytetyt pyörä- ja kiskoprofiilit .................................................................. 38. 6.2. Geometriaparametrit ................................................................................. 42. 6.3. Simulointitiedostojen luominen ................................................................. 43. VIERINTÄSÄDE-EROT JA EKVIVALENTTINEN KARTIOKKUUS ...................... 47 7.1. Ideaalikiskot.............................................................................................. 47. 7.2. Kuluneet kiskot ......................................................................................... 52. 7.3. Simulointeihin valitut yhdistelmät .............................................................. 55. SIMULOINTIEN TULOKSET ............................................................................... 57 8.1. Liukuvoimat .............................................................................................. 57 8.1.1 8.1.2. Ideaalikiskot ................................................................................ 58 Kuluneet kiskot ........................................................................... 61.

(6) 9.. 8.2. Tγ-arvot .................................................................................................... 69. 8.3. 8.2.1 Ideaalikiskot ................................................................................ 70 8.2.2 Kuluneet kiskot ........................................................................... 72 Poikittaiskiihtyvyydet ................................................................................. 77. 8.4. Havainnot ................................................................................................. 82. PÄÄTELMÄT ...................................................................................................... 87. LÄHTEET ................................................................................................................... 89.

(7) TERMIT JA NIIDEN MÄÄRITELMÄT AHC-profiili. Anti head check -kiskoprofiili. Dynaaminen kuorma. Esimerkiksi. radan. epäjatkuvuuskohdista. kaluston. kiskoon kohdistamat kuormitukset Ekvivalenttinen kartiokkuus. Laskennallinen arvo pyöräkerran ohjautumiselle, joka perustuu kiskojen ja pyörien todellisiin mittoihin ja vuorovaikutukseen. Head check. Vierintäväsymistyyppi,. jota. esiintyy. kiskon. kulkupinnalla Kaksoispistekontakti. Pyörän. ja. kiskon. välisessä. vuorovaikutuksessa. tapahtuva ilmiö, jolloin kappaleiden väliin muodostuu kaksi erillistä kontaktialaa Kallistuksen vajaus. Poikkeama radan tasapainokallistuksesta suhteessa liikennöintinopeuteen. Klingelin liike. Kaluston. muodostama. sinimuotoinen. aaltoliike. kiskojen välissä liikkuessa Kontaktiala. Pyörän ja kiskon välisessä kontaktissa muodostuva elliptinen alue. Kvasistaattinen kuorma. Esimerkiksi kaluston painosta tai raidegeometrian vaikutuksesta kiskoon kohdistuva kuormitus. Laippakontakti. Laipan ottama kontakti kiskon sisäsyrjään. Liukuvoima. Kappaleiden välisessä luistossa tai osittaisluistossa muodostuva voima. Osittaisluisto. Kappaleiden. välisessä. kontaktissa. tapahtuvaa. osittaista luistoa tartuntapinnnan ohessa Plastinen muodonmuutos. Materiaalissa. tapahtunut. myötörajan. ylityksestä. johtuva muodonmuutos Sivukuluminen. Kiskon kuluminen sisäsyrjältä. Tγ. Kulumisen energiayhtälö. Vierintäsäde-ero. Pyöräkerran pyörien vierintäsäteiden välinen erotus. Vierintäväsyminen. Metallissa toistuvasta kuormituksesta johtuva plastinen muodonmuutos.

(8) 1. 1. JOHDANTO Helsinki-Tampere välisellä rataosalla havaittiin kiskoissa ensimmäisen kerran säröilyä 2000-luvulla (Viitala 2020). Nämä säröt olivat niin sanottuja head check –vaurioita, joka on eräs teräksen vierintäväsymisen tyyppi. Tämän jälkeen kyseisiä vaurioita havaittiin monilla. muillakin. rataosilla. Vierintäväsymisongelmaa. ja. lähdettiin. -osuuksilla ratkaisemaan. Suomessa muun. (Viitala. muassa. 2020). korjaavan. kiskohionnan kautta, jonka yhteydessä Helsingin ja Tampereen väliselle rataosuudelle otettiin käyttöön niin sanottu anti head check –hionta kaarteiden ulkokiskoihin, jota on käytössä muun muassa useissa Euroopan maissa. Tämän hionnan perimmäinen tarkoitus on vähentää kontaktia head check –herkällä alueella kiskon kulkupinnalla ja tätä kautta estää vierintäväsymisen muodostumista. Anti head check –hionnan käyttöönoton jälkeen kyseisellä rataosuudella huomattiin kuitenkin ongelmia junakaluston kulkuominaisuuksien suhteen. Tästä heräsi kysymys, että ovatko nämä ongelmat yhteydessä anti head check –hiontaan. Tämän työn tarkoituksena on tarkastella erilaisia kiskoprofiileja Riihimäki-Tampere –rataosuudelta sekä ideaaliprofiileja ja näiden avulla pyritään laskennallisesti tutkimaan, onko anti head check –profiililla merkittävää vaikutusta kaluston kulkuominaisuuksiin. Työhön kuuluu kirjallisuusselvitys, jossa kerrotaan radan ja kaluston pääpiirteet, pyörän ja kiskon välinen vuorovaikutus sekä kiskon vaurioitumismekanismit. Lisäksi työhön kuuluu laskentaosio, jossa on case-esimerkkinä Riihimäki-Tampere –rataosuus. Työssä tehtävät laskennat suoritetaan Vampire-simulointiohjelmiston avulla. Tulosten tarkastelussa ekvivalenttiseen. keskitytään. pääsääntöisesti. kartiokkuuteen. sekä. pyöräkerran. pyörä-kisko. vierintäsäde-eroon,. –kontaktissa. muodostuviin. liukuvoimiin. Tarkasteluissa pyritään selvittämään, onko anti head check –hionnalla vaikutusta kaluston ohjautumiseen..

(9) 2. 2. RATA Suomen ensimmäinen rautatie avattiin liikenteelle Helsingin ja Hämeenlinnan välille vuonna 1862 ja tämän rataosuuden pituus oli 107 km. Rataverkko kasvoi kuitenkin ripeään tahtiin ja 1800-luvun loppuun mennessä ratakilometrejä oli kertynyt jo 2321 km. Tämä oli jo lähes 40% nykyisen rataverkon pituudesta. Vuonna 2016 Liikenneviraston rautatietilastojen mukaan Suomen rataverkon ratapituus oli 5926 km. Vuosien varrella rataosuuksia on poistettu käytöstä, minkä vuoksi ratapituus on välillä myös pienentynyt. Suurimmillaan ratapituus on ollut vuonna 1980, jolloin ratakilometrejä oli 6075. (Liikennevirasto 2017) Pääraide voidaan luokitella karkeasti neljään eri luokkaan kiskoprofiilin ja tukikerroksen perusteella, jotka ovat esitettynä taulukossa 1. (Liikennevirasto 2017) Taulukko 1. Suomen pääraiteiden rataluokitus (Liikennevirasto 2017). Rataluokka. Kiskoprofiili. Tukikerros. A. K30. sora. 525. B. K43, 54E1, 60E1. sora, sepeli. 782. C. 54E1, 60E1. sepeli. 1918. D. 54E1, 60E1. sepeli. 3475. 2.1. Raidekilometrit. Radan rakenne. Radan rakenteesta puhuttaessa kiskojen ja ratapölkkyjen lisäksi maallikollekin tuttu termi voi olla ratapenger. Ratapenger on kuitenkin itsessään suhteellisen laaja käsite, sillä siihen sisältyy useita rakenteellisia seikkoja. Se koostuu useista eri rakennekerroksista, jotka voidaan karkeasti jakaa päällys- ja alusrakenteeseen, jotka ovat esitettynä kuvassa 2.1. (Liikennevirasto 2018) Ratapenger voidaan perustaa suoraan pohjamaalle tai vaihtoehtoisesti siten, että varsinaisten rakennekerroksien ja pohjamaan väliin rakennetaan pengertäyte (Liikennevirasto 2010). Alusrakenne ei ole ns. vakio, vaan sen rakenneosat voivat vaihdella kohteesta riippuen. Sen rakenteeseen voi vaikuttaa esim. pohjamaan laatu. Yleisesti alusrakenteisiin kuuluvat väli- ja eristyskerros, mutta tarvittaessa voidaan näiden väliin asentaa routalevy. Tämän tehtävänä on toimia lämmöneristeenä ja näin ollen vähentää routimista alemmissa rakennekerroksissa ja pohjamaassa. Lisäksi eristyskerroksen ja pohjamaan.

(10) 3. väliin voidaan asentaa myös suodatinkerros, jonka tehtävänä on estää eristyskerroksen ja pohjamaan maa-aineksen sekoittumista keskenään. (Liikennevirasto 2018). Kuva 2.1. Radan rakenne ja nimitykset (Liikennevirasto 2018). Päällysrakenteisiin kuuluvat tukikerros ja raide. Raiteeseen katsotaan kuuluvaksi ratakiskot ja –pölkyt, kiskojen kiinnitys- ja jatkososat. Myös vaihteet kuuluvat raiteisiin. (Liikennevirasto 2018) Radan alus- ja pohjarakenteet luokitellaan geoteknisen suunnittelun puitteissa vaativiksi (GL2) tai hyvin vaativiksi (GL3). Käytettävään luokitukseen vaikuttaa mm. pohjamaan laatu. (Liikennevirasto 2018). 2.2. Kiskot. Suomen 5926 km rataverkosta raidepituus on 8520 km, joista n. 6700 km sijoittuu Suomen pääraiteille (Liikennevirasto 2017). Loput ratapituudesta ovat esimerkiksi sivuraiteita. Kiskoilla on useita tärkeitä tehtäviä rataympäristössä ja ne voidaankin ajatella ratarakenteiden tärkeimmäksi osaksi. (Esveld 2001) Kiskojen tarkoitus on taata kalustolle tasainen kulkualusta ja ohjata kaluston kulkua radalla. Lisäksi kiskot jakavat kalustosta pyörien kautta kohdistuvat kuormat ratapölkyille ja siitä edelleen radan rakennekerroksille (Esveld 2001).. 2.2.1 Valmistus ja materiaalit Rautatiekiskot valmistetaan hiiliteräksistä, joilla on perliittinen rakenne. Yleisesti käytetään yhdeksää eri terästyyppiä. Nämä teräslaadut ja niiden kemialliset.

(11) 4. koostumukset ovat esitettynä taulukossa 2. (European Committee for Standardization 2000).. Kiskoteräkset. eroavat. rakenneteräksistä. muun. muassa. korkeamman. hiilipitoisuuden perusteella (Viiitala 2020). Kiskoteräksiin valmistukseen on lisätty eri seosaineita parantamaan teräksen ominaisuuksia mm. sitkeyden tai kovuuden osalta. (European Committee for Standardization 2000) Taulukko 2. Kiskoissa käytetyt teräslaadut ja tiedot niiden kemiallisista koostumuksista kiinteässä olomuodossa (European Committee for Standardization 2017). Teräslaatu. Osuus massasta. Osuus massasta. (%). (10-4 %). C R200 R220 R260 R260Mn R320Cr R350HT R350LHT R370CrHT R400HT. Si. Mn. 0,38 0,13 0,65 0,62 0,60 1,25 0,48 0,18 0,95 0,62 0,62 1,30 0,60 0,13 0,65 0,82 0,60 1,25 0,53 0,13 1,25 0,75 0,62 1,75 0,58 0,48 0,75 0,82 1,12 1,25 0,70 0,13 0,65 0,82 0,60 1,25 0,70 0,13 0,65 0,82 0,60 1,25 0,68 0,38 0,65 0,84 1,02 1,15 0,88 0,18 0,95 1,07 0,62 1,35. P. S. max. max.. Al. Cr. V. N. O. max. max. max.. H. 0,040 0,040 ≤ 0,15 0,004 0,030 0,010. 20. 3,0. 0,030 0,030 ≤ 0,15 0,004 0,030 0,010. 20. 3,0. 0,030 0,030 ≤ 0,15 0,004 0,030 0,010. 20. 2,5. 0,030 0,030 ≤ 0,15 0,004 0,030 0,010. 20. 2,5. 0,20 0,010. 20. 2,5. 0,025 0,030 ≤ 0,15 0,004 0,030 0,010. 20. 2,5. 0,025 0,030 ≤ 0,30 0,004 0,030 0,010. 20. 2,5. 0,004 0,030 0,010. 20. 1,5. 0,025 0,025 ≤ 0,30 0,004 0,030 0,010. 20. 1,5. 0,025 0,030. 0,025 0,025. 0,75 1,25. 0,35 0,65. 0,004. Terästen nimeäminen määritellään standardissa SFS-EN 10027-1:2016. Nimeämisessä huomioidaan teräksen käyttötarkoitus ja tietyt mekaaniset ominaisuudet. Lisäksi lisätunnuksilla voidaan kertoa mm. teräksen sisältämät seosaineet ja sen mahdollinen käsittelytapa. Esimerkiksi R370CrHT-teräksessä etukirjain R viittaa siihen, että kyseessä on. ratakiskoteräs.. Luku. 370. kertoo. rakenneteräksistä. poiketen. teräksen. vähimmäiskovuuden Brinell-kovuuden mitta-asteikolla, jonka yksikkö on HBW. Crmerkintä nimessä puolestaan kertoo sen, että teräs on kromiseostettu ja HT sen, että teräs on lämpökäsitelty (heat treated). Yhdestä ratakiskoissa käytetystä teräslaadusta.

(12) 5. löytyy myös LHT-pääte (R350LHT), joka tarkoittaa, että teräs on niukkaseosteinen ja lämpökäsitelty. (European Committee for Standardization 2016) Kiskoterästen merkittävämpiä ominaisuuksia on kovuus, joka vaihtelee SFS-EN 136741:2011 + A1:2017:en -standardin mukaan noin 200 HBW ja 400 HBW välillä (European Committe e for Standardization 2017). Kovuus vaikuttaa mm. kiskon kulumiseen, eli kiskon kulumista voidaan vähentää kovuutta lisäämällä (Jin et al. 2011). Kovuuden lisäksi kiskoteräksen lujuusominaisuuksille on asetettu raja-arvoja mm. murtositkeyden, vetolujuuden ja venymän osalta. Raja-arvot ovat kunkin teräslaadun osalta nähtävissä taulukossa 3Taulukko 3 (European Committee for Standardization 2017). Taulukko 3. Ratakiskoterästen mekaanisia ominaisuuksia (European Committee for Standardization 2017). Murtositkeyden vähimmäisarvo Teräslaatu KIc (MPa∙m1/2). Kovuuden vaihteluväli (HBW). R200. 30. R220. 30. R260. 26. R260Mn. 26. R320Cr. 24. R350HT. 30. R350LHT. 26. R370CrHT. 26. R400HT. 26. 200 240 220 260 260 300 260 300 320 360 350 390 350 390 370 410 400 440. Vetolujuuden vähimmäisarvo Rm (MPa). Venymän vähimmäisarvo A (%) 680. 14. 770. 12. 880. 10. 880. 10. 1080. 9. 1175. 9. 1175. 9. 1280. 9. 1280. 8.

(13) 6. 2.2.2 Kiskoprofiilit Nykymuotoiset kiskoprofiilit ovat leveäjalkaisia kiskoprofiileja (Ratahallintokeskus 2002), joka on esitettynä kuvassa 2.2. Tyypillinen kiskoprofiili voidaan jakaa kolmeen osaan: hamaraan, varteen ja jalkaan.. Hamara. Varsi. Jalka. Kuva 2.2. Vignole-kiskoprofiili (European Committee for Standardization 2017). Suomen rataverkolla on käytössä neljää erityyppistä kiskoprofiilia: 60E1, 54E1, K43 ja K30. Taulukosta ei kuitenkaan pystytä suoraan päättelemään kunkin kiskoprofiilin raidepituutta Suomen rataverkossa. Tarkemmat kiskotuksen osuudet ovat esitettynä taulukossa 4 ja kuvassa 2.3. Taulukko 4. Suomen pääraiteiden kiskotus vuonna 2016 taulukoituna (Liikennevirasto 2017). Kiskoprofiili. Raidekilometrit. Osuus prosentteina. 60E1. 3485. 52. 54E1. 2235. 33. K43. 456. 7. K30. 525. 8. 6701. 100. Yhteensä. Kiskoprofiilit nimetään yleisesti niiden metripainon mukaan. Esimerkiksi 60 E1 -profiilin metripaino on 60,21 kg/m eli pyöristettynä 60 kg/m (European Committee for Standardization 2017). Kirjain E puolestaan viittaa siihen, että profiili on eurooppalaisen standardointijärjestön (CEN) mukainen ja lopussa oleva numeroliite kertoo, mikä profiilin versio on kyseessä. K30- ja K43-profiilit ovat vanhoja Suomessa käytettyjä profiileja ja.

(14) 7. niiden numerot niin ikään viittaavat kiskon metripainoon, mutta ne eivät ole CEN:n standardoimia. (Ratahallintokeskus 2002). K43 7%. K30 8%. 60 E1 52 % 54 E1 33 %. Kuva 2.3. Suomen pääraiteiden kiskoprofiilien osuudet vuodelta 2016. Kuten kuvasta 2.3 voidaan nähdä, 54E1- ja 60E1-profiilit käsittävät 85% Suomen rataverkosta. Käytännössä 54E1-profiilin määrä on kuitenkin laskussa, sillä uudet asennettavat kiskot ovat 60E1-kiskoja (Kauppinen 2011). Nämä tilastot käsittävät kuitenkin vain asennetut kiskot. Radan kunnossapidolta saatujen aineistojen mukaan rataverkolta löytyy todellisuudessa myös muita hionnan ja kulumisen myötä saatuja profiileja, jolloin kiskot on hiottu muotoonsa asennuksen jälkeen tai muun kiskohionnan yhteydessä. Suomessa esimerkiksi kiskot saatetaan hioa vastaamaan standardin mukaista 60E2-profiilia tai niin sanotuksi AHC-, eli anti head check -, profiiliksi. Kuvassa 2.4 ovat esitettyinä 60E1- ja 60E2-profiilit. a). b). Kuva 2.4. Standardin mukaiset a) 60E1 ja b) 60E2 -profiilit (European Committee for Standardization 2017)..

(15) 8 a). b). Kuva 2.5. Standardin mukaiset a) 54E1- ja b) 54E5-profiilit (European Committee for Standardization 2017). Taulukossa 5 on esitettynä standardoitujen profiilien mittoja ja niiden keskeisiä eroja. Määrittävät mitat A ja B viittaavat kiskon kulkupinnan ominaisiin vaakasuuntaisiin mittoihin, joilla vaikuttaa tietty kaarresäde (kuva 2.5). Näissä mitoissa ilmeneekin suurimmat erovaisuudet kummankin metripainon kiskoilla. 54E1 kiskolla ero A-mitalla on jopa yli kolminkertainen suhteessa 54E5 kiskoon. Taulukko 5. Standardoitujen profiilien tärkeimmät ominaisuudet vertailtuna (European Committee for Standardization 2017). Poikkileikkaus (cm2) Metripaino (kg/m) Määrittävät mitat (mm) A B. 2.3. 54E1 69,77 54,77. 54E5 69,32 54,42. 60E1 79,70 60,21. 60E2 76,48 60,03. 20,024 49,727. 5,91 51,97. 20,456 52,053. 23,776 48,913. Radan geometria. Radan geometria on yksi rautatietekniikan tärkeitä osa-alueita. Geometria koostuu useista eri parametreista ja huonosti suunniteltuna geometrialla voi olla negatiivinen vaikutus kaluston kulkuominaisuuksiin ja turvallisuuteen. Turvallisuuden kannalta tärkeimmät suunnitteluparametrit ovat (Liikennevirasto 2010): • • • • • •. kaarresäde, R [m] raiteen kallistus, D [mm] kallistuksen vajaus, I [mm] kallistuksen muutos pituusyksikköä kohti, dD/dt [mm/m] kallistusviisteen pituus, LD [m] nopeus, V [km/h].

(16) 9. Tämän työn puitteissa kaarresäde, kaluston kulkunopeus, sekä raiteen kallistus ja kallistuksen vajaus ovat merkittävissä rooleissa. Suomessa käytetään raideleveytenä 1524 mm. Raideleveydellä tarkoitetaan kiskojen sisäpintojen etäisyyttä toisistaan, jonka mittauskohta on uusilla kiskoilla 14 mm kiskon yläpinnan alapuolella. Raideleveyden nimellisarvo voi kuitenkin poiketa tästä arvosta mm. jyrkissä kaarteissa ja vaihteissa. (Liikennevirasto 2010). Kuva 2.6. Kallistetun raiteen poikkileikkaus ja nimellismitat (Liikennevirasto 2010). Raidegeometrian suunnittelu perustuu ns. kallistuksen vajaukseen. Kallistuksen vajauksella tarkoitetaan radan todellisen kallistuksen ja tasapainokallistuksen erotusta. Tasapainokallistus puolestaan tarkoittaa sitä radan kallistusta, jolloin kalustoon ei kohdistu poikittaiskiihtyvyyksiä tietyllä nopeudella. Eli myös kallistuksen vajaus on suhteellinen junan nopeuteen nähden. (Liikennevirasto 2010) Henkilöliikenteelle kallistuksen vajauksen maksimiarvo saa olla 130 mm C2- ja Dpäällysrakenneluokan raiteilla, kun liikennöintinopeus on yli 120 km/h. Muissa tapauksissa maksimiarvot ovat 105 mm sepeliraiteilla ja 73 mm soraraiteella. (Liikennevirasto 2010).

(17) 10. Kallistuksen vajaus lasketaan kaavan (1) mukaisesti (Liikennevirasto 2010).. 𝐼=. 12,5𝑉 2 −𝐷 𝑅. (1). Tämän työn kannalta kallistuksen vajaus on oleellinen seikka simuloinneissa ja laskelmat suoritetaan vähintään kahdelle eri kallistukselle kaarresädettä kohden..

(18) 11. 3. KALUSTO Radalla liikkuva kalusto voidaan jakaa veto- ja vaunukalustoon. Vetokalustolla tarkoitetaan vetureita, jonka tehtävä radalla on vetää, ja määrittävästä kategoriastaan huolimatta myös työntää, muuta kalustoa. Tässä työssä keskitytään kuitenkin tarkemmin vaunukalustoon, joka edelleen voidaan jakaa henkilö- ja tavaraliikenteiden kalustoihin. Tässä. työssä. käyttäytymiseen. keskitytään. enemmän. rataolosuhteissa.. henkilöliikenteen. Simuloinneissa. vaunuihin. käytetään. Anne. ja. niiden. Pesosen. diplomityössään (Tampereen teknillinen yliopisto 2015) Vampire Pro -ohjelmistolla rakentamaa monikappaledynamiikkaan perustuvaa kaksikerroksisen InterCity-vaunun, Ed-vaunun, verifioitua mallia. Ed-vaunun verifioinnista on erillinen tutkimusraportti, Monikappaledynaamikaan perustuvien kalustomallien verifiointi (Loponen, Salmenperä, Sangi, Nurmikolu 2020), joka on julkaistu Väylän julkaisuja ja tutkimuksia sarjassa.. 3.1. Teli. Teli on liikkuva mekanismi, jonka tarkoitus on mm. siirtää kaluston aiheuttamat kuormat pyörien kautta kiskoille ja taata kaluston turvallinen kulku kiskoilla (Orlova & Boronenko 2006). Yleisesti telejä on kaksi kappaletta vaunua kohti ja ne ovat sijoitettu vaunun tai veturin päihin. Teli rakentuu useista eri komponenteista ja niiden ominaisuudet riippuvat pitkälti käyttötarkoituksesta. Esimerkiksi henkilöliikenne asettaa kalustolle erilaiset vaatimukset kuin tavaraliikenne. Henkilöliikenteessä merkittävä tekijä on matkustusmukavuus, kun puolestaan tavaraliikenteessä, jossa kuormat ovat huomattavasti suurempia, tulee kiinnittää huomiota kuormien jakautumiseen kalustolta kiskoille. Yleisesti teli rakentuu telin rungosta, pyöräkerrasta, akselilaakereista, jousista ja jäykkyyselementeistä, vaimentimista ja erilaisista laakereista ja liikkeenrajoittimista. Jouset, jäykkyyselementit, vaimentimet ja muut sidostavat komponentit muodostavat jousituksen. (Orlova & Boronenko 2006) Jousitukset voidaan luokitella primääri- ja sekundäärijousituksiin. Primäärijousitus yhdistää pyöräkerrat telirunkoon kuvan 3.1 mukaisesti. Tässä kuvassa voidaan nähdä pysty- ja poikittaissuuntaiset jousituksen komponentit, joita esittävät yksinkertaistettuna jäykkyyselementit ja vaimentimet..

(19) 12. Kuva 3.1. Yksinkertainen havainnekuva telistä ja sen primäärijousituksesta rataolosuhteissa (Lundén & Paulsson 2009). Kuvassa 3.2 on esitettynä puolestaan havainnekuva junan vaunusta ylhäältä päin katsottuna, jossa vaunun menosuunta on oikealle. Tässä nähdään etummaisen (L, leading) ja taaemman (T, trailing) telin poikittais- ja radansuuntaiset komponentit. Lisäksi kuvassa on havainnollistettuna sekundäärijousitus, eli jousitus, joka yhdistää telinrungon vaunuun. Kuvassa numerot viittaavat pyöräkertojen järjestysnumeroihin. Pienet kirjaimet ki j viittaa jousitusten jäykkyyselementteihin ja ci j puolestaan vaimennuselementteihin.. Kuva 3.2. Havainnekuva vaunusta ja telirakenteista ylhäältä päin katsottuna (Mousavi Bideleh & Berbyuk 2016). Tämän työn simuloinneissa käytetään Ed-matkustajavaunua, jossa on ilmajousitettu TB201 teli (Transtech Oy 2014). Kuvassa 3.3 on esitettynä telin Vampire Pro – ohjelmistolla mallinnettu ja verifioitu versio..

(20) 13. Kuva 3.3. Vampire Pro –simulointiohjelmistolla koottu Ed-vaunun TB201-teli.. 3.2. Pyörät. Ratakiskoilla liikkuvan kaluston pyörät eroavat stereotyyppisestä pyörän ajatusmallista. Merkittävin eroavaisuus on nk. laippa. Laipan tehtävänä on mm. estää kaluston liiallinen sivuttaissiirtyminen radalla ja täten estää myös pyörän suistumasta kiskolta. Kuvassa 3.4 on esitettynä yleiskuva perinteisestä pyöräprofiilista. Kuvassa on mainittuna yleisiä pyöriin liittyviä termejä. Lisäksi kuvassa on esitettynä pyörästä otettavat nimellismitat, joista D on pyörän säde, BR pyörän leveys, Sd laipan leveys, Sh laipan korkeus ja qR on laipan jyrkkyys. (Liikennevirasto 2012) Taulukossa 6 on esitettynä pyörän nimellismittoja ja niiden raja-arvoja. Taulukko 6. Pyörien mitat suomessa (Liikennevirasto 2012). Nimike Kehän leveys (BR + reunapurse) Laipan paksuus (SD) Laipan korkeus (SH) Laipan jyrkkyys (qR). Pyörän halkaisija D [mm]. Nimellismitta [mm] 135 ± 1. Alaraja [mm] 134. Yläraja [mm] 136. ≥ 840 840 > D ≥ 760 760 > D ≥ 400 ≥ 760 760 > D ≥ 630 630 > D ≥ 400. 140 ± 1 32,5 32,5 32,5 28 30 32. 139 22 25 27,5 27,5 29,5 31,5. 141 33 33 33 36 36 36. ≥ 400. -. 6,5. -. ≥ 400.

(21) 14. Kuvassa 3.4 on esitettynä numeroarvoja, jotka määrittävät tiettyjen nimellismittojen mittauskohdat. Kuvasta nähdään, että pyörän säde (D) mitataan 70 mm pyörän sisäpinnasta, eli laipan ulkopuolelta. Laipan jyrkkyys (qR) määritetään 2 mm laipan korkeimman kohdan alapuolelta sekä 10 mm laipan säteen määrityskohdan yläpuolelta.. Kuva 3.4. Yleiskuva pyöräprofiilista, siihen liittyviä termejä ja siitä määritettävät nimellismitat (Liikennevirasto 2012). Junakaluston pyörät ovat yleisesti toisiinsa akselin kautta kiinnitettyjä muodostaen oman yksikön, pyöräkerran. Useimmiten akseli on täysin kiinteä, eli yhden pyörän ei ole mahdollista pyöriä ilman, että toinenkin pyörii. Kuvassa 3.5 on esitettynä perinteinen pyöräkerta nimellismittoineen, jossa AR on laipan sisäpintojen etäisyys ja SR laipan ulkopintojen etäisyys.. Kuva 3.5. Pyöräkerta nimellismittoineen (Liikennevirasto 2012). Pyörät ja niiden akselit voidaan katsoa liikkuvan kaluston tärkeimmäksi komponentiksi. Tämä perustuu siihen, että vikatapauksissa tai nimellismittojen virhemarginaalin.

(22) 15. ylittyessä seurauksena voi olla kaluston suistuminen kiskoilta. (Orlova & Boronenko 2006) Pyöriä on käytössä rakenteeltaan erimuotoisia (kuva 3.6). Yleisesti pyörä on kuitenkin enemmän kartion kuin lieriön muotoinen, mikäli laippaa ei huomioida. Tälläinen kartion muotoinen pyörä takaa kalustolle niin sanotusti paremman ohjautuvuuden, jota käsitellään myöhemmissä luvuissa. Tätä voidaan kutsua myös pyörän kartiokkuudeksi.. Kuva 3.6. Erimuotoisia pyöriä (Orlova & Boronenko 2006) Suomessa käytetään eurooppalaisen standardin mukaisia pyöräprofiileja, mm. S1002ja EPS-pyöräprofiileja. EPS-pyöräprofiilista voidaan tehdä useampiakin variaatioita, mutta esimerkkinä voidaan sanoa EPS/h28/e32,5/10%, jossa h32, tarkoittaa laipan korkeutta, e28,5 laipan paksuutta ja 10% kaltevuutta (ks. kuva 3.4) (European Committee for Standardization 2010). Yleisesti standardoiduissa profiileissa laipan paksuus vaihtelee 28,5 mm ja 32,5 mm välillä. Kuvassa 3.7 on esitettynä standardin mukainen pyöräprofiili nimellismittoineen.. Kuva 3.7. Eurooppalaisessa standardissa määritetty pyöräprofiili. Tähdellä merkityt parametrit viittaavat tiettyihin profiileihin. (European Committee for Standardization 2010).

(23) 16. Pyörän kartiokkuudessa olennaista on pyörän kulkupinta. Kuvaa 3.7 tarkasteltaessa kulkupinnan voidaan sanoa olevan karkeasti pisteiden C1* ja B1* välillä oleva alue. Pyörän kulumisen myötä kulkupinnan kartiokkuus pienenee. Merkittävän kulumisen myötä kulkupinta voi muuttua jopa koveraksi, jolloin pyörään muodostuu niin sanottu valelaippa..

(24) 17. 4. KALUSTON JA RADAN VUOROVAIKUTUS Kiskon ja kaluston välinen vuorovaikutus on yllättävän monimutkainen käsite ja vaikuttavia tekijöitä on monia. Junavaunun, telin ja pyöräkertojan välillä on jousivoimia, vaimentimia,. vääntömomentteja. ja. niin. edelleen.. Myös. raidegeometrialla,. ratarakenteiden ominaisuuksilla ja junan kulkunopeudella on osansa. Tässä työssä kuitenkin keskitytään pääasiassa pyörän ja kiskon välisiin kontakteihin, joilla on merkittävä rooli kaluston kulkuominaisuuksien suhteen. Kuvassa 4.1 on esitettynä pyöräkisko –kontaktiin liittyvää termistöä.. Kuva 4.1. Pyörä-kisko –kontaktiin liittyvää termistöä (Lundén & Paulsson 2009). Pyöräkerralla voidaan ajatusmallista riippuen katsoa olevan kaksi tai kolme vapausastetta rataolosuhteissa. Esimerkiksi Handbook of Railway Vehicle Dynamics teoksessa viitataan kahteen vapausasteeseen, sivuttaissiirtymään y ja pyöräkerran kiertymiseen pystyakselin ympäri (yaw) (Iwnicki, Simon 2006; Ayasse & Chollet 2006). Dollevoet esittelee kuitenkin väitöskirjassaan kolmannen vapausasteen, joka on riippuvainen sivuttaissiirtymästä ja yaw-kulmasta. Täksi kolmanneksi vapausasteeksi hän luokittelee pyöräkerran laipan kiipeämisessä muodostuvan nousukulman. Tässä pyöräkerta kiertyy radansuuntaisen akselin ympäri. Tämä voidaan siis tietyllä tapaa.

(25) 18. katsoa pystysuuntaiseksi liikkeeksi. On kuitenkin huomioitava, että tämä ilmiö ei ole turvallinen rataolosuhteissa liikennöitäessä. (Dollevoet 2010). 4.1. Ohjautuminen ja kartiokkuus. Kaluston ohjautuminen kiskoilla perustuu pyörien kartiomaiseen muotoon ja kiskojen kulkupinnan. kaarevaan. muotoon.. sivuttaissuunnassa jonkin. Kiskojen. verran tilaa,. ja. pyörän. jota kutsutaan. laippojen. välille. raidevälykseksi.. jää. Tämä. mahdollistaa pyöräkerran sivuttaissiirtymän, eli poikittaissuuntaisen liikkeen kiskoilla. Kartiokkuuden ja sivuttaissiirtymän vuoksi pyörien vierintäsäde muuttuu. Vierintäsäteellä tarkoitetaan sitä pyörän sädettä, joka on suhteutettu pyörän ja kiskon väliseen kontaktikohtaan. Eli kun pyörä liikkuu poikittaissuunnassa, kontaktikohdan asema muuttuu, jolloin vierintäsädekin muuttuu. Pyöräkertojen yhteydessä puhutaan monesti vierintäsäde-erosta, joka on pyöräkertayksikön pyörien välinen erotus. Näiden tekijöiden seurauksena pyöräkerta pyrkii hakeutumaan keskiasemaansa edetessään kiskoilla.. 4.1.1 Klingelin liike Raidevälyksen puitteissa pyöräkerta pääsee siis liikkumaan sivuttaissuunnassa kiskojen välissä.. Koska pyöräkerta kuitenkin. pyrkii kartiokkuuden perusteella. takaisin. keskiasemaansa, pyöräkerran eteneminen muuttuu sinimuotoiseksi aaltoliikkeeksi. Tätä kutsutaan Klingelin liikkeeksi. Klingelin liikkeen aallonpituus voidaan määrittää kaavan 2 mukaisesti (Esveld 2001) 𝐿 = 2𝜋√. 𝑟𝑠 2𝜆. (2). jossa L. on Klingelin liikkeen aallonpituus. r. on vierintäsäde. s. on raideleveys. λ. on pyörän kartiokkuus. Pyöräkerran sinimuotoisen liikkeen taajuus saadaan puolestaan kaavan (3) (Esveld 2001) 𝑓=. 𝑣 𝐿. (3).

(26) 19. jossa f. on Klingelin liikkeen taajuus. v. on junan kulkunopeus. Klingelin. liike. on. kuitenkin. yksinkertaistettu. malli. kaluston. kulusta. kiskoilla.. Todellisuudessa pyöräkerran sivuttaissiirtymän amplitudi on sidoksissa myös kaluston kulkunopeuteen, dynaamiseen käyttäytymiseen sekä asemointiin kiskojen suhteen. Käytännössä nopeuden kasvaessa ja luiston vaikutuksesta sivuttaissiirtymän on mahdollista kasvaa arvoon, joka on puolet raidevälyksestä. Tällöin muodostuu laippakontakti, eli pyörän laipan ja kiskon välille syntyy kontaktipiste. Tämän seurauksena kaluston kulku voi muuttua tasaisen aaltoliikkeen sijaan siksakmuotoiseksi liikkeeksi, jolloin kulusta tulee epästabiilia. Tätä kutsutaan hunting-liikkeeksi. (Esveld 2001). 4.1.2 Ekvivalenttinen kartiokkuus Ekvivalenttinen, tai tehollinen, kartiokkuus on laskennallinen arvo pyöräkerran ohjautumiselle,. joka. perustuu. kiskojen. ja. pyörien. todellisiin. mittoihin. ja. vuorovaikutukseen. Vierintäsäde-erolla. tarkoitetaan. pyöräkerran. pyörien. vierintäsäteiden. erotusta.. Vierintäsäde on pyörän säde mitattuna sen kulkupinnan, eli pyörän kiskoon ottaman kontaktin, suhteen. Ekvivalenttinen. kartiokkuus. voidaan. määrittää. pyöräkerran. vierintäsäde-eron. perusteella seuraavasti (Esveld 2001) 𝜆𝑒 =. 1 ∆ 𝑟 1 𝑟1 − 𝑟2 ∙ = ∙ 2 𝑦 2 𝑦. (4). jossa λe. on ekvivalenttinen kartiokkuus. Δr. on vierintäsäde-ero. y. on sivuttaissiirtymä. Kaava (4). toimii. kuitenkin. käytännössä vain. täysin symmetrisillä. profiileilla.. Todellisuudessa vierintäsäde-eron nollakohdassa pyöräkerrassa voi olla jonkin verran keskipoikkeamaa johtuen kiskojen ja pyörien kulumisesta. Tässä tapauksessa voidaan.

(27) 20. soveltaa vierintäsäde-eron kaavaa (5), johon on lisätty keskipoikkeaman vakio η (Mazzola et al. 2010). 𝛥𝑟 = 2𝜆𝑒 𝑦 + 𝜂. (5). Josta saadaan johdettua ekvivalenttinen kartiokkuus kaavan (6) mukaisesti 𝜆𝑒 =. 1 ∆𝑟−𝜂 ∙ 2 𝑦. (6). Toisaalta ekvivalenttinen kartiokkuus voidaan laskea myös siniliikkeen aallonpituuden perusteella (kaava (7)) (Liikennevirasto 2010) 𝑒 2𝜋 2 𝜆𝑒 = 𝑟0 ( ) 2 𝐿𝑒. (7). Lisäksi Mazzola et al. (2010) on esittänyt myös vaihtoehtoisia tapoja laskea ekvivalenttinen kartiokkuus. Esimerkiksi kaavalla (8) saadaan laskettua λe vierintäsädeeron integraalin (trapezoidal integration method) avulla seuraavasti (Mazzola et al. 2010). 𝜆𝑒 =. ∆𝑦 1 ∫ ∆𝑅 𝑑𝑦 2 4∆𝑦 −∆𝑦. (8). Lisäksi Mazzola et al. (2010) on esittänyt kaavan (9) mukaisen kaavan, joka eroaa edellisestä siten, että vierintäsäde-eroa on paintoettu sinimuotoisella aaltofunktiolla. Tässä siis ekvivalenttinen kartiokkuus keskiarvoistetaan jakamalla vierintäsäde-ero yhdellä pyöräkerran aaltoliikkeellä. Tämän toimintaperiaatteena on, että kaukana pyöräkerran tasapainoasemasta olevia arvoja painotetaan suuremmalla massalla. 2𝜋. ∫ ∆𝑅 𝑠𝑖𝑛𝜏 𝑑𝜏 𝜆𝑒 = 0 2𝜋 𝑎. (9). Tässä työssä ekvivalenttista kartiokkuutta tarkastellaan kuitenkin pääsääntöisesti vierintäsäde-eron kautta. Tämä johtuu siitä, että simulointiohjelma Vampire, jota käytetään tämän työn laskennoissa, pohjaa laskentansa vierintäsäde-eroon ja tämä tapa on myös yksinkertaisempi kuin Klingelin liikkeeseen nojaava laskentamalli.. 4.2. Kontaktit. Kontaktia, jossa kiskon ja pyörän välille muodostuu yksi kontaktiala, kutsutaan yksipistekontaktiksi. Tällöin pyörän kiskoon kohdistavat kuormitukset keskittyvät yhdelle spesifille aluelle. On kuitenkin mahdollista, että kontaktipisteitä muodostuu kaksi, jolloin puhutaan kaksoispistekontaktista. Käytännössä kaksoispistekontakti voi muodostua missä tahansa kohtaa kiskon kulkupintaa, mutta tyypillisesti se syntyy pyörän laipan.

(28) 21. tullessa kosketuksiin kiskon kanssa. Tätä kutsutaan laippakontaktiksi ja se on niin sanotusti vakava kaksoispistekontakti (Transportation Research Board & National Academies of Sciences, Engineering,and Medicine 2005). Laippakontakti voi olla seurausta hunting-liikkeestä (Transportation Research Board & National Academies of Sciences, Engineering,and Medicine 2005), mutta sitä tapahtuu usein kaarteissa, kun ensimmäinen pyöräkerta tulee sisään kaarteeseen tietyllä kohtauskulmalla (kuva 4.2) , jolloin ulomman pyörän laippa pääsee kosketuksiin ulkokiskon kanssa (Esveld 2001). On myös mahdollista, että pyöräkerta pääsee työntymään laipalle kaarteessa keskipakoisvoiman seurauksena, mikä voi johtua esim. kaarteen kallistuksen vajauksesta tai mikäli ekvivalenttisen kartiokkuuden arvo on verrattain pieni, minkä vuoksi pyöräkerta pääsee helpommin työntymään kohti ulkokiskoa. Vakava kaksoispistekontakti tai laippakontakti voi jo itsessään heikentää pyöräkerran ohjautumista kaarteessa, sillä pituussuuntaiset liukuvoimat pyörän ja kiskon välillä saattavat vaikuttaa vastakkaisiin suuntiin, mikä ei ole toivottavaa (Transportation Research Board & National Academies of Sciences, Engineering,and Medicine 2005).. Kuva 4.2. Havainnekuva telin pyöräkerroista kaarteessa, jossa on esitetty myös kohtauskulma (angle of attack, ”AOA”) (Dollevoet 2010). Laippakontaktissa kiskoon kohdistuu myös suurempia poikittaisvoimia. Tämä altistaa kiskoa sivukulumiselle ja voi myös suurentaa suistumisriskiä. Suistumisriskiä voidaan mitoittaa ns. Nadal-kriteerin avulla, jossa lasketaan poikittais- ja pystysuuntaisten voimien suhde, L/V-suhde (lateral, vertical) (Elkins & Wu 2000). Tämä kuitenkin käsittää vain tilanteen, jossa laippa pääsee kiipeämään kiskon päälle..

(29) 22. Kiskon ja pyörän välistä kontaktia kuvataan usein hertziläisen kontaktin avulla. Tämän Heinrich Hertzin kehittämän teorian mukaan kiskon ja pyörän käyttäytyminen kontaktissa on jonkin verran elastista, jolloin muodonmuutoksen vuoksi kontaktipinta kappaleiden välillä on elliptinen eikä pistemäinen. (Esveld 2001) Yleistilanne Hertziläisestä kontaktista on esitettynä kuvassa 4.3, jossa nähdään kahden puoliavaruuden välisenä kontaktina xyz-koordinaatistossa. Kappaleiden säde voidaan katsoa niin suureksi suhteessa kontaktialaan, että kontaktipinnan voi katsoa litteäksi elastisuuden perusteella. (Ayasse & Chollet 2006). Kuva 4.3. Kolmiulotteinen yleistapaus hertziläisestä kontaktista (Ayasse & Chollet 2006). Kuvassa 4.4 on esitettynä kuvaa 4.3 vastaava tilanne, mutta kolmiulotteisen pyörä- ja kiskomallin avulla. A1,2 ja B1,2 ovat kontaktissa olevien kappaleiden kaarevuuteen liittyviä vakioita (Ayasse & Chollet 2006).. Kuva 4.4. Hertziläinen kontakti esitettynä kiskon ja pyörän mallin avulla (Ayasse & Chollet 2006)..

(30) 23. Kontaktipinnan painejakauma on puolielliptinen, jossa suurin paine esiintyy kontaktin keskelle. Suurin pyörän kiskoon kohdistama paine saadaan laskettua kaavan (10) avulla. (Esveld 2001) 𝜎𝑚𝑎𝑥 =. 3 𝑄 2 𝜋𝑎𝑏. (10). jossa σmax on kontaktin paineen maksimiarvo Q. on pyöräkuorma. a. on kontaktiellipsin puoliakseli poikittaissuunnassa. b. on kontaktiellipsin puoliakseli pituussuunnassa. 4.3. Pyörän ja kiskon väliset voimat ja kuormat. Rataympäristössä kiskoille kohdistuu huomattava määrä voimia ja rasituksia. Nämä voimat. voidaan. jaotella. karkeasti. kvasistaattisten. ja. dynaamisten. kuormien. aiheuttamiksi. Kvasistaattiset kuormat ovat muum muassa kaluston painosta rataan kohdistuvat kuormat, raidegeometrian vaikutuksesta muodostuvat voimat, kuten esim. keskipakoisvoima kaarteissa sekä tuulikuormat. Dynaamisia kuormia aiheuttavia tekijöitä ovat mm. radan pysty- ja poikittaissuuntaiset epätasaisuudet ja muutokset jäykkyysominaisuuksissa, epäjatkuvuuskohdat (esim. hitsit ja vaihteet), kiskon vauriot sekä. kaluston. puutteista. tai. häiriöistä. aiheutuvat. rasitukset. (Esveld. 2001). Kvasistaattisten ja dynaamisten kuormien lisäksi rataan voi kohdistua kalustosta myös staattisia. voimia.. Näitä. staattisia. kuormia. muodostuu. esimerkiksi. kaluston. pyöräkuormista. Kisko altistuu jatkuvasti suurille rasituksille akselipainojen ja kulkunopeuksien kasvun myötä. Vielä kun huomioidaan, kuinka pienelle alalle pyörän kohdistama kuorma kohdentuu, voidaan puhua merkittävistä jännityksistä, esimerkiksi kiskon pinnan tasossa vaikuttavat liukuvoimat, jotka ovat niin sanottuja tangentiaalisia kuormia. Kuvassa 4.5 on havainnollistettuna hertziläinen kontakti kaksiulotteisessa xz-avaruudessa, miten kuorma jakautuu kappaleiden välillä. Tässä tapauksessa nähdään pyörän kiskoon kohdistama kuormitus sivusta päin katsottuna. Kuvan 4.5 parametrit ovat (Iwnicki, S. et al. 2009):.

(31) 24. E1, E2. ovat materiaalien kimmomoduulit. v1, v2. ovat materiaalien Poissonin luvut. P. on normaalivoima. p(x,y). on painejakauma. 2a. on kontaktialan pituus. δz. on muodonmuutoksen etäisyys. Q x, Q y. ovat tangentiaaliset kuormat. qx(x,y), qy(x,y). ovat tangentiaalisien kuormien aiheuttamat vetojännitykset. h(x,y). on niiden pisteiden pystysuuntainen etäisyys levossa, jotka muodostavat tason puristuksessa. Kuva 4.5. Kaksiulotteinen kuvaus hertziläisestä kontaktista, jossa on myös esitettynä kappaleiden välinen painejakauma (Iwnicki, S. et al. 2009). Kiskon ja pyörän kontaktissa muodostuvat voimat voidaan vielä jaotella suunnan mukaan pysty-, poikittais- ja pituussuuntaisiin voimiin. Merkitään tässä pystysuuntaista kokonaisvoimaa Vtot, joka voidaan määrittää seuraavasti (Esveld 2001): 𝑉𝑡𝑜𝑡 = (𝑉𝑝 + 𝑉𝑘 + 𝑉𝑡 ) + 𝑉𝑑. (11). Tässä sulkeiden sisään on koostettu kvasistaattiset voimat, joista Vp on staattinen pyöräkuorma, joka on puolet staattisesta akselikuormasta, Vk on kaarteessa keskipakoisvoiman seurauksesta johtuva pyöräkuorman lisäys ulkokiskossa, ja Vt on tuulikuorma. Vd käsittää dynaamiset kuormat. (Esveld 2001) Kaavassa (12) on esitettynä vastaava kaava vaakasuuntaisille voimille (Esveld 2001). 𝐿𝑡𝑜𝑡 = (𝐿𝑙 + 𝐿𝑘 + 𝐿𝑡 ) + 𝐿𝑑. (12).

(32) 25. Jossa Ltot on poikittaissuuntainen vaakavoima, Ll on laipan aiheuttama kuorma kiskoon, Lk on keskipakoisvoima, Lt mahdollinen tuulikuorma ja Ld kiskoon kohdistuvat dynaamiset kuormat. Kuvassa 4.6 on esitettynä kiskon ja pyörän väliset voimat kontaktipinnan suhteen.. Kuva 4.6. Kiskon ja pyörän väliset voimat ja suureet, jossa xy-koordinaatisto on esitetty kontaktipinnan suhteen (Iwnicki, S. et al. 2009). Kuva 4.6 suureiden selitykset (Iwnicki, S. et al. 2009) v. on kulkunopeus. Ω. on pyörän pyörimisnopeus. P. on normaalivoima. Qx. on pituussuuntainen liukuvoima. Qy. on poikittaissuuntainen liukuvoima. M. on momentti. Δvi. on suhteellinen siirtymisnopeus kontaktin tasossa, i ∈ {x, y}. Δω. on kappaleiden välinen suhteellinen pyörimisnopeus. Kitka liittyy oleellisesti kiskon ja pyörän väliseen kontaktiin ja on edellytys kaluston liikkumiselle (Olofsson, U. 2009). Mikäli kitka ei ole riittävä, voi tämä aiheuttaa.

(33) 26. turvallisuusongelmia jarrutusmatkan pidentyessä (Olofsson, U. 2009) sekä heikentää kiihtyvyyttä vähäisen pidon vuoksi (Olofsson, Ulf & Lewis 2006).. 4.4. Osittaisluisto ja liukuvoimat. Koska pyörän ja kiskon välinen kontakti ei ole pistemäinen vaan elliptinen tai puolielliptinen, kiskon ja pyörän kontakti ei ole täysin vapaata vierimistä (Lewis & Olofsson 2009). Vieriminen vaatii kitkaa, eli kappaleiden välisen tartuntapinnan. Osassa kontaktialaa ns. liukuvoima voi ylittää kitkavoiman, jolloin osassa kontaktia tapahtuu luistoa. Tällöin tapahtuu ns. osittaisluistoa (kuva 4.7).. Kuva 4.7. Pidon ja luiston välinen suhde pyörä-kisko -kontaktissa (Lewis & Olofsson 2009). Osittaisluiston ja luiston yhteydessä muodostuu liukuvoimia, jotka ovat sidoksissa kiskon ja pyörän väliseen kitkaan, ja ne syntyvät kiskon ja pyörän kontaktialan tasossa (Iwnicki, S. et al. 2009). Liukuvoimat ovat merkittävässä osassa kiskon kulumisen ja joidenkin vierintäväsymisvauruoiden,. kuten. head. cheack. -vaurioiden,. muodostumisessa.. Esimerkiksi arvioitaessa pyörän ja kiskon välisen kontaktin kuluttavaa vaikutusta, käytetään laskennoissa nimenomaan liukuvoimien ja liukuminen arvoja. Ulkoisilla tekijöillä ja sää olosuhteilla on vaikutusta pyörän ja kiskon väliseen kitkaan ja täten myös luiston todennäköisyyteen. Esim. kosteus voi heikentää kitkaa pyörän ja kiskon välissä kitkakertoimen puitteissa jopa yli puolella. Taulukossa 7Taulukko 7 on esitettynä eri tilanteita, jotka potentiaalisesti heikentävät kitkaa pyörän ja kiskon kontaktissa..

(34) 27. Taulukko 7. Olosuhteiden vaikutus pyörä-kisko –kontaktin väliseen kitkaan (Olofsson, U. 2009). Olosuhteet. Kitkakerroin. Kuiva kisko ja auringonpaiste, 19 °C. 0,60 – 0,70. Märkä kisko, 5 °C. 0,20 – 0,30. Kiskoilla rasvaa, 8 °C. 0,05 – 0,10. Kerros kosteita lehtiä, 8 °C. 0,05 – 0,10. Pyörän ja kiskon välistä kontaktia voidaan tarkastella myös adheesion eli tartunnan näkökulmasta. Taulukossa 8 on esitettynä olosuhteiden vaikutukset adheesioon ja sen kertoimeen. Taulukko 8. Olosuhteiden vaikutukset pyörä-kisko –kontaktin väliseen adheesioon (Olofsson, U. 2009). Kiskon pinnan olosuhteet. Adheesion kerroin. Kuiva kisko, puhdas. 0,25 – 0,30. Kuiva kisko, hiekka. 0,25 – 0,33. Märkä kisko, puhdas. 0,18 – 0,20. Märkä kisko, hiekka. 0,22 – 0,25. Rasvainen kisko. 0,15 – 0,18. Kiskolla kosteutta. 0,09 – 0,15. Lunta kiskoilla. 0,10. Lunta kiskoilla, hiekka. 0,15. Märkiä lehtiä kiskoilla. 0,07. Pyörän ja kiskon välisellä luistolla on aina kuluttava vaikutus sekä kiskoon että pyörään (Lewis & Olofsson 2009). Vaikuttavia tekijöitä luiston yhteydessä tapahtuvan kulumisen suhteen ovat esimerkiksi pystysuuntainen kuorma, liukuman nopeus, laippakontakti, radan geometria, adheesio ja.

(35) 28. 5. KISKON VAURIOITUMISMEKANISMIT Kiskon ja pyörän välillä vallitsevien voimien ja kuormien vuoksi sekä pyörien että kiskojen materiaalit ovat kovassa rasituksessa. Yhden pyörän kiskoon kohdistama paine voi olla jopa yli 1000 MPa pyörän koosta ja kontaktialasta riippuen (Esveld 2001). Lisäksi pyörän ja kiskon välillä täytyy olla riittävä kitka, jotta kaluston liikkeellelähdön ja jarruttamisen mahdollistamiseksi (Dollevoet 2010). Kaksoispistekontaktit saattavat myös aiheuttaa vastakkaissuuntaisia voimia, minkä seurauksena ohjautuminen heikkenee ja liukuvoimat kappaleiden välillä voivat kasvaa (Transportation Research Board & National Academies of Sciences, Engineering,and Medicine 2005). Näistä syistä kiskoissa ja pyörissä voi tapahtua esimerkiksi mekaanista kulumista ja plastisia muodonmuutoksia (Esveld 2001; Dollevoet 2010). Erilaisia vaurioitumismekanismeja ovat mm. kiskon kuluminen, pyörän ympärilyönneistä aiheutuvat vauriot ja vierintäväsyminen. Tässä työssä käsitellään pääsääntöisesti kiskon vaurioitumismekanismeja vierintäväsymisen näkökulmasta.. 5.1. Kuluminen. Yksi luonnollisimmista kiskon vaurioitumistavoista on kuluminen. Samalla tavalla kuin autonkin renkaat ja tien pinta kuluvat jatkuvasti mm. kitkan ja adheesion vaikutuksesta, kuluvat myös kiskot ja rautatiekaluston pyörät. Rautatieympäristössä kuitenkin oleellisena seikkana on se, että vaikka siirtymää tapahtuu myös sivuttaissuunnassa, ei kiskojen ja pyörän laippojen vuoksi kalustolla ole ns. vaihtoehtoista reittiä ja näiden kontaktissa tapahtuu kulumista myös sivusuunnassa. Kuvassa 5.1 on esitettynä kiskon ja pyörän tyypillinen kulumistapa pysty- ja sivusuunnassa.. Kuva 5.1. Kulumisen kehittyminen pyörässä ja kiskossa (Stockholm test) (Lewis & Olofsson 2009). Sivukuluminen on tyypillisesti ongelma kaarteissa, missä laippakontaktit useimmiten muodostuvat. Suorilla tapahtuu pääsääntöisesti vain pystykulumista, sillä suorilla laippakontaktit eivät ole yhtä yleisiä kuin kaarteissa. Kiskon sivukuluminen voi olla ongelmallista, sillä sen seurauksena raideleveys kasvaa..

(36) 29. Sivukuluminen on siis laippakontaktin tulos. On kuitenkin myös muita tekijöitä, jotka voivat edesauttaa sivukulumista. Pyörän kohtauskulma kiskoon nähden on yksi näistä. Tällöin. kiskon. laippakontaktissa.. pystykuluminen Kohtauskulma. on. kuitenkin. vaikuttaa. pienempää. myös. kuin. merkittävästi. perinteisessä pyörän. laipan. kulumiseen. Myös poikittaisvoimien kasvaminen voi lisätä sivukulumista. (Jin et al. 2011) Kiskon kulumista voidaan ehkäistä tai ainakin hidastaa erinäisin keinoin. Kiskon materiaalilla on vaikutusta siten, että mitä kovemmasta teräksestä kisko on valmistettu, sitä vähemmän se kuluu. Kiskon ja pyörän välistä kontaktia voidaan myös voidella esim. veden avulla. (Jin et al. 2011) Tällöin voidaan käyttää niin sanottuja kiskon voitelulaitteita esimerkiksi. kaarteissa,. joissa. on. havaittu. merkittävää. ulkokiskon. kulumista.. Voiteluaineena tulisi käyttää biologisesti hajoavaa voiteluainetta. (Ratahallintokeskus 2002) Kiskon kuluminen on verrannollinen suhteessa kiskon ja pyörän välisessä kontaktissa syntyvään energiahäviöön (Transportation Research Board & National Academies of Sciences, Engineering,and Medicine 2005). Kiskon kulumista voidaan arvioida matemaattisesti ns. Tγ-energiayhtälön avulla. Tämä energiayhtälö on esitettynä kaavassa (13). 𝑇𝛾 = 𝑇𝑥 𝛾𝑥 + 𝑇𝑦 𝛾𝑦 + 𝑀𝑧 𝜔𝑧. (13). Tässä T tarkoittaa kiskoon kohdistuvia tangentiaalisia voimia, γ kontaktissa tapahtuvaa luisumaa, M kiertomomenttia ja ω kiertoluisumaa. Huomionarvoinen seikka on se, että γ on yksikötön parametri, joten Tγ-arvon yksikkö on N. Toisaalta, koska Tγ on energiayhtälö, niin yksikkönä käytetään yleisesti J/m, eli kuinka paljon kuluu energiaa metriä kohti. Tällöin siis aina, kun Tγ on muuta kuin nolla, niin tapahtuu kulumista ja mitä suurempi arvo, sen voimakkaampaa on kuluminen (Transportation Research Board & National Academies of Sciences, Engineering,and Medicine 2005).. 5.2. Metallin väsyminen. Metallin väsymisellä tarkoitetaan materiaalin heikkenemistä asteittain kuormitussyklien mukaisesti, joka voi johtaa vakavampiin vaurioihin tai murtumiseen. Väsyminen tapahtuu toistuvien kuormitusten, väsytyskuormitusten, vaikutuksesta. (Pook 2007) Kuvassa 5.2 on esitettynä teräksen muodonmuutoskäyttäytyminen kuormitussykleissä, josta on esitettynä neljä erilaista skenaariota. Pystyakselilla on teräkseen kohdistuva jännitys σ ja vaaka-akselilla suhteellinen muodonmuutos ε. Skenaariossa A on kuvattuna.

(37) 30. puhtaasti elastinen tapahtuma, missä kuormitus ei ole vielä riittävä aiheuttamaan pysyvää muodonmuutosta (Dollevoet 2010), eli materiaalin on vielä mahdollisuus palautua alkuperäiseen muotoonsa.. Kuva 5.2. Havainnekuva teräksen muodonmuutoskäyttäytymisestä. Vaaka-akselilla on suhteellinen muodonmuutos ε ja pystyakselilla kuormitus σ. (Dollevoet 2010) Suurilla rasituksilla voi tapahtua ilmiö, jota kutsutaan ratchettingiksi (käyrä D, kuva 5.2). Tällöin materiaaliin syntynyy plastista muodonmuutosta, joka ei enää täysin palaudu jännitystä poistettaessa. Tämä voi ilmetä useina peräkkäisinä sykleinä, jotka olosuhteista riippuen voivat hidastua tai kiihtyä. Niin sanotuksi shakedwon-ilmiöksi kutsutan tilannetta, jossa ratchetting joko hidastuu tai pysähtyy (Pook 2007). Elastisessa shakedownissa tapahtuu plastista, eli pysyvää, muodonmuutosta tiettyyn kuormitussykliin asti. Saavuttaessa tietyn muodonmuutoksen suhteessa kuormitukseen, tapahtuu materiaalissa lujittumista, mistä johtuen materiaalin myötöraja kasvaa. Kun tämä tietty raja saavutetaan, muuttuu muodonmuutoskäyttäytyminen jälleen puhtaasti elastiseksi.. 5.3. Vierintäväsyminen. Vierintäväsymisvauriot. ovat. seurausta. kiskoteräksessä. tapahtuvista. plastisista. muodonmuutoksista. Vierintäväsymistä ja siihen liittyviä ilmiöitä ja syitä alettiin tutkia Euroopassa. tarkemmin. vuonna. 1987. (European. Rail. Research. Institute).. Vierintäväsyminen oli jo tuolloin havaittu merkittäväksi ongelmaksi erityisesti suurten.

(38) 31. nopeuksien, raskaan kaluston ja sekakäyttöisillä raiteilla. Tutkimukset kohdistuivat erityisesti niin kutsutut head check - ja squat-vaurioihin. (Cannon & Pradier 1996) Vierintäväsyminen voidaan jaotella sen mukaan, onko vaurion lähtökohta pinnallinen vai pinnan alainen (Olofsson, Ulf & Lewis 2006). Pinnallisia vaurioita ovat esim. squat- ja head check -vauriot, jotka ovat esitettynä kuvassa 5.3. Pinnan alaisiksi vaurioiksi luokitellaan mm. tache ovale -vauriot. Viime vuosikymmenien aikana pinnan alaiset vierintäväsymisvauriot. ovat. tulleet. harvinaisiksi. kiskojen. valmistusprosessin. paranemisen myötä. Toisaalta kulkunopeudet ja akselipainot ovat samalla nousseet, minkä vuoksi pinnalliset vauriot ovat yleistyneet. (Dollevoet 2010) a). b). Kuva 5.3. Havainnekuva a) head check- ja b) squat-ilmiöstä (Fletcher et al. 2009). Vierintäväsymissäröily voidaan jakaa kolmeen vaiheeseen kuvan 5.4 mukaisesti. Lähtökohtana on vaurioton tai vähän vaurioitunut kisko. Tällöin kiskossa on jo jonkin verran plastisia muodonmuutoksia pyörän kohdistamien rasitusten seurauksena. (Fletcher et al. 2009) Ensimmäisessä vaiheessa tapahtuu itse vaurion muodostuminen ja sen kasvua ratchetting-ilmiön myötä. Vaurio saattaa ydintyä nopeasti, mutta sen kasvu hidastuu merkittävästi vielä tässä vaiheessa..

(39) 32. Kuva 5.4. Vaurioiden kehittymisen ja kasvun vaiheet (Fletcher et al. 2009). Toisessa vaiheessa vauriot kasvavat erinäisten mekanismien myötä, jotka ovat esitettynä kuvassa 5.5. Pääpiirteenä ilmenee kuitenkin särön kärjen taipuminen siten, että särökohta vuorotellen sulkeutuu ja avautuu, kun sen päälle kohdistuu kuormaa (Pook 2007). Tämän seurauksena vaurion sisäiset leikkausjännitykset voivat kasvat. Vaurion sisälle voi myös kertyä vettä, joka yhdessä kuorman ja särön sulkeutumisen myötä voi aiheuttaa hydraulisen paineen, joka jälleen edesauttaa vaurion kasvua. (Fletcher et al. 2009). Kuva 5.5. Vaurioiden kehittymismekanismit toisessa vaiheessa (Fletcher et al. 2009). Kolmannessa vaiheessa (kuva 5.4) vierintäväsymisvauriot voivat kasvaa kiskon taipumisen. myötä.. taivutusmurtolujuutta. Vierintäväsymisvauriot merkitsevästi,. sillä. voivat kiskossa. nimittäin oleva. heikentää. säröily. kiskon. mahdollistaa. voimakkaamman taipumisen. Tästä voi seurata eräänlainen noidankehä, sillä taivutuslujuuden heikentyessä vaurioiden kasvu saattaa nopeutua. Pahimmillaan tämä voi johtaa kiskon katkeamiseen. (Magel et al. 2016).

(40) 33. 5.3.1 Head check Head check -vauriot ovat kiskon hamaran kulkureunassa ilmeneviä säröjä, jotka esiintyvät yleensä ryhmittyneinä ja tasaisin välimatkoin. Tätä vauriotyyppiä esiintyy pääsääntöisesti vaihteissa, risteyksissä ja kaarteissa, joiden kaarresäde on pienempi kuin 3000 m. (Dollevoet 2010) Kuvassa 5.6 on havainnollistettu head check -säröt ja niiden sijainti kiskossa. Mikäli head check -vaurioita ei havaita ajoissa, saattavat säröt kehittyä syvemmälle kiskoon, joka saattaa pahimmassa tapauksessa johtaa kiskon katkeamiseen (Olofsson, Ulf & Lewis 2006). Tästä esimerkkinä vuonna 2000 IsoBritanniassa vuonna 2000 tapahtunut Hatfieldin onnettomuus, jossa pitkälle edenneiden head check -vaurioiden seurauksena kisko oli katkennut useammasta kohtaa muutamien metrien sisään johtaen junan suistumiseen (Office of rail regulation 2006). Tämän tapaturman jälkeen vierintäväsymisvauriot alkoivat saada enemmän huomiota (Viitala 2020).. Kuva 5.6. Kolmiulotteinen havainnekuva head check -vaurioista (Fletcher et al. 2009). Head check -säröjen muodostumiseen ovat syynä ovat pyöräkontaktin kiskoon kohdistamat vetovoimat. Pyörän pyörimisliike aiheuttaa kiskon pintaan vetoa pääsääntöisesti pituussuunnassa, mutta ohjautumisen vuoksi vetovoimia syntyy jonkin verran myös poikittaissuunnassa. Tämä korostuu erityisesti kaarteissa. Tällöin pituus- ja poikittaissuuntaisten. voimien. resultantin. aiheuttama. kuormitus. saattaa. ylittää. kiskoteräksen myötörajan. Tämän seurauksena kiskon pintaan muodostuu plastisia muodonmuutoksia, jotka voivat ilmetä head check -säröilynä. Säröt voivatkin olla jotakuinkin tämän resultantin suuntaisia. Kuvasta 5.7 voidaan nähdä säröjen suuntautuminen kiskonpinnalla. Vaurioiden suuntautumiskulmaa merkitään symbolilla α ja se määritetään y-akselin suhteen..

(41) 34. Kaluston kulkusuunta on x-akselin mukainen. (Fletcher et al. 2009; Dollevoet 2010) Toisaalta kiskon pinnassa vaikuttavat leikkausjännitykset ovat yleensä kohtisuorassa head check -vaurioihin nähden (Dollevoet 2010).. Kuva 5.7. Head check –vaurioiden ilmeneminen ulkokiskossa (Dollevoet 2010). Head check –vauriot mielletään usein henkilöliikenteen yhteydessä ulkokiskon vaurioitumisena johtuen kaarteen kallistuksen vajauksesta. Raskaan liikenteen yhteydessä head check –vaurioita tai tämänkaltaisia vaurioita on kuitenkin mahdollista ilmentyä myös sisäkiskossa, mikäli kaarteessa on liikakallistusta suhteessa raskaan kaluston nopeuteen ja massaan.. 5.3.2 Head check –vaurioiden minimointi anti head check – kiskoprofiilin avulla Vierintäväsymisestä johtuvia vaurioita kaarteiden ulkokiskoissa voidaan pyrkiä vähentämään erilaisten kiskoprofiilien, ns. anti head check –profiilien, kautta. Anti head check -nimitys voidaan ilmaista myös lyhenteellä AHC, jota tullaan käyttämään jatkossa. Näitä profiileja on useita erilaisia ja niiden suunnitteluun voivat vaikuttaa mm. rataosuudella käytetyt nopeudet ja akselipainot. Raskas tavaraliikenne asettaa tältä osin AHC-profiilille erilaiset vaatimukset kuin kevyempi, mutta nopeampi, henkilöliikenne..

(42) 35. Kuva 5.8. Raskaalle kalustolle määritetyt AHC-profiilin suunnitteluparametrit sisäkiskolle (Yu et al. 2015). Muun muassa. Yu et al. (2015) ovat kehittäneet AHC-profiilin määrittämiseksi. laskennalliset teoreettiset mallit sekä kokeellisesti simuloinneissa testattuja malleja. Kuvissa 5.8 ja 5.9 ovat esitettynä kaksi erilaista mallia AHC-kiskoprofiilista. Kuvassa 5.8 on esitettynä Kiinassa raskaalle kalustolle suunniteltu varioitavissa oleva mallinne sisäkiskon AHC-profiilista. Kuva 5.9 on Doellevoetin määrittämä 54E5-kiskoprofiili (ennen 54E1 AHC), joka on tarkoitettu nopean liikenteen radoille.. Kuva 5.9. Dollevoetin suunnittelema 54E5-profiili, jossa referenssinä 54E1-profiili (Dollevoet 2010). AHC-profiilin muodostuvien. toimintaperiaatteena voimien. on. pienentäminen. lähtökohtaisesti head. check. pyörä-kisko –herkällä. –kontaktissa. alueella,. minkä.

(43) 36. seurauksena myös kiskon pintaan kohdistuvat leikkausjännitykset (τmax) pienenevät. (Dollevoet 2010) AHC-hionta voidaan tehdä myös korjaavana hiontana. Tällöin hionnan tavoitteena on poistaa olemassa olevat head check -vauriot tai poistaa ne osittain ja samalla siirtää pyörän ja kiskon välistä kontaktialaa kohti kiskon keskilinjaa, jolloin kontakti vaurioituneelle kiskon alalle estyy. Jälkimmäiseen on syynä se, että pitkälle edenneiden head check -vaurioiden poistaminen kokonaan ei ole taloudellista. Korjaavassa hionnassa materiaalia usein poistetaan enemmän kuin ennakoivassa AHC-hionnassa. (Viitala 2020). 5.3.3 Muut vierintäväsymisen tyypit Squat-tyyppiset vierintäväsymisvauriot ovat head check –vaurioiden rinnalla yksi yleisimmistä. vierintäväsymistyypeistä.. Squat-vauriot. ilmenevät. yleensä. kiskon. kulkupinnalla suorilla sekä loivissa kaarteissa, eikä niillä ole mitään merkittävää yhteyttä ratatyyppiin, alusrakenteeseen, kalustoon tai kaluston nopeuteen. Joissakin tapauksissa squat-vaurioita voi esiintyä radan pystysuuntaisten epäjatkuvuuskohtien yhteydessä, kuten esim. painumien tai jatkuvakiskoraiteiden hitsikohdissa tai niiden välittömässä läheisyydessä sekä vaihteissa. (Li 2009) Shelling-vaurioista tunnetaan myös niin kutsuttu ”Shinkansen shelling”-ilmiö, joka on tyypillinen nopeilla Shinkansen-luotijunille tarkoitetuilla radoilla Japanissa. Kalustotyypin ja kulkunopeuden lisäksi tämä ilmiö eroaa varsinaisesta shelling-vauriosta siten, että se muodostuu tyypillisesti squat-vaurion tapaan kiskon kulkupinnalle sisäpinnan sijaan. (Kondo et al. 1996) Tasche Ovale –vauriot johtuvat yleensä kiskon valmistuksessa tapahtuneista virheistä (Cannon et al. 2003). Ympärilyönniksi kutsutaan tilannetta, kun kaluston lähtiessä liikkeelle pyörän kiskoon kohdistama radansuuntainen tangentiaalinen voima ylittää lepokitkan. Tällöin kiskon ja pyörän välisessä kontaktissa tapahtuu puhdasta luistoa. Koska kiskon ja pyörän kontaktissa vaikuttavat voimat ovat suuria ja ne ovat jakautuneet niin pienelle alueelle, voi materiaalien lämpötila nousta merkittävästi jopa sekunnin murto-osassa (Srivastava et al. 2018). Nämä merkittävät lämpötilamuutokset voivat aiheuttaa ratchetting-ilmiötä,. kun paikallisen. lämpenemisen ja kuumenemisen. seurauksena tapahtuu lämpölaajenemista metallissa (Pook 2007)..