Rail grinding and its effect on railway traffic noise

(1)

TEKNILLINEN KORKEAKOULU

Insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunta Yhdyskunta- ja ympäristötekniikan laitos

RATAKISKOJEN HIONTA JA HIONNAN VAIKUTUS JUNALIIKENTEEN MELUUN

Pasi Hölttä

TKK

Rakennus-ja

ympäristötekniikan kirjasto

Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa 4.5.2009

Valvoja: professori Terhi Pellinen Ohjaaja: dipl.ins Tuomo Viitala

(2)

TEKN11.LINEN KORKEAKOl ILU

Insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunta

DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ

Tekijä:

Diplomityö:

Pasi Hölttä

Ratakiskojen hionta ja hionnan vaikutus junaliikenteen meluun

Päivämäärä: 4.5.2009 Sivumäärä: 90+37

Professuuri: Tietekniikka Koodi: Ylid-10

Valvoja:

Ohjaaja:

professori Terhi Pellinen dipl.ins Tuomo Viitala

Avainsanat: kiskonhionta, rautatie, kunnossapito, melu

Ratakiskojen hionnalla voidaan poistaa kiskojen vikoja ja epätasaisuuksia ja siten pidentää ratakiskojen käyttöikää. Kaikkien radan osien mahdollisimman pitkällä käyttöiällä on suuri merkitys radanpidon taloudellisuudelle.

Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää kirjallisuuden ja haastatteluiden avulla kiskonhionnan soveltuvuutta kiskon käyttöiän pidentämiseen ja käyttöominaisuuksien paran

tamiseen. Sen pohjalta määriteltiin toimenpiteitä, joilla hiontakohteiden valintaa voidaan kehittää Ratahallintokeskuksen rataverkolla. Hionnan meluvaikutuksia ei ole Suomessa tutkittu aiemmin, joten tutkimuksessa haluttiin myös selvittää mittauksin, vaimentaako hiominen junien melua ja miten junien äänen spektri muuttuu hionnan seurauksena.

Jotta osataan valita sopivat hiontakohteet ja mahdollisesti pystytään määrittelemään mitat

tavia toimenpiderajoja, on käytössä oltava kiskon pitkittäisen ja poikittaisen profiilin tarkas

tustuloksia ja tietoa kiskovioista. Suomen radantarkastustoiminnassa on kehitettävä profiilimittaustulosten käyttöä ja aloitettava kiskojen pyörrevirtatarkastukset, joilla voidaan nykyisistä ultraäänitarkastuksista poiketen havaita kiskon pintaosien pieniäkin vikoja.

Hionta tasoittaa kiskon pinnan, jolloin raiteella kulkevaan junaan kohdistuu vähemmän äänenä kuultavia värähtelyjä. Käytännön kokemus on kuitenkin osoittanut, että Suomessa käytetty hiontatekniikka muuttaa junien äänen ujeltavaksi. Tutkimuksessa mitattiin junien ohiajomelua kolmessa kohteessa Suomen rataverkolla ennen syksyn 2008 kiskonhiontoja sekä niiden jälkeen. Kenttätutkimuksessa havaittiin, että hionta alensi lähiliikenteen säh- kömoottorijunien ohiajomelua 7,5 metrin etäisyydellä raiteesta heti 2-4 dB, vaikka liiken

ne ei ollut vielä tasoittanut kiskon hiontakarkeutta. Äänten spektrien tarkastelussa havaittiin, että junien ujeltavaan ääneen vaikuttaa erityisesti pyörivien hiomakivien jättämä värinäjälki. Värinä jälki voidaan poistaa viimeistelemällä hionta kiskon pitkittäissuunnassa liikkuvilla hiomakivillä, mikä todennäköisesti eliminoisi junan aikaansaaman ujeltavan äänen.

(3)

HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ABSTRACT OF THE

Faculty of Engineering and Architecture__________________________ MASTER’S THESIS

Author: Pasi Hölttä

Thesis: Rail grinding and its effect on railway traffic noise

Date: 2009-05-04 Number of pages: 90+37

Professorship: Highway engineering Code: Ylid-10 Supervisor: professor Terhi Pellinen

Instructor: M.Sc. (tech) Tuomo Viitala

Key Words: rail grinding, railway, maintenance, noise

Rail grinding is a maintenance-of-way method that is used to remove surface defects and irregnlaritics from railway rails and to restore the profile of the worn rails. This will extend the service life of the rails which is essential from the economical point of view. In addi

tion, the rail grinding will improve the wheel-rail interaction and it allows the removal of mill scale and decarbonised layer from the new rails. Although, the rail surface is smoother after grinding causing less vibrations and noise, it has been observed that the use of rotating grinding stones may excite high-pitch howling sound made by passing trains.

In Finland, the rail grinding with a grinding bain has been used as a maintenance method since 1990's. However, there is a need for improving current grinding practices. The major goal of this study was to investigate grinding techniques and practices to improve the man

agement of grading program by The Finnish Rail Administration (RHK). A secondary goal was to measure the passing-by noises and the sound speeba caused by the trains before and after rail grinding. Until recently, there have not been any studies on the effect of rail grinding on railway noise in Finland.

The field study was conducted by selecting three track sections on Finnish rail network, where the rail grinding operations were performed during the autumn of 2008. The noise measurements were conducted using a method where microphones were placed 3 and 7,5 metres from the track. The field study showed that the rail grinding decreased immediately the noise level of electrical multiple units in commuter traffic by 2 to 4 dB. The analysis of the sound spectra of the passing trains revealed that the chatter mark left by the rotating grinding stones was causing the annoying high-pitch howling sound mentioned above. It can be speculated that, if the grinding work is completed by grinding stones oscillating in the longitudinal direction of the rail, the chatter marks would be removed and the annoy

ing noise would be eliminated.

To improve the management of rail grinding programs, the longitudinal rail profile and the rail cross-sections as well as information of the rail defect inspections must be included to the decision process to determine the grinding locations and cycles. Therefore, profde measurements should be utilized in track inspections and eddy-current testing should be initiated to find the smallest rail surface defects.

(4)

A

lkusanat

Tämä diplomityö on tehty Teknillisessä korkeakoulussa (TKK), Yhdyskunta- ja ympäris

tötekniikan laitoksen tietekniikan tutkimusryhmässä syksyn 2008 ja kevään 2009 aikana.

Tutkimuksen on tilannut Ratahallintokeskus (RUK). Työtä on ohjannut ylitarkastaja Tuomo Viitala RHK:sta ja valvonut professori Terhi Pellinen. Työn käytännön järjeste

lyissä on ollut mukana dosentti Jarkko Valtonen TKK:sta, ja mittauslaitteisiin liittyvissä asioissa on ohjannut laboratorioinsinööri Panu Sainio TKKai Konetekniikan laitokselta.

I leille kaikille kuuluvat suuret kiitokset kannustuksesta, asiantuntevista neuvoista ja ra

kentavasta palautteesta.

Ollessani opiskeluaikanani TKK:n palveluksessa olen monissa työtehtävissäni käsitellyt rautateitä, jotka ovat olleet kiinnostukseni kohteita jo pienestä pitäen. Luultavasti mis

sään muualla kuin TKK:ssa en olisi voinut tehdä näin vaihtelevia ja mielenkiintoisia töitä opintojen häiriintymättä. Tutkimuksen aputöiden, opettamiseen osallistumisen ja erikoistyön jälkeen halusin toki tehdä diplomityönikin rautatieaiheesta.

TKK-vuosieni aikana olen tajunnut, kuinka tärkeitä hyvä yhteishenki, kannustava ilma

piiri ja hurtti huumori ovat työpaikalla. Niiden avulla on selvitty vaikeidenkin aikojen yli. Yhteisön henki ja hiki on tärkeää paitsi yhteisölle, myös jokaiselle sen jäsenelle. Mi

nua on kannustanut, tukenut ja neuvonut aina - mitä sitten olenkaan ollut tekemässä - varsinkin esimieheni dosentti Jarkko Valtonen. Häntä minun on kiittäminen lukuisista opeista, joista on varmasti hyötyä koko loppuelämäksi. Muista työtovereista kiitokset an

saitsevat erityisesti Petri, joka oh kärsivällistä seuraa myös talvisella Suonenjoen metsä- tieretkellä, ja Sauli, jonka kanssa olen niin monet kerrat saanut naureskella maailman ihmeellisyyksille työpöydän yli. Kiitokset kuuluvat myös kaikille muille entisille ja nykyi

sille työtovereille tietekniikan laboratoriossa ja tutkimusryhmässä - olette kaikki olleet luomassa sitä yhteishenkeä, jonka suojassa tämäkin diplomityö on tehty.

Haluan kiittää vanhempiani ja Vesaa perheineen kaikesta huolenpidosta, kannustuksesta ja esimerkin antamisesta. Erityiskiitoksen ansaitsee Hilkka-mummo, joka on omalla työl

lään pitänyt huolen siitä, ettei teekkarin pakastin tyhjene lihapullista eivätkä villasukat pääse loppumaan.

Espoossa 21.4.2009

Pasi Hölttä

(5)

Sisällys

Alkusanat...4

Käsitteitä ja lyhenteitä... 6

1 Johdanto... 7

2 Ratakiskot ja kiskojen käyttöikä... 10

2.1 Kiskonhionnan mahdollisuudet...10

2.2 Ratakiskot...11

2.3 Kiskojen käyttöikä... 14

3 Ratakiskojen hionta...28

3.1 Hionnan yleisiä periaatteita... 28

3.2 Hiontajunat...29

3.3 Valinnat hiontatyön suunnittelussa...34

3.4 Hionta tarpeen arviointi... 38

3.5 Esimerkkejä kiskonhionnan toteutustavoista... 49

3.6 I lionnan vaihtoehdot...51

3.7 Yhteenveto ja pohdinta kiskonhionnan käyttömahdollisuuksista... 52

4 Rautatieliikenteen melu... 54

4.1 Ääni ja melu... 54

4.2 Rautatiemelun erityispiirteitä... 56

4.3 Kiskonhionnan vaikutus meluun... 58

5 Kenttätutkimus hionnan vaikutuksesta meluun...61

5.1 Mittausten tavoitteet...61

5.2 Tutkimusmenetelmä...62

5.3 Mittauskohteet ja -järjestelyt...66

5.4 Mittaustulokset... 71

5.5 Hionnan meluvaikutusten tarkastelu...82

6 Yhteenveto ja suositukset... 85

Lähteet... 88

Liitteet...91

Ratakiskojen liioilta ja hionnan vaikutus junaliikenteen meluun

(6)

K

äsitteitäja lyhenteitä jatkuvakiskoraide

liikkuva kalusto Mbrt

päällysrakenne raide

raiteen kallistus tukikerros

raide, jonka kiskot on hitsattu jatkuviksi

myös rautatiekalusto, kiskokalusto; veturit, vaunut, moottori junat ja työkoneet, jotka kxdkevat raiteella miljoonaa bruttotonnia, liikenteen määrän yksikkö, joka sisältää liikkuvan kaluston ja kuorman massan

radan osa, johon kuuluvat yksi tai useampi raide ja raiteen tukikerros

päällysrakenteen osa, johon kuuluvat kiskot, ratapölkyt,

kiskojen kiinnitysosat, kiskon jatkokset, vaihteet ja eräät raiteen erikoisosat

raiteen kiskojen kulkupintojen korkeusero kaarteissa

radan ylin rakennekerros, joka on ratapölkkyjen alla ja väleissä

6

(7)

Johdanto

1 JOHDANTO

Taustaa

Rata on rautatieliikenteen alusta. Radan on oltava sellaisessa kunnossa, että se täyttää liikenteen asettamat vaatimukset sillä hetkellä, kun liikenne rataa tarvitsee - yleensä ympäri vuorokauden, kaikkina vuoden päivinä. Taloudellinen radanpito vaatii kaikilta radan osilta mahdollisimman pitkää käyttöikää. Pitkä käyttöikä - rakenteiden jatkuva hyvä kunto - saavutetaan käyttämällä hyvälaatuisia materiaaleja, ehkäisemällä vikojen syntyä ja korjaamalla syntyneet viat huolellisesti. Tässä tutkimuksessa käsitellään ratakis

kojen hiontaa, joka on yksi niistä menetelmistä, joilla kiskojen käyttöiän pituuteen pyri

tään vaikuttamaan. Kiskojen käyttöikä vaikuttaa merkittävästi radanpidon taloudellisuuteen: kiskonvaihtotyö on kallista, se voi vaatia erikoistyökoneita ja työstä johtuvat viivästykset ja nopeusrajoitukset häiritsevät aina liikennettä.

Kunnossapitomenetelmänä kiskoilliionta on otettu käyttöön Yhdysvalloissa 1930-luvulla.

Silloin hiontaa käytettiin vain yksittäisten kiskoihin syntyneiden vikojen poistamiseen.

Hiontajunien tekninen kehitys kiihtyi 1950-luvulla, jolloin kehitettyjä laitteistoja alettiin kaupallistaa. Ensimmäiset automatiikkaa hyödyntäneet hiontajunat rakennettiin 1980-luvulla, minkä jälkeen kiskonhiontaa on pystytty käyttämään tehokkaasti kiskovikojen poiston lisäksi vikojen syntymisen ehkäisemiseen ja kiskojen kulumisen ohjaami

seen. (Zarembski 2005.)

Kiskonhiontaurakoitsijaa edustavan Heikki Pekarin mukaan Suomessa jatkuvakiskorai- teisten ratojen kiskoja on hiottu hiontajunalla säännöllisesti 1990-luvulta alkaen. Suo

messa hionta junia ei ole, joten radanpitäjä, Ratahallintokeskus (RH K), on ostanut hiontatyön ulkomaisilta alan yrityksiltä. (Haastattelu 15.12.2008.) Ratahallintokeskuksen ylitarkastaja Tuomo Viitalan mukaan liikenteen suuret nopeudet ja kuormat asettavat radan kunnolle jatkuvakiskoraiteilla tiukemmat vaatimukset kuin muilla raiteilla, joten muiden kuin jatkuviksi hitsattujen kiskojen hiomista ei ole katsottu edes tarpeelliseksi.

Kiskojen liiallinen hiominen on sekä kallista että kiskoille vahingollista, eikä hiominen välttämättä tuota erityistä etua, jos liikennemäärä on pieni, joten kiskoja ei ole hiottu edes kaikilla jatkuvakiskoraiteilla. (Haastattelu 27.2.2009.)

Suomessa perusradanpitoon eli radan ja sen laitteiden kunnossapitoon, liikenteen hal

lintaan, ylläpitoinvestointeihin, korvausinvestointeihin sekä näihin liittyviin suunnittelu

ja muihin töihin käytetty rahamäärä on pysynyt 2000-luvun ajan lähes samana, 300—

400 miljoonassa eurossa. Yleisen kustannusten nousun takia samalla rahalla saa vuosi vuodelta vähemmän. Radanpitäjän mukaan rahamäärän olisi oltava nykyistä suurempi, jotta rataverkon kunto pystyttäisiin pitämään hyvänä tai palauttamaan hyväksi (Ratahal

lintokeskus 2007). Nykytilanteessa syntyy korjausvelkaa toimista, joita ei rahoituksen puutteessa pystytä tekemään. Suonien rautateiden kunnossapitotyön perusteena on rata

verkon jako kunnossapitotasoihin. Tietoa ratojen kunnossapidosta, kunnossapitotasojen

7

(8)

Johdanto

määrittely sekä Suomen ratojen jakautuminen eri kunnossapitotasoille ovat tämän tut

kimuksen liitteinä (liite 1).

Kiskojen hiontaan on perusradanpidon rahoituksesta käytetty vuosittain noin kaksi mil

joonaa euroa. Suomen ratojen ensimmäisiin kiskonhiontoihin saatiin rahoitus osittain sen ansiosta, että hionnan tiedettiin vaimentavan junaliikenteestä aiheutuvaa melua.

Vaikka hionnan osuus kaikista radanpidon kustannuksista on pieni, vain runsaat 0,5 %, hionnalla voidaan melun vaimentamisen lisäksi pidentää kiskon käyttöikää ja ehkäistä vaarallisten kiskovikojen syntymistä.

Rautateillä käytettävät nopeudet ovat suuria, yhdessä junassa voi olla useita satoja mat

kustajia ja tavarajunat ovat raskaasti kuormattuja. Virheillä ratojen kunnossapidossa voi olla kohtalokkaita seurauksia. Matfieldissä, Iso-Britanniassa tapahtui vuonna 2000 neljän ihmisen hengen vaatinut ja yli 70 henkilön loukkaantumiseen johtanut onnettomuus, jossa matkustajajuna suistui kiskoilta 185km/h:n nopeudessa. Onnettomuuden välitön syy oli materiaalin väsymisen takia murentunut kisko. Kiskojen kunnossapidon laimin

lyönnistä koitui huomattavia aineellisia vahinkoja ja korvaamattomia ihmishenkien me

netyksiä, vaikka ei voidakaan sanoa, olisiko tässä tapauksessa kiskojen hiominen estänyt murtumien syntymisen. Huolellinen kunnossapito on rautateillä siten myös tärkeä tur

vallisuustekijä.

Viime vuosina eri puolilla maailmaa on alettu kiinnittää yhä enemmän huomiota ympä

ristön tilaan. Erityisiä huolenaiheita ovat olleet energian tuotantoon liittyvät kysymykset ja ilmaston muuttuminen, joihin kytkeytyvät ihmiskunnan aiheuttamat hiukkas- ja hiili

dioksidipäästöt. Yhteiskunnan välttämättömien toimintojen järjestämiseen on haluttu löytää ympäristöystävällisiä ja energiatehokkaita prosesseja. Ihmisten ja tavaroiden siir

tämisellä paikasta toiseen on perinteisesti ollut haitallisia ympäristövaikutuksia, joiden vähentämiseksi on erityisesti Euroopassa suosia ja kehittää energiatehokasta rautatielii

kennettä. Kuitenkin kaupungistumisen seurauksena ihmiset ovat asettuneet asumaan yhä tiiviimmin erityisesti liikenneväylien varsille. Liikenteen melusta on tullut tärkeim

piä ympäristöhaittoja, ja liikenteen lisääntyessä ja asutuksen tiivistyessä melusta kärsii aiempaa useampi. Siksi liikennemelun torjunta, myös raideliikenteen melun, on tärke

ässä osassa kaikessa liikenteen kehittämisessä.

Ongelman asettelu

Rajallisten resurssien takia kiskojen kiskonhionnasta on pyrittävä saamaan suurin mah

dollinen hyöty, joten on osattava löytää kohteet, joissa hionta on tarpeellisinta. Suomessa on laadittu kiskojen hionnalle tekniset toimitusehdot ja laatuvaatimukset, mutta hiontakohteiden valintaan ei ole ohjeita.

Kokemukset ja ulkomailla tehdyt tutkimukset ovat osoittaneet, että hionta vaimentaa junaliikenteen melua (esimerkiksi Dings 2000; Danneskiold-Samsøe 2004; Hartleben 2003). Lisäksi käytännön kokemus on osoittanut, että kiskojen hiomisen jälkeen junien melu muuttuu ujeltavaksi kiskon pintaan jäävän epätasaisuuden takia. Vaikka kiskojen hiominen on aloitettu Suomessa osin meluntorjunnan takia, varsinaisesti hionnan me

luvaikutuksia ei ole täällä tutkittu aiemmin. Tarkemman tiedon puuttuessa hionnan 8

(9)

Johdanto

käytölle meluntorjuntakeinona ei ole ollut arvioitavissa olevaa perustetta, ja melutekijät on voitu ottaa hioutakohteideu valinnassa huomioon vain kokemusperäisesti ja ulko

maisten selvitysten tukemana. Kiskonhionnan tehokkuuttakaan meluntorjunnassa ei ole voitu arvioida, eikä verrata esimerkiksi meluesteisiin.

Tutkimuksen tavoitteet ja sisältö

Tämän tutkimuksen tavoitteena oli tutustua kiskonhionnan tekniikkaan ja menetelmiin sekä sen pohjalta selvittää periaatteita, joita voitaisiin käyttää kiskonhiontakohteiden valinnassa Ratahallintokeskuksen rataverkolla.

Tutkimuksen toisena tavoitteena oli selvittää Suomessa käytettävän hiontatekniikan vai

kutusta junaliikenteen aiheuttamaan meluun, jotta käytännön kokemuksille saataisiin kvantitatiivista vahvistusta ja hionnan käyttökelpoisuutta yhtenä meluntorjunnan mene

telmänä voitaisiin arvioida. Työssä pyrittiin todentamaan melun vaimeneminen vertaile

villa mittauksilla. Mittauksilla tutkittiin myös junien äänen taajuusjakautuman eli spektrin muuttumista, sillä hionnan jälkeisen junien ujeltavan äänen oletettiin näkyvän mittauksissa korkeiden taajuuksien korostumisena.

Tutkimusmenetelmät ja aiheen rajaus

Tutkimuksessa perehdyttiin hionnan tekniikkaan ja menetelmiin kirjallisuuden ja haas

tatteluiden avulla. Tutkimuksessa käsitellään lyhyesti myös raideliikenteen melun yleisiä ominaisuuksia kirjallisuuden perusteella. Hionnan aiheuttamaa melun muuttumista tutkittiin kenttämittauksin, joita tehtiin kolmessa kohteessa syksyllä 2008 ja keväällä 2009, ennen ja jälkeen kiskojen hionnan.

Kiskoja hiotaan sekä konepajaoloissa että käyttöpaikallaan raiteessa. Kiskojen jatkos- ja päällehitsit hiotaan aina hitsauksen yhteydessä käsikäyttöisillä työvälineillä. 'I ässä tutki

muksessa kiskonhionnalla tarkoitetaan kuitenkin raiteessa olevien kiskojen hiomista hiontajunilla, joissa on useita hiomakiviä. Rautatievaihteiden hionta sekä kiskojen höy

läys ja jyrsintä jätettiin tutkimuksen ulkopuolelle. Kiskojen tai pyörien materiaalitekni

siin seikkoihinkaan ei tutkimuksessa syvennytty.

Tulokset

Tutkimuksessa laadittiin kooste sellaisista kiskojen ongelmista ja niiden taustoista, joihin hionnalla voidaan vaikuttaa, sekä esitetään suosituksia keinoista, joilla voitaisiin kehittää kiskonhionnan tarpeen arviointia Ratahallintokeskuksen rataverkolla.

Melumittausten tuloksista määritettiin melutason alenemisen määrä eri tavalla liiken

nöityjen ratojen varsilla sekä osoitettiin junien ohiajoäänen spektrin muutokset junien ujeltavan äärien ominaisuuksien ja synnyn selvittämiseksi.

9

(10)

Ratakiskot ja kiskojen käyttöikä

2 R

atakiskotja kiskojen käyttöikä

2.1 Kiskonhionnan mahdollisuudet

Kiskoilliionnan perustavoite on parantaa radanpidon taloudellisuutta pidentämällä kis

kon käyttöikää. Kiskojen käyttöikää lyhentävät kuluminen, väsyminen ja vikaantuminen, jotka kaikki ovat liikenteen aiheuttamia luonnollisia ilmiöitä, joissa junien pyörien kos

ketus kiskoon on keskeisessä osassa. Kiskoissa voi olla myös valmistusvirheitä, jotka joh

tavat kiskon ennenaikaiseen vikaantumiseen, tai ratarakenteessa voi olla ongelmia, jotka vaikuttavat välillisesti myös kiskoihin.

Kiskonhionnalla voidaan ohjata kiskon kulumista muuttamalla pyörän ja kiskon koske

tuskohtaa, vaikuttaa väsymiseen pienentämällä kiskon ja pyörän kosketuspainetta sekä poistaa vikoja kiskon pinnalta. Kiskon profiilin eli poikkileikkausmuodon muuttaminen luomalla voi parantaa myös kiskokaluston kulkuominaisuuksia. Hionta tasoittaa kiskon, minkä seurauksena myös kiskon ja pyörän kosketuksessa syntyvä melu vaimenee. Tämän ominaisuuden johdosta melun vaimentaminen on joskus jopa kiskonhionnan ensisijai

nen tavoite. Kiskon tasaisuus vaikuttaa kulkuvastuksen pienenemisen kautta myös rauta

tieliikenteen energiankulutukseen (Zarembski 2005 s. 233-234).

Taulukkoon 1 on koottu kiskonhionnan käyttömahdollisuuksia. Seuraavissa kappaleissa käsitellään ratakiskoja yleensä sekä esitellään kiskojen käyttöikään vaikuttavia ilmiöitä, erityisesti kiskovikoja sekä kiskon ja pyörän kosketusta. Kiskojen valmistukseen tai rata- rakenteen ominaisuuksiin ei perehdytä. Kiskonhionnan periaatteita ja tekniikkaa käsitel

lään tarkemmin luvussa 3.

10

(11)

Taulukko 1. Kooste kiskon käyttöikään vaikuttavista seikoista ja kiskonhionnan mahdollisuuksista

Käyttöikää rajaava tekijä Tausta Kiskonhionnan vaikutus

kiskon kuluminen

liikenteen aiheuttamaa, kiskon ja pyörän kosketuksessa syntyvää kiskoprofiilin muuttumista

pieni kulumisen ohjaus ja ehkäisy mahdollista

kiskon väsyminen

kiskon ja pyörän kosketuksessa esiintyvien

rasitusten aiheuttamaa

matalien väsymissäröjen poisto ja syntymisen ehkäiseminen mahdollista

pintaviat:

aallonmuodostus, ympärilyönnit,

sälöily ym.

kiskon väsymisilmiöt, radan ja kaluston vuorovaikutus (kiskon ja pyörän kosketus,

kulkudynamiikka)

matalat viat poistettavissa ennen vikojen pahenemista; kiskon

tasoittumisella meluvaikutus

kiskoon kohdistuneet iskut

kuljetuksessa, asennuksessa tai muussa käsittelyssä

syntyneitä vikoja

pienet kolhut poistettavissa kulkupinnalta ja hamaran

reunoilta

kiskojen valmistus

valssauksessa syntyneitä pitkiä aaltoja tai rakenteellisia vikoja

vähäinen vaikutus, joidenkin vikojen kehittymisen hidastaminen

ehkä mahdollista

ratarakenne

paksuudeltaan tai materiaaliltaan epätasaiset

rakennekerrokset, epätasainen painuminen

ei vaikutusta

2.2 Ratakiskot

Historiaa

Kiskoja on käytetty pyöräkulkuneuvojen kulkusuunnan ohjaamiseen jo vuosisatoja. En

simmäiset ratakiskot olivat puisia, ja kiskoja pitkin liikuteltiin vaunuja ihmis- tai eläin- voimin esimerkiksi kaivoksissa. Puisia kiskoja päällystettiin 1700-luvulla metallilevyillä, minkä seurauksena vaunut alkoivat kulkea herkemmin ja kiskot kestivät paremmin. Lä

(12)

peensä metallisia kiskoja valmistettiin jo 1800-luvulla. Nykyisin ratakiskot valmistetaan teräksestä valssaainalla.

Kiskoprofiilit

Kiskoprofiililla tarkoitetaan kiskon poikkileikkausmuotoa. Kuvassa 1 on esimerkki ylei

simmin käytetyn leveäjalkaisen kiskon poikkileikkauksesta. Kuvaan on merkitty myös kiskon eri osien nimitykset, joita myös tässä tutkimuksessa käytetään. Kulkureunaksi kutsutaan sitä kiskon hamaran reunaa, joka on raiteen keskilinjan puolella. Raiteella liikkuvan kaluston pyörien laipat kulkevat kiskon kulkureunan puolella. Ulkoreunaksi kutsutaan sitä puolta, joka ei ole kulkureuna.

selkä, kulkupinta ulkoreuna

kulkureuna

(keskilinjan puolella) hamara -

varsi ^-s

Kuva 1. Ratakiskon poikkileikkausmuoto ja osien nimitykset

Erilaisia kiskoprofiileita eli kiskon poikkileikkauksen muotoja on ollut maailman rauta

teillä käytössä lukemattomia. Nykyisin kiskoprofiileja on standardoitu, mutta radoilla on yhä käytössä paljon vanhoja, standardoimattomia kiskoprofiileita. Suomessa noudatetaan yleistä eurooppalaista standardia SFS-EN 13674-1 liitteineen (Suomen standardoimis

liitto 2008a). Tämä standardi määrittelee 22:n eri kiskoprofiilin muodon. Standardin mukaiset profiilit nimetään niin, että tunnuksen ensimmäinen luku kertoo kiskon pi- tuusmassan likimääräisen kokonaisosan, seuraavana on kirjain 'E', ja viimeisenä on pro

fiilin versionumero. Esimerkiksi kiskoprofiili, jonka pituusmassa on 54,77 kg/m, on tunnukseltaan 54 E 1. Suomen rautateillä käytetyt standardiprofiilit, jotka ovat myös ainoat nykyisin Suomeen hankittavat kiskoprofiilit, ovat 54 E 1 ja 60 E 1 (kuvat 2 ja 3).

Näiden profiilien tarkat poikkileikkausmitat on esitetty tutkimuksen liitteessä (liite 2).

Suomen rautateillä on yhä paljon kiskoja, jotka eivät ole eurooppalaisen kiskostandardin mukaisia, mutta ne poistuvat rataverkolta sitä mukaa kuin ne eivät enää täytä liikenteen vaatimuksia.

Kiskot on luokiteltu profiilin lisäksi teräslaadun ja mahdollisen erikoiskäsittelyn mukaan.

Tarkempaa tietoa tästä on tutkimuksen liitteenä (liite 4).

12

(13)

70

Kuva 2. Profiilin 54 E 1 poikkileikkauksen pää- mittoja [millimetreinä]

72

Kuva 3. Profiilin 60 E 1 poikkileikkauksen päämit- toja [millimetreinä]

Raide

Raide on radan päällysrakenteen osa, johon kuuluvat ratakiskot, ratapölkyt, ratakiskojen kiinnitys- ja jatkososat, vaihteet sekä raiteen erikoisrakenteet, kuten esimerkiksi suojakis- kot ja päätepuskimet. Raiteet voidaan jakaa käytettyjen kiskojen pituuden perusteella lyhytkiskoraiteisiin (Lk-raiteet), pitkäkiskoraiteisiin (Pk-raiteet) ja jatkuvakiskoraiteisiin (Jk-raiteet). Lyhytkiskoraitcilla yksittäisten kiskojen pituudet ovat enintään 25 metriä ja pitkäkiskoraiteilla 25-50 metriä. Jatkuvakiskoraiteilla kiskojen pituudet ovat vähintään 300 metriä.

Peräkkäiset kiskot yhdistetään toisiinsa kiskon jatkoksin. Lyhyt- ja pitkäkiskoraiteissa käy

tetään sidekiskojatkoksia, joissa kiskon varren molemmin puolin pannaan teräsprofiilit, jotka pukataan kiskon vartta vasten varteen tehtyjen reikien läpi. J atku vakiskora i te issa kiskot hitsataan kiinni toisiinsa.

Raideleveydeksi kutsutaan lyhyintä raiteen kiskojen kulkureunojen välistä etäisyyttä, joka esiintyy 0-14 mm kiskon kulkupinnan alapuolella (kuva 4). Suomen rautateillä nimel- lisraideleveys on 1524 millimetriä. Sallittu poikkeama nimellisiin tasta määräytyy radan kunnossapitotason mukaan. Esimerkkejä sallituista raideleveyden poikkeamista on tau

lukossa 2, jossa ovat uusien ja uudistettujen raiteiden vastaanottoajat. Rajat ovat samat kuin tavanomaisen radan tarkastuksen C-luokan virheen rajat (Ratahallintokeskus 2005).

Radantarkastusta käsitellään enemmän kappaleessa 3.4. Raideleveyden levenemä saa

13

(14)

olla suurempi kuin raideleveyden kapenema. Tämä johtuu kaluston kulkudynamiikasta, jota käsitellään tarkemmin kappaleessa 2.3.2.

Raideleveys 1 524 mm

Kuva 4. Raideleveys (Ratahallintokeskus 2005)

Taulukko 2. Kunnossapitotasojen mukaiset raideleveyden vastaanottorajat millimetreinä uusille ja uudiste

tuille raiteille (Ratahallintokeskus 2005)

IM IA

] 1

Cunnoss 2

apitotasc

3 4 5 6

Raideleveyden

levenemä [mm] 3 3 8 10 12 12 12 12

Raideleveyden

kapenema [mm] 3 3 4 4 4 4 4 4

Valmiissa raiteessa kiskot eivät ole pystysuorassa vaan kallistettuina raiteen keskilinjaa kohti. Suomessa kiskonkallistus on 1:40, mutta 1:20 raiteilla, joilla on puiset ratapölkyt sekä naula- tai ruuvikiinnitys. Kiskonkallistus parantaa raiteilla liikkuvan kaluston kul- knominaisuuksia.

2.3 Kiskojen käyttöikä

2.3.1 Yleistä kiskojen käyttöiästä

Kiskojen käyttöikää, sen pituutta tai päättymishetkeä, ei voi määritellä yksiselitteisesti.

Kiskojen voidaan sanoa olevan käyttöikänsä päässä, kun kiskon kunto ei enää salli suu

rimman akselipainokohtaisen nopeuden käyttämistä kiskojen sijaintipaikalla. Sama kisko voisi kuitenkin olla vielä käyttökelpoinen muissa kohteissa, kuten vähäliikenteisillä ra

doilla, ratapihojen sivuraiteissa tai teollisuusalueilla, joissa vaatimukset eivät ole yhtä tiukat ja nopeudet ovat alemmat.

Kiskojen käyttöikää rajoittavat erityisesti väsyminen, kuluminen, kiskoihin esimerkiksi käsittelyn tai kiinnittämisen aikana tai viallisen pyörän takia kohdistuneet iskut, ylikuor

ma, hitsausvirheet ja pyörien aiheuttamat pintaviat. Myös radan rakennekerrosten omi- 14

(15)

liaisuuksilla on vaikutusta: kiskojen käyttöikää lyhentävät paksuudeltaan tai materiaalil

taan vaihteleva tukikerros tai koko radan epätasainen painuminen. (Ratahallintokeskus 2002b.)

Kiskoille on määritelty ohjeelliset vaihtorajat, jotka ovat 54 E 1 -kiskoille 300 Mbrt ja 60 E 1 -kiskoille 450 Mbrt (Ratahallintokeskus 2002b). Kiskot saatetaan joutua vaihta

maan jo ennen näitä liikennemääriä, jos kiskoissa on vahnistusvikoja tai ne altistuvat tavallista suuremmalle kulumiselle tai väsymiselle. Kiskot voivat myös säilyä hyväkuntoi

sina ohjeaikoja kauemmin.

Ratakiskojen hiominen pidentää kiskojen käyttöikää kiskovikojen poistamisen sekä kisko

jen ja pyörien kosketusolojen parantamisen kautta. Zarembski (2005) viittaa tutkimuk

siin, joissa kiskon käyttöikäodotns raskaasti liikennöidyillä radoilla on saatu hionnan avulla kasvamaan 50-300 %, suoralla radalla yli 1000 Mbrtdin.

Pyörän profiililla eli poikkileikkausmuodolla on erityinen merkitys kiskon ja pyörän kos

ketuksessa, jonka eri ilmiöt ovat keskeisiä kiskon kunnon muuttajia. Siksi seuraavissa kappaleissa perehdytään kiskojen ja pyörien kosketuksen ominaisuuksiin.

2.3.2 Liikkuvan kaluston pyörät Pyöräprofiili

Laipalliset pyörät ohjaavat rautatiekaluston kulkemaan raidetta pitkin. Kokonaisuutta, jossa kaksi pyörää on kiinnitetty toisiinsa jäykällä akselilla, kutsutaan pyöräkerraksi.

Suomalaisessa kiskokalustossa, kuten yleisesti muuallakin Euroopassa, käytetään stan

dardissa SFS-EN 13715 määriteltyä pyöräprofiilia S 1002. Suomessa käytettävä laipan paksuus on 32,5 mm ja laipan korkeus 28 mm. Kuvassa 5 on esimerkki S 1002 -pyöräprofiilista sekä pyöräkerrasta raiteella. S 1002 -profiili on niin sanottu ku- lumisprofiili, eli se vastaa muodoltaan alun perin kartion muotoista pyörää, joka on ku

hmut tavallisesti. (Esveld 2001). Tästä huolimatta useimmiten teoreettisissa tarkasteluissa käytetään yksinkertaisuuden vuoksi kartioprofiilia, eli pyörää käsitellään katkaistuna suorana ympyräkartiona.

Suomen rautateillä liikkuu rautatiekalustoa, joka on Venäjällä sekä muutamissa Itä- Euroopan ja Keski-Aasian valtioissa noudatettavien GOST-standardien mukaista. Tässä kalustossa myös pyöräprofiilit poikkeavat Euroopan standardoimisjärjestön (CEN) EN- standardien mukaisista profiileista.

15

(16)

Kuva 5. Esimerkki S 1002 -pyöräprofiiilin muodosta (mitat millimetreinä) sekä pyöräkerrasta raiteella

Kiskojen ja pyörien materiaalien on oltava materiaalien kulumisen kannalta keskenään yhteensopivia. Euroopan komission hyväksymä liikkuvan kaluston yhteentoimivuuden tekninen eritelmä (Euroopan komissio 2002) inääritteleekin, että pyörissä käytetyn mate

riaalin Brinellin kovuuden on oltava koko pyöränkchän kulutuspinnan alueella vähin

tään 245.

Kisko-pyörä-yhteys

Kiskon ja pyörän kosketuskohdan geometria ja kosketuksesta syntyvät ilmiöt aiheuttavat sekä kiskojen että pyörien kulumista ja muodonmuutoksia. Kiskon ja pyörän kontakti on siten keskeinen kiskon käyttöikään vaikuttava tekijä. Kisko-pyörä-yhteys on yleisnimitys tämän kontaktin ilmiöille.

Kuvassa 6 on esitetty seuraavia kisko-pyörä-yhteyteeii liittyviä käsitteitä ja suomalaisessa rautatiekalustossa käytettäviä mittoja:

- Pyörän kulkupinta on se pyörän alue, joka on kosketuksissa kiskon kanssa.

- Pyörän kulkuympyrä on se pyörän kulkupinnalla oleva viiva, joka kulkee pyörän ympäri kiskon ja pyörän kosketuskohdan kautta. Keskimääräinen knlkuympyrän säde on kohdassa, joka on 70 mm etäisyydellä pyörän sisä

pinnasta.

- Pyöräväli on pyörien sisäpintojen etäisyys.

16

(17)

- Pyöräkerran raideleveysinitta on pyörien laippojen pintojen etäisyys kohdas

sa, joka on 10 mm pyörän keskimääräisen kulknympyrän ulkopuolella. Pyö

räkerran raideleveysinitta on pienempi kuin raideleveys.

- Raidevälys on pyöräkerran raideleveysmitan ja raideleveyden ero. Se on siis raiteella kulkevan pyöräkerran sivusuuntainen liikkumisvara.

töiden väli e=l 585 i 1445

Kulkupinta

Pyöräkerran raidbleveysmitta 1511 Raidevälys

Raidelevfeys 1524

Kiskon kaltevuus

1:40 (60E1-ja 54E1-kiskoille) 1:20 (muille kiskoille)

Kuva 6. Pyöräkerran ja raiteen käsitteitä ja suomalaisessa rautatiekalustossa käytettäviä mittoja (Ratahal

lintokeskus 2000). GOST-standardien mukaisessa kalustossa mitat poikkeavat kuvassa esitetystä.

Kulkudynamiikkaa

Kiskokaluston pyörien profiili on kartiomainen. Jos eteenpäin liikkuvaa pyöräkertaa poikkeutetaan sivusuunnassa, eli pyöräkerran symmetriataso poikkeaa raiteen keskilinjal

ta, pyörien kulkuympyröiden säteet ja piirit muuttuvat. Kulkuympyrä piteuee siinä pyö

rässä, jonka laippa ajautuu lähemmäs kiskoa, ja lyhenee toisessa pyörässä. Koska pyörät on yhdistetty toisiinsa jäykällä akselilla, niiden pyörimisnopeus on sama. Tämän seura

uksena pyörät etenevät eripituiset matkat, ja sivulle poikkeutettu pyöräkerta pyrkii kään

tymään takaisin kohti raiteen keskilinjaa. Kaarteissa pyöräkerta kääntyy kaarteen suuntaan. Pyöräkerta joutuu siis jaksolliseen poikittaiseen liikkeeseen, jota kutsutaan pyöräkerran painopisteen liikkeen muodon johdosta pyöräkerran siniliikkeeksi. Siniliik-

17

(18)

keen amplitudia rajoittaa käytännössä raidevälys (kuva 7). Klingel määritteli tämän liik

keen teoreettisesti jo 1880-luvulla (Esveld 2001).

on

><D

"5

Kuva 7. Pyöräkerran siniliike raidevälyksessä. Siruliikkeen amplitudi on y0 ja aallonpituus L. (Ratahallinto

keskus 2000.)

Todellisessa tilanteessa pyöräkerran siniliikkeen amplitudiin vaikuttavat junan nopeus ja pyörän kartiokkuus (Esveld 2001). Mitä suurempi on nopeus, sitä suurempi on siniliik

keen amplitudi. Kun amplitudi kasvaa suoralla radalla raidevälyksen puolikkaan suurui

seksi, pyörän laippa osuu kiskoon. Tällöin harmoninen siniliike häiriintyy ja muuttuu äkisti hyvin epävakaaksi: liikkeen sinimuoto muuttuu sahalaitaiseksi, liikkeen aallonpi

tuus lyhenee ja taajuus kasvaa. Tästä syystä liian pieni raidevälys on vaarallisempi kuin liian suuri, mikä on otettu huomioon raideleveyden hyväksyttäviä poikkeamia määritel

täessä (vrt. taulukko 2). Jyrkissä kaarteissa pyörien kulkuympyröiden säteiden ero ei vält

tämättä riitä ohjaamaan pyöräkertaa kaarteen suuntaiseksi. Jos raiteen kallistuskaan ei riitä pitämään pyöräkertaa keskellä raidetta, pyörän laippa osun kiskoon, mikä kuluttaa kiskoa sivusuunnassa suoraa raidetta tai loivaa kaarretta enemmän.

Junien kulkuominaisuuksien tarkastelussa puhutaan usein ekvivalenttisesta kartiokkuu- desta, joka tarkoittaa kartiokkuutta, jolla siniliikkeen teoreettinen aallonpituus olisi sama kuin todellisuudessa havaittu aallonpituus. Ekvivalenttiseen kartiokkuuteen vaikuttaa pyörän ja kiskon kosketuskohdassa pyörän profiilin lisäksi kiskon muoto.

Kiskon ja pyörän kosketus

Hertz julkaisi vuonna 1882 teorian kahden elastisen, säännöllisen kaarevapintaisen kap

paleen kosketukselle. Teoriaa voidaan käyttää myös kiskon ja pyörän kosketuksen yksin

kertaistettuun tarkasteluun. Hertzin teorian mukaan kontaktissa tapahtuvan palautuvan muodonmuutoksen seurauksena kosketuspinta on ellipsi. Kosketuspinnan koon ja muo

don määrittelevät kiskon ja pyörän tapauksessa kosketuksen normaalivoiman suuruus sekä kiskon ja pyörän pintojen pyöreydet kosketuskohdassa. (Esveld 2001.)

Yhdellä akselilla on kaksi pyörää, joten laskennallinen pyöräpaino saadaan jakamalla akselipaino kahdella. Kari Ojanperä on luennollaan Teknillisessä korkeakoulussa kui

tenkin huomauttanut, että rautatievaunujen kuorma ei ole koskaan aivan keskellä vau

nua, joten todellisuudessa kalustoyksikön kaikilla pyörillä ei ole täsmälleen samaa 18 Ratakiskojen liioilta ja hionnan vaikutus junaliikenteen meluun

(19)

kuormaa. Myös kaluston pyörästön jousitus ja muut rakenteelliset tekijät vaikuttavat kuormien jakautumiseen eri pyörille. (Luento 18.3.2008.)

Useimmilla Suomen rataosilla kalustolle sallitaan 225 kN:n akselipaino. Joillakin radoil

la saa käyttää 250 kN:n akselipainoa. Esimerkiksi Pohjois-Amerikassa, Australiassa, Brasi

liassa, Etelä-Afrikassa ja Ruotsissa sallitaan joillakin radoilla vielä suurempia akselipainoja, 300-355 kN (Zarembski 2005). Suomessakin on selvitetty 300kN:n akse

lipainojen käytön edellytyksiä.

Kiskon ja pyörän kosketuspintojen alat vaihtelevat kevyen tai pienipyöräisen kaluston alle 0,5 emästä raskaimmin kuormattujen vaunujen yli 3 enV:iin (Esveld2001; Liclit- berger2005). Kiskon ja pyörän välinen kosketuspaine voi olla yli 1000 MPa. Tämä on suurempi kuin tavanomaisten rakenneterästen vetokokeessa määritetty myötölujuus.

Toistuvien kuormituskertojen myötä kiskoihin tulee pysyviä muodonmuutoksia, jotka kuitenkin johtavat kosketuspinnan tuntumassa olevan teräksen lujittumiseen. Prosessia kutsutaan muokkauslujittumiseksi. Zarembskin (2005) mukaan lujittunut pintakerros voi olla noin 4 mm paksu, ja kovuuden suurin arvo on 1-1,5 mm kiskon kulkupinnan alapuolella. Muokkauslujittumisen seurauksena kisko alkaa kestää kuormituksia muut

tamatta pysyvästi muotoaan (Lichtberger 2005). Kisko ei silloinkaan siedä miten suuria rasituksia tahansa, vaan jonkin metallin ominaisuuksien määrittelemän rajan yläpuolella jokainen kuormituskerta aiheuttaa pienen pysyvän muodonmuutoksen, ja kiskoon alkaa kehittyä pieniä murtumia (Lichtberger 2005).

Kiskon ja pyörän kosketuspinnassa tapahtuu osittaista vierimistä ja osittaista liukumista.

Kosketuksen luonnetta kutsutaan toisinaan ryöminnäksi (engl. creepage). Toisinaan kiskon ja pyörän välinen kitka on liian vähäinen, jolloin kiihdyttävän veturin pyörät suti

vat (ympärilyönti) tai jarruttavan kalustoyksikön pyörät lukkiutuvat. Edellisessä tilantees

sa kiskojen vioittuminen on todennäköistä, jälkimmäisessä pyöreään pyörään tulee tasainen kohta. Pyörää, jonka kaarevalle kulkupinnalle on syntynyt taso, kutsutaan lovi- pyöräksi. Pyöriessään lovipyörä aiheuttaa kiskoihin ylimääräistä rasitusta ja synnyttää erityistä jyskyttävää melua.

Kuvassa 8 on esimerkkejä mahdollisista kiskon ja pyörän kosketuksista eri tilanteissa.

Edellä käsiteltiin tavallista tapausta, jossa kisko ja pyörä koskettavat yhdellä yhtenäisellä alueella, kuten kuvassa 8a. Tällainen yhden pisteen kontakti esiintyy aina suoralla rai

teella, kun kiskot tai pyörät eivät ole erityisen kuluneet. Kaarteissa sekä kuluneiden kis

kojen ja pyörien välillä kosketuskohtia voi olla kaksi. Kahden pisteen kontaktissa kosketusvoima jakautuu kiskoon eri tavalla kuin yhden pisteen kontaktissa. Kahden pis

teen kontaktilla voi olla vaikutusta myös pyöräkerran kulkuominaisuuksiin raiteella.

19

(20)

Kuva 8. Kiskon ja pyörän kosketuskohtia eri tilanteissa:

a) tavallinen yhden pisteen kontakti

h) yhden pisteen kontakti kuluneen kiskon ulkoreunan lähellä c) yhden pisteen kontakti kuluneen kiskon kulkureunan tuntumassa d) yhden pisteen kontakti kiskon ulkoreunalla kuluneen pyörän takia e) kahden pisteen kontakti kiskon ja kuluneen pyörän välillä

f) tavallinen kahden pisteen kontakti esimerkiksi ulkokaarteen puoleisessa kiskossa

Pyörien kuluminen

Pyöräprofiili ei pysy alkuperäisenä pyörää käytettäessä vaan muuttuu luouuollisen kulu

misen ja muodonmuutosten takia. Kuluminen on voimakkainta niissä pyörän kohdissa, jotka koskettavat kiskoon useimmin. Siksi koveraksi kulunut pyörän kulkupinta, jollai

nen on kuvissa 8d ja 8e, sekä ohentunut laippa ovat yleisiä pyöräprofiilin kulumismuoto- ja (Iwnicki 2006). Koveraksi kuluneen pyörän ulkoreunaan muodostuu eräänlainen toinen laippa, jolloin pyöräkerran ohjautuvuus raiteella huononee, koska pyörä on kar-

20

(21)

ti okas väärään suuntaan. Koveraksi kulunut pyörä lisää junan suistumisen mahdollisuut

ta (Ivvnicki 2006). Pyörien ja kiskojen kulumista voidaan vähentää esimerkiksi kaarrekis- kojen tai pyöränlaippojen voitelulla.

Kiskokaluston jarrujen rakenteella on myös oma vaikutuksensa pyörien kulumiseen ja pyörien pinnan epätasaisuuksiin. Tönkkäjarrut, joissa pyörää jarrutetaan pyörän kulkupintaa vasten painautuvalla jarruanturalla, kuluttavat pyörää eniten. Levyjarrut, joissa pyöräkerran akselilla on erillinen jarrulevy, ovat pyörien kulumisen kannalta paremmat.

Suomessa käytettävissä henkilövaunuissa on yleensä levyjarrut ja tavaravaunuissa tönkkä

jarrut.

2.3.3 Kiskojen kuluminen ja muodonmuutokset

Vaikka kiskokaluston pyöräprofiili ja käytettävät kiskoprofiilit on valittu sopimaan yh

teen, kiskot kuluvat silti. Kaikki kiskot kuluvat korkeussuunnassa, mutta kuluminen ei ole kovin nopeaa. Voimakkainta kiskojen kuluminen on radan kaarteissa, joissa pyörien laipat usein koskettavat kiskoa. Tämä kuluttaa kiskon kulkureunaa sivusuunnassa.

Korkeussuuntainen kuluminen on melko suoraan verrannollinen radalla kulkeneen liikenteen määrään: jos pyöränlaippoja voidellaan, kisko kuluu korkeussuunnassa noin 1 mm / 100 Mbrt liikennettä, ja jos laippoja ci voidella, kisko kuluu 1-2 mm / 100 Mbrt.

(Esveld 2001.)

Kiskojen kulumiseen kaarteissa vaikuttavat esimerkiksi kiskon ja pyörän väliset kosketus

kohdat, kiskoteräksen kovuus, kaarteen säde ja raiteen kallistus, kaluston akselipainot sekä kiskon tai laippojen voitelu. Siksi kiskojen kuluminen kaarteissa vaihtelee paljon:

jyrkissä kaarteissa sivukuluminen voi olla suurta, koska pyörien laipat osuvat kiskoon, ja loivissa kaarteissa sivukulumista ei välttämättä ole ollenkaan.

Materiaali ei välttämättä hierry irti kiskosta vaan voi myös siirtyä. Aineen siirtymisestä johtuva kiskon poikkileikkausmuodon muuttuminen on tavallista kaarteiden ulkokiskojen kulknreunoissa, joissa laipan ja kiskon suhteellinen liike ja suuri kosketuspaine ai

heuttavat aineen siirtymistä. Silloin kiskoon syntyy kieleke eli purse pyöränlaipan kosketuskohdan alapuolelle. Kaarteiden sisäkiskoissa pyörän ja kiskon kosketuskohta voi siirtyä kohti kiskon ulkoreunaa, jolloin vastaava purse syntyy kiskon ulkoreunan ylä

osaan. Purseiden muodostumista on havainnollistettu kuvassa 9.

21

(22)

ulkokisko sisäkisko

Kuva 9. Esimerkkikuva aineen siirtymisestä johtuvista purseista kaarrekiskoissa. Kiskon standardiprofiili katkoviivalla.

2.3.4 Kiskoviat

Kiskoviat voidaan jakaa pintavikoihin, jotka esiintyvät kiskon kulkupinnalla tai hamaran rennoilla, ja sisäisiin vikoihin, jotka esiintyvät muualla kiskossa. Monet kiskoviat aiheut

taa toistuvista pyörien ylityksistä johtuva, kiskon ja pyörien kosketuskohdassa esiintyvä vieri n täväsym i n en (engl. rolling contact fatigue). Kiskojen hionnalla voidaan poistaa vain pintavikoja, mutta hiomalla tasoitettuun ja muotoiltuun kiskoon kohdistuvat rasi

tukset ovat pienempiä, joten hiomisella saattaa olla sisäistenkin vikojen kehittymistä ehkäisevä vaikutus. Vioittuneet kiskot kestävät ehjää kiskoa huonommin tavanomaisia kuormituksia, kuten liikennekuormia ja kiskon pituussuuntaisia lämpövoimia. Useat kiskoviat voivat johtaa kiskon murtumiseen tai katkeamiseen, joten vikojen havaitsemi

nen ja korjaaminen ajoissa on tärkeää.

Säröt

Kiskon vierintäväsymisestä johtuvia säröjä voi esiintyä kaarteiden ulkokiskojen kulkureunassa, suorilla molempien kiskojen kulkureunoissa tai kiskojen kulkupinnoilla yleen

sä. Säröt kasvavat kiihtyvällä vauhdilla, aluksi loivasti kiskon sisään. Myöhemmin särön kasvu voi kääntyä ylös, mistä seuraa hipun tai sälön lohkeaminen irti kiskon kulkureu- nasta tai -pinnasta (kuva 10). Särön kasvusuunta voi kääntyä myös alas, jolloin kiskon katkeamisen vaara on suuri. Vesi tai voiteluaine voi nopeuttaa särön kasvua, sillä säröön puristuvat nestemäiset aineet aiheuttavat säröä avaavaa painetta, kun pyörät kulkevat särön yli. Eräitä tavallisia säröjä ovat kulkureunan vicrintäväsymissäröt (engl. head checks), joita voi syntyä enemmän tai vähemmän säännöllisin välein, tavallisimmin 0,5—

10 mm päähän toisistaan (kuva 11). Useampiraiteisilla radoilla, joiden raiteilla toinen liikennesuunta on toista tavallisempi, nämä säröt syntyvät ylhäältä katsottuna 35-70°

22

(23)

kulmaan kiskon pituussuuntaan nähden. Raiteilla, joita liikennöidään molempiin suun

tiin, kulkureunan säröt syntyvät useammin kulkureunan alaosaan ja kasvavat kiskon si

sään. (Lichtberger 2005.) Säröjen syntymispaikoissa kiskojen pintaosa on lujittunut kuormituksen vaikutuksesta ja kiskojen kuluminen on hitaampaa kuin säröjen syvene

minen (Muster ym. 1996). Pahimmillaan säröjen kasvu voi johtaa kiskon murenemiseen junan painon alla.

Pienet säröt voidaan poistaa kiskonhionnalla. Kisko on vaihdettava kokonaan, jos säröt ovat kasvaneet suuriksi tai kiskon pinnasta on sälöillyt suuria palasia.

Kuva 10. Kiskon kulkupinnan sälöilyä (kuva: Pasi Hölttä)

23

(24)

Kuva 11. Säröjä kaarteen ulkokiskon kulkureunan tuntumassa (kuva: Pasi Hölttä)

Aallonmuodostus

Aallonmuodostukseksi kutsutaan kiskon kulkupintaan syntyvää säännöllistä kiskon pi

tuussuuntaista epätasaisuutta. Kuvassa 12 on esimerkki kiskosta, johon on syntynyt aalto

ja. Aallot voidaan jakaa aallonpituuden mukaan rihloihin eli korrugaatioon, lyhyisiin aaltohin ja pitkiin aaltoihin. Jako voidaan tehdä esimerkiksi myös aaltojen esiintymisti

lanteen mukaan. Termistö tai määritelmät eivät ole kansainvälisesti aivan vakiintuneita (hvnicki 2006; Lichtberger 2005; Zarembski 2005). Suomessa käytetään jakoa, jossa rihlojen aallonpituus on enintään 100 mm, lyhyiden aaltojen yli 100 mm, mutta enin

tään 300 mm, ja pitkien aaltojen yli 300 mm, mutta enintään 1000 mm (Ratahallinto

keskus 2005). Tätä pitempiä aaltomaisia vikoja ei kutsuta äänenmuodostukseksi. Kiskon kulkupinnan aaltojen korkeudetkin vaihtelevat. Rihlojen ja pitkien aaltojen korkeudet aallon pohjasta huippuun vaihtelevat 0,1-0,5 mm ja lyhyiden aaltojen korkeudet 0,2-

1,3 mm (Zarembski 2005).

24

(25)

Kuva 12. Aallonmuodostusta kiskossa (kuva: Pasi Hölttä)

Aallonmuodostusilmiölle on useita eri syitä. Suurista kiskon ja pyörän kosketuksessa syntyvistä jännityksistä aiheutuva vierintäväsyminen voi johtaa lyhyiden tai pitkien aalto

jen muodostumiseen. Tällöin aallonmuodostukseen liittyvät kiskon ja pyörän huono kosketusgeometria tai raskaat akselipainot. Radoilla, joilla liikennöidään suurilla, yli 300 kN:n akselipainoilla ja melko alhaisilla nopeuksilla, lyhyiden aaltojen muodostumi

nen voi johtua myös kiskon selän pysyvästä muodonmuutoksesta. Pitkät aallot voivat syntyä jo kiskon valssauksessa ja loppuoikaisussa. Kevyemmillä akselipainoilla ja suu

remmilla nopeuksilla lyhyet tai pitkät aallot voivat johtua kiskojen palautumattomasta 25

(26)

taipumisesta. Rihlojen syntytapoja ei täysin tunneta, mutta ilmeisesti niiden kehittymi

seen vaikuttavat kiskon ja pyörän ryömintäkosketuksessa tapahtuva liukuminen ja raiteen värähtely, jotka aiheuttavat jaksollista kulumista. Rihloja tai lyhyitä aaltoja saattaa synnyt

tää myös pyöräkertojen kiertovärähtely. (Lichtberger 2005; Zarembski 2005.)

Kiskoissa oleva aallonmuodostus lisää junankulusta aiheutuvia dynaamisia kuormia ja aiheuttaa tarpeettomia värähtelyjä. Pyörän ja korrugoituneen kiskon välinen kosketusvoima voi Zarembskin (2005) mukaan olla 1,5-kertainen, jos kiskossa on 0,75 mmm syvyisiä aaltoja, ja kaksinkertainen, jos aallot ovat 1,25 min syviä. Lisääntyneet kuormi

tukset ja värähtelyt voivat kuluttaa radan muita rakenteita, kuten ratapölkkyjä, kiskon- kiinnityksiä ja tukikerrosta (Iwnicki 2006). Värähtelyt myös levittävät rataympäristöön sekä ilma- että runkoinelua.

Kiskoon syntyneet aallot voidaan poistaa kiskojen hionnalla. Kiskojen vaihtaminen voi olla parempi vaihtoehto, jos aaltojen poistamiseksi kiskoista olisi hiottava pois suuri mää

rä metallia.

Ympärilyönnit

Kiskojen ympärilyöntiviat syntyvät, kun kiskokaluston vetävien pyörien ja kiskon välillä ei ole kiihdytettäessä riittävästi kitkaa. Pyörä luistaa ja kuluttaa kiskoon soikean jäljen.

Luiston aiheuttama kuumuus aiheuttaa myös muutoksia kiskoteräksessä. Ympärilyönti

viat esiintyvät paikallisesti ja pareittain, samassa kohdassa raiteen molemmissa kiskoissa, sillä pyörät on yhdistetty akselilla toisiinsa. Ympärilyöntivika voi alkaa sälöillä tai se voi kehittyä murtumaksi. (Esveld 2001; Zarembski 2005.)

Matalat ympärilyöntiviat voidaan poistaa kiskonhionnalla. Suuremmiksi kasvaneita viko

ja voi korjata päällehitsauksella, mutta ensisijaisesti vika on korjattava vaihtamalla vioit

tunut osuus kiskosta.

Kiskojen päiden viat

Kiskojen päät liitetään toisiinsa joko sidekiskojatkoksin tai hitsaamalla. Jatkokset ovat raiteen epäjatkuvuuskohtia, ja niihin kohdistuu suurempia rasituksia kuin kiskojen mui

hin osiin. Siksi kiskojen päiden vikoja tarkastellaan usein erikseen.

Kiskon jatkoksissa kiskot rasittuvat erityisesti, jos kiskojen päät eivät ole tarkasti kohdak

kain, yhdistettyjen kiskojen profiilit poikkeavat toisistaan tai sidekiskot eivät ole tiukasti paikoillaan. Hitsien kohdilla ylimääräisiä rasituksia voivat aiheuttaa myös paikallinen kuluminen hitsauksessa kuumentuneen alueen reunoilla, virheet hitsaustyössä tai huo

limattomuus hitsaussauman viimeistelyssä. (Zarembski 2005.)

Sidekiskojatkoksissa mahdollisia ylimääräisten rasitusten aiheuttamia vikoja ovat muiden muassa sidekiskopulttien kiinnitysreustä alkavat murtumat, kiskon hamaran murtumi

nen irti kiskon varresta sekä selän tai kulkureunojen lätistymät ja purseet. Jatkuvaksi hit

sattu kisko voi katketa hitsin kohdalta, tai murtuma voi alkaa hitsistä ja levitä kiskoon.

Pystysuuntainen murtuma voi tulla myös kiskoon hitsin lähelle. (UIC 2002.)

26

(27)

Pienet yhdistettyjen kiskojen mnotoerot, lätistyinät ja kulkupinnasta alkavat säröt sekä hitsien pnrseet voidaan poistaa kiskonhionnalla. Murtunut kisko on vaihdettava ehjään.

Usein pysyvästi paremman tuloksen saaminen vaatii myös raiteen nostoa ja tukemista jatkoksen kohdalla.

Muut kiskoviat

Kiskoihin voi tulla vikoja myös valmistuksen, kuljetuksen tai muun käsittelyn aikana.

Kiskon valssauksessa kiskoon voi tulla epätasalaatuisia kohtia tai kiskoteräkseen voi teräk

sen valmistusvaiheessa jäädä sulkeumia ja suotaumia, jotka alkavat kehittyä halkeamiksi kiskon sisällä vasta liikenteen kuorman vaikutuksesta. Valssauksessa tai tehtaalla tehtä

vässä kiskojen oikaisussa kiskoon voi jäädä korrugaatioita pitempiä aaltomaisia vikoja, joiden aallonpituus voi olla 0,6-2 metriä, ja joita on vaikea poistaa jälkeenpäin (Licht- berger 2005).

Kuljetuksessa ja rataan pantaessa kiskot saattavat kolhiutua tai tulla tarpeettomasti taivu

telluiksi. Kiskonhionnalla kulkupintaan tai kulkureunaan tulleet pienet viat voidaan poistaa.

27

(28)

Ratakiskojen hionta

3 R

atakiskojen hionta

3.1 Hionnan yleisiä periaatteita

Kiskonhiontatyö suunniteltava huolellisesti etukäteen, jotta hiontaan käytettävissä olevat resurssit tulisivat käytetyiksi tehokkaimmalla mahdollisella tavalla. Hiontatyön kokonai

suuteen vaikuttavia asioita erityisesti hionnan suunnittelun näkökulmasta on koottu ku

vaan 13. Työn suunnittelun lähtötiedoiksi tarvitaan tietoa kiskojen ominaisuuksista ja vioista, ja radan liikenne- ja geometriatietojen perusteella voidaan arvioida ongelmien syitä, merkitystä ja vakavuutta. Käytettävissä oleva kiskonhiontateknologia, hionnan kus

tannukset ja hiontaan varattu rahamäärä asettavat rajat sille, millaiset ongelmat ovat kor

jattavissa kiskonhionnalla.

Kiskoja hiotaan eri paikoissa eri syistä. Radoilla, joilla käytetään erityisen suuria akseli

painoja, kiskojen väsymisvikojen ja kulumisen hallinta on tärkeää. Siksi varsinkin Poh- jois-Amerikan ja Australian tavaraliikenneradoilla suositaan säännöllistä ehkäisevää hiontaa. Henkilöliikenneradoilla, joilla junat knlkevat suurilla nopeuksilla, pääasiallinen hionnan syy voi olla aallonmnodostus tai meluntorjunta. Eroja on myös esimerkiksi kiskojen ominaisuuksissa, ratojen geometriassa ja radoilla liikkuvassa kalustossa. Näistä syistä parasta tapaa kiskonhionnan toteuttamiseen ei ole, vaan kuhunkin tarpeeseen so

pivimmat hiontamenetelmät, ajankohdat ja tavoiteprofiilit on valittava suunnitteluvai

heessa joka kohteeseen aina erikseen. Kun hionnan tarve ja tavoitteet tunnetaan, voidaan valita työhön parhaiten sopivat laitteet.

Lähtötiedot

Rajoitteet

Hionnan mahdollisuudet

Tarvittavat laitteet

Hionnan suunnittelu:

- korjattavien ongelmien paikallistaminen - hiontamenetelmän valinta

(kunnossapitohionta vai ehkäisevä hionta?) - tavoiteprofiilin valinta

(muotohionta vai profiilihionta?) >

Toteutus Kustannukset

Rahoitus

Radantarkastustulokset

Kiskovikatieto Liikenne- ja ratatieto:

- liikennemäärä - kalustotyypit - radan geometria

nopeudet ja akselipainot

Hiontateknologia ja -kalusto:

- perinteinen hionta (pyörivät hiomakivet) - akustinen hionta

Kuva 13. Kiskonhionnan suunnittelun elementtejä

28 Ratakiskojen hionta ja hionnan vaikutus junaliikenteen meluun

(29)

Ratakiskojen hionta

Seuraavissa kappaleissa käsitellään kuvan 13 elementeistä hiontatekniikkaa, hiontamene- telmiä, tavoiteprofiileja ja radantarkastustuloksia. Kappaleessa 3.5 kerrotaan lyhyesti jois

takin kiskonhionnan menetelmistä tai periaatteista Suomessa, Ruotsissa ja Saksassa.

Joissakin maissa hyviksi havaitut hi on ta tavat eivät välttämättä sovellu sellaisinaan toisiin maihin radan, liikenteen ja kiskokaluston erojen takia. Siksi eri puolilla maailmaa hyvik

si havaittuihin toimintatapoihin, joita esittelevät myös esimerkiksi Sroba ja Roney (2003) tai Marx ym. (2003), on aina suhtauduttava kriittisesti. Kiskojen kulumis- ja väsymisil- miöt ja niiden seuraukset ovat kuitenkin samanlaisia kaikkialla, joten näissä asioissa kan

sainvälisten kokemusten hyödyntäminen on tärkeää.

3.2 Hionta junat

Kiskojen hiominen on mahdollista hyvin monenlaisilla laitteilla, mutta tässä tutkimuk

sessa käsitellään vain paikallaan raiteessa olevan kiskon hiomista rataa pitkin kulkevalla hiontajunalla (kuva 14). Yleisimmin nykyaikaisissa hiontajunissa käytetään pyöriviä hiomakiviä, jotka koskettavat kiskoa tasaisella sivullaan (kuva 15). Kiviä on yhdessä hion- tajunassa pienimpien raitiotie-, metro- ja vaihteenhiontajunien kahdeksasta suurimpien hionta junien yli sataan kiveen (Zarembski 2005 s. 129). Puolet hiomakivistä on toisella kiskolla, puolet toisella.

Kuva M. Kiskonhiontajuna (kuva: Speno S.A.)

Ratakiskojen hionta ja hionnan vaikutus junaliikenteen meluun 29

(30)

Ratakiskojen hionta

Kuva 15. Havainnekuva pyörivästä hiomakivestä.

Hiomakivien asentoa, pyörimisnopeutta sekä kivien ja kiskon kosketuspaineita eli hion- tapaineita voidaan säätää. Näin kiskon eri kohdista voidaan poistaa tarkasti se määrä me

tallia kuin on tarpeen. Kaikkia asetuksia voidaan muuttaa junan liikkuessa, joten hionta voidaan mukauttaa tarkasti kaikkien raiteen kohtien tarpeisiin. Kuvassa 16 havainnollis

tetaan hiomakiven asennon muuttamisen mahdollisuuksia. Kulmaa muuttamalla pysty

tään hiomaan kiskon hamaran eri kohdat. Kun hiontajunan eri kivet käännetään eri kulmiin, saadaan yhdellä junan ylityskerralla hiottua kiskon hamaraa laajalta alueelta.

Kiveä voidaan kääntää kiskon kulkureunan puolelle enemmän kuin ulkoreunan puolel

le. Kivien asennot on valittava kullekin ylityskerralle erikseen kiskoprofiilin alkutilan ja tavoiteltavan profiilin mukaan. Hionnan tavoiteprofiileja käsitellään kappaleessa 3.3.1.

30

Ratakiskojen liioilta ja hionnan vaikutus junaliikenteen nieluun

(31)

Ratakiskojen hionta

Kuva 16. Hiomakiven eri asentoja. Kiveä voidaan kääntää enemmän kiskon kulkureunan puolelle (tässä oikealla) kuin ulkoreunan puolelle.

Pyörivän hiomakiven jättämä pinta on aina taso, jota kutsutaan hiontaviisteeksi. Siksi hionnan jälkeen kiskon hamaran poikkileikkausmuoto on käytännössä kulmikas, mutta muoto saadaan lähes kaarevaksi sopivan vaihtelevilla kivien asennoilla, jolloin hionta- viisteitä tulee useita (kuva 17). Viisteiden väliset kulmat kuluvat pyöreiksi liikenteen kulutuksessa. Hiontatyön hyväksymisen edellytys on, että hiontaviisteiden leveydet ovat kulkureunassa enintään 4 mm, kulkupinnan reunalla 7 mm ja kulkupinnalla 10 mm (Suomen standardoimisliitto 2006a).

Kuva 17. Hiontaviisteitä (kuva: Pasi Hölttä)

(32)

Ratakiskojen liioilta

Hiontajunan etenemisnopeus on myös tärkeä seikka kiskonhionnassa. Hioinakivien pyö

rimisnopeus ja hiontapaine on mukautettava junan nopeuteen, jotta metallia saataisiin poistetuksi haluttu määrä kuluttamatta kiviä liikaa. Tavallinen hioinakivien pyörimisno

peus on 3600 min1 (Zarembski 2005 s. 58). Hitaasti ajettaessa kivet saattavat kuumentaa kiskoa niin, että teräs sinistyy. Siksi alhaisilla nopeuksilla hiontapaine ei saa olla liian suuri. Kehittyneimmät hiontajunat pystyvät teknisesti lähes 30 km/h:n hiontanopeuteen, mutta tavallisimmin hiontanopeudet ovat hionnan tavoitteiden mukaan 5-20 km/h.

(Zarembski 2005 s. 171-173; Lichtberger 2005 s. 509.)

Sama raiteen kohta on käsiteltävä hiontajunalla useita kertoja, jos kiskosta on poistettava paljon metallia halutun lopputuloksen saamiseksi. Yhdellä ylityskerralla poistuvan ine- tallikerroksen paksuus määräytyy junan etenemisnopeuden sekä kivien hiontapaineiden, asentojen ja määrän mukaan. Jos junassa on 40-50 hiomakiveä, yhdellä ylityksellä pois

tettavan metallin tavallisena määränä voidaan pitää noin 0,2:ta millimetriä, ja suurem

man määrän poisto vaatii useampia ylityksiä (Lichtberger 2005 s. 509). Hiontatyössä pyritään ylityskertojen minimointiin, sillä mitä useampia ylityksiä tehdään, sitä kauem

min työ kestää ja sitä vaikeampaa on löytää riittävästi käyttökelpoisia työrakoja junalii

kenteen keskeltä. Ylitarkastaja Tuomo Viitala Ratahallintokeskuksesta piti taloudellisena kunnossapitohionnalla poistettavan kerroksen paksuutena noin yhtä millimetriä, mikä tarkoittaa 5-6 ylitystä (haastattelu 27.2.2009).

Pyörivät kivet jättävät kiskon hamaraan kiskon poikittaissuuntaisen hiontakarkeuden, joka näkyy kuvassa 18 pieninä juovina. Juovien koko on yhteydessä hiomakiven rakeiden kokoon. Lisäksi kivi jättää kiskoon lähes poikkeuksetta kiven pienestä epätasapainosta, epätasaisesta kulumisesta tai ripustuksen väljyydestä johtuvan jaksollisen värinäjäljen, jonka jaksoja on merkitty kuvaan punaisin nuolin. Jokainen värinäjäljen jakso syntyy hiomakiven yhden kierroksen aikana, joten jäljen jaksonpituus voidaan laskea yhtälöstä

missä ls on värinäjäljen jaksonpituus, vs hiontajunan etenemisnopeus ja fs hioinakivien kierrostaajuus. Jos junan nopeus on esimerkiksi 5,8 km/h ja kivien pyörimisnopeus 3600 min ', värinäjäljen jaksonpituus on noin 2,7 cm. (Lichtberger 2005 s. 509.) Pyöri

vien kivien aiheuttama poikittainen hiontakarkeus sekä värinä jälki tasoittuvat liikenteen myötä, jolloin myös niistä johtuvat muutokset junaliikenteen melussa vaimenevat. Ku

vassa 19 on esimerkki kiskosta, jossa hionnan jäljet ovat jo tasoittuneet pyörän kosketus- alueelta.

32

(33)

Ratakiskojen hionta

Kuva 18. Hiottu kisko ulkoreunan suunnasta katsottuna. Hiomakiven yhden kierroksen välein jättämät värinäjäljet näkyvät tässä tummempina alueina, joita on merkitty yhteen hiontaviisteeseen punaisin nuolin, (kuva: Pasi Hölttä)

Kuva 19. Hiottu kisko, josta hiontakarkeus on jo alkanut tasoittua liikenteen vaikutuksesta (kuva: Pasi Hölttä)

(34)

Ratakiskojen hionta

Hionta voidaan tehdä myös kiskon pituussuunnassa, värähtelevillä tai laahaavilla hioma- kivillä. Usein pituussuuntaista hiontaa käytetään yhdessä pyörivillä kivillä tehdyn hion

nan tai jyrsinnän tai höyläyksen yhteydessä, joten sitä kutsutaan myös akustiseksi loppukäsittelyksi. Pitkittäissuuntainen hionta poistaa poikittaiset hiontanaarmut ja vä- rinäjäljen, jolloin kiskon ja pyörän kosketuksessa ei synny ujeltavaa ääntä kuten pyörivil

lä kivillä hiomisen jälkeen. Pituussuunnassa värähtelevillä hiomakivillä pystytään nykyisin hiomaan vain kiskon selkää. (Lichtberger 2005 s. 509-512, Danneskiold- Samsøe 2004.)

3.3 Valinnat hiontatyön suunnittelussa

3.3.1 Tavoiteprofiilit

Ennen hiontatyön aloittamista on määriteltävä poikkileikkansmuoto, joka kiskolla olisi oltava työn jälkeen. Tavoitteena olevaa muotoa kutsutaan referenssi- eli tavoiteprofiiliksi.

Tavoiteprofiilin valinnassa on kaksi käytäntöä: muotohionta (engl. contour grinding) ja profiilihionta (engl. profde grinding). Muotohionnan tavoitteena on palauttaa kiskon kulkureunalle ja -pinnalle sen alkuperäinen muoto, jolloin myös kiskon ja pyörän koske- tusominaisuudet palaavat alkuperäisiksi. Koko kiskon muotoa ei hiomalla saa alkuperäi

seksi, sillä hionta poistaa kiskosta materiaalia. Siksi kiskon hamara tulee hionnan seurauksena aiempaa matalammaksi. (Zarembski 2005 s. 224.)

Profiilihionnassa kiskoprofiilille annetaan muu kuin alkuperäinen, joskus epäsymmetri

nen muoto. Profiilihionnalla voidaan parantaa kiskon ja pyörän kosketuksen ominai

suuksia, mikä vähentää esimerkiksi

1) kiskon kulkureunan kulumista ja sivuttaisia kosketusvoiinia kaarteissa 2) korrugaation syntymistä

3) kulkupinnan ja kulkureunan väsymistä.

Tavoiteprofiili on suunniteltava tai valittava sen mukaan, mitä ongelmaa halutaan ensisi

jaisesti torjua, sillä kaikkiin edellä mainittuihin ei yleensä voida vaikuttaa samanaikaises

ti. (Zarembski 2005 s. 241.)

Kiskon kulkureunaa kiduttaa pyörien laippojen kosketus. Laippakosketusta voidaan ke

ventää käyttämällä hyödyksi kartiomaisten pyörien kulkudynaamisia ominaisuuksia.

Kaarteen nlkokiskossa kiskon ja pyörän kosketuskohtaa voidaan epäsymmetrisellä kiskoprofiililla siirtää kohti kiskon kulkureunaa, jossa pyörän kulkuympyrän säde on suurem

pi. Vastaavasti sisäkiskossa kosketuskohtaa siirretään kohti kiskon ulkoreunaa, jossa kulkuympyrän säde on pienempi. Säteiden ero tulee suuremmaksi, jolloin pyöräkerta pyrkii kääntymään voimakkaammin kaarteen suuntaan. (Zarembski 2005 s. 242-243.) Kuvassa 20 on esimerkki kaarteessa käytettävästä epäsymmetriaprofiilista.

Ratakiskojen hionta ja hionnan vaikutus junaliikenteen meluun 34

(35)

Ratakiskojen hionta

ulkokisko sisäkisko

Kuva 20. Esimerkki epäsymmetriaprofiilista. Vlkokiskossa kiskon ja pyörän kosketuskohtaa siirretään laipan lähelle, sisäkiskossa laipasta poispäin.

Lisäksi profiilihionnalla voidaan vähentää sellaisen kaarteen sisäkiskon korrngaation syntymistä, joka johtuu raskaan kuormituksen kohdistumisesta kiskon kulkupimian ulko

laidalle. Usein tällaisen korrngaation syntymiseen liittyvät myös koveriksi kuluneet pyö

rät. Profiilihionnalla pyritään tällaisessa tapauksessa siirtämään kiskon ja pyörän kosketuskohtaa keskemmälle kiskon kulkupintaa. (Zarembski 2005 s. 249.)

Kolmas profiilihionnan hyödyntämistapaus on vierintäväsymisen vähentäminen kiskon kulkupimian kulkureunan puoleisella laidalla. Kiskon ja pyörän välisen kosketuksen aiheuttamia jännityksiä pienennetään siirtämällä kosketuskohtaa keskemmälle kulkupin

taa. Jyrkissä kaarteissa voidaan myös luoda kiskon ja pyörän välille kahden pisteen koske

tus, vaikka tämä lisää kiskon sivukulumista ja huonontaa pyöräkerran kulkuominaisuuksia. (Zarembski 2005 s. 255.)

Kaikissa edellä kuvatuissa tapauksissa kiskon tavoiteprofiili on suunniteltava ottaen huomioon radan geometria kaarteissa sekä kiskokaluston kulkudynamiikka eli radalla kulkevan kaluston pyöräprofiilit ja junien nopeudet. Kiskoprofiilin muodon optimointi kulkudynamiikan mukaan tarkoittaa yleensä kosketuksen geometriaan liittyvän ekviva

lenttien kartiokkuudcn muuttamista. Tuomo Viitala Ratahallintokeskuksesta on kuiten

kin huomauttanut, että optimointi voi olla vaikeaa sekaliikenneradoilla, joilla kulkee sekä henkilö- että tavarajunia hyvin vaihtelevilla nopeuksilla (haastattelu 27.2.2009).

Huomioon otettavia asioita voivat olla myös kiskoteräksen kovuus, profiilin oletettu muuttuminen ennen seuraavaa hiontaa ja junan kuormittaman kiskon kääntyminen pituusakselinsa ympäri. (Magel 2005.)

Kiskon profiilin muuttumista on seurattava hiontatyön aikana, ja havaittua profiilia on verrattava tavoiteprofiili in. Havaitun profiilin ja tavoiteprofiilin kohdistaminen toisiinsa vertaamista varten tehdään niin, että tietyt kaksi pistettä kummastakin profiilista asete-

35 Ratakiskojen liioilta ja hionnan vaikutus junaliikenteen meluun