Siipikiskon korotuksen korvaaminen risteyskärjen madalluksella rautatievaihteessa

Abstract

Rautatievaihteet ovat olennainen osa rataverkkoa, sillä niiden avulla mahdollistetaan liikenteen kannalta välttämätön siirtyminen raiteelta toiselle. Vaihteeseen kuuluu erilaisia rakenteita ja komponentteja, joiden avulla junakaluston sulava siirtyminen raiteiden välillä mahdollistetaan. Rautatievaihteen toimivuus ei kuitenkaan ole aivan yksiselitteinen asia, sillä junakaluston ja vaihteen vuorovaikutukseen vaikuttaa suuri määrä erilaisia tekijöitä. Tästä syystä vaihteen rakenteiden optimointi on varsin haastavaa.

Työn lähtökohtana oli vaihteen risteyksen toiminnallinen tarkastelu ja uuden YV54-200N-1:9 risteystyypin toimivuuden arviointi. Vertailukohtana käytettiin perinteisiä, siipikiskon korotustaonnalla varustettuja risteyksiä ja koeristeyksinä toimivat uuden tyyppiset risteykset, joissa siipikiskon korotustaonta on korvattu risteyskärjen suuremmalla madallushionnalla. Siipikiskon korotustaontaa käytetään varmistamaan pyörän sulava kulku risteyskärjen yli. Taonta kuitenkin lisää risteyksen valmistuksen monimutkaisuutta ja vaikeuttaa risteyksen kunnossapitoa. Tarkastelun tavoitteena oli selvittää, saadaanko siipikiskon korotustaontaa vastaava vaikutus aikaan risteyskärkeä madaltamalla.

Rataverkolle oli vuosien 2018 ja 2019 aikana asennettu kuusi kappaletta uuden risteystyypin mukaisia koeristeyksiä. Osana työtä suoritettiin koeristeyksien kenttämittauksia, joissa risteysten geometria mitattiin muun muassa profiilimittausten avulla ja lisäksi niiden kuntoa ja kulumista arvioitiin. Samat tutkimukset suoritettiin jokaisessa tutkimuskohteessa samalta raiteelta valitulle perinteisen risteystyypin vertailuristeykselle. Kenttätutkimusten perusteella voitiin havaita, että koeristeyksissä pyörän kontakti siirtyy siipikiskolta risteyskärjelle varsin aikaisessa vaiheessa. Lisäksi koeristeyksissä havaittiin jonkin verran enemmän kulumista risteyskärjissä, kun taas vertailuristeyksissä kuluminen näkyi siipikiskon vaurioitumisena.

Mitatuista risteyksistä luotiin risteysmallit ja niiden toimivuutta vertailtiin simuloimalla kaluston kulkua risteysten yli. Risteysten mallinnukseen ja sen tarkkuuteen tuli kiinnittää erityistä huomiota, jotta tuloksia voitaisiin hyödyntää luotettavasti tarkastelussa. Simulointiajot suoritettiin monikappaledynamiikkaan perustuvaa laskentaa hyödyntävällä Vampire Pro -ohjelmistolla valittujen parametrien mukaisesti. Simuloinnin avulla pystyttiin arvioimaan erilaisten risteystyyppien vaikutusta junan kulkuun ja radan vaurioitumiseen.

Koe- ja vertailuristeysten välillä pystyttiin löytämään selkeitä eroja junan kulussa, vaikka erot risteystyyppien geometriassa olivat suhteellisen vähäisiä. Jo pienetkin muutokset risteyksen, siipikiskon tai pyörän profiilissa vaikuttavat merkittävästi pyörä-kisko-kontaktissa syntyviin voimiin ja niillä on siten myös suora yhteys kaluston ja radan vaurioitumiseen. Koeristeyksissä havaittiin risteyskärkeen kohdistuva dynaaminen iskuvoima, jonka suuruus oli vahvasti riippuvainen kaluston nopeudesta. Pyörän putoaminen siipikiskon erkaantumisen alueella oli odotettua vähäisempää, mutta sekin riitti aiheuttamaan pyörän kulkuun terävän suunnanmuutoksen risteyskärjen kohdalla. Vertailuristeyksissä siipikiskon korotuksella vältettiin risteyskärkeen kohdistuva isku, mutta toisaalta kaluston kulku oli risteyksessä muutoin epätasaisempaa.

Tutkimuksen lopputuloksena voitiin todeta, että koeristeyksen käytölle perinteisen risteystyypin sijasta ei ole estettä, kun osuuden nopeusrajoitus on korkeintaan 80 km/h. Nopeusrajoituksen käyttö ei lähtökohtaisesti rajoita merkittävästi koerakenteen mukaisen risteystyypin käyttöä, sillä ne sijoittuvat tyypillisesti liikennepaikoille ja matalamman nopeuden osuuksille. Simulointitarkastelussa tehtiin rajauksia esimerkiksi kaluston ja pyöräprofiiliin osalta, joten kokonaisvaltaisen risteyksen optimoinnin saavuttamiseksi tarkastelua tulisi laajentaa erityisesti niiden osalta.