Rautatievaihteen tarkastusmittojen analysointi
Nurmi, Akseli (2022)
Nurmi, Akseli
2022
Rakennustekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Civil Engineering
Rakennetun ympäristön tiedekunta - Faculty of Built Environment
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2022-12-22
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202212058917
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202212058917
Tiivistelmä
Rautatievaihteilla mahdollistetaan rataverkolla liikkuvan kaluston siirtyminen raiteelta toiselle. Toimivat vaihteet ovat edellytys rataverkon monipuoliselle liikennöinnille ja kapasiteetin täysimääräiselle hyödyntämiselle. Korkeiden hankintakustannusten vuoksi niistä tulee pitää hyvää huolta ja myös vaihdeosaamiseen ja tutkimukseen panostaminen kannattaa.
Tämän työn tavoitteena oli lyhyiden 54E1- ja 60E1 -vaihteiden tarkastuksissa käytettävien tarkastusmittojen toleranssien analysointi. Työn teoriaosuudessa selvitettiin kirjallisuuden ja ohjeistuksen pohjalta rautatievaihteen toiminta radan osana sekä vaihteen elinkaari valmistuksesta alkaen. Lisäksi selvitettiin käytössä olevan liikkuvan kaluston ominaisuuksia ja erilaiset Suomen rataverkolle hyväksytyt pyöräkerrat. Näiden pohjalta oli mahdollista suorittaa laskennallinen tarkastelu vaihteen ja pyöräkertojen yhteensopivuudesta vaihteen erilaisilla toleransseilla.
Tilastollinen analyysi tehtiin koko maan kattavan vaihdemittausaineiston pohjalta. Tilastollinen analyysi osoitti tukikiskojen kulumisen vaihdealueella olevan samankaltaista kuin linjaosuuksillakin. Risteykseen muodostuvan purseen hiominen on tärkeää kunnossapitotyötä, minkä tarve oli pääteltävissä aineiston perusteella laippavälin pienentymisestä ja tarkastusmittajakauman vinoudesta. Lisäksi aineistosta pystyttiin päättelemään junien vastakiskoa kuluttavan vaikutuksen olevan voimakasta. Vastakiskon etäisyyttä joudutaan korjaamaan kunnossapitotoimilla tämän vuoksi aktiivisesti. Eri rataosien vertailulla pyrittiin selvittämään keskenään erityyppisen kaluston vaikutusta vaihteen kulumiseen ja mittojen muutoksiin, mutta kaluston vaikutusta ei pystytty osoittamaan. Ongelmana oli vertailuun sopivien rataosuuksien puute, sillä erityyppistä kalustoa kulkee pääsääntöisesti samoilla rataosuuksilla sekaisin. Vaihdemittausten tuloksia ei ollut saatavilla kuin parin vuoden ajalta, mikä osaltaan teki vertailusta hankalaa.
Tutkimuksessa vaihteen mittojen vaikutusta junan ja vaihteen väliseen vuorovaikutukseen analysoitiin simuloinnin avulla. Simulointiohjelma oli monikappaledynamiikkaan perustuva Vampire Pro -ohjelmisto. Simulaatiotapauksena oli poikkeavalle raiteelle ajo. Vaihde muodostettiin käyttämällä aikaisemman tutkimuksen yhteydessä luotua YV54-200N-1:9 vaihteen risteystä, jonka lisäksi malliin lisättiin siipikisko ja vastakisko sekä vaihteen kaarre ja linjakiskoa ennen ja jälkeen vaihteen. Eri simulointitapaukset luotiin vaihteen nimellismittojen, tarkastusmittatoleranssien ja akuuttirajojen pohjalta ja simulointiajoissa käytettiin joko leveämpää S1002-pyöräprofiilin mukaista pyöräkertaa tai kapeampaa GOST-standardin mukaista pyöräkertaa. Simuloinnin tuloksena voidaan todeta molempien pyöräkertojen mukaisen kaluston muodostavan vastakiskoon kontaktin. Vaihteen kunnolla on vain pieni merkitys vastakiskoon muodostuvien voimien suuruuteen, sillä nimellismittaisen vaihteen voimat olivat pienempiä akuuttirajalla olevaan vaihteeseen verrattuna välyksen pienentyessä. Nopeus vaikutti kuitenkin merkittävästi enemmän ja nopeuden alentaminen jo 10 km/h pienemmäksi vaikutti enemmän voimiin kuin vaihteen mittojen muuttaminen akuuttirajalta nimellisiksi. Simuloinnissa havaittiin kapeamman pyöräkerran kontaktipisteen siirtyvän aikaisemmin siipikiskolta risteykselle leveämpään pyöräkertaan verrattuna. Kapeampi pyöräkerta aiheuttikin vastakiskoon pienemmän voimapiikin, sillä leveämmän pyöräkerran kulku risteyksen yli ei ole yhtä sulavaa ja risteyksessä syntyvät voimat välittyvät kiinteän akselin läpi myös vastakiskolle. Simuloinnilla ei ollut mahdollista tutkia tilannetta, jossa kapeampi pyöräkerta on mekaanisesti liian ahdas vastakiskosovitukseen. Oletettavaa onkin, että näissä tapauksissa kapeamman pyöräkerran vastakiskoon muodostavat voimat ovat leveämmän pyöräkerran vastaavia voimia suuremmat. Mekaanisesti liian ahdas pyöräkerta saattaa olla rataverkolla havaittujen vastakiskopukkien hajoamisen aiheuttaja.
Tämän työn tavoitteena oli lyhyiden 54E1- ja 60E1 -vaihteiden tarkastuksissa käytettävien tarkastusmittojen toleranssien analysointi. Työn teoriaosuudessa selvitettiin kirjallisuuden ja ohjeistuksen pohjalta rautatievaihteen toiminta radan osana sekä vaihteen elinkaari valmistuksesta alkaen. Lisäksi selvitettiin käytössä olevan liikkuvan kaluston ominaisuuksia ja erilaiset Suomen rataverkolle hyväksytyt pyöräkerrat. Näiden pohjalta oli mahdollista suorittaa laskennallinen tarkastelu vaihteen ja pyöräkertojen yhteensopivuudesta vaihteen erilaisilla toleransseilla.
Tilastollinen analyysi tehtiin koko maan kattavan vaihdemittausaineiston pohjalta. Tilastollinen analyysi osoitti tukikiskojen kulumisen vaihdealueella olevan samankaltaista kuin linjaosuuksillakin. Risteykseen muodostuvan purseen hiominen on tärkeää kunnossapitotyötä, minkä tarve oli pääteltävissä aineiston perusteella laippavälin pienentymisestä ja tarkastusmittajakauman vinoudesta. Lisäksi aineistosta pystyttiin päättelemään junien vastakiskoa kuluttavan vaikutuksen olevan voimakasta. Vastakiskon etäisyyttä joudutaan korjaamaan kunnossapitotoimilla tämän vuoksi aktiivisesti. Eri rataosien vertailulla pyrittiin selvittämään keskenään erityyppisen kaluston vaikutusta vaihteen kulumiseen ja mittojen muutoksiin, mutta kaluston vaikutusta ei pystytty osoittamaan. Ongelmana oli vertailuun sopivien rataosuuksien puute, sillä erityyppistä kalustoa kulkee pääsääntöisesti samoilla rataosuuksilla sekaisin. Vaihdemittausten tuloksia ei ollut saatavilla kuin parin vuoden ajalta, mikä osaltaan teki vertailusta hankalaa.
Tutkimuksessa vaihteen mittojen vaikutusta junan ja vaihteen väliseen vuorovaikutukseen analysoitiin simuloinnin avulla. Simulointiohjelma oli monikappaledynamiikkaan perustuva Vampire Pro -ohjelmisto. Simulaatiotapauksena oli poikkeavalle raiteelle ajo. Vaihde muodostettiin käyttämällä aikaisemman tutkimuksen yhteydessä luotua YV54-200N-1:9 vaihteen risteystä, jonka lisäksi malliin lisättiin siipikisko ja vastakisko sekä vaihteen kaarre ja linjakiskoa ennen ja jälkeen vaihteen. Eri simulointitapaukset luotiin vaihteen nimellismittojen, tarkastusmittatoleranssien ja akuuttirajojen pohjalta ja simulointiajoissa käytettiin joko leveämpää S1002-pyöräprofiilin mukaista pyöräkertaa tai kapeampaa GOST-standardin mukaista pyöräkertaa. Simuloinnin tuloksena voidaan todeta molempien pyöräkertojen mukaisen kaluston muodostavan vastakiskoon kontaktin. Vaihteen kunnolla on vain pieni merkitys vastakiskoon muodostuvien voimien suuruuteen, sillä nimellismittaisen vaihteen voimat olivat pienempiä akuuttirajalla olevaan vaihteeseen verrattuna välyksen pienentyessä. Nopeus vaikutti kuitenkin merkittävästi enemmän ja nopeuden alentaminen jo 10 km/h pienemmäksi vaikutti enemmän voimiin kuin vaihteen mittojen muuttaminen akuuttirajalta nimellisiksi. Simuloinnissa havaittiin kapeamman pyöräkerran kontaktipisteen siirtyvän aikaisemmin siipikiskolta risteykselle leveämpään pyöräkertaan verrattuna. Kapeampi pyöräkerta aiheuttikin vastakiskoon pienemmän voimapiikin, sillä leveämmän pyöräkerran kulku risteyksen yli ei ole yhtä sulavaa ja risteyksessä syntyvät voimat välittyvät kiinteän akselin läpi myös vastakiskolle. Simuloinnilla ei ollut mahdollista tutkia tilannetta, jossa kapeampi pyöräkerta on mekaanisesti liian ahdas vastakiskosovitukseen. Oletettavaa onkin, että näissä tapauksissa kapeamman pyöräkerran vastakiskoon muodostavat voimat ovat leveämmän pyöräkerran vastaavia voimia suuremmat. Mekaanisesti liian ahdas pyöräkerta saattaa olla rataverkolla havaittujen vastakiskopukkien hajoamisen aiheuttaja.