Vehicle-Track Interaction on Broad Gauge Railways

Abstract

Kaluston ja radan välinen vuorovaikutus määrittää sekä rataan että kalustoon kohdistuvat kuormitukset. Näiden kuormituksien näkyvimmät vaikutukset syntyvät kiskoon, jonka kulumisesta voi päätellä, kuinka optimaalinen pyörän ja kiskon välinen kontakti on. Toisaalta yhtä lailla pyörä-kisko-kontaktin kuormitukset kohdistuvat kalustoon ja vaikuttavat radan lisäksi myös kaluston kunnossapitokustannuksiin.

Kaluston ja radan välisiä kuormituksia voidaan minimoida eri tavoilla. Liikkuvan kaluston ominaisuuksilla on merkittävä vaikutus kiskoihin kohdistuvaan kuormitukseen, mutta kuormituksia voidaan minimoida myös rataan kohdistettavilla keinoilla. Esimerkiksi radan epätasaisuudet tai huono geometria kasvattavat dynaamisia kuormia. Kaluston ominaisuuksista etenkin akselipaino ja ajonopeus vaikuttavat hyvin merkittävästi kuormituksiin.

Useimpiin muihin maihin verrattuna Suomen raideliikenteessä on poikkeukselliset olosuhteet, sillä Suomen 1524 mm raideleveyden rataverkolla kulkee suomalaisen kaluston lisäksi myös alun perin 1520 mm raideleveyden rataverkolle suunniteltua kalustoa, jonka pyöräkerrassa on kapeampi raideleveysmitta. Kapeamman pyöräkerran myötä pyöräkerran ja raiteen välissä on suurempi raidevälys, joka vaikuttaa kaluston ja radan väliseen vuorovaikutukseen ja sitä kautta myös rataan kohdistuviin kuormituksiin.

Junien akselipainoja ja ajonopeuksia halutaan kasvattaa tulevaisuudessa useissa maissa, myös Suomessa. Tyypillisesti akselipainon ja ajonopeuden kasvattaminen lisää kuormituksia ja siten myös radan vaurioita. Rataan kohdistuvien kuormituksien syntymekanismeista on tärkeää saada enemmän tietoa, jotta kuormitukset ja etenkin niiden vaikutukset pystytään jatkossa pitämään järkevällä tasolla. Radan ja toisaalta myös kaluston vaurioitumismekanismien tunnistamiseksi on tiedettävä, miten erilaiset kalustot käyttäytyvät erilaisilla rataosuuksilla. Yksittäisiä kuormitusarvoja voidaan selvittää kenttämittauksien avulla, mutta laajemman käsityksen eri asioiden vaikutuksesta rataan kohdistuvan kuormituksen määrään saa parhaiten simulointien avulla.

Tämän väitöskirjatutkimuksen päätavoitteena oli selvittää sekä kenttämittauksien että simulointien avulla, miten erilaiset kalustot kuormittavat rataa ja miten radan ominaisuudet, kuten kiskon kuluminen, vaikuttavat kuormituksiin Suomessa. Tätä tietoa voidaan hyödyntää radan kunnossapidon optimoinnissa ja kunnossapitokustannuksien vähentämisessä. Näiden kuormittavuusarvioiden pohjalta esimerkiksi radan käyttömaksuja on mahdollista kohdistaa siten, että operaattoreita kannustetaan rataystävällisen kaluston käyttöön.

Tutkimustuloksien perusteella kiskon sivukuluminen pienentää pyöräkerran vierintäsäde-eroa ja heikentää kaluston ohjautuvuutta. Kiskon sivukulumisen lisäksi myös kiskon kulumismuoto vaikuttaa merkittävästi kaluston ohjautumiseen. Jos kisko on kulunut tietyn pyörän muotoiseksi, kyseisellä pyörällä ohjautuminen on heikkoa. Tutkimuksessa havaittiin myös, että radassa olevat epätasaisuudet ja nopeat geometriamuutokset lisäävät pyörä-kisko-kontaktin kuormituksia. Sen sijaan raideleveyden leventäminen erityisesti tiukassa kaarteessa vähentää joillakin kalustoilla kuormituksia merkittävästi. Lisäksi sekä simulointi- että kenttämittaustuloksissa havaittiin, että junan nopeudella ja akselipainolla on merkittävä vaikutus rataan kohdistuviin kuormituksiin. Toisaalta radassa oleva nopea geometriamuutos voi aiheuttaa suistumisriskin etenkin tyhjälle kalustolle, joten kevyt akselipaino ei ole kaluston ja radan vuorovaikutuksessa aina positiivinen asia. Nämä tulokset vastaavat muissa maissa tehtyjen tutkimusten tuloksia, mutta tutkimustulokset on saatu juuri Suomen rataverkolla kulkevalle kalustolle.

Tiedon lisääntyessä kaluston ja radan välisestä vuorovaikutuksesta radan kunnossapitotöitä voidaan kohdentaa siten, että käytettävissä olevalla rahalla saadaan mahdollisimman suuri hyöty. Esimerkiksi suistumisriskiä selvästi lisäävät radan geometriavirheet on kannattavaa korjata pian, sillä vaikka henkilövahingoilta vältyttäisiin, suistumisesta tulee usein merkittävät kustannukset.

Tutkimuksessa havaittiin, että radan osalta pyöräkerran hyvää ohjautuvuutta ei varmisteta kiskon määrällisten kulumisrajojen avulla, vaan myös kiskon kulumismuoto pitää huomioida. Kiskon muoto voitaisiin tulevaisuudessa huomioida esimerkiksi jatkuvan tehollisen kartiokkuuden mittaamisen avulla. Tällöin raja-arvot voitaisiin määrittää ohjautuvuudelle ja kiskojen vaihtoaika voitaisiin määrittää sekä kulumisen määrän että ohjautuvuuden perusteella. Tämä mahdollistaisi kiskon sivukulumisrajojen kasvattamisen, millä saavutettaisiin merkittävät kustannushyödyt.

The interaction between vehicle and track determines the loads exerted on both the track and the vehicle. The most visible effects of these loads occur on the rail, where wear can indicate how optimal the wheel-rail contact is. Similarly, the loads from the wheel-rail contact affect the vehicle and impact the maintenance costs for both the track and the vehicle.

Various methods can be used to minimise the loads between vehicle and track. The characteristics of the vehicle significantly influence the loads on the rails, but loads can also be minimised through measures applied to the track. For example, track irregularities or poor track geometry increase dynamic loads. Among the characteristics of the vehicle, axle load and speed have a significant impact on loads. Compared to most other countries, Finland's rail traffic has unique conditions, as the Finnish 1524 mm track gauge network accommodates not only Finnish rolling stock but also rolling stock originally designed for the 1520 mm track gauge network, which has a narrower wheelset. The narrower wheelset results in a larger track gauge clearance between the wheelset and the track, affecting the interaction between the vehicle and the track and consequently the loads exerted on the track.

In the future, many countries, including Finland, aim to increase axle loads and speeds of trains. Typically, increasing axle load and speed increases track loads and thus accelerates track deterioration. It is important to gain more information about the mechanisms of track loads to keep these loads and their effects at a reasonable level. To identify the deterioration mechanisms of both the track and the vehicles, it is necessary to understand how different vehicles behave on different track sections. Individual load values can be determined through field measurements, but a broader understanding of the impact of various factors on track loads is best obtained through simulations.

The main objective of this dissertation research was to determine, through both field measurements and simulations, how different vehicles load the track and how track characteristics, such as rail wear, affect these loads in Finland. This information can be used to optimise track maintenance and reduce maintenance costs. Based on these load assessments, track access charges can be allocated to encourage operators to use track-friendly vehicles.

The research results indicate that rail side wear reduces the rolling radius difference of the wheelset and impairs the steering of the vehicle. In addition to rail side wear, the wear shape of the rail significantly affects the steering of the vehicle. If the rail is worn to match a specific wheel shape, steering with that wheel is poor. The study also found that track irregularities and rapid geometry changes increase wheel-rail contact loads. On the other hand, widening the track gauge, especially in tight curves, significantly reduces loads for some vehicles. Additionally, both simulation and field measurement results showed that train speed and axle load have a significant impact on track loads. However, a rapid geometry change in the track can pose a derailment risk, especially for empty vehicle, so light axle load is not always a positive factor in the interaction between vehicle and track. These results are consistent with those obtained in other countries, but these findings are based specifically on rolling stock operating on the Finnish railway network.

As knowledge about the interaction between vehicle and track increases, track maintenance work can be targeted to achieve the maximum benefit with the available funds. For example, it is worthwhile to quickly correct track geometry errors that significantly increase derailment risk, as even if personal injuries are avoided, derailments often result in significant costs.

As for the track, the study found that good steering of the wheelset is not ensured by quantitative rail wear limits alone; the wear shape of the rail must also be considered. In the future, the rail shape could be taken into account, for example, by continuously measuring equivalent conicity. This would allow limit values to be defined for steering, and the rail replacement time could be determined based on both wear amount and steering. This would enable increasing rail side wear limits, resulting in significant cost benefits.