Radan epätasaisuuksien vaikutus kaluston kokemiin värähtelyihin
Pesonen, Anne (2016)
2016
Rakennustekniikan koulutusohjelma
Talouden ja rakentamisen tiedekunta - Faculty of Business and Built Environment
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2016-06-08
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201605163988
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201605163988
Tiivistelmä
Tässä työssä perehdytään radassa esiintyviin erilaisiin epätasaisuuksiin ja niiden syntymiseen. Työn tarkoituksena on tutkia erilaisten epätasaisuuksien sekä epätasaisuuksien aallonpituuksien aiheuttamia kiihtyvyyksiä kaksikerroksisessa matkustajavaunussa mallinnusta apuna käyttäen.
Radan merkittävät geometriavirheet johtuvat usein radan jäykkyysvaihteluista sekä radan rakennekerroksen ja pohjamaan painumisesta. Kiskossa esiintyvän epätasaisuuden aallonpituus on usein huomattavasti pienempi kuin radan alempien kerroksien painumisesta aiheutuvien epätasaisuuksien aallonpituus. Matkustajavaunun kiihtyvyyksien tarkastelua varten valittiin kolme erilaista poikkeamaa: kierous, korkeuspoikkeama ja nuolikorkeuspoikkeama, joille oli määritelty Liikenneviraston kunnossapitoraportissa raja-arvot kunnossapitoluokan mukaan. Tarkasteltaviksi kunnossapitoluokiksi valittiin D ja *, sekä näitä huonompaa tilannetta kuvaava kuvitteellinen H-luokka. Geometriavirheen aallonpituudeksi oli määritelty nuolikorkeuspoikkeamalle 20 m, kieroudelle 3,5 m ja korkeuspoikkeamalle 5 m.
Kaksikerroksiselle vaunulle aiheutuvia kiihtyvyyksiä tutkittiin monikappaledynamiikkaan perustuvan mallin avulla. Mallin toimivuutta tarkasteltiin ominaismuotoanalyysin avulla, jossa mallista saatuja ominaisvärähtelyn arvoja verrattiin todellisista mittauksista saatuihin värähtelyn arvoihin. Kalustosimuloinneissa erityisen ongelmallisiksi geometriavirheeksi huomattiin korkeuspoikkeamat, joissa pystysuuntaisten kiihtyvyyksien raja-arvojen ylityksiä tapahtui kaikissa mallinnetuissa luokissa. Myös kierouden aiheuttamissa pystysuuntaisissa kiihtyvyyksissä raja-arvot ylittyivät D- ja H-luokassa. Nuolikorkeuspoikkeaman aiheuttamat kiihtyvyydet eivät ylittäneet raja-arvoja, sillä mallinnuksessa käytetty nuolikorkeuspoikkeaman geometriavirhe noudatteli sinikäyrää. Todellisuudessa muodoltaan sinikäyrää terävämpi poikkeama voisi aiheuttaa raja-arvojen ylityksiä.
Kierouden aallonpituudelle käytetään kunnossapitoluokituksessa 3,5 m aallonpituutta, mutta aallonpituuden kasvaessa kierouden aiheuttamat kiihtyvyydet voivat jopa kasvaa. Tarkastelluista simulointitapauksista kierouden aiheuttamat kiihtyvyydet ovat suurimmillaan 10 m aallonpituudella ja erityisesti kaksikerroksisen vaunun toisessa kerroksessa. Aallonpituuden kasvaessa 40 m asti vaunun toisen kerroksen poikittaissuuntainen siirtymä vaikuttaisi kasvavan myös lineaarisesti, vaikka kiihtyvyys pieneneekin. Pidemmän aallonpituuden kierous saatetaankin siis kokea vaunun toisessa kerroksessa laivamaisena keinuntana.
Radan merkittävät geometriavirheet johtuvat usein radan jäykkyysvaihteluista sekä radan rakennekerroksen ja pohjamaan painumisesta. Kiskossa esiintyvän epätasaisuuden aallonpituus on usein huomattavasti pienempi kuin radan alempien kerroksien painumisesta aiheutuvien epätasaisuuksien aallonpituus. Matkustajavaunun kiihtyvyyksien tarkastelua varten valittiin kolme erilaista poikkeamaa: kierous, korkeuspoikkeama ja nuolikorkeuspoikkeama, joille oli määritelty Liikenneviraston kunnossapitoraportissa raja-arvot kunnossapitoluokan mukaan. Tarkasteltaviksi kunnossapitoluokiksi valittiin D ja *, sekä näitä huonompaa tilannetta kuvaava kuvitteellinen H-luokka. Geometriavirheen aallonpituudeksi oli määritelty nuolikorkeuspoikkeamalle 20 m, kieroudelle 3,5 m ja korkeuspoikkeamalle 5 m.
Kaksikerroksiselle vaunulle aiheutuvia kiihtyvyyksiä tutkittiin monikappaledynamiikkaan perustuvan mallin avulla. Mallin toimivuutta tarkasteltiin ominaismuotoanalyysin avulla, jossa mallista saatuja ominaisvärähtelyn arvoja verrattiin todellisista mittauksista saatuihin värähtelyn arvoihin. Kalustosimuloinneissa erityisen ongelmallisiksi geometriavirheeksi huomattiin korkeuspoikkeamat, joissa pystysuuntaisten kiihtyvyyksien raja-arvojen ylityksiä tapahtui kaikissa mallinnetuissa luokissa. Myös kierouden aiheuttamissa pystysuuntaisissa kiihtyvyyksissä raja-arvot ylittyivät D- ja H-luokassa. Nuolikorkeuspoikkeaman aiheuttamat kiihtyvyydet eivät ylittäneet raja-arvoja, sillä mallinnuksessa käytetty nuolikorkeuspoikkeaman geometriavirhe noudatteli sinikäyrää. Todellisuudessa muodoltaan sinikäyrää terävämpi poikkeama voisi aiheuttaa raja-arvojen ylityksiä.
Kierouden aallonpituudelle käytetään kunnossapitoluokituksessa 3,5 m aallonpituutta, mutta aallonpituuden kasvaessa kierouden aiheuttamat kiihtyvyydet voivat jopa kasvaa. Tarkastelluista simulointitapauksista kierouden aiheuttamat kiihtyvyydet ovat suurimmillaan 10 m aallonpituudella ja erityisesti kaksikerroksisen vaunun toisessa kerroksessa. Aallonpituuden kasvaessa 40 m asti vaunun toisen kerroksen poikittaissuuntainen siirtymä vaikuttaisi kasvavan myös lineaarisesti, vaikka kiihtyvyys pieneneekin. Pidemmän aallonpituuden kierous saatetaankin siis kokea vaunun toisessa kerroksessa laivamaisena keinuntana.