Ugrás a tartalomra

Head Check meghibásodások miatt szükséges karbantartásokat csökkentő műszaki fejlesztések a vasúti síngyártásban

A teljes cikket megtalálja a folyóirat 2014 / 6. szám lapszámában.
|
műszaki ügyfélszolgálati munkatárs
voestalpine Schienen GmbH
Amióta a gördülési érintkezési fáradási (Rolling Contact Fatigue; RCF) hibák következtében nagymértékben megemelkedtek a karbantartási költségek, a voestalpine cég folyamatosan végez kutatásokat kopásállóbb és az RCF hatásának ellenállóbb sínanyag kifejlesztése céljából. A nehéz teherforgalomban kipróbált 400UHC® HSH® sínacél minőség vegyes forgalmú pályákban történő bevezetésével a voestalpine cég olyan új módszert fejlesztett ki, amely a gyártási folyamatban összekapcsolja a speciális ötvözést a hőkezeléssel. Az új sínacél legmagasabb kopás- és RCF ellenállósága hosszabb üzemi élettartamot és alacsonyabb fenntartási költséget (LCC) eredményez.

Az utóbbi évtizedekben az európai vasúthálózat tömegközlekedési és áruszállítási forgalma folyamatosan javult. Ez leginkább a vonatok számának és sebességének növekedésében és erősebb, nagyobb teljesítményű vontatójárművek megjelenésében nyilvánult meg. A megvalósult és a további folyamatos fejlesztések a vasutat mint közlekedési és áruszállítási alternatívát a rövidebb utazási és áruszállítási idővel, valamint az utazási komfort szélesebb kínálatával teszik vonzóbbá.
A vasúti forgalom növekedésével sokkal intenzívebb karbantartási tevékenység válik szükségessé. Legfőképpen a sínek gördülési érintkezési kifáradása elleni küzdelem okozza a megnövekedett karbantartási igényt, ezért mindenekelőtt ez a károsodási jelenség a fő ösztönzője a voestalpine Schienen GmbH mint innovatív síngyártó fejlesztési tevékenységének.
A folyamatosan növekvő igények miatt vállalatunk a 350HT HSH® minőségű vasúti sínanyag kifejlesztésével már az 1990-es években jelentős technoló­giai fejlesztést ért el. Ez az írás a gördülési érintkezési kifáradással kapcsolatos stratégiák előnyeinek és hátrányainak említése mellett a hőkezelt, hipereutektoidos 400UHC® HSH® anyagminőségű vasúti sín bemutatásával egy további technoló­giai újdonságot is bemutat.

A perlites sínacélok és azok gördülési érintkezési kifáradással szembeni ellenálló képessége

Mindkét korábban említett vasúti sín anyagminősége ferrit- és ce­ment­itla­mel­lák­ból álló, kétfázisú, ún. perlites szövet­szerkezetet jelent, amely a hengerlési fo­lyamatot követő lehűlése során a korábban ausztenites szövetszerkezetű acél perlitessé alakulásával jön létre. A szövetszerkezetben a szén diffúziójával szénben gazdagabb és szegényebb területek keletkeznek, amelyekből a későbbiekben ferrit- és cementitlamellák képződnek (1. ábra). A kopással szembeni ellenálló képességét a perlit a cementitlamellákból nyeri, mivel

1. ábra. Perlites acélok lamellás szerkezete
1. ábra. Perlites acélok lamellás szerkezete
  • a cementitlamellák mintegy 7-10-szer keményebbek a ferritlamelláknál, és az anyag kopással szembeni ellenálló képességének meghatározói;
  • a perlit az anyagkifáradással szembeni ellenálló képességét a lamelláris szerkezetéből nyeri. A szövetszerkezetben egy kemény (cementitlamellák) és egy lágyabb fázis (ferritlamellák) egészíti ki egymást és gondoskodnak az anyag duktilitásáról (képlékenységéről), valamint tartós szilárdságáról.

A metastabil vas-szén kettős anyagrendszerben (állapotábrában) tiszta perlit kb. 0,8% széntartalomnál alakul ki. E határ fölött – ide soroljuk a 400UHC® HSH®-t is, a minimum 0,9% széntartalmával – ún. hipereutektoidos (HE) acélminőségek helyezkednek el. Ezt az anyagminőséget az EN-13674-1:2011 szabványban R400HT jelöléssel az 1. táblázat szerinti specifikációval határozza meg. Mivel a keménység mint anyagjellemző viszonylag egyszerűen meghatározható, ál­talában ezt használják a sínacélok besorolásához [1].

1. táblázat. Az R400HT sínanyag mechanikai jellemzői és vegyi összetétele [1]
1. táblázat. Az R400HT sínanyag mechanikai jellemzői és vegyi összetétele [1]

Minél kisebb a megfelelő hőkezelés-technológiával befolyásolható la­mellatávolság, a perlites sínacélok keménysége annál nagyobb. A sínacélok három fő károsodási jellemzőjével,

  • a gördülési érintkezési kifáradással,
  • a kopással,
  • a hullámos kopással

szembeni ellenálló képessége és e mechanikai jellemző között egyértelmű korreláció állapítható meg.
Amíg a 400 UHC® HSH® 100%-ban perlites sínacél minőség keménysége 400 Brinellnél nagyobb, tartósszilárdsága más perlites anyagminőségekkel (R260 és R350HT) hasonló értékeket mutat. Jellemzője a célirányosan megerősített, különösen kicsi lamellatávolságú cementitrétegek által eredményezett kiváló üzemi viselkedés.

2. ábra. Perlites acélok szövetszerkezetének mikroszkopikus felvételei
2. ábra. Perlites acélok szövetszerkezetének mikroszkopikus felvételei

Head Check károsodás kialakulása és növekedése

Tekintsük át pontosan, mit is értünk a vasúti sín Head Check (HC) meghibásodásán. E károsodást a futóélen kialakuló periodikus repedések jellemzik, amelyek a sínacél anyagának folyamatos, ciklikusan ismétlődő túlterhelése miatt a sín belseje felé növekednek. Miként a győri Széchenyi István Egyetem vizsgálatai is megmutatták, e repedések a sín felületének a forgalom által hidegalakított rétegéből erednek. A 3. és 4. ábrán [2] látható a szövetszerkezet részecskéinek hosszirányban történő erős megnyúlása. Ez azt is okozza, hogy a perlitlamellák többnyire hosszirányban rendeződnek el. A felületről kiinduló repedés e hidegalakított mikroszerkezet mentén növekszik.

3. és 4. ábra. Keresztmetszet – Head Check hibák a sín felületének hidegalakított zónájában
3. és 4. ábra. Keresztmetszet – Head Check hibák a sín felületének hidegalakított zónájában


Amint azt Albert Jörg és Richard Stock vizsgálatai bemutatták [3], a sínacél növekvő szilárdságával csökken a plasztikus alakváltozás mélysége. A 400 UHC® HSH® acélminőség alakváltozásának mélysége lényegesen kisebb, mintegy 30%-a az R260-as minőségűnél. Az anyag nagyobb ellenálló képessége mellett a vékonyabb hidegalakított réteg is hozzájárul a vágányban bizonyítottan kedvezőbb üze­mi viselkedéshez.

Stratégiák a Head Check hibákkal szemben

A vasúti sínek HC meghibásodása ellen két sikeresen bevethető stratégia létezik. Az egyik út a sínacél minőségek folyamatos fejlesztésén keresztül vezet. A 350HT HSH® minőséget már szinte minden európai országban sikeresen alkalmazzák a HC hibák ellen. Ha annak jobb ellenálló képességét az R260-as anyagminőséggel összevetjük, a gördülési érintkezési kifáradással szembeni javulás mértéke bizonyítottan legalább 2-es faktorral jellemezhető [4, 5, 6]. A nagy tengelyterhelésű vágányokban kipróbált 400 UHC® HSH® minőség vegyes forgalmú pályákon való bevezetésével a voestalpine Schienen egy lépéssel továbbment, és egy ún. hipereutektoidos, hőkezelt sínt fejlesztett ki, amelynek jellemzője a gördülési érintkezési kifáradással, kopással és hullámos kopásképződéssel szemben rendkívül megnövelt ellenálló képesség.

5. ábra. A plasztikus alakváltozás mélysége a kerék-sín próbapadon [2]
5. ábra. A plasztikus alakváltozás mélysége a kerék-sín próbapadon [2]

A megfelelő sínacél minőség kiválasztása mellett a vasúti sín profiljának optimalizálása is célravezető stratégia. E célból a voestalpine Schienen a 100-nál több profilból álló, továbbá egyedi, a megrendelő specifikált profil kifejlesztésének lehetőségével áll rendelkezésre.
A két stratégia kombináció választékával vezet a legjobb eredményhez. A 400 UHC® magas kopással szembeni ellenálló képessége alapján a többi sínacéllal összevetve kiváló profilhűséggel rendelkezik, s a jól kiválasztott hipoeutektoidos szövetszerkezetű sínprofillal lényegesen hosszabb pályában töltött idő érhető el.

Vágánytesztekből származó ismeretek, tapasztalatok

A 400UHC® HSH® minőségű sínek kifejlesztése igazi sikertörténet, hiszen azok értékesítési volumene immár meghaladja a 250 000 t-t. Elsősorban más kontinensek olyan nagy tengelyterhelésű vasútjai járnak élen a hipoeutektoidos sínacélok előnyeinek kihasználásában, ahol extrém, 35 t tengelyterhelés mellett is akár 3500 millió elegytonna áthaladását biztosító élettartamot értek el. Az utóbbi időben egyre több vegyes forgalmú vasút is felismeri ezeknek a síneknek az előnyeit, üzemi tapasztalataik a gördülési érintkezési kifáradást illetően egyértelmű képet mutatnak.
Az alábbiakban két olyan vágányteszt eredményét ismertetjük – R = 550 m és R = 1500 m sugarú íves vágányok –, melyeknél a 400UHC® HSH® minőség üzemi viselkedését vegyes forgalmi viszonyok között más acélminőségekkel vetették össze.

6. ábra. Repedés mélysége 100 millió elegytonna áthaladása után egy R = 550 m sugarú ívben
6. ábra. Repedés mélysége 100 millió elegytonna áthaladása után egy R = 550 m sugarú ívben
7. ábra. Repedés mélysége 100 millió elegytonna áthaladása után egy R = 1500 m sugarú ívben
7. ábra. Repedés mélysége 100 millió elegytonna áthaladása után egy R = 1500 m sugarú ívben


Tapasztalható, hogy a károsodás mélysége az R350HT-vel összevetve legalább 2-es faktorral jellemezhetően csökken. Gondoljunk arra, hogy a HC hibák eltávolítása céljából csiszoláskor így csak feleakkora anyagleválasztás szükséges, ez számottevően csökkenti a karbantartási ráfordítást, emellett jelentősen meghosszabbodott élettartamhoz is vezet. Ezáltal a szükséges karbantartások közötti időintervallumok meghosszabbodnak, továbbá beavatkozáskor a síncsiszolás munkálatai rövidebb idő alatt elvégezhetők.

8. ábra. Kopás mértéke 100 millió elegytonna áthaladása után egy R = 185 m sugarú ívben
8. ábra. Kopás mértéke 100 millió elegytonna áthaladása után egy R = 185 m sugarú ívben

A 400UHC® HSH® további előnye a nagy kopással szembeni ellenálló képességből adódóan jelentkező profilhűség. A pályatesztek alapján a normál minőségnél kedvezőbb kopásállóságú R350HT-vel összevetve (8. ábra) e tulajdonság további 2-es faktorral jellemezhető javulása figyelhető meg. Mindezzel együtt a hullámos kopásképződéssel szembeni jóval kedvezőbb ellenálló képesség is megmutatkozik, amit nagyon jól igazolnak egy osztrák hegyi vasúti pálya ívében végzett mérési eredmények (9. ábra).

 

Következtetés

Mint a vasút minden területére, a sínacélokéra is folyamatos fejlődés jellemző, és ez bizonyos időszakonként technológiai ugrást is magába foglal.

9. ábra. Hullámos kopás mértékének mérési eredményei 40 millió elegytonna áthaladása után R = 185 m sugarú ívben
9. ábra. Hullámos kopás mértékének mérési eredményei 40 millió elegytonna áthaladása után R = 185 m sugarú ívben

A legújabbat a 400 UHC® HSH® sínacél kifejlesztésével értük el, az eredmény egy olyan innovatív gyártási koncepció, amely lényegesen kedvezőbb üzemi viselkedésű, új tulajdonságokkal rendelkező szövetszerkezet megvalósítását teszi lehetővé. Vágánytesztek és üzemeltetési tapasztalatok alapján ezt a hőkezelt sínacélt az ugyancsak hőkezelt 350HT HSH®1 vasúti sín anyagminőséggel összevetve a következőket állapíthatjuk meg:
• gördülési érintkezési kifáradás: a javulás mértéke 2-es, 3-as faktorral jellemezhető;
• kopási viselkedés és profilhűség: a javulás mértéke 2-es faktorral jellemezhető;
• hullámos kopás képződés: a javulás mértéke 3-as faktorral jellemezhető.
Az üzemi viselkedés ilyen mértékű javulása képezi az alapját a sínek hosszú élettartamának, ami egyben jelentősen csökkenti a vasúti sínek miatt szükségessé váló karbantartást, és hozzájárul a középtávon egyébként szükségessé váló karbantartások miatti lassújelek és vágányzárak elkerüléséhez.
A vasúti infrastruktúra megfelelő gazdaságosságának egyik meghatározó összetevője a kevesebb karbantartást igénylő, hosszabb élettartamú vasúti sín. A 400UHC® HSH® acélminőség alacsony élettartamköltségével és a többletbefektetés gyors megtérülésével e gazdaságossághoz egyértelműen hozzájárul.
Összes ismert előnye alapján a nagy tengelyterhelésű vasútvonalak sínjeinek szokványos acélminőségét egyre gyakrabban alkalmazzák Európa vegyes forgalmú hálózatán is, ahol az a jobb üzemi viselkedést már többszörösen bebizonyította.

Fordította: Tömő Róbert voestalpine Hun­gária Kft.