1. Bevezetés

Az új típusú, ragasztott szigetelt kötés hevederei magas nyomáson, szabályozott hőmérsékleten előállított, üvegszál-erősítésű polimer kompozit anyagból készülnek, és képesek kiküszöbölni a hevederzárlat és a korai fáradásos lehajlás okozta meghibásodásokat. Az elektromos vezetés szempontjából biztosítják a sínszálak egymástól való elszigetelését. Előnye, hogy a pályában alkalmazott, drága szigetelt kötések kiválthatók. Célunk, hogy a laboratóriumi és a pályába beépített kísérleti kötéseken elvégzett mérések és vizsgálatok, számítógépes szimulációk és végeselemes modellezések eredményei alapján megfelelő polimer-kompozit hevederes ragasztott szigetelt sínillesztést fejlesszünk a MÁV részére [1]. A MÁV Zrt. 2011-ben, majd e projekt folytatásaként 2015-ben is megbízta a Széchenyi István Egyetemet (Universitas-Győr Nonprofit Kft.-t), hogy K+F munka keretében vizsgálja meg a polimer-kompozit hevederek alkalmazhatóságát ragasztott szigetelt kötésekben. A 2015. évi kutatási munkánk során jelentős mennyiségű magyar, angol és német nyelvű irodalmat (szabványok, műszaki előírások, technológiai utasítások, prospektusok, tudományos és nem tudományos folyóiratcikkek, kutatási jelentések, laborvizsgálati jegyzőkönyvek stb.) dolgoztunk fel, továbbá az alábbiakban felsorolt részfeladatokkal foglalkoztunk 2015–2016-ban [4]:

• alkalmazható sínrendszerek vizsgálata,
• alkalmazási körülmények előzetes meghatározása,
• laborvizsgálati körülmények, paraméterek meghatározása,
• laborvizsgálatra kísérleti kötések elkészítése: 18 db (9 db hajlító-fárasztó vizsgálat, 9 db húzó-szakító vizsgálat),
• a laboratóriumi vizsgálatok előkészítésére vonatkozó szakmai tapasztalatok, ismeretek rendszerezése.
• 2. Laboratóriumi vizsgálatok

A hazai körülmények között – új építések és rehabilitációk, valamint felújítások szempontjából – három sínrendszer jöhetett szóba a polimer kompozit hevederes ragasztott szigetelt illesztések alkalmazásánál [1], [4]:

• MÁV 48: ezen belül 48,3 kg/m és 48,5 kg/m,
• 54 E1: 54,43 kg/m (sínprofil neve másként: UIC 54),
• 60 E1: 60,21 kg/m (sínprofil neve másként: UIC 60).

A megfelelő sínanyag és sínszelvény (sín­rendszer) választásával kapcsolatosan az alábbi szempontok fontosak:
• a sínrendszer esetén
   – a tervezési sebesség,
   – a forgalmi terhelés,
   – függőleges tengelyterhelés, valamint
   – az LCC (Life Cycle Costs), azaz az élettartamköltségek,
• a sínminőség esetén
   – az ívsugár mértéke.
A sínminőség és sínrendszer kiválasztásakor a két fő szempont az volt, hogy a vonali igénybevételeknek a sínszelvény mint hajlított-nyírt tartó megfeleljen, valamint a kopási ellenállása elégséges legyen. A megfelelő anyagú és nagyobb sínszelvények előnye, hogy kisebb igénybevétel és ennek megfelelően kisebb belső feszültség keletkezik bennük azonos terhelés mellett [1].
Jelen vizsgálat tárgyát képező polimer- kompozit hevederek a MÁV-Thermit Kft. által forgalmazott MTH-AP típusúak.
Az MTH-AP típusú polimer-kompozit hevedercsaládba a MÁV 48, UIC 54, UIC 60, R65 rendszerű 4 és 6 lyukú, illetve a 650 mm, 900 mm hosszú műanyag hevederek tartoznak.

2.1. Laborvizsgálati paraméterek előzetes meghatározása

Jelenleg nem létezik érvényes szabvány, műszaki előírás a polimer-kompozit hevederes ragasztott szigetelt illesztésekre vonatkozóan.
Az acélhevederes ragasztott szigetelt illesz­tések laboratóriumi vizsgálatához a CEN/CENELEC: WG18/DG11 szabványtervezet előírásai és paraméterei irány­­mutatásként szolgálhatnak (a paraméterek előzetesen az alábbiak szerint határozhatók meg – ellenben még a kutatás hátralévő fázisaiban pontosítandók):

• húzóvizsgálat első közelítésként
  Δt = 90 °C hőmérséklet-változásnál:
  – MÁV 48,5: 1317,2 kN,
  – 54 E1: 1478,4 kN,
  – 60 E1: 1638,8 kN,
• húzóvizsgálat a [2] szerint,
• hajlítóvizsgálat a [2] szerint,
  – a hajlító-fárasztó vizsgálat vizsgálati frekvenciája 3…10 Hz,
  Fmin = 5 kN, a teherismétlések száma minimum 3×106, a vizsgálat közben a szerkezeti elemek hőmérséklete nem haladhatja meg az 50 °C-ot.

A húzóvizsgálatnál a terhelési sebesség, valamint a hajlítóvizsgálatnál a terhelési elrendezés (támaszköz, terhelőfej méretei stb.) a [2] szerint veendők figyelembe.

2.2. Ragasztóanyagok vizsgálata

A kutatás későbbi sikeressége érdekében első alkalommal 27 db ragasztott próbatestet (ami kb. 150-200 mm hosszú sín, és a két oldalára ragasztott 1-1 db, kb. 300-400 mm hosszúságú hevederdarabból állt) vizsgáltunk meg. A ragasztóanyag nyírási vizsgálata nyolcféle ragasztóanyaggal (az 5-ös és 7-es típusnál ugyanazt a ragasztóanyagot használtuk) elkészített 27 db próbatesten történt. Az elkészített próbadarabok közül 11-et nem vizsgáltunk, mert a hevedercsavarok leszerelésekor a ragasztóanyag elengedett, nem tapadt meg kellő mértékben a heveder felületén. Második alkalommal a 27 db próbatest készítésekor – az előző vizsgálathoz képest – a polimer-kompozit hevederek felületét előkészítették (a fényes, fóliaszerű felső felületet lemunkálták) a jobb ragasztóanyag-tapadás érdekében.
Grafikonokon rögzítettük a maximális szakítóerőhöz/nyomóerőhöz – a nyírási ellenállás szempontjából irreleváns, hogy húzással vagy nyomással végezzük a méréseket – tartozó elmozdulás nagyságát. Először, sajnálatos módon, a vizsgálatok során az elvártaktól nagyságrendekkel kisebb terhelési értékek adódtak. Ennek okai a következők lehettek:

• Néhány próbadarab esetén előfordult, hogy a hevederpárok felragasztásakor a kifúrt lyukak középpontjai nem estek egy vonalba, így a szakításkor külpontos húzófeszültség keletkezett, ennek következtében csak az egyik oldali heveder alatti ragasztóanyag vette fel a feszültségeket.
• A ragasztóanyag nem megfelelő felhordása a hevederre.
• Észrevételeink szerint a hevedert borító fóliaszerű anyag (amely lehet a gyártás során a sablon kikenésére hasz­nálatos anyag vagy a heveder utó­lagos felületi kezelésére alkalmas lakkréteg) következtében a ragasztó anyaga nem tapadt meg megfelelően a heveder felületén.

A próbatestek nyírási vizsgálatát ZD–40 szakítógéppel végeztük, a mintadarabokat előre kialakított befogókerettel rögzítettük a szakítógépbe. Az elmozdulás mérése HBM W50 típusú +/50 mm-es induktív útadó segítségével történt. A vizsgálat célja a kísérleti kötések elkészítéséhez szükséges ragasztóanyag kiválasztása volt, amely során a maximális szakítóerőhöz tartozó elmozdulás mértékét határoztuk meg.
A ragasztóanyagok nyírási vizsgálatakor kapott átlagos elmozdulásokhoz tartozó átlagos nyírószilárdsági értékeket (húzó- és nyomóvizsgálatok alapján) az 1. ábra foglalja össze. A kísérleti kötések elkészítéséhez a 2.(B) és 4.(A) jelű próbatesteknél használt ragasztóanyagot választottuk. A B jelű ragasztóanyagot az Osztrák Szövetségi Vasutaknál (ÖBB) is alkalmazzák a ragasztott szigetelt kötések gyártásához, az A jelűt pedig a kiemelkedően magas nyírószilárdsági eredményei okán választottuk. Az 1. ábrán látható, hogy a 6. jelű próbatestnél alkalmazott ragasztóanyag vizsgálatakor is megfelelő eredményeket kaptunk, viszont a további laborvizsgálatokhoz, a kísérleti kötések kialakításakor – mint utóbb kiderült, csak ideiglenesen – nem volt beszerezhető a piacon, ezért a további alkalmazását, vizsgálatát elvetettük. Az adatok kiértékelésekor kiszámítottuk a szórás értékeket is, azonban nem vettük figyelembe a ragasztóanyagok kiválasztásakor, mert a számítások során jelentősen „torz” értékek adódtak – valószínűsíthetően a nem szabványos vizsgálat, és ez ebből adódó nem szabványos próbatestek miatt. (A ragasztóanyagok nyírószilárdsági vizsgálatát nem írja elő az európai szabványtervezet.)

2.3. Kísérleti kötések vizsgálata

2.3.1. Hajlítóvizsgálatok

A vizsgálatokat három sínrendszer esetén (MÁV 48 – jelen esetben 48,5 kg/m –, 54 E1 és 60 E1), sínrendszerenként három próbatesten végeztük. A szabványban [2] előírt:

• statikus hajlítás törés nélkül három különböző támaszközön, fárasztás előtt (1490 mm, 1200 mm és 1000 mm);
• fárasztás 3,5 milliós terhelési ciklussal (a 60A1 és 60B1 próbakötés fárasztási támaszköze 1490 mm, egyébként a többi kísérleti kötésnél 1200 mm);
• statikus hajlítás törés nélkül három különböző támaszközön, fárasztás után;
• hevederes kapcsolat tönkremenetelig (hajlított-nyírt tartóként törés) való terhelése (1490 mm támaszközön).

A MÁV-Thermit Kft. munkatársai a vizsgálatok elvégzéséhez elkészítették a 9 db kísérleti kötést. A sínszálakat egyenként közel 85 cm hosszúságúakra vágták le a vizsgálati körülményekhez igazodva (a kötés teljes hossza 1700 mm volt). Összehasonlításképpen megvizsgáltunk sínrendszerenként 1-1 db próbatestet ragasztóanyag alkalmazása nélkül mind a három támaszközön.
Az alábbi képlet és a [2] szabvány segítségével meghatároztuk a különböző sínrendszerekkel készült kísérleti kötések vizsgálati támaszközeihez tartozó maximális terhelőerő nagyságát. Az eredményeket az 1. táblázatban foglaltuk össze.

M =  F . L / 4
ahol:
M – hajlítónyomaték [kNm],
F – maximális terhelőerő nagysága a támaszköz függvényében [kN],
L – támaszköz [m].
A fárasztás előtti (FE), a 3,5 millió ciklusig tartó fárasztás utáni (FU) és maximális tönkremeneteli erőhöz tartozó lehajlásértékeket mutatja a 2. táblázat, 54 rendszerű kísérleti kötések, három vizsgálati támaszköz esetén. Az A1 és B1 jelölések a próbadarabok elkészítéséhez felhasznált két különböző ragasztóanyagot jelölik. Egy darab kötést megvizsgáltunk fárasztás előtt, ragasztóanyag felhasználása nélkül, az az RN jelölést kapta. Az 54B1 jelű kísérleti kötés lehajlásvizsgálati elrendezését szemlélteti a 2. ábra 1000 mm-es támaszközön történő 3,5 millió fárasztási ciklust megelőzően.

A vizsgálatok során kapott eredményekből ábrázoltuk a lehajlásértékeket a terhelőerő függvényében a 3,5 millió ciklusú fárasztás előtt és után, külön sínrendszerenként és külön támaszközönként. A 3. ábrán látható a lehajlásértékek alakulása a függőleges terhelőerő függvényében a 3,5 millió ciklusú fárasztás előtt és után, 54 r. esetén, 1490 mm-es támaszközön. Az adatok kiértékeléséhez közelítésként 90 kN-os terhelőerőig lineáris regressziós egyenest fektettünk az adatsorokra, ami a felterhelő ágakra illeszkedik. Az eredmények kiértékelése során az 1. táblázatban feltüntetett maximális terhelőerőkből látható, hogy jó közelítés lehet a 90 kN-os terhelőerő figyelembevétele minden alkalmazott sínrendszer és támaszköz esetében. A lineáris regressziós egyenesek figyelembevétele során számítható egy meredekségérték, ha azt elosztjuk a 90 kN-os terhelőerővel, egy közelítő lehajlásértéket kapunk. A számításainkhoz felhasználtuk az alábbi képletet [5]:

 

ahol:
e: a hevederes sínillesztés lehajlása [m],
F – terhelőerő [kN],
L – támaszköz (esetünkben 1,49 m, 1,2 m, 1,0 m)
E – hajlítási rugalmassági modulus
[kN/m²],
I – a kötés inerciája, vízszintes tengelyre [m⁴],
G – hajlítási/nyírási rugalmassági modulus [kN/m²],
A = keresztmetszeti terület [m²].

A kapott lehajlásértékeket minden alkalmazott sínrendszerre és támaszközre figyelembe vettük. A fenti képlet segítségével, kétismeretlenes egyenletrendszerek megoldásával adtunk meg közelítő értékeket az (E×I) – azaz a hajlítómerevség – és a (G×A) – azaz a nyírási merevség – összetevőkre. Példaként a 3. táblázatban csak az 54 rendszerű kötésekre vonatkozó közelítő értékeket közöljük.
A jövőben még további mérések és számítások szükségesek az (E×I) és (G×A) merevségértékek pontosítására – például több különböző támaszköz vizsgálata.

2.3.2. Húzó-szakító vizsgálatok

Mind a 6 db próbakötés elkészítésekor lemunkálták a hevederek sín-hevederkamrához igazodó felületét, illetve felcsiszolták a sínek hevederkamráját. A csavarfuratok felmérése/kifúrása után (mind a heveder felszereléséhez, mind a húzóvizsgálatokhoz szükséges konzolok felszereléséhez nélkülözhetetlen csavarfuratok) összeállították a kötéseket. A szereléshez M27 méretű, 10.9 minőségű hevedercsavarokat alkalmaztak mindhárom sínrendszer esetén. Az axiális húzó-szakító vizsgálat eszközeinek elrendezését a 4. ábra mutatja.

A kötések hossza 2500 mm volt. A húzóerő-követelmény a WG18/DG11 szabvány követelményeit pontosítva Δt = 50 °C, ϒs = 1,5 biztonsági tényezővel:

• 60 E1 sínprofil esetén: Fs,min = 1450 kN,
• 54E1 sínprofil esetén Fs,min = 1319 kN,
• MÁV48 sínprofil esetén Fs,min = 1168 kN.

További 1,15-ös biztonsági tényezőt vettünk figyelembe annak érdekében, hogy amennyiben a húzószerkezetünkkel nem tudjuk tönkretenni a kötéseket, a 15%-kal növelt húzóerőt (pl.: 54-es sínrendszernél 1516,85 kN) min. 2 percig rajta tartjuk a ragasztott szigetelt illesztésen. Az 54 r. kötések húzó-szakító vizsgálata során kapott eredményeket a 4. táblázat tartalmazza.

3. További kutatási feladatok

A mérési-vizsgálati eredményeink alapján kísérleti jelleggel beépített polimer-kompozit szigetelt sínkötések és a kontrollvizsgálatra kijelölt szigetelt sínkötések beépítése megtörtént.
A beépítési helyszínek a következők:

• Tatabánya állomás, 54 r., jobb vágány 711+68,4 szelvényben (polimer-kompozit kötés),
• Tatabánya állomás, 54 r., jobb átmenő fővágány 702+18 szelvényben a 6–10. kitérők között (kontrollkötés),
• Biatorbágy állomás, 60 r., bal átmenő fővágány 296+40 szelvényben (polimer- kompozit kötés),
• Biatorbágy állomás, 60 r., bal vágány 4–8 kitérők között 295+36 szelvényben (kontroll GTI kötés),
• Győr állomás, 48 r., V. vágány végponti oldalán 1416+03 szelvényben, a kijárati jelző és a 33. sz. kitérő között (polimer- kompozit kötés),
• Győr állomás, 48 r., VI. vágány kezdőponti oldal kijárati jelzőnél (beépítés várható ideje 2016. vége, kontrollkötés),
• Lébény állomás, 60 r., jobb vágány 2–8. kitérők között 1598+55,80 szelvényben (polimer-kompozit kötés),
• Lébény állomás, 60 r., bal vágány 6–12. kitérők között, 1598+97 szelvényben (kontrollkötés).

További feladataink:

• a pályába épített kísérleti és kontrollkötéseken egyenességmérés az illesztések futó- és vezetőfelületein (a MÁV-Thermit Kft. végzi);
• a mérővonati eredmények kikérése, grafikonok elemzése;
• átgördült elegytonnaadatok kikérése, azok felhasználása az elemzésekhez;
• az (E×I) és (G×A) értékek pontosítása;
• K+F munka keretein kívüli további mérések, anyagvizsgálatok;
• végeselemes modellezések, a laboratóriumi és pályás mérési/vizsgálati eredményekkel történő összehasonlítása.

4. Összefoglalás

Megállapítható, hogy mind a 9 db kísérleti kötés megfelelt a fárasztóvizsgálatnak [3], mivel:

• sikeresen, tönkremenetel nélkül viselték a 3,5 milliós fárasztási ciklusú dinamikus hajlítóvizsgálatot a meghatározott paraméterekkel;
• a sínvégbetét a fárasztás utánra sem károsodott, csak a tényleges törésvizsgálatoknál váltak ki (törtek ki) belőlük darabok a felső övben (a nagy nyomóerő miatt);
• a törési nyomatékok szignifikánsan a biztonsági tényezővel korrigált kalkulált értékek felett voltak;
• a biztonsági tényezővel korrigált haj­lí­tó­­­nyomaték pl. az 54-es sínrendszernél: 40,85 kNm × 1,5 = 61,275 kNm;
• a mért törőnyomatékok pl. 54 r. kötések esetén:
  − az 54A1 jelű kötésnél: 294,6 kN × × 1,490 m × 0,25 = 109,739 kNm,
  − az 54B1 jelű kötésnél: 240,84 kN × × 1,490 m × 0,25 = 89,713 kNm,
  − az 54A2 jelű kötésnél: 304,92 kN × × 1,490 m × 0,25 = 113,582 kNm.
• a lehajlásértékek mind a fárasztóvizsgálat előtt, alatt, valamint azt követően (pl. 1,490 mm-es támaszközön 3–7,5 mm), illetve a törésnél jelentős mértékűek (~15-20 mm) voltak, viszont az tapasztalatként látható (és hallható) volt, hogy a tönkremenetel nem hirtelen következik be, és közel sem az előírt nyomatékok közelében;
• amennyiben első közelítésben eltekintünk a lehajlásnál a nyírások hatásától (ez főleg műanyag és műanyag-kompozit termékeknél nem igaz), és csak a nyomatéki tagot vesszük figyelembe, akkor egy ugyanakkora hajlítónyomatékkal terhelt 60 cm-es támaszközű (kéttámaszú) gerenda lehajlása kb. 16%-a (!!!) az 1,490 m támaszközű gerendáénak. A valóságban a sínszál sem kéttámaszú, és a PK hevederes ragasztott szigetelt illesztések lehajlásába sem csak a nyomatéki tag befolyásolja.

Megállapítható, hogy az alábbi kísérleti kötések viselték el a húzóvizsgálatra előírt erőt: 60A11 és 60A12 jelű, 54A11 és 54A12 jelű, a 48A11, 48B11 jelű. A további három kötés (60B11, 54B11 és 48A12) esetében hevedercsavar-nyíródások és az előírt teher­értéket megelőző tönkremenetel mutatkozott. A sínvégeknél a hézagmegnyílások jelentős értékűek voltak (3–12 mm).
Az (E×I) merevségértékek kiértékelései azt mutatják az 54 r. kötéseknél, hogy a ragasztott kötések merevségei 2,06…3,42-szer nagyobbak fárasztás előtt, valamint 1,79…4,56-szor nagyobbak fárasztás után, mint a ragasztás nélküli esetben.
A (G×A) merevségértékek esetén ezek az értékek rendre 2,60…3,28, illetve 1,32…2,77.
Megállapítható, hogy a merevségértékek a fárasztással számottevően csökkenhetnek, viszont a ragasztás jelentősen növelheti azokat. Ennek részletes elemzéséhez további vizsgálatokra lesz szükség.

5. Köszönetnyilvánítás

Köszönjük a MÁV-Thermit Kft., illetve a MÁV Zrt. munkatársainak a K+F munkánk során nyújtott segítségüket.