ΕΠΙΛΟΓΗ ΤΥΠΟΥ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΩΝ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΚΑΙ ΤΙΣ ΕΙΔΙΚΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΚΑΙ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΟΥ ΣΙΔΗΡΟΔΡΟΜΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥ ΩΝ «ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ, ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ» Μ Ε Τ Α Π Τ Υ Χ Ι Α Κ Η Δ Ι Α Τ Ρ Ι Β Η ΕΠΙΛΟΓΗ ΤΥΠΟΥ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΩΝ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΚΑΙ ΤΙΣ ΕΙΔΙΚΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΚΑΙ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΟΥ ΣΙΔΗΡΟΔΡΟΜΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΥ Θ. ΠΑΧΟΥΜΗ Δρ. Msc ΠΟΛΙΤΙΚΟΥ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ Χ. ΠΥΡΓΙΔΗΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Τ.Π.Μ. - Α.Π.Θ. ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ, ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ 2013

2 ii ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΠΕΡΙΛΗΨΗ - ABSTRACT (κενή σελίδα) ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

3 ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΠΕΡΙΛΗΨΗ - ABSTRACT iii Πρόλογος Η παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή εκπονήθηκε ως μέρος των υποχρεώσεων για την απόκτηση του Μεταπτυχιακού Διπλώματος Ειδίκευσης με τίτλο «Σχεδιασμός, Οργάνωση και Διαχείριση Συστημάτων Μεταφορών» της Πολυτεχνικής Σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Έχει τίτλο «Επιλογή τύπου σιδηροτροχιών με βάση τη λειτουργικότητα του δικτύου και τις ειδικές συνθήκες και στοιχεία του σιδηροδρομικού συστήματος» και εκπονήθηκε υπό την επίβλεψη του Καθηγητή του τμήματος Πολιτικών Μηχανικών κ. Χ. Πυργίδη, κατά τη χρονική περίοδο Ιουλίου Νοεμβρίου Ως συνεξεταστές ορίστηκαν: ο κ. Γ. Μίντσης, Καθηγητής του τμήματος Αγρονόμων και Τοπογράφων Μηχανικών του Α.Π.Θ. και ο κ. Π. Παπαϊωάννου, Καθηγητής του τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Α.Π.Θ.. Στην παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή διερευνάται μια νέα προσέγγιση της επιλογής του τύπου της σιδηροτροχιάς και συγκεκριμένα με βάση τη λειτουργικότητα του δικτύου και τις ειδικές συνθήκες και στοιχεία του σιδηροδρομικού συστήματος. Η προσέγγιση αυτή ενέχει στοιχεία πρωτοτυπίας και καθιστά την επιλογή του τύπου της σιδηροτροχιάς διαδικασία περισσότερο ρεαλιστική. Η εργασία δομείται σε έξι (6) κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο «Εισαγωγή», περιγράφεται το αντικείμενο της διατριβής και οριοθετείται το πεδίο εφαρμογής της. Ακολουθεί η περιγραφή του προβλήματος, η τεκμηρίωση της αναγκαιότητα της έρευνας και η περιγραφή της μεθοδολογικής προσέγγισης που ακολουθήθηκε για την υ- λοποίησή της. Στο δεύτερο κεφάλαιο «Οι σιδηροτροχιές ως δομικά στοιχεία της σιδηροδρομικής οδού μεταφοράς» επεξηγούνται βασικές έννοιες που αφορούν τις σιδηροτροχιές και αναλύονται τα βασικά χαρακτηριστικά των σιδηροτροχιών. Στο τρίτο κεφάλαιο με τίτλο «Παράμετροι επιλογής του τύπου της σιδηροτροχιάς» παρατίθενται και αναλύονται οι κυριότερες παράμετροι που καθορίζουν την επιλογή του τύπου της σιδηροτροχιάς. Στο τέταρτο κεφάλαιο «Διεπαφές τύπου σιδηροτροχιάς και λειτουργικότητας δικτύου» παρουσιάζονται εν συντομία οι διάφορες κατηγορίες σιδηροδρομικών συστημάτων και αναλύονται τα βασικά χαρακτηριστικά τους που επηρεάζουν αλλά και επηρεάζονται από την επιλογή του τύπου των σιδηροτροχιών. ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

4 iv ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΠΕΡΙΛΗΨΗ - ABSTRACT Ο προτεινόμενος τύπος σιδηροτροχιάς για κάθε σιδηροδρομικό σύστημα, όπως προκύπτει λαμβάνοντας πάντοτε υπόψη τη λειτουργικότητα του δικτύου, παρουσιάζεται με τη μορφή πινάκων στο κεφάλαιο πέντε «Επιλογή τύπου σιδηροτροχιάς με βάση τη λειτουργικότητα του δικτύου». Τέλος, στο έκτο κεφάλαιο «Συμπεράσματα» διαμορφώνονται και διατυπώνονται τα τελικά συμπεράσματα που προέκυψαν από την εκπόνηση της μεταπτυχιακής αυτής διατριβής. Καταλήγοντας, θα ήθελα να εκφράσω τις θερμές μου ευχαριστίες στον Καθηγητή κ. Χ. Πυργίδη για την προτίμηση και επιλογή του προσώπου μου, όπως και την πολύτιμη καθοδήγηση και αμέριστη συμπαράσταση από την πρώτη μέρα εκπόνησης της διατριβής. Θεσσαλονίκη, Νοέμβριος 2013 Δημήτριος Θ. Παχούμης ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

5 ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΠΕΡΙΛΗΨΗ - ABSTRACT v Περίληψη Ο σιδηρόδρομος ως μέσο μεταφοράς καλείται στο σύγχρονο οικονομικό και κοινωνικό περιβάλλον να διαδραματίσει ένα διαφοροποιημένο ρόλο έναντι του παρελθόντος. Πλέον η αυξημένες ανάγκες ταχύτητας, μεταφορικής ικανότητας, ασφάλειας και αξιοπιστίας στις μεταφορές προϊόντων και επιβατών θεωρούνται ως αυτονόητα. Η περαιτέρω εξέλιξη του σιδηροδρόμου απαιτεί την αύξηση της αποδοτικότητας του σιδηροδρομικού συστήματος και ειδικότερα της σωστής διαχείρισης της υποδομής του με ταυτόχρονη μείωση τους κόστους επένδυσης και συντήρησης. Η επιλογή τύπου σιδηροτροχιάς αποτελεί θέμα μείζονος σημασίας κατά το σχεδιασμό οιουδήποτε σιδηροδρομικού συστήματος Ανεξάρτητα της μεθοδολογίας επιλογής που θα ακολουθηθεί κατά το σχεδιασμό, πρέπει να καθοριστούν οι τρεις παράμετροι που περιγράφουν τον τύπο της σιδηροτροχιάς: i. το είδος, ii. η διατομή και iii. η ποιότητα χάλυβα. Για την ορθή επιλογή του τύπου της σιδηροτροχιάς πρέπει να λαμβάνονται υ- πόψη η λειτουργικότητα και τα ειδικά χαρακτηριστικά του κάθε δικτύου καθώς οι απαιτήσεις λειτουργικότητας είναι διαφορετικές για κάθε σιδηροδρομικό σύστημα. Αναγνωρίζοντας την αναγκαιότητα να ληφθούν υπόψη όλες οι προαναφερθείσες παράμετροι, η παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή προσπαθεί να θέσει κριτήρια επιλογής σιδηροτροχιών συναρτήσει της λειτουργικότητας του δικτύου και των ειδικών συνθηκών και στοιχείων του σιδηροδρομικού συστήματος. Για την υλοποίηση της, αρχικά ορίστηκαν οι βασικές έννοιες και τη διασαφηνίστηκαν οι όροι που αφορούν τις σιδηροτροχιές ως στοιχεία της σιδηροδρομικής οδού μεταφοράς. Ακολούθως, καθορίστηκαν οι παράμετροι επιλογής του τύπου των σιδηροτροχιών όσον αφορά τη διατομή και την ποιότητα χάλυβα καθώς και οι διεπαφές του τύπου της σιδηροτροχιάς και της λειτουργικότητας του εκάστοτε δικτύου. Συναρτήσει των ανωτέρω προέκυψαν πίνακες με τους προτεινόμενους τύπους σιδηροτροχιάς ξεχωριστά για κάθε σιδηροδρομικό σύστημα. ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

6 vi ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΠΕΡΙΛΗΨΗ - ABSTRACT Abstract Railway, as means of transport, is called in the modern economic and social environment to play a differentiated role in contrast the past. Moreover increased needs of speed, figurative faculty, safety and reliability in the transports of products and passengers are considered as obvious. Further development of railway requires the increase of efficiency of railway system and more specifically the right management of each infrastructure and its simultaneous reduction of cost of investment and maintenance. Choosing the right type of rail is of great importance for the planning of any railway system. The selection methodology that will be followed at the design, should determine the three parameters that describe the type of rail: i. the kind, ii. the cross-section and iii. the quality of steel. In order to select the right type of rail, it should be taken into consideration the serviceability and the special characteristics of each network, as the serviceability requirements are different for each railway system. Because of the necessity to be taken into consideration all the above parameters, the present postgraduate thesis tries to set criteria for the selection of the type of rail. For the completion of this thesis, basic theories and ideas, which have to do with the rail, were clarified. Furthermore, the parameters for the choice of rails which have to do with the cross-section and the quality of steel as well as the contacts of type of rail and serviceability of each network were determined. Tables were made showing the proposed types of rail for each railway system. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

7 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ vii Πίνακας Περιεχομένων κεφάλαιο 1 Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης. Eισαγωγή Αντικείμενο της εργασίας και πεδίο εφαρμογής Περιγραφή του προβλήματος Μεθοδολογική προσέγγιση Χρησιμότητα της εργασίας Περαιτέρω έρευνα Δομή της μεταπτυχιακής διατριβής... 8 κεφάλαιο 2 Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης. Οι Σιδηροτροχιές ως Δομικά Στοιχεία της Σιδηροδρομικής Οδού Μεταφοράς Ο ρόλος των σιδηροτροχιών Τύποι σιδηροτροχιών με βάση το είδος τους και τη διατομή τους Τα μέρη της σιδηροτροχιάς Η κεφαλή Το πέλμα Ο κορμός Βασικά χαρακτηριστικά των σιδηροτροχιών Το υλικό κατασκευής Το μήκος της σιδηροτροχιάς Το βάρος των σιδηροτροχιών Η διάρκεια ζωής των σιδηροτροχιών Μηχανική αντοχή σιδηροτροχιών Αντοχή σε φθορά Αντοχή σε κόπωση Θραυστομηχανική Τύποι σιδηροτροχιών με βάση την ποιότητα του χάλυβα Κανονιστικά κείμενα Σιδηροτροχιές ειδικών κραμάτων Σύγκριση ποιοτήτων χάλυβα Παραγωγή και κατεργασία σιδηροτροχιών Η σύγχρονη κατασκευή σιδηροτροχιών ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

8 viii ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ Υψικάμινος Χαλυβουργία Απαέρωση κενού και έκπλυση με αργό Χύτευση ράβδων Συνεχής χύτευση Κυλινδροποίηση Τελειοποίηση σιδηροτροχιάς Επιθεώρηση και αποδοχή Τυπικές διατομές σιδηροτροχιών Σύνδεση σιδηροτροχιών Η τεχνική της αμφίδεσης Η τεχνική της συνεχούς συγκόλλησης Αστοχίες σιδηροτροχιών κεφάλαιο 3 Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης. Παράμετροι Επιλογής του Τύπου της Σιδηροτροχιάς Εισαγωγή Παράμετροι επιλογής του είδους της σιδηροτροχιάς Παράμετροι επιλογής της τυπικής διατομής της σιδηροτροχιάς Φορτίο κατ άξονα Ημερήσιο φορτίο κυκλοφορίας Ταχύτητες Κλιματολογικές συνθήκες Ειδικά στοιχεία δικτύου Αλλαγές γραμμής Διάβρωση Παράμετροι επιλογής της ποιότητας του χάλυβα της σιδηροτροχιάς Καταγραφή των παραμέτρων Γενική προσέγγιση Επιλογή με βάση τα στοιχεία οριζοντιογραφίας της γραμμής Επιλογή με βάση το είδος της αβαρίας / καταπόνησης που θέλουμε να αποφύγουμε Επιλογή με βάση την πολιτική διαχείρισης των φθορών των σιδηροτροχιών ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

9 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ix Επιλογή με βάση τον τρόπο σύνδεσης (συγκολλησιμότητα) Νέα διαδικασία επιλογής ποιότητας Εισαγωγή Σύσταση επιλογής ποιότητας χάλυβα σιδηροτροχιάς συναρτήσει της ακτίνας καμπυλότητας οριζοντιογραφίας Επιλογή ποιότητας χάλυβα σιδηροτροχιάς συναρτήσει της υποβάθμισης κεφάλαιο 4 Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης. Διεπαφές Τύπου Σιδηροτροχιάς και Λειτουργικότητας Δικτύου Γενικά Δίκτυα υψηλών ταχυτήτων Προβλήματα στις υψηλές ταχύτητες Επιλογή τύπου σιδηροτροχιάς για δίκτυα υψηλών ταχυτήτων Μητροπολιτικός Σιδηρόδρομος (Μετρό) Κατασκευαστικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά Επιλογή τύπου σιδηροτροχιάς για μητροπολιτικό σιδηρόδρομο (μετρό) Τραμ Τεχνικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά του τροχαίου υλικού Γεωμετρικά και κατασκευαστικά χαρακτηριστικά της οδού μεταφοράς Επιλογή τύπου σιδηροτροχιάς για τραμ Προαστιακός σιδηρόδρομος Εμπορευματικά δίκτυα μεγάλου αξονικού φορτίου Συμβατικά δίκτυα μικτής κυκλοφορίας κεφάλαιο 5 Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης. Επιλογή Τύπου Σιδηροτροχιάς με Βάση τη Λειτουργικότητα του Δικτύου κεφάλαιο 6 Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης. Συμπεράσματα Βιβλιογραφία ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

10 x ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ Κατάλογος σχημάτων Σχήμα 1.1: Οργανόγραμμα μεθοδολογικής προσέγγισης μεταπτυχιακής διατριβής. 6 Σχήμα 2.1: Σιδηροτροχιά με πέλμα. 13 Σχήμα 2.2: Σιδηροτροχιά με λαιμό. 14 Σχήμα 2.3: Σιδηροτροχιά Brunel. 14 Σχήμα 2.4: Ποιότητες χάλυβα που χρησιμοποιούνται συνήθως σε Ευρώπη & 18 Αμερική. Σχήμα 2.5: Εφελκυστική αντοχή και χημική σύσταση σιδηροτροχιών με βάση 19 τα διάφορα πρότυπα. Σχήμα 2.6: Βέλτιστη διάρκεια ζωής σιδηροτροχιάς. 21 Σχήμα 2.7: Σχηματική αναπαράσταση διαγράμματος τάσεων - παραμορφώσεων. 22 Σχήμα 2.8: Φθορά περλιτικού χάλυβα σιδηροτροχιών. 24 Σχήμα 2.9: Πλευρική φθορά Y κεφαλής σιδηροτροχιάς ως προς το κατακόρυφο 24 φορτίο για διάφορες ακτίνες οριζοντιογραφίας R. Σχήμα 2.10: Διάγραμμα αντοχής σιδηροτροχιών έναντι κόπωσης. 26 Σχήμα 2.11: Λογαριθμική απεικόνιση διάνοιξης οπής και τάσης. 27 Σχήμα 2.12: Δοκιμή αντοχής σιδηροτροχιάς έναντι θραύσης. 28 Σχήμα 2.13: Διάγραμμα τάσης - διάδοσης ρωγμής. 29 Σχήμα 2.14: Διάγραμμα κρίσιμης τάσης προς κρίσιμο βάθος ρωγμής. 30 Σχήμα 2.15: Σχηματική αναπαράσταση υψικαμίνου. 41 Σχήμα 2.16: Αρχή της συνεχούς χύτευσης. 43 Σχήμα 2.17: Μόρφωση τροχαίου σιδηροδρομικού προφίλ. 46 Σχήμα 2.18: Παραμένουσες τάσεις της κεφαλής. 47 Σχήμα 2.19: Διάτρηση αμφιδέτη για σιδηροτροχιά τύπου UIC Σχήμα 2.20: Βλήτρο αμφιδέτη τύπου UIC Σχήμα 2.21: Κωδικοποίηση ονομασίας ελαττωμάτων σιδηροτροχιών. 57 Σχήμα 2.22: Συνήθη ελαττώματα σιδηροτροχιών. 58 Σχήμα 3.1: Επιλογή διατομής σιδηροτροχιάς βάσει της ταχύτητας των συρμών 73 για φορτία τροχού Qo = 80 kn και 112,5 kn. Σχήμα 3.2: Μεταβολή της δύναμης θερμοκρασιακών μεταβολών Ν κατά μήκος της Σ.Σ.Σ.. 75 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

11 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ xi Σχήμα 3.3: Τύπος διατομών βελόνης. 77 Σχήμα 3.4: Σταδιακή διαμόρφωση της διατομής της βελόνης. 77 Σχήμα 3.5: Μηχανισμός υποβάθμισης της γραμμής συναρτήσει την ακτίνας 83 οριζοντιογραφίας. Σχήμα 3.6: Αντοχή περλιτικών χαλύβων έναντι φθοράς συναρτήσει της 86 σκληρότητας. Σχήμα 3.7: Αντοχή περλιτικών χαλύβων έναντι κόπωσης συναρτήσει της 86 σκληρότητας. Σχήμα 3.8: Επιλογή ποιότητας χάλυβα σιδηροτροχιάς (παραδοσιακή προσέγγιση). 94 Σχήμα 3.9: Επιλογή ποιότητας χάλυβα σιδηροτροχιάς (νέα προσέγγιση). 94 Σχήμα 3.10: Επιλογή ποιότητας χάλυβα σιδηροτροχιάς συναρτήσει της αλλοίωσης 97 (τρέχουσα εγκατεστημένη σιδηροτροχιά ποιότητας: R260). Σχήμα 3.11: Επιλογή ποιότητας χάλυβα σιδηροτροχιάς συναρτήσει της αλλοίωσης 98 (τρέχουσα εγκατεστημένη σιδηροτροχιά ποιότητας: R350HT). Σχήμα 3.12: Επιλογή ποιότητας χάλυβα σιδηροτροχιάς συναρτήσει της αλλοίωσης 99 (τρέχουσα εγκατεστημένη σιδηροτροχιά ποιότητας: R370CrHT). Σχήμα 3.13: Υποβάθμιση διαφορετικών ποιοτήτων χάλυβα σιδηροτροχιών. 102 Σχήμα 4.1: Συμβατικού τύπου σιδηροτροχιές τροχιοδρόμου (S49). 111 Σχήμα 4.2: Σιδηροτροχιά με λαιμό (Ri60N). 112 ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

12 xii ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ Κατάλογος πινάκων Πίνακας 2.1: Αποτελέσματα δοκιμών αντοχής σε θραύση του NS. 29 Πίνακας 2.2: Ποιότητες χάλυβα και χημική σύνθεση κραμάτων κατά UIC Ο:1986 Σιδηροτροχιές Vignoles. Πίνακας 2.3: Ποιότητες χάλυβα και χημική σύνθεση κραμάτων κατά ΕΝ :2003 Σιδηροτροχιές Vignoles. Πίνακας 2.4: Βασικές διαφορές προτύπων UIC 860-O:1986 και ΕΝ : Σιδηροτροχιές Vignoles. Πίνακας 2.5: Ποιότητες χάλυβα και χημική σύνθεση κραμάτων κατά ΕΝ :2006 Σιδηροτροχιές με λαιμό. Πίνακας 2.6: Χημική σύνθεση και ιδιότητες κραμάτων με βανάδιο (V). 37 Πίνακας 2.7: Σύγκριση ποιοτήτων χάλυβα για σιδηροτροχιές τύπου Vignoles. 38 Πίνακας 2.8: Σύγκριση ποιοτήτων χάλυβα για έγκοιλες σιδηροτροχιές 39 (*εκτίμηση). Πίνακας 2.9: Χαρακτηριστικές διατομές σιδηροτροχιών του Thyssen. 49 Πίνακας 2.10: Χαρακτηριστικές διατομές σιδηροτροχιών του Thyssen (συνέχεια). 50 Πίνακας 3.1: Φορτίο Q κατ άξονα για χαρακτηριστικές τυπικές διατομές 67 σιδηροτροχιών. Πίνακας 3.2: Κατηγοριοποίηση γραμμών με βάση τη σχέση Πίνακας 3.3: Κατηγοριοποίηση γραμμών με βάση τη σχέση Πίνακας 3.4: Επιλογή τυπικής διατομής σιδηροτροχιάς. 71 Πίνακας 3.5: Χαρακτηριστικά διαφόρων τύπων σιδηροτροχιών. 73 Πίνακας 3.6: Ποιότητες χάλυβα σύμφωνα με το πρότυπο EN : Πίνακας 3.7: Σύνοψη των σημερινών εθνικών κατευθυντήριων γραμμών για 89 την επιλογή ποιότητας χάλυβα σιδηροτροχιών σε γραμμές μικτής κυκλοφορίας με φορτίο άξονα έως 22,5t και τουλάχιστον 20 MGT ετήσιο φορτίο. Πίνακας 3.8: Διάρκεια ζωής σιδηροτροχιών υπό διαφορετικές συνθήκες 101 (φθορά). Πίνακας 3.9: Διάρκεια ζωής σιδηροτροχιών υπό διαφορετικές συνθήκες (κόπωση). 101 Πίνακας 4.1: Διαφοροποιήσεις χαρακτηριστικών κατασκευής και δρομολό- 116 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

13 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ xiii γησης των επιβατικών και εμπορευματικών συρμών. Πίνακας 4.2: Επίδραση των χαρακτηριστικών των συρμών / οχημάτων στις 118 απαιτήσεις των στοιχείων ενός σιδηροδρομικού συστήματος. Πίνακας 5.1: Προτεινόμενος τύπος σιδηροτροχιάς για δίκτυο υψηλών ταχυτήτων. 120 Πίνακας 5.2: Προτεινόμενος τύπος σιδηροτροχιάς για δίκτυο μετρό. 121 Πίνακας 5.3: Προτεινόμενος τύπος σιδηροτροχιάς για δίκτυο τραμ. 122 Πίνακας 5.4: Προτεινόμενος τύπος σιδηροτροχιάς για δίκτυο προαστιακού 123 σιδηρόδρομου. Πίνακας 5.5: Προτεινόμενος τύπος σιδηροτροχιάς για δίκτυο μεγάλου αξονικού 124 φορτίου. Πίνακας 5.6: Προτεινόμενος τύπος σιδηροτροχιάς για συμβατικό δίκτυο μικτής κυκλοφορίας. 125 Κατάλογος εικόνων Εικόνα 2.1: Μηχανή κυλινδροποίησης σιδηροτροχιάς. 45 Εικόνα 2.2: Έλεγχος διατομής σιδηροτροχιάς. 48 Εικόνα 2.3: Ένωση σιδηροτροχιών με αμφίδεση. 51 Εικόνα 2.4: Ένωση σιδηροτροχιών με συνεχή συγκόλληση. 54 Εικόνα 2.5: Εσωτερική εγκάρσια ρωγμή κεφαλής σιδηροτροχιάς. 59 Εικόνα 2.6: Κυματοειδής φθορά μήκους κύματος. 59 ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

14 xiv ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ Κατάλογος συμβολισμών Λατινικοί χαρακτήρες Σύμβολο Επεξήγηση συμβολισμού A: Εμβαδόν διατομής σιδηροτροχιάς. b: Πλάτος του πέλματος της σιδηροτροχιάς. C s : Παράγοντας σχήματος με τιμές μεταξύ 1,4 και 1,9. D: Ελάχιστη διάμετρος τροχών των συρμών που κυκλοφορούν. d: Παράμετρος εξαρτώμενη από το μέγιστο φορτίο κατ άξονα. DAF: Δυναμικός συντελεστής μεγέθυνσης. E: Μέτρο ελαστικότητας του χάλυβα της σιδηροτροχιάς. f u f y Όριο θραύσης. Όριο διαρροής. g: Επιτάχυνση της βαρύτητας. I z : Ροπή αδράνειας σιδηροτροχιάς. K: Παράγοντας τάσης. l: Απόσταση μεταξύ των στρωτήρων. l o : Αρχικό μήκος σιδηροτροχιάς. Κ t : Συντελεστής που εξαρτάται από τις «συνθήκες» κύλισης των αξόνων των κινητήριων οχημάτων επί της γραμμής. Q: Φορτίο κατ άξονα. R c : Ακτίνα οριζοντιογραφίας. R e : Αντοχή διαρροής. R m : Αντοχή θραύσης. S m : Συντελεστής που η τιμή του εξαρτάται από την ταχύτητα των εμπορικών συρμών που κυκλοφορούν στη γραμμή. S V : Συντελεστής που η τιμή του εξαρτάται από την ταχύτητα των επιβατικών συρμών που κυκλοφορούν στη γραμμή. T f : Ημερήσιο φορτίο κυκλοφορίας. Τ f : Μέσο ημερήσιο φορτίο επιβατικών οχημάτων. T g : Ημερήσιο φορτίο κυκλοφορίας εμπορικών συρμών. T m : Μέσο ημερήσιο φορτίο κυκλοφορίας ελκόμενων εμπορικών οχημάτων Τ m : Μέσο ημερήσιο φορτίο εμπορικών οχημάτων. T p : Ημερήσιο φορτίο κυκλοφορίας επιβατικών συρμών. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

15 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ xv T tm : Μέσο ημερήσιο φορτίο κυκλοφορίας κινητήριων οχημάτων εμπορικών συρμών. T tv : Μέσο ημερήσιο φορτίο κυκλοφορίας κινητήριων οχημάτων επιβατικών συρμών. T V : Μέσο ημερήσιο φορτίο κυκλοφορίας ελκόμενων επιβατικών οχημάτων. V: Ταχύτητα συρμού. W zf : Στατική ροπή αδράνειας ως προς το πέλμα της σιδηροτροχιάς. Ελληνικοί χαρακτήρες Σύμβολο α c : α t : Β σ : Επεξήγηση συμβολισμού Κρίσιμο βάθος ρωγμής. Δείκτης θερμικής διαστολής χάλυβα. Ββάρος σιδηροτροχιάς ανά τρέχον μέτρο. Δl: Μεταβολή του μήκους. Δ t : Μεταβολή θερμοκρασίας. ρ: Συντελεστής αντίδρασης στρωτήρα (σταθερά ελατηρίου στήριξης). σ: Τάση. σ c : Κρίσιμη τάση. σ max : Μέγιστη τάση. φ: συντελεστής εξαρτώμενος από την κατάσταση της γραμμής. ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

16 xvi ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ (κενή σελίδα) ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

17 κεφάλαιο 1 Εισαγωγή

18 2 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο 1.1. Αντικείμενο της εργασίας και πεδίο εφαρμογής Στην παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή διερευνάται μια νέα προσέγγιση για την επιλογή του τύπου της σιδηροτροχιάς που βασίζεται στη λειτουργικότητα του δικτύου και στις ειδικές συνθήκες και στοιχεία του σιδηροδρομικού συστήματος. Οι σιδηροτροχιές ως το ανώτερο στοιχείο της επιδομής και της εσχάρας γραμμής, επιτελούν ιδιαίτερα σημαντικό ρόλο ο οποίος δεν περιορίζεται μόνο στη μόρφωση της επιφάνειας κύλισης των τροχών. Παράλληλα, μεταφέρουν και κατανέμουν τα φορτία κυκλοφορίας από τους τροχούς, μέσω των στρωτήρων και του έρματος, στο έδαφος θεμελίωσης και στηρίζουν και καθοδηγούν πλευρικά τους τροχούς του οχήματος όταν χρειάζεται. Στο πλαίσιο αυτό η επιλογή τύπου σιδηροτροχιάς αποτελεί θέμα μείζονος σημασίας κατά το σχεδιασμό οιουδήποτε σιδηροδρομικού συστήματος, τόσο από πλευράς ασφάλειας όσο και από πλευράς οικονομίας, καθώς η σωστή επιλογή της μπορεί να οδηγήσει σε μείωση του συνολικού κόστους ζωής της σιδηροδρομικής γραμμής. Ο τύπος της σιδηροτροχιάς περιγράφεται ουσιαστικά από τα τρία (3) παρακάτω βασικά χαρακτηριστικά: i. το είδος της σιδηροτροχιάς, ii. την τυπική της διατομή και iii. την ποιότητα του χάλυβα. Στο σημερινό σιδηρόδρομο, δύο είδη διατομών βρίσκουν εφαρμογή, οι σιδηροτροχιές τύπου Vignoles, που είναι και οι πλέον χρησιμοποιούμενες στα διάφορα σιδηροδρομικά δίκτυα, και οι έγκοιλες. Οι έγκοιλες διατομές χωρίζονται στις διατομές με λαιμό και στις σιδηροτροχιές τύπου Brunel. Οι διατομές με λαιμό χρησιμοποιούνται κυρίως όπου η στάθμη της σιδηροτροχιάς είναι στο ίδιο επίπεδο με τη στάθμη της οδού τους. Όσον αφορά στις διατομές τύπου Brunel η χρήση τους είναι ειδική και ως εκ τούτου περιορισμένη. Παγκοσμίως χρησιμοποιούνται πολλές τυπικές διατομές σιδηροτροχιάς με διαφορετικά γεωμετρικά χαρακτηριστικά, παρέχοντας τη δυνατότητας επιλογής της κατάλληλης για κάθε σύστημα. Το ίδιο χαρακτηριστικό των τυπικών διατομών είναι το βάρος τους, το οποίο εξαρτάται από τις γεωμετρικές διαστάσεις της διατομής. Κατά την επιλογή τυπικής διατομής, τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά που διαφοροποιούνται και καθορίζουν το βάρος της, είναι: ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

19 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 3 i. το συνολικό ύψος της διατομής, ii. το πλάτος και το πάχος του πέλματος, iii. το ύψος και το πάχος του κορμού, iv. το πλάτος και το ύψος της κεφαλής. Η επιλογή ποιότητας χάλυβα σιδηροτροχιάς καλύπτεται από διεθνή και εθνικά πρότυπα και εξαρτάται από πολλές παραμέτρους. Αντικείμενο αυτών των προτύπων αποτελεί η ανάπτυξη κατευθυντήριων γραμμών για την κατάλληλη επιλογή ποιότητας σύμφωνα με τις συνθήκες του κάθε δικτύου. Η ποιότητα του χάλυβα καθορίζεται από: i. τη σκληρότητα, ii. τα ειδικά χαρακτηριστικά και iii. την θερμική επεξεργασία του. Η χρήση χάλυβα σιδηροτροχιών υψηλότερων επιδόσεων, βελτιωμένης αντοχής και μειωμένης ανάγκης συντήρησης θεωρείται ως μία από τις βασικές παραμέτρους που πρέπει να ρυθμιστεί. Για την ορθή επιλογή του τύπου της σιδηροτροχιάς πρέπει να λαμβάνονται υ- πόψη η λειτουργικότητα και τα ειδικά χαρακτηριστικά του κάθε δικτύου. Οι απαιτήσεις λειτουργικότητας είναι διαφορετικές για κάθε σιδηροδρομικό σύστημα. Επομένως, ο κατάλληλος τύπος σιδηροτροχιάς για την ικανοποίηση αυτών των απαιτήσεων είναι διαφορετικός για: i. τα τρένα υψηλών ταχυτήτων, ii. τον προαστιακό σιδηρόδρομο, iii. τον μητροπολιτικό σιδηρόδρομο (μετρό), iv. το τραμ, v. τα δίκτυα μεγάλου αξονικού φορτίου και vi. τα συμβατικά δίκτυα μικτής κυκλοφορίας. Η επιλογή του τύπου της σιδηροτροχιάς, όπως ήδη προαναφέρθηκε, επηρεάζεται και από τις ειδικές συνθήκες του κάθε συστήματος. Παράμετροι όπως οι κλιματολογικές συνθήκες, η διάβρωση, οι αλλαγές της γραμμής και η ειδική οριζοντιογραφία μπορεί να καθορίσουν την τελική επιλογή του τύπου της σιδηροτροχιάς. Αντικείμενο της παρούσας έρευνας αποτελούν τα παρακάτω θεματικά αντικείμενα: ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

20 4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο η καταγραφή των χαρακτηριστικών των σιδηροτροχιών ως δομικών στοιχείων της σιδηροδρομικής οδού μεταφοράς, η αναγνώριση και ανάλυση των παραμέτρων επιλογής του τύπου των σιδηροτροχιών, η ταξινόμηση των σιδηροδρομικών συστημάτων με βάση τη λειτουργικότητα τους, η διαμόρφωση μεθοδολογίας για την επιλογή σιδηροτροχιών με βάση τη λειτουργικότητα του δικτύου και η διαμόρφωση μεθοδολογίας επιλογής τύπου σιδηροτροχιών με βάση τα ειδικά στοιχεία και συνθήκες του σιδηροδρομικού συστήματος. Πεδίο εφαρμογής της διατριβής αυτής αποτελούν όλα τα σιδηροδρομικά συστήματα μεταφοράς (υπεραστικός σιδηρόδρομος υψηλών και συμβατικών ταχυτήτων, προαστιακός σιδηρόδρομος, μητροπολιτικός σιδηρόδρομος (μετρό), τραμ και δίκτυα βαρέων φορτίων). Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επιλογή τύπου σιδηροτροχιάς σε υπεραστικά και προαστιακά σιδηροδρομικά συστήματα καθώς και σε α- στικά δίκτυα (μετρό, τραμ), λαμβάνοντας πάντοτε υπόψη τις ιδιαιτερότητες κατασκευής και στη λειτουργίας τους των μέσων αυτών Περιγραφή του προβλήματος Ο σιδηρόδρομος ως μέσο μεταφοράς καλείται στο σύγχρονο οικονομικό και κοινωνικό περιβάλλον να διαδραματίσει ένα διαφοροποιημένο ρόλο έναντι του παρελθόντος. Πλέον οι αυξημένες ανάγκες ταχύτητας, μεταφορικής ικανότητας μετρούμενης τόσο σε φορτίο κατ άξονα όσο και σε ημερήσιο φορτίο κυκλοφορίας, ασφάλειας και αξιοπιστίας στις μεταφορές προϊόντων και επιβατών θεωρούνται ως αυτονόητα. Η περαιτέρω εξέλιξη του σιδηροδρόμου απαιτεί την αύξηση της αποδοτικότητας του σιδηροδρομικού συστήματος και ειδικότερα της σωστής διαχείρισης της υποδομής του με ταυτόχρονη μείωση τους κόστους επένδυσης και συντήρησης. Η αξιολόγηση της ποιότητας της σιδηροδρομικής γραμμής πραγματοποιείται κυρίως βάσει τεχνικών κριτηρίων, τα οποία ταξινομούνται: i. σε αυτά που εστιάζουν στην ποιότητα γεωμετρίας της σιδηροδρομικής γραμμής και των σιδηροτροχιών και ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

21 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 5 ii. σε αυτά που εστιάζουν στις μηχανικές επιδόσεις της σιδηροδρομικής γραμμής ή των στοιχείων της. Η επιλογή και ο καθορισμός της βέλτιστης διάρκειας ζωής της σιδηροτροχιάς είναι ένα πρόβλημα όχι αμιγώς τεχνικό αλλά τεχνικοοικονομικό. Το ημερήσιο φορτίο κυκλοφορίας Τ f, το αξονικό φορτίο Q, οι ταχύτητες κυκλοφορίας V, τα στοιχεία της οριζοντιογραφίας, η απόσταση μεταξύ των στρωτήρων l και η προβλεπόμενη διάρκεια ζωής αποτελούν διαχρονικά, τις σημαντικότερες παραμέτρους καθορισμού της επιλογής του τύπου της σιδηροτροχιάς. Η φθορά και η κόπωση αποτελούν νέες παραμέτρους, η εισαγωγή των οποίων σε συνδυασμό με την ανάπτυξη νέων ποιοτήτων χάλυβα, με τη λειτουργικότητα του δικτύου καθώς και με τις ειδικές συνθήκες και στοιχεία του σιδηροδρομικού συστήματος καθιστούν την επιλογή του τύπου της σιδηροτροχιάς ιδιαίτερα πολύπλοκή διαδικασία. Αναγνωρίζοντας την αναγκαιότητα να ληφθούν υπόψη όλες οι προαναφερθείσες παράμετροι, η παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή προσπαθεί να θέσει κριτήρια ε- πιλογής σιδηροτροχιών συναρτήσει της λειτουργικότητας του δικτύου και των ειδικών συνθηκών και στοιχείων του σιδηροδρομικού συστήματος Μεθοδολογική προσέγγιση Προκειμένου να τεθούν τα κριτήρια επιλογής σιδηροτροχιών λαμβάνοντας υ- πόψη όλους τους προαναφερθέντες παράγοντες και να εκπληρωθούν ουσιαστικά οι στόχοι της μεταπτυχιακής διατριβής, ακολουθήθηκαν μεθοδολογικά τα παρακάτω βήματα, τα οποία παρουσιάζονται συνοπτικά στο οργανόγραμμα του σχήματος 1.1: i. Ορισμός του αντικειμένου και του πεδίου εφαρμογής μέσω επισταμένης βιβλιογραφικής αναζήτησης. Η αναζήτηση αφορούσε τόσο ελληνική όσο και ξενόγλωσση βιβλιογραφία και περιελάμβανε άρθρα, ανακοινώσεις συνεδρίων, βιβλία και πανεπιστημιακές σημειώσεις. ii. Ορισμός των βασικών εννοιών και διασαφήνιση των όρων που αφορούν τις σιδηροτροχιές ως στοιχεία της σιδηροδρομικής οδού μεταφοράς. iii. Καθορισμός των παραμέτρων επιλογής του τύπου των σιδηροτροχιών όσον αφορά τη διατομή και την ποιότητα χάλυβα. iv. Καθορισμός των διεπαφών του τύπου της σιδηροτροχιάς και της λειτουργικότητας του εκάστοτε δικτύου. ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

22 6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο v. Επιλογή τύπου σιδηροτροχιών με βάση: a. τη λειτουργικότητα του δικτύου, b. τα ειδικά στοιχεία και συνθήκες του σιδηροδρομικού συστήματος. vi. Εξαγωγή γενικών συμπερασμάτων και προτάσεων. Ορισμός του αντικειμένου και του πεδίου εφαρμογής. Βήμα 1 ο Αναζήτηση από βιβλιογραφία & καθοδήγηση επιβλέποντος Καθηγητή. Ορισμός βασικών εννοιών και όρων που αφορούν τις σιδηροτροχιές. Βήμα 2 ο Αναζήτηση από βιβλιογραφία. Καθορισμός των παραμέτρων επιλογής του τύπου σιδηροτροχιών. Βήμα 3 ο Αναζήτηση από βιβλιογραφία, καθοδήγηση επιβλέποντος Καθηγητή & προσωπικές εκτιμήσεις. Καθορισμός των διεπαφών του τύπου της σιδηροτροχιάς και της λειτουργικότητας του εκάστοτε δικτύου. Βήμα 4 ο Αναζήτηση από βιβλιογραφία, καθοδήγηση επιβλέποντος Καθηγητή & προσωπικές εκτιμήσεις. Επιλογή τύπου σιδηροτροχιών με βάση τη λειτουργικότητα του δικτύου, τα ειδικά στοιχεία & συνθήκες του συστήματος. Βήμα 5 ο Αναζήτηση από βιβλιογραφία, καθοδήγηση επιβλέποντος Καθηγητή & προσωπικές εκτιμήσεις. Βήμα 6 ο Εξαγωγή γενικών συμπερασμάτων και προτάσεων. Σχήμα 1.1: Οργανόγραμμα μεθοδολογικής προσέγγισης μεταπτυχιακής διατριβής. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

23 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Χρησιμότητα της εργασίας Η παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή πραγματεύεται θέματα που σχετίζονται με την επιλογή του τύπου της σιδηροτροχιάς συναρτήσει της λειτουργικότητας του δικτύου και των ειδικών συνθηκών και στοιχείων του σιδηροδρομικού συστήματος. Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία, η επιλογή του τύπου της σιδηροτροχιάς καθορίζεται κυρίως από παραμέτρους όπως το ημερήσιο φορτίο κυκλοφορίας Τ f, το αξονικό φορτίο Q, οι ταχύτητες κυκλοφορίας V, τα στοιχεία της οριζοντιογραφίας, η απόσταση μεταξύ των στρωτήρων l και η προβλεπόμενη διάρκεια ζωής. Η εισαγωγή των δύο προαναφερθεισών παραμέτρων στον τρόπο επιλογής του τύπου της σιδηροτροχιάς που επιχειρείται στην παρούσα εργασία καθιστά τη διαδικασία επιλογής περισσότερο ρεαλιστική. Παράλληλα επιχειρείται να απαντηθεί η παραπάνω πρόκληση αντιμετωπίζοντας την επιλογή όχι ως μια συγκεκριμένη περίπτωση εφαρμογής αλλά κατά τρόπο γενικό και ολοκληρωμένο. Αυτό πραγματοποιείται μέσω των εξαγόμενων πινάκων επιλογής τύπου σιδηροτροχιάς ανάλογα με τη λειτουργικότητα και τα χαρακτηριστικά εκάστου σιδηροδρομικού συστήματος. Τα ευρήματα της μεταπτυχιακής αυτής διατριβής μπορούν να αποτελέσουν ένα εύχρηστο εργαλείο: για τους μελετητές συγκοινωνιολόγους, για τους διαχειριστές σιδηροδρομικής υποδομής, για τους φορείς εκμετάλλευσης σιδηροδρομικών δικτύων και για στρατηγικούς επενδυτές (κράτη, επενδυτικές τράπεζες, κ.λ.π.) Περαιτέρω έρευνα Με την ολοκλήρωση της παρούσας ερευνητικής προσπάθειας και τη συγγραφή της μεταπτυχιακής διατριβής πραγματοποιήθηκε ένα πρώτο βήμα στην κατεύθυνση της επιλογής τύπου σιδηροτροχιών με βάση τη λειτουργικότητα του δικτύου και τις ειδικές συνθήκες και στοιχεία του σιδηροδρομικού συστήματος. Η διεξαχθείσα έρευνα μπορεί να συμπληρωθεί και να επεκταθεί σε ορισμένα θεματικά πεδία. Συγκεκριμένα: ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

24 8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο i. Εφαρμογή μοντέλων για τον επακριβή προσδιορισμό της επιρροής καθενός παράγοντα επιλογής του τύπου των σιδηροτροχιών και προσπάθεια ποσοτικοποίησης της συγκριτικά και με τους υπόλοιπους. ii. Εξαγωγή ακριβέστερων πινάκων για την επιλογή τύπου και ποιότητας χάλυβα σιδηροτροχιάς ανάλογα με τη λειτουργικότητα και τα χαρακτηριστικά εκάστου σιδηροδρομικού συστήματος. iii. Διατύπωση εξίσωσης πρόβλεψης βέλτιστης διάρκειας ζωής και αντικατάστασης της κάθε σιδηροτροχιάς Δομή της μεταπτυχιακής διατριβής Η παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή δομείται σε έξι (6) κεφάλαια ως ακολούθως: Στο πρώτο κεφάλαιο «Εισαγωγή», το οποίο είναι εισαγωγικό, περιγράφεται το αντικείμενο της διατριβής και οριοθετείται το πεδίο εφαρμογής της. Ακολουθεί η περιγραφή του προβλήματος, η τεκμηρίωση της αναγκαιότητα της έρευνας και η περιγραφή της μεθοδολογίας προσέγγισης που ακολουθήθηκε για την υλοποίηση της. Τέλος, παρουσιάζεται η χρησιμότητα της και αναφέρονται τα θεματικά πεδία της διατριβής τα οποία πιστεύεται ότι χρήζουν συμπλήρωσης και επέκτασης. Στο δεύτερο κεφάλαιο «Οι σιδηροτροχιές ως δομικά στοιχεία της σιδηροδρομικής οδού μεταφοράς» επεξηγούνται βασικές έννοιες και διασαφηνίζονται οι όροι που αφορούν τις σιδηροτροχιές ως στοιχεία της σιδηροδρομικής οδού μεταφοράς. Αναλύονται τα βασικά χαρακτηριστικά των σιδηροτροχιών και παρουσιάζονται οι τυπικές διατομές τους και ο υπολογισμός της αντοχής τους έναντι φθοράς και κόπωσης. Παρουσιάζονται και αναλύονται οι δύο διαφορετικές συστάσεις επιλογής που σήμερα χρησιμοποιούνται, η παραδοσιακή σύσταση με βάση την ακτίνα και η πρόσφατα α- ναπτυχθείσα σύσταση με βάση το βαθμό αλλοίωσης. Ακολουθεί η παρουσίαση της διαδικασίας παραγωγής και κατεργασίας τους, του τρόπου σύνδεσης είτε μέσω της τεχνικής της αμφίδεσης, είτε μέσω της τεχνικής της συνεχούς συγκόλλησης. Στην τελευταία παράγραφο του κεφαλαίου γίνεται παράθεση των πιθανών μορφών αστοχίας των σιδηροτροχιών και της κωδικοποίησης της κάθε μορφής αστοχίας που μπορεί να εμφανιστεί σύμφωνα με τους διεθνείς κανονισμούς. Στο τρίτο κεφάλαιο «Παράμετροι επιλογής του τύπου της σιδηροτροχιάς» παρατίθενται και αναλύονται οι κυριότερες παράμετροι που καθορίζουν την επιλογή του ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

25 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 9 τύπου της σιδηροτροχιάς, όπως αυτός καθορίζεται μέσω της διατομής και του είδους της σιδηροτροχιάς καθώς και της ποιότητας του χάλυβα. Πέραν των διαχρονικών παραμέτρων όπως το ημερήσιο φορτίο κυκλοφορίας Τ f, το αξονικό φορτίο Q, οι ταχύτητες κυκλοφορίας V, τα στοιχεία της οριζοντιογραφίας, η απόσταση μεταξύ των στρωτήρων l και η προβλεπόμενη διάρκεια ζωής εξετάζεται και η επιρροή της φθοράς και της κόπωσης στην επιλογή της διατομής. Παράμετροι όπως ο τρόπος σύνδεσης των σιδηροτροχιών, οι κλιματολογικές συνθήκες, η διάβρωση, τα ειδικά στοιχεία του δικτύου και η ειδική οριζοντιογραφία φαίνεται να κατέχουν βαρύνουσα σημασία στην τελική επιλογή. Στο τέταρτο κεφάλαιο «Διεπαφές τύπου σιδηροτροχιάς και λειτουργικότητας δικτύου» περιγράφονται τα σιδηροδρομικά συστήματα όπως έχουν ταξινομηθεί με βάση τη λειτουργικότητα τους. Παρουσιάζονται οι ορισμοί και τα βασικά χαρακτηριστικά που επηρεάζουν τη επιλογή των σιδηροτροχιών για τα δίκτυα υψηλών ταχυτήτων, το μετρό, το τραμ, για τα αμιγή εμπορευματικά δίκτυα μεγάλου αξονικού βάρους, για τα συμβατικά και για τα ειδικά δίκτυα μικτής κυκλοφορίας. Ο προτεινόμενος τύπος σιδηροτροχιάς για κάθε σιδηροδρομικό σύστημα, όπως προκύπτει λαμβάνοντας πάντοτε υπόψη τη λειτουργικότητα του δικτύου, τα χαρακτηριστικά της γραμμής και τις συνθήκες που επικρατούν, παρουσιάζεται με τη μορφή πινάκων στο κεφάλαιο πέντε «Επιλογή τύπου σιδηροτροχιάς με βάση τη λειτουργικότητα του δικτύου». Στο έκτο κεφάλαιο «Συμπεράσματα» διατυπώνονται τα τελικά συμπεράσματα και οι προτάσεις που προέκυψαν από την εκπόνηση της μεταπτυχιακής αυτής διατριβής. ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

26 10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο (κενή σελίδα) ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

27 κεφάλαιο 2 Οι Σιδηροτροχιές ως Δομικά Στοιχεία της Σιδηροδρομικής Οδού Μεταφοράς

28 12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο 2.1. Ο ρόλος των σιδηροτροχιών Οι σιδηροτροχιές και ο σιδηροδρομικός άξονας αποτελούν τις δύο βασικές «τεχνικές μονάδες» που εξασφαλίζουν τη «μεταφορά» με τα σιδηροδρομικά μέσα. Εύκολα επομένως μπορεί να συμπεράνει κανείς τον ιδιαίτερα σημαντικό ρόλο που επιτελούν οι σιδηροτροχιές όντας το ανώτερο στοιχείο της επιδομής της γραμμής. Ο ρόλος αυτός δεν είναι ο μόνος καθώς οι σιδηροτροχιές: i. μεταφέρουν και κατανέμουν τα φορτία κυκλοφορίας, μέσω των στρωτήρων και του έρματος, στο έδαφος θεμελίωσης, ii. υλοποιούν την επιφάνεια επί της οποίας κυλίονται οι τροχοί, iii. στηρίζουν και καθοδηγούν πλευρικά τους τροχούς του οχήματος, όταν χρειάζεται. Για να μπορούν να ανθίστανται στις πολλές και υψηλές δυνάμεις που τις καταπονούν, είτε από στατικά είτε από δυναμικά φορτία, οι σιδηροτροχιές θα πρέπει να κατασκευάζονται με συγκεκριμένες προδιαγραφές και συγκεκριμένα να παρουσιάζουν: υψηλή αντοχή έναντι φθοράς, υψηλή αντοχή έναντι θλίψης, υψηλή αντοχή έναντι εφελκυσμού, υψηλή αντοχή έναντι κόπωσης, υψηλό όριο διαρροής και σκληρότητας, υψηλή αντοχή έναντι ψαθυρής θραύσης, υψηλή συγκολλησιμότητα, υψηλό βαθμό καθαρότητας, καλή ποιότητα επιφάνειας, ομαλότητα, τήρηση των διαστάσεων των τυπικών διατομών και χαμηλές τιμές παραμενουσών τάσεων εξαιτίας της κατασκευής. Το κεφάλαιο αυτό πραγματεύεται θέματα που αφορούν τα γενικά τους χαρακτηριστικά, τον τρόπο παραγωγής τους και τις διεργασίες συντήρησης τους. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

29 ΟΙ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΕΣ ΩΣ ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΗΣ ΣΙΔΗΡΟΔΡΟΜΙΚΗΣ ΟΔΟΥ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Τύποι σιδηροτροχιών με βάση το είδος τους και τη διατομής τους Η διατομή της σιδηροτροχιάς βελτιώνεται συνεχώς από την εμφάνιση του σιδηροδρόμου μέχρι και σήμερα. Το έτος 1839 αποτέλεσε ορόσημο στην εξέλιξη της σιδηροτροχιάς καθώς πραγματοποιείται η εισαγωγή στην Ευρώπη της σιδηροτροχιάς με πέλμα (σχήμα 2.1) από το Βρετανό μηχανικό C.B. Vignoles. Το είδος αυτό διαμορφώθηκε από την ανάγκη σύνδεσης των σιδηροτροχιών μεταξύ τους, η οποία πραγματοποιούνταν με τους αμφιδέτες. Το επίμηκες πέλμα τους που επιτρέπει την εύκολη σύνδεση με τους στρωτήρες είτε μέσω ελαστικών συνδέσμων, είτε απ ευθείας και η ενισχυμένη κεφαλή για την ασφαλέστερη παραλαβή των εγκάρσιων και κατακόρυφων δυνάμεων των τροχών καθιστούν έως σήμερα το είδος της σιδηροτροχιάς αυτής ως το πλέον κατάλληλο για εφαρμογή στα διάφορα σιδηροδρομικά δίκτυα [1]. Πέραν των σιδηροτροχιών τύπου Vignoles άλλα δύο είδη βρίσκουν εφαρμογή στο σημερινό σιδηρόδρομο, οι διατομές με λαιμό (σχήμα 2.2) και οι σιδηροτροχιές τύπου Brunel (σχήμα 2.3), η χρήση τους όμως είναι ειδική & συνεπώς περιορισμένη. Οι διατομές με λαιμό είναι από τις πρώτες διατομές που κατασκευάστηκαν και χρησιμοποιούνται όπου η στάθμη της σιδηροτροχιάς είναι στο ίδιο επίπεδο με τη στάθμη της οδού. Ο κατάλληλος εγκιβωτισμός στο οδόστρωμα επιτρέπει την απρόσκοπτη διέλευση τόσο των σιδηροδρομικών όσο και των οδικών οχημάτων. Αυτό το χαρακτηριστικό τους τις καθιστά ιδανικές προς χρήση σε γραμμές τραμ και σε σιδηροδρομικές γραμμές που εξυπηρετούν λιμενικές εγκαταστάσεις. Όσον αφορά στις διατομές τύπου Brunel η χρήση τους περιορίζεται για την κίνηση πυλώνων. Σχήμα 2.1: Σιδηροτροχιά με πέλμα [1]. ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

30 14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο Σχήμα 2.2: Σιδηροτροχιά με λαιμό. Σχήμα 2.3: Σιδηροτροχιά Brunel Τα μέρη της σιδηροτροχιάς Όπως προαναφέρθηκε ο τύπος διατομής που επικράτησε και χρησιμοποιείται σήμερα είναι η διατομή με πέλμα, γνωστή ως τύπου Vignole, η οποία αποτελείται από την κεφαλή, το πέλμα και τον κορμό (σχήμα 2.1) Η κεφαλή Η κεφαλή αποτελεί το ανώτερο τμήμα της διατομής της σιδηροτροχιάς και περιλαμβάνει την επιφάνεια κύλισης και τις εσωτερικές και εξωτερικές παρειές που διαμορφώνονται με κατάλληλη κλίση. Στην επιφάνεια κύλισης ασκούνται τα κατακόρυφα φορτία των τροχών και κυλίονται οι τροχοί και επί των εσωτερικών παρειών ασκούνται οι δυνάμεις καθοδήγησης, σε περίπτωση επαφής ονύχων τροχών σιδηροτροχιών. Η παραλαβή και μεταβίβαση αυτών των δυνάμεων από την κεφαλή καθιστά τη γεωμετρία της ιδιαίτερα σημαντική. Τα βασικά γεωμετρικά χαρακτηριστικά της κεφαλής είναι: 1. το πλάτος, 2. το ύψος, 3. η ακτίνα καμπυλότητας και 4. η κλίση των παρειών της κεφαλής. 1. Το πλάτος της κεφαλής της σιδηροτροχιάς πρέπει: ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

31 ΟΙ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΕΣ ΩΣ ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΗΣ ΣΙΔΗΡΟΔΡΟΜΙΚΗΣ ΟΔΟΥ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ να προσδίδει στη σιδηροτροχιά τη μηχανική αντοχή που απαιτείται για την παραλαβή των προαναφερθέντων δυνάμεων. Πρέπει δηλαδή να είναι επαρκές ώστε να δημιουργεί μια κατάσταση πλευρικού εγκιβωτισμού της ζώνης όπου δημιουργούνται τάσεις οφειλόμενες στην επαφή τροχού σιδηροτροχιάς και οι οποίες οδηγούν σε πλευρική παραμόρφωση και θραύση της μάζας του μετάλλου της κεφαλής, 1.2. να επιτρέπει την εισαγωγή καμπύλης προσαρμογής μεταξύ κεφαλής κορμού με ικανοποιητική ακτίνα και ταυτόχρονα να ικανοποιεί τις γεωμετρικές ανάγκες που απαιτεί η σύνδεση σιδηροτροχιών με αμφίδεση, αφήνοντας επαρκές πλάτος στις επιφάνειες που θα ακουμπήσουν οι αμφιδέσεις, 1.3. να παρέχει περιθώριο ασφαλείας στις πλάγιες φθορές που παρατηρούνται κυρίως στα καμπύλα οριζοντιογραφικά τμήματα μικρής ακτίνας. Το πλάτος της κεφαλής, ανάλογα με τον τύπο της σιδηροτροχιάς, κυμαίνεται μεταξύ 65 72mm, με βάση τη μέχρι τώρα εμπειρία. Μεγαλύτερο πλάτος έχει ως α- ποτέλεσμα τα κατακόρυφα φορτία των τροχών να καθίστανται ιδιαίτερα έκκεντρα. 2. Το ύψος της κεφαλής πρέπει: 2.1. να ανταποκρίνεται στην ανάγκη εξισορρόπησης των μαζών της κεφαλής και του πέλματος της σιδηροτροχιάς, ώστε να μειώνονται οι εκ της ετερογενούς ψύξης που ακολουθεί την εξέλαση προκληθείσες παραμορφώσεις και οι οποίες οδηγούν σε παραμένουσες τάσεις, 2.2. να παρέχει περιθώριο ασφαλείας στις κατακόρυφες φθορές. Το ύψος της κεφαλής, ανάλογα με τον τύπο της σιδηροτροχιάς, κυμαίνεται γύρω στα 50mm, με βάση τη μέχρι τώρα εμπειρία. Σε περιπτώσεις γραμμής όπου ο κίνδυνος διάβρωσης λόγω υγρασίας είναι αυξημένος, όπως για παράδειγμα σε υπόγεια τμήματα γραμμής, το ύψος της κεφαλής είναι συνήθως κατά 10mm μεγαλύτερο. 3. Η ακτίνα καμπυλότητας R και η μορφή της επιφάνειας κύλισης της σιδηροτροχιάς αποτελούν τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά που μαζί με τα αντίστοιχα των τροχών καθορίζουν τη γεωμετρία επαφής τροχού σιδηροτροχιάς. Η γεωμετρία αυτή επιδρά στην κατανομή των τάσεων όχι μόνο στη διεπιφάνεια τροχού σιδηροτροχιάς αλλά επίσης και στη συνολική διατομή της σιδηροτροχιάς λόγω της εκκεντρότητας του σημείου εφαρμογής του φορτίου. Ακόμη επηρεάζει την ευστάθεια του οχήματος ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

32 16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο στις ευθυγραμμίες και την εγγραφή των σιδηροδρομικών φορείων στις στροφές μέσω των δυνάμεων ψευδο-ολίσθησης. Η συνήθης τιμή της ακτίνας καμπυλότητας R είναι 300mm. 4. Η κλίση των πλευρικών επιφανειών πρέπει να είναι τέτοια ώστε να μην εφάπτεται στον όνυχα του τροχού η εσωτερική επιφάνεια της κεφαλής, όταν ο τροχός κινείται σε ευθυγραμμία Το πέλμα Το πέλμα αποτελεί το κατώτερο τμήμα της διατομής της σιδηροτροχιάς και περιλαμβάνει την επιφάνεια έδρασης επί των στρωτήρων και τα πτερύγια. Τα βασικά γεωμετρικά χαρακτηριστικά του πέλματος είναι: 1. το πλάτος, 2. το πάχος και το σχήμα του πέλματος. 1. Το πλάτος του πέλματος της σιδηροτροχιάς καθορίζει την ακαμψία της σιδηροτροχιάς στο οριζόντιο επίπεδο και την αντίστασή της σε ανατροπή. Ένα μεγάλο πλάτος πέλματος καταπονεί λιγότερο το στρωτήρα καθώς μειώνεται η πίεση ανά μονάδα επιφάνειας. Όμως ένα υπερβολικό πλάτος δημιουργεί προβλήματα στην εξέλαση, ενώ η παράλληλη αύξηση της εγκάρσιας ροπής αδρανείας αυξάνει τη δυσκολία για τοποθέτηση των σιδηροτροχιών σε καμπύλες με πολύ μικρή ακτίνα. Γενικά το πλάτος του πέλματος θα πρέπει να είναι τέτοιο ώστε: 1.1. να παρέχει επαρκή εγκάρσια ακαμψία στη σιδηροτροχιά, 1.2. να μειώνει την ασκούμενη πίεση επί των στρωτήρων και 1.3. να παρέχει επαρκή αντίσταση της σιδηροτροχιάς σε ανατροπή. 2. Το πάχος και το σχήμα του πέλματος καθορίζονται από θέματα εξισορρόπησης μεταξύ της διατομής του πέλματος και της κεφαλής καθώς και από περιορισμούς εξέλασης. Ιδιαίτερα για το πάχος μπορεί να καθορίζεται και από λόγους αντιμετώπισης της διάβρωσης, όπως σε περιπτώσεις υπόγειων μετρό. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

33 ΟΙ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΕΣ ΩΣ ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΗΣ ΣΙΔΗΡΟΔΡΟΜΙΚΗΣ ΟΔΟΥ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Ο κορμός Το τμήμα της σιδηροτροχιάς που συνδέει την κεφαλή της με το πέλμα ονομάζεται κορμός. Ο κορμός αποτελείται από τον κυρίως κορμό, που αποκαλείται και ψυχή, τις επιφάνειες έδρασης του αμφιδέτη και τις επιφάνειες σύνδεσης με την κεφαλή και το πέλμα. Τα βασικά γεωμετρικά χαρακτηριστικά του κορμού είναι: 1. το πάχος, 2. ο τύπος συναρμογής με την κεφαλή και το πέλμα και 3. η κλίση της επιφάνειας επαφής με τον αμφιδέτη. 1. Το πάχος του κορμού θα πρέπει να είναι τέτοιο ώστε: 1.1. να παρέχει επαρκή εγκάρσια ακαμψία στη σιδηροτροχιά ώστε να αντέχει τις διατμητικές δυνάμεις που καταπονούν τον κορμό και την αυξημένη καταπόνηση που αναπτύσσεται στη γειτονική περιοχή των οπών αμφίδεσης και των συναρμογών, 1.2. να εξασφαλίζει επαρκή αντοχή στον κορμό παρά την πιθανή προοδευτική του μείωση από τη διάβρωση. Το πάχος του κορμού κυμαίνεται μεταξύ mm, με βάση τη μέχρι τώρα εμπειρία. Σε περιπτώσεις γραμμής όπου ο κίνδυνος διάβρωσης λόγω υγρασίας είναι αυξημένος, όπως για παράδειγμα σε υπόγεια τμήματα γραμμής, το πάχος είναι συνήθως μεγαλύτερο. 2. Η συγκέντρωση τάσεων που παρατηρείται στις καμπύλες συναρμογής του κορμού τόσο με το πέλμα όσο και με την κεφαλή, εξαιτίας της έκκεντρης φόρτισης της κεφαλής, καθιστά τα τμήματα αυτά ιδιαίτερα ευαίσθητα. Για τον περιορισμό των προβλημάτων από την συγκέντρωση τάσεων συνήθως υιοθετούνται μεγαλύτερες α- κτίνες συναρμογής. Ωστόσο η αύξηση αυτή οδηγεί σε ταυτόχρονη μείωση του πλάτους της επιφάνειας επαφής με τον αμφιδέτη, γεγονός που θα πρέπει να συνυπολογιστεί. 3. Η κλίση της επιφάνειας επαφής με τον αμφιδέτη είναι σημαντική για την ευστάθεια των αρμών. Αν η κλίση είναι έντονη, αποφεύγεται η φθορά του αμφιδέτη με μια σχετικά μικρή μετατόπισή του (βύθιση), αλλά οι δυνάμεις που τείνουν να χαλαρώσουν την αμφίδεση είναι σημαντικές και οι τάσεις στα βλήτρα της αμφίδεσης αυ- ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

34 18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ξημένες. Αντίθετα μια μικρή κλίση καταπονεί λιγότερο τα βλήτρα αλλά μειώνει τη δυνατότητα αποφυγής της φθοράς και περιπλέκει το πρόβλημα συναρμογής στον κορμό Βασικά χαρακτηριστικά των σιδηροτροχιών Τα βασικά χαρακτηριστικά των σιδηροτροχιών είναι: i. το υλικό κατασκευής, ii. το μήκος, iii. το βάρος και iv. η διάρκεια ζωής Το υλικό κατασκευής Μια σειρά προτύπων καθορίζουν επακριβώς τη σύσταση, τις μηχανικές ιδιότητες και τα άλλα χαρακτηριστικά των χαλύβων που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή σιδηροτροχιών. Στο σχήμα 2.4 παρουσιάζονται οι ποιότητες χάλυβα που χρησιμοποιούνται συνήθως σε Ευρώπη και Αμερική. Οι προδιαγραφές σύμφωνα με τα πρότυπα UIC, BS και AREA παρατίθενται στο σχήμα 2.5 [2]. Σχήμα 2.4: Ποιότητες χάλυβα που χρησιμοποιούνται συνήθως σε Ευρώπη & Αμερική. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

35 ΟΙ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΕΣ ΩΣ ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΗΣ ΣΙΔΗΡΟΔΡΟΜΙΚΗΣ ΟΔΟΥ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 19 Σχήμα 2.5: Εφελκυστική αντοχή και χημική σύσταση σιδηροτροχιών με βάση τα διάφορα πρότυπα. Οι σιδηροτροχιές κατασκευάζονται από χυτοχάλυβα και παρουσιάζουν υψηλή αντοχή σε εφελκυσμό ( N / mm 2 ). Η παραγωγή τους παρακολουθείται συστηματικά και υπόκειται σε αυστηρότατες προδιαγραφές προτυποποιήσεως. Ανά ορισμένη ποσότητα από τις παραγόμενες σιδηροτροχιές λαμβάνεται ένα δείγμα από τον ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

36 20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο χάλυβα και ελέγχεται η περιεκτικότητά του σε άνθρακα, που πρέπει να βρίσκεται μεταξύ 0,4-0,8% ενώ η περιεκτικότητα σε φώσφορο και άνθρακα πρέπει να βρίσκεται κοντά στο 0,5%. Μεγαλύτερα ποσοστά φωσφόρου και άνθρακος καθιστούν την σιδηροτροχιά εύθραυστη. Σημειώνεται ότι στις θέσεις του δικτύου όπου τοποθετούνται καρδιές αλλαγής τροχιάς ως υλικό κατασκευής χρησιμοποιείται ο μαγγανιούχος χάλυβας. Στην Ευρώπη, βάσει του προτύπου UIC που εφαρμόζεται, οι σιδηροτροχιές κατηγοριοποιούνται βάσει της αντοχής τους σε εφελκυσμό στις παρακάτω τέσσερις (4) κατηγορίες: 700, 900Α, 900Β και Η ονομασία της κάθε μιας δηλώνει και την αντίστοιχη αντοχή. Επιπλέον των κοινών χαλύβων, στο σχήμα 2.4 απεικονίζονται και οι βασικές κατηγορίες χαλύβων υψηλής αντοχής, των οποίων οι τιμές έναντι εφελκυσμού κυμαίνονται μεταξύ N / mm 2. Οι τελευταίες αναπτύχθηκαν κυρίως για χρησιμοποίηση σε γραμμές βαρέων συρμών Το μήκος της σιδηροτροχιάς Σήμερα, η βιομηχανία μπορεί να παράγει σιδηροτροχιές μήκους έως 120 m. Οι περιορισμοί όμως που προκύπτουν από τη μεταφορά τους στο πεδίο περιορίζει το μήκος του τελικού προϊόντος. Στα περισσότερα έργα χρησιμοποιούνται σιδηροτροχιές με τυποποιημένα μήκη 18 m, 24 m, και 36 m. Σε ιδιαίτερα απαιτητικά και σε ειδικά έργα έχουν χρησιμοποιηθεί και μήκη της τάξης των 60 m. Μεγαλύτερα μήκη σιδηροτροχιών παρέχουν τα κάτωθι πλεονεκτήματα: i. χαμηλότερο κόστος, καθώς η προκατασκευή τους στο εργοστάσιο είναι φθηνότερη από αυτήν στο πεδίο, ii. χαμηλότερο μεταφορικό κόστος, καθώς μεγαλύτερες ποσότητες σιδηροτροχιών μπορούν να μεταφερθούν από μια μεταφορική μονάδα, iii. μικροί χρόνοι φορτοεκφόρτωσης, iv. υψηλότερη παραγωγικότητα κατά την εξουδετέρωση των τάσεων, την τάνυση και τη συγκόλληση (απαιτείται μικρότερος αριθμός συγκολλήσεων), v. ταχύτερη στρώση της γραμμής και vi. υψηλότερης ποιότητας προϊόν. Κατά την παραγωγή τους όλες οι σιδηροτροχιές είναι ευθύγραμμες. Στα καμπύλα τμήματα χρησιμοποιούνται διαφορετικά μήκη σιδηροτροχιών (σιδηροτροχιές εξισώσεως). ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

37 ΟΙ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΕΣ ΩΣ ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΗΣ ΣΙΔΗΡΟΔΡΟΜΙΚΗΣ ΟΔΟΥ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Το βάρος των σιδηροτροχιών Το βάρος των σιδηροτροχιών ποικίλει ανάλογα με τον τύπο τους και εκφράζεται σε κιλά ανά τρέχον μέτρο (kg/m). Στην Ευρώπη σήμερα χρησιμοποιούνται σιδηροτροχιές των οποίων το βάρος κυμαίνεται μεταξύ kg/m. Ειδικότερα στη Δυτική Ευρώπη τείνουν να καθιερωθούν οι διατομές που προτείνει η U.I.C. (UIC 50, 54, 60 kg/m). Αντίθετα, στις Η.Π.Α. και στις χώρες της πρώην Σοβιετικής Ένωσης όπου τα αξονικά φορτία είναι μεγαλύτερα, χρησιμοποιούνται βαρύτερες σιδηροτροχιές (65 ή 70 kg/m) Η διάρκεια ζωής των σιδηροτροχιών Ο καθορισμός της βέλτιστης διάρκειας ζωής της σιδηροτροχιάς είναι ένα πρόβλημα όχι αμιγώς τεχνικό αλλά τεχνικοοικονομικό. Μετά από ένα διάστημα χρήσης της σιδηροτροχιάς, οι συνολικές δαπάνες αυξάνονται σημαντικά. Συνεπώς, είναι σκόπιμη η αντικατάστασή της πριν από την εξάντληση όλων των περιθωρίων μηχανικών αντοχών. Η βέλτιστη ζωή της κυμαίνεται από το σημείο Κ που αντιστοιχεί στο ελάχιστο των δαπανών (σχήμα 2.6). Ως ενδεικτική διάρκεια ζωής μπορεί να θεωρηθεί χρονικό διάστημα της τάξεως των ετών για τις κύριες γραμμές. Σχήμα 2.6: Βέλτιστη διάρκεια ζωής σιδηροτροχιάς [3], [4]. ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

38 22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο 2.5. Μηχανική αντοχή σιδηροτροχιών Για τον υπολογισμό της μηχανικής αντοχής των σιδηροτροχιών πρέπει να είναι γνωστή η ποιότητα του χάλυβα που έχει χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή τους. Ταυτότητα του υλικού αποτελεί το διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων του (σχήμα 2.7). Για την παραγωγή του πραγματοποιείται δοκιμή εφελκυσμού, η οποία αποτελεί μια αξιόπιστη μέθοδο υπολογισμού των μηχανικών ιδιοτήτων του υλικού. Από το διάγραμμα προκύπτουν το μέτρο ελαστικότητας E, τα όρια διαρροής f y, θραύσης f u και οι αντίστοιχες αντοχές R e και R m, η ολκιμότητα του υλικού κ.α.. Σχήμα 2.7: Σχηματική αναπαράσταση διαγράμματος τάσεων - παραμορφώσεων [5] Αντοχή σε φθορά Η αντοχή σε φθορά διέπεται από το ποσοστό του άνθρακα και κάποιων άλλων στοιχείων του κράματος, καθώς και από την ενδοστρωματική απόσταση. Υπό κανονικές συνθήκες, η αντοχή έναντι φθοράς αυξάνεται με τη σκληρότητα, η οποία είναι ανάλογη προς την αντοχή σε εφελκυσμό. Εκτός Ευρώπης, η σκληρότητα χρησιμο- ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

39 ΟΙ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΕΣ ΩΣ ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΗΣ ΣΙΔΗΡΟΔΡΟΜΙΚΗΣ ΟΔΟΥ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 23 ποιείται και για τον καθορισμό της ποιότητας του χάλυβα και της αντοχής σε εφελκυσμό. Οι πιο σημαντικές κλίμακες σκληρότητας είναι εκείνες του Vickers (HV) και του Brinelli (ΗΒ). Η σχέση με την τάση θραύσης είναι: HV = 0,3 σ (2.1) HV 15 + HB (2.2) Στο σχήμα 2.8 παρουσιάζονται ενδεικτικά τα εργαστηριακά αποτελέσματα δοκιμών φθοράς καθώς και τα αντίστοιχα αποτελέσματα για μακροχρόνια καταπόνηση υπό διάφορες συνθήκες. Το πρώτο γράφημα παρουσιάζει τα αποτελέσματα των δοκιμών κυλίνδρου και αποκαλύπτει ότι η φθορά μειώνεται σχεδόν κατά 50%, όταν η α- ντοχή σε εφελκυσμό αυξάνει κατά 200 N / mm 2. Η τάση αυτή έχει επιβεβαιωθεί από εργαστηριακές δοκιμές. Όπως είναι αναμενόμενο, υπό πραγματικές συνθήκες λειτουργίας παρατηρείται μεγαλύτερη διασπορά συγκριτικά με τις εργαστηριακές δοκιμές. Ωστόσο, προκύπτει ότι η φθορά μπορεί να διατηρείται σε χαμηλά επίπεδα με τη χρήση χαλύβων υψηλής αντοχής. Η φθορά της κεφαλής μπορεί να διαχωριστεί στην πλευρική και στην κατακόρυφη. Η κατακόρυφη φθορά της κεφαλής είναι σχεδόν αναλογική με το αντίστοιχο κατακόρυφο φορτίο. Για την πλευρική φθορά της κεφαλής της σιδηροτροχιάς η επιρροή των τοπικών συνθηκών παρουσιάζεται από μετρήσεις στους Ολλανδικούς σιδηρόδρομους. Στο σχήμα 2.9 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της πλευρικής φθοράς της κεφαλής ως προς το φορτίο, για διαφορετικές τιμές καμπυλών οριζοντιογραφίας R. Παρότι αναπαρίσταται μεγάλη διασπορά υπό σχεδόν όμοιες συνθήκες, ο δείκτης φθοράς σε κάθε καμπύλη παραμένει σχεδόν σταθερός. Αποτέλεσμα αυτού είναι η δυνατότητα προσδιορισμού του ποσοστού φθοράς της σιδηροτροχιάς. Από τη διεθνή εμπειρία προκύπτει ότι η πλευρική φθορά χαλύβων ποιότητας 900Β είναι τρείς φορές μικρότερη από την αντίστοιχη του χάλυβα ποιότητας 700. Αντίστοιχα, για το χάλυβα 1100 η φθορά είναι δύο με τρείς φορές πιο μικρή συγκριτικά με αυτή του χάλυβα ποιότητας 900Β. ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

40 24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο Σχήμα 2.8: Φθορά περλιτικού χάλυβα σιδηροτροχιών. Σχήμα 2.9: Πλευρική φθορά Υ κεφαλής σιδηροτροχιάς ως προς το κατακόρυφο φορτίο για διάφορες ακτίνες οριζοντιογραφίας R. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

41 ΟΙ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΕΣ ΩΣ ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΗΣ ΣΙΔΗΡΟΔΡΟΜΙΚΗΣ ΟΔΟΥ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Αντοχή σε κόπωση Η αντοχή σε κόπωση συχνά εκφράζεται και ως αντίσταση σε κόπωση. Οι σιδηροτροχιές και οι συγκολλήσεις πρέπει να είναι σε θέση να αντέξουν τουλάχιστον 2x10 6 φορτιστικούς κύκλους μεταξύ της πλήρους αποφόρτισης και της τάσης κόπωσης, χωρίς να εμφανίσουν ρωγμές. Η αντοχή σε κόπωση είναι ιδιαίτερης σημασίας σε περιπτώσεις υπερβολικής φόρτισης. Εάν η τιμή της είναι πολύ μικρή, μπορεί να αναπτυχθούν ρωγμές και να αναπτυχθούν φαινόμενα αποφλοίωσης. Στο σχήμα 2.10 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα δοκιμών κάμψης ελατών σιδηροτροχιών, τα οποία καταδεικνύουν ότι η αντοχή σε κόπωση αυξάνει γραμμικά με την αντοχή σε εφελκυσμό. Παρ όλα αυτά στην ε- φαρμογή μειώνεται εξαιτίας της διάβρωσης. Οι ρωγμές ξεκινούν πάντοτε από εγκοπές οι οποίες προέρχονται είτε από κατασκευαστικές ατέλειες, είτε από εξωτερικές ζημιές. Γι αυτό το λόγο είναι σημαντική η επίτευξη υψηλών επιπέδων καθαρότητας του υλικού, όπως π.χ. χαμηλή περιεκτικότητα μη μεταλλικών εγκλείστων και υδρογόνου. Οι παρακάτω ενδεικτικές τιμές αντοχής σε κόπωση ακολουθούνται για το Ολλανδικό δίκτυο σιδηροδρόμων: ελατές σιδηροτροχιές: 300 ± 20 Ν / mm 2, χρησιμοποιημένες σιδηροτροχιές: 220 ± 20 Ν / mm 2, flash συγκολλήσεις: 200 ± 20 Ν / mm 2, θερμικές συγκολλήσεις: 180 ± 20 Ν / mm 2. Οι τιμές αυτές προέκυψαν από πειραματικές δοκιμές κάμψης τεσσάρων σημείων σε αντιστηριζόμενες σιδηροτροχιές ανοίγματος 1,25 m και ελάχιστης εφαρμοζόμενης τάσης 20 Ν / mm 2. Συγκρινόμενες με τη διεθνή βιβλιογραφία οι τιμές αυτές είναι σχετικά χαμηλές και επομένως συντηρητικές. Η διαφοροποίηση αυτή μπορεί να οφείλεται στη διατμητική παραμόρφωση η οποία παρουσιάζεται σε περιπτώσεις που ο λόγος ύψους προς μήκος είναι μεγαλύτερος από 0,1. ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

42 26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο Σχήμα 2.10: Διάγραμμα αντοχής σιδηροτροχιών έναντι κόπωσης [2] Θραυστομηχανική Η προστασία έναντι θραύσης είναι ιδιαίτερης σημασίας για τις σιδηροτροχιές. Για την αξιολόγηση αυτής της ιδιότητας χρησιμοποιείται η ειδικότητα της θραυστομηχανικής. Η βασική θεωρία της θραυστομηχανικής παρουσιάζεται στις βιβλιογραφικές αναφορές [6], [7], [8]. Δύο σημαντικές παράμετροι είναι η σκληρότητα θραύσης, που συνήθως εκφράζεται ως ο παράγοντας κρίσιμης τάσης K IC, και το ποσοστό διάδοσης της ρωγμής, που συνήθως αναφέρεται ως da / dn. Ο παράγοντας τάσης K προσδιορίζεται από τη σχέση: Κ = C σ a (2.3) όπου σ: η τάση στο μισό του βάθους της ρωγμής, α: το βάθος της ρωγμής συμπεριλαμβανομένου του βάθους της αρχικής εγκοπής, C s: παράγοντας σχήματος με τιμές μεταξύ 1,4 και 1,9. Στη θραύση επιτυγχάνεται ο παράγοντας κρίσιμης τάσης K IC, με την αντίστοιχη κρίσιμη τάση σ c και το κρίσιμο βάθος ρωγμής α c. To Ι, στο K IC, υποδηλώνει τη μέθοδο ελέγχου κατά την οποία οι επιβαλλόμενες τάσεις έχουν διεύθυνση κάθετη στο επίπεδο της ρωγμής. Οι τιμές του K IC καθορίζονται σύμφωνα με τη βιβλιογραφική αναφορά [7]. Μετά το σχηματισμό της ρωγμής τα δοκίμια υπόκεινται σε στατική φόρτιση έως τη θραύση. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

43 ΟΙ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΕΣ ΩΣ ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΗΣ ΣΙΔΗΡΟΔΡΟΜΙΚΗΣ ΟΔΟΥ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 27 Ένας άλλος τρόπος προσδιορισμού των τιμών του K IC είναι μέσω δυναμικής δοκιμής χαμηλής συχνότητας για τη διάδοση της ρωγμής. Στα δοκίμια δημιουργείται μία οξεία εγκοπή και καταπονούνται υπό κυκλική φόρτιση με διακύμανση τάσης Δσ, που αντιστοιχεί σε διακύμανση ΔΚ. Στα πειράματα του DS [9] η τάση κυμαίνεται μεταξύ 20 και 200 Ν / mm 2, επομένως το Δσ =180 Ν / mm 2. Η διάδοση της ρωγμής καθορίζεται από τον επονομαζόμενο νόμο Paris: da dn = C [ΔΚ] (2.4) Από την λογαριθμική απεικόνιση, σύμφωνα με το σχήμα 2.11, προκύπτει μια γραμμική συνάρτηση. Οι ρωγμές μεγαλώνουν για τιμές του ΔΚ μεγαλύτερες από το ΔΚ 1. Πέρα από το ΔΚ 2 η διάδοση της ρωγμής πραγματοποιείται προοδευτικά και η θραύση προκύπτει στο K IC. Για τον υπολογισμό της αντοχής θραύσης των σιδηροτροχιών, ένας μεγάλος α- ριθμός δοκιμών διεξήχθηκαν υπό την επίβλεψη του ORE D 156. Το δίκτυο Ολλανδικών σιδηροδρόμων (NS) συνεισέφερε σε αυτή την έρευνα πραγματοποιώντας επιπλέον δοκιμές [9]. Αντικείμενο διερεύνησης αποτέλεσε και η αντοχή κόπωσης κάμψης διατομών σιδηροτροχιών. Γι αυτό το λόγο διατομές σιδηροτροχιών μήκους 1250 mm, με οξείες εγκοπές στο πέλμα τους υποβλήθηκαν σε δοκιμές κυκλικής κάμψης τεσσάρων σημείων όπως φαίνεται στο σχήμα 2.12 [2]. Σχήμα 2.11: Λογαριθμική απεικόνιση διάνοιξης οπής και τάσης. ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

44 28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο Σχήμα 2.12: Δοκιμή αντοχής σιδηροτροχιάς έναντι θραύσης. Κατά τον υπολογισμό του παράγοντα έντασης της τάσης (SIF) για την πλήρη διατομή σιδηροτροχιάς θα πρέπει να ληφθούν υπόψη οι παραμένουσες τάσεις. Οι τάσεις αυτές υπολογίζονται ξεχωριστά κατά την πειραματική διαδικασία. Καθορίζονται οι ακόλουθες τιμές: Κ IC = SIF για την κεφαλή της σιδηροτροχιάς του δοκιμίου, RFR = Αντοχή θραύσης σιδηροτροχιάς (rail fracture resistance), που α- ναφέρεται στις εφαρμοζόμενες τάσεις χωρίς τις παραμένουσες, K rail = SIF σιδηροτροχιάς για το σύνολο των τάσεων. Οι δοκιμές του NS πραγματοποιήθηκαν σε ποιότητες χάλυβα 700, 900 και 1100 Ν / mm 2. Στον πίνακα 2.1 συνοψίζονται τα αποτελέσματα των δοκιμών του NS [9]. Οι παραμένουσες τάσεις παρουσιάζεται να έχουν κυρίαρχη επιρροή στην αντοχή των σιδηροτροχιών σε θραύση. Επομένως, θα ήταν επιθυμητό να περιοριστούν οι παραμένουσες τάσεις των σιδηροτροχιών από την παραγωγή μέσω της βελτιστοποίησης της διαδικασίας. Για αντοχές εφελκυσμού της τάξης των 880 Ν / mm 2 και άνω οι τιμές του Κ IC μειώνονται ελάχιστα. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

45 ΟΙ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΕΣ ΩΣ ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΗΣ ΣΙΔΗΡΟΔΡΟΜΙΚΗΣ ΟΔΟΥ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 29 Πίνακας 2.1: Αποτελέσματα δοκιμών αντοχής σε θραύση του NS. Ποιότητα χάλυβα Κ IC (MPa m) K rail (MPa m) RFR (MPa m) 700 N / mm N / mm 2 ποιότητα Α N / mm 2 ποιότητα Β N / mm HB Οι τιμές του λόγου da/dn έχουν επίσης προσδιοριστεί και τα αποτελέσματα συνοψίζονται στο σχήμα Ο βαθμός διάδοσης της ρωγμής για ποιότητα 1080 Ν / mm 2 είναι περίπου διπλάσιος συγκριτικά με αυτόν του 880 Ν / mm 2. Παρόμοιες τιμές προέκυψαν και σε άλλες δοκιμές [10], [11], [12]. Σύμφωνα με τις πειραματικές δοκιμές που διεξήγαγε ο Krupp [13] σε ποιότητες χάλυβα 900Α, οι τιμές του Κ IC παρουσιάζονται στο σχήμα 2.14 ως συνάρτηση του κρίσιμου βάθους ρωγμής. Και σε αυτά τα πειράματα καταδεικνύεται η ανάγκη μείωσης των παραμενουσών τάσεων της σιδηροτροχιάς. Σχήμα 2.13: Διάγραμμα τάσης - διάδοσης ρωγμής. ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

46 30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο Σχήμα 2.14: Διάγραμμα κρίσιμης τάσης προς κρίσιμο βάθος ρωγμής Τύποι σιδηροτροχιών με βάση την ποιότητα του χάλυβα Κανονιστικά κείμενα Η προμήθεια σιδηροτροχιών στα σιδηροδρομικά συστήματα μεταφοράς καλύπτεται από διεθνή πρότυπα και εξαρτάται από τον τύπο και τα χαρακτηριστικά της. Συγκεκριμένα, ισχύουν τα κάτωθι πρότυπα: UIC 860-O: 1986: Τεχνική προδιαγραφή για την προμήθεια σιδηροτροχιών Vignoles [14], ΕΝ : 2003: Σιδηροδρομικές εφαρμογές Γραμμή - Σιδηροτροχιές Μέρος 1: Σιδηροτροχιές Vignoles βάρους 46 kg/m και άνω [15], ΕΝ 14811: 2006: Σιδηροδρομικές εφαρμογές Γραμμή- Σιδηροτροχιές ειδικών διατομών - Σιδηροτροχιές με λαιμό και συναφής κατασκευή [16]. EN : 2008: Σιδηροδρομικές εφαρμογές Γραμμή - Σιδηροτροχιές Μέρος 1: Σιδηροτροχιές Vignoles. EN : 2011: Σιδηροδρομικές εφαρμογές Γραμμή - Σιδηροτροχιές Μέρος 1: Σιδηροτροχιές Vignoles (νέα έκδοση). Πέραν των διεθνών προτύπων που αναφέρθηκαν, η προμήθεια σιδηροτροχιών καλύπτεται και από εθνικά πρότυπα. Στη συνέχεια γίνεται μια περαιτέρω ανάλυση για κάθε επιμέρους πρότυπο. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

47 ΟΙ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΕΣ ΩΣ ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΗΣ ΣΙΔΗΡΟΔΡΟΜΙΚΗΣ ΟΔΟΥ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 31 UIC 860-O:1986: Τεχνική προδιαγραφή για την προμήθεια σιδηροτροχιών Vignoles. Το πρότυπο αυτό καλύπτει την προμήθεια σιδηροτροχιών τύπου Vignoles για διατομές βάρους μεγαλύτερου από 35 kg/m. Βάσει του προτύπου αυτού προβλέπονται οι ακόλουθες κατηγορίες χάλυβα (steel grades) για τις σιδηροτροχιές οι οποίες παρουσιάζονται στον πίνακα 2.2. Πίνακας 2.2: Ποιότητες χάλυβα και χημική σύνθεση κραμάτων κατά UIC 860-Ο:1986 Σιδηροτροχιές Vignoles. Ποιότητα Χάλυβα C % Mn % Χημική σύνθεση Si % Cr % P max % S max % Εφελκυστική Αντοχή Rm (MPa) Επιμήκυνση A (mm) 700 0,40-0,60 0,80-1,25 0,05-0,35-0,05 0, A 0,60-0,80 0,80-1,30 0,10-0,50-0,04 0, B 0,55-0,75 1,30-1,70 0,10-0,50-0,04 0, ,60-0,82 0,80-1,30 0,30-0,90 0,80-1,30 0,03 0, ΕΝ :2003: Σιδηροδρομικές εφαρμογές Γραμμή - Σιδηροτροχιές Μέρος 1 : Σιδηροτροχιές Vignoles βάρους 46kg/m και άνω. Το πρότυπο αυτό καλύπτει την προμήθεια σιδηροτροχιών τύπου Vignoles για διατομές βάρους μεγαλύτερου των 46 kg/m. Βάσει του προτύπου αυτού προβλέπονται οι ακόλουθες κατηγορίες χάλυβα (steel grades) για τις σιδηροτροχιές : R200, από χάλυβα C Mn, μη θερμικά κατεργασμένο, με σκληρότητα HBW, R220, από χάλυβα C Mn, μη θερμικά κατεργασμένο, με σκληρότητα HBW, R260, από χάλυβα C Mn, μη θερμικά κατεργασμένο, με σκληρότητα HBW, R260Mn, από χάλυβα C Mn, μη θερμικά κατεργασμένο, με σκληρότητα HBW, R320Cr, από κράμα Cr, μη θερμικά κατεργασμένο, με σκληρότητα HBW, ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

48 32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο R350HT, από χάλυβα C Mn, θερμικά κατεργασμένο, με σκληρότητα HBW, R350LHT, από κράμα χαμηλής περιεκτικότητας, θερμικά κατεργασμένο, με σκληρότητα HBW. Η χημική σύσταση τους παρουσιάζεται στον πίνακα 2.3 [17]. Η τεχνική προδιαγραφή EN :2003 αποτελεί επέκταση της UIC 860- O:1986 με την οποία όμως παρουσιάζει σημαντικές διάφορες. Πιο συγκεκριμένα, η UIC 860-O:1986 καθορίζει μεν τις ιδιότητες από πλευράς υλικών των σιδηροτροχιών, ωστόσο σε αντίθεση με την EN :2003 δεν καθορίζει επακριβώς τις διαδικασίες παραγωγής και βιομηχανοποίησής τους. Παράλληλα, η UIC 860-O:1986, όντας πιο παλαιά, αντικατοπτρίζει την τεχνική της εποχής, προδιαγράφοντας μεταξύ άλλων τέσσερις (4) μόνο ποιότητες χάλυβα με βάση την εφελκυστική αντοχή σε αντίθεση με την ΕΝ :2003 όπου προβλέπονται επτά (7), χαρακτηριζόμενες από τη σκληρότητά τους. Η τελευταία διαφοροποίηση βασίζεται κυρίως στο γεγονός ότι η σκληρότητα συναρτάται πολύ πιο εύκολα με τα χαρακτηριστικά φθοράς και αντοχής κάθε ποιότητας χάλυβα ενώ είναι και ευκολότερο να εκτιμηθεί. Πίνακας 2.3: Ποιότητες χάλυβα και χημική σύνθεση κραμάτων κατά ΕΝ :2003 Σιδηροτροχιές Vignoles. Ποιότητα Χάλυβα C % Mn % Si % Χημική σύνθεση Cr % P max% S max% Al max% V max% N max% Εφελκ. Αντοχή Rm (MPa) Επιμήκυνση A (mm) R200 Liquid Solid R220 Liquid Solid R260 Liquid Solid R260 Mn R320 Cr R350 HT R350 LHT Liquid Solid Liquid Solid Liquid Solid Liquid Solid 0,40-0,60 0,38-0,62 0,50-0,60 0,50-0,60 0,62-0,80 0,60-0,82 0,55-0,75 0,53-0,77 0,60-0,80 0,58-0,82 0,72-0,80 0,70-0,82 0,72-0,80 0,70-0,82 0,70-1,20 0,65-1,25 1,00-1,25 1,00-1,25 0,70-1,20 0,65-1,25 1,30-1,70 1,25-1,75 0,80-1,20 0,75-1,25 0,70-1,20 0,65-1,25 0,70-1,20 0,65-1,25 0,15-0,58 0,13-0,60 0,20-0,60 0,20-0,60 0,15-0,58 0,13-0,60 0,15-0,60 0,13-0,62 0,50-1,10 0,48-1,12 0,15-0,58 0,13-0,60 0,15-0,58 0,13-0,60 0,15 max 0,035 0,040 0,15 max 0,025 0,025 0,15 max 0,025 0,030 0,15 max 0,025 0,030 0,80-1,20 0,75-1,25 0,020 0,025 0,15 max 0,020 0,025 0,30 max 0,020 0, ,004 0,004 0,004 0,004 0,004 0,004 0,004 0,004 0,004 0,004 0,004 0,004 0,004 0,004 0,030 0,030 0,030 0,030 0,030 0,030 0,030 0,030 0,180 0,200 0,030 0,030 0,030 0,030 0,009 0,010 0,008 0,008 0,009 0,010 0,009 0,010 0,009 0,010 0,009 0,010 0,009 0, ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

49 ΟΙ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΕΣ ΩΣ ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΗΣ ΣΙΔΗΡΟΔΡΟΜΙΚΗΣ ΟΔΟΥ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 33 Πλέον των ανωτέρω, η Ευρωπαϊκή προδιαγραφή EN :2003 προβλέπει δυο σειρές δοκιμών: Δοκιμές Χαρακτηρισμού (Qualification Tests) όπως π.χ. αντοχής σε κόπωση και Δοκιμές Αποδοχής (Acceptance Tests), οι οποίες εξασφαλίζουν ότι κάθε σιδηροτροχιά που βγαίνει από την παραγωγή ανταποκρίνεται στα προβλεπόμενα κριτήρια σχεδιασμού και επιδόσεων. Παράλληλα, στην EN :2003 σε αντίθεση με την UIC 860-O:1986, προβλέπονται με επαρκή λεπτομέρεια μη-καταστροφικές δοκιμές για τις σιδηροτροχιές ως μέρος των Δοκιμών Αποδοχής. Επιπλέον των όσων αναφέρθηκαν, σημαντικό είναι ότι με βάση την EN :2003, προβλέπεται εξέταση υπέρηχων και δινορευμάτων για το σύνολο των σιδηροτροχιών προκειμένου να εξασφαλίζεται η απουσία σοβαρών ελαττωμάτων εκ κατασκευής, ενώ επιπλέον προσδιορίζονται απαιτήσεις επιπεδότητας των σιδηροτροχιών γεγονός που συνιστά πρόσθετη απαίτηση ποιότητας που δεν περιλαμβάνεται σε άλλο παρόμοιο κανονιστικό κείμενο. Για τις ιδιότητες των προϊόντων που παρουσιάζουν δυσκολία ελέγχου, προσδιορίζονται τέλος και περιγράφονται λεπτομερώς οι σχετικές διαδικασίες παραγωγής. Οι βασικές διαφορές μεταξύ των δύο προαναφερθέντων προτύπων παρουσιάζονται συνοπτικά στον πίνακα 2.4 που ακολουθεί. ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

50 34 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο Πίνακας 2.4: Βασικές διαφορές προτύπων UIC 860-O:1986 και ΕΝ : Σιδηροτροχιές Vignoles. UIC 860-O:1986 EN :2003 Προσδιορίζει τέσσερις (4) ποιότητες χάλυβα. Από πλινθώματα χύτευσης ή κορμούς συνεχούς χύτευσης. Ορισμός της ποιότητας χάλυβα με βάση την ε- φελκυστική αντοχή. Μια (1) ομάδα διαστάσεων προφίλ. Δοκιμές Αποδοχής: Χημική σύνθεση βασικών προσθέτων. Δοκιμή εφελκυσμού (κύρια δοκιμή). Εξέταση υπερήχων Χωρίς λεπτομέρειες. Εγγύηση Περιγραφή των σχετικών όρων. Προσδιορίζει επτά (7) ποιότητες χάλυβα συμπεριλαμβανόμενων και θερμικά κατεργασμένων. Από κορμούς συνεχούς χύτευσης. Ορισμός της ποιότητας χάλυβα με βάση τη σκληρότητα. Ταυτοποίηση του προφίλ με βάση το βάρος ανά τρέχον μέτρο. Ορισμός των προφίλ με βάση τις απαραίτητες μόνο διαστάσεις. Δυο (2) ομάδες διαστάσεων προφίλ. Δυο (2) ομάδες επιπεδότητας και κυρτότητας. Ορισμός λεπτομερειών για τις διαδικασίες παραγωγής: Υποχρεωτική απαέρωση. Ευθυγράμμιση μέσω ελάστρων δύο σταδίων. Πρόταση βέλτιστης πολιτικής. Δοκιμές Χαρακτηρισμού: Αντοχή θραύσης. Ανάπτυξη ρωγμών. Δοκιμή κόπωσης. Λεπτομερής δοκιμή σκληρότητας στο σύνολο του μήκους της σιδ/χιας. Παραμένουσες τάσεις. Δοκιμές Αποδοχής: Χημική σύνθεση και όρια προσθέτων. Σκληρότητα (κύρια δοκιμή). Χαρ/κα εφελκυσμού μέσω υπολογισμών. Καθαρότητα χάλυβα. Περιεκτικότητα σε οξυγόνο. Μικροδομή. Απανθράκωση. Μη-καταστροφικές δοκιμές. Μη-καταστροφικές δοκιμές: Λεπτομερής περιγραφή των ορίων και των παραμέτρων calibration των οργάνων. Υπέρηχοι (εσωτερικό σιδ/χιας). Δινορεύματα (επιφάνεια σιδ/χιας). Εξέταση επιπεδότητας μέσω laser. Εγγύηση Οι όροι θεωρούνται συμβατικό αντικείμενο και δεν περιγράφονται. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

51 ΟΙ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΕΣ ΩΣ ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΗΣ ΣΙΔΗΡΟΔΡΟΜΙΚΗΣ ΟΔΟΥ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 35 ΕΝ 14811:2006 : Σιδηροδρομικές εφαρμογές Γραμμή- Σιδηροτροχιές ειδικών διατομών - Σιδηροτροχιές με λαιμό και συναφής κατασκευή Το πρότυπο αυτό καλύπτει την προμήθεια έγκοιλων σιδηροτροχιών για διατομές βάρους μεγαλύτερου από 42 kg / m. Βάσει του προτύπου αυτού προβλέπονται οι ακόλουθες κατηγορίες χάλυβα (steel grades) για τις σιδηροτροχιές : R200, από χάλυβα C Mn, μη θερμικά κατεργασμένο, με σκληρότητα HBW, R220G1, από χάλυβα C Mn, μη θερμικά κατεργασμένο, με σκληρότητα HBW, R260, από χάλυβα C Mn, μη θερμικά κατεργασμένο, με σκληρότητα HBW, R260GHT, από χάλυβα C Mn, θερμικά κατεργασμένο, με σκληρότητα HBW, R290GHT, από χάλυβα C Mn, θερμικά κατεργασμένο, με σκληρότητα HBW, R340GHT, από χάλυβα C Mn, θερμικά κατεργασμένο, με σκληρότητα HBW. Η χημική σύσταση τους παρουσιάζεται στον πίνακα 2.5 [17]. Πίνακας 2.5: Ποιότητες χάλυβα και χημική σύνθεση κραμάτων κατά ΕΝ 14811:2006 Σιδηροτροχιές με λαιμό. Ποιότητα Χάλυβα C % Mn % Si % Χημική σύνθεση Cr % P max% S max% Al max% Mo max% Cu max% Εφελκ. Αντοχή Rm (MPa) Επιμήκυνση A (mm) R200 R220 G1 R260 R260 GHT R290 GHT Liquid Solid Liquid Solid Liquid Solid Liquid Solid Liquid Solid 0,40-0,60 0,38-0,62 0,50-0,65 0,48-0,67 0,62-0,80 0,60-0,82 0,40-0,60 0,38-0,62 0,50-0,65 0,48-0,67 0,70-1,20 0,65-1,25 1,00-1,25 0,95-1,30 0,70-1,20 0,65-1,25 0,70-1,20 0,65-1,25 1,00-1,25 0,95-1,30 0,15-0,58 0,13-0,60 0,15-0,58 0,13-0,60 0,15-0,58 0,13-0,60 0,15-0,58 0,13-0,60 0,15-0,58 0,13-0,60 0,15 max 0,15 max 0,15 max 0,15 max 0,15 max 0,035 0,040 0,025 0,030 0,025 0,030 0,035 0,040 0,025 0,030 0,035 0,040 0,025 0,030 0,025 0,030 0,035 0,040 0,025 0,030 0,004 0,004 0,004 0,004 0,004 0,004 0,004 0,004 0,004 0,004 0,02 max 0,02 max 0,02 max 0,02 max 0,02 max 0,15 max 0,15 max 0,15 max 0,15 max 0,15 max R340 GHT Liquid Solid 0,62-0,80 0,60-0,82 0,70-1,20 0,65-1,25 0,15-0,58 0,13-0,60 0,15 max 0,025 0,030 0,025 0,030 0,004 0,004 0,02 max 0,15 max ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

52 36 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο Λοιπά πρότυπα Πέραν των διεθνών προτύπων που αναφέρθηκαν, η προμήθεια σιδηροτροχιών καλύπτεται από εθνικά πρότυπα όπως λ.χ. το VDV 600:1995, Oberbau-Richtlinien und Oberbau-Zusatzrichtlinien (OR/OR-Z) des VDV fur Bahnen nach der BO-Strab. Στο συγκεκριμένο κανονισμό (OR 8.1.3) προβλέπονται επτά ποιότητες χάλυβα για τις σιδηροτροχιές, συγκεκριμένα: S700 (R200), από χάλυβα C Mn, μη θερμικά κατεργασμένο, με σκληρότητα HBW, S800, (R220), από χάλυβα C Mn, μη θερμικά κατεργασμένο, με σκληρότητα HBW, S900Α (R260), από χάλυβα C Mn, μη θερμικά κατεργασμένο, με σκληρότητα HBW, S900Β (R260Mn), από χάλυβα C Mn, μη θερμικά κατεργασμένο, με σκληρότητα HBW, S1100 (R320Cr), από κράμα Cr, μη θερμικά κατεργασμένο, με σκληρότητα HBW, S900ΗΗ (R350HT), από χάλυβα C Mn, θερμικά κατεργασμένο, με σκληρότητα HBW, R350LHT, από κράμα χαμηλής περιεκτικότητας, θερμικά κατεργασμένο, με σκληρότητα HBW Σιδηροτροχιές ειδικών κραμάτων Συγκεκριμένες ποιότητες χάλυβα σιδηροτροχιών με τυποποιημένα χαρακτηριστικά, ιδιότητες και επιδόσεις, προβλέπονται από τα πρότυπα και τους κανονισμούς που αναφέρθηκαν. Ωστόσο, οι βιομηχανίες στην προσπάθειά τους να καλύψουν τις υψηλές και ολοένα αυξανόμενες απαιτήσεις της σύγχρονης γραμμής, έχουν αναπτύξει και παρουσιάσει τεχνικές εναλλακτικές λύσεις. Οι εναλλακτικές αυτές ακολουθούν το βασικό κορμό των απαιτήσεων των προδιαγραφών που αναφέρθηκαν με ορισμένες παραλλαγές. Στόχος τους είναι η απαλοιφή βασικών μειονεκτημάτων συγκεκριμένων ποιοτήτων χάλυβα που κατά τα άλλα, παρουσιάζουν ισχυρά συγκριτικά πλεονεκτήματα. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

53 ΟΙ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΕΣ ΩΣ ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΗΣ ΣΙΔΗΡΟΔΡΟΜΙΚΗΣ ΟΔΟΥ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 37 Ειδικά για τις έγκοιλες σιδηροτροχιές, τα κράματα βαναδίου (V) S700V (ή αλλιώς R220GV) και S900V (ή αλλιώς R260GV), ανήκουν στην κατηγορία αυτή. Τα ειδικά αυτά κράματα προβάλλουν ως εναλλακτική λύση στις θερμικά σκληρυμένες σιδηροτροχιές. Παράλληλα, διατηρούν τα θετικά χαρακτηριστικά των μη-θερμικά κατεργασμένων σιδηροτροχιών και δη των ποιοτήτων βάσης (R200, R220G1) που χαρακτηρίζονται από χαμηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα, επιτρέποντας τοιουτοτρόπως την εύκολη αναγόμωση και συγκόλλησή τους. Χαρακτηριστικά ιδιαίτερα σημαντικά ειδικά στις περιπτώσεις εγκιβωτισμένων σιδηροτροχιών, όπου είναι αδύνατη η προθέρμανση των σιδηροτροχιών σε θερμοκρασίες άνω των 160 ο C, εν γένει λόγω κινδύνου καταστροφής των περιβαλλόντων τη σιδηροτροχιά ελαστομερών. Η σύνθεση των ειδικών αυτών κραμάτων παρουσιάζεται στον πίνακα 2.6. Πίνακας 2.6: Χημική σύνθεση και ιδιότητες κραμάτων με βανάδιο (V) [17]. Ποιότητα Χάλυβα C % Mn % Si % Χημική σύνθεση Cr % P max% S max% Al max% V % Cu % Εφελκ. Αντοχή Rm (MPa) Επιμήκυνση A (mm) S700V 0,20-0,30 1,20-1,50 0,20-0,30-0,025 0,025-0,10-0, S900V 0,41-0,51 1,10-1,40 0,20-0,30-0,025 0,025-0,10-0, Συγκριτικό πλεονέκτημα των σιδηροτροχιών από κράματα βαναδίου (V) έναντι των λοιπών ποιοτήτων χάλυβα είναι η σημαντικά υψηλότερη σκληρότητα που μπορούν να αποκτήσουν κατόπιν αναγόμωσής τους με ανοξείδωτο χάλυβα. Κρίσιμη ω- στόσο παραμένει η εκτέλεση της διαδικασίας συγκόλλησης, η επιτυχία της οποίας καθορίζει τη μακροζωία και τις επιδόσεις αυτής της τεχνολογίας. Παραδείγματα επιτυχούς εγκατάστασης έγκοιλων σιδηροτροχιών από κράματα βαναδίου (V), από το 2000 μέχρι σήμερα, αποτελούν τα ακόλουθα δίκτυα (Πηγή Corus Rail) : VVV De Lijn (Βέλγιο), ΡΑΤΒ Bucharest (Ρουμανία), VBZ Zurich (Ελβετία). ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

54 38 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο Σύγκριση ποιοτήτων χάλυβα Οι πίνακες 2.7 και 2.8 συνοψίζουν τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των διαφόρων ποιοτήτων χάλυβα που παρουσιάστηκαν. Η σύγκριση που πραγματοποιήθηκε είχε χαρακτήρα ποιοτικό και όπου αυτό ήταν δυνατό ποσοτικό και αποσκοπεί στο να παράξει μια εποπτεία των συγκριτικών πλεονεκτημάτων κάθε ποιότητας χάλυβα. Ποσοτικά στοιχεία, όπου παρέχονται, προέρχονται από τη βιβλιογραφία και δεν θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά τρόπο απόλυτο, παρά μόνον ενδεικτικά [17], [18], [19], [20], [21]. Η σύγκριση βασίζεται στα παρακάτω κριτήρια: Αντοχή σε φθορά: ως φθορά νοείται η αφαίρεση υλικού από την κεφαλή της σιδηροτροχιάς κατά την εγκάρσια και κατακόρυφη έννοια. Ανάπτυξη κυματοειδών παραμορφώσεων: αφορά στην τάση δημιουργίας κυματοειδών παραμορφώσεων στην επιφάνεια κύλισης της σιδηροτροχιάς. Αντοχή σε κόπωση: ως κόπωση νοείται η κόπωση λόγω κύλισης (RCF). Δυνατότητα αναγόμωσης: αφορά στην ευκολία επισκευής των σιδηροτροχιών μέσω ηλεκτροσυγκόλλησης επί τόπου ή στο εργαστήριο. Συγκολλησιμότητα: αφορά στην ευκολία συγκόλλησης των σιδηροτροχιών κατά την τοποθέτησή τους επί της γραμμής. Πίνακας 2.7: Σύγκριση ποιοτήτων χάλυβα για σιδηροτροχιές τύπου Vignoles. Αντοχή σε φθορά R220 R260 R260 Mn R320 Cr R350 HT R350 LHT R % +200% +400% +600% Ανάπτυξη κυματοειδών παραμορφώσεων R200 R220 R260 Mn R320 Cr R350 HT R350 LHT R /-50% Αντοχή σε κόπωση R220 R260 R260 Mn R320 Cr R350 HT R350 LHT R % +110% +550% Δυνατότητα αναγόμωσης R220 R260 R260 Mn R320 Cr R350 HT R350 LHT R Συγκολλησιμότητα R220 R260 R260 Mn R320 Cr R350 HT R350 LHT R ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

55 ΟΙ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΕΣ ΩΣ ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΗΣ ΣΙΔΗΡΟΔΡΟΜΙΚΗΣ ΟΔΟΥ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 39 Πίνακας 2.8: Σύγκριση ποιοτήτων χάλυβα για έγκοιλες σιδηροτροχιές (* εκτίμηση). Αντοχή σε φθορά R220 G1 R260 R260 R290 R340 S700 V S900 V R % +200% +200% +400% +700% -/- * +200% * Ανάπτυξη κυματοειδών παραμορφώσεων R220 G1 R260 R260 R290 R340 S700 V S900 V R /- ++ Αντοχή σε κόπωση R220 G1 R260 R260 R290 R340 S700 V S900 V R /- ++ Δυνατότητα αναγόμωσης R220 G1 R260 R260 R290 R340 S700 V S900 V R / /- -/- Συγκολλησιμότητα R220 G1 R260 R260 R290 R340 S700 V S900 V R / /- -/- Παρατήρηση Στους πίνακες 2.7 και 2.8, η ποιότητα χάλυβα στην πρώτη αριστερά στήλη συγκρίνεται διαδοχικά με τις ποιότητες του χάλυβα στην πρώτη σειρά άνω (πχ πίνακας 2.7,η σιδηροτροχιά με ποιότητα χάλυβα R220 έχει κατά 70% μεγαλύτερη αντοχή σε φθορά από ότι η σιδηροτροχιά R200). Για τον ποιοτικό χαρακτηρισμό των επιδόσεων υιοθετήθηκαν οι παρακάτω συμβολισμοί : +++ Πολύ καλύτερη ++ Σημαντικά καλύτερη + Καλύτερη -/- Ισοδύναμη - Χειρότερη -- Σημαντικά χειρότερη --- Πολύ χειρότερη ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

56 40 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο 2.7. Παραγωγή και κατεργασία σιδηροτροχιών Η σύγχρονη κατασκευή σιδηροτροχιών Τις τελευταίες δύο δεκαετίες η διαδικασία κατασκευής σιδηροτροχιών έχει ουσιαστικά εκσυγχρονιστεί. Επί του παρόντος, η μέθοδος της Καμίνου Βασικού Οξυγόνου (ΚΒΟ) εφαρμόζεται σχεδόν αποκλειστικά. Η δευτερογενής μεταλλουργία και η απαέρωση κενού είναι μια λιγότερο εφαρμοζόμενη πρακτική. Η εισαγωγή του υπολογιστή στη χαλυβουργία έχει οδηγήσει σε μια δραματική βελτίωση στον έλεγχο της ποιότητας. Η εισαγωγή της συνεχούς χύτευσης, συνέβαλε περισσότερο στη βελτίωση της ποιότητας των σιδηροτροχιών. Το ίδιο ισχύει και για τις πιο ακριβείς τεχνικές μέτρησης, εντός των διαφόρων βημάτων της διαδικασίας. Η διαδικασία κατασκευής σιδηροτροχιών περιλαμβάνει τις εξής κύριες φάσεις: την υψικάμινο, την παραγωγή χάλυβα, τη συνεχή χύτευση ή τη χύτευση ράβδων, την κυλινδροποίηση, την ευθυγράμμιση, τις μετρήσεις (υπερήχων, γεωμετρίας, επί τόπου ελέγχου) και την τελική αποδοχή Υψικάμινος Ο χάλυβας είναι κατ ουσία σίδηρος που έχει τελειοποιηθεί με την προσθήκη άλλων στοιχείων σε συγκεκριμένες ποσότητες. Ο σίδηρος βρίσκεται ως οξείδιο του σιδήρου σε βράχους, γνωστός και ως σιδηρομετάλλευμα. Υπάρχει σε μεγάλες ποσότητες και σε προσβάσιμες περιοχές σε λίγες περιοχές ανά τον κόσμο, ως επί το πλείστον στη Σκανδιναβία, την Αμερική, την Αυστραλία, τη Β. Αφρική και τη Ρωσία. Το μετάλλευμα κατατάσσεται, συνθλίβεται και οδηγείται στο εργοστάσιο πυροσυσσωμάτωσης (sinter plant). Εκεί αναμιγνύεται με οπτάνθρακα και ασβεστόλιθο και θερμαίνεται για να σχηματίσει ένα πλούσιο σε σίδερο clinker, γνωστό και ως sinter. Από την κορυφή του κλιβάνου, τροφοδοτείται τo sinter μαζί με επιπλέον σιδηρομετάλλευμα, οπτάνθρακα και ασβεστόλιθο, σε ελεγχόμενες αναλογίες. Ακολουθεί ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

57 ΟΙ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΕΣ ΩΣ ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΗΣ ΣΙΔΗΡΟΔΡΟΜΙΚΗΣ ΟΔΟΥ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 41 θέρμανση του μείγματος. Μέσω αυτής της διαδικασίας η ποσότητα του σιδηρομεταλλεύματος μειώνεται. Ο σίδηρος του sinter και του σιδηρομεταλλεύματος λειώνει και σχηματίζεται μια λίμνη λειωμένου μετάλλου, στη βάση του κλιβάνου. Η θερμοκρασία του αέρα είναι περίπου 1500 o C. Στο σχήμα 2.15 παρουσιάζεται μια σχηματική αναπαράσταση ενός τμήματος υψικαμίνου. H διαδικασία είναι συνεχής. Καθώς η σκωρία συσσωρεύεται στην επιφάνεια του λειωμένου σιδήρου, περιοδικά απομακρύνεται. Ομοίως, όταν επαρκής ποσότητα τηγμένου σιδήρου συσσωρευτεί κάτω από τη σκωρία, απομακρύνεται. Εν τω μεταξύ, οι πρώτες ύλες, σιδηρομετάλλευμα, οπτάνθρακας και ασβεστόλιθος, συνεχίζουν να χύνονται από την κορυφή του κλιβάνου ενώ ταυτόχρονα διοχετεύεται θερμός αέρας από τη βάση. Αυτή η διαδικασία συνεχίζεται αδιάκοπα, συχνά για τέσσερα ή περισσότερα έτη, έως ότου η αντοχή των πυρότουβλων της επένδυσης αρχίσει να μειώνεται. Σχήμα 2.15: Σχηματική αναπαράσταση υψικαμίνου. ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

58 42 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο Χαλυβουργία Η κύρια μέθοδος παρασκευής χάλυβα, είναι η μέθοδος της Καμίνου Βασικού Οξυγόνου (ΚΒΟ), γνωστή ως ΚΒΟ. Σε καινούργιους φούρνους, χωρητικότητας t ή περισσότερο, η διαδικασία παραγωγής διαρκεί περί τα 40 min. Λειωμένο μέταλλο είναι το κύριο υλικό που χρησιμοποιείται στη διαδικασία. Στον κεκλιμένο κλίβανο, τοποθετούνται αρχικά scrap, σε ποσοστό 30%, και στη συνέχεια λειωμένος σίδηρος, σε ποσοστό 70%. Στη συνέχεια ο κλίβανος επιστρέφει σε όρθια θέση. Μια υδρόψυκτη λόγχη οξυγόνου εισέρχεται κατακόρυφα μέσα στον κλίβανο και εμφυσείται υψηλής καθαρότητας ξηρό οξυγόνο εμφυσείται στο μέταλλο με πολύ μεγάλη ταχύτητα. Το οξυγόνο ενώνεται με τον άνθρακα και τα υπόλοιπα ανεπιθύμητα στοιχεία, εξαλείφοντας έτσι τις ακαθαρσίες από το τηγμένο υλικό. Με αυτή τη διαδικασία η περιεκτικότητα σε άνθρακα είναι μικρότερη από 0,1%. Η προσθήκη άσβεστου βοηθάει στην απομάκρυνση οξειδωμένων πρόσμεικτων ως ένα επιπλέον στρώμα της σκωρίας. Η εισχώρηση των λογχών, ο προσδιορισμός του όγκου του οξυγόνου που πρέπει να εγχυθεί, οι προσθήκες που πρέπει να γίνουν και οι διορθωτικές ενέργειες που απαιτούνται είναι ελεγχόμενα από υπολογιστή και πλήρως αυτοματοποιημένα. Όταν όλος ο χάλυβας συλλεχθεί, απομακρύνεται και η υπόλοιπη σκωρία από τον κλίβανο. Ακολουθεί, μέσω της λεγόμενης δευτερογενούς μεταλλουργίας, η βελτίωση της χημικής σύνθεσης, η ρύθμιση της θερμοκρασίας και η αύξηση της καθαρότητας μέσω της μετάγγισης εγκλείστων Απαέρωση κενού και έκπλυση με αργό Στη σύγχρονη χαλυβουργία εφαρμόζονται και άλλα μέτρα για τη βελτίωση της ποιότητας χάλυβα. Η έκπλυση με αργό χρησιμοποιείται για την ομογενοποίηση της θερμοκρασίας και της χημικής σύνθεσης. Συστήματα απαέρωσης κενού μειώνουν το υδρογόνο σε λιγότερο από 2 ppm και βελτιώνουν την καθαρότητα του χάλυβα. Με περιεκτικότητα υδρογόνου μικρότερη από 2 ppm στον ρευστό χάλυβα, δεν απαιτούνται ιδιαίτερα μέτρα ψύξης για την πρόληψη της ανάπτυξης νιφάδων. Οι νιφάδες αυτές, υπό την επιρροή των φορτίων των συρμών, ενδέχεται να δημιουργήσουν ρωγμές κόπωσης. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

59 ΟΙ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΕΣ ΩΣ ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΗΣ ΣΙΔΗΡΟΔΡΟΜΙΚΗΣ ΟΔΟΥ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Χύτευση ράβδων Μετά την ολοκλήρωση της διαδικασίας παραγωγής του, ο τηγμένος χάλυβας διοχετεύεται σε καλούπια. Μετά την ψύξη, ο χάλυβας απογυμνώνεται και αναθερμαίνεται σε υγρούς λάκκους. Η μετατροπή των ράβδων σε σιδηροτροχιές ακολουθεί στην παραγωγική διαδικασία. Η συμβατική χύτευση ράβδων χρησιμοποιείται σχεδόν σπάνια στην κατασκευή των σιδηροτροχιών Συνεχής χύτευση Η αρχή της συνεχούς χύτευσης, η οποία επί του παρόντος χρησιμοποιείται από τα περισσότερα χαλυβουργεία, παρουσιάζεται στο σχήμα Ο κάδος, χωρητικότητας t, με το ρευστό χάλυβα τοποθετείται στην κορυφή ενός πυργίσκου. Στον κάθε πυργίσκο συνήθως αναλογούν δύο κάδοι ώστε να υπάρχει αδιάκοπη έκχυση τηγμένου χάλυβα. Σχήμα 2.16: Αρχή της συνεχούς χύτευσης. ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

60 44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο Συγκεκριμένη ποσότητα ρευστού χάλυβα, που αντιστοιχεί στον αριθμό των εκμαγείων/καλουπιών της μηχανής, συνήθως 6-8, διοχετεύεται από το μεγάλο κάδο σε έναν μικρότερο που ονομάζεται κατανεμητής. Για την προστασία του χάλυβα από την ατμοσφαιρική οξείδωση χρησιμοποιούνται πυρίμαχοι σωλήνες μεταξύ κάδου και κατανεμητή, καθώς επίσης και μεταξύ κατανεμητή και εκμαγείων. Τα εκμαγεία είναι υδρόψυκτα, διπλών τοιχωμάτων και μπορεί να είναι διαφορετικής διατομής μεταξύ τους. Το Thyssen π.χ. χρησιμοποιεί καλούπια διαστάσεων 265 x 385 mm. Το ποσοστό της υπερθέρμανσης του ρευστού χάλυβα έχει σημαντική επίδραση στην ποιότητα του χυτού. Επομένως, η θερμοκρασία ρευστού χάλυβα στον κατανεμητή δεν υπερβαίνει αυτή της τήξης + 15 o C. Κατά τη διάρκεια της χύτευσης τα καλούπια ταλαντώνονται με μία συχνότητα κύκλους ανά min, ανάλογα με την ταχύτητα χύτευσης και ταλάντωσης, ώστε να αποφευχθεί η προσκόλληση το χάλυβα στο καλούπι. Η ταχύτητα χύτευσης είναι περίπου 0,8 m / min. Κατά την έξοδο των χαλύβδινων ράβδων και μετά από δευτεροβάθμια ψύξη, οι θερμές ακόμα ίνες καμπυλώνονται, με ακτίνα καμπυλώσεως m, και εισάγονται στις μονάδες ευθυγράμμισης. Σε σύγκριση με τη χύτευση ράβδων, η συνεχής χύτευση έχει τα πλεονεκτήματα της παραγωγής καθαρότερου χάλυβα, με μικρότερα και ομοιόμορφα κατανεμημένα έγκλειστα Κυλινδροποίηση Οι χαλύβδινες ράβδοι επιθεωρούνται και τυχόν ελαττώματα απομακρύνονται για να εξασφαλιστεί ο υψηλός βαθμός ποιότητας επιφάνειας του τελικού προϊόντoς. Πριν λάβουν την τελική μορφή τους, ως χαλύβδινες διατομές, οι χαλύβδινες ράβδοι αναθερμαίνονται στους 1250 C σε ειδικά σχεδιασμένες καμίνους. Ακολούθως ψεκάζονται με νερό, σε πίεση περίπου 200 bar, για την απομάκρυνση εξωτερικής στρώσης. Αυτό αποτρέπει τις επιφάνειες των κυλίνδρων και των ράβδων από το να καταστραφούν. Οι ράβδοι διέρχονται από το μηχάνημα κυλινδροποίησης 8-11 φορές για να λάβουν την τελική τους μορφή. Στο σχήμα 2.17 παρουσιάζεται η μόρφωση τροχαίου σιδηροδρομικού προφίλ. Η εικόνα 2.1 δείχνει μηχανή κυλινδροποίησης που παράγει μια διατομή σιδηροτροχιάς. Κάποιοι κατασκευαστές σιδηροτροχιών εφαρμόζουν τη γενική διαδικασία κυλινδροποίησης, κατά την οποία το μέταλλο διαμορφώνεται εναλλάξ σε μια γενική ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

61 ΟΙ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΕΣ ΩΣ ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΗΣ ΣΙΔΗΡΟΔΡΟΜΙΚΗΣ ΟΔΟΥ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 45 βάση και μια συνεργαζόμενη στράντζα. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνονται μικρές ανοχές και υψηλής ποιότητας επιφάνειες. Η βελτιωμένη αυτή διαδικασία αυξάνει την αντοχή σε κόπωση. Κατά την τελική διέλευση, στη ράβδο χαράσσεται ένα σήμα που παρέχει πληροφορίες σχετικά με τον κατασκευαστή, το χυτήριο, το έτος κατασκευής και την ποιότητα. Ένα μήκος 125 m είναι δυνατό. Εικόνα 2.1: Μηχανή κυλινδροποίησης σιδηροτροχιάς. ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

62 46 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο Σχήμα 2.17: Μόρφωση τροχαίου σιδηροδρομικού προφίλ Τελειοποίηση σιδηροτροχιάς Οι μορφωμένες σιδηροτροχιές κόβονται από πριόνια στα επιθυμητά μήκη. Τυπικό μήκος αποτελούν τα 36 m. Σε κάθε σιδηροτροχιά σημειώνονται οι αριθμοί ράβδου, ώστε να μπορεί να ταυτοποιηθεί με βάση τη χύτευση από την οποία μορφώθηκε. Οι σιδηροτροχιές αφήνονται να ψυχθούν. Χρειάζονται περίπου 3-4 ώρες έως ότου η θερμοκρασία τους πέσει από τους 800 o C στους 100 o C. Η ψύξη ακολουθείται από την ευθυγράμμιση. Λόγω του ασύμμετρου προφίλ, η κεφαλή και το πέλμα της σιδηροτροχιάς ψύχονται σε διαφορετικούς ρυθμούς, με αποτέλεσμα την καμπύλωση των σιδηροτροχιών. Για να διορθωθεί αυτό οι σιδηροτροχιές ευθυγραμμίζονται κατά την κατακόρυφη και μερικές φορές και κατά την εγκάρσια διεύθυνση μέσω κυλίνδρων. Η περιφέρεια των κυλίνδρων ανέρχεται σε 3 m στη Γερμανία και 1,8 m στη Γαλλία. Η ευθυγράμμιση με κυλίνδρους, όπως εφαρμόζεται μέχρι σήμερα, παρέχει ε- ξαιρετική ευθύτητα, αλλά εισάγει επιζήμια παραμένουσες τάσεις της τάξης των 100 έως 300 N / mm 2, ανάλογα με την τάση διαρροής του χάλυβα των σιδηροτροχιών. Αυτές οι τάσεις πρέπει να προστεθούν στις τάσεις των φορτίων. Στο σχήμα 2.18 είναι ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

63 ΟΙ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΕΣ ΩΣ ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΗΣ ΣΙΔΗΡΟΔΡΟΜΙΚΗΣ ΟΔΟΥ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 47 εμφανές ότι οι παραμένουσες τάσεις της κεφαλής μεταβάλλονται από εφελκυστικές σε θλιπτικές κατά τη διαδικασία. Μετά την ευθυγράμμιση, κάθε σιδηροτροχιά διέρχεται από το κέντρο ελέγχου. Οι σιδηροτροχιές ελέγχονται για την ύπαρξη εσωτερικών ελαττωμάτων, για την α- κρίβεια των διαστάσεων και για την ευθύτητα της επιφάνειας κύλισης. Η διαδικασία παραγωγής τελειώνει με την κοπή των σιδηροτροχιών ακριβώς στα επιθυμητά μήκη. Εάν απαιτείται, οι σιδηροτροχιές παρέχονται με οπές για την τοποθέτηση αμφιδετών. Ακολουθεί ο τελικός έλεγχος και η αποδοχή που διενεργούνται από πιστοποιημένους ειδικούς του εργοστασίου και / ή από πιστοποιημένους οργανισμούς ελέγχου. Σχήμα 2.18: Παραμένουσες τάσεις της κεφαλής Επιθεώρηση και αποδοχή Η ετήσια αγορά σιδηροτροχιών συνεπάγεται τεράστια χρηματικά ποσά. Για τις διοικήσεις των ευρωπαϊκών σιδηροδρομικών δικτύων μια τάξη μεγέθους των 1,5-5 t ανά km μπορεί να αναφερθεί ως η ποσότητα των σιδηροτροχιών που πρέπει να ανανεώνεται κάθε χρόνο. Για το NS τα ετήσια ποσά της ζήτησης σιδηροτροχιών ανέρχονται σε περίπου t (1987), που αντιστοιχούσαν σε 30 εκατομμύρια φιορίνια. Δεν αποτελεί επομένως έκπληξη το γεγονός ότι οι διοικήσεις των σιδηροδρόμων είναι πολύ σχολαστικές στην επιθεώρηση και την τελική αποδοχή, πολύ περισσότερο αν ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

64 48 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο συνυπολογιστεί ότι η πενταετής εγγύηση περιορίζεται στην απλή επιστροφή των εξόδων υλικού, το οποίο είναι μόνο ένα κλάσμα του συνολικού κόστους που εμπλέκεται στην αντικατάσταση μιας σιδηροτροχιάς. Ο έλεγχος και η παραλαβή μπορεί να διενεργηθεί είτε από ειδικό ανεξάρτητο τμήμα του κατασκευαστή, είτε από ειδικό του κατασκευαστή και του πελάτη, οπότε ο πελάτης φροντίζει για την τελική αποδοχή. Ο τελευταίος τείνει να γίνει κοινή πρακτική στην Ευρώπη. Ωστόσο, η φιλοσοφία αποδοχής αλλάζει μεταθέτοντας όλο και περισσότερο την πλήρη ευθύνη για την καλή ποιότητα στον προμηθευτή. Οι διαστάσεις σιδηροτροχιών ελέγχονται με ειδικά πρότυπα για τα άνω και κάτω όρια ανοχής. Ένα παράδειγμα αυτής της εξέτασης παρουσιάζεται στην εικόνα 2.2. Εικόνα 2.2: Έλεγχος διατομής σιδηροτροχιάς Τυπικές διατομές σιδηροτροχιών Παγκοσμίως χρησιμοποιούνται πολλές διαφορετικές διατομές σιδηροτροχιάς. Στους πίνακες 2.9 και 2.10 παρουσιάζονται ενδεικτικά κάποιες. Στον ίδιο πίνακα παρουσιάζονται και τα αντίστοιχα γεωμετρικά χαρακτηριστικά και οι ιδιότητες της κάθε διατομής. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

65 ΟΙ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΕΣ ΩΣ ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΗΣ ΣΙΔΗΡΟΔΡΟΜΙΚΗΣ ΟΔΟΥ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 49 Πίνακας 2.9: Χαρακτηριστικές διατομές σιδηροτροχιών του Thyssen. ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

66 50 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο Πίνακας 2.10: Χαρακτηριστικές διατομές σιδηροτροχιών του Thyssen (συνέχεια). ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

67 ΟΙ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΕΣ ΩΣ ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΗΣ ΣΙΔΗΡΟΔΡΟΜΙΚΗΣ ΟΔΟΥ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Σύνδεση σιδηροτροχιών Τα πεπερασμένο μήκος των σιδηροτροχιών έχει σαν συνέπεια την ανάγκη σύνδεσής τους για τη δημιουργία της σιδηροδρομικής γραμμής. Η σύνδεση των σιδηροτροχιών πραγματοποιείται είτε με την τεχνική της αμφίδεσης είτε με την τεχνική της συνεχούς συγκόλλησης. Τα πολλά προβλήματα που δημιουργούνται από την παρουσία των αρμών στην τεχνική της αμφίδεσης, και παρά τη μεγάλη πρόοδο που έχει επιτελεστεί στην τεχνική κατασκευής και τοποθέτησης των αμφιδετών, έχουν οδηγήσει στη σταδιακή εγκατάλειψή της. Η τεχνική που έχει επικρατήσει είναι αυτή της συνεχούς συγκόλλησης των σιδηροτροχιών (Σ.Σ.Σ.), η οποία ειδικά για γραμμές που προορίζονται για εκμετάλλευση συρμών υψηλών ταχυτήτων ή μεγάλων φορτίων ανά άξονα, αποτελεί το μοναδικό αποδεκτό τρόπο σύνδεσης των σιδηροτροχιών Η τεχνική της αμφίδεσης Η στρώση των σιδηροτροχιών γινόταν μέχρι πριν από 30 χρόνια σε όλα τα δίκτυα (σε κάποια εξακολουθεί να γίνεται και σήμερα) αφήνοντας αρμούς ανάμεσα σε διαδοχικές σιδηροτροχιές, των οποίων η σύνδεση και συνέχεια εξασφαλίζεται χάρη στους αμφιδέτες (εικόνα 2.3). Βασικός προορισμός των διάκενων ήταν η ανάληψη των μεταβολών μήκους λόγω θερμοκρασιακών διαφορών. Εικόνα 2.3: Ένωση σιδηροτροχιών με αμφίδεση. ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

68 52 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο Οι ρόλοι τους οποίους εξυπηρετεί ο αμφιδέτης είναι οι κάτωθι: i. συνδέει τις σιδηροτροχιές μεταξύ τους, ii. επιτρέπει τη συστολή διαστολή των σιδηροτροχιών λόγω θερμοκρασιακών μεταβολών, iii. εμποδίζει κατακόρυφες ή διαμήκεις μετακινήσεις των άκρων των σιδηροτροχιών. Για την επιτέλεσή τους ο αμφιδέτης πρέπει να εμφανίζει επαρκή αντίσταση στην παραμόρφωση, περίπου όση και οι δύο συνδεόμενες σιδηροτροχιές, και να είναι όσο το δυνατόν απλής μορφής. Η τεχνική της αμφίδεσης υπήρξε πολλαπλά δυσμενής για το σιδηρόδρομο: i. προκαλώντας αισθητή μείωση της άνεσης του επιβάτη, ii. δημιουργώντας σημαντική κόπωση και φθορά των τροχών και των σιδηροτροχιών, iii. αυξάνοντας σημαντικά τις δαπάνες συντήρησης αφενός λόγω των απαραίτητων ελέγχων ώστε να εξασφαλίζεται η σωστή λειτουργία όλων των εξαρτημάτων του αμφιδέτη, αφετέρου λόγω των υψομετρικών σφαλμάτων της γραμμής που δημιουργούνται στην περιοχή του αμφιδέτη. Στις κανονικού εύρους γραμμές του ελληνικού δικτύου η τοποθέτηση των αμφιδετών γίνεται κάθε 36 ή 54 m αφού προηγουμένως οι σιδηροτροχιές των 18 m συγκολληθούν ανά δύο ή τρεις. Χαρακτηριστικό της αμφιδετούμενης γραμμής είναι ότι οι σιδηροτροχιές έχουν τη δυνατότητα περιορισμένης συστολής διαστολής ανάλογα με τις θερμοκρασιακές διαφορές. Κάθε τύπος σιδηροτροχιάς έχει τον αντίστοιχο τύπο αμφιδέτη καθώς και συγκεκριμένη μορφή βλήτρων. Στο σχήμα 2.19 παρουσιάζεται η διάταξη αμφιδετών για την περίπτωση σιδηροτροχιάς UIC 54 και στο σχήμα 2.20 τα βλήτρα για αμφιδέτη τύπου UIC 54. Οι δαπάνες συντήρησης της γραμμής με αμφίδεση στην περιοχή των αρμών (συντήρηση αμφιδετών και υψομετρική τακτοποίηση αρμών) αντιπροσωπεύουν το 30% των συνολικών δαπανών συντήρησης γραμμής του Ο.Σ.Ε.. Τόσο στις νέες γραμμές όσο και στην αντικατάσταση των σιδηροτροχιών, ο Ο.Σ.Ε. δεν χρησιμοποιεί πλέον αμφιδέτες, αλλά σιδηροτροχιές συνεχώς συγκολλημένες. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

69 ΟΙ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΕΣ ΩΣ ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΗΣ ΣΙΔΗΡΟΔΡΟΜΙΚΗΣ ΟΔΟΥ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 53 Σχήμα 2.19: Διάτρηση αμφιδέτη για σιδηροτροχιά τύπου UIC 54. Σχήμα 2.20: Βλήτρο αμφιδέτη τύπου UIC Η τεχνική της συνεχούς συγκόλλησης Η συνεχώς συγκολλημένη σιδηροτροχιά (Σ.Σ.Σ.) (εικόνα 2.4) προκύπτει από συγκόλληση των επιμέρους σιδηροτροχιών όπως αυτές προκύπτουν από τα εργοστάσια παραγωγής και έχουν διάφορα μήκη, με συνήθη τιμή 18 m. Σε αντιδιαστολή με τη γραμμή με αμφιδέτες, η συνεχώς συγκολλημένη σιδηροτροχιά χαρακτηρίζεται από το ότι υπάρχει μια ελάχιστη περιοχή σημείων που δεν υπόκειται σε καμία μετατόπιση. Με τη συνεχή συγκόλληση καταργούνται οι αμφιδέτες, με όλες τις προφανείς ευεργετικές συνέπειες. ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

70 54 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο Εικόνα 2.4: Ένωση σιδηροτροχιών με συνεχή συγκόλληση. Συγκεκριμένα, επιτυγχάνεται: i. σημαντική μείωση των δαπανών συντήρησης της γραμμής, ii. πολύ πιο υψηλό επίπεδο δυναμικής άνεσης των επιβατών και μικρότερη ηχητική όχληση, iii. μικρότερη κόπωση των υλικών επιδομής, iv. πολύ πιο αργή εξέλιξη των σφαλμάτων γραμμής και v. μικρότερες καταπονήσεις και φθορές στο επίπεδο του τροχαίου υλικού. Παρά το γεγονός ότι η τεχνική της συνεχούς συγκόλλησης είναι απλή στη σύλληψή της, άργησε πολύ να εφαρμοστεί στη σιδηροδρομική τεχνολογία. Η καθυστέρηση αυτή οφείλεται κυρίως στις παρακάτω αιτίες: Η συνεχώς συγκολλημένη σιδηροτροχιά (Σ.Σ.Σ.) χαρακτηρίζεται από το γεγονός ότι δεν υφίσταται καμία μεταβολή του μήκους κατά τη διαμήκη έννοια. Αυτό είναι απόρροια των δυνάμεων τριβής μεταξύ στρωτήρα έρματος, που προκύπτουν από τον εγκιβωτισμό του στρωτήρα εντός του έρματος, καθώς και μεταξύ σιδηροτροχιάς και στρωτήρα. Οι τελευταίες όμως δεν μπορούν αν διασφαλισθούν παρά μόνον εφόσον υφίσταται μόνιμη και αλληλέγγυα σύνδεση σιδηροτροχιάς - στρωτήρα πράγμα που επιτεύχθηκε τα τελευταία χρόνια χάρη στους ελαστικούς συνδέσμους που δίνουν τη δυνατότητα ισομερούς και αμετάβλητης χρονικά κατανομής τάσεων λόγω θερμικών φαινομένων. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

71 ΟΙ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΕΣ ΩΣ ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΗΣ ΣΙΔΗΡΟΔΡΟΜΙΚΗΣ ΟΔΟΥ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 55 Δεν ήταν επαρκώς γνωστή η συμπεριφορά των συγκολλήσεων σε κόπωση υπό την επήρεια των επαναλαμβανόμενων φορτίσεων λόγω συρμού. Οι έρευνες φώτισαν και την πλευρά αυτή, ως προς την οποία δεν υπάρχουν πια επιφυλάξεις. Τέλος, στις συνεχώς συγκολλημένες σιδηροτροχιές (Σ.Σ.Σ.) λόγω του μεγάλου μήκους της τέθηκε και το πρόβλημα του λυγισμού. Οι έρευνες για τη μηχανική αντίσταση του έρματος, που αντιστρατεύεται το ενδεχόμενο του λυγισμού, σε συνδυασμό με την αύξηση τους βάρους της επιδομής έδωσαν ικανοποιητική απάντηση και στο ζήτημα αυτό Αστοχίες σιδηροτροχιών Ο όρος αστοχία ή ελάττωμα σιδηροτροχιάς χρησιμοποιείται για να δηλώσει: i. τη θραύση, ii. την εμφάνιση ρωγμών και iii. τις επιφανειακές φθορές της σιδηροτροχιάς. Ως θραύση της σιδηροτροχιάς ορίζεται ο διαχωρισμός της σε δύο ή περισσότερα τεμάχια ή ως η εμφάνιση ρηγματώσεων, μήκους μεγαλύτερου των 50 mm και βάθους μεγαλύτερου των 10 mm, στην επιφάνεια κύλισης της κεφαλής της σιδηροτροχιάς. Ρωγμές σε μια σιδηροτροχιά μπορεί να εμφανιστούν είτε εξωτερικά είτε εσωτερικά και αυξανόμενες με το χρόνο, να προκαλέσουν αρχικά κόπωση του υλικού και στη συνέχεια θραύση των σιδηροτροχιών. Επιφανειακές φθορές (αλλοιώσεις) μπορεί να προκληθούν επιφανειακά της σιδηροτροχιάς εξαιτίας της κίνησης των συρμών. Ως «αβαρίες» των σιδηροτροχιών καλούνται οι ρωγμές και οι φθορές που παρουσιάζουν. Οι αβαρίες και οι θραύσεις είναι συνάρτηση μιας σειράς παραμέτρων, όπως το φορτίο κυκλοφορίας, τα φορτία κατ άξονα, οι ταχύτητες, η συχνότητα των ανακαινίσεων της επιδομής, τα στοιχεία της χάραξης κ.α.. Οι επιφανειακές φθορές των σιδηροτροχιών είναι συνάρτηση μιας σειράς παραμέτρων όπως το φορτίο κυκλοφορίας, τα φορτία κατ άξονα, οι ταχύτητες, η συχνότητα των ανακαινίσεων της επιδομής, τα στοιχεία της χάραξης κτλ. ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

72 56 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο Ανάλογα με τα γενεσιουργά αίτια που τις προκαλούν οι αστοχίες των σιδηροτροχιών κατατάσσονται σε αστοχίες: οφειλόμενες στην κατασκευή, οφειλόμενες στη χρήση και αποδιδόμενες και στην κατασκευή και στη χρήση. Αντίστοιχα, διαχωρίζονται ως προς τις περιοχές της σιδηροτροχιάς που παρατηρούνται σε αστοχίες: στα άκρα των σιδηροτροχιών, μακριά από τα άκρα των σιδηροτροχιών και στην περιοχή συγκόλλησης. Η U.I.C. κωδικοποίησε τις αστοχίες / ελαττώματα της σιδηροτροχιάς. Η κάθε μορφή ονοματίζεται με ένα τριψήφιο ή τετραψήφιο αριθμό με κάθε ψηφίο του αριθμού να δηλώνει ένα χαρακτηριστικό του ελαττώματος (π.χ. αίτιο, κατεύθυνση ρωγμής κλπ). Ο κανόνας κωδικοποίησης της ονομασίας των ελαττωμάτων που έχει υιοθετήσει η U.I.C. δίδεται στο σχήμα 2.21, ενώ στο σχήμα 2.22 και στις εικόνες 2.5 και 2.6 δίδονται ορισμένα από αυτά. Τα πλέον σοβαρά ελαττώματα / αστοχίες σιδηροτροχιών είναι κατά σειρά: οι θραύσεις (που μπορεί να προκαλέσουν εκτροχιασμό), οι αβαρίες που μπορούν εξελισσόμενες να προκαλέσουν θραύσεις (πατιναρίσματα, εγκάρσιες ρηγματώσεις, ελαττώματα συγκόλλησης), ενώ τα πλέον συνήθη διεθνώς είναι: τα πατιναρίσματα, οι εσωτερικές εγκάρσιες ρωγμές κεφαλής (tache ovale), οι εκχειλώσεις (shelling), οι ρηγματώσεις στην επιφάνεια συναρμογής κεφαλής κορμού, οι πλευρικές φθορές (πλαγιοφθορές). ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

73 ΟΙ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΕΣ ΩΣ ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΗΣ ΣΙΔΗΡΟΔΡΟΜΙΚΗΣ ΟΔΟΥ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 57 Σχήμα 2.21: Κωδικοποίηση ονομασίας ελαττωμάτων σιδηροτροχιών [1], [22]. ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

74 58 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο Σχήμα 2.22: Συνήθη ελαττώματα σιδηροτροχιών [1], [22]. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

75 ΟΙ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΕΣ ΩΣ ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΗΣ ΣΙΔΗΡΟΔΡΟΜΙΚΗΣ ΟΔΟΥ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ 59 Εικόνα 2.5: Εσωτερική εγκάρσια ρωγμή κεφαλής σιδηροτροχιάς [1]. Εικόνα 2.6: Κυματοειδής φθορά μήκους κύματος [1]. ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

76 60 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο (κενή σελίδα) ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

77 κεφάλαιο 3 Παράμετροι Επιλογής του Τύπου της Σιδηροτροχιάς

78 62 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο 3.1. Εισαγωγή Η επιλογή τύπου σιδηροτροχιάς αποτελεί θέμα μείζονος σημασίας κατά το σχεδιασμό οιουδήποτε σιδηροδρομικού συστήματος, τόσο από πλευράς ασφάλειας όσο και από πλευράς οικονομίας, καθώς η σωστή επιλογή της μπορεί να οδηγήσει σε μείωση του συνολικού κόστους ζωής της σιδηροδρομικής γραμμής. Ο τύπος σιδηροτροχιάς περιγράφεται ουσιαστικά από τρία (3) βασικά χαρακτηριστικά της: i. το είδος της (π.χ. Vignoles, έγκοιλες), ii. την τυπική της διατομή (π.χ. UIC 60) και iii. την ποιότητα χάλυβα. Για την ορθή επιλογή των ανωτέρω χαρακτηριστικών και επομένως του τύπου της σιδηροτροχιάς πρέπει να ληφθούν υπόψη μια σειρά από παραμέτρους. Το κεφάλαιο αναλύει τις παραμέτρους αυτές για κάθε ένα από τα τρία αναφερθέντα χαρακτηριστικά Παράμετροι επιλογής του είδους της σιδηροτροχιάς Στο σημερινό σιδηρόδρομο, δύο είδη σιδηροτροχιών βρίσκουν εφαρμογή, οι σιδηροτροχιές τύπου Vignoles και οι έγκοιλες. Οι σιδηροτροχιές τύπου Vignoles έ- χουν καθιερωθεί εδώ και 175 χρόνια λόγω: i. της ευκολίας σύνδεσης μεταξύ τους, ii. του επιμήκους πέλματός τους που επιτρέπει την εύκολη σύνδεση με τους στρωτήρες και iii. της ενισχυμένης κεφαλής για την ασφαλέστερη παραλαβή των εγκάρσιων και κατακόρυφων δυνάμεων των τροχών. Σε ορισμένες περιπτώσεις οι λειτουργικές ανάγκες του δικτύου επιβάλουν τη χρήση έγκοιλων διατομών. Υπάρχουν δύο τύποι έγκοιλων διατομών οι διατομές με λαιμό και οι σιδηροτροχιές τύπου Brunel. Οι διατομές με λαιμό χρησιμοποιούνται όπου η στάθμη της σιδηροτροχιάς είναι στο ίδιο επίπεδο με τη στάθμη της οδού. Ο κατάλληλος εγκιβωτισμός στο οδόστρωμα επιτρέπει την απρόσκοπτη διέλευση τόσο των σιδηροδρομικών όσο και των οδικών οχημάτων. Αυτό το χαρακτηριστικό τους ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

79 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΕΠΙΛΟΓΗΣ ΤΥΠΟΥ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΑΣ 63 τις καθιστά ιδανικές προς χρήση σε γραμμές τραμ και σε σιδηροδρομικές γραμμές που εξυπηρετούν λιμενικές εγκαταστάσεις. Όσον αφορά στις διατομές τύπου Brunel η χρήση τους περιορίζεται για την κίνηση πυλώνων. Γίνεται επομένως αντιληπτό πως η επιλογή του είδους της σιδηροτροχιάς εξαρτάται σχεδόν αποκλειστικά από τη λειτουργικότητα και τις ιδιαίτερες απαιτήσεις του κάθε δικτύου. Οι σιδηροτροχιές τύπου Vignoles χρησιμοποιούνται σχεδόν αποκλειστικά στα μη αστικά σιδηροδρομικά δίκτυα, ενώ οι έγκοιλες διατομές στα τροχιοδρομικά δίκτυα και στις γραμμές εξυπηρέτησης λιμανιών ή άλλων περιοχών που ε- ντάσσονται σε αστικό περιβάλλον Παράμετροι επιλογής της τυπικής διατομής της σιδηροτροχιάς Η επιλογή της τυπικής διατομής της σιδηροτροχιάς είναι συνάρτηση κυρίως του φόρτου κυκλοφορίας που δέχεται η γραμμή αλλά και της χρονικής περιόδου που προβλέπεται για την αντικατάστασή της. Οι σημαντικότερες παράμετροι που καθορίζουν την επιλογή της τυπικής διατομής της σιδηροτροχιάς είναι: 1. το αξονικό φορτίο, 2. το ημερήσιο φορτίο κυκλοφορίας, 3. οι ταχύτητες κυκλοφορίας, 4. η απόσταση μεταξύ των στρωτήρων και 5. οι κλιματολογικές συνθήκες Φορτίο κατ άξονα Κρίσιμα στοιχεία της καταπόνησης της υποδομής και επιδομής είναι οι τιμές του φορτίου κατ άξονα και του φορτίου κυκλοφορίας (τονάζ) που διατρέχει τη γραμμή. Το φορτίο κατ άξονα υπεισέρχεται έμμεσα ή άμεσα, στις αναλυτικές εκφράσεις όλων των δυνάμεων που ασκούνται στην επιφάνεια επαφής τροχού σιδηροτροχιάς και επηρεάζει τη συμπεριφορά τόσο του τροχαίου υλικού όσο και της γραμμής. ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

80 64 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο Με τον όρο βάρος ή φορτίο κατ άξονα ορίζεται το στατικό φορτίο Q που μεταβιβάζεται μεμονωμένα από κάθε άξονα ενός οχήματος και γενικότερα ενός συρμού, μέσω των τροχών στις σιδηροτροχιές. Υπό την παραδοχή ότι η φόρτιση των διαφόρων μερών του οχήματος είναι συμμετρική, τότε το φορτίο κατ άξονα εκφράζει το πηλίκο του συνολικού βάρους του οχήματος προς το συνολικό αριθμό των αξόνων. Ανάλογα με το υλικό επιδομής και υπόβασης οι διάφορες γραμμές μπορούν να δεχτούν διαφορετική τιμή φορτίου κατ άξονα και διαχωρίζονται σε τέσσερις κατηγορίες από τη Διεθνή Ένωση Σιδηροδρόμων (U.I.C.) [23]: Α: μέγιστη τιμή φορτίου κατ άξονα 16 t, Β: μέγιστη τιμή φορτίου κατ άξονα 18 t, C: μέγιστη τιμή φορτίου κατ άξονα 20 t, D: μέγιστη τιμή φορτίου κατ άξονα 22,5 t. Υπάρχει περαιτέρω διαχωρισμός των κατηγοριών αυτών σε υποκατηγορίες α- νάλογα με το διανεμημένο φορτίο ανά μέτρο μήκους (συνολικό φορτίο οχήματος διαιρούμενο με το ελεύθερο μήκος μεταξύ προσκρουστήρων). Η κατηγορία D, προέκυψε με αύξηση της τιμής του φορτίου κατ άξονα της κατηγορίας C από 20 σε 22,5 t με την προοπτική μείωσης του κόστους εκμετάλλευσης ιδίως για τις εμπορευματικές μεταφορές. Η αύξηση αυτή προέκυψε μετά από χρόνια μελετών και ερευνών [24], με ακανθώδες ζήτημα όχι μόνο τις αντοχές του υλικού ε- πιδομής, όσο και τη συμπεριφορά των γεφυρών που έχουν σχεδιαστεί για τιμή φορτίου κατ άξονα 20 t με βάση απλουστευτικές θεωρίες ελαστικής συμπεριφοράς. Η έ- ρευνα στη μετελαστική συμπεριφορά των υλικών [24], έδειξε ότι οι γέφυρες που σχεδιάστηκαν για φορτίο κατ άξονα 20 t έχουν τη δυνατότητα να δεχτούν φορτίο 22,5 t χωρίς να απαιτηθούν ενισχύσεις, λόγω αποθεμάτων μηχανικών αντοχών που η ελαστική θεωρία δεν είχε λάβει υπόψη. Ωστόσο, ορισμένα δίκτυα δέχονται μεγαλύτερες τιμές φορτίου κατ άξονα. Στις Η.Π.Α. (όπου οι σιδηρόδρομοι περιορίζονται κυρίως σε εμπορευματικές μεταφορές) η μέγιστη τιμή φορτίου κατ άξονα είναι t, ενώ στη Ρωσία (που έχει γραμμές μεγάλου εύρους ) είναι 25 t. Σειρά ερευνών [25], έδειξαν ότι η καταπόνηση της σιδηροτροχιάς είναι εκθετική συνάρτηση του φορτίου Q ανά τροχό και η αναπτυσσόμενη τάση στη σιδηροτροχιά είναι ανάλογη με την παράμετρο Q a, όπου ο εκθέτης a έχει τιμές μεταξύ 3 και 4 και πλησιέστερες προς το 4. Έτσι λοιπόν η οποιαδήποτε αύξηση της τιμής του φορτίου κατ άξονα συνεπάγεται πολύ μεγαλύτερη αύξηση στην καταπόνηση του υλικού επιδομής. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

81 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΕΠΙΛΟΓΗΣ ΤΥΠΟΥ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΑΣ 65 Στην Ευρώπη, το μέγιστο αυτό φορτίο διαφέρει από χώρα σε χώρα και στις περισσότερες χώρες, από γραμμή σε γραμμή. Πραγματοποιήθηκε λοιπόν προσπάθεια ενοποίησης του εύρους της γραμμής, αύξηση του οποίου επιτρέπει σημαντική αύξηση του φορτίου κατ άξονα, και παράλληλη προσπάθεια καθιέρωσης ενιαίου επιτρεπόμενου φορτίου κατ άξονα (22,5 t), για όλες τις χώρες. Ο Ο.Σ.Ε. δέχεται μέγιστη τιμή φορτίου κατ άξονα στις γραμμές κανονικού εύρους 20 t (που πρόσφατα σε ορισμένες γραμμές αυξήθηκε σε 22,5 t) και στις γραμμές μετρικού εύρους της Πελοποννήσου 14 t. Κατά τη λειτουργία της γραμμής, η σιδηροτροχιά καταπονείται (ή μπορεί να καταπονηθεί) από τις ακόλουθες δυνάμεις: 1. κατακόρυφο φορτίο τροχού, 2. δυνάμεις καθοδήγησης, 3. δυναμικές καταπονήσεις λόγω εκκεντρότητας τροχού και γεωμετρικών σφαλμάτων γραμμής, 4. ατμοσφαιρικές και λοιπές περιβαλλοντικές επιδράσεις (π.χ. διάβρωση), 5. διαμήκεις δυνάμεις προκύπτουσες από μεταβολές της θερμοκρασίας, 6. διαμήκεις δυνάμεις από την κίνηση και το φρενάρισμα των συρμών και 7. εσωτερικές παραμένουσες εντάσεις από την θερμική επεξεργασία τους. Αποτέλεσμα των ανωτέρω δυνάμεων είναι η ανάπτυξη τάσεων επί της σιδηροτροχιάς. Οι συνολικές τάσεις που αναπτύσσονται και πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά το σχεδιασμό προκύπτουν ως άθροισμα των: 1. τάσεων κατά Hertz (στην επαφή τροχού-σιδηροτροχιάς), 2. τάσεων που προκύπτουν από την κάμψη της σιδηροτροχιάς επί του έρματος, 3. τάσεων κάμψης της κεφαλής της σιδηροτροχιάς επί του κορμού, 4. τάσεων που προκύπτουν από θερμικά φαινόμενα, 5. πλαστικών τάσεων, που υφίστανται στη σιδηροτροχιά και μετά την απομάκρυνση των εξωτερικών φορτίων. Με εξαίρεση την τελευταία κατηγορία, όλες οι προηγούμενες υπολογίζονται με την υπόθεση ελαστικής συμπεριφοράς. Στο μέσο του πέλματος της σιδηροτροχιάς και σε βάθος 4 6 mm από την επιφάνειας κύλισης [26], παρουσιάζεται η μέγιστη εφελκυστική τάση από κάμψη σύμφωνα με τη μέθοδο Ziemmerman. Η τιμή της δίνεται από τη σχέση 3.1 [2]: ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

82 66 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο σ = DAF σ έ (3.1) Η μέση τιμή της τάσης που προκαλείται από την κάμψη της σιδηροτροχιάς δίνεται από τη σχέση: σ έ = Q A A I 4 E l 4 W ρ (3.2) όπου: Q o : φορτίο τροχού (ονομαστική τιμή προσαυξημένη κατά 20%, λόγω της αύξησής του στις καμπύλες εξαιτίας του πλεονάσματος ή της ανεπάρκειας υπερύψωσης) (KN), A: εμβαδόν διατομής σιδηροτροχιάς (m 2 ), I z : ροπή αδράνειας σιδηροτροχιάς (m 4 ), E: μέτρο ελαστικότητας του χάλυβα της σιδηροτροχιάς (Ν / m 2 ), l: απόσταση μεταξύ των στρωτήρων (m), W zf : στατική ροπή αδράνειας ως προς το πέλμα της σιδηροτροχιάς (m 3 ), ρ: συντελεστής αντίδρασης στρωτήρα (σταθερά ελατηρίου στήριξης) (Ν / mm), DAF: δυναμικός συντελεστής μεγέθυνσης. DAF = 1 + tφ, εάν V < 60 km / h DAF=1 + tφ (1 + V ) εάν 60 km / h < V < 200 km / h (3.3) Πιθανότητα t Πεδίο εφαρμογής Κατάσταση γραμμής φ 68,3 % 1 Υποδομή πολύ καλή 0,1 95,4% 2 Έρμα καλή 0,2 99,7% 3 Σιδηροτροχιές, σύνδεσμοι κακή 0,3 όπου: t: συντελεστής εξαρτώμενος από το στοιχείο της γραμμής για το οποίο υπολογίζονται οι τάσεις, φ: συντελεστής εξαρτώμενος από την κατάσταση της γραμμής, V: ταχύτητα συρμού (km / h). Ο πρώτος όρος της σχέσης 3.2 έχει διαστάσεις τάσης, ο δεύτερος για σιδηροτροχιές γεωμετρικά όμοιες είναι σταθερός, ενώ ο τρίτος είναι ανεξάρτητος των διαστάσεων της σιδηροτροχιάς. Προκύπτει επομένως πως η μέση τάση στη σιδηροτρο- ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

83 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΕΠΙΛΟΓΗΣ ΤΥΠΟΥ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΑΣ 67 χιά μπορεί να παραμείνει σταθερή σε ενδεχόμενη αύξηση του φορτίου, υπό την προϋπόθεση πως θα υπάρξει και αναλογική αύξηση της επιφάνειας και συνεπώς και του βάρους της σιδηροτροχιάς. Από τις σχέσεις 3.1, 3.2 και 3.3 και θεωρώντας l = 600 mm, E = 22 t/m 2, ρ= 3,5 t / mm, σ max = 0,0075 t / mm 2, φ = 0,3 και t = 3, προκύπτει η σχέση : Q = 2,707 I (3.4) y όπου y max η κατακόρυφη απόσταση του κέντρου βάρους της σιδηροτροχιάς από την κάτω επιφάνεια του πέλματος. Η τιμή του φορτίου Q κατ άξονα (Q=2Q ο ), που αντιστοιχεί σε διάφορους τύπους διατομών σιδηροτροχιάς, μπορεί να υπολογιστεί με τη χρήση της σχέσης 3.4. Ενδεικτικές τιμές του φορτίου Q για χαρακτηριστικές διατομές σιδηροτροχιών παρουσιάζονται στον πίνακα 3.1. Πίνακας 3.1: Φορτίο Q κατ άξονα για χαρακτηριστικές τυπικές διατομές σιδηροτροχιών. Τύπος σιδηροτροχιάς Βάρος (kg / m) Ιz (cm 4 ) Q (t) SNCF 46, ,26 UIC 54 54, ,95 UIC 60 60, ,48 AREA , ,44 UIC 71 71, ,72 URSS 75, ,68 Από τις τιμές του ανωτέρω πίνακα συμπεραίνεται ότι: i. η ροπή αδράνειας της σιδηροτροχιάς αυξάνει πολύ γρηγορότερα από ότι το βάρος ανά τρέχον μέτρο, ii. αξονικά φορτία 20, 25, 30 και 35t αντιστοιχούν σε σιδηροτροχιές ελάχιστου βάρους 50, 60, 70 και 80 kg / m. Εναλλακτικός απλοποιημένος τρόπος υπολογισμού της σιδηροτροχιάς, με παρόμοια αποτελέσματα όσον αφορά τις διαστάσεις της τυπικής διατομής, γίνεται επίσης μέσω της σχέσης 3.5 [1], [27]: ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

84 68 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο Β σ : Β = 2,25Q + 3 (3.5) όπου: βάρος σιδηροτροχιάς ανά τρέχον μέτρο [kg], Q: φορτίο κατ άξονα [t]. Από τις τιμές του πίνακα 3.1 συμπεραίνεται ότι: iii. Η ροπή αδράνειας της σιδηροτροχιάς αυξάνει πολύ γρηγορότερα από ότι το βάρος ανά τρέχον μέτρο. iv. Αξονικά φορτία 20, 25, 30 και 35t αντιστοιχούν σε σιδηροτροχιές ελάχιστου βάρους 50, 60, 70 και 80 kg/m. Στις υψηλές ταχύτητες (V 250 km/h) όπου τα αξονικά φορτία των οχημάτων είναι συγκριτικά μικρά (Q 17 t) επιβάλλεται η χρησιμοποίηση βαριών σιδηροτροχιών (UIC 60) καθ όσον εξασφαλίζουν μικρές βυθίσεις της γραμμής Ημερήσιο φορτίο κυκλοφορίας Σε μια γραμμή κυκλοφορούν διάφορες κατηγορίες σιδηροδρομικών οχημάτων: επιβατών, εμπορευμάτων, μηχανών έλξης, μηχανών ελιγμών κ.α.. Η αλγεβρική ά- θροιση των φορτίων των διάφορων κατηγοριών οχημάτων δεν μπορεί να δώσει ακριβή εικόνα του διερχόμενου φορτίου, διότι δεν λαμβάνεται υπόψη η μορφή υπό την οποία ασκείται το φορτίο, η ταχύτητα κίνησης κ.α.. Έτσι αναζητείται μια σύνθετη παράμετρος που να αποτιμά επακριβώς τα διερχόμενα φορτία. Χρησιμοποιείται στη σιδηροδρομική το ανάλογο των Μονάδων Επιβατικών Αυτοκινήτων (ΜΕΑ) της Κυκλοφοριακής Τεχνικής. Έτσι στον καθορισμό του φόρτου κυκλοφορίας (ή τονάζ) μιας γραμμής ανάγονται τα φορτία διάφορων συρμών σε ισοδύναμα φορτία επιβατικών συρμών. Η ποιοτική και ποσοτική εκτίμηση της κυκλοφορίας μιας γραμμής εκφράζεται συνήθως με το ημερήσιο φορτίο κυκλοφορίας T f (σε t). Με βάση την τιμή του η- μερήσιου φορτίου που διακινούν οι γραμμές κατηγοριοποιούνται με απώτερο σκοπό την τυποποίηση της διαστασιολόγησης και συντήρησης της γραμμής. Για τον υπολογισμό του ημερήσιου φόρτου κυκλοφορίας T f η Διεθνής Ένωση Σιδηροδρόμων έχει προτείνει τις τρεις μεθόδους που παρουσιάζονται παρακάτω [1], [28]: ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

85 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΕΠΙΛΟΓΗΣ ΤΥΠΟΥ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΑΣ 69 1 η μέθοδος Ο υπολογισμός του T f πραγματοποιείται μέσω της σχέσης (3.6): V Τ = T T Q 18D T f : T p : T g : όπου: συνολικό ημερήσιο φορτίο κυκλοφορίας (σε t), ημερήσιο φορτίο κυκλοφορίας επιβατικών συρμών (σε t), ημερήσιο φορτίο κυκλοφορίας εμπορικών συρμών (σε t), V: μέγιστη επιτρεπόμενη ταχύτητα (σε km / h), D: ελάχιστη διάμετρος τροχών των συρμών που κυκλοφορούν (σε m), Q D : μέγιστο διερχόμενο φορτίο ανά άξονα με τροχούς διαμέτρου D (σε t). (3.6) Στον πίνακα 3.2 παρουσιάζεται η κατάταξη των γραμμών σε τέσσερις (4) κατηγορίες με βάση την ανωτέρω σχέση: Πίνακας 3.2: Κατηγοριοποίηση γραμμών με βάση τη σχέση 3.6. Κατηγορία γραμμής Ημερήσιο φορτίο κυκλοφορίας (t) Ι T f > ΙΙ T f > ΙΙΙ T f > IV T f η μέθοδος Ο υπολογισμός του T f πραγματοποιείται μέσω της σχέσης (3.7): Τ = S (T + K T ) + S (K T + K T ) (3.7) T f : T V : T m : T tv : όπου: συνολικό ημερήσιο φορτίο κυκλοφορίας (σε t), μέσο ημερήσιο φορτίο κυκλοφορίας ελκόμενων επιβατικών οχημάτων (σε t), μέσο ημερήσιο φορτίο κυκλοφορίας ελκόμενων εμπορικών οχημάτων (σε t), μέσο ημερήσιο φορτίο κυκλοφορίας κινητήριων οχημάτων επιβατικών συρμών (t), ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

86 70 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο T tm : μέσο ημερήσιο φορτίο κυκλοφορίας κινητήριων οχημάτων εμπορικών συρμών (t), Κ m : συντελεστής με τιμές που κυμαίνονται μεταξύ 1,15 (κανονική τιμή) και 1,45 (όταν το 50% της κυκλοφορίας γίνεται με οχήματα με αξονικό φορτίο 22,5 t ή όταν 75% της κυκλοφορίας γίνεται με οχήματα με αξονικό φορτίο 20 t), Κ t : συντελεστής που εξαρτάται από τις «συνθήκες» κύλισης των αξόνων των κινητήριων οχημάτων επί της γραμμής. Συνήθως έχει τιμή ίση με 1,40, S V, S m : συντελεστές που η τιμή τους εξαρτάται από την ταχύτητα των επιβατικών (των γρηγορότερων) και των εμπορικών συρμών αντίστοιχα που κυκλοφορούν στη γραμμή. S V (S m ): 1,00 για V 60 km / h, S V (S m ): 1,05 για 60 V 80 km / h, S V (S m ): 1,15 για 80 V 100 km / h, S V (S m ): 1,25 για 100 V 130 km / h, S V 1,35 για 130 V 160 km / h, S V 1,40 για 160 V 200 km / h, S V 1,45 για 200 V 250 km / h, S V 1,50 για V 250 km / h. Στον πίνακα 3.3 παρουσιάζεται η κατάταξη των γραμμών σε έξι (6) ομάδες κατά U.I.C. με βάση τη σχέση 3.7 [23]: Πίνακας 3.3: Κατηγοριοποίηση γραμμών με βάση τη σχέση 3.7. Κατηγορία γραμμής UIC 1 UIC 2 UIC 3 UIC 4 UIC 5 UIC 6 Ημερήσιο συνολικό φορτίο κυκλοφορίας (t) T f > t t T f > t t T f > t t T f > t 5000 t T f > t T f 5000 t ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

87 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΕΠΙΛΟΓΗΣ ΤΥΠΟΥ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΑΣ 71 3 η μέθοδος Ο υπολογισμός του T f πραγματοποιείται μέσω της σχέσης (3.8): Τ = λ S T + λ S K T (3.8) όπου T f, K m, S v, S m : όπως ορίζονται στη σχέση (3.7), Τ f : μέσο ημερήσιο φορτίο επιβατικών οχημάτων (κινητήρια & ελκόμενα & ωφέλιμο φορτίο) (σε t), Τ m : μέσο ημερήσιο φορτίο εμπορικών οχημάτων (κινητήρια & ελκόμενα & ωφέλιμο φορτίο) (σε t), λ m : συντελεστής που ισούται με: 1,02 όταν K m =1,15, 1,00 όταν K m =1,45, λ V : συντελεστής που ισούται με: 1,08 όταν ο μεγάλος αριθμός των επιβατικών συρμών που κυκλοφορούν στη γραμμή έλκεται από συμβατικό έλκον όχημα, 1,05 όταν ο μεγάλος αριθμός των επιβατικών συρμών που κυκλοφορούν στη γραμμή είναι αυτοκινητάμαξες. Η σχέση (3.8) είναι απλοποιημένη μορφή της σχέσης (3.7). Με βάση τη σχέση (3.8) οι γραμμές κατατάσσονται επίσης στις έξι (6) ομάδες του πίνακα 3.3. Ανεξάρτητα της μεθόδου, για γραμμές κανονικού εύρους έχει επικρατήσει να χρησιμοποιείται για χαμηλούς φόρτους η σιδηροτροχιά UIC 50 και για μέσους και μεγάλους φόρτους η σιδηροτροχιά UIC 60. Στον πίνακα 3.4 δίδονται τα κριτήρια επιλογής διατομής σιδηροτροχιάς συναρτήσει του ημερήσιου φορτίου κυκλοφορίας Τ f [1], [3], [29]. Πίνακας 3.4: Επιλογή τυπικής διατομής σιδηροτροχιάς [29]. T f (t) < < Τ f < Βάρος σιδηροτροχιάς (kg / m) (ξύλινοι στρωτήρες) 60 (στρωτήρες σκυροδέματος) 60 Συμπερασματικά, η αύξηση του φορτίου κατ άξονα ή/και των ταχυτήτων κυκλοφορίας συνεπάγεται και ταυτόχρονη αύξηση του μεγέθους της διατομής της σιδηροτροχιάς, επομένως και του βάρους της, εξαιτίας της ανάγκης για μεγαλύτερη ροπή αδρανείας I z, ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

88 72 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο Ταχύτητες Η έννοια της ταχύτητας στη σιδηροδρομική (όπως και στην οδοποιία), ορίζεται με διαφορετικούς τρόπους ανάλογα με την τεχνική ή λειτουργική σκοπιμότητα που εκφράζει. Έτσι διακρίνουμε: i. την ταχύτητα εκμετάλλευσης (V ε ), ii. την ταχύτητα πορείας (V π ), iii. την ταχύτητα διέλευσης (V δ ), iv. την στιγμιαία ταχύτητα (V t ), v. τη μέγιστη επιτρεπόμενη ταχύτητα γραμμής (V maxγ ) vi. τη μέγιστη επιτρεπόμενη ταχύτητα τροχαίου υλικού (V maxτρ ) και vii. την ταχύτητα μελέτης ή σχεδιασμού (V σχ ): ως ταχύτητα μελέτης ή σχεδιασμού (V σχ ), ορίζεται η ταχύτητα με την οποία μελετήθηκε η χάραξη της γραμμής και διαστασιολογήθηκε και κατασκευάστηκε η σιδηροδρομική υποδομή (επιδομή, υπόβαση, τεχνικά έργα, εγκαταστάσεις). Εκφράζει ουσιαστικά τη μέγιστη ταχύτητα με την οποία ένας συρμός μπορεί να κυκλοφορήσει σε μια συγκεκριμένη σιδηροδρομική υποδομή με ασφάλεια και άνεση. Η ταχύτητα σχεδιασμού (V σχ ), αποτελεί σημαντικό δεδομένο για τη γεωμετρία της χάραξης της σιδηροδρομικής γραμμής καθώς, σε συνδυασμό με το επιθυμητό ε- πίπεδο «δυναμικής άνεσης» των επιβατών (μέγιστες επιτρεπόμενες εγκάρσιες και κατακόρυφες επιταχύνσεις), καθορίζει τα διάφορα γεωμετρικά μεγέθη της οριζοντιογραφίας (υπερύψωση γραμμής, ακτίνα καμπυλότητας, μήκος τόξου συναρμογής, α- ξονική απόσταση γραμμών) και της μηκοτομής της χάραξης (ακτίνα καμπυλότητας). Παράλληλα η ταχύτητα σχεδιασμού καθορίζει τα ανεκτά όρια των γεωμετρικών σφαλμάτων γραμμής. Η επίδραση της ταχύτητας των συρμών στις επί μέρους συνιστώσες του σιδηροδρομικού συστήματος και ειδικότερα στην επιλογή / σχεδιασμό των στοιχείων που το συγκροτούν (επιδομή, τεχνικά έργα, εγκαταστάσεις, διάρθρωση δρομολογίων κλπ), συνεπώς και στις σιδηροτροχιές, είναι ιδιαίτερα σημαντική. Συγκεκριμένα, η επιλογή της ταχύτητας σχεδιασμού καθορίζει σε σημαντικό βαθμό την επιλογή διατομής της σιδηροτροχιάς καθώς και την τεχνική σύνδεσης μεταξύ των σιδηροτροχιών. Ενδεχόμενη αύξησή της έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση του μεγέθους της δια- ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

89 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΕΠΙΛΟΓΗΣ ΤΥΠΟΥ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΑΣ 73 τομής της σιδηροτροχιάς και κατ επέκταση και του βάρους της και επιβάλλει την χρησιμοποίηση συνεχώς συγκολλημένων σιδηροτροχιών. Θέτοντας στις σχέσεις 3.2 και 3.3 και, προκύπτει η σχέση 3.9: (3.9) Υπό την θεώρηση κακής κατάστασης υποδομής της γραμμής, για τιμές Ε = 2,1x10 4 kν / cm 2, l = 60 cm, σ επ = 22 kn / cm 2, ρ=120 kν / cm, t=3 και φ=0,3 και λαμβάνοντας υπόψη τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των διατομών των σιδηροτροχιών του πίνακα 3.5 προκύπτει το διάγραμμα του σχήματος 3.1. Πίνακας 3.5: Χαρακτηριστικά διαφόρων τύπων σιδηροτροχιών. Τύπος σιδηροτροχιάς I z W zf κ= W zf 4 / I z Βάρος (cm 4 ) (cm 3 ) (kg / m) S ,5 UIC , ,2 UIC ,4 UIC ,3 Σχήμα 3.1: Επιλογή διατομής σιδηροτροχιάς βάσει της ταχύτητας των συρμών για φορτία τροχού Qo = 80 kn και 112,5 kn [27]. ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

90 74 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο Από τα διαγράμματα του σχήματος 3.1 προκύπτει ότι αύξηση της ταχύτητας οδηγεί σε απαίτηση αύξησης του βάρους της σιδηροτροχιάς, υπό την προϋπόθεση σταθερού φορτίου τροχού. Ακόμη συμπεραίνεται ότι στην περίπτωση δρομολόγησης εμπορικών συρμών αξονικού φορτίου 22,5 t και ταχύτητας V = 80 km / h και σε αυτή δρομολόγησης επιβατικών συρμών αξονικού φορτίου 16 t και ταχύτητας V = 200 km / h απαιτείται το ίδιο βάρος σιδηροτροχιάς. Στα δίκτυα υψηλών ταχυτήτων όπου οι ταχύτητες υπερβαίνουν κατά πολύ τα 200 km / h τοποθετούνται αποκλειστικά βαριές σιδηροτροχιές (UIC 60 (60,3 kg/m)) καθώς αυτές επιτρέπουν τη διατήρηση των κατακόρυφων βυθίσεων των σιδηροτροχιών σε αποδεκτά χαμηλά επίπεδα. Όσον αφορά τον τρόπο σύνδεσης των σιδηροτροχιών, για ταχύτητες μεγαλύτερες των 120 km / h, δεν ενδείκνυται η χρήση αρμών με αμφίδεση. Η τεχνική της συνεχούς συγκόλλησης, ειδικά για τις γραμμές που προορίζονται για εκμετάλλευση συρμών υψηλών ταχυτήτων ή βαρέων φορτίων ανά άξονα, αποτελούν το μοναδικό αποδεκτό τρόπο σύνδεσης των σιδηροτροχιών Κλιματολογικές συνθήκες Οι σιδηροτροχιές υπόκεινται σε μεγάλες θερμοκρασιακές μεταβολές λόγω α- τμοσφαιρικές επιρροών. Σε κάθε μεταβολή της θερμοκρασίας οι σιδηροτροχιές παρουσιάζουν τάση αύξησης ή μείωσης του μήκους τους κατά μια ποσότητα Δl. Συγκεκριμένα, σε υψηλές θερμοκρασίες τείνουν να επεκταθούν ενώ σε χαμηλές θερμοκρασίες τείνουν να συρρικνωθούν. Η προκύπτουσα μεταβολή του μήκους δίνεται από την κάτωθι σχέση: Δl = α Δ l (3.10) όπου: Δl: μεταβολή του μήκους (συστολή ή διαστολή) (σε mm), α t : δείκτης θερμικής διαστολής χάλυβα (σε grad -1 ), Δ t : μεταβολή θερμοκρασίας (αύξηση ή μείωση) (σε o C), l o : αρχικό μήκος σιδηροτροχιάς (σε mm). Σε αντίθεση με τις σιδηροτροχιές που συνδέονται με αμφιδέτες, οι συνεχώς συγκολλημένες σιδηροτροχιές (Σ.Σ.Σ.) δεν μπορούν να απορροφήσουν οποιαδήποτε αλ- ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

91 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΕΠΙΛΟΓΗΣ ΤΥΠΟΥ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΑΣ 75 λαγή στο μήκος τους. Καθώς η μετατόπιση Δl εμποδίζεται, οποιαδήποτε μεταβολή της θερμοκρασίας μετατρέπεται σε ένταση. Επί της τροχιάς πλέον ασκείται ζεύγος αξονικών θλιπτικών ή εφελκυστικών δυνάμεων Ν. Ν = Ε Α Δl l = E A α Δ (3.11) όπου: A: εγκάρσια διατομή της σιδηροτροχιάς, E: μέτρο ελαστικότητας χάλυβα. Οι δυνάμεις θερμοκρασιακών μεταβολών, όπως ονομάζονται, θεωρούνται στατικές καταπονήσεις και έχουν σταθερή τιμή σε όλο το μήκος της συνεχώς συγκολλημένης σιδηροτροχιάς. Σε απόσταση l A = 150 m περίπου από τα άκρα της Σ.Σ.Σ. (ζώνη εκτόνωσης) η τιμή της δύναμης Ν μειώνεται σταδιακά μέχρις ότου μηδενιστεί στα δύο άκρα της σιδηροτροχιάς) (σχήμα 3.2). Σχήμα 3.2: Μεταβολή της δύναμης θερμοκρασιακών μεταβολών Ν κατά μήκος της Σ.Σ.Σ. [1]. Μια αριθμητική εφαρμογή θα μας δώσει την τάξη μεγέθους των αναπτυσσόμενων δυνάμεων. Για Δt = 40 o C, E = 2,1x10 3 t / cm 2, a t = 1,2x10-6 grad -1 και σιδηροτροχιά UIC 50 (A = 63,93 cm 2 ) προκύπτει μια δύναμη N = 6,4 t. Οι δυνάμεις θερμοκρασιακών μεταβολών μπορούν να αποδειχθούν ιδιαίτερα κρίσιμες καθώς ενδέχεται να προκαλέσουν λυγισμό της γραμμής. Λυγισμός προκύπτει όταν η τιμή της δύναμης ξεπεράσει την κρίσιμη τιμή για την οποία το έρμα δεν μπορεί πλέον να συγκρατήσει την εσχάρα γραμμής και να εμποδίσει την οριζόντια ή κατακόρυφη μετακίνησή της. Η απόκλιση της γραμμής από την ορθή θέση δημιουρ- ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

92 76 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο γεί ανωμαλίες κατά την κίνηση και επομένως εγκάρσια μετατόπιση και γωνία παρέκκλισης του άξονα με αποτέλεσμα να ευνοείται η εμφάνιση δυνάμεων ψευδοολίσθησης και καθοδήγησης. Ιδιαίτερη μνεία θα πρέπει να γίνει για τις γέφυρες όπου οι προκαλούμενες από τις θερμοκρασιακές μεταβολές καταπονήσεις ασκούνται απ ευθείας σε αυτές και θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά το σχεδιασμό τους. Για την αντιμετώπιση του λυγισμού απαιτείται αύξηση της εγκάρσιας ακαμψίας της γραμμής (ελαστικοί σύνδεσμοι, στρωτήρες σκυροδέματος, υπερύψωση αντερείσματος του έρματος) και ειδικά, στην περίπτωση συνεχώς συγκολλημένων σιδηροτροχιών, με την «απελευθέρωση» των τάσεων Ειδικά στοιχεία δικτύου Τα ειδικά στοιχεία του δικτύου που επηρεάζουν την επιλογή τυπικής διατομής της σιδηροτροχιάς είναι οι αλλαγές γραμμής και η διάβρωση Αλλαγές γραμμής Βασικό χαρακτηριστικό του σιδηροδρόμου είναι ο ένας βαθμός ελευθερίας κινήσεως. Σε αντιδιαστολή, το οδικό δίκτυο με δύο βαθμούς ελευθερίας κινήσεως επιτρέπει αλλαγή κατεύθυνσης των οχημάτων ευκολότερα. Στη σιδηροδρομική η αλλαγή κατεύθυνσης οχημάτων γίνεται με τις αλλαγές γραμμής που ορίζονται ως το σύνολο των συσκευών και εξαρτημάτων μέσω των ο- ποίων επιτυγχάνεται η αλλαγή κατεύθυνσης κίνησης ενός σιδηροδρομικού οχήματος χωρίς διακοπή της πορείας του. Η διατομή των βελονών μπορεί να είναι σιδηροτροχιά όμοια με τις σιδηροτροχιές του τύπου των αλλαγών ή ειδική παρόμοια διατομή χαμηλότερη κατά μερικά ε- κατοστά (περίπου 2) αλλά με ενισχυμένη την κατακόρυφη ροπή αδράνειας (σχήμα 3.3). Η διατομή της βελόνης διαμορφώνεται σταδιακά όπως δείχνει το σχήμα 3.4. Για την απρόσκοπτη λειτουργία η αρχική διατομή της βελόνης υφίσταται κατάλληλη μηχανουργική και θερμική επεξεργασία και στη συνέχεια πλάνισμα σε μηχανουργική πλάνη. Στο ένα άκρο της είναι λεπτή βαθμιαία δε αυξάνει σε πλάτος μέχρις ότου καταλήξει στην πλήρη διατομή. Το βάρος κατ άξονα και το ημερήσιο φορτίο κυκλοφορίας καθορίζουν και την επιλογή της διατομής της βελόνης. Όσον αφορά ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

93 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΕΠΙΛΟΓΗΣ ΤΥΠΟΥ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΑΣ 77 τις αντιτροχιές βελονών, είναι κατασκευασμένες ή από σιδηροτροχιές κανονικής διατομής ή από έλασμα ειδικής διατομής. Σχήμα 3.3: Τύπος διατομών βελόνης [1]. Σχήμα 3.4: Σταδιακή διαμόρφωση της διατομής της βελόνης [3]. ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

94 78 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο Διάβρωση Σε περιπτώσεις γραμμής όπου ο κίνδυνος διάβρωσης λόγω υγρασίας είναι αυξημένος, όπως για παράδειγμα σε υπόγεια τμήματα γραμμής, πρέπει να χρησιμοποιούνται σιδηροτροχιές αυξημένου πάχους και ύψους ώστε να αντιμετωπιστούν πιθανά προβλήματα διάβρωσης. Στις συγκεκριμένες θέσεις της γραμμής χρησιμοποιούνται πρότυπες διατομές των οποίων το ύψος της κεφαλής είναι συνήθως κατά 10mm μεγαλύτερο. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελούν οι γραμμές μετρό Παράμετροι επιλογής της ποιότητας του χάλυβα της σιδηροτροχιάς Καταγραφή των παραμέτρων Η επιλογή της ποιότητας του χάλυβα των σιδηροτροχιών επηρεάζεται από τους παρακάτω παράγοντες: i. Τα στοιχεία οριζοντιογραφίας της γραμμής. Στις καμπύλες μικρής ακτίνας και ειδικά στις περιπτώσεις μικρής ή μηδενικής υπερύψωσης (όπως συνηθίζεται πολλές φορές σε δίκτυα σύγχρονου τροχιοδρόμου), επιβάλλεται η τοποθέτηση σιδηροτροχιών υψηλότερης αντοχής («σκληρότερης» ποιότητας χάλυβα) από ότι στις ευθυγραμμίες ή στις καμπύλες μεγάλης ακτίνας. Η «σκληρή» ποιότητα χάλυβα μεγιστοποιεί, για δεδομένα χαρακτηριστικά γεωμετρικού σχεδιασμού και χαρακτηριστικά λειτουργίας και εκμετάλλευσης της γραμμής, τη διάρκεια ζωής των σιδηροτροχιών ελαχιστοποιώντας τις απαιτήσεις αντικατάστασης των σιδηροτροχιών. ii. Το είδος της καταπόνησης που θέλουμε να αποφύγουμε (φθορά ή κόπωση) iii. Τον τύπο της επιδομής (έδραση με έρμα ή σταθερή επιδομή). iv. Την πολιτική διαχείρισης των φθορών που θα υιοθετηθεί. Δύο είναι οι εναλλακτικές πολιτικές διαχείρισης των φθορών των σιδηροτροχιών: ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

95 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΕΠΙΛΟΓΗΣ ΤΥΠΟΥ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΑΣ 79 a. αντικατάσταση των φθαρμένων σιδηροτροχιών, b. αναγόμωση των φθαρμένων σιδηροτροχιών μέχρι την τελική α- ντικατάστασή τους. v. Τον τρόπο σύνδεσης των σιδηροτροχιών μεταξύ τους (Σ.Σ.Σ. ή με αμφίδεση). vi. Τα γενικότερα χαρακτηριστικά του δικτύου. Βάσει ερευνών της O.R.E.D. 141 διαπιστώθηκε ότι όσο μεγαλύτερο είναι το αξονικό φορτίο Q, το φορτίο κυκλοφορίας T f και η ταχύτητα V, τόσο μεγαλύτερη είναι η απαίτηση τοποθέτησης σιδηροτροχιών με κράματα αυξημένης αντοχής («σκληρή» ποιότητα χάλυβα) προκειμένου να εξασφαλιστεί ο ίδιος ρυθμός φθοράς με μια λιγότερο καταπονούμενη γραμμή Γενική προσέγγιση Αντικείμενο πολλών ερευνητικών προγραμμάτων ανά τον κόσμο, που αφορούν σιδηροτροχιές και συγκολλήσεις, αποτελεί η ανάπτυξη κατευθυντήριων γραμμών για την επιλογή ποιότητας σιδηροτροχιών για διαφορετικές συνθήκες δικτύου. Απώτερος στόχος των προγραμμάτων αυτών αποτελεί η μείωση του συνολικού κόστους ζωής της σιδηροδρομικής γραμμής κατά 30%. Η χρήση χάλυβα σιδηροτροχιών υψηλότερων επιδόσεων, βελτιωμένης αντοχής και μειωμένης ανάγκης συντήρησης θεωρείται ως μία από τις βασικές παραμέτρους που πρέπει να ρυθμιστεί. Αποτέλεσμα των ερευνητικών αυτών προγραμμάτων τα οποία περιελάμβαναν μεγάλο αριθμό δοκιμών τόσο στο πεδίο όσο και στο εργαστήριο ήταν η έκδοση οδηγίας, η οποία καθορίζει τις κατάλληλες περιοχές εφαρμογής για διαφορετικούς χάλυβες σιδηροτροχιών. Η συγκεκριμένη σύσταση πέραν της παραδοσιακής προσέγγισης επιλογής σιδηροτροχιάς συναρτήσει των ακτίνων οριζοντιογραφίας, παρουσιάζει μια καινοτόμο προσέγγιση, όπου η πραγματική συμπεριφορά της σιδηροτροχιάς (βάση της φθοράς) καθορίζει την κατάλληλη ποιότητα χάλυβα για μελλοντική εφαρμογή (Deterioration Based Rail Grade Selection). Για την αντιμετώπιση των δύο κύριων μηχανισμών υποβάθμισης της σιδηροτροχιάς, της φθοράς και της κόπωσης, η χρήση ποιοτήτων χάλυβα θερμικά επεξεργασμένων (R350HT, R370CrHT και R400HT) είναι επωφελής για καμπύλες με ακτίνες έως 3000 m. Αυτό είναι το συμπέρασμα που προκύπτει από τα δεδομένα μεγάλου α- ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

96 80 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ριθμού δοκιμών σε συνδυασμό με τα αποτελέσματα εργαστηριακών προσομοιωμάτων και μετρήσεων των παραμορφώσεων της μικροδομής. Ο υπολογισμός του οφέλους συναρτήσει της αύξησης του κύκλου ζωής της σιδηροτροχιάς, θα μπορούσε να πραγματοποιηθεί με επέκταση της έρευνας σε καμπύλες ακτίνας έως 5000 m σε συγκεκριμένες θέσεις ανάλογα με τη γραμμή και τα χαρακτηριστικά της κυκλοφορίας. Σε ένα ιδιαίτερα πολύπλοκο σύστημα, όπως μια σιδηροδρομική γραμμή, η εισαγωγή καινοτομιών που θα οδηγήσουν σε σημαντικές αλλαγές απαιτεί τεχνική τεκμηρίωση και πολιτικό θάρρος. Καθώς οι τεχνικές λύσεις δεν μπορεί να είναι γενικής εφαρμογής, τα πιθανά οφέλη από την εφαρμογή αυτών των καινοτομιών δεν είναι δεδομένα για όλες τις πιθανές περιπτώσεις. Μολαταύτα, συχνά η διατήρηση της υφιστάμενης κατάστασης δύναται να είναι περισσότερο δαπανηρή συγκριτικά με την εισαγωγή καινοτομιών, το κόστος των οποίων είναι μικρότερο αυτού που προκύπτει εξαιτίας των σφαλμάτων που οι καινοτομίες εξαλείφουν. Η μακρά περίοδος αποπληρωμής των επενδύσεων, οι οποίες μπορεί να είναι κερδοφόρες μόνο μετά από πολλά χρόνια, είναι ένας από τους λόγους της απροθυμίας της σιδηροδρομικής κοινότητας για αλλαγές. Επιπλέον, λόγω της μακράς διάρκειας ζωής των σιδηροδρομικών εξαρτημάτων, τα πλεονεκτήματα των νέων προϊόντων (καινοτομίες) γίνονται ορατά, σε πολλές περιπτώσεις, μόνο μετά από ένα μεγάλο χρονικό διάστημα. Ένας τομέας όπου το υψηλό αρχικό κόστος σημαίνει ότι πιθανές εξοικονομήσεις του κύκλου ζωής παραβλέπονται είναι αυτός της χρήσης των καινοτομιών που αυξάνουν το χρόνο της προγραμματισμένης συντήρησης, σε αντίθεση με αυτόν της μη προγραμματισμένης συντήρησης. Κατά τη διάρκεια του κύκλου ζωής των προϊόντων, η προγραμματισμένη συντήρηση παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα όσον αφορά τη μείωση της αποζημίωσης προς τους διαχειριστές, παράλληλα με τον καλύτερο προγραμματισμό των πόρων και σε συνδυασμό με την ευεργετική επίδραση στους επιβάτες από την αύξηση της διαθεσιμότητας και της ασφάλειας. Πλεονεκτήματα που ενδεχομένως χάνονται ενεργώντας συντηρητικά. Οι τρέχουσες συστάσεις για τη χρήση της ποιότητας χάλυβα σιδηροτροχιών αποτελούν αποτέλεσμα μακροχρόνιας εξέλιξης. Τα τελευταία χρόνια δρομολογούνται, ολοένα και περισσότερο, συρμοί μεγαλύτερου φορτίου κατ άξονα και ταχύτεροι. Παράλληλα, νέες κατηγορίες σκληρότερων (περλιτικών) χαλύβων για τις σιδηροτροχιές είναι διαθέσιμες και έχουν δείξει ότι η χρήση τους μειώνει σημαντικά τη φθορά της γραμμής. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

97 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΕΠΙΛΟΓΗΣ ΤΥΠΟΥ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΑΣ 81 Η γενικά αποδεκτή, από όλους τους διαχειριστές υποδομής μεγάλων δικτύων, προδιαγραφή για την προμήθεια των διατομών και της ποιότητας των σιδηροτροχιών είναι το ευρωπαϊκό πρότυπο EN : Το εν λόγω πρότυπο συμπληρώθηκε στο πρόσφατο παρελθόν, από το προκαταρκτικό πρότυπο EN :2011 που εκπονήθηκε από την αντίστοιχη Τεχνική Επιτροπή, και το οποίο περιλαμβάνει δύο επιπλέον χάλυβες σιδηροτροχιών θερμικής επεξεργασίας με αυξημένα επίπεδα σκληρότητας: τους R370CrHT και R400HT (πίνακας 3.6). Η εισαγωγή αυτών των δύο ποιοτήτων χάλυβα αποτελεί απάντηση στην ανάγκη αύξησης της αντοχής έναντι φθοράς και κόπωσης που διαπιστώθηκαν σε δοκιμές πεδίου και σε εργαστηριακά δοκίμια. Όπως και όλες οι άλλες, αυτές οι νέες ποιότητες χάλυβα σιδηροτροχιών χαρακτηρίζονται από καθορισμένη χημική σύνθεση και από τις παραμέτρους του υλικού, όπως η αντοχή σε εφελκυσμό, η επιμήκυνση και η σκληρότητα στην κεντρική επιφάνεια κύλισης. Στην παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή εξετάζονται επτά (7) ποιότητες περλιτικών χαλύβων σιδηροτροχιών, συμπεριλαμβανομένων των ποιοτήτων που εισάγονται από το EN :2011. Οι επτά αυτές ποιότητες χαλύβων εμπεριέχουν καθορισμένης ποιότητας χάλυβες σιδηροτροχιών (φυσικής ψύξης), κράματα χαλύβων σιδηροτροχιών (φυσικής ψύξης) και θερμικά επεξεργασμένους χάλυβες σιδηροτροχιών. Πίνακας 3.6: Ποιότητες χάλυβα σύμφωνα με το πρότυπο EN :2011. Ποιότητα χάλυβα Σκληρότητα Περιγραφή Όνομα Αριθμός R Χωρίς θερμική επεξεργασία R Χωρίς θερμική επεξεργασία R Χωρίς θερμική επεξεργασία R260Mn Χωρίς θερμική επεξεργασία R320Cr Κράμα (1% Cr) Χωρίς θερμική επεξεργασία R350HT Θερμικά επεξεργασμένος R350LHT Θερμικά επεξεργασμένος R370CrHT t.b.a Κράμα (C-Mn) Θερμικά επεξεργασμένος R400HT t.b.a Θερμικά επεξεργασμένος ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

98 82 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο Επιλογή με βάση τα στοιχεία οριζοντιογραφίας της γραμμής Ανεκτίμητες πληροφορίες σχετικά με την συμπεριφορά των σιδηροτροχιών διαφορετικής ποιότητας χάλυβα, στα καμπύλα οριζοντιογραφικά τμήματα της γραμμής, έχουν συλλεχθεί από διαχειριστές και κατασκευαστές σιδηροδρομικών γραμμών, όλα αυτά τα χρόνια [30], [31]. Αποτέλεσμα της λεπτομερούς ανάλυσης των εν λόγω στοιχείων ήταν η εξαγωγή αλγορίθμων για την περιγραφή της συμπεριφοράς των σιδηροτροχιών ως συνάρτηση της χάραξης της γραμμής. Παρ' όλα αυτά, οι γενικές τάσεις που δείχνουν τη σχέση μεταξύ της καμπυλότητας της οριζοντιογραφίας και της υποβάθμισης των σιδηροτροχιών είναι εμφανής. Η φθορά κατέχει δεσπόζουσα θέση σε καμπύλες με ακτίνα μικρότερη των 1000 m, ενώ η κόπωση επαφής (RCF- Rolling Contact Fatigue) εμφανίζεται σε ένα εύρος α- κτίνων 500 έως 5000 m (σχήμα 3.5) Επιλογή με βάση το είδος της αβαρίας / καταπόνησης που θέλουμε να αποφύγουμε Οι περλιτικοί χάλυβες μεγαλύτερης σκληρότητας παρουσιάζουν υψηλότερη α- ντίσταση τόσο έναντι φθοράς όσο και κόπωσης. Η βελτίωση της συμπεριφοράς της ποιότητας R350HT συγκριτικά με το πρότυπο R260 είναι περίπου τριπλάσια έναντι φθοράς και τουλάχιστον διπλάσια έναντι κόπωσης. Σε περιοχές όπου παρουσιάζεται κόπωση, οι τάσεις της κεφαλής της σιδηροτροχιάς μπορεί να είναι υψηλότερες σε σύγκριση με την αντοχή σε εφελκυσμό των χαλύβων των σιδηροτροχιών που χρησιμοποιούνται σήμερα. Πρέπει επομένως να ε- ξεταστεί εάν η αύξηση του αξονικού φορτίου ή/και της ταχύτητας (στρατηγικός στόχος πολλών ευρωπαϊκών σιδηροδρόμων για να αυξήσουν την ικανότητά τους) θα μπορούσε όχι μόνο να οδηγήσει σε ταχύτερη έναρξη και ανάπτυξη της κόπωσης σε τμήματα της γραμμής που ήδη πλήττονται, αλλά και να επεκταθεί σε τμήματα που δεν εμφανίζεται, αν η σκληρότητα της σιδηροτροχιάς, και αντίστοιχα, η αντοχή παραμένει αναλλοίωτη. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

99 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΕΠΙΛΟΓΗΣ ΤΥΠΟΥ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΑΣ 83 Για την αξιολόγηση της συμπεριφοράς των διαφόρων ποιοτήτων χάλυβα σιδηροτροχιών, ως προς την κόπωση και τη φθορά, πολλές δοκιμές γραμμής πραγματοποιήθηκαν από διάφορους ερευνητές ανά τον κόσμο, με πλέον πρόσφατες αυτές που πραγματοποιήθηκαν από τις κατασκευαστικές εταιρείες Voestalpine και Corus, μαζί με τους ευρωπαϊκούς σιδηροδρόμους. Όλες αυτές οι δοκιμές κατέδειξαν παρόμοιες τάσεις, κατά τη σύγκριση διαφορετικών ποιοτήτων χάλυβα σιδηροτροχιών. Ως γενικό συμπέρασμα των αναλύσεων των ανωτέρω δεδομένων προκύπτει ότι: i. οι σιδηροτροχιές από θερμικά επεξεργασμένους χάλυβες παρουσιάζουν εξαιρετική αντοχή έναντι φθοράς και κόπωσης [2], [32], ii. η υποβάθμισης της σιδηροτροχιάς από φθορά κυριαρχεί σε κλειστές στροφές (ακτίνες μέχρι περίπου 700 έως 1000 m) και η κόπωση επικρατεί σε ευρείες καμπύλες με ακτίνες μεταξύ 500 και 5000 m (σχήμα 3.5), iii. για τις, υψηλής αντοχής περλιτικής ποιότητας χάλυβα σιδηροτροχιές, α- παιτείται λιγότερη συντήρηση και η συνολική διάρκεια ζωής τους είναι μεγαλύτερη. Σχήμα 3.5: Μηχανισμός υποβάθμισης της γραμμής συναρτήσει της ακτίνας οριζοντιογραφίας. ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

100 84 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο Από την ανάλυση και επεξεργασία των μετρήσεων προέκυψε μια σειρά ειδικότερων συμπερασμάτων, τα κυριότερα εκ των οποίων παρατίθενται παρακάτω. Συγκριτικά με τους κοινούς χάλυβες, η υποβάθμιση που οφείλεται στη φθορά και στην κόπωση βελτιώθηκε κατά ένα συντελεστή 3 με τη χρήση θερμικά επεξεργασμένων σιδηροτροχιών και με συντελεστή 4 με τη χρήση κραμάτινων θερμικά επεξεργασμένων σιδηροτροχιών [33]. Τα αποτελέσματα έδειξαν επίσης ότι το ημερήσιο φορτίο κυκλοφορίας ως την αστοχία μειώθηκε σημαντικά, όταν το ονομαστικό φορτίο του τροχού ήταν αυξημένο [33]. Η αύξηση της σκληρότητας της σιδηροτροχιάς μειώνει το ρυθμό φθοράς, κάτω από συνθήκες μέτριας λίπανσης των σιδηροτροχιών [34], [35]. Για παράδειγμα, η πρότυπη σιδηροτροχιά εμφανίζει 2,5 φορές μεγαλύτερο ρυθμό φθοράς έναντι μιας σκληρότερης σιδηροτροχιάς με μέτρια λίπανση και σχεδόν διπλάσιο ποσοστό κάτω από εκτενέστερη λίπανση. Παρατηρήθηκε ακόμη ότι η σκληρυμένη ποιότητα χάλυβα παρουσιάζει μείωση του βάθους των ρωγμών κόπωσης κατά 30% [35]. Σε δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν σε γραμμές υψηλής ταχύτητας, ο κύριος μηχανισμός υποβάθμισης ήταν η κόπωση [36]. Για ποιότητα σιδηροτροχιών UIC800 το βάθος της βλάβης, λόγω κόπωσης, ήταν διπλάσιο έναντι του βαθμού R260 και έξι (6) φορές μεγαλύτερο από αυτό για βαθμό R350HT. Οι σιδηροτροχιές ποιότητας R350HT παρουσίασαν το χαμηλότερο ποσοστό φθοράς, το οποίο ήταν περίπου το μισό από αυτό της ποιότητας UIC900A (R260) και το ένα τρίτο αυτού της ποιότητας UIC800. Διαπιστώθηκε επίσης ότι το μήκος κύματος και το βάθος των αυλακώσεων θα μπορούσε να μειωθεί με τη χρήση των σκληρότερης ποιότητας σιδηροτροχιών. Παρόμοια αποτελέσματα προέκυψαν για μικτής κυκλοφορίας γραμμές στη Γαλλία, όπου οι σκληρότερες θερμικά επεξεργασμένες σιδηροτροχιές ήταν περισσότερο ανθεκτικές σε φθορά και RCF [37]. Σε γενικές γραμμές, τα αποτελέσματα των δοκιμών γραμμής και της παρακολούθησης στο πεδίο της φθοράς και της κόπωσης που έχουν αναφερθεί στη βιβλιογραφία δείχνουν παρόμοιες τάσεις, κατά τη σύγκριση διαφορετικών ποιοτήτων χάλυβα σιδηροτροχιών. Ωστόσο, εξαιτίας της πολυπλοκότητας της αλληλεπίδρασης σιδηροτροχιάς και τροχού, της γραμμής και των χαρακτηριστικών της κυκλοφορίας, το απόλυτο ποσοστό της υποβάθμισης μπορεί να διαφέρει από θέση σε θέση. Υπάρχουν διαφορετικές απόψεις σχετικά με την επιρροή της ποιότητας σε διακριτές βλάβες, ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

101 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΕΠΙΛΟΓΗΣ ΤΥΠΟΥ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΑΣ 85 όπως squats. Η πρόκληση squat θα μπορούσε να αποφευχθεί με την αλλαγή της ποιότητας της σιδηροτροχιάς από UIC700 σε UIC900 (R260), λόγω της αύξησης της σκληρότητας σε ένα επίπεδο που αντιστοιχεί στη μέγιστη εφαρμοζόμενη διατμητική τάση από τους τροχούς [38]. Παράλληλα με την καταγραφή της συμπεριφοράς των σιδηροτροχιών επί της γραμμής πολλές εργαστηριακές δοκιμές διεξήχθησαν προκειμένου να διερευνηθεί και να αναλυθεί περαιτέρω η συμπεριφορά των διαφόρων ποιοτήτων χάλυβα σιδηροτροχιών έναντι φθοράς και κόπωσης. Αν και εργαστηριακές εξετάσεις δεν είναι σε θέση να προσομοιώνουν με ακρίβεια τις συνθήκες της γραμμής, η συντριπτική πλειοψηφία τους επιβεβαιώνει τις παρατηρήσεις που πραγματοποιήθηκαν από τις καταγραφές πεδίου. Από τις δοκιμές που διεξήχθησαν σε βαϊνιτικούς και περλιτικούς χάλυβες προέκυψε υψηλότερη αντοχή έναντι φθοράς των περλιτικών ποιοτήτων χάλυβα σε σύγκριση με αυτή των βαϊνιτικών χαλύβων παρόμοιας σκληρότητας, αλλά χαμηλότερης περιεκτικότητας σε άνθρακα [39]. Παρατηρήθηκε ακόμη ότι υπήρξε μια μείωση του ρυθμού φθοράς κατά ένα συντελεστή περίπου 3,5 για μια αύξηση της σκληρότητας των 50 HB για περλιτικής ποιότητας χάλυβες, ενώ οι βαϊνιτικής ποιότητας χάλυβες παρουσιάζουν μικρότερη εξάρτηση του ρυθμού φθοράς ως προς τη σκληρότητά τους. Σε πειράματα που διεξήχθησαν έναντι κόπωσης επαφής (RCF), καταγράφηκε διπλασιασμός της αντοχής έναντι κόπωσης για μια αύξηση της σκληρότητας κατά 50 HB. Βαϊνιτικές μικροδομές χωρίς καρβίδιο με πρόσμικτα μαρτενσίτη θα μπορούσαν να έχουν αυξημένη ανθεκτικότητα σε φθορά συγκριτικά με περλιτικούς χάλυβες σιδηροτροχιών, ενώ άλλες βαϊνιτικές μικροδομές συχνά παρουσιάζουν χαμηλότερη α- ντοχή [40], [41], [42]. Κυκλικές μη αναλογικές και αναλογικές δοκιμές σε ποιότητες R260, R350HT και άλλες μη εμπορικές ποιότητες χάλυβα πραγματοποιήθηκαν από αρκετούς ερευνητές [43], [44]. Από την ανάλυση των αποτελεσμάτων προκύπτει ότι οι χάλυβες υψηλής αντοχής φέρουν επίπεδα φορτίου πάνω από αρκετές εκατοντάδες κύκλων, ενώ οι τυπικές ποιότητες αποτυγχάνουν μετά τους αρχικούς κύκλους. Παρατηρήθηκε ακόμη ότι για χαμηλότερα φορτία, ο αριθμός των κύκλων ως την αστοχία των σκληρότερων χαλύβων είναι σχεδόν μία τάξη μεγέθους μεγαλύτερη από αυτόν των κοινών χαλύβων. Οι υπόλοιπες ποιότητες συμπεριφέρθηκαν με παρόμοιο τρόπο με βάση την κατάταξή τους σύμφωνα με τη σκληρότητα σε σχέση με την αντοχή φορτίου. Η προκύ- ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

102 86 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο πτουσα μικροδομή, των έντονα καταπονούμενων από διάτμηση περιοχών, παρουσιάζει παρόμοια χαρακτηριστικά με τα παραμορφωμένα επιφανειακά στρώματα χρησιμοποιημένων σιδηροτροχιών. Βαϊνιτικής ποιότητας χάλυβες αντέχουν υψηλότερα ε- πίπεδα φορτίου, αλλά παρουσιάζουν μια τάση αποσκλήρυνσης έναντι εναλλασσόμενης καταπόνησης. Η αποσκλήρυνση έναντι εναλλασσόμενης καταπόνησης των εν λόγω χαλύβων υψηλής αντοχής δεν είναι σημαντική για την εφαρμογή τους σε σιδηροτροχιές καθώς πλαστική παραμόρφωση θα συμβεί μόνο σε ένα στρώμα 0,1 mm με αποτέλεσμα τη φθορά κατά την έναρξη και το θρυμματισμό εξαιτίας ρωγμών κόπωσης στην επιφάνεια. Ενδεικτικά παρουσιάζονται τα αποτελέσματα δοκιμών φθοράς και κόπωσης που διεξήχθησαν από την Corus σε περλιτικούς χάλυβες σιδηροτροχιών. Είναι εμφανής η αυξημένη αντίσταση έναντι φθοράς και κόπωσης με την αύξηση της σκληρότητας της σιδηροτροχιάς (σχήμα 3.6) και η υψηλότερη αντοχή των σκληρυμένων περλιτικών χαλύβων έναντι κόπωσης συγκριτικά με τους πρότυπους περλιτικούς χάλυβες (σχήμα 3.7). Σχήμα 3.6: Αντοχή περλιτικών χαλύβων έναντι φθοράς συναρτήσει της σκληρότητας. Σχήμα 3.7: Αντοχή περλιτικών χαλύβων έναντι κόπωσης συναρτήσει της σκληρότητας. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

103 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΕΠΙΛΟΓΗΣ ΤΥΠΟΥ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΑΣ 87 Παρακάτω παρουσιάζονται οι παράμετροι που επηρεάζουν σημαντικά την εξέλιξη της φθοράς και της κόπωσης. Οι περισσότερες από αυτές τις παραμέτρους διαχωρίζονται σε τρεις κατηγορίες: τις σχετιζόμενες με τη γραμμή, με την κυκλοφορία και με τη συντήρηση. Η ακτίνα καμπυλότητας της οριζοντιογραφίας: είναι μία από τις πιο σημαντικές παραμέτρους που επηρεάζουν τη φθορά των σιδηροτροχιών. Η τιμή της παρέχει τη βάση για κάθε εκτίμηση σχετικά με την υποβάθμιση της σιδηροτροχιάς. Η υπερύψωση: η υπερύψωση σε συνδυασμό με την ακτίνα καμπυλότητας και την ταχύτητα των οχημάτων οδηγεί σε μια άλλη σημαντική παράμετρο, στην «ανεπάρκεια υπερύψωσης». Οι κατά μήκος κλίσεις: η κλίση της γραμμής έχει επίδραση στην ολίσθηση των τροχών στην επιφάνεια επαφής, καθώς και σε πλευρικές δυνάμεις στις κλειστές στροφές. Το ημερήσιο συνολικό φορτίο κυκλοφορίας. Οι δυνάμεις έλξης και πέδησης των τρένων (σταθμοί, σήματα κ.α.). Το φορτίο κατ άξονα: το φορτίο κατ άξονα συνδέεται άμεσα με τη φθορά και την κόπωση των σιδηροτροχιών. Η ταχύτητα: η ταχύτητα είναι καθοριστικό μέγεθος για την κόπωση των σιδηροτροχιών. Το τροχαίο υλικό: τα χαρακτηριστικά των φορείων και των αξόνων του οχήματος επηρεάζουν έντονα τις αναπτυσσόμενες δυνάμεις μεταξύ οχήματος και γραμμής και κατά συνέπεια την υποβάθμιση του συνόλου της γραμμής, συμπεριλαμβανομένων των σιδηροτροχιών. Εκτός από τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά του τροχαίου υλικού σημαντικό ρόλο παίζει και η συντήρησή του. Η λίπανση: η λίπανση αναγνωρίζεται ως ένα αποτελεσματικό μέτρο προκειμένου να μειωθεί η φθορά της σιδηροτροχιάς. Επισημαίνεται ότι η λίπανση από μόνη της δεν αποτελεί εναλλακτική της εγκατάστασης υψηλότερης ποιότητας σιδηροτροχιών. Η διαχείριση της τριβής: οι τροποποιητές τριβής είναι υλικά που αυξάνουν ή μειώνουν την τριβή μεταξύ δύο επιφανειών, έτσι ώστε να επιτευχθεί ένα συγκεκριμένο επίπεδο τριβής. Μπορεί επομένως να επιτευχθεί ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

104 88 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ένας σταθερός συντελεστής τριβής, ο οποίος οδηγεί σε μια ομογενοποίηση των εγκάρσιων δυνάμεων. Η διαχείριση της τριβής είναι μια ειδική εφαρμογή της λίπανσης και των τροποποιητών τριβής, προκειμένου να μειωθεί η φθορά (σιδηροτροχιών και τροχών) και οι ζημιές λόγω κόπωσης (RCF). Ωστόσο, δεν αποτελεί και αυτή εναλλακτική της εγκατάστασης υψηλότερης ποιότητας σιδηροτροχιών. Η λείανση των σιδηροτροχιών: η λείανση εκτελείται προκειμένου να αυξηθεί η ποιότητα της επιφάνειας κύλισης, καθώς και για την απομάκρυνση μικρο-ελαττωμάτων που μπορεί να αναπτυχθούν και να προκαλέσουν σοβαρά προβλήματα. Η καλή λείανση αποτελεί βασική δράση όσον αφορά την επιμήκυνση της διάρκειας ζωής των σιδηροτροχιών τόσο για τις κοινής ποιότητας χάλυβα σιδηροτροχιές όσο και για τις θερμικά επεξεργασμένες. Ωστόσο, ούτε η λείανση αποτελεί εναλλακτική της εγκατάστασης υψηλότερης ποιότητας σιδηροτροχιών Οι τομείς εφαρμογής των διαφόρων ποιοτήτων χάλυβα σιδηροτροχιών ορίζονται στις εθνικές και/ή στις εσωτερικές οδηγίες, και πρέπει να τηρούνται από τις διοικήσεις των ευρωπαϊκών σιδηροδρόμων. Οι συστάσεις παρέχουν τη βάση (περίπτωση αναφοράς) για την αξιολόγηση των πλεονεκτημάτων που μπορεί να επιτευχθούν με την εισαγωγή των θερμικά επεξεργασμένων ποιοτήτων. Στον πίνακα 3.7 παρουσιάζεται μια επισκόπηση αυτών των κατευθυντήριων γραμμών. Με βάση τις συνθήκες και τους μηχανισμούς υποβάθμισης, υπάρχει μια μεγάλη ποικιλία τμημάτων γραμμής, όπου η χρήση των υψηλής ποιότητας σιδηροτροχιών προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα, όπως μικρές και μεσαίες στροφές, όπου η φθορά κυριαρχεί καθώς και μεσαίες και μεγάλες στροφές, όπου η κόπωση είναι ο κύριος μηχανισμός υποβάθμισης. Παρ 'όλα αυτά οι περισσότεροι σιδηρόδρομοι εγκαθιστούν αυτές της υψηλότερης ποιότητας σιδηροτροχιές μόνο σε τμήματα με στροφές ακτίνας έως 700 m ώστε να εκμεταλλευτούν την υψηλότερη αντοχή σε φθορά των θερμικά επεξεργασμένων σιδηροτροχιών. Με βάση τις δοκιμές πεδίου σε όλη την Ευρώπη, οι οποίες έχουν καταδείξει τη μεγαλύτερη αντοχή έναντι κόπωσης που προσφέρουν οι θερμικά επεξεργασμένες σιδηροτροχιές, αρκετές διοικήσεις σιδηροδρόμων αλλάζουν σήμερα τη στρατηγική τους. Η επιλογή αυτή δίνει ακόμη μεγαλύτερα οικονομικά οφέλη στους διαχειριστές υποδομής σε περίπτωση εφαρμογής σε τμήματα γραμμής με στροφές ακτίνας έως 5000 m. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

105 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΕΠΙΛΟΓΗΣ ΤΥΠΟΥ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΑΣ 89 Ακτίνα (m) 300 Πίνακας 3.7: Σύνοψη των σημερινών εθνικών κατευθυντήριων γραμμών για την επιλογή ποιότητας χάλυβα σιδηροτροχιών σε γραμμές μικτής κυκλοφορίας με φορτίο άξονα έως 22,5t και τουλάχιστον 20 MGT ετήσιο φορτίο UIC R350HT R350HT / R260 R260 DB R350HT ( t/d) R DB new R350HT ( t/d) R260 CH R350LHT R350LHT / R320Cr CH (proposal) R320Cr R350LHT R260 R370CrHT R350LHT Bainite up to 1200 m R260 AT R350HT R260 SWE R350HT R260 SWE (HH) R350HT NOR R350HT R260 UK IT R260 R260 BE R350HT R260 LUX R350HT R260 NL R350HT R370CrH T 3000 R260 R370CrHT R370CrHT R260 DK R350HT R260 PL R350HT R260 H R350HT R260 RO R350HT R Επιλογή με βάση την πολιτική διαχείρισης των φθορών των σιδηροτροχιών Η προβλεπόμενη διάρκεια ζωής της σιδηροτροχιάς καθορίζει σε σημαντικό βαθμό την επιλογή της ποιότητας της σιδηροτροχιάς. Για την ομαλή και απρόσκοπτη ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

106 90 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο λειτουργία του σιδηροδρομικού συστήματος απαραίτητη προϋπόθεση αποτελεί η σωστή συντήρησή του. Η συντήρηση χαρακτηρίζεται σαν «οριζόντια δραστηριότητα», καθώς αφορά και τις τρεις συνιστώσες του συστήματος (γραμμή, τροχαίο υλικό, εκμετάλλευση). Από τη στιγμή έναρξης λειτουργίας των διαφόρων συνιστωσών του σιδηροδρομικού συστήματος αρχίζει η φθορά τους και μετά παρέλευση ορισμένου χρόνου είναι απαραίτητη η εκτέλεση εργασιών συντήρησης. Η συντήρηση της γραμμής επηρεάζει τόσο την ασφάλεια κίνησης των συρμών όσο και το επίπεδο άνεσης του επιβάτη. Το μέσο κόστος συντήρησης της επιδομής, συνεπώς και των σιδηροτροχιών, θεωρείται ότι εξαρτάται κυρίως από : το ημερήσιο φορτίο κυκλοφορίας T f, την ταχύτητα των συρμών και το αξονικό φορτίο των συρμών. Για παράδειγμα αύξηση της ταχύτητας ή αύξηση του φορτίου κατ άξονα συνεπάγεται και αύξηση του όγκου περιοδικότητας εργασιών συντήρησης. Οι δαπάνες συντήρησης γραμμής αντιπροσωπεύουν σημαντικό τμήμα των συνολικών δαπανών του σιδηροδρομικού δικτύου, με ποσοστό για τον Ο.Σ.Ε % των συνολικών δαπανών του δικτύου. Η συντήρηση της γραμμής πρέπει να είναι τέτοια ώστε για μια ορισμένη ταχύτητα να βρίσκονται μέσα σε αποδεκτά όρια, με όσο γίνεται μικρότερες δαπάνες, οι εξής δύο βασικές συνιστώσες: ασφάλεια κατά την κίνηση και άνεση του επιβάτη. Ως προς την ασφάλεια η συντήρηση πρέπει να είναι διορθωτική και τέλος ως προς την οικονομική πτυχή του θέματος πρέπει να εξασφαλίζεται η βέλτιστη δυνατή λύση που αφενός επιτρέπει ικανοποιητικά περιθώρια ασφάλειας και αφετέρου περιορίζει το ενδεχόμενο ανεπανόρθωτης υποβάθμισης της ποιότητας γραμμής. Οι παραπάνω συνιστώσες εξαρτώνται από δύο θεμελιακά διαφορετικές οικογένειες παραμέτρων: τις γεωμετρικές αφενός, των οποίων η εξέλιξη είναι συνήθως επανορθώσιμη, τις μηχανικές αφετέρου, των οποίων η μείωση των αντοχών στην πλειονότητα των περιπτώσεων δεν μπορεί να επανορθωθεί παρά μόνο με αντικατάσταση (σιδηροτροχιές, σύνδεσμοι, στρωτήρες κ.α.). Η συντήρηση των σιδηροτροχιών, μείζονος σημασίας για τη λειτουργία της γραμμής, δεν μπορεί να συνεχιστεί εσαεί, καθώς υπάρχει ένα σημείο πέρα του οποίου η συντήρηση καθίσταται περισσότερο κοστοβόρα συγκριτικά με την αντικατάσταση. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

107 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΕΠΙΛΟΓΗΣ ΤΥΠΟΥ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΑΣ 91 Ο καθορισμός της βέλτιστης διάρκειας ζωής της σιδηροτροχιάς είναι ένα πρόβλημα όχι αμιγώς τεχνικό αλλά τεχνικοοικονομικό. Πέρα από ένα διάστημα διατήρησης της σιδηροτροχιάς, οι συνολικές δαπάνες αυξάνονται σημαντικά. Συνεπώς είναι σκόπιμη η αντικατάσταση της σιδηροτροχιάς πριν από την εξάντληση όλων των περιθωρίων μηχανικών αντοχών. Δύο είναι οι εναλλακτικές διαχείρισης των σιδηροτροχιών: η αντικατάσταση των φθαρμένων σιδηροτροχιών και η αναγόμωση των φθαρμένων σιδηροτροχιών μέχρι την τελική αντικατάσταση τους. Ανάλογα με την εναλλακτική που θα επιλεγεί, επηρεάζεται σε σημαντικό βαθμό και η επιλογή της ποιότητας του χάλυβα της σιδηροτροχιάς. Χάλυβες χαμηλής περιεκτικότητα σε άνθρακα παρουσιάζουν μεγαλύτερη συγκολλησιμότητα και ευκολότερη αναγόμωση παράλληλα όμως έχουν και χαμηλές μηχανικές αντοχές και επομένως και μικρότερη διάρκεια ζωής. Αντίθετα οι νέες ποιότητες χάλυβα, οι αντοχές των οποίων είναι ιδιαίτερα υψηλές παρουσιάζουν μεγάλη διάρκεια ζωής απαιτούν ωστόσο συγκεκριμένες διαδικασίες κατά την συγκόλληση των σιδηροτροχιών μεταξύ τους Επιλογή με βάση τον τρόπο σύνδεσης (συγκολλησιμότητα) Κατά την επιλογή ποιότητας χάλυβα των σιδηροτροχιών σημαντικός παράγοντας είναι και ο τρόπος σύνδεσης των σιδηροτροχιών μεταξύ τους. Ιδιαίτερα σε περιπτώσεις συνεχώς συγκολλημένων σιδηροτροχιών (Σ.Σ.Σ.), η ποιότητα χάλυβα είναι αυτή που καθορίζει και τη συγκολλησιμότητα της κάθε σιδηροτροχιάς. Τα θέματα που αφορούν τις συγκολλήσεις πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά τη λήψη αποφάσεων σχετικά με την εγκατάσταση σιδηροτροχιών συγκεκριμένης ποιότητας χάλυβα. Συνήθως, οι παραγωγοί σιδηροτροχιών αναπτύσσουν διαδικασίες συγκόλλησης για τις καινούργιες και περαιτέρω αναπτυσσόμενες ποιότητες χάλυβα σε συνεργασία με ειδικούς συγκόλλησης. Κάθε μέθοδος συγκόλλησης για μια νέα ποιότητα χάλυβα πρέπει να περάσει από μια διαδικασία έγκρισης, μέχρι να μπορεί να εκτελεστεί σε ένα δίκτυο χωρίς περιορισμούς. Στο πλαίσιο αυτό πρέπει να σημειωθεί το γεγονός ότι η συγκόλληση των θερμικά επεξεργασμένων ποιοτήτων χάλυβα σιδη- ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

108 92 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ροτροχιών όλων των τύπων (R350HT, R350LHT, R370CrHT, αλλά και ο R400HT κ.α.) αποτελεί γενικά μια τυπική διαδικασία η οποία εκτελείται εδώ και πολλά χρόνια σε όλο τον κόσμο. Η χημική σύνθεση του χάλυβα των σιδηροτροχιών καθορίζει την ικανότητα συγκόλλησης του υλικού αυτού. Οι άλλες μηχανικές ιδιότητες, όπως η σκληρότητα δεν επηρεάζουν την ικανότητα συγκόλλησης. Χάλυβες χαμηλής περιεκτικότητα σε άνθρακα και επομένως μικρότερης αντοχής, παρουσιάζουν μεγαλύτερη συγκολλησιμότητα και ευκολότερη αναγόμωση. Γενικά, για χάλυβες σιδηροτροχιών, όσο υψηλότερη η ποιότητα της σιδηροτροχιάς το πιο απαιτητική η διαδικασία συγκόλλησης Νέα διαδικασία επιλογής ποιότητας Εισαγωγή Οι θερμικά επεξεργασμένοι χάλυβες σιδηροτροχιών είναι σε θέση να αντιμετωπίσουν εξαιρετικά τους δύο βασικούς μηχανισμούς υποβάθμισης των σιδηροτροχιών, την φθορά και την κόπωση, οι οποίες επηρεάζουν σε μεγάλο βαθμό τη διάρκεια ζωής των σιδηροτροχιών πρότυπων χαλύβων. Προκειμένου να αξιοποιηθούν πλήρως οι δυνατότητες των θερμικά επεξεργασμένων χαλύβων πρέπει να πραγματοποιηθούν κάποιες συμπληρωματικές ενέργειες: μια εκτενής λίπανση και η κατάλληλη λείανση. Επιπλέον, ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό των ευρωπαϊκών σιδηροδρόμων είναι η μικτή κυκλοφορία, στην οποία το ποσοστό των εμπορευματικών μεταφορών αναμένεται να αυξηθεί. Αυτό σύντομα θα οδηγήσει σε μια πολύ σημαντική αύξηση των φορτίων που επιβάλλονται στις σιδηροτροχιές. Υπό αυτές τις συνθήκες, η πλαστική παραμόρφωση γίνεται η δεσπόζουσα αιτία υποβάθμισης. Η υποβάθμιση της σιδηροτροχιάς μπορεί να θεωρηθεί ως συνάρτηση της ακτίνας καμπυλότητας. Ωστόσο, η πραγματικότητα είναι πολύ πιο σύνθετη και ένας μεγάλος αριθμός παραμέτρων επιδρά στη συνολική συμπεριφορά της σιδηροτροχιάς. Εκτός από τα φορτία κατ άξονα, η ανεπάρκεια υπερύψωσης (ως συνδυασμός της ταχύτητας, της ακτίνας και της υπερύψωσης), καθώς και τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά του οχήματος (κατασκευή αναρτήσεων φορείου, προφίλ τροχών, μη αναρτημένες μάζες κ.λπ.) έχουν σημαντική επίδραση στις λειτουργίες της υποβάθμισης των ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

109 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΕΠΙΛΟΓΗΣ ΤΥΠΟΥ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΑΣ 93 σιδηροτροχιών. Συνεπώς, εκτός από την επιλογή ποιότητας χάλυβα, η οποία μπορεί να πραγματοποιηθεί με βάση το μέσο ετήσιο μεταφερόμενο φορτίο και την ακτίνα οριζοντιογραφίας, μια σύσταση για την επιλογή ποιότητας χάλυβα με βάση την αλλοίωση θα παρουσιαστεί στην παρούσα εργασία. Η σύσταση αυτή επιτρέπει στους διαχειριστές της υποδομής την καλύτερη επιλογή ποιότητας χάλυβα συναρτήσει των συνθηκών του συγκεκριμένου τμήματος γραμμής, το οποίο δεν μπορεί να καλυφθεί από την παραδοσιακή βάση ακτίνας οριζοντιογραφίας επιλογή ποιότητας χάλυβα σιδηροτροχιάς. Παρ 'όλα αυτά, δεδομένου ότι η ακτίνα είναι ο κύριος παράγοντας που συμβάλλει στον ρυθμό υποβάθμισης, η παραδοσιακή προσέγγιση της επιλογής ποιότητας χάλυβα σιδηροτροχιάς με βάση τις ακτίνες καμπυλότητας της γραμμής θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να παρέχει μια κατευθυντήρια γραμμή. Ωστόσο, για να διευκολυνθεί η μετάβαση σε ένα μηχανισμό επιλογής συναρτήσει της υποβάθμισης, ο συσχετισμός μεταξύ της ακτίνας, του μεταφερόμενου φορτίου και της πυκνότητας της κυκλοφορίας πρέπει να ληφθεί υπόψη Σύσταση επιλογής ποιότητας χάλυβα σιδηροτροχιάς συναρτήσει της ακτίνας καμπυλότητας οριζοντιογραφίας Η παραδοσιακή προσέγγιση επιλογής ποιότητας χάλυβα σιδηροτροχιάς με βάση τις ακτίνες καμπυλότητας της οριζοντιογραφίας γραμμής, βασίζεται κυρίως στα δεδομένα διαχειριστών ευρωπαϊκών σιδηροδρόμων και σε αποτελέσματα δοκιμών γραμμής που έχουν πραγματοποιηθεί από προμηθευτές σιδηροτροχιών. Το μικρότερο ποσοστό υποβάθμισης των θερμικά επεξεργασμένων περλιτικών χαλύβων έχει οδηγήσει στη γενική σύσταση για χρήση τους σε τμήματα γραμμής με ακτίνες κάτω από 5000 m και με μεγάλες τιμές μεταφερόμενων φορτίων. Για μέσες τιμές μεταφερόμενων φορτίων και για μεγάλες που δεν είναι ευπαθείς σε κόπωση, θερμικά επεξεργασμένες σιδηροτροχιές συνιστώνται για τμήματα με ακτίνες μέχρι 3000 m. Σε περίπτωση τμήματος με μικρές τιμές μεταφερόμενου φορτίου, η χρήση σιδηροτροχιών πρότυπης (κοινής) ποιότητας χάλυβα συνιστάται για ακτίνα τροχιάς μεγαλύτερης των 1000 m, με τη χρήση τους να μπορεί να επεκταθεί και για ακτίνες ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

110 94 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο έως 700 m εάν δεν έχει παρατηρηθεί επιτάχυνση της φθοράς ή υποβάθμιση λόγω κόπωσης. Αυτές οι συστάσεις συνοψίζονται στο σχήμα 3.8. Σχήμα 3.8: Επιλογή ποιότητας χάλυβα σιδηροτροχιάς (παραδοσιακή προσέγγιση). Σχήμα 3.9: Επιλογή ποιότητας χάλυβα σιδηροτροχιάς (νέα προσέγγιση). Πέραν της παραδοσιακής προσέγγισης επιλογής ποιότητας χάλυβα σιδηροτροχιάς με βάση τις ακτίνες καμπυλότητας της γραμμής, μια περισσότερο λεπτομερής διαδικασία έχει αναπτυχθεί τα τελευταία χρόνια. Η νέα αυτή μεθοδολογία συμπεριλαμβάνει ένα ευρύτερο φάσμα ποιοτήτων χάλυβα όπως αυτοί περιέχονται στο EN : Θα πρέπει να σημειωθεί ότι ποιότητες, όπως R370CrHT και R400HT διατίθενται στο εμπόριο εδώ και πολλά χρόνια (με διαφορετικές εμπορικές ονομασί- ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

111 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΕΠΙΛΟΓΗΣ ΤΥΠΟΥ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΑΣ 95 ες) και έχουν αποδείξει την υψηλότερη αντοχή τους έναντι των βασικών μηχανισμών υποβάθμισης σε διάφορες δοκιμές γραμμής. Συμπερασματικά, για τμήματα γραμμών με μεγάλα και μέσα μεταφερόμενα φορτία οι προτεινόμενες ποιότητες χάλυβα σιδηροτροχιών είναι: Για τμήματα με κλειστές στροφές (R < 300 m): ποιότητα χάλυβα R400HT. Για μεσαίου μεγέθους καμπύλες (300 < R < 700 m): η ποιότητα χάλυβα 370CrHT (για τμήματα με μεγάλα μεταφερόμενα φορτία, επίσης, η ποιότητα R400HT), ακολουθούμενη από την ποιότητα R350HT για μεγαλύτερες ακτίνες (R > 700 m). Σε περίπτωση τμημάτων με μεγάλα μεταφερόμενα φορτία η ποιότητα χάλυβα R350HT προτείνεται επίσης για μεγάλες ακτίνες μεταξύ 3000 m και 5000 m. (Πρότυπες ποιότητες χάλυβα σιδηροτροχιών μπορούν να αποτελούν την κατάλληλη επιλογή, αν η κόπωση RCF είναι αμελητέα). Για τμήματα με μικρά μεταφερόμενα φορτία: Χρήση της ποιότητας χάλυβα R350HT σε καμπύλες με ακτίνα έως 700 m 1000 m ανάλογα με τις τοπικές συνθήκες. Θα πρέπει επίσης να τονιστεί ότι οι ανωτέρω συστάσεις βασίζονται σε καταγεγραμμένες επιδόσεις των διαθέσιμων ποιοτήτων χάλυβα σιδηροτροχιών σε διάφορα τμήματα γραμμής. Ωστόσο, στο μέλλον, η εισαγωγή διαφορετικών τύπων οχημάτων (αυξημένα φορτία κατ άξονα ή υψηλότερες ταχύτητες κλπ) θα μπορούσε να αλλάξει τους μηχανισμούς υποβάθμισης και ως εκ τούτου τη βέλτιστη επιλογή ποιότητας χάλυβα σιδηροτροχιών Επιλογή ποιότητας χάλυβα σιδηροτροχιάς συναρτήσει της υποβάθμισης Η πραγματική υποβάθμιση της γραμμής και των σιδηροτροχιών εξαρτάται από διάφορες παραμέτρους, μερικές από τις οποίες είτε δεν είναι διαθέσιμες είτε δεν είναι καταγεγραμμένες. Σε άλλες περιπτώσεις, αν και οι παράμετροι είναι αναγνωρισμένες, η αλληλεπίδραση τους με άλλες παραμέτρους και η προκύπτουσα επιρροή στον μηχανισμό αλλοίωσης δεν είναι πλήρως κατανοητή ή δεν μπορεί ποσοτικοποιηθεί. ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

112 96 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο Σε περιπτώσεις καταγεγραμμένων δεδομένων επιχειρησιακής εμπειρίας, η συμπεριφορά του χάλυβα των σιδηροτροχιών υπό τις συγκεκριμένες συνθήκες είναι γνωστή ακόμη και χωρίς να είναι γνωστή η πραγματική συμβολή της κάθε παραμέτρου. Ωστόσο, η συνήθης διαδικασία επιλογής ποιότητα χάλυβα σιδηροτροχιάς με βάση την ακτίνα καμπυλότητας δεν εκμεταλλεύεται το σύνολο των καταγεγραμμένων αυτών πληροφοριών κατά τη διαδικασία λήψης αποφάσεων για την επιλογή της ποιότητας χάλυβα. Για το λόγο αυτό, ένα κριτήριο επιλογής ποιότητας χάλυβα σιδηροτροχιάς βασιζόμενο στην αλλοίωση έχει αναπτυχθεί τα τελευταία χρόνια [45]. Οι μηχανισμοί υποβάθμισης των σιδηροτροχιών περιλαμβάνουν γενικά τη φθορά και την κόπωση. Η υποβάθμιση μέσω φθοράς μειώνεται γενικά με την αύξηση της ακτίνας καμπυλότητας, όμως ρωγμές κόπωσης μπορεί να παρουσιαστούν σε ακτίνες τροχιάς έως 5000 m. Σε μικτής κυκλοφορίας γραμμές, η πλαστική παραμόρφωση μπορεί επίσης να γίνει κυρίαρχη αιτία πρόωρης αντικατάστασης των σιδηροτροχιών. Επιπλέον, οι αυλακώσεις μπορεί να αποτελούν μια επιπλέον παράμετρο καθορισμού της διάρκειας ζωής της σιδηροτροχιάς σε αρκετά τμήματα της γραμμής, συμπεριλαμβανομένων αυτών με πολύ μεγάλη ακτίνα. Οι μηχανισμοί υποβάθμισης ενεργούν πάντοτε ταυτόχρονα, ωστόσο υπάρχει πάντα ή τουλάχιστον στις περισσότερες περιπτώσεις ένας κυρίαρχος μηχανισμός υποβάθμισης που καθορίζει την αντοχή της σιδηροτροχιάς. Η επιλογή ποιότητας χάλυβα της σιδηροτροχιάς συναρτήσει της αλλοίωσης που προτείνεται στη νέα αυτή μέθοδο λαμβάνει υπόψη τους δύο κύριους μηχανισμούς υποβάθμισης (φθορά & κόπωση) μέσω ενός διαγράμματος (σχήματα ). Σκληρότερες ποιότητες χάλυβα προσφέρουν αντοχή έναντι των αυλακώσεων και της πλαστικής παραμόρφωσης. Ως εκ τούτου, η χρήση τους συνιστάται σε τμήματα γραμμής όπου οι εν λόγω μηχανισμοί υποβάθμισης θεωρούνται κυρίαρχοι. Η υποβάθμιση των ήδη εγκατεστημένων σε μια γραμμή σιδηροτροχιών συγκεκριμένης ποιότητας χάλυβα, αποτελεί το σημείο εκκίνησης της νέας διαδικασίας επιλογής ποιότητας συναρτήσει της αλλοίωσης. Ανάλογα με το μέγεθος της πραγματικής φθοράς και κόπωσης δίδεται η σύσταση για την επιλογή ποιότητας χάλυβα. Η κατευθυντήρια γραμμή δίνει πάντα την κατάλληλη ποιότητα χάλυβα που είναι εκείνη που ανταποκρίνεται καλύτερα στον κυρίαρχο μηχανισμό αλλοίωσης των σιδηροτροχιών. Επισημαίνεται το γεγονός ότι η επιλογή δεν εξαρτάται από την αντίστοιχη ακτίνα ούτε από μια ορισμένη κατάσταση της κυκλοφορίας, καθώς βασίζεται μόνο στην πραγματική συμπεριφορά υποβάθμισης μιας εγκατεστημένης σιδηροτροχιάς. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

113 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΕΠΙΛΟΓΗΣ ΤΥΠΟΥ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΑΣ 97 Με την επιλογή χάλυβα βελτιωμένης σκληρότητας, ο ρυθμός της βλάβης μειώνεται σημαντικά. Η αντικατάσταση χάλυβα ποιότητας R260 με R350HT οδηγεί σε πολύ σημαντικές βελτιώσεις - η φθορά μειώνεται κατά έναν παράγοντα μεταξύ 3 και 5, ενώ η αντοχή σε κόπωση αυξάνεται κατά ένα συντελεστή μεταξύ 2 και 5. Σχήμα 3.10: Επιλογή ποιότητας χάλυβα σιδηροτροχιάς συναρτήσει της αλλοίωσης (τρέχουσα εγκατεστημένη σιδηροτροχιά ποιότητας: R260) [45]. ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

114 98 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο Σχήμα 3.11: Επιλογή ποιότητας χάλυβα σιδηροτροχιάς συναρτήσει της αλλοίωσης (τρέχουσα εγκατεστημένη σιδηροτροχιά ποιότητας: R350HT) [45]. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

115 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΕΠΙΛΟΓΗΣ ΤΥΠΟΥ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΑΣ 99 Σχήμα 3.12: Επιλογή ποιότητας χάλυβα σιδηροτροχιάς συναρτήσει της αλλοίωσης (τρέχουσα εγκατεστημένη σιδηροτροχιά ποιότητας: R370CrHT) [45]. ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

116 100 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο Η ταξινόμηση της σοβαρότητας της υποβάθμισης βασίζεται στα αποτελέσματα εκτεταμένων σχετικών ερευνητικών προγραμμάτων και ορίζεται ως εξής : ΦΘΟΡΑ ( 45 φθορά ) "χαμηλή" < 2,0 mm ανά 100 εκατ. τόνους, "μέση" < 5,0 mm ανά 100 εκατ. τόνους, "βαριά" < 15 mm ανά 100 εκατ. τόνους, "σοβαρή" > 15 mm ανά 100 εκατ. τόνους. Η γωνία των 45 ως ρυθμός φθοράς αναπαριστά ένα πολύ σημαντικό παράγοντα όσον αφορά τον περιορισμό της διάρκειας ζωής των σιδηροτροχιών και επομένως επελέγη για την επιλογή ποιότητας χάλυβα σιδηροτροχιάς με βάση την υποβάθμιση. ΚΟΠΩΣΗ RCF (με βάση μετρηθέντα βάθη ρωγμών) "χαμηλή" < 0,5 mm ανά 100 εκατ. τόνους, "μέση" < 1,0 mm ανά 100 εκατ. τόνους, "βαριά" < 3,0 mm ανά 100 εκατ. τόνους, "σοβαρή" > 3,0 mm ανά 100 εκατ. τόνους. Ο ρυθμός ανάπτυξης των ρωγμών της κεφαλής επηρεάζει τη διάρκεια ζωής των σιδηροτροχιών σε μεγάλο βαθμό. Οι τιμές του βάθους της ρωγμής προκύπτουν από μετρήσεις και ως εκ τούτου αντιπροσωπεύουν τη θεωρητική ανάπτυξη των ρωγμών μειωμένη από τη φυσική φθορά που οφείλεται στη λειτουργία του τρένου. Στη συνέχεια παρατίθεται παράδειγμα για το πώς η διάρκεια ζωής των σιδηροτροχιών (χρόνος ζωής των σιδηροτροχιών στη γραμμή) επηρεάζεται από τον συντελεστή φθοράς και το ρυθμό ανάπτυξης ρωγμών. Με βάση μια ορισμένη οριακή τιμή για υλικές ζημίες που προκαλούνται από φυσική και τεχνητή φθορά η διάρκεια ζωής των σιδηροτροχιών υπολογίζεται και δίνεται από την άποψη της συνολικής μεταφορικής ικανότητας και των ετών (με βάση ένα ορισμένο ετήσιο φορτίο) [45]. Πρέπει να σημειωθεί, ότι η μετάβαση από τη "μέση" φθορά στη "χαμηλή" μπορεί να οδηγήσει ενδεχομένως σε μια διάρκεια ζωής αυξημένης κατά 11 με 40 χρόνια. Αυτό θα επιτευχθεί με την επιλογή της κατάλληλης ποιότητας χάλυβα. Σε ορισμένες περιπτώσεις, η διάρκεια ζωής των σιδηροτροχιών επιμηκύνεται σε τέτοιο βαθμό ώστε το όριο φθοράς των σιδηροτροχιών δεν αποτελεί τον κυρίαρχο παράγοντα καθορι- ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

117 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΕΠΙΛΟΓΗΣ ΤΥΠΟΥ ΣΙΔΗΡΟΤΡΟΧΙΑΣ 101 σμού της διάρκειας ζωής. Στο πλαίσιο αυτό πρέπει να σημειωθεί ότι η διάρκεια ζωής μιας σιδηροτροχιάς βάρους 60kg / m μπορεί να ανταποκρίνεται σε μια διέλευση πάνω από 2 δισεκατομμύρια μεταφερόμενους τόνους σε περίπτωση καλής ποιότητας γραμμής. Πίνακας 3.8: Διάρκεια ζωής σιδηροτροχιών υπό διαφορετικές συνθήκες (φθορά). Πίνακας 3.9: Διάρκεια ζωής σιδηροτροχιών υπό διαφορετικές συνθήκες (κόπωση). Υπάρχει μια μεγάλη διασπορά του ρυθμού φθοράς και ανάπτυξης ρωγμής στη γραμμή η οποία οδηγεί στο γεγονός, ότι δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί συνολική εκτίμηση της διάρκειας ζωής των σιδηροτροχιών. Παρ' όλα αυτά οι δύο παραπάνω πίνακες θεωρείται ότι δίνουν μια καλή απεικόνιση των οφελών από τη μείωση της φθοράς και από τη μείωση του ρυθμού ανάπτυξης ρωγμών από την άποψη της επιμήκυνσης της διάρκειας ζωής των σιδηροτροχιών σε γραμμή. Ένα επιπλέον παράδειγμα όσον αφορά την επιλογή ποιότητας χάλυβα σιδηροτροχιάς συναρτήσει της υποβάθμισης παρουσιάζεται στο σχήμα Για φθορά 45 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της επιλογής υψηλότερης ποιότητας σχετικά με την υποβάθμιση των σιδηροτροχιών. Ακολουθώντας τα βέλη αποδεικνύεται σαφώς ότι ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΩΝ ΜΕΤ. Μ»

118 102 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο στην περίπτωση ενός "μέσου" επιπέδου φθοράς μιας εγκατεστημένης σιδηροτροχιάς R260, η αντικατάστασή της από ποιότητα R350HT θα οδηγήσει σε φθορά «light». Κατά συνέπεια, ένα μεγάλο πλεονέκτημα όσον αφορά την ανθεκτικότητα της σιδηροτροχιάς μπορεί να προκύψει, το οποίο οδηγεί σε σημαντικά μειωμένο κόστος κύκλου ζωής. Σχήμα 3.13: Υποβάθμιση διαφορετικών ποιοτήτων χάλυβα σιδηροτροχιών [45]. Από το σχήμα 3.13 προκύπτει ότι σε περίπτωση «heavy» φθοράς, η αντικατάσταση της ποιότητας R260 με R350HT θα μπορούσε να προσφέρει ένα σαφές πλεονέκτημα από την άποψη της διάρκειας ζωής. Ακολουθώντας περαιτέρω τα βέλη, η βελτίωση αυτή θα είναι συνεχώς μεγαλύτερη μέσω της χρήσης ποιότητας R370CrHT ή ακόμη και R400HT. Κάθε αλλαγή της ποιότητας του χάλυβα των σιδηροτροχιών μπορεί να αξιολογηθεί με ανάλογο τρόπο (ακόμη και αν η κόπωση είναι ο κυρίαρχος μηχανισμός), προκειμένου να εξεταστούν τα οφέλη της χρήσης θερμικά επεξεργασμένων ποιοτήτων. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ