NO314949B1 - Sville for skinner i et jernbanespor som utnytter den interne friksjonen iet underliggende pukklag - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår ei sville for skinner i et jernbanespor som utnytter den interne friksjonen i et underliggende pukklag, i samsvar med den innledende delen av patentkrav 1.

Bakgrunn

Et konvensjonelt jernbanespor er bygget opp av to langsgående stålskinner som er opp-lagret i skinnefester på tverrgående sviller av tre, betong eller stål. Svillene ligger i et ballastlag av pukkstein som hviler på formasjonsplanet for traséen. Av hensyn til hastighet, sikkerhet, komfort, vedlikeholdsbehov og kostnader, er det en fordel at det benyttes helsveist spor med kontinuerlige skinner.

Ved tog-passering belastes skinnene fra rullende materiell. Disse belastningene er hovedsakelig vertikalt på skinnene. Men i tillegg oppstår det betydelige horisontalkrefter, som påvirker skinnene både på tvers og i lengderetning, som følge av togbelastning. ved akselerasjon og bremsing, ved kjøring i kurver og ved temperaturendringer.

Kreftene på tvers av skinnene blir ekstra store i kurver som følge av krumningen. Ved sterk temperaturstigning kan det samlede aksialtrykket i skinnene, som blant annet skyldes at materialet i skinnene utvides ved temperaturstigning, bli så stort at jernbanesporet knekker ut til sida, både på rettlinje og i kurver. Dette kalles solslyng. Tidligere ble de store aksialspenningene i skinnene på grunn av temperaturstigning unngått, ved å bruke relativt korte skinnelengder. som ble lagt med en liten avstand mellom, såkalte varmerom, for å gi plass for temperaturutvidelse. Skinne-lengdene ble skjøtet sammen med lasker og laske-bolter. Disse laskeskjøtene er kostbare, de krever mye vedlikehold, reduserer komforten og medfører stor slitasje både på andre overbygningskomponenter og for rullende materiell.

Vertikale og horisontale krefter i skinnene overføres gjennom skinnefestene. til svillene som holdes fast ved friksjon og passivt jordtrykk i ballastlaget. For å sikre at sporet får god side-stabilitet, stilles det krav om tilstrekkelig stor sideforskyvingsmolstand for svillene.

Under en jernbanevogn fordeler skinnene hjul-lastene på de aller nærmeste svillene og skinnene får en nedbøyning under lasten. Dette fører videre med seg at jernbanesporet også far en liten oppbøyning, en "løftebølge" foran og bak hjulakslene. For sporpartiet som ligger under løftebølgen vil det være redusert kontakt mellom undersida av ei standard betongsville og ballastlaget under, og motstanden mot sideforskyving av svilla blir tilsvarende redusert. Det er observert at solslyng ofte dannes ved at jernbanesporet knekker ut under, eller bak en vogn når toget passerer partier på linjen med store temperatur-spenninger i skinnene.

For å unngå problemene med lasket spor og for å forbedre sporkvalitet og sikkerhet, ei-det ved nybygging og modernisering av jernbaner, tatt i bruk helsveist spor med kontinuerlige skinner. Helsveist spor er en kraftigere sporkonstruksjon som krever skinner med større bøyningsstivhet. fjærende skinnefester med større vridningsmotstand og tyngre sviller i mindre avstand. Dette gir et jernbanespor som i praksis er sterkt nok til å oppta de totale aksialkreftene i skinnene, inkludert temperaturkreftene, uten fare for utknekking av et spor på rettlinje, og i slake kurver. 1 kurver med radius under 250 - 300 meter blir sideforskyvingskraften ved maksimale temperatur- og trafikk-påkjenninger så stor, at spor med helsveiste skinner kan knekke ut og føre til avsporing. På strekninger med slike skarpe kurver må det derfor fortsatt benyttes lasket spor.

Viktige faktorer som er avgjørende for motstanden mot utknekking, er blant annet bøyningsstivheten for skinnene, vridningsmotstanden for skinnebefestigelsene. sville-avstanden. og sideforskyvingsmotstanden for svillene. Sideforskyvingsmotstanden for svillene har imidlertid særlig sterk innflytelse på motstanden mot utknekking av jernbanesporet.

En løsningen som har vært forsøkt benyttet for å øke sideforskyvingsmotstanden, er å feste svilla i underlaget ved hjelp av ulike former for svilleanker, som for eksempel beskrevet i DE OS 3839 998. Dette er imidlertid en arbeidskrevende og kostbar metode, og i tillegg utgjør svilleanker et hinder ved justering av sporgeometrien, og for annet vedlike-holdsarbeid i sporet.

Sidestabiliteten kan også bedres ved bare å utvide formasjonsplanet gjennom trange kurver og dermed øke endemotstand for svillene med en bredere ballastskulder. Men dette krever i de fleste tilfeller et vanskelig og kostbart anleggsarbeid.

En vanlig svilletype for helsveist spor, er ei monoblokksville av forspent betong. Den har i hovedsak form som en bjelke med et noe innsnevret midt-parti og trapesformet tverrsnitt, hvor sideflatene nedover heller svakt utover. Når det ses bort fra effekten av en inn-snevring på midten, kan motstanden mot aksial forskyving av ei slik standard betongsville i pukkballast for ubelastet jernbanespor, i hovedsak deles i tre komponenter: jordtrykk mot endeflatene og friksjon mot de vertikale sideflatene, og mot undersida.

I patentsøknad EP 919,666 er det beskrevet en stålhylse som ligger utenpå ei betongsville. Stålhylsa er utformet med vertikale ribber på de vertikale sideflatene, for så å bedre feste i ballastlaget. I US 5,104,039 er det angitt en utforming av vertikale, kilformete. grunne utsparinger i de vertikale sideflatene for å øke friksjon og forhaking. Effekten av begge disse utformingene vil være sterkt avhengig av det moderate horisontaltrykket i ballastmateialet mellom svillene, og begrenses av dette.

I patentsøknad DE 2,735,797 er det beskrevet ei betongsvilie med store kammerformete utsparinger i svillas vertikale sideflater, og fortrinnsvis en profilering i form av tallrike rombeformige forhøyninger, av svilleundersida. I figurene er det vist et tett mønster av rombeformige forhøyninger på undersida. Med denne utformingen vil det i tillegg til friksjon, oppnås en viss forhakingseffekt, men ved forskyvning vil ballastpukken i hovedsak gli på og rulle rundt de små rombeflatene av betong på svilleundersida.

Patentsøknad DE 411,1088 omhandler ei betongsvilie hvor svilla er utformet med et slankt midtparti og brede endepartier. De vertikale sideflatene på endepartiene er utformet med en rekke vertikale utsparinger. Som for svillene i samsvar med EP 919,666 og US 5,104,039 vil effekten av ballastens forhaking i disse utsparingene være en funksjon av det horisontale trykket i ballastmaterialet mot svillas vertikale sideflater, og begrenses av dette. Det er videre angitt at undersida av svilla på de ytre tredjedeler av lengden, kan være forsynt med tverrgående utsparinger. I beskrivelsen er det angitt at det ikke er nødvendig å øke svilletverrsnittet, og disse utsparingene vil derfor være så grunne at friksjonseffekten av dem i praksis må være meget begrenset.

Ingen av de hittil kjente løsningene synes å ha tilfredsstilt behovet for ei sville med tilstrekkelig sideforskyvingsmotstand, for helsveist spor i kurver med små radier, og i klima med store temperatur-svingninger.

Formål

Hovedformålet med foreliggende oppfinnelse er å framskaffe ei sville med betydelig økt sideforskyvningsmotstand i forhold til kjente sviller, slik at ved bruk oppnås et jernbanespor med økt stabilitet. Et videre formål med oppfinnelsen er at svilla skal være forholdsvis enkel å produsere og praktisk å legge og bruke.

Oppfinnelsen.

Formålet nås med ei sville i samsvar med den karakteriserende del av patentkrav 1. Fordelaktige trekk er gitt i de uselvstendige krav.

Ei sville i samsvar med foreliggende oppfinnelse gir bedret innfesting i ballastlaget, og forskyver skjærsonen ved sideveis bevegelse, ned i pukkmaterialet, slik at den indre pukk mot pukk friksjonen utnyttes og gir økt sideforskyvnings-motstand, og dermed økt effektiv friksjon mot sideforskyvning. Ved bruk av ei sville i samsvar med foreliggende oppfinnelse, vil sidestabiliteten for et jernbanespor kunne forbedres nok for bruk av helsveist spor gjennom kurver med mindre radier enn det som er praktisert med kjente løsninger. Bruk av sviller i samsvar med foreliggende oppfinnelse i slakere kurver og på rettlinje vil også bidra til bedre sporstabilitet. hvilket vil resultere i mindre behov for sporvedlikehold samt billigere og mer effektiv drift. Bruk av sviller i samsvar med foreliggende oppfinnelse, kan også forbedre den generelle sporstabiliteten for høyhastighetsbaner.

Motstanden mot forflytting av ei sville, er blant annet en funksjon av vertikaltrykket på svilla og den effektive friksjonen mellom svilleundersida og underlaget. Ei tradisjonell betongsvilie har ei relativt slett underside. Ved forskyving av svilla oppstår friksjonskraft ved at pukksteiner glir mot betongflata, grenseflate-friksjon for pukk mot betong, og i tillegg kan hjørner og egger på pukken forhake seg i ujevnheter i betongflata. Den resulterende friksjonskoeffisienten vil være dominert av grenseflate-friksjonen, samt den forhakingseffekt som kommer av dreining og rotasjon av steiner som haker seg fast i ujevnheter i betongflata. Denne samlede friksjonskoeffisienten er lav i forhold til den interne friksjonen i vanlig god ballastpukk.

I samsvar med foreliggende oppfinnelse, utformes svilleundersida med forhøyninger, for å gi svilla et ekstra godt feste i underliggende ballastpukk, ved at et sjikt av pukk holdes så fast i forhøynings-strukturen i svilleundersida, at den høye indre pukk/pukk friksjonen i ballasten utnyttes for å gi motstand mot forskyving av svilla.

Den lokale fordelingen av vertikalbelastningen på svillene påvirkes av løftebølger og eventuelle vertikale komponenter av temperaturkrefter i skinnene. For å motvirke utknekking av jernebanesporet er det derfor viktig at det under alle belastningsforhold er stor effektiv friksjon eller sterke forhakingseffekter, som gir forskyvingsmotstand på sville-undersida. Sviller i samsvar med foreliggende oppfinnelse vil under belastning gi meget god innspenning for skinnene i jernbanesporet, og særlig motvirke faren for utknekking i kurver med små radier.

Det vil også være fordelaktig å bruke ei sville i samsvar med foreliggende oppfinnelse på rettlinjede partier hvor sidemotstanden ved bruk av standardsviller er liten, for eksempel på smale fyllinger, ved brukar og lignende hvor det er behov for å forbedre sporstabiliteten.

Eksempel

Foreliggende oppfinnelse vil i det følgende beskrives med henvisning til figurer, hvor figur 1 viser ei sville i samsvar med foreliggende oppfinnelse, sett ovenfra,

figur 2 viser et lengdesnitt av ei sville, langs linje I-l i figur 1,

figur 3 viser et tverrsnitt av ei sville, langs linje II—II i figur 1 og 2, og

figur 4 viser et forstørret utsnitt av undersida av ei sville i samsvar med foreliggende oppfinnelse.

Som vist i figur 1, er ei sville i samsvar med foreliggende oppfinnelse, i hovedsak utformet som ei tradisjonell monoblokksville, med unntak av undersida. Oversida er forsynt med organ 1 for festing av skinner til svilla, det midtre partiet av svilla er litt smalere enn endepartiene, og tverrsnittet av svilla (se figur 3), er trapesformet, idet flata 2 som vender nedover mot underlaget, er større enn flata 3 som vender oppover mot skinnene. Med unntak av undersida, kan svilla ha enhver utforming, da dette ikke utgjør en del av oppfinnelsen.

På undersida er ei sville i samsvar med foreliggende oppfinnelse, utformet med et antall forhøyninger 4, se figur 2. Disse skal ha en høyde H som tilsvarer omtrent 40 - 100%, fortrinnsvis 50 - 70 %, mer fordelaktig 60 %, av Dmax for pukksteinen som utgjør underlaget. Undersida av ei sville i samsvar med foreliggende oppfinnelse er vist i detalj i figur 4. Dersom underlaget ikke er pukkstein, men et annet materiale av fortrinnsvis store enheter, skal høyden H tilsvare 40 - 100 %, fortrinnsvis 50 - 70 %, mer fordelaktig 60 % av Dmax for disse enhetene.

Med Dmnji er det i denne sammenhengen ment den største nominelle kornstørrelse på pukksteinen. Dmax i henhold til norske spesifikasjoner for pukk som skal benyttes som ballastlag for sviller, er 6,3 cm. Dette vil si at maksimalt 10 % av pukksteinen som benyttes kan ha en kornstørrelse over 6,3 cm.

Steinene arbeides inn mellom forhøyningene ved pakking, trykk og vibrasjoner, enten ved sporjustering eller passering av rullende materiell. Ved forskyving av ei innebygget sville vil et sjikt av pukkstein holdes så fast i svilleundersida ved forkiling, forhaking og friksjon, at skjærsonen i forskyvingsbandet tvinges til å gå gjennom ballastmaterialet. Derved utnyttes den relativt høye indre friksjonen i ballastpukken og svilla far dermed stor motstand mot sideforskyvning.

Idet rullende materiell passerer, blir svilla presset ned mot ballastlaget. og holdt ekstra godt festet ved hjelp av forhøyningene 4 på undersida. Dette er viktig, fordi det er nettopp ved passering av rullende materiell at de største sideforskyvingskreftene og dynamiske effektene forekommer.

Hver forhøyning 4 strekker seg på tvers av svilla. Forhøyningene 4 kan strekke seg over bare deler av breddeutstrekningen av svilla, men det vil være en fordel om de strekker seg over hele breddeutstrekningen, slik at det dannes tverrgående riller 5 mellom forhøyningene 4 over hele bredden. Dersom forhøyningene bare strekker seg over deler av bredden, vil pukksjiktet som holdes fast i svilleundersida være tilsvarende redusert. Dermed vil en mindre del av skjærflata utnytte den indre friksjonen i ballastmaterialet, og den totale side-forskyvningsmotstanden blir mindre.

Forhøyningene har fortrinnsvis trapesformet tverrsnitt, vist i figur 4, idet de vertikale sideflatene 7 av en forhøyning 4 skråner mot hverandre. Vinkelen O mellom de vertikale sideflatene 7 og planet gjennom den horisontale flata 6 som vender nedover mot underlaget, er omtrent 70 grader. Denne eller tilsvarende utforming av forhøyningene 4 vil føre til at pukkstein lettere glir inn i rillen 5 mellom to forhøyninger 4, idet svilla presses nedover i ballastlaget.

Med et firkantet tverrsnitt av forhøyningene 4, vil forhøyningene bli veikere, kantene brytes lettere av og effekten av forhøyningene vil dermed reduseres. Med et trapesformet tverrsnitt vil forhøyningene bli sterkere, kantene brytes ikke så lett av, og stein vil gli lettere til sida og inn i rillen 5 mellom forhøyningene 4 når svilla presses nedover i ballastlaget.

Med et trekantet tverrsnitt av forhøyningene, vil stein gli inn i rillene 5 mellom for-høyningene 4, og det vil kreve mindre krefter å presse svilla ned i underlaget. Imidlertid vil spissen av trekanten lett knekke av, og effekten av forhøyningen vil reduseres. Også under framstilling, transport og legging, vil spissen av en trekant lett knekke.

Med et trapesformet tverrsnitt av forhøyningene, vil bredden B av en forhøyning 4. dvs. bredden av den horisontale flata 6 som vender nedover mot underlaget, målt i svillas lengderetning, være 45 - 60 %, fortrinnsvis 50 % av Dmax for pukksteinen. Vinkelen ip mellom de vertikale sideflatene 7 og planet gjennom den horisontale nedovervendte flata 6. bør være omtrent 70°, for å oppnå tilstrekkelig effektivitet og styrke av forhøyningen 4.

For å oppnå best resultat er det videre en fordel at forhøyningene 4 plasseres under hele lengden av undersida 2 av svilla, slik at de danner en sammenhengende fortanning. Avstanden D mellom forhøyningene 4, fra senter til senter, bør fortrinnsvis være omtrent 2 ganger D,^ for steinen i underlaget. En avstand F mellom to forhøyninger 4 ved sville-undersida, det vil si en avstand mellom start og slutt av to tilstøtende forhøyninger (se figur 4), bør være større enn breddeutstrekningen B av de nedovervendte overflatene av forhøyningene 4, i lengde-utstrekningen av svilla.

Dersom en regner Dmaji av pukkstein til å være 6,3 cm, vil en mulig utforming av ei sville i samsvar med foreliggende oppfinnelse, på undersida 2 ha forhøyninger 4 som er omtrent 3,8 cm høye, (H = 3,8) avstanden mellom to forhøyninger 4, fra senter til senter vil være omtrent 12,6 cm, (D = 12,6) og bredden av den horisontale flata 6 av forhøyningen 4 som vender nedover mot underlaget, vil være omtrent 3,2 cm (B = 3,2). Den øvrige utformingen av svilla er fortrinnsvis i samsvar med standardsville JBV 97.

Det vil forstås av fagpersoner at den foreliggende oppfinnelsen ikke bare begrenses til hva som hovedsakelig er vist og beskrevet ovenfor. Oppfinnelsen omfatter også kombinasjoner og under-kombinasjoner av de beskrevete trekkene, samt modifiseringer og variasjoner av dette som er opplagte for en person som kjenner teknikkens stand, som faller innen ramma for de følgende krav.

Claims (8)

1. Sville for skinner i et jernbanespor som utnytter den interne friksjonen i et underliggende pukklag med en største nominell kornstørrelse Dmax, idet svilla og et øverste lag av den underliggende pukksteinen utgjør en samvirkende konstruksjon som flytter skjærsonen mellom svilleundersida og pukklaget ned i pukklaget, og at svilla har et antall forhøyninger (4) på undersida (2) hvor hver forhøyning (4) strekker seg over vesentlige deler av bredden av svilla, karakterisert ved at høyden (H) av hver forhøyning (4) er 40 - 100 % av Dmax for pukksteinen, og at en avstand (F) mellom to forhøyninger (4) ved sville-undersida (2), er større enn en bredde (B) av ei nedovervendt overflate (6) på forhøyningen (4) i lengde-utstrekningen for svilla.

2. Sville i samsvar med krav 1, karakterisert ved at en avstand (D) mellom sentrum av to forhøyninger (4) tilsvarer omtrent 2 ganger Dmax for steinene i pukklaget.

3. Sville i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at bredden (B) av den nedovervendte overflata (6) på forhøyningene (4) tilsvarer omtrent 45 - 60 %, fortrinnsvis 50 % av Dmax for steinene i pukklaget.

4. Sville i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at forhøyningene (4) er symmetriske, og at en vinkel (tp), mellom de vertikale flatene (7) og planet gjennom den nedovervendte overflata (6) av forhøyningene (4), er omtrent 65-75 grader, fortrinnsvis 70 grader.

5. Sville i samsvar med krav 1, karakterisert ved at høyden (H) av hver forhøyning (4) er 50 - 70 %, fortrinnsvis 60 % av Dmax for pukksteinen.

6. Sville i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at hver forhøyning (4) strekker seg over hele bredden av svilla, slik at det blir dannet tverrgående riller (5) mellom forhøyningene (4).

7. Sville i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at forhøyningene (4) har trapesformet tverrsnitt.

8. Sville i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at svilla er utformet med forhøyninger (4) og riller (5) i hele lengde-utstrekningen, slik at det blir dannet en fortanning.