Hyppää sisältöön
Tutkimuskeskus TERRA
TerraRail

Päällysrakenne


Radan päällysrakenteeseen liittyvät päättyneet tutkimusprojektit:

 

Vaihteiden kehitystyö

Suomen rataverkon vaihderakenteissa on havaittu vuosien varrella useita erilaisia turvallisuuteen, vaihteen jäykkyyteen ja toimilaitteiden toimintaan liittyviä ongelmia, joihin on pyritty löytämään ratkaisuja. Yhteistyössä vaihdetoimittajien kanssa on aikaisemmin kehitetty ja otettu käyttöön uudet elastiset vaihteet, jotka pyrkivät korjaamaan useita havaittuja ongelmia. Kokemukset uusista elastisista vaihteista ovat olleet pääasiassa hyviä, vaikka lukuisia ongelmiakin on ilmennyt. Lisäksi raideliikenteen kehittyminen luo painetta akselipainojen ja nopeuksien kasvattamiselle vaihteissa.

Näiden havaittujen ongelmien ja tehtyjen toimien pohjalta tämän tutkimuksen pääasiallisena tavoitteena on selvittää, mihin asioihin uusien elastisten vaihteiden mahdollinen suurempi sallittu ajonopeus ja akselipaino vaikuttaisivat kriittisimmin ja mitä asioita suunnittelussa tulisi ottaa huomioon, jos nopeutta vaihteissa nostetaan tasolle 250 km/h. Suurnopeusvaihteiden kehityksen rinnalla selvitetään myös pohjainten vaikutuksia raidegeometrian pysyvyyteen pitkällä aikajänteellä sekä kiskon voitelun hyötyjä kiskon sivukulumisen ja melun vähentämiseksi vaihteen poikkeavalla reitillä. Lisäksi raportissa käydään läpi sitä, miten nykyisten vaihteiden toimilaitteiden kunnossapitoa ja säätöarvoja pitäisi kehittää perusteettomien aukiajojen vähentämiseksi.

Työ sisältää kirjallisuusselvityksen suurnopeusvaihderakenteiden erityispiirteistä, muissa maissa käytetyistä komponenttiratkaisuista sekä voimassa olevasta lainsäädännöstä, määräyksistä ja ohjeista Suomessa ja EU:n tasolla. Lisäksi työssä määritetään laskennallisesti, kuinka suuria kuormituksia vaihteen eri rakennekerroksiin tulisi kohdistumaan näillä suunnitelluilla suurilla nopeuksilla. Pohjaimien vaikutuksia raidegeometrian pysyvyyteen sekä voitelun vaikutuksia kiskojen kulumiseen ja meluun on määritetty kenttämittauksin Kehäradalla sekä Oulussa.

Kirjallisuusselvitys ja tehdyt kuormituslaskelmat osoittavat, että Suomen nykyinen elastinen vaihderakenne tulisi kestämään suuremmistakin nopeuksista aiheutuvat kuormitukset, kunhan vaihteissa käytetään kääntyväkärkistä risteystä, joka pienentää dynaamisia iskukuormituksia risteysalueella. Lisäksi suurnopeusvaihteet tulisi rakentaa aina riittävän etäälle toisistaan, jotta niitä voidaan tukea ja kunnossapitää yksittäin.

Kehäradalta saadut tulokset pohjaimien vaikutuksista paljastaa, että pohjaimelliset vaihteet säilyttävät geometriansa radantarkastustulosten valossa pitkällä aikajänteellä hieman paremmin kuin pohjaimettomat vaihteet. Tästä syystä on tärkeää keskittää erityistä huomiota vaihteen ensimmäiseen tuentaan, jolla saavutettu hyvä geometria säilyy pohjaimellisessa vaihteessa hyvin pitkään.

Perusteettomille aukiajoilmaisuille löydettiin todennäköinen syy vaihteen liian väljistä ja valvonnan kannalta epäkeskeisistä säätöarvoista. Havainnon perusteella vaihteenkääntölaitteiden säätöarvoja ehdotetaan muutettavaksi siten, että nykyistä lumiväliä pienennetään 1 mm. Tämän muutoksen seurauksena kosketintankojen valvontarullat tulevat lähemmäksi valvontaloven keskiosaa ja rulla ei pääse nousemaan pois lovesta merkityksettömän pienellä liikkeellä.

Oulun Nokelassa tehdyt vaihteen kielen poikkiprofiilin mittaukset osoittivat, että kielen voimakas sivukuluminen voi todennäköisesti johtua itseasiassa liian suuresta pystykulumisesta, joka johtaa käytännössä olemattomaan ohjautumiseen. Tämän havainnon pohjalta suositellaankin, että sekä tukikisko että kielikisko vaihdettaisiin aina samalla kertaa, jotta kielialueen ohjautuminen pysyisi riittävällä tasolla.

Loppuraportti tästä aiheesta on julkaistu Väyläviraston julkaisutietokannassa:

VAIHTEIDEN KEHITYSTYÖ

 

Lisätietoja: Väitöskirjatutkija Riku Varis

^

 

Hanalan liikennepaikan geometriavirheiden selvitystyö

Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää syitä siihen, miksi Hanalan raiteenvaihtopaikan geometriassa on toistuvasta kunnossapidosta huolimatta geometriavirheitä, jotka aiheuttavat nopeusrajoituksen. Toisaalta tavoitteena oli antaa suositukset siitä, miten geometriavirheet voitaisiin korjata siten, että geometrian pysyvyys olisi jatkossa parempi. 

Tutkimuksessa tarkasteltiin radantarkastushistoriaa ja virheiden kehittymistä ajan suhteen. Tutkimuksen aikana tehtiin geometriamittauksia GEDO-mittauslaitteella, palautuvan painuman mittaus, risteyskärjen profiilimittauksia sekä toteutettiin näytteenotto rakennekerroksista ikkunanäytteenottimella. Yksi radantarkastuksista oli tehty vain kaksi päivää viimeisimmän tuennan jälkeen. Tuennalla ei pystytty poistamaan kaikkia pienipiirteisiä geometriavirheitä, jotka ilmenevät usein risteysalueen kohdalla monttuna molemmissa kiskoissa. Myös kallistus- ja kierousvirheitä ilmeni heti tuennan jälkeen tehdyssä radantarkastuksessa.

Kunnossapitäjän käyttämä tukemisprosessi ei ole parhaimmillaan pienipiirteisten geometriavirheiden poistossa. Keskeinen syy tähän on virheiden pituuteen nähden liian harva nuotitus, joka tehtiin Hanalassa 10 metrin välein. Yksikään edellisen tuentakerran nuoteista ei osunut risteyksen kohtaan ja siksi notkolla olevia risteysalueita ei nostettu riittävästi tuennan yhteydessä. Toinen merkittävä syy voi olla käytetyn tuentakoneen työnjälkipiirturi, joka ei tulosta korkeuspoikkeamia lainkaan. Työnjälkipiirturin tallentamasta noston suuruudesta voidaan päätellä, että tuentakone ei välttämättä edes yritä korjata pienipiirteisiä korkeuspoikkeamia johtokiskossa. Sen sijaan kallistusvirheet korjautuvat automaattisesti, sillä toisen kiskon noston suuruus vaihtelee nuotitusta pienipiirteisemmin.

Vaihdealueella käytettävät pitkät vaihdepölkyt ovat usein kuperia. Tämän seurauksena molempia puolia ei voida tukea samanaikaisesti kallistamattomiksi. Tuentaryhmällä tämä ominaisuus ei ole luultavasti riittävän hyvin tiedossa. Tuentaprosessissa suora puoli tuetaan ensin ja pyritään asettamaan raide kallistamattomaksi. Poikkeavan puolen tuennassa tehdään samoin, mikä saattaa kääntää suoran puolen kallelleen siten, että risteys jää korkealle. Samasta syystä poikkeavan puolen tuennassa helposti heikennetään suoran puolen tuentatilannetta. Raiteen kallistusta vahvistavat vielä entisestään risteyksen korotus säätölevyillä. Säätölevyjen käyttö risteyksen alla lisää myös sisäisiä jännityksiä raiteeseen ja johtaa todennäköisesti kyseisten pölkkyjen suoristumiseen joko virumalla tai halkeilemalla, mikäli tämä ei ole jo tapahtunut liikennekuormituksen seurauksena.

Radan rakennekerrokset ovat asianmukaiset, vaikkakin niiden paksuus ja ominaisuudet vaihtelevat jonkin verran. Tukikerroksen rakeisuus on lähes uutta vastaava, välikerrosmateriaali on hyvää ja routasuojaus on toteutettu routalevyillä. Routalevyn alla on vanhaa jauhaantunutta tukikerrosta tai välikerrosta maksimissaan 0,3 metrin paksuinen kerros. Tämän alla on eristyskerroksen hiekkaa, joka on hieman ohjeellista arvoa hienompaa. Rakenteen kokonaispaksuus on noin 1,4 – 1,6 metriä, minkä voidaan todeta olevan riittävän paksu kuormituskestävyyden näkökulmasta. Rakeisuusmääritysten mukaan materiaaleissa on hienoainesta hieman ohjeellista arvoa enemmän. Välikerros routalevyn yläpuolella ja vanha tuki/välikerros routalevyn alapuolella olivat näytteenottohetkellä märkiä. Routalevy mitä ilmeisemmin haittaa yläpuolisten rakenteiden kuivatusta ja vanha tukikerros sisältää hienoainesta, joka sitoo vettä.

Loppuraportti on kokonaisuudessaan luettavissa Väyläviraston julkaisuja-sarjassa numerolla 9/2021.

Lisätietoja: Väitöskirjatutkijat Tommi Rantala & Riku Varis, projektipäällikkö Heikki Luomala

^

KRV-vaihteiden monitorointi Alppilassa

Tässä tutkimuksessa kartoitettiin Helsingin päätiellä sijaitsevien KRV-vaihteiden V460-V463 kuntoa sekä niissä syntyviä kuormituksia ja siirtymiä junan yliajon aikana. Tutkimus sijoittui aikavälille 07/2020-12/2020. Nämä vaihteet aiheuttivat ennen tutkimuksen aloitusta kohtuuttoman paljon kunnossapitotoimia, joten ongelmien juurisyitä oli tarpeen selvittää.

Tutkimuksessa keskitytään tarkemmin näiden vaihteiden kuntoon ja kunnossapitohistoriaan vaihteiden elinkaaren aikana ja tuodaan esiin merkittävimmät ongelmat, joita vaihteissa on silmämääräisesti havaittu. Vaihteissa on jouduttu tekemään useita kaksoisristeysten kärkien hitsauksia sekä kokonaisia risteyskärkien vaihtoja. Toistuvista kunnossapitotoimenpiteistä huolimatta vaihteissa havaittiin keväällä 2020 useita risteyskärkien pintavaurioita sekä lopulta kahden risteyskärjen murtuminen.

Tutkimuksessa käydään läpi näiden KRV-vaihteiden EMMA-raiteentarkastusvaunun mittaustulokset viimeisimmän vuoden ajalta. Näistä tuloksista käy ilmi, että kyseisissä vaihteissa on havaittu useita D-luokan geometriavirheitä, varsinkin vaihteessa V460, joka on EMMA-datan perusteella huonokuntoisin tämän vaihdekujan KRV-vaihteista. Keväällä 2020 suoritetussa tuennassa monet näistä virheitä on saatu poistumaan ja geometrian heikentyminen on tämän jälkeen ollut hyvin hidasta. Tähän tuentaan ei kuitenkaan kuulunut vaihde V460, joka on edelleen huonossa kunnossa.

Tutkimuksessa keskitytään myös vaihteissa suoritettuihin mittauksiin sekä näiden tuloksiin ja analysointiin. Pölkyn siirtymämittaukset 2-kärkisen risteyksen alueelta osoittivat, että vaihteissa ei ole lopulta kovin suuria palautuvia painumia, eli pölkyt on saatu hyvin tuettua ja ne ovat pitäneet hyvin asemansa. Pölkyn palautuva painuma on noin 1-3 mm tasolla, joka on hieman normaalia linjaraiteen palautuvaa painumaa suurempi. Tämä ei ole kuitenkaan kovin merkittävä painuma, joka selittäisi suoraan vaihteissa V461 ja V463 havaitut risteyskärkien murtumat. Silmämääräiset havainnot risteyskärkien kunnossa osoittivat, että ensimmäisen elokuun mittauskerran ja jälkimmäisen marraskuun mittauskerran välillä kiskojen pintavauriotkaan eivät olleet kasvaneet.

Vaihdepölkkyjen palautuvien painumien vaikutusta kiskoihin kohdistuvaan venymään mitattiin suoraan 2-kärkisen risteyskärjen kohdalta ja tulokset osoittivat venymien olevan samalla tasolla kuin linjaraiteellakin. Tämä tarkoittaa toisaalta sitä, että todelliset kuormitukset ovat risteyksessä selkeästi suurempia, koska risteyksen rakenne on huomattavasti jäykempi. Lopulliseen venymän arvoon risteyksessä vaikuttaa suuresti kiskon pintaviat, jotka lisäävät dynaamisen iskukertoimen arvoa. Havainnot kuitenkin osoittivat, että risteyksen venymä ei juurikaan muutu nopeuden noustessa. Seurantajakson aikana liikennöintinopeus vaihteissa oli kuitenkin vain välillä 30 km/h – 60 km/h, joten kuormitusten suuruutta ja rakenteen kestävyyttä rataosuuden normaalilla liikennöintinopeudella 80 km/h ei pystytty tässä tutkimuksessa havainnoimaan.

Vaihteet ovat siis tarkastelujaksolla pysyneet asemassaan kohtuullisen hyvin. Pääsyy vaihteiden hyvälle kunnolle on todennäköisesti alueelle asetettu nopeusrajoitus, jolla liikenteen nopeus alennettiin 80 km/h arvosta 60 km/h arvoon toukokuussa 2020. Tämän muutoksen jälkeen risteyksissä on edelleen nähtävissä risteyskärkien kulumista, mutta se tapahtuu huomattavasti hitaammin kuin aikaisemmin. Vaihteiden kunnon stabiloitumisen johdosta voidaankin vahvasti suositella 60 km/h nopeusrajoituksen jatkamista tulevaisuudessa. Jos nopeutta näissä vaihteissa halutaan tulevaisuudessa nostaa 80 km/h tasolle, vaihteiden seurantaa ja tässä raportissa eriteltyjä mittauksia suositellaan, jotta kuormitusten todellinen nopeusriippuvuus saadaan selville.

Loppuraportti on kokonaisuudessaan luettavissa Väyläviraston julkaisuja-sarjassa numerolla 4/2021.

Lisätietoja: Väitöskirjatutkija Riku Varis

^

Kiskojen sivukuluneisuuden vaikutus suistumisriskiin ja matkustusmukavuuteen

Kiskon sivukuluneisuuden raja-arvoja Suomessa pidetään kansainvälisesti arvioituna melko kireinä. Sivukuluneisuuden raja-arvojen kasvattaminen vähentäisi kiskon vaihto- ja hiontatarvetta, joka johtaisi merkittäviin kustannushyötyihin. Sivukulumisen myötä raideleveys ja kiskon profiili kuitenkin muuttuvat, ja tämä vaikuttaa kaluston kulkuominaisuuksiin.

Kiskon sivukuluneisuus on tyypillistä pienisäteisissä kaarteissa, joissa pyörien välinen vierintäsäde-ero ei riitä ohjaamaan pyöräkertaa läpi kaarteen ilman laippakontaktia. Sivukuluneisuuden raja-arvot ovat tiukat erityisesti kunnossapitotasoilla 1A ja 1AA, joissa nopeusalue on 160-200 km/h, ja näillä kunnossapitotasoilla kovin pienisäteisiä kaarteita ei poikittaisvoimien rajoitusten johdosta voi olla.

Suistumisriski kuitenkin tyypillisesti kasvaa sivukuluman seurauksena, sillä se voi pienentää kiskon ja pyörän välistä kontaktikulmaa Nadalin yhtälön mukaisesti. Pääasiassa kontaktikulmaan vaikuttaa pyörän laipan kulma, mutta voimakkaalla kiskon kuluneisuudella on myös vaikutusta kontaktikulmaan. Tässä työssä arvioidaan kiskon sivukuluman aiheuttamaa suistumisriskiä suurten nopeuksien hyvälaatuisilla rataosilla ja pohditaan kiskon sivukulumisen nykyisten raja-arvojen validiutta. Työssä tarkastellaan myös kiskon sivukulumisen vaikutusta matkustusmukavuuteen.

Työssä selvitetään raiteilta suistumisen riskiä ja matkustusmukavuuden muutoksia kasvatettaessa kiskon sivukuluneisuusrajaa rataosilla, joilla käytetään yli 160 km/h nopeuksia. Tämän hetkinen sivukuluneisuusraja on 5 mm mitattuna 14 mm kiskon hamaran kulkupinnan alapuolelta.

Tutkimustulokset on julkaistu Väyläviraston julkaisuja -sarjassa:

Kiskon sivukulumisen vaikutus kaluston suistumisriskiin

Lisätietoja: Väitöskirjatutkija Tiia Loponen

^

 

Vaihteiden parhaat tukemiskäytännöt

Vaihteen geometrian ylläpito tukemalla on monella tavalla haastava tehtävä. Eri yhteyksissä on noussut esiin huoli, että vaihteita ei voi tai ei osata tukea kunnolla. Vaihteen tukeminen on selvästi linjaraidetta hankalampaa, sillä vaihteen suora ja poikkeava raide on tuettava osin erikseen. Lisäksi vaihteessa on toimilaitteita vaihdepölkkyjen välissä eikä kaikkialla voida tehdä koneellista tukemista. Vaihteiden tukemisesta ei ole olemassa varsinaista ohjetta. Ohjeen kirjoittamiseksi tarvitaan taustaselvitys parhaaseen geometriseen lopputulokseen johtavista toimista, joilla saavutetaan optimaalinen lopputulos vaihteen elinkaarikustannusten kannalta.

Projektin tavoitteena on selvittää parhaat käytännöt siihen, miten uuden vaihteen asennus tehdään mahdollisimman hyvin, jotta

  • vaihteen kunnossapitotarve on jatkossa vähäistä
  • vaihteen teräsosiin tai vaihdepölkkyihin ei synny pysyviä muodonmuutoksia ja
  • vaihde saadaan asennuksen jälkeen nopeasti suurilla ajonopeuksilla liikennöitävään kuntoon.

Oikein asennettu vaihde toimii vuosia vähäisellä kunnossapidolla, mutta epäonnistunut asennus johtaa jatkuvaan kunnossapitotarpeeseen. Hyvien toimintatapojen avulla on mahdollista säästää merkittävästi kunnossapitokustannuksissa.

Lisätietoja: Väitöskirjatutkijat Tommi Rantala & Riku Varis

^

Kalustomallien verifiointi
Monikappaledynamiikkaan perustuvien kalustomallien tarkastus ja luotettavuuden toteaminen

 Mallinnus on tehokas työkalu mm. erilaisten kalustotyyppien käyttäytymisen arvioinnissa, ja monipuolisten simulointien avulla tuloksia on mahdollista saada nopeammin ja halvemmalla kuin esimerkiksi mittaamalla. Simuloinneissa erilaiset kalustot voidaan laittaa kulkemaan geometrialtaan ja kunnoltaan vaihtelevilla rataosuuksilla, ja simulointituloksena saadaan selville esimerkiksi rataan kohdistuvat kuormitukset, pyörän ja kiskon väliset liukuvoimat, kontaktijännitykset ja kulumisesta kertovat Tγ-arvot. Näin on mahdollista selvittää sekä kalusto- että rataparametrien vaikutusta kaluston kulkuominaisuuksiin ja rataan kohdistuviin kuormituksiin, mikä osaltaan auttaa ennustamaan esimerkiksi kiskojen kulumista.

Mallinnuksessa oleellista on kuitenkin käytettyjen mallien luotettavuus eli kalustomallin tulee riittävällä tarkkuudella vastata oikean kaluston käyttäytymistä. Kalustomallin lisäksi myös radan mallin tulee olla käyttötarkoitukseen nähden sopiva. Tässä projektissa keskitytään aiemmin rakennettujen kalustomallien luotettavuuden toteamiseen. Mallien tarkastuksessa vertaillaan oikealla kalustolla tehtyjen verifiointimittausten tuloksia simulointituloksiin ja malleja parannetaan saatujen tuloksien perusteella.

Tutkimustulokset on julkaistu Väyläviraston julkaisuja -sarjassa: Monikappaledynamiikkaan perustuvien kalustomallien verifiointi

Lisätietoja: Väitöskirjatutkija Tiia Loponen

^

 

Nopeudennostotestit ja pengervärähtely Ylivieska-Liminka-rataosuudella

Junakaluston nopeuden noston on todettu 1990-luvulta lähtien monessa kansainvälisessä tutkimuksessa aiheuttavan ratarakenteen värähtelyn kasvua. Tämä värähtely ilmenee voimakkaimmin palautuvan pystysuuntaisen siirtymän voimakkaana kasvuna. Kasvu selittyy pehmeikköjen pohjamaan alhaisella aallonnopeudella, joka kaluston nopeuden kasvaessa aiheuttaa kumuloituvaa siirtymää. Kriittiseksi junannopeudeksi kutsutaan arvoa, jossa pystysuuntainen värähtely voimistuu merkittävästi. Liiallinen värähtely tai palautuva painuma ratarakenteessa voi tuhota radan komponentteja tai lähialueen infrastruktuuria.

Ylivieska – Liminka rataosuudella tiedetään esiintyvän pehmeikköjä, jotka voivat osoittautua ongelmallisiksi nopeuden noston yhteydessä. Pehmeiköt sisältävät turvetta, jonka ominaisuuksia ei tunneta riittävällä tarkkuudella. Lisäksi tiedetään turpeen vesipitoisuuden ja paksuuden vaikuttavan merkittävästi värähtelyn etenemisnopeuteen turpeessa. Rataosalla suorittiin syksyllä 2015 junakaluston nopeuden nostokokeita, joiden aikana järjestettiin monipuoliset seurantamittaukset sen varmistamiseksi, että kaluston aiheuttama värähtely ei kasva liian suureksi. Lisäksi suoritettiin leikkausaallonnopeuden ja pinta-aallonnopeuden mittauksia ongelmalliseksi arvioidulla pehmeiköllä Crosshole ja SASW -menetelmillä.

Lisätietoja: Projektipäällikkö Heikki Luomala

^

 

Liikkuvan kaluston ja raiteen vuorovaikutus ja sen dynaaminen mallinnus

Ratakiskojen vaurioituminen on pääasiallisesti seurausta raiteilla liikkuvan kaluston aiheuttamasta kuormituksesta. Liikkuvan kaluston ominaisuuksista riippuen kalusto voi rasittaa rataa eri tavoin. Toisaalta kaluston ja radan välisiin kuormituksiin vaikuttavat myös radan ominaisuudet, joten kiskon vaurioitumista voidaan vähentää myös rataan kohdistettavilla keinoilla. Sekä kaluston että radan ominaisuuksista riippuva vuorovaikutus määrää siten sekä kiskon vaurioitumisen että mm. kaluston kiihtyvyydet.

Tutkimuksen tarkoituksena on tarkastella erilaisten keinojen tehokkuutta kiskoon kohdistuvien kuormituksien vähentämisessä. Työ koostuu kirjallisuusselvityksestä, kaluston simulointimallien rakentamisesta Vampire-rautatiedynamiikkaohjelmistoon ja niillä tehtävistä dynaamisista simuloinneista sekä radasta tehtävistä mittauksista. Tutkimuksen kirjallisuusosiossa käsitellään kalustoon ja rataan kohdistettavien keinojen vaikutusta kiskoon kohdistuvaan kuormitukseen. Kalustomallinnuksen ja erilaisilla rataosuuksilla tehtyjen simulointien avulla pyritään selvittämään kiskoon kohdistuvien kuormituksien riippuvuutta kalusto- ja rataparametreista. Kenttämittausosiossa tarkastellaan 20 kaarteessa ulko- ja sisäkiskoprofiilien pysty- ja sivukuluneisuutta suhteutettuna kaarteen liikennöintimääriin.

Kirjallisuusselvityksen perusteella kaarteessa käytettävä kallistuksen vajaus vähentää kiskoon kohdistuvia kuormituksia ja vierintäväsymistä, sillä tällöin telin kohtauskulma raiteeseen nähden jää pienemmäksi kuin tasapainokallistuksen tapauksessa. Selvityksen mukaan kaarteissa käytettävä raideleveyden levitys vähentää kiskojen vaurioitumista loivissa kaarteissa. Nykyisin raideleveyden levitystä käytetään Suomessa vain tiukoissa kaarteissa, joten selvityksen pohjalta käyttöä voisi harkita myös loivemmissa kaarteissa. Vastaava, ekvivalenttisen kartiokkuuden kasvun kautta ohjautumista parantava ja kiskon vaurioitumista hidastava, vaikutus on mahdollista tuottaa kaarteissa kiskoprofiilia tai kiskon kallistusta optimoimalla. Suomessa tulisi kiinnittää huomiota myös kiskon voiteluun, sillä kirjallisuusselvityksen mukaan kiskon voitelu vähentää kiskon ja pyörän kulumista melko loivissakin kaarteissa. Eri maissa on kuitenkin hyvin erilaisia käsityksiä voitelun vaikutuksista. Lisäksi kirjallisuusselvityksen perusteella olisi syytä kiinnittää huomiota radan vaimennukseen, joka sepeliradalla on tyypillisesti vain kuudesosa optimiarvosta.

Simulointituloksien perusteella etenkin kaluston kulkunopeudella, akselipainolla ja radan geometrian laadulla on merkittävä vaikutus rataan kohdistuviin kuormituksiin, kaluston kiihtyvyyksiin ja kulumisesta kertoviin Tγ-arvoihin. Kaarteessa myös raiteen kallistuksella on selvä vaikutus saatuihin tuloksiin. Simulointitulosten mukaan pyörän ja kiskon välisen kontaktin voitelu pienentää merkittävästi kontaktin Tγ-arvoja. Tγ-arvo kertoo kontaktissa kulumiseen käytettävissä olevasta energiasta, joten Tγ-arvojen pieneneminen viittaa kulumisen vähenemiseen. Lisäksi simulointituloksien perusteella raideleveyden levityksellä on kaarteessa positiivinen vaikutus, sillä se vähentää hieman poikittaissuuntaisia pyöräkuormituksia ja kiihtyvyyksiä. Ennen havaintojen laajamittaista soveltamista käytäntöön simulointimallit tulee verifioida mittauksin.

Tutkimustulokset on julkaistu Liikenneviraston tutkimuksia ja selvityksiä -sarjassa: Liikkuvan kaluston ja raiteen välinen vuorovaikutus ja sen dynaaminen mallinnus

Lisätietoja: Väitöskirjatutkija Tiia Loponen

^

 

Kiskon sivukuluneisuus ja pyöräkerran laippojen välinen etäisyys
Raidevälyksen muutoksen vaikutukset junan kulkuun ja rataan kohdistuvaan rasitukseen

Projektissa tarkastellaan kiskon sivukuluneisuuden ja pyörän laippojen välisen etäisyyden vaikutusta kaluston kulkuun. Kiskon sivukuluminen kasvattaa raideleveyttä, jolloin myös raidevälys kasvaa. Raidevälys säätelee laippakosketuksen syntyä, ja raidevälyksen kasvaminen mahdollistaa pyöräkerralle suuremman sivuttaissuuntaisen liikkeen. Myös pyöräkerran laippojen välisen etäisyyden kaventaminen kasvattaa raidevälystä. Projektissa tarkastellaan raidevälyksen vaikutusta kaluston kulkuun sekä sivukulumisen että pyöräkerran laippojen välisen etäisyyden näkökulmasta.

Teoreettisessa tarkastelussa keskitytään sivukuluneisuuden vaikutukseen kaarteissa ja pyöräkerran laippojen välisen etäisyyden vaikutukseen vaihdealueilla. Itäisen yhdysliikenteen kalustolla pyöräkerran laippojen välinen etäisyys eroaa kotimaisesta kalustosta. Tämän johdosta erityisesti vaihteiden mitoituksessa on jouduttu tekemään kompromisseja Suomen rataverkolla. Suomalaisen kaluston pyöräkerran laippojen välisen etäisyyden kaventaminen vastaavaksi kuin itäisen liikenteen kalustolla mahdollistaisi vaihteiden optimoinnin tietylle pyöräkerran laippojen väliselle etäisyydelle. Raidevälys ja siten myös pyöräkerran sivuttaissuuntaisen liikkeen raja-arvo määräytyvät raideleveyden ja laippojen ulkopintojen välisen etäisyyden mukaan. Vaihteissa myös laippojen sisäpintojen välisellä etäisyydellä on oleellinen merkitys, sillä pyöräkertojen on kuljettava sujuvasti vastakiskon ja tukikiskon välisestä laippaurasta. Tämän vuoksi teoreettisessa tarkastelussa kiinnitetään huomiota sekä pyöräkerran laippojen välisen etäisyyden vaikutukseen kaluston kulkuun yleisesti että myös erityisesti vaihdealueilla.

Kiskon sivukulumisen kotimaisia raja-arvoja pidetään kansainvälisesti arvioituna melko kireinä. Sivukuluneisuuden raja-arvojen kasvattaminen vähentäisi kiskon vaihto- ja hiontatarvetta, joka johtaisi merkittäviin kustannushyötyihin. Sivukulumisen myötä raideleveys ja kiskon profiili kuitenkin muuttuvat, ja tämä vaikuttaa kaluston kulkuominaisuuksiin. Sivukuluneisuuden teoreettisessa tarkastelussa pohditaan, miten eri parametrit vaikuttavat sivukuluneisuuden raja-arvojen määrittämiseen. Tutkimuksessa tehdään myös laskelmia kiskon kuluneisuuden vaikutuksesta kiskon taivutusjäykkyyteen ja väsymiseen. Lisäksi työssä tehdään selvitys kiskon sivukuluneisuuden raja-arvoista maailmalla. Tämän avulla saadaan käsitys Suomen nykyisten raja-arvojen tasosta kansainvälisessä vertailussa. Kiskojen sivukuluneisuutta esiintyy erityisesti radan ulkokaarteissa, joten sivukuluneisuuden teoreettisessa tarkastelussa keskitytään suoran radan lisäksi erilaisiin kaarresäde−kallistus-yhdistelmiin.

Teoreettisen tarkastelun lisäksi työssä simuloidaan pyörän laippojen välisen etäisyyden ja kiskon sivukuluneisuuden vaikutusta kaluston kulkuominaisuuksiin ja rataan kohdistuviin rasituksiin.

Lisätietoja: Väitöskirjatutkija Tiia Loponen

^

 

Lumen irtoaminen junakalustosta raiteen epäjatkuvuuskohdissa

Projektissa on tutkittu raiteen epäjatkuvuuskohtien ja junaan kertyneen lumen irtoamisen välistä yhteyttä. Projektin tarkoituksena on selvittää, millaisia värähtelyitä erilaiset epäjatkuvuuskohdat aiheuttavat junakalustoon, ja millainen herätevaikutus junaan kertyneen lumen irtoamiseksi vaaditaan.

Lumi kiinnittyy junan alustaan adheesiovoimilla, joiden suuruus riippuu merkittävästi monista eri tekijöistä, kuten esimerkiksi lämpötilasta. Raiteessa oleva epäjatkuvuuskohta aiheuttaa junaan herätteen, jonka johdosta junan alustarakenteeseen kertynyt lumi voi irrota. Tämä aiheuttaa ongelmia erityisesti vaihdealueella, sillä junan alustasta irronnut lumi voi pudota vaihteen kielen ja tukikiskon väliin estäen siten vaihteen liikkeen.

Projektissa tehtiin kirjallisuusselvitys lumen ja jään ominaisuuksista. Samalla tarkasteltiin jään adheesiolujuutta teräkseen. Jää voi irrota teräksestä materiaalien liitoskohdasta, jolloin materiaalien välinen adheesioliitos katkeaa. Toisaalta jää voi myös murtua, jolloin jään koheesiosidokset katkeavat.

Projektissa on selvitelty laskelmien ja mittausten avulla erilaisten raiteen epäjatkuvuuskohtien aiheuttamia kiihtyvyyksiä junakalustossa. Lisäksi lumen irtoamista on tarkasteltu kuvaamalla kahta ongelmalliseksi todettua vaihdealuetta. Vaihdealueilla suoritettujen mittausten ja kuvausten avulla selvisi, että lunta irtoaa junan alustasta eniten lämpötilan ollessa hieman nollan asteen alapuolella. Tutkimuksessa mitattiin myös junaan kohdistuvia kiihtyvyyksiä Helsinki–Joensuu-rataosuudella. Mittauksissa kävi ilmi, että vaihteiden aiheuttama herätevaikutus junakalustossa kasvaa junan nopeuden kasvaessa. Vaihteen epäjatkuvuuskohta aiheuttaa siis suuremmat kiihtyvyydet junakalustoon junan nopeuden kasvaessa. Mittausten aikana keskimäärin suurimmat kiihtyvyysamplitudit syntyivät juuri vaihteiden kohdalla, ja voidaankin sanoa vaihteiden olevan merkittävä värähtelyiden aiheuttaja junakalustossa.

Laskelmien avulla saadut lumen ja jään irtoamiseksi vaadittavat kiihtyvyydet ovat usein selvästi suurempia kuin mittauksissa saadut maksimikiihtyvyydet. Raiteen epäjatkuvuuskohdan aiheuttama kiihtyvyys ei siis yleensä yksinään riitä irrottamaan lunta ja jäätä. Lumen ja jään kiinnittymisvoimat vaihtelevat kuitenkin paljon, ja heikosti kiinnittynyt lumi voi irrota pienelläkin kiihtyvyyden arvolla.

Tutkimustulokset on julkaistu Liikenneviraston tutkimuksia ja selvityksiä -sarjassa: Lumen irtoaminen junakalustosta raiteen epäjatkuvuuskohdissa

Lisätietoja: Väitöskirjatutkija Tiia Loponen

^