| dc.description.abstract | Både jernbaneinfrastrukturen og det rullende materiellet som trafikkerer den utsettes ved ordinær drift for uunngåelig slitasje i hjul-skinne-kontaktflaten. Slitasjen medfører et jevnlig behov for vedlikehold, som er kostbart men helt nødvendig for tilfredsstillelse av krav til sikkerhet samt opprettholdelse av akseptabel kjøredynamikk. Med hvilken hastighet slitasjen skrider frem og hvordan den brer seg over hjul- og skinneoverflate vil variere med en rekke opptredende omstendigheter. Slitasjens oppførsel vil imidlertid ha stor betydning i en vedlikeholdssammenheng, og det er allerede lagt ned mye arbeid i undersøkelse av ulike omstendigheters betydning for slitasjen, både ved simulering og gjennom observasjon av reell slitasje. Temaet er imidlertid langt i fra ferdig utforsket, og målet med dette arbeidet er å bidra til økt innsikt i de forhold som styrer slitasjens utvikling. Arbeidet begrenses riktignok til undersøkelse av sporgeometriens innvirkning på hjulslitasjen, hvilket er særlig aktuelt for materiell på det norske, kuperte og kurverike nettet. Utviklingen i norsk jernbane de senere år har dessuten ført til diverse utfordringer, som instabilitet på rette partier grunnet for høy konisitet samt et behov for økning av vedlikeholdsintervall på enkelte hjul. Begge disse problemene kan knyttes til hjulslitasjen, og er med på å gjøre masterarbeidet desto mer dagsaktuelt.
Arbeidet tar utgangspunkt i utforming av en empirisk modell, der hjulprofilers slitasjeutvikling kartlegges ut i fra observasjoner av reelle hjul. I tillegg gjøres en analyse av den respektive sporgeometrien som hjulene slites ut på, og datagrunnlaget for analysen består av mer enn 22 000 enkeltmålinger på hjul samt traséparametre i nærmere 14 000 trasépunkter. Hjulmålingene på hjul fra tre norske ruter danner grunnlaget for beregning av hjulprofilers geometriske endring med tilbakelagt avstand. Rutene som undersøkes er Sørlandsbanen, Dovrebanen og Østfoldbanen, og alle hjulene som inngår i analysen tilhører Type-73-togsett som utelukkende har operert på én av de tre rutene i forsøksperioden. De tre rutene er valgt slik at hjulene som sammenlignes opererer på tre ulike sporgeometrier, men ellers opererer under svært like omstendigheter, slik at ulikheter i hjulslitasje i stor grad kan relateres til den avvikende sporgeometrien. Som utgangspunkt for beskrivelse av rutenes horisontal- og vertikalgeometri er intervaller for horisontalkurveradius og stigningsgrad definert. Videre er rutene delt opp mellom trasépunkter og element for element tilordnet rett intervall, og ruteandelen på de ulike geometrier er beregnet ut ifra dette. Rutenes horisontal- og vertikalgeometriske fordeling utgjør sammenligningsgrunnlaget for sporgeometri. På bakgrunn av analyseresultatene er sammenhenger mellom sporgeometri og hjulslitasjens utvikling detektert.
Videre er en utredning av øvrige omstendigheter som kan tenkes å spille inn på slitasjebildet tillagt stor vekt. Dataen som ligger til grunn for analysen er validert med hensyn til alle disse omstendighetene, da variasjon i omstendigheter mellom rutene kan virke forstyrrende på analysen og bidra til betydelig usikkerhet rundt resultatet. Det konkluderes med at omfanget av eventuelle forstyrrende faktorer er begrenset, og at de anvendte dataene er godt egnede for formålet.
Resultatene av analysen indikerer at sporgeometri har betydelig innvirkning på slitasjeutviklingen til et hjulprofil. Slitasjens fremskridelse over hjulprofilet tyder på at stiginger brattere enn 20 promille innebærer en svært kritisk hjulbaneslitasje. Det detekteres ellers en sammenheng mellom avstanden tilbakelagt på horisontalkurver med radius mindre enn 400 m og mengden materiale slitt bort på flens. Hjul som opererer på kurvete traseer med mye stigning og fall vil i snitt behøve dobbelt så hyppig vedlikehold som ruter som opererer på rettere strekninger. Samtidig vil kostnadene per vedlikehold være høyere fordi slitasjens beskaffenhet gjør gjenopprettelse av korrekt overflategeometri dyrere. Analysen viser samtidig at mange hjul slitt ut på rettere sporgeomtrier bygger flens, og det kan derfor tenkes at en reduksjon i det totale vedlikeholdsbehovet vil kunne oppnås gjennom en friere disponering av materiellet over ulike ruter. Hjulprofilene vil på den måten bli slitt jevnere og det er sannsynlig at omfanget av både flensbygging og tynn flens i mange tilfeller vil kunne reduseres.
Generelt kan det virke som om hjulene tenderer til å slites ned mot en slags likevekt, der hjuloverflaten gradvis vil innta en geometri som tillater videre slitasje å foregå jevnt over hele profilet, på samme vis som hos en slitasjeprofil. Overflategeometrien ved likevektstilstand later til å avhenge av sporgeometrien hjulet opererer på. En prøving av denne hypotesen forutsetter måledata på hele hjuloverflaten. | |
| dc.description.abstract | Both the railway infrastructure and the rolling stock are exposed to unavoidable wear on the wheel-rail contact surface during ordinary operation. The wear entails a regular need for maintenance, which is expensive but absolutely necessary for satisfying safety requirements as well as maintaining acceptable dynamic behaviour. The speed of how the wear progresses and its distribution over the wheel and rail surface will vary with a number of occurrences. However, the behaviour of wear will be of great importance in a maintenance context, and a lot of work has already been done in investigating the significance of various circumstances for wear and tear, both by simulation and through observation of actual wear. However, the topic is far from complete, and the goal of this work is to contribute to a greater understanding of the conditions that govern the development of wear. The work is admittedly limited to examining the impact of track geometry on wheel wear, which is particularly relevant for material on the Norwegian, hilly and curved network. Recent developments in the Norwegian railway have also resulted in a number of challenges, including instability on straight sections due to high conicity and the need to increase maintenance intervals on some wheels. Both of these problems can be linked to wheel wear.
The work is based on making an empirical model, which maps the wear development of wheel profiles based on observations of real wheels. In addition, an analysis of the respective track geometry of how the wheels wear out is performed, and the basis for the analysis consists of more than 22,000 individual measurements on wheels as well as route parameters at almost 14,000 route points. The wheel measurements on wheels from three Norwegian routes form the basis for calculating the geometric change of wheel profiles with distance travelled. The routes examined are the Sørlandsbanen, Dovrebanen and Østfoldbanen, and all the wheels included in the analysis belong to Type-73 train sets that have only operated on one of the three routes during the trial period. The three routes are chosen so that the wheels being compared operate on three different track geometries but otherwise operate under very similar circumstances, so that differences in wheel wear can mainly be related to the deviating track geometry. To describe the horizontal and vertical geometry of the routes, intervals for horizontal curve radius and degree of slope are defined. Furthermore, the routes are divided between route points and stepwise assigned to the correct interval, and the route proportion of the various geometries is calculated on this basis. The horizontal and vertical geometric distribution of the routes forms the basis for comparing the track geometries. Based on the analysis results, correlations between track geometry and the development of wheel wear have been detected.
Furthermore, a study of other circumstances that may influence wheel wear is being carried out. The data on which the analysis is based has been validated with regard to all these circumstances, as variation in circumstances between the routes can have a disruptive effect on the analysis and contribute to considerable uncertainty about the result. It is concluded that the extent of any interfering factors is limited, and that the data used is well suited for the purpose.
The results of the analysis indicate that track geometry has a significant impact on the wear development of a wheel profile. The progress of the wear over the wheel profile indicates that slopes steeper than 20 per mille involve critical tire wear. There is also a correlation between the distance travelled on horizontal curves with a radius of less than 400 m and the amount of material worn away on the flange. Wheels that operate on curved routes with a lot of incline and fall will, on average, need twice as frequent maintenance as wheels that operate on flat routes. The cost per maintenance is also higher because the nature of the wear makes restoring correct surface geometry more expensive. At the same time, the analysis shows that many wheels worn on straighter track diameters build thicker flanges, and it is therefore conceivable that a reduction in the total need for maintenance can be achieved by increasing the variation in daily routes for the rolling stock. The wheel profiles will thus be worn more evenly, and it is probable that the extent of both thicker flange and thin flange will in many cases be reduced.
In general, it may seem as if the wheels tend to wear down towards a kind of equilibrium, where the wheel surface will gradually assume a geometry that allows further wear to take place evenly over the entire profile, in the same way as a wear profile does. The surface geometry at steady state seems to depend on the track geometry. A test of this hypothesis requires measurement data on the entire wheel surface. | |
