Tåghjul slits mer på bra spår

Det var först när det uppstod stora problem med vibrationer i vissa tåg på det perfekta spåret i tunneln genom Hallandsåsen omedelbart efter invigningen i december 2015 som vi förstod att vi måste ha ett systemtänkande. Det blev problem när var och en var bra på sin del men ingen såg på helheten.

 

Matthias Asplund, senior spårspecialist på Trafikverket.

Det är en utveckling som vi inte förutsåg”, säger Pär Söderström, teknisk specialist på mekaniska system vid SJ:s fordonsdivision.

När spåren var sämre, eller åtminstone mindre enhetliga, slets en relativt stor del hjulens löpbanor. Även om slitaget kunde ge upphov till vissa ojämnheter och därmed vibrationer kunde hjulen användas i tågen under lång tid utan betydande olägenheter för passagerarna och utan att hjulen behövde svarvas om.

De senaste åren har spåren på de mest trafikerade banorna, bland annat där snabbtågen körs, blivit bättre med mindre avvikelser i fråga om spårvidd, rälernas lutning och koniciteten på rälernas överyta.

Det har medfört att samma begränsade yta på hjulets löpbana slits så att det bildas ett smalt ”band” som är mer nedslitet och med vinkelformade avgränsningar mot de ytor som slits mindre.

Kraftiga vibrationer

När kontaktytorna mellan hjulen och rälerna går utanför de slitna delarna av löpbanorna och hamnar i vinkeln uppstår kraftig vibrationer som försämrar komforten mycket märkbart.

Samspelet mellan hjul och räl är en av de mest komplicerade processerna inom spårtrafiken. Det har forskats mycket under många årtionden men slutsatsen tycks bli att ju mer man undersöker desto mer komplex blir bilden av vad som egentligen händer på den minimala kontaktytan mellan järnvägsfordon och infrastruktur.

”Det är ett oerhört utmanande område rent vetenskapligt men det svåraste är nog att försöka förklara för folk i allmänhet vad vi håller på med”, säger Matthias Asplund, senior spårspecialist på Trafikverket.

När Banverket och senare Trafikverket fick ansvar för infrastrukturen i Sverige och SJ och så småningom en rad andra tågtrafikföretag fick bedriva trafiken uppstod ett vakuum, forskningen och det gemensamma utvecklingsarbetet kring samspelet hjul-räl avstannade.

Inget gemensamt arbete

SJ och de andra större tågtrafikföretagen arbetade med problemen kring slitage och ojämnheter i hjulen medan infrastrikturförvaltarna arbetade med nedbrytningen av rälerna.

”Det var först när det uppstod stora problem med vibrationer i vissa tåg på det perfekta spåret i tunneln genom Hallandsåsen omedelbart efter invigningen i december 2015 som vi förstod att vi måste ha ett systemtänkande”, säger Matthias Asplund. ”Det blev problem när var och en var bra på sin del men ingen såg på helheten.”

Pär Söderström på SJ har samma bild av utvecklingen.

”Dagens avreglerade järnväg har gjort det svårare att lösa problem som både involverar infrastrukturförvaltaren och oss operatörer”, säger han. ”I det här projektet har vi hittat ett effektivt och givande samarbete inom ett område som är viktig för resenärerna.”

Grundproblemet återstod

Problemen i Hallandsåstunneln försvann när hjulen på de drabbade fordonen svarvades om och rälerna slipades men det grundläggande problemet kvarstod; lösningen kunde knappast vara att svarva tåghjul och fräsa eller slipa räler med mycket korta intervall.

”Man måste ha i åtanke att kontaktytan mellan hjul och räl är mindre än en enkrona, det handlar om en fem-sex millimeter bred och en ännu kortare yta per hjul”, säger Asplund.

”På rakspår uppstår alltid en viss sinusgång, hjulen slingrar sig fram över rälen, men på ett nysvarvat hjul på nytt spår slits endast sex-tio millimeter i sidled av hjulens löpyta.”

Även om det är gott om kurvor på de svenska järnvägarna koncentreras hjulslitaget till denna centimeterbreda sektion av löpbanan och den från början svagt koniska ytan blir platt.

När hjulen körs på spår med mindre avvikelser i rälhuvudets profil, orsakade av slitage, spårviddsfel eller skevningfel, kommer det att börja skaka och vibrera när kontakten mellan hjul och räl flyttas till området utanför den slitna löpbanan.

Problem över 160 km/h

Problemen uppstår i allmänhet först när hastigheten överstiger 160 km/h.

Det bästa förhållandet mellan hjul och räl är rätt ekvivalent konicitet. Om både räl och hjul anpassas till detta kan skakningar och vibrationer minska. Hjul och räls måste dock svarvas och slipas eller fräsas på ett sätt som innebär ömsesidig anpassning.

Trafikverket, SJ och KTH har gemensamt studerat interaktionen hjul-räl de senaste åren och gemensamt utvecklat ett nytt sätt att mäta förhållandet mellan hjul och räl. Måttet kallas Gradient Index Profile (GIP) och har uppmärksammats av den europeiska standardiseringsorganisationen CEN. GIP kommer i nästa utgåva av standarder att införas som ny standard för mätningar av förhållandet mellan hjul och räl.

Hittills har resultaten redovisats i 13 tekniska rapporter och fyra vetenskapliga artiklar.

DB har upptäckt samma problem

Deutsche Bahn (DB) med bättre spårsystem och snabbare tåg har upptäckt samma problem som Trafikverket och SJ och har dragit ungefär samma slutsatser.

Det svenska projektet drivs nu inom ramen för EUs järnvägsforskningsprogram Shift2Rail.

”Men det kommer nog att dröja några år innan vi ser konkreta resultat i tågtrafiken”, säger Matthias Asplund på Trafikverket. ”Men det är nu som det kunskapsmässiga genombrottet har skett.”

På något kortare sikt kan SJ och andra tågtrafikföretag komma att ändra den profil som hjulen mer eller mindre regelbundet svarvas efter.

”Hjulen svarvas mycket oftare i dag än för 20-30 år sedan, delvis för att tågen körs snabbare och komfortproblem uppträder tidigare, men också för att hjulprofilen inte är maximalt anpassad för den typ av hjulslitage som vi ser i allt större utsträckning ju bättre spåren blir”, säger Pär Söderström.

Blir möjligt se orsaken till vibrationerna

Med hjälp av de nya rönen kommer det också att bli möjligt att skilja de skakningar och vibrationer som är rena komfortproblem från de som är säkerhetsrelaterade.

”I dag är det inte möjligt att skilja dem från varandra och därför behandlas alla skakningar och vibrationer över en viss nivå som säkerhetsproblem”, säger Pär Söderström. ”Det leder till att hastigheten på banan sänks och att tåget tas ur trafik för underhåll som hjulsvarvning eller byte av stötdämpare.”

Att förstå vad som händer mellan hjul och räl blir allt viktigare ju snabbare tågen framförs. Trafikverket bygger nya järnvägar eller järnvägssträckor för 250 km/h och de nya höghastighetsbanorna kommer åtminstone bitvis att byggas för 320 km/h. De höghastighetståg som SJ nu upphandlar ska kunna köra i 250 km/h.

”Nästa steg i vårt gemensamma arbete blir att upphandla hjulprofilmätare som kan mäta tågens hjulprofiler när tåg passerar i upp till 140 km/h”, säger Matthias Asplund.

”Då kan vi förhoppningsvis inom överskådlig tid få bra kontroll över tåghjulens status och sätta in åtgärder snabbare när olämpliga eller farliga hjulprofiler uppstår.”