Projekt č. TJ04000301 – Nedestruktivní stanovení mechanického napětí v bezstykové koleji byl podpořen v rámci 4. veřejné soutěže Programu aplikovaného výzkumu Zéta TA ČR.
Řešení projektu bylo zahájeno dne 1. května 2020 a potrvá do 30. dubna 2022.
Technologie bezstykové koleje je známa od první poloviny 20. století. V teorii bezstykové koleje se však uvažuje s předpokladem, že neutrální teplota (tj. teplota, při níž je v kolejnici nulové napětí) je shodná s teplotou upínací. Ovšem už výzkum prof. Koce z Gdaňské technické univerzity ze 70. let 20. století, a řada dalších, ukázala, že oproti tomuto teoretickému předpokladu se realita liší a v průběhu 1-2 let od svaření závěrných svarů dochází k vývoji neutrální teploty kolejnic v řádu až několika stupňů Celsia. Toto potvrzují i experti správce železniční infrastruktury.
Důsledky tohoto jevu jsou velmi významné. Každý stupeň změny neutrální teploty vyvolá v kolejnici o více než 2 MPa větší napětí. Vzhledem k tomu, že při zřizování bezstykové koleje podle současných norem je počítáno, že bezstyková kolej bude zatížena napětím i více než 130 MPa jen od teplotního zatížení a dalšími zatíženími z železničního provozu, může i malá změna, resp. nepřesná znalost neutrální teploty (a tedy i napětí v kolejnici) vést k poruchám koleje – lomu kolejnic, nebo vybočení koleje.
Všechny dnes existující způsoby stanovení hodnoty napětí v kolejnici bezstykové koleje jsou buď destruktivní (např. rozřez kolejnice) anebo vyžadují časově a technicky náročný zásah do kolejového svršku, tedy i finančně nákladnou výluku a řadu omezení. V průběhu posledních 40 let bylo proto několik výzkumných projektů v Evropě, Asii i USA věnováno výzkumu nedestruktivních metod měření napětí v kolejnicích bezstykové koleje. Žádná z těchto metod se však zatím neprojevila jako prakticky použitelná a spolehlivá pro použití správci železniční infrastruktury.
V rámci projektu chceme kombinovat terénní experimentální měření a numerickou analýzu. Hlavní měření, která chceme uskutečnit, lze rozdělit do tří částí:
1. Měření rozložení napětí v kolejnici v čase.
Jedná se o velmi důležité měření, jehož cílem je určit vývoj neutrální teploty kolejnice po svaření závěrných svarů. Náš záměr v rámci tohoto měření je nainstalovat na vybrané traťové úseky sérii tenzometrů, kterými budeme schopni sledovat deformace bezstykové koleje v průběhu času. Vhodné úseky vytipujeme ve spolupráci se Správou železnic tak, aby se vzájemně lišily konkrétními parametry, ideálně vždy jedním, a bylo tak možno vliv těchto parametrů co nejpřesněji identifikovat.
2. Měření změny teploty kolejnice na základě mikroklimatických parametrů traťového úseku.
Cílem tohoto měření je zjistit vývoj teplotního gradientu kolejnic mezi dvěma blízkými staničeními s odlišným mikroklimatem. Teplotní gradient (stejně jako napěťový gradient) se může v kolejnicích vyskytovat periodicky denně (noc/den) a ročně (zima/léto). Jsou-li střední hodnoty v rámci těchto cyklů odlišné, může být důsledkem tohoto jevu deformace kolejnic v podobě putování ve směru rovnovážného stavu.
3. Měření pohybu profilu kolejnice.
Cílem tohoto měření je identifikovat případné trvalé deformace vzniklé putováním kolejnic v místech tečných sil s výrazně převažujícím jednostranným smyslem. Zejména v době krátce po svaření závěrných svarů může tento parametr hrát významnou roli při zvyšování neutrální teploty na jedné a snižování na druhé straně od místa výrazně zatíženého tečnými silami.
4. Numerická analýza.
Cílem numerické analýzy je vytvořit model kolejnice s parametry vnějších účinků, který bude kalibrován naměřenými hodnotami jednotlivých parametrů a bude sloužit pro predikci dalších kombinací napěťových stavů v kolejnici. Pomocí tohoto modelu budeme moci rozšířit analýzu o další situace, které by jinak vyžadovaly doplňková měření, případně jej budeme moci využít pro verifikaci těchto měření.
Mimo výše uvedené činnosti se budeme věnovat i dalším doplňkovým měřením a analýzám, jejichž potřeba vyvstane v průběhu řešení projektu.
Motivací k řešení projektu je nám zejména možnost prozkoumat problematiku bezstykové koleje. Ta je široce, a vlastně čím dál šířeji používána po celém světě. Má mnoho výhod, ale stále některé nedořešené problémy. Vzhledem k celosvětovému rozsahu použití má navíc jakékoliv zlepšení v této oblasti velký přínos.
Další motivací je rozvoj výzkumného potenciálu na pracovištích členů řešitelského týmu, zapojení studentů do výzkumu a zvyšování jejich vědecko-výzkumných kompetencí.
Hlavním cílem projektu je tvorba metodiky, která umožní určit hodnotu aktuálního napětí v kolejnici bezstykové koleje nedestruktivními metodami, a to na základě parametrů, které jej ovlivňují, a jejichž hodnoty lze získat rovněž nedestruktivními metodami. Toho chceme dosáhnout kombinací 3 terénních měření a tvorbou počítačového modelu pro numerickou analýzu. Znalosti nabyté výzkumem a shrnuté v této metodice chceme předat správcům železnic a zvýšit tak úspornost a efektivitu železničních konstrukcí.
Dalšími cíli návrhu projektu jsou tvorba funkčního vzorku měřící sestavy pro diagnostiku časového vývoje deformací bezstykové koleje, který bude použit pro jedno ze zamýšlených měření, a prohloubení poznatků o chování kolejnic bezstykové koleje za různých vnějších podmínek.
O projektu si můžete přečíst také ve STARFOSu TA ČR a v IS VaVaI.
