Použití technologie frézování kolejnic u DB

Jaromír Pivoňka 1, Emil Filip 2 Použití technologie frézování kolejnic u DB Klíčová slova: frézování kolejnic, kontaktně únavová vada Head Check, zvýšení životnosti kolejnic, proces plánování údržby kolejnic, příčný profil kolejnice Úvod Článek informuje o historii a využití technologie frézovaní kolejnic u Německého správce infrastruktury Deutsche Bahn (dále jen DB). Článek také reflektuje zkušenosti s prováděním frézovacích prací u DB z pohledu jejich zhotovitele - nadnárodního koncernu STRABAG SE. Historie a vývoj frézovacích strojů Frézování kolejnic jako jedna z technologií pro opracování pojížděné plochy kolejnic byla u DB poprvé nasazena v polovině 90. let, nasazení předcházela řada měření a studií. Poptávka po této technologií byla částečně zapříčiněna vznikem nových kontaktně únavových vad, které se začaly objevovat na základě použití nových technologií v oblasti dopravy, zejména změny jízdních charakteristik vozidel s ohledem na zavádění vyšších rychlostí. Jednalo se hlavně o nebezpečnou vadu Head Check, která se projevuje jemnými povrchovými trhlinkami, šikmo orientovanými ve směru jízdy drážních vozidel, v pravidelných vzdálenostech na pojížděné hraně hlavy kolejnice. Tato vada může při nedostatečné diagnostice Obrázek 1: Charakteristický projev kontaktně únavové vady kolejnice Head Check 1 Jaromír Pivoňka, DiS., absolvent Vyšší odborné školy v Děčíně, obor Železniční stavitelství, zaměstnán ve společnosti STRABAG Rail, a.s., provádí činnosti v odvětví traťového hospodářství, specialista na železniční svršek 2 Ing. Emil Filip, absolvent Českého vysokého učení technického v Praze, Fakulty stavební, obor Konstrukce a dopravní stavby, zaměstnanec společnosti STRABAG Rail, a.s., ředitel oblasti Specializované činnosti 1

a zanedbání údržby vést až k vzniku lomu kolejnice. Na rozdíl od kontaktně únavových vad, jako je např. Shelling a Squat, je možné Head Cheking efektivně odstranit opracováním hlavy kolejnice. Ostatní vady odstranitelné opracováním, jako jsou např. skluzové vlny, vlnkovitost a deformace skluzového profilu, nejsou tak nebezpečné, pouze ovlivňují jízdní komfort a v důsledku mají podíl na vyšším dynamickém namáhání a zvýšení nežádoucích emisí hluku. Výše uvedené souviselo s požadavkem DB na prodloužení životnosti kolejnic a jeho nesporným ekonomickým přínosem. Výroba prvního frézovacího stroje byla zahájena v roce 1994. Stroj byl v roce 1997 dokončen a nasazen u DB v režimu provozního ověřování. Frézovací stroj koncipovaný jako drážní vozidlo pohybující se vlastní silou byl vybaven třemi frézovacími jednotkami pro každý kolejnicový pás. Po provedení práce vznikaly na opracovaném povrchu hlav kolejnic vlnky způsobené technologií úběru materiálu, které měly za následek dočasné zvýšení akustické hladiny hluku při provozu (řádově týdny). Z tohoto důvodu a s tím souvisejících obav ze stížností občanů DB frézovací soupravu do běžného použití neschválila. Výrobce zareagoval a u následujících vývojových modelů nahradil jednu frézovací jednotku na každé straně stroje tangenciální brousící jednotkou, která problém s vlnkami po frézování odstraňovala, zároveň ale došlo ke snížení hodinového výkonu strojů. Stejná změna nastala i v původním vyrobeném stroji. V současné době jsou na kolejové frézovací stroje osazovány jak výše uvedené brusné jednotky, tak navíc tzv. vyhlazovací kotouče, které dodatečně snižují drsnost hlavy kolejnice zanechanou po brusné jednotce. Obrázek 2: Pohled na finální opracování hlavy kolejnice frézovacím strojem Postupem času se objevil od stavebních firem uvažujících o koupi frézovacích strojů požadavek na zvýšení výkonů stroje ve vztahu k efektivitě prací a zároveň požadavek DB na zkracování výlukových časů. Výrobci frézovacích strojů reagovali návrhem nových typů strojů, u kterých se vrátili k počtu tří frézovacích jednotek pro každý kolejnicový pás a zároveň v konstrukci strojů zachovali brusné a vyhlazovací kotouče. Dalším možností na zvýšení výkonu bylo použití frézovacího kola se zvětšeným průměrem. Toto opatření však znamenalo větší zásah do konstrukcí strojů. Některé stroje limitovala kapacita zásobníku na odpad (ocelové třísky a brusný prach), který se původně nacházel mimo pracovní stroj. V případě vyčerpaní kapacity zásobníku (delší pracovní výkony) musel stroj práci přerušit a přesunout se k vhodnému místu k vyprázdnění zásobníku (nejčastěji prostor pro odstavení stroje). Z těchto důvodů výrobci kapacitu zásobníku navýšili. 2

Mimo klasické kolejové frézovací soupravy se také vyrábí frézovací stroje dvoucestné, které obsahují pouze jednu frézovací jednotku a jednu brousící jednotku pro každý kolejnicový pás. Díky tomu dosahují menšího úběru materiálu na jednu pracovní jízdu. Výhoda těchto strojů spočívá v možnosti operativního nasazování. Tyto stroje se používají spíše na opravné práce menšího charakteru (dříve také na preventivní frézovaní kolejnic) a v současné době jsou nejvíce využívané k opravnému frézování výhybek, kde je nasazovaní kolejových variant frézovacích strojů značně neekonomické. Tímto druhem strojů disponuje od roku 2010 v počtu dvou kusů s označením SF02 W-FS Truck koncern STRABAG SE. Stroje vyrobila Rakouská firma LINSINGER Maschinenbau Ges. m.b.h, která je lídrem na trhu frézovacích strojů. Obrázek 3: Pohled na dvoucestný frézovací stroj SF02 W-FS Truck Naše společnost také uskutečnila od stejného výrobce v roce 2011 nákup dvou frézovacích strojů kolejové konstrukce s označením SF03 W-FFS. Vzhledem k jejich nekompromisnímu výkonu si vysloužily vnitropodnikové označení Goliath a Hannibal. Všechny výše uvedené stroje jsou nasazovány nejen u DB, ale také v jiných evropských státech, např. ve Francii, Švýcarsku, Polsku, Lucembursku, Belgii, Slovensku a v neposlední řadě pod záštitou společnosti Viamont DSP, a.s. resp. společnosti STRABAG Rail, a.s. také v České republice, kde mají za sebou cca 200 km ofrézovaných kolejí. Obrázek 4: Pohled na frézovací stroj kolejové konstrukce SF03 W-FFS 3

Obrázek 5: Vizualizace pracovní části frézovací soupravy SF03 W-FFS (nahoře) a dvoucestného frézovacího stroje SF02 W-FS Truck (níže) Proces plánování frézování kolejnic u DB DB má zavedený systém pravidelné diagnostiky kolejnic. DB periodicky vyhodnocuje příčný a podélný profil kolejnice a rozsah kolejnicových vad s nasazením odpovídající diagnostiky, zejména laserového měření, ultrazvukové metody a metody vířivých proudů. Tímto dokáže mít realistický obrázek o stavu kolejnic, rozsahu a vývoji vad včetně vyhodnocení jejich závažnosti v celé své síti. Tyto informace využívá DB k plánování odpovídající údržby a smysluplnému vynakládání finančních prostředků. Na základě znalosti rozsahu a hloubky vad je možno stanovit přesný počet pracovních pojezdů frézovacích strojů, což přispívá k optimálnímu návrhu výlukové činnosti. Frézování kolejnic u DB pokládají za jakýsi základ pro další preventivní péči. Proto došlo u DB k celosvětově největšímu nasazení frézovacích strojů. Program, který DB realizovalo, využíval souběžného nasazení až 10 vysoce výkonných frézovacích strojů. Tento program si vyžádal velké finanční zdroje. Ekonomický přínos kampaně se nedá přesně vyčíslit, jelikož frézováním se neoddálí pouze výměna kolejnic, ale má také význam v oddálení navazujících činností jako je např. úprava GPK a prodloužení intervalu celkové obnovy koleje. Data o celkovém množství kilometrů kolejnic opravených technologií frézování u DB se do vydání tohoto článku nepodařilo získat. Pro představu uvádíme, že společnost STRABAG SE provedla od roku 2010 do současnosti (pouze vlastními kapacitami) u DB frézování kolejí v celkové délce 4 200 km. Poptávka po nasazení technologie frézování u DB nyní slábne, jelikož DB dovedlo svou síť do snadno udržovatelného stavu. Proto nyní dochází k uvolňování kapacity frézovacích strojů pro nasazení v jiných Evropských státech včetně České republiky. Popis technologického procesu frézování Frézování kolejnice zlepšuje parametry příčného i podélného profilu kolejnice a odstraňuje povrchové vady kolejnic, čímž se snižuje dynamické namáhání železničního svršku a spodku vyvolané jízdou železničních vozidel a zvyšuje životnost kolejnice a ostatních součástí železničního svršku i spodku. Frézováním kolejnic tak dosáhneme zvýšení kvality jízdní dráhy a s tím souvisejícího zvýšení jízdního komfortu, snížení hlučnosti, zvýšení bezpečnosti železniční dopravy a snížení celkových nákladů na údržbu. 4

Obrázek 6: Schématické znázornění procesu frézování kolejnic Úběru materiálu v žádoucích oblastech hlavy kolejnice je dosaženo pomocí rotačního pohybu frézovacích kol, která jsou přitlačována na hlavu kolejnice. Řídící jednotka určuje velikost přítlaku a tím i požadovaný úběr materiálu, který lze plynule regulovat v průběhu pracovní jízdy. Výškové a směrové vedení frézovacího kola je zajištěno vodícími pravítky vedenými v bezprostřední vzdálenosti před frézovacím kolem. Frézovací kolo je vybaveno břity, kterými je po přitlačení a otáčení frézovacího kola docíleno úběru materiálu z hlavy kolejnice. U strojů vlastněných společností STRABAG SE obsahuje frézovací kolo 176 břitů. Z toho množství je 154 břitů čtvercového průřezu pro frézování v oblasti pojížděné plochy hlavy kolejnice. Zbylých 22 břitů má zaoblený tvar a jejich působením se dosahuje výsledného zaoblení v oblasti pojížděné hrany kolejnice. Jednotlivé břity na frézovacím kole mají omezenou pracovní životnost. Ta závisí na směrových poměrech, tvrdosti opracovávané kolejnice, velikosti a tvaru výškového či bočního ojetí hlavy kolejnice. Pracovní souprava je na začátku práce vybavena dostatečně velkým počtem frézovacích kol. Po opotřebení hran břitů (průměrně po 2,5 km výkonu) musí být frézovací kolo vyjmuto a nahrazeno jiným s bezvadným stavem břitů. Opotřebované břity mají možnost pootočení o 90 nebo 180 (v závislosti na tvaru břitu). Po tomto pootočení či výměně opotřebených břitů (v případě vyčerpání možnosti jejich pootočení) je možno frézovací kolo opět použít ve standartním režimu. Výměna či otáčení břitů se provádí v dobu mimo frézování kolejí. S ohledem na snahu zmenšit náklady na výlukovou činnost se frézování obvykle provádí při nočních směnách a veškeré servisní úkony, včetně výše popsané výměny či otáčení břitů, se pak provádí přes den. Obrázek 7,8: Pohled na frézovací kolo (vlevo), detail umístění frézovacích břitů (vpravo) Po provedení ofrézovaní ihned následuje brousící kotouč a v případě kolejových frézovacích strojů i vyhlazovací kotouč, který dodá povrchu optimální vlastnosti ve vztahu k emisím hluku. Při procesu frézování vznikají třísky, které se tvoří z materiálu opracovávané kolejnice. Z důvodu zamezení znečišťování kolejového lože jsou tyto třísky společně s brusným prachem, který vzniká při dobrušování povrchu kolejnice, 5

odsáty do zásobníků. Zásobník je z kapacitních důvodů každodenně vyprazdňován. Obsah zásobníku je odvážen na uložiště odpadu, kde je recyklován. Obrázek 9,10: Boční pohled na brousící kotouč (vlevo), pohled na proces vyprazdňování ocelových třísek ze zásobníku na nákladní automobil se sklápěcí korbou (vpravo) Požadovaný příčný profil kolejnice Objednavatel prací má právo určit výsledný příčný profil kolejnice. Pro různé tvary kolejnic a jejich uložení v úklonu musí být vždy vyrobeno příslušné frézovací kolo. DB požadují tvar příčného profilu kolejnice v oblasti pojížděné hrany (poloha Y-25 až Y- 30) záměrně o 0,4 mm zmenšený, v důsledku je kontakt kolo - kolejnice (tzv. zrcátko) rozprostřen do co největší části oblasti pojížděné plochy a pojížděné hrany, což je vhodné především jako prevence proti vzniku kontaktně-únavových vad kolejnic. Hlubší "podfrézování" by mohlo mít za následek vznik takzvaného dvoubodového kontaktu, který může být v určitých případech nežádoucí. Každý správce infrastruktury má jiné požadavky na tvar příčného profilu vyplývající z místních podmínek. Např. v České republice byl na frézovacích kolech použitý tzv. antiheadcheckingový příčný profil kolejnice (zkráceně AHC ), který je navržen hlavně s ohledem na omezení, resp. oddálení opětovné tvorby nebezpečné vady Head Check. Kontrola provedení prací Při samotném procesu obrábění je činnost každé frézovací i brousící jednotky monitorována videokamerou. Po provedení pracovní jízdy stroj vyhodnotí svými diagnostickými prostředky včetně měření metodou vířivých proudů, zda je příčný a podélný profil kolejnice v souladu se zadáním a zda se v úseku nenachází další vady kolejnic a jaká je jejich hloubka. Příčný profil kolejnice se měří ve vzdálenosti určené zadavatelem prací, nejčastěji každých 500 m. Je samozřejmostí, že správce dostává z veškerých provedených měření jak tištené, tak digitální výstupy. Nezávisle na tomto procesu probíhá ihned za strojem vizuální kontrola opracovaného povrchu. Při procesu frézování kolejnic se v ojedinělých případech lokálně odhalí skryté vnitřní vady většího rozsahu. Ty dělíme na 2 kategorie - opravitelné, do hloubky 7,2 mm, a neopravitelné. U kategorie opravitelné má vždy správce právo rozhodnout, zda se tyto vady budou opravovat větším počtem pojezdů frézovacího stroje (max. 4 6

v případě práce kolejového frézovacího stroje) nebo zda se v nejbližším termínu část kolejnice s vadou vymění. Obr. 11: Ukázka příčného profilu před frézováním, modrá linie znázorňuje značně deformovaný naměřený stav, červená linie pak požadovaný výsledný tvar hlavy kolejnice po opracování Ostatní používané technologie opracování kolejnic u DB Mimo technologii frézování kolejnic se u DB používá k opracování povrchu hlav kolejnic také broušení kolejnic a hoblování kolejnic. Každá z uvedených technologií se hodí pro různé údržbové práce s ohledem na druh, hloubku a závažnost odstraňovaných vad. U DB plánují kampaně celoplošně a nasazování strojů je plánováno tak, aby bylo využito výhod jednotlivých technologií a docházelo k hospodárnému nasazování strojů. Porovnání jednotlivých technologií není součástí tohoto článku. Níže uvádíme pouze přednosti technologie frézování kolejnic: Nízké emise hluku vyzařované při pracovním procesu strojů (cca 79 db), možnost práce v intravilánu v nočních hodinách, kratší lokální akustické zatížení (méně pracovních pojezdů), Minimální odpad (recyklace třísek), nízká prašnost a nulové znečištění kolejového lože, Možnost vysokého i nízkého úběru při jedné jízdě v rozmezí 0,3-3 mm (u kolejových strojů ve vlastnictví STRABAG SE 0,3-1,8 mm), možnost odstranění kolejnicových vad větších hloubek na jeden pracovní pojezd, Není potřeba demontovat počítače náprav a vybrané přejezdové konstrukce, kolejnicové nebo kolejové absorbéry a některá další zařízení v koleji, Možnost nasazení stroje při jakýchkoliv povětrnostních podmínkách Nízké nároky na prostor pro odstavení stroje (cca 60 m), Potřeba krátkých výlukových časů při odstraňování defektů s větší hloubkou. 7

Závěr: Technologie frézování kolejnic má v případě vhodného nasazování v traťovém hospodářství pevně dané využití. Toto využití spočívá hlavně v odstraňování nebezpečné vady Head Check větších hloubek, která bez odpovídajícího zásahu limituje životnost kolejnic a progresivně snižuje bezpečnost provozování dráhy. Dnes je díky nasycení trhů u našich západních a jižních sousedů ideální doba pro nákup výkonů frézovacích strojů za příznivou cenu. Jako perspektivní možnost využití se do budoucnosti jeví opravné frézování ve výhybkách. Literatura: [1] SLUTE, Eric. Frézovaní kolejnic u DB, 19. Konference Železniční dopravní cesta 2016, Olomouc 2016 [2] TÁBORSKÝ, Martin. Systém pravidelného broušení kolejnic, 19. Konference Železniční dopravní cesta 2016, Olomouc 2016 [3] HARTMANN, Miroslav HŮJA, Pavel. Zkušenosti s frézováním kolejnic prováděným dvoucestným strojem Linsinger SF02W-FS, Nová železniční technika 6/2010, Praha 2010 Praha, březen 2017 Lektorovali: Richard Chvátal SŽDC, s. o. Ing. Martin Táborský SŽDC, s. o. Obrázek 12: Nasazení dvoucestného frézovacího stroje SF02 W-FS Truck na mostní konstrukci 8