A sínhibák kialakulásának gyakorlatból ismert jellemzői

Az európai vasutak utóbbi negyvenöt évére visszatekintve a vontatójárművek, a tengelyterhelés és az átbocsátott éves bruttó elegy­tonna tekintetében is hatalmas fejlődést, növekedést láthatunk. A korszerű vontatójárművek hajtásvezérlése a makrocsúszás tartományában lehetővé teszi az egyre nagyobb indítási vonóerő kivezérlését. Ez az érték az ÖBB mozdonyflottájának adatai szerint az 1. ábra alapján, 1978 és 2014 között 64 kN-nal növekedett, míg a maximális vonóerő a 2. ábra szerint közel 79%-kal emelkedett.
A vontatójárművek teljesítményének fejlesztésére köztudottan azért volt szükség, mert a vasútvonalak tervezési sebességének növekedése mellett a tengelyterhelés növelésére is erős igény mutatkozott. A személyszállító vonatok sebessége egyes európai vasutakat (SNCF, DB) tekintve a menetrend szerinti 300 km/h feletti értéket is elértek, míg a teherszállítás tekintetében a megkívánt standard a 22,5 kN tengelyterhelés lett, amelynek időbeni változásáról jó képet ad a 3. ábra. A sín és kerék kapcsolatának és azok elhasználódásának tekintetében egy másik fontos tényező a járművek áthaladásának gyakorisága, amelyet általában az átbocsátott bruttó elegytonnával jellemezhetünk. Például az ÖBB a hálózatán mutatkozó egyre nagyobb szállítási igények mértékére mintegy 50%-os teljesítménynövekedést prognosztizál a 2009 és 2025 közötti időszak tekintetében.

A folyamatosan növekedő igénybevételek megkövetelték a pálya és a gördülőállomány fejlesztését is. Gondoljunk csak arra, hogy a hazai vonalhálózat felépítménye a hatvanas évekig jellemzően „i” és „C” sínekkel épült. A hetvenes évektől kezdődött a 21 kN terhelésnek megfelelő MÁV 48 felépítmény, majd a 22,5 kN terhelés viselésére alkalmas 54 kg/fm sínrendszerek alkalmazása. Napjainkban már szinte minden új építés és felújítás 60 kg/fm rendszerrel történik. Azonban nem csak a folyópálya, de a kitérők tekintetében is ugyanez a tendencia volt jellemző. További fejlesztések következtek a sínek anyagjellemzői tekintetében is, gondoljunk csak a szakítószilárdság és a keménység értékeinek növelésére. Ezen fejlesztésektől a normál üzemi kopások csökkenését várták el, miáltal karbantartási időt és költségeket takaríthatnak meg. A változó anyagminőségek és körülmények azonban újabb meghibásodási jelenségeket hoztak magukkal. Manapság a különféle gördülési érintkezési (rolling contact fatigue – RCF) típusú meghibásodásokkal kell szembenéznie az üzemeltetőnek, a korábbi leggyakoribb meghibásodás, a síntörés helyett. Az új hibajelenség természetesen a síndiagnosztikában is fejlesztési kényszert generált, ahogyan a karbantartási stratégiák és technológiák területén is változást sürgetett.

A jelenlegi gyakorlat kritikája

Az általánosan használt Hertz-féle képlet szerint az érintkezési feszültség értéke csupán a kerék terhelésétől és a kerék futókörének sugarától függ. Ezt az összefüggést az 1. képlet szemlélteti [2], az összefüggés értelmezését a 4. ábra segíti.

ahol:
qmean: az érintkezési feszültség átlagértéke [N/mm²],
Q: a kerékterhelés [kN],
r: a kerék futókörének sugara [mm].

Az 1. képlet szerinti összefüggés alapján a sínfejben kialakuló nyírófeszültség maximális értéke a 2. képlet segítségével számítható Esveld nyomán [2], figyelembe véve a sínanyag Poisson-tényezőjét (ν=0,3). Arra fel kell hívni a figyelmet, hogy a biztonság kárára tett közelítésen alapuló összefüggést mutatunk be, amely alapján helytelenül az érintkezési feszültség átlagértékéből származtatjuk a nyírófeszültség maximumát.

A sínfejben kialakuló nyírófeszültség eloszlását az 5. ábra szemlélteti. A maximális érték:

ahol:
τmax: a sínfejben kialakuló nyírófeszültség maximuma [N/mm²].