3. A kísérleti szakaszon végzett mérések és eredményeik

A különböző ragasztási módokkal kialakított vágányszakaszon a kísérleti mérések 2012. június 12-én történtek meg, Zalabér-Batyk állomás átmenő fővágányában. A kísérleti szakasz teljes hossza 10,80 + 33,60 + 9,60 = 54,00 m volt.
A vágányszakasz jellemzői:

• 60 E1 rendszerű sín,
• B70-N típusú vasbeton aljak, 0,60 m aljtávolsággal,
• Vossloh szorítókengyelek, KL síncsavarok,
• 0,35 m hasznos ágyazatvastagság,
• HK védőréteg.

A 4. ábrán a kísérleti szakaszon a különböző típusú ragasztások kialakítása ­lát­ható. Ötfajta változat valósult meg:

• 0 – nincsen ágyazatragasztás,
• A – gyenge ragasztás (két ragasztott ge­renda a sínszálak környezetében, egyen­ként 4,80 × 1,05 × 0,20 m mérettel),
• B – közepes ragasztás (a keresztaljakkal együtt 4,80 × 2,60 × 0,25 m-es ragasztott lemez),
• C – erős ragasztás (a keresztaljakkal együtt 4,80 × 2,90 × 0,33 m-es ragasztott lemez),

• D – nagyon erős ragasztás (a ­kereszt­aljakkal együtt 4,80 × 3,30 × 0,50 m-es ragasztott lemez).

A kísérleti szakaszon a ragasztást a MÁV-Thermit Kft. szakemberei végezték el. Az eltérő módon kialakított ­ágyazat­ragasztások geometriai méretei nem, de a ra­gasztáshoz felhasznált anyag ­mennyi­sége üzleti titok, ezért utóbbit nem áll módunkban megadni. Az 5. ábra a kísérleti vágányszakaszt mutatja.

A kísérleti szakaszon összesen 7 db tartószerkezetet szereltünk fel a peron oldalfalára, amelyek segítségével 7 db keresztaljon, azok peron felőli végén mérni tudtuk a járműteher alatti függőleges elmozdulásokat. Két keresztaljra egy-egy gyorsulásadót is felszereltünk. A kísérleti vá­gányszakaszon a számozott keresztaljakat, az út- és gyorsulásadók elhelyezését a 6. ábrán rajzoltuk meg.

 
Az eredeti elképzelés szerint a kísérleti méréseket két ütemben kívántuk elvégezni. A mérések első sorozatában statikus méréseket terveztünk úgy, hogy egy UDJ vontatta, ismert tömegű teherrel (vb. ke­resztaljakkal) megrakott Ks kocsi azonos tengelye kerül mindig a mérésre kijelölt aljak fölé a ragasztatlan és a különböző mó­don ragasztott szakaszokon. Először megmértük volna a felállított Ks kocsi sta­tikus tengelyterhe okozta függőleges süllyedést az egyes szakaszok kijelölt ­al­jain (pl. az aktuális mező középső alja). Ezt követően a Ks kocsi alvázához a két tengely közötti felezőpontban kitámasztott statikus terhelőberendezéssel akartunk egyre növekvő nyomóerő hatására létrejövő sínlesüllyedéseket mérni. (Az egy sínszálra működtetett tervezett terhelőerő maximális nagysága 150 kN lett volna.) Második ütemben dinamikus méréssorozatot terveztünk. Az UDJ a megrakott Ks kocsit 10–40–80 km/h sebességgel végigvontatta volna a teljes kísérleti szakaszon, s mérni kívántuk a pőrekocsi tengelyei okozta keresztalj-lesüllyedéseket ugyanazokon az aljakon, amelyeken statikusan is mérni terveztünk.
Sajnos az eredetileg elképzelt mérésekre nem kerülhetett sor, mert a tervezett 8 óra vágányzárat a forgalmi szolgálat nem tudta biztosítani. Ekkor döntöttünk úgy, hogy a méréseket állomáson áthaladó szerelvények segítségével végezzük el.
Összesen 10 áthaladó szerelvény alatt történt mérés. A 7. ábra az időben első, V63-as villanymozdony vontatta teherszerelvény áthaladása során felvett adatokból az idő (msec) függvényében készített diagramokat mutat. A mozdonytengelyek alatti elmozdulások a diagramokon az időtengely mentén eltolódtak egymáshoz képest, mégpedig annyival, mint amennyi időre szüksége volt a mozdonynak az adók közötti távolság megtételéhez. A B jelű ragasztott hosszon két ­jel­adót szereltünk fel (KÖZ1 és KÖZ2).

Az 1. táblázat az áthaladó villanymozdonyok statikus tengelyterhe és a mért lehajlások hányadosaként számított rugóállandókat mutatja. A szerelvények alacsony áthaladási sebessége miatt (két eset kivételével 55 km/h alatt) dinamikus felszorzást nem alkalmaztunk. A táblázat alsó sorában az átlagértékek olvashatók, amelyeknél az alászínezések jelentése a következő:
A gyenge (GYEN), a közepes (KÖZ) és az erős (ER) ragasztások rugóállandói között különbséget gyakorlatilag nem lehetett kimutatni. Ennek oka, hogy bár a felhasznált fajlagos anyagmennyiség aránya egyre nagyobb volt és a kialakult ragasztás vastagsága is növekedett (20:25:35 cm arányban), de ezekhez ké­pest a pálya merevségi (rugalmassági) vi­szonyai uralták a viselkedést. Azaz a teher alatti lehajlásra a rétegszerkezet alsó rugójának (alépítmény + kiegészítő réteg) lágy­sága, s nem a ragasztott rétegek me­revsége volt lényegesen erősebb hatással. (A mérési eredmények alapján számított rugóállandók nagyságát az alépítmény-korona állapota is befolyásolta, erre vo­natkozó adatokkal azonban nem rendelkeztünk. A vágányt néhány éve új alépítmény-korona sík kialakításával, kiegészítő réteg beépítésével újították fel. Ezért a kö­zepesen jó, homogén állapot feltételezhető volt.) A helyszíni mérések során ka­pott eredmények szükségessé tették a ra­gasztott ágyazat járműteher alatti viselkedésének véges elem számítógépes programmal történő alaposabb elemzé­sét.

4. Számítások véges elem programmal

A ragasztással az ágyazati szemcsék nagy szilárdsággal, tartósan kapcsolódnak egymáshoz. Az így létrejött réteg – ­geomet­riájától függően – felfogható olyan gerendának vagy lemeznek, amely rugalmas­sági modulussal rendelkezik és rugalmasan ágyazott. Nehézséget okozott azonban a Zalabér-Batyk állomási kísérleti szakasz adataival történő számításokban, hogy nem ismertük a gerenda/lemez ágyazási tényezőjét. Sőt a ragasztott gerendára megbízható rugalmassági modulus érték sem állt rendelkezésre.
A felmerült nehézségek miatt úgy döntöttünk, hogy nagyszámú, véges elem programmal történő számítással oldjuk meg a feladatot, azaz határozzuk meg – a kísérleti ragasztásokra megállapított helyszíni mérési eredmények alapján – azt, hogy milyen körülmények között és milyen paraméterekkel lehetséges/szükséges az átmeneti szakaszt kialakítani.
A számítási modellek felületi ­geomet­riája mindig megegyezett a helyszíni kísérlet során alkalmazott ragasztott ­mező­kével. A vastagságot az A modellben 20, a B modell esetén 25 és a C esetben 35 cm-nek vettük fel. A D modell esetében 50 cm vastagsággal dolgoztunk.
A 8. ábrán a D típusú ragasztás 4,80 × 3,30 m felületű lemezmodellje látható.
A ragasztott ágyazat a vb. keresztaljakkal együtt alkotja a lemezt.

Először az ún. gyenge ragasztással készült gerenda rugalmassági modulusát határoztuk meg a helyszíni mérés során GYEN jelű útadóval felvett vonatteher alatti keresztaljsüllyedésekből (1. táblázat). Ehhez egy sorozat futtatást végeztünk úgy, hogy

• az A típusú gerendamodellel dolgoztunk, melynek vastagságát 20 cm-re vettük fel;
• a ragasztott gerenda ágyazási tényezőjét C = 0,20 N/mm3 értékben ­hatá­roztuk meg, mert a gerenda alatt még kb. 35 cm tömörített ágyazati réteg volt (hasznos ágyazatvastagság);
• a terhet a V63-as sor. villanymozdony első forgóváza adta, s annak első tengelyét tettük a mező szimmetriapontjára, azaz ahol a próbaszakaszon az ­út­adónkat is elhelyeztük (második tengely a ragasztott lemez szélére, a harmadik a ragasztatlan zúzottkő ágyazat szakaszára került).

A futtatások során addig változtattuk a rugalmassági modulus értékét, amíg ugyanaz a keresztalj-süllyedési érték (0,42 mm) nem adódott, mint amekkorát a kísérleti vágányszakaszon mértünk a V63-as mozdonyok tengelyterhe alatt. Eredményül E = 5750 N/mm2 értéket kaptunk, s ezt tekinthetjük az A típusú, gyenge ragasztással létrehozott gerenda rugalmassági modulusának.   
Ezután számításokat készítettünk az A típusú, gyenge ragasztásra az alábbi paraméterekkel:

• lemezvastagság: 20 cm,
• lemez ágyazási tényezője:0,05–0,10–0,15–0,20 N/mm3,
• E = 5750 N/mm2,
• teher: V63-as háromtengelyes forgóváz, első tengely lemezközépen.

A zúzottköves vágány ágyazási tényezőinek gyakorlati értékeit a 2. táblázat tartalmazza.

                                                                                                                                                         
Előállítottuk a sínben ébredő nyomatékoknak és a sín függőleges süllyedéseinek ábráit. A nyomatékértékek akkorák voltak, hogy elemzést nem igényeltek. Egy süllyedési eredmény a 9. ábrán látható.
A kék vonallal jelölt szakasz a ragasztott mező hossza.

Hasonló módon jártunk el a D jelű, na­gyon erős ragasztás esetében is. Ered­ményül E = 25 000 N/mm2 értéket kaptunk, s ezt tekinthetjük a D típusú, na­gyon erős ragasztással létrehozott gerenda rugalmassági modulusának.   

Az előzőekben leírt eljárást kívántuk alkalmazni a közepes és az erős ragasztással készített lemezek rugalmassági modulusának meghatározására is. Ez azonban nem sikerült, mert a helyszíni mérések során gyakorlatilag semmi különbség nem adódott az A, a B és a C ragasztott mezőkön mért, mozdonyterhek alatti keresztaljsüllyedések között. Ezért a kísérleti mé­rések alapján rugalmassági modulust a B és a C erősségű ragasztásra nem számítottunk. Mérlegelve az A és a D ragasztásokra meghatározott rugalmassági modulusok (E) értékét, valamint az E értéknek a sín süllyedése nagyságára gyakorolt be­folyásoló szerepét, a B, illetve a C ra­gasztásra az alábbi rugalmassági modulusokat javaslatként fogalmaztuk meg:

• B (közepes) ragasztás:E = 10000 N/mm2,
• C (erős) ragasztás: E = 15000 N/mm2.

A Zalabér-Batyk állomási kísérleti szakaszon útadókat szereltünk fel olyan ke­resztaljakra is, amelyek ragasztás nélküli zúzottkő ágyazatban feküdtek. Szá­mí­tá­saink alapján a ragasztás nélküli ágyazat rugalmassági modulusára E = 70…90 N/mm2 érték vehető fel.

5. Az átmeneti szakasz kialakításának megkövetelt paraméterei

A csatlakozó szakaszon a pálya merevségének nagymértékű, hirtelen változása nem megengedett. Két, jelentősen eltérő érték között az átmenet lehet folyamatos változású vagy lépcsőzetes. A folyamatos változás mind a vágány igénybevétele, mind a jármű futása számára ideális lenne. Azonban ennek anyagtulajdonsági (létrehozható rugóállandók), valamint kivitelezési nehézségei lennének. Sokkal egyszerűbben számítható és megvalósítható, ha az átmeneti szakaszon a pálya merevségének változását – bizonyos peremfeltételeket kielégítve – lépcsőzetesen oldjuk meg. 
A peremfeltételek alapjául a jármű fu­tás­minőségének szempontját választottuk.
A megfelelőséget két paraméter szabályozásával érhetjük el:

• a két szomszédos szakaszon a ­jármű­teher alatti sínsüllyedés értékének kü­lönb­ségét korlátozzuk,
• az átmeneti szakasznak pedig megállapítjuk a szükséges legrövidebb hosszát.  

A határparaméterek megállapításánál az is szempont (de nem döntő), hogy a lehető legkevesebb lépcsővel lehessen az átmenetet megoldani.
A jármű alatti sínsüllyedés értéke függ a keréktehertől és a pályaszerkezet jellemzőitől. A dinamikus kerékteher nagysága a statikus alapértékből és abból a szorzótényezőből adódik, amely a sebesség és a pályaminőség függvénye. Próba­számí­tá­sok alapján végül az átmeneti szakasz ki­alakításának szükségességét eldöntő lehajláskülönbség értékére – kiindulási paraméterként – 0,5 mm-t vettünk fel. A le­hajláskülönbséget ugyanazon járműteher által a csatlakozó, de eltérő kialakítású pá­lyaszerkezeteken létrejövő lehajlások kü­lönb­sége jelenti.
Az átmeneti szakasz legrövidebb hosszának megállapítására azt a megoldást vá­lasztottuk, hogy a pályasebesség függvényében előírjuk, a változás milyen időhossznál ne legyen rövidebb. Ezt 0,5 sec-ra ajánljuk felvenni. Ebből a feltételből a 3. táblázat hosszai adódnak.