ěř ování pražcových kotev z recyklovaného plastu

Vědeckotechnický sborník ČD č. 42/2016

1

Otto Plášek1, Richard Svoboda2, Miroslava Hruzíková3, Milan Valenta4

Ověřování pražcových kotev z recyklovaného plastu Klíčová slova: železniční svršek, bezstyková kolej, pražcové kotvy, počáteční zkoušky typu, kontrolní výrobní zkoušky, stabilita koleje Úvod Zavádění nových typů součástí konstrukce železničního svršku vždy vyžaduje pečlivou přípravu, počínající návrhem a následným posouzením jednotlivých součástí i celku, statickými a dynamickými výpočetními analýzami, laboratorními a modelovými zkouškami a provozním ověřením prvku v koleji ve zkušebním úseku. Tento proces trvá zpravidla až 5 let, v případě zásadně nových konstrukcí, podmiňujících bezpečnost a spolehlivost konstrukce koleje, tato doba dosahuje v železničním průmyslu zpravidla 8 až 12 let. Pracovníci Ústavu železničních konstrukcí a staveb byli v roce 2004 osloveni společností Chládek a Tintěra, Pardubice, a.s. se žádostí o pomoc při navrhování a ověření nové konstrukce pražcových kotev z recyklovaného plastu EVA I. Je zřejmé, že pražcové kotvy jsou důležitým konstrukčním prvkem z hlediska stability, spolehlivosti a bezpečnosti bezstykové koleje a že bude nutné pečlivě ověřit funkční vlastnosti tak, aby bylo zaručeno, že kotvy budou po celou dobu životnosti, která se předpokládá 40 let, sloužit svému účelu. Od samého počátku byl do diskuse k ověření vlastností pražcových plastových kotev zapojen správce kolejové infrastruktury, tj. Správa železniční dopravní cesty, státní organizace (dále jen SŽDC). Počáteční oprávněnou nedůvěru k recyklovanému materiálu pražcových kotev vyvážila základní výhoda tohoto materiálu – odolnost vůči korozi. Koroze ocelových kotev v kolejovém loži nebyla dosud nijak sledována a její výskyt by v každém případě vedl ke zhoršení nebo

1 doc. Ing. Otto Plášek, Ph.D., 1962, vzdělání: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, obor Konstrukce a dopravní stavby, současné zaměření činnosti: železniční infrastruktura, pracoviště: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav železničních konstrukcí a staveb. 2 Ing. Richard Svoboda, Ph.D., 1979, vzdělání: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, obor Konstrukce a dopravní stavby, současné zaměření činnosti: železniční infrastruktura, pracoviště: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav železničních konstrukcí a staveb. 3 Ing. Miroslava Hruzíková, Ph.D., 1982, vzdělání: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, obor Konstrukce a dopravní stavby, současné zaměření činnosti: železniční infrastruktura, pracoviště: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav železničních konstrukcí a staveb. 4 Ing. Milan Valenta, 1976, vzdělání: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojní, obor Automatizace a informatika, současné zaměření činnosti: vedoucí akreditované zkušebny č. 1228, pracoviště: Ústav aplikované mechaniky Brno, s.r.o.


2

dokonce ztrátě funkčních vlastností. Plast jako materiál pro pražcové kotvy tak poskytuje korozi odolnou alternativu, kterou je však nutné pečlivě prověřit. Cílem spolupráce se SŽDC bylo získat požadavky na ověření konstrukce a vytvořit prostor pro diskusi k výsledkům zkoušek a pro postupné upřesňování požadavků tak, aby bylo možné na konci procesu považovat výrobek za způsobilý k běžnému užití. Výrobce plastové části kotvy, dodavatel i řešitelský kolektiv vychází vstříc požadavkům SŽDC, bez jejíž spolupráce by nebylo možné dosáhnout konečné ověření nového výrobku. S ohledem na charakter konstrukce pražcových kotev, zejména na strukturu litého recyklovaného plastu byla zvolena cesta experimentálního návrhu a posouzení, spočívající v postupných úpravách tvaru kotvy a technologie výroby na základě dosavadních výsledků zkoušek. Proces ověření plastových kotev jinak zahrnuje všechny etapy potřebné ke schválení sérové výroby – laboratorní a modelové zkoušky, zřízení zkušebního úseku a jeho ověření a zpracování dokumentace, tj. návrhu technických podmínek dodacích. Definice požadavk ů a příprava technických podmínek dodacích První verze návrhu technických podmínek dodacích (dále jen TPD), které definují požadavky na dílenskou výrobu, zkoušení, ověřování jakosti, přejímání, dodávání a používání pražcových kotev byla sestavena v roce 2010 pro plastovou kotvu, mající označení EVA II. Postupnou úpravou tvaru a technologie výroby se změnilo označení kotev, které je v současné době EVA V. Je tedy zřejmé, že v současnosti jsou ve zkušebním úseku vloženy plastové pražcové kotvy v páté generaci návrhu. Přitom TPD jsou již v osmé verzi návrhu.

Obr. 1 - Pražcová kotva EVA V z recyklovaného plastu (vpravo)

Kotevní dílec pražcové kotvy EVA V je vyroben litím za horka z materiálu s obchodním označením TRAPLAST, který se vyrábí recyklací plastových odpadů. Povrchová vrstva na všech částech kotevního dílce je tvořena kompaktním materiálem v tloušťce nejméně 7 mm, který tvoří nosnou skořepinu. Části kotvy tenčí než 14 mm jsou vždy tvořeny v plném profilu kompaktním materiálem, tlustší části


3

kotevního dílce mohou mít vnitřní výplňový materiál porézní. K uvedenému jevu dochází přirozeně v důsledku chladnutí masivního plastového bloku, kdy materiál má snahu se snižováním teploty zmenšovat svůj objem. S ohledem na tuto skutečnost je základním způsobem, jak prověřit množství masivního materiálu v kotvě, vážení každé vyrobené kotvy. Kotva se na pražec montuje pomocí ocelového příchytného třmenu, který se upíná pomocí šroubů a samojistných matic a ploché oceli, zalité do plastového kotevního dílce. V první fázi byly definovány požadavky na zkoušky, parametry zkoušek a způsob jejich vyhodnocení. V druhé fázi byly zkoušky rozděleny do dvou kategorií – počáteční zkoušky typu a kontrolní výrobní zkoušky. Popsáno bylo ověřování kvality uživatelem a přejímka odběratelem. Je nutné podotknout, že pro plastové pražcové kotvy neexistuje žádný standard, zahrnující požadavky na zkoušení. V případech statické a únavové zkoušky a zkoušky na otěr bylo nutné vyvinout a odsouhlasit zkušební postupy s ohledem na jedinečný charakter výrobku tak, aby nahradily zátěž v koleji. Od samého počátku sloužil návrh TPD k uspořádání požadavků na plastové kotvy. Nejprve byly definovány požadavky na vlastnosti materiálu, z něhož jsou kotvy vyrobeny. Protože se jedná o recyklovaný plast, panuje oprávněná obava o homogenitu materiálu a jeho kvalitu v průběhu výrobního procesu, nebo že v důsledku lití materiálu do formy může dojít k tomu, že vlastnosti materiálu se budou měnit v závislosti na poloze v odlitku. V průběhu výrobního procesu se litý plast uspořádá tak, že vytvoří na povrchu skořepinu masivního materiálu tloušťky 8 – 10 mm, přitom v masivní střední části kotvy je materiál relativně porézní. Z těchto důvodů byly pečlivě vybírány materiálové zkoušky a místa na kotvě, ze kterých jsou vzorky ke zkouškám odebírány. Materiál pražcové plastové kotvy musí být nezávadný pro životní prostředí a musí být odolný vůči vlivům:

- mechanickým (doprava, manipulace, ukládání, kontakt s okolním materiálem, působení zatížení apod.);

- klimatickým (teplotní změny, vlhkost, sluneční záření, ozón apod.);

- chemickým (odolnost proti chemikáliím a ropným produktům);

- biologických činitelů (plísně, bakterie, hniloba, hlodavci);

- vysokých teplot (požární odolnost). U materiálu kotevního dílce pražcové kotvy EVA V jsou proto sledovány následující vlastnosti:

- objemová hmotnost (na pěti zkušebních tělesech o rozměrech 20 x 20 mm);

- ohybové vlastnosti – modul pružnosti a pevnost v ohybu (na sedmi zkušebních tělesech o rozměrech 80 x 10 x 4 mm);

- odolnost proti zvýšené teplotě – teplota měknutí dle Vicata (na dvou zkušebních tělesech o rozměrech 10 x 10 x 3,6 mm);


4

- odolnost proti nízkým teplotám – vrubová houževnatost při -10°C (na deseti zkušebních tělesech o rozměrech 80 x 10 x 4 mm);

- vrubová houževnatost Charpy při pokojové teplotě (23°C) (na deseti zkušebních tělesech o rozměrech 80 x 10 x 4 mm);

- požárně technické vlastnosti – průkaz požární klasifikace A2 (pět zkušebních těles pro expozici povrchu a pět zkušebních těles pro expozici hrany, rozměry zkušebních těles 250 x 90 x 10-12 mm).

Dále byly u kotevního dílce stanoveny požadavky na rozměry a hmotnost a jejich tolerance. Byly definovány další zkoušky, prokazující funkčnost pražcové kotvy.

- statická zatěžovací zkouška (stanovení maximální zatěžovací síly při překročení únosnosti pražcové kotvy);

- dlouhodobá únavová zkouška (schopnost pražcové kotvy odolávat opakovanému zatížení v rozsahu 4 kN až 10 kN, počet zatěžovacích cyklů 2.106);

- zkouška otěruvzdornosti (schopnost materiálu plastového kotevního dílce vzdorovat cyklickému namáhání – stanovení úbytku hmotnosti);

- měření příčného odporu pražce s plastovou kotvou. Pro průběžné ověřování jakosti výrobku (plastové pražcové kotvy) jsou v TPD navrženy kontrolní výrobní zkoušky v následujícím rozsahu:

- objemová hmotnost;

- vrubová houževnatost;

- rozměry pražcové kotvy;

- hmotnost pražcové kotvy;

- statická zkouška;

- pevnost v ohybu. Je potřeba připomenout, že TPD jsou v současné době zatím jen v návrhu a rozsah zkoušek tudíž zatím není pevně stanoven a může se stále změnit. Materiálové zkoušky podle návrhu TPD byly provedeny v akreditované laboratoři č. 1004 ITC Zlín a.s. Mechanické zkoušky byly provedeny v akreditované laboratoři č. 1228 ÚAM Brno s.r.o. a jeho laboratořích. Popis těchto zkoušek je předmětem následujících kapitol. Laboratorní a modelové zkoušky Pro modelové zkoušky byly dodány 3 typy pražcových kotev a to: zcela nové (stáří do 14 dnů), 1 rok staré ze skladů výrobce a 1 rok použité ve zkušební trati. Byl dodán dostatečný počet, aby bylo možné statickou zkoušku několikrát opakovat pro základní vzorkování a statistiku.


5

Statickou zatěžovací zkouškou je zjišťována maximální zatěžovací síla při překročení únosnosti pražcové kotvy. Pražcová kotva je namáhána silou až do své destrukce. Uspořádání zkoušky je uvedeno na Obr. 2. V průběhu zkoušky je sledována deformace zkušebního vzorku v závislosti na působící síle. Minimální síla, která byla při destrukci daného vzorku dosažena, byla 12 kN.

Obr. 2 - Uspořádání statické zatěžovací zkoušky

Pro reálné testování skutečných mechanických vlastností byla stanovena zkouška zmrazených pražcových kotev (-30 °C).

Obr. 3 - Snímek pořízený termokamerou před statickou zatěžovací zkouškou

Těsně před statickou zkouškou byla pořízena fotografie pražcové kotvy termokamerou, viz Obr. 3, a stejně tak, těsně po rozlomení, viz Obr. 4, a to z důvodů zdokumentování teplotních polí na i v pražcové kotvě.


6

Obr. 4 - Snímek pořízený termokamerou po rozlomení pražcové kotvy

při statické zatěžovací zkoušce Byl testován předpoklad, že zmrzlá plastová kotva pozbyde požadovaných pevnostních vlastností, což se podařilo vyvrátit, viz Tab. 1.

Tab. 1 - Porovnání výsledků statických zatěžovacích zkoušek

Legenda: � střední hodnota parametru S2 rozptyl parametru σ směrodatná odchylka parametru S (mm) deformace kotvy, při níž došlo k jejímu porušení F (kN) zatížení, při kterém došlo k porušení kotvy Plastová kotva, díky základním vlastnostem polotovaru, má větší rozptyl výsledků než je běžné u homogenních materiálů (např. kovy), což je vyváženo heterogenním chováním tohoto materiálu, kdy i po porušení vrchní tvrdé krusty a dalším šíření trhliny zůstává vysoký zbytkový odpor, tedy částečná funkčnost i u již velmi poškozené pražcové kotvy. Dlouhodobá únavová zkouška sleduje schopnost pražcových kotev odolávat opakovanému zatížení. Pražcová kotva je vystavena cyklickému namáhání silou se


7

sinusovým průběhem v rozsahu od 4 kN do 10 kN, počet zatěžovacích cyklů je 2 miliony. Uspořádání zkoušky je shodné s upořádáním statické zatěžovací zkoušky. V rámci zkoušky se provádí vizuální kontrola držebnosti šroubového spoje, poškození plastu a jeho případné vymačkávání. Zkoušený vzorek konečného návrhu pražcové kotvy po dokončení zkoušky nevykazoval žádné poškození, které by omezovalo funkčnost pražcové kotvy.

Obr. 5 - Průběh únavové zkoušky plastové kotvy

Modelovou zkouškou otěruvzdornosti se kontroluje schopnost materiálu plastového kotevního dílce vzdorovat cyklickému namáhání zrny kolejového lože. Sledován je úbytek hmotnosti kotevního dílce, který je stanoven porovnáním hmotnosti před a po zkoušce. Otěruvzdornost pražcové kotvy se zkouší na modelu spojení pražcové kotvy s pražcem ve štěrkové vaně, uspořádání zkoušky je na Obr. 6. Svislý pohyb vzorku v modelu kolejového lože byl v průběhu zkoušky 2 mm, uskutečněno bylo 2 miliony cyklů. V tomto případě nebyla sledována zatěžovací síla, ale rozsah pohybu kotvy v kamenivu. Kombinovaný pohyb kotvy svisle a vodorovně v obou směrech nebylo možné zajistit s ohledem na náročnost uspořádání zkoušky a obtížné udržení stability vzorku v kamenivu. Po zkoušce byly na vzorku patrné drobné vrypy od kameniva, úbytek hmotnosti způsobený otěrem kotvy byl naprosto minimální, činil pouze 0,2 g.


8

Obr. 6 - Uspořádání zkoušky otěruvzdornosti plastové pražcové kotvy

Nad rámec dohodnutého rozsahu zkoušek, uvedeného v návrhu TPD, byly provedeny statické zatěžovací zkoušky na kotvách vyjmutých ze zkušebního úseku Polička – Borová u Poličky a kotvách podrobených zmrazování. Byly zkoušeny kotvy dlouhodobě hluboce zmrazené (déle než 1 rok). Ve všech případech kotvy vyhověly požadavku a síla při porušení kotvy byla vyšší než 12 kN. Ověřování funk čnosti plastových kotev ve zkušebních úsecích Pro ověření plastových pražcových kotev byly dosud zřízeny dva zkušební úseky. První zkušební úsek byl zřízen v roce 2012 v úseku Polička – Borová u Poličky v km 22,591 – 22,784 v oblouku o poloměru 200 m. Polovina oblouku byla osazena ocelovými pražcovými kotvami, druhá polovina úseku byla osazena kotvami plastovými. Zkušební úsek byl zřízen při opravných pracích, kdy byly vyměněny kolejnice a zřízena bezstyková kolej, přičemž v koleji zůstaly původní pražce SB5 a kolejové lože. Geodetickými metodami byla sledována prostorová poloha koleje. Byly měřeny směrové a výškové změny polohy koleje. Druhý zkušební úsek byl v roce 2015 zřízen v mezistaničním úseku Senice na Hané – Kostelec na Hané v oblouku o poloměru 200 m v km 32,396 – 32,771. V celé délce oblouku jsou kotvy umístěny na každém pražci a to tak, že jsou střídavě použity ocelové a plastové kotvy. Při opravných pracích byl kompletně vyměněn kolejový rošt i kolejové lože. Kotvy jsou namontovány na pražcích B03. V rámci zkušebního úseku jsou a budou nadále sledovány geometrické parametry koleje měřením zajišťovacích měr a pomocí měřicího vozíku KRAB Light. V obou úsecích byl dále měřen příčný odpor koleje s pražci bez kotev, s kotvami ocelovými a s kotvami plastovými. Geodetická měření i měření příčného odporu byly provedeny vícekrát v několika etapách s cílem postihnout vývoj případných změn prostorové polohy koleje a hodnot příčného odporu pražců. Příčný odpor se zkouší přímo v trati na betonových pražcích s pražcovou kotvou ve směrovém oblouku s otevřeným kolejovým ložem s rozšířením a nadvýšením


9

kolejového lože dle předpisu SŽDC S3/2, které je řádně upraveno do profilu a homogenizováno. Před zkouškou jsou upevňovadla na délce cca 3 m od zkoušeného pražce na obě strany uvolněna a kolejnice vyzdviženy nad úložnou plochu pražce tak, aby nebránily volnému posunu pražce a nezvětšovaly tak příčný odpor. Na čelo pražce se osadí vytlačovací hlavice, přes kterou je do pražce vnášena tlaková síla, která je vyvozována pomocí hydraulického systému s tlakoměrem. Velikost posunu pražce je sledována na protější hlavě pražce dvěma snímači posunutí, které jsou osazeny tak, aby velikost posunu byla zjišťována ve směru působení tlakové síly. Uspořádání zkoušky je na Obr. 7.

Obr. 7 - Uspořádání zkoušky pro stanovení příčného odporu pražce v kolejovém loži Výsledný příčný odpor pražce je r [kN] dán ustálenou maximální hodnotou síly potřebnou k posunutí pražce. Grafickým výstupem zkoušky je křivka závislosti vyvozené síly na vyvolaném posunu pražce. Příčný odpor na běžný metr koleje r0 [kN.m-1] byl stanoven přepočtem z příčného odporu pražce r, který byl podělen osovou vzdáleností pražců a [m].

Obr. 8 - Porovnání příčných odporů pražců v úseku Polička – Borová u Poličky

Porovnání výsledků příčných odporů pražců s různými pražcovými kotvami a bez kotev ze zkušebního úseku Polička – Borová u Poličky z roku 2012 a 2013 je na


10

Obr. 8. Z grafu je zřejmé, že plastové kotvy EVA V jsou srovnatelné s ocelovými kotvami a je viditelný přírůstek příčného odporu namontováním pražcových kotev.

Obr. 9 - Porovnání příčných odporů pražců

v úseku Senice na Hané – Kostelec na Hané Na Obr. 9 jsou zobrazeny grafy hodnot příčných odporů pražců měřených v úseku Senice na Hané – Kostelec na Hané v letech 2015 a 2016. I zde je patrné, že plastové kotvy EVA V jsou zcela srovnatelné s ocelovými kotvami. Stejně tak je zřejmé, že jak ocelové tak plastové kotvy výrazně zvyšují hodnotu příčného odporu pražce a jsou tedy významným konstrukčním prvkem pro zvýšení bezpečnosti bezstykové koleje. Z obou grafů je patrné, že vlivem provozu dochází ke zvyšování hodnot příčných odporů, což je dáno konsolidací kolejového lože, ke kterému provozem dochází. Dále jsou vidět velké rozdíly v absolutních hodnotách příčných odporů. Tento rozdíl je asi 1/3 (v počáteční fázi zatěžování) v neprospěch pražců B03. Tento rozdíl je patrně způsoben menším příčným průřezem pražců B03. Svůj vliv má pravděpodobně i kvalita kolejového lože, které je v úseku Polička – Borová u Poličky horší (původní kolejové lože je zčásti znečištěné, více konsolidované). Geodetické sledování obou úseků ukazuje, že nedochází k příčným pohybům koleje a pražcové kotvy (plastové i ocelové) plní svoji funkci. V obou zkušebních úsecích se ukazuje, že plastové kotvy jsou plně srovnatelné s kotvami ocelovými a jsou přínosem pro zvýšení příčného odporu vůči pražcům bez kotev. Závěr Pečlivé ověřování vlastností pražcových kotev z recyklovaného plastu se jeví s ohledem na jejich funkci pro spolehlivost a bezpečnost bezstykové koleje jako


11

nezbytné. Je zřejmé, že si tento proces od roku 2004 vyžádal značné úsilí všech zapojených subjektů – výrobce a dodavatele představovaného společností Chládek a Tintěra, Pardubice a.s. a uživatele, kterým je SŽDC, stejně jako zhotovitelů zkoušek laboratorních a in situ – Fakulty stavební VUT v Brně a Ústavu aplikované mechaniky Brno s.r.o. Veškeré úsilí vedlo k významnému vylepšení tvaru kotvy a procesu její výroby a tím i jejích užitných vlastností. Kotvy byly vloženy do zkušebních úseků, kde bude i nadále sledován jejich vliv na chování koleje v běžném provozu a odolnost kotev samých. Přínosem pro investora a správce infrastruktury bude i nižší cena za pražcovou kotvu. Při srovnání nákladů za kotvu vychází cena kotvy z recyklovaného plastu zhruba o 20 % nižší, cena za montážní práce zůstává přitom stejná. Přes veškeré vložené úsilí a prostředky samozřejmě nelze vyloučit, že se v průběhu vývoje a ověřování nemusí podařit prokázat vhodnost pro běžné použití v koleji. Dosavadní zjištění a výsledky měření naznačují reálnou možnost, že další plánované zkoušky a provozní ověření dopadnou úspěšně a pražcové kotvy z recyklovaného plastu budou ze strany SŽDC schváleny pro použití v provozované koleji. Poděkování Publikované výsledky byly dosaženy v rámci smluvního výzkumu podporovaného společností Chládek a Tintěra Pardubice, a.s. Literatura: (1) SŽDC S3 Železniční svršek (2) SŽDC (ČD) S3/2 Bezstyková kolej (3) ČSN EN ISO 1183-1 Plasty - Metody stanovení hustoty nelehčených plastů -

Část 1: Imerzní metoda, metoda s kapalinovým pyknometrem a titrační metoda (4) ČSN EN ISO 11925-2 Zkoušení reakce na oheň - Zápalnost stavebních výrobků

vystavených přímému působení plamene - Část 2: Zkouška malým zdrojem plamene

(5) ČSN EN ISO 178 Plasty - Stanovení ohybových vlastností (6) ČSN EN ISO 179-1 Plasty - Stanovení rázové houževnatosti metodou Charpy

- Část 1: Neinstrumentovaná rázová zkouška (7) ČSN EN ISO 306 Plasty - Termoplasty - Stanovení teploty měknutí dle

Vicata (VST)

Praha, srpen 2016 Lektorovali: Ing. Vladimír Dubský VOSSLOH DT s.r.o. Ing. Ladislav Kopsa

Documents

ěř ování pražcových kotev z recyklovaného plastu