Tenzometrické měření tlaků v železničním spodku na trati Pardubice hl. n. – Jaroměř

POPIS MĚŘENÉHO MÍSTA
Ve spolupráci se Správou železniční dopravní cesty a firmou Chládek a Tintěra, Pardubice a.s. bylo provedeno osazení tenzometrických snímačů na železniční trati Pardubice hl. n. – Jaroměř. Místo, které bylo zvoleno pro analýzu tlaků v podloží, se nachází přibližně 574 m od výpravní budovy železniční stanice Stéblová, ve směru Pardubice-Rosice nad Labem na elektrifikované koleji. Železniční svršek je zde tvořen bezstykovou kolejí, kolejnicí tvaru R65 upevněnou k betonovým pražcům SB 8P pomocí sestavy typu K. Podrobný popis s technickou specifikací je uveden v tabulce č. 1.

Tab. 1 – Specifikace měřeného místa

Na základě provedené numerické analýzy byly snímače tlaku umístěny do tělesa železničního spodku ve třech výškových úrovních, kde v každé vrstvě bylo umístěno celkem pět snímačů. Vzhledem k tomu, že tyto snímače byly uloženy do jednoho řezu, je možné sledovat průběh přenosu zatížení od vlakové dopravy do zemního tělesa. Ve třetí vrstvě, výškové úrovně –1,085 m pod spodní ložnou plochou pražce došlo k uložení snímačů S12, S11, S1, S20 a S15. Každý snímač byl osazen do lože a zasypán křemičitým pískem PR30/31. Vše bylo provedeno podle zásady geometrické podobnosti modelu a skutečnosti, kde v místě snímačů musejí být stejné podmínky jako při laboratorním kalibrování použitých snímačů. Po osazení všech pěti snímačů do profilu následovalo hutnění zeminy pomocí vibračního pěchu NTC NT- 65 a vibračního válce Stavostroj VVW 3400. Druhá vrstva snímačů S2, S7, S10, S3, S13 se nachází ve výšce 0,8 metrů a první vrstva snímačů S16, S9, S17, S5, S14 ve výšce 0,39 metrů pod ložnou plochou pražce. Všechny stíněné kabely od snímačů byly chráněny proti mechanickému poškození chráničkou Kopoflex 40. Podrobný popis rozmístění tlakových snímačů je vyobrazen na obrázku 1.

Popis tenzometrických snímačů
Tlakové tenzometrické snímače se skládají ze dvou částí. Spodní i horní části snímače byly vyrobeny z nerezové kruhové oceli ∅ 80 mm. Po vysoustružení přesného tvaru snímače, byly do obruby vyvrtány a vyřezány závity pro šrouby, které umožnily vytvořit pevné spojení spodní a horní části snímače, v jeden celek. V místě styku obou ploch je osazeno těsnění, které hermeticky uzavře snímač. Geometrie snímače a základní rozměry jsou vyobrazené na obrázku. Do vnitřního prostoru snímače byly nalepeny tenzometry typového označení 6/120LY11 s lineární mřížkou, nosič – polyamid, mřížka – konstantan, odpor mřížky 120 Ω. Pro nalepení tenzometru na nerezové části snímače bylo použito kyanoakrylátové lepidlo Z70 (nízká hystereze řádu setin % z celkové měřené hodnoty deformace). Nestabilita snímače z hlediska teplotních vlivů je eliminována pomocí kompenzačních tenzometrů. V jednom snímači jsou dva tenzometry aktivní, 1. na spodní části a 2. na horní části snímače a dva kompenzační tenzometry, každý teplotně kompenzuje jeden aktivní tenzometr. Vývody tenzometrů do měřícího řetězce byly zapojeny připájením měkkou pájkou na svorkovnici. Zapojení tenzometru ve snímači je provedeno jako plný Wheatstonův můstek. Propojení snímačů a měřící ústředny je realizováno pomocí šestižilových stíněných kabelů typového označení 1-CABA1/100. Všechny aktivní části jsou chráněny silikonovým kaučukem.

Technická specifikace tenzometru 6/120LY11:

• teplotní roztažnost α = 10.8 [10^–6/°C]
• teplotní koeficient 93 ± 10 [10^–6/°C]
• ohmický odpor 120 Ω ± 0,35 %
• k-faktor, deformační citlivost 2,08 ± 1,0 %
• rozměry tenzometru a – 6 mm, b – 2,7 mm, c – 3 mm, d – 6 mm

Pro vyhodnocení odezvy z tenzometrických snímačů je využita měřící ústředna od firmy Hottinger Baldwin Mestechnik typového označení DMC Plus. Měřící ústředna obsahuje celkem 20 měřících kanálů, které jsou přes sběrnici paralelně napojeny na centrální procesorovou jednotku. Rychlost měření je možné volit až do 9 600 snímaných hodnot za sekundu. Hodnoty ze vstupů jsou předávány do vnitřních sběrnic přístroje, kde mohou být digitálně filtrovány, linearizovány či zpracovány matematickou funkcí. Digitální filtry lze vypnout či nastavit do režimu plovoucího nebo aritmetického průměru, exponenciálního filtru nebo zaokrouhlování. Maximální přesnost měření je 20 bitů. Jestliže není možné naměřené hodnoty přenášet z přístroje v režimu on‑line, lze je zaznamenávat do datové paměti s kapacitu 500 000 měřených hodnot. Signál snímaný měřící ústřednou byl zpracován v programu BEAM-DMC od výrobce AMS.

LABORATORNÍ CEJCHOVÁNÍ SNÍMAČŮ
Každý tenzometrický snímač byl před osazením do měřeného profilu kalibrován v laboratoři Katedry dopravního stavitelství. Závislost deformační citlivosti byla určena pro každý snímač se statistickou kontrolou. Celý průběh cejchování i kalibrace byl proveden postupným zatěžováním snímačů v několika cyklech. Samotná kalibrace probíhala pro každý zatěžovací stav zvlášť, průběh zatěžování bylo možné přímo sledovat na výstupech z tenzometrů. Pro kalibraci byl použit ocelový válec průměru 400 mm a výšky 800 mm s pevným dnem, kde přes pákový mechanismus byla vyvozována potřebná síla na tuhou horní desku kalibrační nádoby. Tato deska vyvozovala potřebný tlak na snímač, který byl uložen do křemičitého písku PR30/31 s přesně definovanou křivkou zrnitosti. Snímač byl ve válcové nádobě umístěn v poloviční výšce tj. 400 mm ode dna. Hledané změny napětí se stanovily ze změny odporů, danými hodnotami z cejchovacích křivek jednotlivých snímačů.

VÝSLEDKY MĚŘENÍ
Tenzometrické měření tlaků probíhalo v pravidelných intervalech na základě zpracované metodiky měření. Jednotlivé kabely od snímačů jsou trvale uloženy v šachtě, která se nachází cca 8 metrů od osy koleje. Při přípravě samotného měření bylo nutné pouze snímače s kabely proměřit a konektory ošetřit proti korozi. Po připojení jednotlivých konektorů k měřící ústředně byly nastaveny parametry snímačů na základě provedené kalibrace. K úspěšnému průběhu vlastního měření bylo třeba zajistit bezporuchovou činnost všech členů měřícího řetězce včetně indikace naměřených veličin i z hlediska zvoleného způsobu zpracování výsledků měření. Měřící řetězec je složen z tenzometrického tlakového snímače, měřící ústředny, osobního počítače pro záznam a zpracování měřených dat. Frekvence vzorkování byla zvolena 150 Hz s použitím manuálního startu záznamu s délkou záznamu 180 sekund. Ve zvoleném místě měření byly snímány průjezdy rychlíků, osobních i spěšných vlaků. Vyhodnocení odezvy tlakových tenzometrických snímačů bylo provedeno pro skladbu hnacích a tažných vozidel, které pravidelně jezdí na trati Pardubice hl. n. – Jaroměř. Z výsledků tlaků zaznamenaných na snímačích je možné definovat interval výsledných měřených hodnot, které jsou sumarizovány v tabulce číslo 2. Rozptyly naměřených hodnot tlaků na snímačích v jednotlivých vrstvách tělesa železničního spodku je nutno přisoudit různé rychlosti souprav při průjezdu měřeným místem, dále technickému stavu vozů a také kvalitě železničního spodku a svršku.

Tab. 2 – Naměřené výsledky

ZÁVĚR
Ze zaznamenaných hodnot průjezdů vlaků ř. 163 (za přibližně stejných teplotních podmínek) byl proveden rozbor závislosti naměřených hodnot tlaků v pražcovém podloží na rychlosti průjezdu vozidla. Tímto rozborem, z dosud provedených měření, však nebyla zatím nalezena významnější závislost tlaků v pražcovém podloží na rychlosti průjezdu vozidla. Ovšem tyto výsledky jsou stále ještě velmi předběžné, neboť z polohy měřicího místa plyne, že vlaky jím projíždějí v poměrně podobných rychlostech, konkrétně od 80 do 100 km/h, a tedy rozdíl je relativně velmi malý na to, aby bylo možno vyslovit závěr z těchto konkrétních měření o významném zvyšování tlaků v pražcovém podloží při zvyšující se rychlosti jízdy vozidla. V září 2013 byly v hlavní koleji Pardubice – Česká Třebová nainstalovány tlakové snímače a snímače zrychlení. Místo bylo zvoleno s cílem zaznamenat a analyzovat tlaky v pražcovém podloží i při vyšších rychlostech průjezdu vozidel, tzn. vyšších, než 100 km/h. Budoucí výsledky doplní již získaná data z tenzometrického měření tlaků v železničním spodku na trati Pardubice – Jaroměř.

Příspěvek byl realizován za finančního přispění SŽDC, Průběžná zpráva 2012, Analýza a optimalizace návrhových parametrů železničního svršku a spodku pro provoz lehké kolejové dopravy na regionálních tratích.

Tensometric pressure measurement railway substructure Pardubice – Jaroměř
In this paper we discuss experimental measurements of pressures in the substructure of railway track on the railway line Pardubice hl. n. – Jaroměř. Mounting tensometric indicators on the railway line Pardubice (main station) – Jaroměř was carried out in cooperation with Railway Transport Administration and Chládek a Tintěra company, Pardubice a.s. Place which was chosen for floor pressure analysis lies nearly 574 m far from the dispatching building of Stéblová railway station in the direction Pardubice – Rosice nad Labem on an electrified rail.

Autoři

• Ing. Šmejda Aleš
• doc. Ing. Culek Bohumil Ph.D.