Mitől veszélyes a behegesztett pálya, és mikor nem az mégsem?

Eleinte összehevedereztük, azután készítettünk hosszú síneket, majd a helyszínen azokat is összehegesztettük. Választhattunk, hogy a sínek végtelenítésére aluminotermikus, vagy helyszíni elektromos hegesztést alkalmaztunk, ahogy a gazdaságosság megkívánta. Mindez csupán technika,

Na de mi van a fizikával?

Ebben a posztban arra kérem a szám-, és fizikafóbiásakat, hogy vegyenek erőt magukon, ugyanis kénytelen vagyok némi adattal is szolgálni. Sajnos ez a téma másként nem megy, de nem fog fájni. Remélem!

Szóval a probléma abban rejlik, hogy a síneket összehegesztettük, na de azt tanultuk az iskolában, hogy az anyagok a hőmérséklet változásának hatására változtatják a méretüket. Igen, a vas is. Ez a dilatáció, magyarul: hőtágulás. Ahhoz, hogy ne tűnjék varázslatnak, amit alább írni fogok, általánosabb ismereteinket kell felidézni. 

A gázokról többek között azt lehet tudni, hogy kitöltik a rendelkezésükre álló teret. Amikor a gázok részecskéi olyan közel kerülnek egymáshoz, hogy már összébb nem is kerülhetnének, akkor folyadékká válnak. A folyamat során hő keletkezik, fordított esetben hőveszteségről beszélünk. Idősebbek gyerekkorukban megnyalták a deres szódás-patront, és ha másról nem is, ebből emlékezhetnek rá, hogy ez bizony így van.

A folyadékok nem tömöríthetőek tovább. Ez a tulajdonságuk teszi lehetővé a hidraulikus gépek működését. Egy szivattyú átpréseli magán a folyadékot, az a szállítócsatornán át a munkahengerbe jut, és ott, mivel tömörödni nem képes, kitágítja a kamrát, amibe préselődik. Ez technikailag egy munkahenger, de a lényeg, hogy az összepréselt folyadék, ahol lehetősége adódik, kitüremkedik a rendelkezésre álló térből, tehát erőt visz át. Jelen esetben a példánk azért fontos, mert a folyadéknak szüksége van egy edényzetrendszerre, ami gátat szab a terjeszkedésnek. Mindez viszont részben elmélet, mert egy nagyon kis mértékben a folyadék is tömöríthető. Nem nagyon, mondhatni elhanyagolható mértékben, de a gázokhoz hasonlóan viselkedik. Bár most ez nem fontos, nyomás alatt növekszik a hőmérséklete is. Azért veszítenek a hidraulikus erőátvitellel dolgozó gépek a hatékonyságukból nagyobb igénybevétel esetén, mert a térfogatvesztés melegedéssel jár, ami rontja a folyadék fizikai jellemzőit.

Ahogyan a folyadékok egy kis mértékben hasonlítanak a gázokhoz, úgy a szilárd anyagok is hasonlítanak egy kis mértékben a folyadékokhoz. A lényegi különbség, hogy a szilárd anyagoknak nincs szükségük edényzetre, hogy megőrizzék az alakjukat erőhatások alatt is. Persze mindannyian láttunk már elszakadt huzalt, vagy elgörbült szeget. Ami viszont talán elkerülte a figyelmünket, hogy annak a bizonyos huzalnak, vagy szegnek szüksége volt egy bizonyos mértékű erőhatásra ahhoz, hogy elszakadjon, illetve elgörbüljön. Kisebb erő esetén ez nem fordul elő. A drót megfeszül és tart, a szeg pedig az ütés ellenére megőrzi alakját. 

Az összehegesztett vasúti sínekben is erőjátékok vannak. Éghajlatunkon a két - amúgy soha elő nem forduló - szélsőség, amivel számolunk, -30°C és +60°C. Ezek azok az elméleti hőmérsékleti határok, amiket a sín hőmérséklete sosem lép át. Talán abszurdnak hangzik, hiszen a -20 °C nálunk extrém hideg, és a +40 ˘C elviselhetetlen meleg, de a levegő hőmérséklete nem a síné. Ha a -20°C-hoz nedvesség és szél társul, akkor a párolgás, ez esetben a szublimáció további hőt von el a síntől. Ugyan ez a maximum felé is igaz. A +40°C léghőmérséklet az árnyékban értendő, ha közben még a sínt a nap is süti, ott bizony még 10-15°C is hozzáadódhat. Ebben az elméleti szélsőséges sínhőmérsékleti tartományban a sín méterenként 1 milliméter hosszváltozást produkálna, ha dilatálhatna. Ez a gátolt dilatáció a középértékhez képest fele-fele részben a hideg és a meleg tartomány felé a sínben ébredő feszültségként van jelen. Ide még meg kell említeni, a fémek jellegzetességét, miszerint a húzó igénybevételt valamivel jobban tűrik, mint a nyomót.

Mit tehetünk, hogy a behegesztett vasúti pályánk biztonságosan használható legyen, ha már dilatálni nem tud, és így a feszültség mint rejtett energia a pályát belülről feszíti? Először is olyan hőmérsékleten hegesztjük össze a síneket, ami az acél fizikai tulajdonságainak és igénybe vevő erőinek optimális középértékét eredményezi. Evvel a lehetséges szélsőségek közötti lehető legkisebb feszültségeket hozzuk létre a pályánkban. Ez nagyon fontos, de nem elégséges. Az összehegesztett - szakszerűen hézagnélküli - pályáknak szigorú műszaki feltételeknek kell megfelelniük. Ezek a feltételek mind azt szolgálják, hogy a sínekben ébredő gátolt dilatációból eredő erőknek ellenálljon, vagyis ezeket az erőket abban a tartományban tartsák, amiben még nem képesek kárt okozni. Ilyen előírások például, hogy kizárólag vasbetonaljakból készült pálya hegeszthető össze, mert a beton tömege olyan nagy, hogy nem engedi a dilatációs feszültség alatt lévő pályát kitörni a helyzetéből. Azután ott van az aljak távolsága, aminek sűrűbben kell a síneket rögzítenie, mint amilyen hosszon az anyag képes lehet a feszültségből adódó lehetséges kihajlásra, alakváltozásra. Hasonló előírás az ágyazat vastagsága, és feltöltöttsége, a minimális ívsugár, valamint az ahhoz tartozó szélesebb ágyazat. Különlegességként itt érdemes megemlíteni az "Y" aljakat, amik anyaguk tekintetében ugyan vasból vannak, lekötési módjukkal viszont háromszög pozíciót hoznak létre, így annak ellenére, hogy elég könnyűek, viszonylag kicsi ívsugarak esetén is kiválóan alkalmazhatóak.

Ha nincs lehetőség kellően nagy ívsugarat létrehozni, mert a létesítési körülmények ezt nem teszik lehetővé, un. aljvégsapkák kerülnek felszerelésre. Ebből sokminden nem látszik, csupán egy furcsa lemezbilincs felső pántja a betonaljak végén, de lefelé nagyon komoly ágyazati ellenállást generál az oldalra kitörni szándékozó pálya helybentartására. Végezetül meg kell még említeni egy viszonylag újkeletű megoldást, amit ágyazatragasztásnak hívunk. Evvel kapcsolatban a szakmagyakorlók véleménye egyelőre megoszlik. Bár vannak kétségtelen előnyei, hatékonysága, és tartóssága tekintetében a szkeptikusok jogos aggályokat vetnek fel.

Mindezek figyelembevételével a következő számítás szerint van meghatározva a hézagnélküli vasúti pályák behegesztési hőmérséklete. A két elméleti szélsőség közötti számtani középérték +15°C. A vas a húzó igénybevételt jobban tűri a nyomónál, így a középérték minimumnak van meghatározva, a behegesztéskor alkalmazható maximum pedig ennél 10+3°C-kal magasabb. A sínek hegesztése bármilyen hőmérsékleten elvégezhető, amíg a vasnak van módja dilatálni, de az utolsó hegesztés, amit szaknyelven záróhegesztésnek nevezünk, ebben a hőmérsékleti tartományban végezhető el. A hőmérsékleti tartomány neve semleges hőmérsékleti zóna, a behegesztéskor mért sínhőmérséklet neve tényleges semleges sínhőmérséklet. Ez az a hőfok, amikor a pályában egyáltalán nincs semmilyen dilatációs feszültség.

Összegzésül az egész műszaki feltételrendszer, és számítási mód azt a célt szolgálja, hogy a pályában kialakuló feszültség mértéke ne legyen magasabb, mint a feszültség féken tartására ezzel szembeállított ellenerő.

A sorozat következő részében azt fogjuk megvizsgálni, hogy milyen esetekben kell félretenni a fent írtakat, miért, és később hogyan hozzuk létre mégis az eredeti állapotot.

Ugrás a minisorozat VI. részére. 

A vonatok sebességének lehetőségeiről más megközelítésben.