TILLSTÅNDSKONTROLL AV SPÅRVÄXLAR MED MÄTUTRUSTNING MONTERAD PÅ TÅG I REGULJÄRTRAFIK

Transkript

1 TILLSTÅNDSKONTROLL AV SPÅRVÄXLAR MED MÄTUTRUSTNING MONTERAD PÅ TÅG I REGULJÄRTRAFIK Simon Rengmyr Högskoleingenjör, Underhållsteknik 2017 Luleå tekniska universitet Institutionen för samhällsbyggnad och naturresurser

2

3

4

5 Abstract From 2000 to 2015, the cost of operation and maintenance (including reinvestment) and trac control has increased from approximately three billion to over nine billion Swedish kronor annually. By making more frequent measurements of track irregularities and identifying trends earlier, accurate and eective maintenance can be performed. Therefore, in the industry and academy, dierent measurement solutions are tested to measure the state of railroad tracks in a simple and more frequent manner. One of the solutions is to use measuring systems mounted on trains in regular trac. By using regular scheduled services, a higher cost eectiveness regarding inspection frequency can be achieved. When the measuring equipment is mounted on freight trains, a measurement with considerably higher axle load can also be performed. In the course of this work, a literature study have been conducted and a number of scienti- c articles and reports have been studied at depth. There is a number of dierent systems that have been manufactured to be mounted on rolling stock in regular service. Dierent solutions are applied to perform the measurements. Acceleration sensors are robust and reliable, which is necessary because they will be mounted in an exposed environment. A dierence that has been identied is the installation of accelerometer sensors that are either mounted before or after the primary suspension. Before suspension the sensors are mounted on the axle box and, after suspension the sensors are mounted on the train bogie. The engineering company Damill is working within monitoring solutions and has developed equipment for mounting on trains in regular trac called Tracklogger. Earlier evaluations of the equipment have been made with focus on comparison with machine inspections. There is a dierence between the technology used in track recording vehicles and the technology that Tracklogger uses, such comparison is not entirely appropriate. In discussion with Damill the focus of this work has been to see if recordings of switches can be linked to maintenance actions. Since the equipment is in the development stage it is important that the measurement data collected is critically reviewed with regard to what information it delivers. The measurements have been carried out on switches in the main train track on track number 119 between Luleå and Boden and the mining company LKAB's ore wagon has been a tool carrier. In ve out of eight cases, a maintenance action can be linked to reduced measured values of switches with xed crossing points. In one case, maintenance action has increased the measured value. In two cases, there is no signicant dierence in the measured value associated with maintenance actions. In previous evaluation, it was determined that it is good repeatability in the measured position, but not as high repeatability in the measured size. A number of switches have been studied to check the repeatability of the measurement. As the train runs in a circle run in Luleå harbor, there will be a limited number of occasions the equipment is running in the same direction in combination with the sensors on the same axle in the bogie, which may eect the measurement results. When analyzing the repeatability of ve passages where the direction of travel is not taken into account, it is determined that three out of ve passages show a good repeatability. The repeatability of the measurement is suspected of being related to the condition, as signicantly greater dierences in the measured signal are obtained just before a maintenance action has been taken. I

6 II

7 Sammanfattning Från år 2000 till 2015 har kostnaden för drift underhåll (inklusive reinvestering) och tra- kledning, ökat från ungefär tre miljarder till över nio miljarder kronor årligen. Genom att göra mer frekventa mätningar av spårets tekniska tillstånd och identiera trender tidigare kan ett mer korrekt och eektivt underhåll utföras. Därför testas, inom branschen och akademi, olika mätlösningar för att på ett enkelt och mer frekvent sätt mäta tillståndet hos järnvägsspår. En av lösningarna är att använda mätsystem monterade på tåg i reguljärtrak. Genom att använda tåg i reguljärtrak kan en högre kostnadseektivitet avseende på inspektionsfrekvens uppnås. Då mätutrustningen monteras på godståg kan en mätning med avsevärt högre axellast också göras vilket representerar banans beteende under verkliga förhållanden. Inom ramen för detta arbete har litteraturstudie utförts och ett antal vetenskapliga artiklar och rapporter har studerats närmare. Sammantaget så nns det ett antal olika system som har framställts för att monteras på tåg i reguljärtrak. De använder olika lösningar för att utföra mätningen. Accelerationsgivare är robusta och har hög tillförlitlighet, vilket är nödvändigt eftersom de ska monteras i en utsatt miljö. En skillnad som har identierats är monteringen av accelerationsgivare som antingen monteras före eller efter primärfjädringen. Före fjädring monteras givarna på axelboxen och efter fjädring monteras givarna på tågboggin. Ingenjörsföretaget Damill arbetar med mättekniska lösningar och har utvecklat en utrustning för montage på tåg i reguljärtrak kallad Tracklogger. Tidigare utvärderingar av utrustningen har gjorts, där låg fokus på jämförelse med främst maskinella besiktningsanmärkningar. Det är skillnad mellan tekniken som används vid spårlägesmätning och tekniken som Tracklogger använder, alltså är en sådan jämförelse inte helt lämplig. Vid diskussion med Damill har fokus i detta arbete varit att se om utslag i spårväxlar kan kopplas till underhållsåtgärder. Eftersom utrustningen är i utvecklingsstadiet är det viktigt att den mätdata som samlas in kritiskt granskas med avseende på vad den levererar för information. Mätningarna har utförts på spårväxlar i huvudspåret på bandel 119 mellan Luleå och Boden, gruvföretaget LKAB:s malmvagn har varit instrumentbärare. I fem av åtta fall kan en underhållsåtgärd kopplas till minskade mätvärden på växlar med fast korsningspets. I ett fall har underhållsåtgärd ökat mätvärdet. I två fall nns ingen skillnad på mätvärde i samband med underhållsåtgärd. I tidigare utvärdering fastställdes att det är god repeterbarhet i utslagens position, men inte lika hög repeterbarhet i utslagens storlek. Ett antal växlar har studerats för att kolla på mätningens repeterbarhet. Eftersom tåget kör i en rundslinga i Luleå hamn medför att det blir ett begränsat antal tillfällen utrustningen har kört i samma riktning i kombination med givarna på samma axel i boggi, vilket kan göra skillnad för mätresultat. Vid analys av repeterbarheten för fem stycken växelpassager där färdriktningen inte tas hänsyn till fastställs att tre av fem passager visar en god repeterbarhet. Mätningens repeterbarhet misstänks kunna relateras till växeln kondition, då betydligt större skillnader i uppmätt signal erhålls precis före en underhållsåtgärd har utförts. III

8 IV

9 Förord Denna rapport är resultatet av ett examensarbete utfört på företaget Damill AB, samt avdelningen för drift och underhållsteknik vid Luleå tekniska universitet (LTU). Jag vill tacka Dan Larsson, VD, Damill för möjligheten att göra detta arbete. Tack till Ulla Juntti, Omicold AB, för handledning under arbetet. Tack till handledare Christer Stenström, biträdande universitetslektor, LTU. Jag vill tacka följande personer för deras tid och värdefulla synpunkter: Matthias Asplund, Spårspecialist, Trakverket Arne Nissen, Spårtekniker, Trakverket Iman Arasteh Khouy, Spårspecialist, Trakverket Stephen Mayowa Famurewa, bitr. universitetslektor, LTU Göran Henning, Arbetsledare, Infranord Till sist vill tacka alla lärare och kurskamrater på avdelningen drift och underhållsteknik för tre år av studier fyllda med skratt och trevliga stunder. Juni 2017, Luleå Simon Rengmyr V

10 VI

11 Innehållsförteckning 1 Inledning Bakgrund Problemformulering Syfte Mål Forskningsfrågor Avgränsningar Rapportens innehåll och struktur Teori Underhållsteknik Avhjälpande underhåll Förebyggande underhåll Underhållssystem Mätteknik Vibrationsmätning Accelerationsgivare Upplösning och val av lter Förväntade fel som kan upptäckas Spårväxlar Punktfel samt räor och vågor Tracklogger Axellast vid spårmätning Fördelar med kontinuerlig mätning Tidigare arbeten Metod Litteraturstudie Insamling och analys av data Intervjuer Resultat Mätdata från Tracklogger Information från infrastrukturförvaltaren Samband mellan mätdata och underhållsåtgärder Mätningens repeterbarhet Diskussion Korsningspetsens felutveckling VII

12 6 Slutsatser 33 7 Förslag på fortsatt arbete Utveckling av mjukvara Utveckling av hårdvara Referenser 37 Figurer 2.1 Underhåll Översikt. SS-EN 13306, Illustration på hur en enhet degraderar. Stenström, Fast korsningsspets Rörlig korsningsspets Tracklogger monterad på malmvagn Kinetisk energi med avseende på last och hastighet Mätdata bandel 119, för datum 2324 april Gammelstad driftplats Norra änden Gammelstad driftplats Notviken växel 7b, fast korsning Sävastklinten växel 6, rörlig korsning Driftplats Notviken, huvudspåret passerar växel 7b Driftplats Sävast, huvudspåret passerar växel 1 och Driftplats Gammelstad, huvudspåret passerar växel 1 och Notviken 7b, södergående tåg Sävast 7, södergående tåg Gammelstad 13, södergående tåg Notviken 7b, april Notviken 7b, juni Notviken 7b, 4-7 augusti Sävast 7, april Sävast 7, juni Degradering, felfördelning VIII

13 Tabeller 4.1 Besiktningsanmärkningar på spårväxlar i huvudspår bandel 119 år Besiktningsanmärkningar med avseende på åtgärd, år Besiktningsanmärkningar med avseende på ballast, år Relevanta felanmärkningar i Ofelia, år Information från BIS, spårväxlar i huvudspår bandel Anmärkningar BESSY nvn växel 7b i augusti IX

14 X

15 Förkortningar och nomenklatur UH Underhåll FU Förebyggande underhåll AU Avhjälpande underhåll bdl Bandel spm Spårmeter SWEREF99 Swedish Reference Frame Ociella referenssystemet som används i Sverige WGS 84 World Geodetic System Globalt geodetiskt referenssystem Optram Optimized track management. Trakverkets databas för spårlägesmätningar BESSY Besiktningssystemet. Trakverkets system för besiktning BIS Baninformationssystemet. Trakverkets system för anläggningsinformation Ofelia. Trakverkets system för felanmälningar (AU) TL Tracklogger. Mätväska som monteras på tågvagn G Acceleration [m/s 2 ] G rms Acceleration, kvadratiskt medelvärde [m/s 2 ] XI

16 XII

17 Denitioner Underhåll Kombination av samtliga tekniska åtgärder, administrativa åtgärder och ledningsåtgärder under en enhets livstid som är avsedda att vidmakthålla den i, eller återställa den till, ett sådant tillstånd att den kan utföra krävd funktion Underhållsstrategi Av ledningen angiven inriktning för att nå målen för underhåll [SS-EN 13306, 2010] [SS-EN 13306, 2010] Underhållssäkerhet En underhållsorganisations förmåga att tillhandahålla underhållsresurser på erforderlig plats så att krävda underhållsåtgärder utförs när så krävs [SS-EN 13306, 2010] Avhjälpande underhåll Underhåll som genomförs efter det att ett funktionsfel upptäckts och med avsikt att få en enhet i ett sådant tillstånd att den kan utföra krävd funktion [SS-EN 13306, 2010] Förebyggande underhåll Underhåll som genomförs vid förutbestämda intervall eller enligt förutbestämda kriterier och i avsikt att minska sannolikheten för fel eller degradering av en enhets funktion [SS-EN 13306, 2010] Tillståndsbaserat underhåll Förebyggande underhåll som omfattar en kombination av övervakning eller inspektion eller provning, analyser och påföljande underhållsåtgärder [SS-EN 13306, 2010] Övervakning Aktivitet som genomförs antingen manuellt eller automatiskt, med avsikt att, vid förutbestämda intervall, mäta en enhets egenskaper och aktuella tillstånd [SS-EN 13306, 2010] Degradering Skadlig förändring i en enhets fysiskt tillstånd på grund av tid, användning eller yttre orsaker [SS-EN 13306, 2010] XIII

18 XIV

19 Inledning 1.1 Bakgrund Det nns ett behov att kontinuerligt mäta järnvägsspår för att kunna planera underhållsarbeten och säkerställa en hög tillgänglighet samt garantera traksäkerheten. Idag mäts varje stäcka 16 ggr/år beroende på besiktningsklass (BVF 807.2), och i vissa fall är det inte nog ofta för att kunna beräkna trender i mätdata. Traditionella mätvagnar påverkar även tillgängligheten av spåret. På trakintensiva sträckor kan det vara svårt att planera in mätningarna samt drift av mätvagnen har en kostnad. Damill AB har utvecklat en mätenhet, kallad Tracklogger (TL), vars syfte är att kontinuerligt leverera tillståndsinformation över järnvägsspår. Det är en portabel utrustning som använder sig av accelerationsgivare för att mäta slag och stötar genom att monteras på boggin på tåg i reguljärtrak. Det har gjorts tidigare studier, se avsnitt Det nns skäl att utföra vidare analyser av mätdata från utrustningen för att veriera mätningarnas tillförlitlighet samt fastställa vilka fel som kan detekteras med hjälp av utrustningen. Genom att använda tåg i reguljärtrak kan en högre kostnadseektivitet med avseende på inspektionsfrekvens uppnås jämfört med traditionella mätvagnar. Då mätutrustningen monteras på godståg kan mätning med hög axellast också göras, då ges tillfälle att mäta banans beteende under verkliga förhållanden. 1.2 Problemformulering Det nns utmaningar med dagens mätteknik och noggrannheten i mätdata som levereras till Trakverkets olika system, till exempel spårlägesmätningar, ultraljud och manuella besiktningar. Detta innebär att underhållsåtgärder måste ta hänsyn till detta genom att underhållsarbeten kan bli och är mer omfattande än det egentliga behovet. Detta påverkar underhållsplaneringen, underhållsarbete och tillgängligheten av spåret. Genom att göra mer frekventa mätningar och identiera trender tidigare kan ett mer eektivt underhåll utföras. Därför testar förvaltare olika mätutrustningar för att på ett bättre och mer frekvent sätt mäta tillståndet hos järnvägsspår. En kostnadseektiv möjlig lösning är att mäta järnvägens tekniska tillstånd från tåg i reguljärtrak. Ovan nämnda Tracklogger är en sådan utrustning och avses studeras i detta arbete. Det nns utförda studier där accelerationsgivare har använts för att mäta spårets tillstånd, dessa är dock begränsade avseende nordiskt klimat och tunga axellaster. 1

20 1.3 Syfte Syftet med projektet är att utreda om, hur och på vilket sätt mätdata från accelerationsgivare monterade på tåg i reguljärtrak kan användas för tillståndsbedömning av järnväg avseende tunga axellaster och nordiska förhållanden. 1.4 Mål Målet med detta arbete är att kartlägga möjligheter och begränsningar med mätenheten TL, för att i förlängningen bidra till framtagning av ett säkert sätt att mäta järnvägsspår och kunna utföra underhållsinsatser som är tillståndsbaserade. 1.5 Forskningsfrågor 1. Vad har gjorts och vad görs inom forskning idag för att uppskatta tillståndet av järnvägsspår med avseende på punktfel, med hjälp av accelerometerdata från mätenheter på tåg i reguljärtrak. 2. Vilka tillståndsbedömningar görs från dagens mätmetoder avseende spårväxlar och punktfel på järnvägsspår? 3. Hur kan accelerometerdata analyseras för att göra säkra bedömningar? 1.6 Avgränsningar Geogrask avgränsning sträcka Luleå Boden, bdl 119 Mätdata från perioden april till augusti 2015 analyseras Punktfel med anknytning till spårväxlar analyseras 1.7 Rapportens innehåll och struktur Detta kapitel innefattar bakgrunden till projektet samt syfte och målet med arbetet. Kapitel två utgör litteraturstudie över ämnet i fråga. Kapitel tre beskriver metoden för arbetet och hur insamlingen av material har gjorts. Kapitel fyra sammanställer resultat som har skapats under arbetet. Kapitel fem utgörs av diskussionen om resultatet. Kapitel sex sammanställs slutsatserna som har dragits följt av kapitel sju som ger några förslag på hur arbetet kan fortsätta. 2

21 Teori 2.1 Underhållsteknik Företag och organisationer strävar efter att ha sådan hög tillgänglighet som möjligt på deras utrustning. För att nå mål för hög tillgänglighet behövs ett eektivt underhåll. Ben- Daya, Kumar och Murthy (2016) beskriver att underhåll kan betraktas som åtgärder för att kompensera för brist av funktionssäkerhet på ett konstruerat objekt, att konstruera hög funktionssäkerhet är förknippat med höga kostnader samtidigt som för låg funktionssäkerhet leder till ökad kostnad på grund av ökat antal fel. Bergman och Klefsjö (1992) beskriver att driftsäkerheten inte bara beror på funktionssäkerheten, utan också på underhållsmässighet och underhållssäkerhet. Kostnaden för underhåll är således en kombination av konstruktion samt resurser och möjligheten att utföra underhållsåtgärder. Underhåll kan utföras på en rad olika sätt, och företag och industrier gör inte likadant. Underhåll kan vanligtvis delas upp i två typer; förebyggande underhåll och avhjälpande underhåll. Förebyggande underhåll delas upp i tillstånds övervakning och förutbestämt underhåll. Avhjälpande underhåll delas upp beroende på felet, uppskjutet eller akut (gur 2). Enligt Trakverkets underhållsplan för beskrivs de nansiella ramarna för underhåll. Underhållet delas in i BAS-underhåll(bas-UH) och reinvesteringar. Bas-UH omfattar att upprätthålla anläggningens funktion på kort sikt och delas upp i avhjälpande underhåll, förebyggande underhåll samt övrig anläggningsskötsel. Reinvestering avser utbyte av anläggning där syftet är att bibehålla eller återställa anläggningens funktion. Bytet ska vara orsakat av att anläggningsdelen börjar bli eller är tekniskt förbrukad, eller att det är oekonomiskt att fortsätta med mindre underhållsåtgärder. Målet är att basunderhållet inte ska överstiga fem miljarder kronor årligen. Från år 2000 till 2015 har kostnaden för drift underhåll (inklusive reinvestering) samt trakledning ökat från ungefär tre miljarder till över nio miljarder. Enligt IEC (2004) delas livscykelkostnad in i sex olika faser; koncept, design, tillverkning, installation, drift och underhåll samt avetablering. RAMS för järnväg, akronymen står för Reliability, Availability, Maintainability och Safety, vilket översätts till funktionssäkerhet, driftsäkerhet, underhållsmässighet och säkerhet. SS-EN (1999), delar upp livscykeln för järnväg i 14 faser. För anläggningar med lång livslängd är ofta ägandekostnaden en stor del av livscykelkostnaden, drift och underhåll kommer ha stor inverkan på livscykelkostnaden. 3

22 Underhåll Förebyggande underhåll Avhjälpande underhåll Tillståndsbaserat underhåll Förutbestämt underhåll Schemalagt, kontinuerligt eller på begäran Schemalagt Uppskjutet Akut Figur 2.1: Underhåll Översikt. SS-EN 13306, Avhjälpande underhåll Inget underhåll utförs före ett funktionsfel upptäckts och oftast byts då enheten ut till en ny. Den här typen av underhållsstrategi fungerar inte på kritiska komponenter i ett system. Ekonomi och konsekvens övervägs. Om konsekvenserna för haveri är minimala och underhållet är dyrt, kan avhjälpande underhåll vara ett bra alternativ Förebyggande underhåll Förebyggande underhåll delas upp i förutbestämt underhåll och tillståndsbaserat underhåll. Förutbestämt underhåll görs med bestämda tidsintervaller eller kriterier, oftast utifrån tillverkarens rekommendationer eller utifrån tidigare erfarenheter av systemet i fråga. Förebyggande underhåll säkerställer att systemet ska kunna utföra sin funktion. Nackdelar som kan uppstå med förebyggande underhåll är att för mycket underhåll kan göras och/eller komponenter som är schemalagda att bytas ut kanske inte egentligen behöver det. Tillståndsbaserat underhåll kan göras genom att använda olika övervakningstekniker och hämta information från anläggningen. Det som vill uppnås är att kunna förutsäga när det nns risk för haverier. För detta behövs olika slags mätningar göras och informationen som hämtas analyseras och beslut kan tas för bästa underhållsåtgärd. Detta ligger till grund för att kunna utföra ett förebyggande underhåll som bygger på mätvärden (tillstånd) istället för den traditionella metoden att schemalägga underhållet från olika intervall som bygger på driftstimmar eller kalendertid. För att tillståndsbaserat underhåll ska kunna användas måste en degradering kunna mätas i kombination med att felutvecklingen inte har för hög hastighet så att en underhållsåtgärd kan utföras innan haveri; se gur 2.2. Exempel på några olika mätmetoder för tillståndsövervakning: amperemätning, temperaturmätning och vibrationsmätning. Amperemätning av elektronik kan visa på strömspikar och förändring av elförbrukning som kan ge information om att någonting har förändrats i utväxlingen hos till exempel en elektrisk drivlina. Det nns system som används 4

23 Tekniskt tillstånd på spårväxlar för att övervaka växeldrivet. Problemet med amperemätning kan vara att elsystemet i sig inte är helt stabilt, vilket kan medföra dåliga mätningar. Temperaturmätning av till exempel lager är ofta en sämre metod på grund av att när lager har blivit varmt är felutvecklingstiden så kort att förebyggande insatser inte hinner att göras. Temperaturmätning användas för att detektera felande bromsar på tåg, så kallade tjuvbromsdetektorer. Vibrationsmätning kommer att förklaras mer ingående i avsnitt 2.2. Initialt tillstånd Degradering börjar tillta Degraderingshastighet Gräns för att kunna detektera fel Inspektion utförs Tid då gräns nås Underhålls- eller säkerhetsgräns Största tillåtna tid för summan inspektionsintervall och reaktionstid Tid Figur 2.2: Illustration på hur en enhet degraderar. Stenström, Underhållssystem För att kunna implementera tillståndsmätningarna på ett bra sätt i drift och underhållsarbetet bör informationen integreras på ett användbart sätt i underhållssystemet i fråga. För att uppnå en kontinuerlig trendövervakning av mätsystemens data, och helst en automatisk signal då en trend förändras behövs väl fungerande system. Det är viktigt att historiska data lagras för att kunna se under långa perspektiv om förändringar i systemet har uppkommit. Speciellt inom tillämpningar som har en mycket lång teknisk livslängd, till exempel teknisk infrastruktur som järnvägen. Till detta behövs hårdvara med tillräcklig kapacitet, en server för lagring av data, samt bör det nnas möjlighet att det kan sparas på mer än ett ställe genom backupsystem alternativt spara någon annanstans genom en så kallad molntjänst. 5

24 2.2 Mätteknik Vibrationsmätning Övervakning av mekaniska system som uppvisar en åldersrelaterad förslitning är ett bra sätt att förebygga kostsamma haverier, samtidigt kan stora vinster göras genom att analysera de mekaniska rörelser som ger upphov till att systemet åldras och optimera underhållsåtgärderna. Komponenter kommer böja/vibrera enligt de former som strukturen vill svänga sig, det vill säga dess egenfrekvenser. Vibrationer betraktas som oscillationer runt jämviktsläget. Sex frihetsgrader ger upphov till de olika vibrationstyperna. Rörelser i koordinatsystemets riktningar x, y och z samt rotationsrörelser runt dessa axlar. Det nns olika vibrationstyper: Strukturvibrationer Axiella Böj Radiella Torsion Helkroppsvibrationer Placeringen av sensorer är viktigt, att de är placerade i rätt riktning med avseende på rörelsens riktning och så nära källan som möjligt. Sensorernas placering är viktig för att vibrationerna ska kunna övervakas korrekt. Om sensorer placeras på mod punkter så kan vibrationer helt förbises. Det är många gånger en bra idé att göra en datormodell först för att se vart dessa mod punkter kan uppkomma och sedan bestämma placeringar av sensorer med avseende på detta Accelerationsgivare Det nns olika typer av sensorer för att mäta mekanisk rörelse, till exempel förskjutningsgivare och accelerationsgivare. Detta avsnitt fokuserar på det senare eftersom det utgör grunden för andra delar av rapporten. Accelerometrar används generellt till att mäta vibrationer på infrastrukturen. Accelerationsgivare är robusta och har hög tillförlitlighet, lätta att kalibrera och är relativt billiga (Hodge et al, 2015). Vid placering av givare på tåg kan det vara bra att förstå gångdynamiken relaterat till den typen av järnvägsfordon som givaren placerats. Asplund et al. (2016) kom fram till att det är stora skillnader i kraften beroende på vilken axel i boggin som är i färdriktningen vid kurvor. Betydelse för vilken axel som mätutrustning fästes på kan således ha stor inverkan på mätresultatet, vilket motiverar att mätdata bör sorteras utefter detta. Ett problem med accelerationsgivare placerade på axelboxen, är att accelerationer så höga som 100 G kan fås (Weston et al, 2006). Eftersom axelboxen kan ses som ett odämpat system så kan det medföra mycket höga accelerationer. De beskriver också att vid längre våglängder presenterar accelerationer som är en bråkdel av 1 G, detta ställer höga krav på givaren. Eftersom accelerationen som alstras från spårgeometrin är proportionell 6

25 mot kvadraten av fordonets hastighet, kan resultera i mycket lågt förhållande mellan signal och brus vid låga fordonshastigheter. Xiukun et al. (2015) menar att den exciterade accelerationen från axelboxen många gånger är högre än 50 G vilket leder till att en avvägning måste göras mellan givarens mätomfång och dess känslighet. De beskriver också att vibrationen från lager i axelboxen har stor påverkan på mätningen. Istället så kan givare placeras på boggin, vilket görs i deras försök; där används accelerationsgivare med område på 2 och 10 G för mätningen. Vid placering på boggi krävs dock kartläggning av den matematiska modellen för fordonsfjädringssystemet Upplösning och val av lter Upplösningen vid mätningar kan beskrivas med bit och frekvens. Bit är antal bitar i upplösning, alltså hur många nivåsteg som kan återges, med andra ord hur detaljerad y-axeln är. Frekvensen menas här samplingsfrekvens och anges i Hertz (Hz), det menas hur många signaler som kan återges under ett intervall, och anger hur detaljerad x-axeln är. Bandpasslter är ett lter som dämpar signaler som ligger utanför två bestämda värden. De kan kategoriseras i högpasslter och lågpasslter. Det nns olika typer av lter som används vid signalbehandling av denna typen av data, exempel på några olika lter: butterworth, medelvärdes och kalmanlter. Acceleration analyseras vanligtvis i tidsdomän eller frekvensdomän. I detta arbete kommer bara tidsdomän omfattas. Den mest exakta redovisningen av acceleration i tidsdomänen är variation av acceleration som funktion av tiden. Beroende på samplingshastighet så kan en presentation av data på detta sätt bli omfattande att analysera. Root Mean Square, RMS intervall minskar mängden datapunkter som representerar en tidsperiod, alltså tillåts längre tidsperioder att presenteras som funktion av tid (Rogers, 1997). Tsunashima et al. (2014) menar spårfel kan grovt uppskattas genom att utvärdera RMS-värdet. I deras metod analyserades korttids RMS-värde. RMS-värdet beräknas med följande ekvation: RMS(t) = 1 N 1+N 1 n=τ x(τ) 2 (2.1) För utrustningen i detta arbete görs RMS-beräkning i analog elektronik och inte i ett samplande system med diskreta värden som formeln ovanför gör. Summeringen i formel ovan är då istället en rullande integral över tiden 1170 ms och N byts mot RMS-tiden (1170 ms). Elektroniken är snabb nog att klara RMS-beräkning hos signaler med frekvens ändå upp till 300 khz, men före RMS-beräkning ltreras signaler snabbare än 100 Hz bort med ett lågpasslter. Detta kan anpassas efter behov (Personlig kommunikation, Dan Larsson maj 2017). 7

26 2.3 Förväntade fel som kan upptäckas Fel som kan upptäckas är främst laterala och vertikala krafter i spårväxlar samt vertikala krafter i spåret Spårväxlar Spårväxlar är en känd kostnadsdrivare hos järnvägen, delar i spårväxeln som driver kostnaderna är bland annat korsningsspets och växeltungor. Nissen (2009) menar att underhållskostnaden för spårväxlar och korsningar uppgår till 13 procent av underhållsbudgeten. Eftersom spårväxlar ligger bland de mest kostsamma spårkomponenterna är det extra intressant att undersöka beslutsunderlaget för underhåll hos dem. Corshammar (2006) listar olika slags förekommande slitage på spårväxlar: Tungan påverkas av trycket från hjul änsen Huvudspåret påverkas av kontaktutmattning Sidospåret påverkas av sidoslitage från hjul äns och kryp från hjulaxeln Korsningspartiet påverkas av slag Drivstänger påverkas av tryckkrafter i tungan Figur 2.3: Fast korsningsspets 8

27 Figur 2.4: Rörlig korsningsspets De viktigaste måtten i en spårväxel är avståndet mellan stödräl och tunga samt avstånd mellan korsning och moträl (se gur 2.3). Korsningspartiet är gjort av manganlegerat stål, vilket försvårar kontroller med till exempel ultraljud på grund av för stor kornighet i materialet (Personlig kommunikation Christer Stenström). Det nns rörliga korsningsspetsar som används vid högre hastigheter samt för att minska ljud och buller i tätorter. Rörlig korsningsspets medger en längre livslängd då överledning sker genom att hjulen leds över via den rörliga delen istället för som i en traditionell växel, hoppa över på anslutande spårväxelparti. Lateralkrafter i spårväxlar ger upphov till att växeltungan slits mer än den övriga växeln. Eftersom det är generellt relativt liten rälsförhöjning i Sverige och speciellt på malmbanan där tung godstraken kör blir det högre laterala krafter i spårväxlarna än om det nns rälsförhöjning eller kloteioder (linjär krökningsändring). På malmbanan är det slipning MB4 på spårväxlar och rakspår samt MB1 i kurvor och ytterräl (Personlig kommunikation Matthias Asplund, april 2017), vilket kan ha betydelse för resultat av mätningar på just malmbanan. Det nns problem med att dåligt stoppade växlar förstörs snabbt. Det som händer är att växeln inte sitter fast utan yttar i sidled och då kommer slag- och tryckkrafterna från passerande tåg att öka. För att kunna förstå hur mätning av dessa krafter kan användas gäller det då främst att analysera tåg som går rakt igenom växeln och som inte borde ge några sidokrafter alls. Med djupare analys av främst lateral acceleration skulle det kunna gå att peka ut problemväxlar tidigt. Utöver mätning av vertikal acceleration 9

28 som tidigare har talats om i växelkorsningen. Alltså är sidolägesacceleration intressant att analysera med avseende på spårväxlar. Nissen, Parida och Kumar (2010) utforskade möjligheterna att beräkna kvalitetsindex från mätvagnar för att kunna ta underhållsbeslut med hjälp av mätdata från mätvagnar. Vidare beskriver de att andra har gjort framsteg med hjälp av accelerationsgivare identiera bland annat dåligt stoppade slipers. Balouchi et al. (2016) utvecklade en algoritm för att behandla accelerometerdata för att upptäcka hängande slipers och andra fel som dåliga spårväxlar och broar Punktfel samt räor och vågor En stor kostnadsdrivare hos järnvägen är räler. Fel som uppstår är: utmattningsproblem som rullkontakts-utmattning, räor och vågor, korrugering och punktdefekter som hjulbrännskador samt slitna isolskarvar. Molodova et al. (2015) undersöker hur tillståndet på isolerskarvar kan uppskattas från axelbox monterade accelerationsgivare, med framtagen algoritm för detektion av skarvar ck de 84 procent rätt på två bandelar samt 19 procent falskt alarm. Punktfel är intressanta att identiera i ett tidigt skede. Ulla Juntti (Personlig kommunikation, mars 2017) beskriver att en plats som orsakar slag och stötar, till exempel en låg skarv, ett slirsår eller räor och vågor bidrar till att spårlägesfel uppstår i snar anslutning till platsen som generat slaget. Eftersom detta ruskar om vagnarna. Vid kontinuerlig mätning av järnvägen kan alltså små fel som bidrar till större spårlägesfel identieras i ett tidigt skede och underhållsåtgärder sättas in. Detta kan på sikt leda till stora besparingar. 2.4 Tracklogger Tracklogger (TL) är en portabel mätväska som kan monteras på tåg i reguljärtrak. Utvecklingen av mätväskan har skett inom forskningsprojektet epilot119, nuvarande version av systemet måste ses som en prototyp under utveckling och inte ett färdigt system. Systemet består av en slagtålig väska i hårdplast med kontakter av bajonettyp. Datalogger av typen Campbell CR1000. Accelerometrarna som används är av fabrikatet PCB Piezoelectrics. Det är tre separata en-axliga accelerationsgivare. Två accelerationsgivare som mäter vertikalt på vänster respektive höger sida av tågets färdriktning, samt en accelerationsgivare som mäter lateralt. Batterikapaciteten är på minst 48 h vid normal drift. Väskan fäst på en tågvagn med spännband och en vajer för extra säkerhet. TL mäter fem variabler: Accelerationsgivare: vertikalt på vänster sida i färdriktningen Accelerationsgivare: vertikalt på höger sida i färdriktningen Accelerationsgivare: lateralt GPS-koordinat Hastighet 10

29 Figur 2.5: Tracklogger monterad på malmvagn Axellast vid spårmätning Eftersom TL kan monteras på godståg så som LKABs malmvagnar kan mätning ske med mycket högre axellast än med konventionella mätvagnar. Axellasten på LKABs malmvagnar uppgår till 30 ton. Betydligt högre än mätvagnarna IMV200 och IMV100 som har en axellast på 14 ton. En högre axellast kan medföra att en större kraft erhålles som kan trycka ner spåret och upptäcka hängande slipers eller andra fel. Konventionella mätvagnar kanske inte i alla lägen kan åstadkomma samma nedböjning av spåret. Kinetisk energi beskrivs enligt: E k = mv2 2 (2.2) Eftersom en olastad malmvagn väger 20 ton tom samt en lastad väger 120 ton, har en lastad vagn axellast på 30 ton lastad och 5 ton olastad kan enkelt samband ses med rörelseenergin samt hastigheten 11

30 Rörelseenergi Hastighet Olastad vagn Lastad vagn Figur 2.6: Kinetisk energi med avseende på last och hastighet Eftersom malmtågen kör ungefär 10 km/h fortare när tåget är olastat så kan det ses i guren att rörelseenergi ändå kommer vara era gånger större då tåget är lastat än olastat Fördelar med kontinuerlig mätning Liknande system som TL används och är i bruk på andra platser idag. Ombordsutrustning som kan monteras på persontåg levereras till exempel av tågtillverkaren Alstom för montage på deras tåg. Ett användningsområde är till exempel att veriera jobb som utförs i spåret och få en snabb återkoppling. En fördel med att få kontinuerliga data över samma sträcka varje dag är vid spårriktning av dubbelspår och spårväxlar nns det risk för påverkan på det spår som inte spårriktas. Vid kontinuerlig mätning skulle en sådan situation detekteras i ett tidigt skede Tidigare arbeten Larsson (2015) redogör i sin rapport att resultatet av analysen visar att TL har god repeterbarhet i vilken position utslagen visar sig. Dock inte lika hög repeterbarhet i utslagens storlek. Faktorer som kan påverka spridningen i utslagens storlek är axellast, hastighet och färdriktning. Rosendahl (2016) jämför i sin rapport TL mätresultat främst med Tra- kverkets databaser BESSY, Ofelia och Optram. Problem som är kopplade till denna typ av analys är att inrapportering av datum för besiktning och åtgärd inte alltid stämmer. I Larsson (2015) utvärdering av TL har ltreringen av fel rapporterade i BESSY varit mot maskinell säkerhetsbesiktning. Där anmärkningarna främst delas in i höjd 1-25 m, 12

31 sida 1-25 m, skev 3 och 6 m. Dan Larsson (Personlig kommunikation, februari 2017) beskriver att TL aldrig uppgetts kunna mäta spårlägesfel men den har tyvärr utvärderats som om den skulle klara det. De har satt en ungefärlig detektionsgräns på ca 0,5 G och då skulle det behövas en amplitud på drygt 1 m om felet har våglängd 50 m. Alltså 25 m kulle följd av 25 m dal, det är alltså helt orimligt att upptäcka denna typ av fel med bara accelerometergivare. Omvänt ses ytliga fel och gropar med djup på bara 0,1 mm om felet har en våglängd på 0,5 m. Känsligheten ökar kvadratisk med minskad våglängd. 13

32 14

33 Metod Metoden för detta arbete har varit litteraturstudie, statistisk analys och intervjuer. 3.1 Litteraturstudie I detta arbete har standarder, vetenskapliga artiklar, facklitteratur och andra relevanta källor inom järnvägsindustrin använts. Sökningar efter relevanta vetenskapliga artiklar har framförallt gjorts i databasen Scopus. Sökord har varit: switches, railway, maintenance och accelerometer. Tidigare utvärderingar av TL inom forskningsprojektet epilot119 har beaktats: Utvärdering av Tracklogger Mätning av järnvägsinfrastruktur via reguljär trak med mobil mätutrustning, 2015, författare: Goran Larsson. Kontinuerlig tillståndskontroll, 2016, författare: Peter Rosendahl. 3.2 Insamling och analys av data Datainsamling från två parter har gjorts i detta arbete: Damill och infrastrukturförvaltaren. Från Damill har mätdata från TL erhållits i dataler som har analyserats i Minitab och Excel. Filerna har varit i formatet Tab Separated Values(TSV), vilket är ett format för rådata som kan läsas in i programvara för kalkylblad. I TSV-lerna åternns följande information: tid, mätningens nummer, vänster accelerationsgivare (mv), höger accelerationsgivare (mv), lateral accelerationsgivare (mv), GPS koordinat latitud, GPS koordinat longitud och GPS hastighet(km/h). Accelerationsgivarna har en grundnivå på 40 mv, samt en skalfaktor på 105 mv/g. Räkneoperationer har gjorts i Minitab för att presentera värden i G. Mätningarna är gjorda med LKABs malmvagnar som instrumentbärare år Från infrastrukturförvaltaren har information hämtats från Baninformationssystemet (BIS), Besiktningssystemet (BESSY) och Ofelia. BIS är ett system för att lagra och hämta information om banrelaterade anläggningar och händelser, från BIS har information om komponentbyten hämtats. BESSY är ett system för genomförande av säkerhets-, underhållsoch övertagandebesiktning av fasta järnvägsanläggningar, från BESSY har besiktningsanmärkningar sammanställts och information om vilken åtgärd som har gjorts. Ofelia är ett verktyg för återrapportering av utförd åtgärd och för att göra rapporter, felanmälningar 15

34 som inte är en besiktningsanmärkning åternnes i Ofelia. Från Ofelia har information om fel relaterat till spårväxlar sammanställts. 3.3 Intervjuer I detta arbete har öppenriktade intervjuer med specialister inom branschen utförts. Vid intervjutillfällena så har först en diskussion förts med fokus på att orientera i arbetets bakgrund. Sedan har förklaring av forskningsfrågorna gjorts och respondenterna har beskrivit det som de har funnit relevant för frågeställningen. Personer som har intervjuats under arbetet är främst från två olika organisationer; infrastrukturförvaltare samt underhållentreprenör. 16

35 G_rms Resultat I detta kapitel redogörs resultatet av informationen som har inhämtats under arbetet. 4.1 Mätdata från Tracklogger För att få en översiktlig bild av bandel 119 kan punktdiagram göras med hjälp av Minitab. Nedan är ett exempel med mätdata som insamlats april De platser som ger höjda utslag kan kopplas till huvudsakligen spårväxlar, samt plankorsningar (se plankorsning Sunderbyn i gur 4.1). Eftersom malmtåget kör en rundslinga när det går till malmhamnen i Luleå så kommer givarna att byta plats. Detta har inverkan på om det är högra eller vänstra givaren som får högre mätvärde. Vid mätningarna 2015 har givarna som placerades på malmtågen satts ovanpå sidramarna och således mäter de efter den så kallade primärfjädringen / Variable Left Right Lat 3 2 Gst vxl 1 Sus. Sus. Vxl 2 Vxl 1 Gst vxl 13 Ntv vxl 7b Luleå bangård 1 Plank. Sundb GPS Longitud Figur 4.1: Mätdata bandel 119, för datum 2324 april

36 För att tydligare visa var förhöjda mätvärden fås kan det illustreras med hjälp en karttjänst som till exempel Google Earth i gur 4.2 och 4.3. Här visas tre olika mätningar, där alla utliggare på den laterala givaren har sorterats fram. Som det framgår av bilderna fås förhöjda värden i början och slutet av driftsplatser i samband med spårväxlar. Figur 4.2: Gammelstad driftplats Bild 4.3 visar norra delen av driftplatsen Gammelstad. Spårväxlarna ligger nära varandra på denna del av driftplatsen. Figur 4.3: Norra änden Gammelstad driftplats 18

37 Av växlar kan en djupare analys göras och jämförelse med andra datorkällor för att förstå varför utslagen har skett. På bandel 119 har data sammanställts för följande elva spårväxlar i huvudspåret: Notviken (nvn) 7b Gammelstad (gst) 1 och 13 Sunderby sjukhus (sus) 1 och 2 Sunderby norra (sby) 1 och 6 Sävast (svt) 1 och 7 Sävastklinten (sän) 1 och 6 Datum för mätningarna har varit: 1 april 23 april 5 juni 22 juni 17 juli 6 augusti Den längsta tiden mellan mätningarna var 23 april till 5 juni där det skiljer 42 dagar och den kortaste tiden mellan mätning var från 5 juni till 22 juni där det skiljer 17 dagar. Medeltiden mellan mätningarna blir 25 dagar. Exempel på mätresultat enligt gurerna 4.4 och 4.5. Resultat är framtaget genom att applicera tallter på longitudinell GPS-punkt runt varje spårväxel. Sedan har maxvärdet noterats samt två värden före och två värden efter. Detta ger alltså att varje spik som ses i gurerna motsvarar cirka 100 m, eftersom varje mätpunkt representerar cirka 20 m, samt beror på hastigheten vid mätningen. Dessa mätningar är när tåget är i södergående riktning och således lastat med järnmalm. Spårväxlarna på Sävastklinten har rörliga korsningar. 19

38 2,5 2 1,5 G rms 1 0, apr 23-apr 05-jun 22-jun 17-ju 06-aug Left Right Lat Figur 4.4: Notviken växel 7b, fast korsning 2,5 2 1,5 G rms 1 0, apr 23-apr 05-jun 22-jun 17-jul 06-aug Left Right Lat Figur 4.5: Sävastklinten växel 6, rörlig korsning 20

39 4.2 Information från infrastrukturförvaltaren Från systemet BESSY och Ofeila kan besiktningsanmärkningar och felanmälningar hämtas, se tabell 4.1 och 4.2. Endast växlar i huvudspåret tas i beaktning vid sammanställning ur systemen. Tabell 4.1: Besiktningsanmärkningar på spårväxlar i huvudspår bandel 119 år 2015 Driftplats Växelindivid Anm. ban Anm. signal och el nvn 7b gst gst sus sus sby sby svt svt sän sän I tabell 4.1 framgår att det är många anmärkningar på teknikslaget ban på era av växlarna i huvudspåret. För att se vilka växlar som åtgärden var påsvetsning och slipning på grund av slitage och hur många gånger det görs se tabell 4.2. Tabell 4.2: Besiktningsanmärkningar med avseende på åtgärd, år 2015 Driftplats Växelindivid Påsvetsning Slipning nvn 7b 3 2 gst gst sus sus sby sby svt svt sän sän Utöver åtgärder på grund av slitage så kan åtgärd på ballast påverka, eftersom då har växeln lyfts och makadam har justerats. Denna åtgärd kan påverka krafterna som sedan uppmäts i växeln. 21

40 Tabell 4.3: Besiktningsanmärkningar med avseende på ballast, år 2015 Driftplats Växelindivid Ballast åtgärd nvn 7b 1 gst 1 1 gst 13 2 sus 1 1 sus 2 1 sby 1 1 sby 6 1 svt 1 0 svt 7 1 sän 1 1 sän 6 1 Under 2015 nns det totalt 37 felanmälning i Ofelia för bandel 119. Majoriteten av felanmälningarna beror på 'Snö eller is' samt 'Ingen känd orsak'. Alltså inga orsaker som kan förväntas att upptäckas genom spårmätning. Det nns dock två intressanta anmärkningar där åtgärden kan ha inverkan på mätningarna, se tabell 4.4 nedan: Tabell 4.4: Relevanta felanmärkningar i Ofelia, år 2015 Driftplats Växelindivid Orsak Åtgärdsbeskrivning gst 13 Materialutmattning/Åldrand Svetsat gst 13 Materialutmattning/Åldrand Korsnings byte Från BIS kan information hämtas om växlarna, som modell, inläggningsår och information om komponentbyten. I kolumnen längst till höger i tabell 4.5 visas den senaste gången då korsning har bytts i spårväxlarna. Tabell 4.5: Information från BIS, spårväxlar i huvudspår bandel 119 Driftplats Ind. Modell Inl. år Korsning Inl. år korsning nvn 7b EV-UIC : Fast gst 1 EV-UIC : Fast gst 13 EV-UIC : Fast sus 1 EV-UIC : Fast sus 2 EV-UIC : Fast sby 1 EV-UIC : Fast sby 6 EV-UIC : Fast svt 1 EV-UIC : Fast svt 7 EV-UIC : Fast sän 1 EVR-UIC : Rörlig sän 6 EVR-UIC : Rörlig 22

41 Frås BIS kan kartor över driftplatserna hämtas, detta kan illustera vilken sida korsningen i växlarna sitter på och relateras till tågets färdrikning, se bilder Boden ligger till vänster och Luleå till höger. gr-01 7b 11 3b nvnv 7a 16 kom1 Figur 4.6: Driftplats Notviken, huvudspåret passerar växel 7b Figur 4.7: Driftplats Sävast, huvudspåret passerar växel 1 och 7 sb5b sb12b 5b 12b 1 2a 13 14a sb2b 2b 3a sb3b 16 14b 3b 6 8 Figur 4.8: Driftplats Gammelstad, huvudspåret passerar växel 1 och 13 23

42 Grms Grms 4.3 Samband mellan mätdata och underhållsåtgärder I detta avsnitt sammanställs mätdata från TL och information om underhållsåtgärder från infrastrukturförvaltaren. I gur sammanställs mätdata mot underhållsåtgärder för tre olika spårväxlar med fast korsningspets. Samtliga växelpassager är med ett tåg i södergående riktning. Fler växlar åternns i bilaga. 2,5 2 1,5 Påsvetsning Slipas, vv vingräl + korsningsspets 16-apr Påsvetsning v- vingräl 11-aug & 18-aug Ballast 12-aug 1 0, apr 23-apr 05-jun 22-jun 17-jul 06-aug Left Right Lat Figur 4.9: Notviken 7b, södergående tåg 2,5 2 Korsning bytt 12-maj 1,5 1 0, apr 23-apr 05-jun 22-jun 17-jul 06-aug Left Right Lat Figur 4.10: Sävast 7, södergående tåg 24

43 Grms De underhållsåtgärder som är intressanta att undersöka är främst sådana som har en åtgärd av till exempel komponentbyte, påsvetsning, slipning och ballaståtgärd. I gur är samtliga tåg i södergående riktning, detta på grund av att tåget är lastat med järnmalm när det går åt detta håll och har en total vikt på 120 ton. När tåget är olastat är vikten istället 20 ton. 2,5 2 Ballast 18-maj Ofelia: Svetsat korsning Vingräl 12-jun Påsvetsning h- vingräl+korsning spets 25-aug 1,5 1 0, apr 23-apr 05-jun 22-jun 17-jul 06-aug Left Right Lat Figur 4.11: Gammelstad 13, södergående tåg 4.4 Mätningens repeterbarhet I detta avsnitt görs en närmare titt på repeterbarheten hos mätningen för några datum. På grund av batteritid i kombination med att tåget kör i rundslinga i Luleå hamn så nns det ett begränsat antal mätningar i följd där det nns tillfälle att kolla på mätningens repeterbarhet. Detta innebär att det blir begränsat antal tillfällen utrustningen har kört i samma riktning i kombination med givarna på samma axel (samma axel, boggi med avseende på färdriktning). Detta kan inverka på mätresultatet på grund av gångdynamiken hos vagnen. De datum som har de esta resor i följd är: april nns mätningar för fem stycken resor juni nns mätningar för sex stycken resor 4-7 augusti nns mätningar för sex stycken resor I gurerna visas mätresultat då tåget passerar växel 7b i Notviken. Notera att varannan mätning så har tåget bytt riktning, alltså är första spiken norrgående och andra södergående tåg och så vidare. 25

44 Grms Grms 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Left Right Lat Figur 4.12: Notviken 7b, april Vid sista mätningen i gur 4.13 så var hastigheten lägre, vilket kan bero på att tåget har kört ut till sidospår. I gur 4.13 och 4.14 så kan det ses att tåget har vänt i malmhamnen, där det är rundslinga, det innebär att givarna byter plats och den andra givaren träar växelkorsningen vilket kan ses i gurerna där det är den vänstra (blå färg) byter plats med den högra givaren (röd färg). 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Left Right Lat Figur 4.13: Notviken 7b, juni 26

45 Grms 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Left Right Lat Figur 4.14: Notviken 7b, 4-7 augusti Det är förhöjda värdena på ertalet av passagerna i augusti (gur 4.14), det nns följande information i BESSY; se tabell 4.6. Ur tabellen framgår att fyra veckoanmärkningar sattes vid besiktning den 11 augusti. Tre av dessa anmärkningar hade prioritet vecka (V), vilket innebär att de ska åtgärdas inom 14 dagar. På åtgärdsdatum framgår det att två av besiktningsanmärkningarna åtgärdades samma dag och dagen efter. En tredje veckoanmärkning åtgärdades tre dagar efter besiktningen. Detta kan indikera att det var allvarliga fel som inte kunde vänta med åtgärd. Detta sammanfaller med de förhöjda värdena dagarna före från TL. Åtgärderna var enligt tabell 4.6 påsvetsning på korsningen, komplettering av ballasten. Enligt tabell 4.6 kan även ses att det nns en åtgärd på moträl, vilket sammanfaller med att det är förhöjda utslag på den laterala givaren. Tabell 4.6: Anmärkningar BESSY nvn växel 7b i augusti 2015 Besiktningsdatum Åtgärdsdatum Prio Besiktningspunkt Utförd åtgärd V Moträl Åtdrages M Länk Enligt notering V Ballast Kompletteras V Korsning Påsvetsas M Korsning Påsvetsas 27

46 Grms Grms 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Left Right Lat Figur 4.15: Sävast 7, april 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Left Right Lat Figur 4.16: Sävast 7, juni Vid den näst sista passagen i gur 4.15 var hastigheten lägre och tåget har mest troligt kört från sidospåret till huvudspåret, alltså har tåget passerat växel 6 på Sävast driftplats innan de passerade växel 7, som kan ses i guren. Skillnaden på gur 4.15 och 4.16 är att mellan dessa datum byttes korsningen i spårväxeln. Korsningen byttes den 12 maj. 28

47 Diskussion I avsnitt 4.3 och 4.4 sammanställs samband mellan underhållsåtgärder och mätningar som har utförts under samma tidsperiod. Det visar att det är minskade värden efter underhållsåtgärder samt höga värden just innan underhåll har gjorts. Genom att göra denna mätning kan era användningsområden tänkas, till exempel kan utrustningen i framtiden användas som en del av den bentliga besiktningsverksamheten av spårväxlar. Den kan också tänkas användas för att säkerställa eekten av underhållsåtgärder. Idén med att använda denna typ av mätutrustning är mycket attraktiv på grund av att tätare spårmätningar kan göras på ett kostnadseektivt sätt med betydligt högre axellaster än konventionella mätvagnar. För att detta ska fungera så behöver verktyget utvecklas för att verkligen uppnå att mätdata kan levereras av systemet kontinuerligt, detta innebär att strömförsörjning måste vara konstant (strömkälla + batteribackup) samt att överföringen av data helst bör vara trådlös. Den rent fysiska utvecklingen av utrustningen bör således fokuseras till strömförsörjning och uppkoppling. För att sedan göra analyser av mätdatat bör programmering och script skrivas för att få de analyser som efterfrågas automatiskt. Genom att göra mätningar med högre frekvens kan ett bättre underlag för underhållsåtgärder skapas som i sin tur kan leda till mindre total resursanvändning för drift och underhåll av järnvägen. I förlängningen kan det bidra till att spara på resurser och energibesparing då tågen kan köra med jämnare hastighet. Logistiska besparingar då rätt underhåll kan utföras vid rätt tidpunkt samt tillverkningsbesparingar av järnvägsmateriel. Det kan vara till fördel med en tätare samplingsfrekvens. Eftersom nu fås ett totalt värde som representerar 20 m kan det vara problem med att urskilja exakt vad som har hänt på sträckan, till exempel kan det vara slag i tungan samt korsningen som inte går att urskilja. Genom att öka samplingsfrekvensen fås ett bättre underlag samt om utrustningen ska fokuseras på att identiera punktfel så bör hög noggrannhet eftersträvas. Teknisk sett kommer förmodligen askhalsen vara GPS systemets kapacitet. Enligt Nyqvist teorem bör signalen som ska samplas ha minst dubbla frekvensen sett till samplingsfrekvensen. Ett förslag är att öka samplingsfrekvensen motsvarande GPS-modulens uppdateringsfrekvens. För att få mer exakt positionering kanske en lösning är att använda dopplerradar som används i Xiukun et al (2015) system, eller att använda takometer för att öka noggrannheten Yeo et al. (2014). Givarna som har monterats på malmtågen sattes ovanpå sidramarna, då mäts accelerationen efter primärfjädringen. Det kan vara till fördel att göra en modell för fjädringen samt prova annan ltrering av signalen. Givarna kan istället monteras på lagerhusen vid nya 29

48 mätningar, om det är möjligt. Vid mätningarna år 2015 har utrustningen varit monterad på olika vagn i tågsättet vilket kan ha påverka mätresultatet. Montaget (vagn inklusive lok) på de olika mätningarna har varit: 1 april: vagn april: vagn 6 5 juni: vagn 4 22 juni: vagn 6 17 juli: vagn 5 6 augusti: vagn 20 Real et al. (2013) bygger ett liknande system, fast med fyra stycken 3-axliga accelerometergivare som fästes på boggiaxelboxarna. Genom tolv steg av signalbehandlingar bland annat dubbelintegrering, fouriertransform och högpasslter presenterar de en förskjutning varje 20 cm. De går vidare och validerar mätresultaten genom att jämföra mot en konventionell mätvagn och europastandarden för spårlägesmätning EN Genom Student-T test jämförs medelvärdet samt standardavvikelsen och p värdet är i båda fall över 0.05 och systemet bedöms kunna mäta spårläge. Detta kan vara av intresse vid vidareutveckling av signalhanteringen. 5.1 Korsningspetsens felutveckling Vid möte med underhållsentreprenör framkom att en korsning högst ska påsvetsas åtta gånger, men i vissa fall kan det bli mer än detta. I denna rapport har det visats att underhållsåtgärder på korningsspetsen verkar ha inverkan på mätresultatet. Beroende på hur felutvecklingen ser ut så kan det var av intresse att bevaka korsningar på detta sätt som ett komplement till nuvarande besiktningar. Beroende på hur korsningens felutveckling ser ut och hur snabbt förloppet är tills det säkerhetsgräns eller underhållsgräns nås så kan övervakning av korsningspetsen vara lönsamt. Eftersom korsningspetsarna är gjorda av mangan som är grovkornig vilket försvårar möjligheten av använda till exempel ultraljud för inspektion av korsningen så kan denna typ av mätning vara ett alternativ. Se gur 5.1; om det är en bred fördelning då degraderingen börjar tillta så är det en bra motivering till tillståndsbaserat underhåll. Omvänt om det är känt när degradering och hur snabbt förloppet är, så nns möjligheten att helt enkelt planera när underhåll ska utföras. 30

49 Tekniskt tillstånd Bred fördelning då degradering börjar tillta Hög degraderingshastighet med smal fördelning (felutvecklingstid) Låg degraderingshastighet med smal fördelning (felutvecklingstid) Underhålls- eller säkerhetsgräns Tid Figur 5.1: Degradering, felfördelning I framtiden kommer er korsningar vara byggda med rörlig korsningspets. Ett problem med rörlig korsningspets är att det är svårt att montera växelvärme som fungerar korrekt. Vilket är ett problem i kallt klimat, som är fallet i norra Sverige med långa och kalla vintrar. 31

50 32

51 Slutsatser I detta arbete har mätdata från accelerometergivare analyserats med avseende på passage av spårväxlar. Av elva växlar som har studerats så har en växel valts bort på grund av att närliggande spårväxel misstänks påverka mätningen. Två växlar saknar helt underhållsåtgärder samtidigt som de inte har några mätutslag från TL; detta beror mest troligt på att de har rörlig korsningsspets. I fem av åtta fall kan en underhållsåtgärd kopplas till minskade mätvärden på växlar med fast korsningspets. I ett fall har underhållsåtgärd ökat mätvärdet. I två fall nns ingen skillnad på mätvärde i samband med underhållsåtgärd. Vid analys av repeterbarheten för fem stycken växelpassager där färdriktningen inte tas hänsyn till fastställs att tre av fem passager visar en repeterbarhet med en skillnad på mindre än 0.3 G rms (se gur samt gur 4.16). Mätningens repeterbarhet antas kunna relateras till växelns kondition, då betydligt större skillnader i uppmätt signal erhålls precis före en underhållsåtgärd har utförts (se gur 4.14 och 4.15). 33

52 34

53 Förslag på fortsatt arbete Här delas förslag på fortsatt arbete upp i två delar. Del ett är utveckling av mjukvara samt ändring av inställningar. Del två ger förslag på utveckling och komplettering av hårdvaran. 7.1 Utveckling av mjukvara Ökning av samplingsfrekvens för att få en högre upplösning och avgöra mer exakt vad som sker vid passage av spårväxel. Programmera automatiska rapporter för trendanalys, till exempel för alla spårväxlar på bandelen. Utvärdera andra punktfel som isolskarvar, samt programmera verktyg för analys av detta. Utvärdera räor och vågor förslagsvis genom jämförelse med konventionell mätvagns RoV mätdata. 7.2 Utveckling av hårdvara Strömsparläge när hastigheten är 0 alternativt när hastigheten är under till exempel km i timmen, informationen då tåget inte färdas i jämn hastighet kan ändå anses mindre intressant. På detta sätt kan batteriet räcka betydligt längre. En bestämd vagn som är instrumentbärare, där kontroll av hjul och lager är mer noggrann. Genom att förse enheten med strömförsörjning skapas ett system som är autonomt på ett helt annat sätt. Ett alternativ kan vara el från loket, eftersom loket sätts på olika sidor om tågsättet så kan inkoppling av elmatning ske när den instrumentbärande vagnen är närmare loket, och batteriet kan hålla enheten igång då vagnen senare är i andra delen av tågsättet. Förslagsvis kan en generator monteras som drivs av en drivrem kopplad till axeln. Förse enheten med modem så uppkoppling kan ske mot mobilnätet alternativt trådlös internetanslutning då tåget vänder i Luleå och Malmberget. 35

54 36

55 Referenser Asplund, Matthias. Rantatalo, Matti. Johnsson, Roger. Hiensch, Martin Combating curve squeal noise. World Congress on Railway Research. Balouchi. F. Bevan, A. Formston, R Detecting Railway Under-Track Voids using Multi-Train In-Service Vehicle Accelerometer. IET. Ben-Daya, Mohammed, Kumar, Uday, Murthy, D. N. P Introduction to Maintenance Engineering : Modelling, Optimization and Management. Wiley. Bergman, Bo. Klefsjö, Bengt Tillförlitlighet. Högskolan i Luleå. BVF 807.2, Giltigt från Säkerhetsbesiktning av fasta järnvägsanläggningar. Corshammar, Pelle Perfekt spår : framtidens spår. Perfect Track, Lund. IEC Dependability management Part 3-3: Application guide Life cycle costing. Andra utgåvan. Larsson, Goran. Trakverket Utvärdering av Track Logger - Mätning av järnvägsinfrastruktur via reguljär trak med mobil mätutrustning. Maria Molodova, Maider Oregui, Alfredo Núñez, Zili Li, Rolf Dollevoet Health condition monitoring of insulated joints based on axle box acceleration measurements. Elsevier B.V. Nissen, A., Parida, A., Kumar, U Condition monitoring of railway switches and crossing by using data from track recording cars. Luleå: Division of Operation and Maintenance Engineering, Luleå University of Technology. Nissen, Arne Classication and cost analysis of switches and crossings for the Swedish railway: a case study, Journal of Quality in Maintenance Engineering, Vol. 15 Iss 2 pp Real, T. Montrós Monje, J. Montalban Domingo, ML. Zamorano, C. Real Herráiz, JI Design and validation of a railway inspection system to detect lateral track geometry defects based on axle-box accelerations registered from in-service trains. Journal of Vibroengineering. 37

56 Rogers Melissa J. B., Kenneth Hrovat, Kevin McPherson, Milton E. Moskowitz, Timothy Reckart Accelerometer Data Analysis and Presentation Techniques. Tal-Cut Company at NASA Lewis Research Center, Cleveland, Ohio. Rosendahl, Peter. Sweco Rail AB, Kontinuerlig tillståndskontroll. epilot119: ep SS-EN 13306:2010, Underhåll Terminologi. Utgåva: 2. Swedish Standards Institute. SS-EN :2004+A1:2008, Järnvägar Spår Spårlägeskvalitet. Utgåva: 1. Swedish Standards Institute. SS-EN 50126:1999. Järnvägsanläggningar Specikation av tillförlitlighet, funktionssannolikhet, driftsäkerhet, tillgänglighet, underhållsmässighet och säkerhet (RAMS). Utgåva 1.Swedish Standards Institute. Ulrika Honauer och Sven Ödeen Underhållsplan Trakverket. Stenström, Christer Eektsamband för underhåll av järnväg: Förstudie. Kungliga tekniska högskolan Inst. för transportvetenskap. Tsunashima. H, H. Mori, K. Yanagisawa, M. Ogino och A. Asano Condition Monitoring of Railway Tracks Using Compact Size On-board Monitoring Device. IET. Victoria J. Hodge, Simon O'Keefe, Michael Weeks, and Anthony Moulds Wireless Sensor Networks for Condition Monitoring in the Railway Industry: A Survey. York:Department of Computer Science, University of York. Weston, P.F.a, Ling, C.S.ad, Roberts, C.a, Goodman, C.J.ac, Li, P.be, Goodall, R.M.b Monitoring vertical track irregularity from in-service railway vehicles. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit. Xiukun Wei, Feng Liu, Limin Jia Urban rail track condition monitoring based on in-service vehicle acceleration measurements. Elsevier B.V. Yeo, G J. Weston, P F. Roberts, C The utility of continual monitoring of track geometry from an in-service vehicle. University of Birmingham, U.K. 38

57 Bilaga: mätningar 2015 Damill AB har utvecklat en mätenhet kallad Tracklogger. Det är en mobil och portabel utrustning som mäter slag och stötar och enkelt kan monteras på tågfordon. 1. Överblick Genom att sammanställa de 50 punkter som gett högst utslag på sträckan kan de plottas ut genom att använda Google Earth, där kan även driftplatser, plankorsningar, km-angivelser och spåret läggas ut för att kolla vart på sträckan punkterna förekommer. Figur 1 För att visa vad som går att se från mätningarna kan mätpunkterna plottas ut. Nedan plottas alla datapunkter för bandel 119 för sex olika mätningar under våren 2015, skrivit in vad utslagen är kopplade till. För att göra en grundligare undersökning av utslag som upprepar sig har Sunderbyn (Sus) växel 1 och 2, Gammelstad(Gst) växel 1 och 13 samt Notviken(Ntv) växel 7b. I figur 4 och 5 för mätningarna i juni månad ses ett intressant punktfel norr om Boden som inte upprepar sig på de andra mätningarna, samt kan plankorsning i Sunderbyn ses tydligt i alla mätningar.

58 Figur 2 Figur 3

59 Figur 4 Figur 5

60 Figur 6 Figur 7

61 2. Spårväxlar Det framgår mycket tydligt ut data att platserna med högre utslag är ofta kopplade till början och slutet av driftplatser som kan ses i figur 10 över Gammelstad trafikplats. För att jämföra utslag i spårväxlar mellan de olika mätningarna måste det tas hänsyn till tåget körriktning, alltså är skillnaderna att tåget är lastat med järnmalm när det är södergående samt tomt när det är norrgående. Vid alla mätningar som har kollats på har tåget haft en hastighet från lägst 47 till högst 78 km/h enligt GPS loggningen, de allra flesta mätningarna har tåget dock en hastighet på ca 70 km/h. Enligt Larsson(2015) utvärdering av mätutrustningen, har inget tydligt samband mellan hastighet och utslag kunnat fastställas. Eftersom ett värde representerar ca 20 m vid hastigheten 70 km/h, eftersom det loggas 1 värde varje sekund (70 km/h = 19,44 m/s). För att se ett utslag i en växel så har det tagits med 5 punkter från då tåget passerat växeln. 5 punkter representerar alltså 100 m. Lägsta uppmätbara värde är 0,006 G rms. Det registrerade sekundvärdet är det högsta utslaget under den sekunden, kan alltså ses som peakvärdet.

62 3. Gammelstad växel 1 och 13 Figur 8 Gammelstad trafikplats För att kolla närmare på vilka krafter som genereras när tåget kör in på driftplatsen så kan utslagen ses i figur 9: Figur 9 Gst vxl 1