Kiskojen lämpölaajeneminen
PM
laajenevat? Tietääkseni se rako kiskojen päiden välissä on historiaa. Olen
kuullut teorian, että löysät otetaan pois mutkissa, rata siis 'kasvaa'
ulkokurviin päin. Miten siis on? Kai tuo lämpölaajeneminen on kuitenkin
jotenkin huomioitu, onhan se sen verran merkittävä ilmiö.
wsad
ylilaajenemista ei pääse tapahtumaan normaaleissa lämpöolosuhteissa.
Kutistuminen voikin sitten aiheuttaa katkeamisia vai mitä?
"PM" <pet...@hotmail.com> kirjoitti viestissä
news:ab1qet$t39$1...@phys-news1.kolumbus.fi...
Elmo Allén
viestissä:ab2t2r$arm$1...@news1.song.fi...
> Eikös se nyt ole niin että ne lämmitetään hitsattessa, joten varsinaista
> ylilaajenemista ei pääse tapahtumaan normaaleissa lämpöolosuhteissa.
> Kutistuminen voikin sitten aiheuttaa katkeamisia vai mitä?
Varmaankin näin. Kyllähän se teräskin venyy kun tarpeeksi kovaa jaksaa
venyttää. Puristuksesta en mene sanomaan mitään, etten sano väärin. Mutta
terästä saa venyttää aika kovin ennen kuin se katkeaa. Alla laskettu
sallittu lämpötilanmuutos. Ensin hieman perusteita teräksen venymisestä:
Teräs venyy tiettyyn rajaan (myötöraja) asti kimmoisasti, eli palautuu
normaaliksi jännityksen lakattua. Tämän rajan ylityksen jälkeen alkaa
tapahtua pysyviä muodonmuutoksia, ja lopullinen murtuminen tapahtuu vasta
paljon myöhemmin. Lämpötilan vaikutuksesta teräs pitenee/lyhenee eikä
aiheuta jännityksiä, ellei pituuden muutos ole jotenkin estetty. Kun
pituuden muutos estetään täysin, kaikki pituuden muutos muuttuu
jännitykseksi, ts. kuvitellaan, että kutistuminen on jo tapahtunut ja
venytetään kisko takaisin alkup. mittoihin.
Jos oletamme kiskoihin käytettävän vaikka S 355 -terästä (kun en netistä
löytänyt mistään arvoja ratakiskoteräksille), jonka myötölujuus on 355 MPa,
kimmokerroin luokkaa 200 GPa ja lämpöpitenemiskerroin luokkaa 12.0 * 10^-6
/*C.
Venymä voidaan laskea laskemalla yhteen jännityksen aiheuttama venymä ja
lämpötilan aiheuttama venymä.
epsilon = sigma / E + alfa * deltaT
epsilon = venymä; sigma = normaalijännitys; E = kimmokerroin
alfa = lämpöpit.kerroin; deltaT = lämpötilan muutos
Kun estämme pitenemisen/kutistumisen (epsilon = 0) ja sijoitamme sigma =
sigma_max = myötölujuus ja ratkaisemme deltaT:n, saamme:
deltaT = -sigma_max / (E * alfa)
deltaT = -355 MPa / (200 GPa * 12.0 * 10^6 /*C) = -148 *C
Eli eiköhän tuolla Suomen talvet pärjäillä. Kunhan kiskot kiinnitetään
tarpeeksi lujasti. Eri asia on sitten ratapölkkyihin ja kiinnityspultteihin
kohdistuvat rasitukset, mutta niitä en laiskuuttani rupea laskemaan. Ja
pitäisi ainakin tietää pulttien määrä, paksuus ja väli (pituussuunnassa) ja
ratakiskon poikkipinnan ala. Ja mitä minä näitä laskemaan, nehän on joku
noheva insinööri VR-Radalla laskenut valmiiksi...
Tuli mieleen se vanha vitsi, miksi idioottikin saa ratakiskon poikki:
viisaampi antaa periksi.
nimim. "olen juuri lukenut lujuusopin kurssin (ja toivottavasti
läpäissyt...)"
--
Elmo
* Elmo Allén * Polyteknikkojen Kuoro *
* elmo.allen @ saunalahti.fi * http://pk.tky.hut.fi *
Elmo Allén
viestissä:ab3iuj...@dsl217.ssp.fi...
> Enpä tiedä noista laskelmista, kun en niistä mitään ymmärrä...
>
> Mielestäni jossain lehdessä oli noista kiskoista kerrottu, miten
> paljon ne pitenee esm. 0 - 30+ astetta ja 0 - 30- asteessa, esim.
> välillä H:ki - Oulu. Muistelisin, että useita metrejä kuitenkin.
>
> Mihin tämä muutos hukataan nykyään, kun kisko on ns. yhtä puuta?
Siis kisko kiinnitetään lämmitettynä, eli maksimipituisena ja ilman
jännityksiä. Mitä tuo lämpötila sitten lieneekään, voin vain arvailla. 50 *C
luulisi riittävän Suomen kesiin. Sitten kun kiskon lämpötila laskee, se
rupeaa "venymään". Venymään lainausmerkeissä, koska itse pituus ei muutu,
ainoastaan jännitykset. Ja kuten pienen laskelmani tuloksena tuli, lämpötila
saa laskea ainakin sata astetta, ennen kuin sillä on mitään vaikutusta itse
kiskon ominaisuuksiin. Eli muutos hukataan kiskon sisäiseen rakenteeseen.
Sama efekti tietysti olisi mahdollista siten, että kisko hitsataan kylmänä,
mutta hirveällä venytyksellä, mutta se olisi hieman hankalaa (käytännössä
mahdotonta).
Ai niin tuli mieleen että eihän ne itse ratapölkyt taida ottaa vastaan
jännityksiä, vaan liikkuminen on estetty ainoastaan poikittaissuunnissa,
mutta ei pituussuunnassa... Eli kriittinen tekijä on hitsisauma, joka ottaa
vastaan nuo kiskojen jännitykset. Kun en hirveästi ole tuota hitsausta
lukenut, niin en osaa sanoa onko 250-300 MPa paljon vai vähän hitsisaumalle.
Ja itse asiassa minä vain oletan, että ne kiskot hitsataan lämmitettynä...
:)
Elmo Allén
viestissä:ab3s0n...@dsl217.ssp.fi...
> No haloo, kyllä sitä rautatietä nyt vaan tehdään ihan missä
> lämpötilassa vaan sattuu olemaan tarpeellista! Itsekin olen ollut
> näkemässä kiskojen vaihtoa liki -40 asteen pakkasessa.
Kuuluu kyllä hyvin. Mitä ajattelit minun tarkoittavan lämmityksellä? Kenties
sitä voi lämmittää pelkän kiskon??? Onnistuu helposti pelkällä
sähkömagneettisella induktiolla eli pyörrevirroilla.
<rautalanka>
lämmitettynä = kiskon lämpötilan nosto ympäristöä korkeammalle
lämpimässä = ympäristön lämpötila on korkea
</rautalanka>
Ja käytin siis edellistä.
Elmo Allén
viestissä:ab47lc...@dsl217.ssp.fi...
> Tarkoitat siis että kisko venyy _vain_ hitsisauman kohdalta...?..;)
En.
> Minä taas tarkoitan koko yhteen hitsatun 1200 kilometrin yhtenäisen
> kiskon pituuden muutosta. Paljonko se on metreissä?
> Metri, 5, 10metriä, enemmän?
0 metriä. Perustelut alempana.
> Jos meillä olisi tuo 1200 km pitkä kisko irtonaisena tuossa,
> niin se laajenee tai venyy tai supistuu lämpötilan mukaan.
Kyllä, JOS se olisi irtonaisena.
> Miten estetään ilmeisestikin useiden metrien mittainen lämpenemisestä
> johtuva _PITENEMINEN_ raudassa?
Koska rauta on kimmoisa materiaali ja venyy jännitettäessa. Käytän siis
sanaa "venyy" tarkoittaessani nimenomaan jännityksestä aiheutuvaa
pituudenmuutosta, en lämpötilasta aiheutuvaa. Ja siis kysehän on nyt
kutistumisen estosta, koska kisko lämmitetään hitsattaessa. Nimenomaan
siksi, että rautaa on helpompi venyttää kuin puristaa.
> Jos se estetään muuttamalla se venymiseksi, lämmittämällä kiskoa
> hitsatessa, niin minusta kyllä kisko venyykin koko mitaltaan. Montako
> metriä se "venyy"?
Ei kun siis...
<rautalanka>
Siis oletetaan että ollaan kylmässä, esim. 0 *C, kun hitsataan. Sitten
lämmitetään kisko esim. 50 *C lämpötilaan, jolloin se pitenee. Nyt se
hitsataan kiinni. Kisko on siis maksimipituinen. Kun se sitten jäähtyy
tuohon 0 *C -lämpötilaan, se pyrkii kutistumaan. Koska se on kuitenkin
hitsattu kiinni, se ei kutistu, vaan sen sisäiset rakenteet jännittyvät, ja
kisko venyy takaisin siihen pituuteen, mikä sillä oli hitsattaessa. Kiskon
pituus ei siis muutu, lämpötilapituudenmuutos vain muuttuu
jännityspituudenmuutokseksi.
Eli:
<tosi rautalanka, melkein ratakiskoa>
Oletamme lepotilaksi vaikka 0 astetta celciusta.
Kiskon pituus on vaikka 10 m.
Sitten lämmitämme kiskon 50 *C.
Kisko kasvaa 10,006 metriin.
Hitsaamme sen kiinni.
Sitten jäähdytämme kiskon takaisin 0 *C.
Kisko haluaisi kutistua takaisin 10 metriin, mutta ei voi, koska se on
hitsattu päistään kiinni.
Kiskon pituus pysyy 10,006 metrissä, mutta nyt siinä on jännitystä tuon
0,006 metrin pituuseron (suhteessa lepotilaan) takia, ja jännitys on
suuruudeltaan 120 MPa (megapascalia).
</tosi rautalanka, melkein ratakiskoa>
Jännityksestä aiheutuva pituudenmuutos on siis täysin eri asia kuin
lämpötilasta aiheutuva pituudenmuutos.
</rautalanka>
Mutta siis huomaan pointtisi. Eli kun kerran periaatteessa koko rata on yhtä
kiskoa ainakin kymmenien kilometrien matkalta (onhan vaihteet ym.), se siis
lämmetessään periaatteessa pitenisi, jos se saisi vapaasti pidentyä. Tai
oikeastaan kylmetessään kutistuisi meidän tilanteessamme, että
alkutilanteessa kisko on maksimilämmin.
Mutta on aivan järjetöntä olettaa, että esim. 20 kilometriä pitkä yhteen
hitsatun kiskon annettaisiin vapaasti pidentyä, koska se pitenisi 50 asteen
lämpötilamuutoksesta n. 0,000012 * 20 000 m * 50 *C = 12 m. Ja 1200 km pitkä
kisko 720 m. Jos vuorokauden aikana lämpötila muuttuu vaikka 10 *C huipusta
pohjalle, tarkoittaa se siis 0,00023 asteen muutosta sekunnissa, joka
tarkoittaa, että tuon 1200 km pitkän kiskon pituus muuttuisi n. 3,3
millimetriä sekunnissa!
En osaa valitettavasti tarkkaa vastausta antaa, mikä ottaa tästä
pituudenmuutoksesta aiheutuvat jännitykset vastaan, ts. mihin kiskot ovat
lopullisesti kiinnitetty. Kiskot ovat ainakin kohtuutiukalla kiinni
ratapölkyissä, joten se ottaa vastaan ainakin osan. Vai ovatko kiskot
pultattu täysin jäykästi (siis myös pituussuunnassa) ratapölkkyihin? Tai
sitten Helsingin ja Oulun asemilla on kaksi elefanttia venyttämässä kiskoja
talvella :)
T. Lajunen
: pituudenmuutoksesta aiheutuvat jännitykset vastaan, ts. mihin kiskot ovat
: lopullisesti kiinnitetty. Kiskot ovat ainakin kohtuutiukalla kiinni
: ratapölkyissä, joten se ottaa vastaan ainakin osan. Vai ovatko kiskot
: pultattu täysin jäykästi (siis myös pituussuunnassa) ratapölkkyihin? Tai
: sitten Helsingin ja Oulun asemilla on kaksi elefanttia venyttämässä
kiskoja
: talvella :)
: Elmo
Eivät ole pituussuunnassa kiinni pölkyissä, mutta varmasti kilometrien
matkalla kiinnityksen aiheuttama kitka merkitsee jotain. Päissään kiskot
ovat sitten lopulta kiinni päätypuskimissa, sitä tosin en tiedä, miten
päätypuskimet ovat kiinni peruskalliossa, jos ovat ollenkaan :)
Elmon kärsivällinen selitystyö saa kiitokseni, taidat tietää miltä tuntuu
opettajasta, joka yrittää saada oppilaansa hahmottamaan asiaa, joka ei ole
aivan suoraan havainnollistettavissa. Miten selittää havannollisesti mitä on
"kiskon sisäinen jännitys"... :)
Turun radalla hellekesinä toisinaan lähti kiskot aaltoilemaan, liekö sitten
hitsattu kylminä..
-T.Lajunen
Hannu Koskenvaara
Raimo Saarela wrote:
> Nyt tiedämme siis että 20 km. kisko pitenee 12m. kesällä?!
> Nyt vielä joku joka tietää noista radanrakentamisen jutuista, voisi
> kertoa lisää tuosta muutoksen estämisestä?
En ole mikään radanrakennusekspertti, mutta käsittääkseni kiskot vain
kiinnitetään niin lujasti alustaansa, etteivät ne yksinkertaisesti pääse
liikkumaan. Rauta on kumin kaltaista joustavaa ainetta, samoin kuin
kuminpalan voi puristaa lyhyemmäksi tai venyttää pitemmäksi, voi tehdä
myös rautakiskolle. Vaadittavat voimat ovat tietenkin raudalla aivan
toista luokkaa verrattuna kumiin. Elmo laski joissakin olosuhteissa
jännitykselle 120 MPa:n arvon. Se on 1,2 tonnia vetoa tai puristusta
joka kiskon poikkipinnan neliösenttiä kohti. 60 kg/metri painavan kiskon
poikkipinta-ala on noin 80 cm^2, kiskoa siis vetää tai puristaa 100
tonnin voima. Käsittääkseni ainakin osittain siksi on alettu käyttää
betoniratapölkkyjä, koska puiset eivät tuollaisia voimia tahdo kestää.
Hannu Koskenvaara
Jyri Hakola
> Miten estetään ilmeisestikin useiden metrien mittainen lämpenemisestä
> johtuva _PITENEMINEN_ raudassa?
Kiinnittämällä kisko alustaan riittävän lujalla kiinnityksellä.
Lämpölaajeneminen kyllä yrittää tässä tapauksessa laajentaa kiskoa
kaikkiin suuntiin mutta riittävän luja kiinnitys alustaan estää tämän
laajeneman ja "puristaa" kiskon takaisin normaalimittaan.
Seurauksena kiskon sisäinen puristusjännitystila kasvaa ja
kiinnityspultteihin aiheutuu erinäisiä leikkausjännitystiloja
konstruktiosta riippuen, mutta mikäli tarvittavat lujuuslaskelmat on
tehty oikein niin rakenne kestää syntyvien voimien vaikutukset ja
säilyttää mittansa halutussa toleranssissa.
Luultavimmin taas betonipalkkien ja karkeasoraisen ratapenkereen väliset
kitkavoimat pitävät kiinnitysalustan paikoillaan. Kiskojen sivuttaista
taipuilua taas luultavimmin selittää se että sivusuunnassa ratapalkkien
ja penkereen väliset kitka- ja tukivoimat ovat paljon pienempiä ja
puristuksen alainen kisko on päässyt nurjahtamaan sivulle.
Teräs on senverran mukavaa että sitkeänä materiaalina se kestää vetoa ja
puristusta likimain yhtä hyvin, jolloin lämmön vaikutukset suuntaan tai
toiseen on helppoa huomioida. Sensijaan esim. betoni on siinä suhteessa
ikävää ainetta että puristusta se kestää vielä hyvin, mutta vetoa hyvin
huonosti.
Perttu Karttunen
olisi tällöin 32 Kilometria. Nyt kun keksitään keino, millä pölkyt saadaan
tuolle 12 Km:n matkalle, niin tämähän olisi helkkkrain hyvä liikeidea.
Tehdään kiskot esim. Johonkin lomakohteeseen siten, että kun siellä ei ole
talvella ketään, niin rakennetaan 20 Km:n pituinen rata, ja päätetään se 12
Km:n päähän asemasta, ja mutta asennetaan pölkyt tuolle kahdentoista
kilometrin pätkälle.
No, tulee kesä, ja kiskot laajenee ITSESTÄÄN pölkkyjen päälle... ; )
Ei tuo laskelma pidä paikkaansa, (vaikkam inulla olikin matematiikka 5:nen
tokarissa arvosteluasteikolla 4 - 10 ) =)
Eikös helteellä suurin ongelma ole nämä helleaallot kiskoissa, eikös
Jyväskylässä (?) pufonnut matkustajajunan vaunu kiskoilta jokunen vuosi
takaperin samaisesta syystä...
-Perttu K
Matti Grönroos
Perttu Karttunen wrote:
>
> Ei tuo laskelma pidä paikkaansa, (vaikkam inulla olikin matematiikka 5:nen
> tokarissa arvosteluasteikolla 4 - 10 ) =)
Mutta mitenkä luetun ymmärtämisen laita, siitä ei taida omaa numeroa
saada? :-) Metri ja kilometri ovat eri asioita ja tästä seuraa, että 12
metriä on eri asia kuin 12 kilometriä.
Matti
--
Matti Grönroos - http://www.iki.fi/mjg
Perttu Karttunen
ei helkkarissa se voi 12 Kilometriä venyä.
-Perttu K
Hannu Koskenvaara
Perttu Karttunen wrote:
>
> Hetkinen.. siis jos 20 Km:n kisko laajenee kesällä 12 Km.. kiskojen pituus
12 metriä, ei kilometriä.
Hannu Koskenvaara
Kimmo T. Lumirae
ajatella miten sellainen tapahtuisi kun ajatellaan että kiskon pituus ennen
asennusta on jotain 100...400 metriin. Mutta eihän se tietenkään mahdotonta
ole. Muistelen sen sijaan kuulleeni väitteen jonka mukaan ne hitsattaisiin
+20 C -asteen lämpötilassa. Kesällä kisko lämpenee auringossa huomattavan
lämpimäksi ja talvella jäähtyy tuosta kuutisenkymmentä astetta kirpeällä
pikku pakkasella.
Ja että voimiakin olisi sekä että. Kovilla pakkasilla paitsi teräksen
haurastuminen, myös venyminen aikaansaa sen että kiskonkatkeamat eivät ole
tavattomia. Kerrotaan että pakkasella katkenneeseen kiskoon tulee silmin
nähtävä rako. Korjataanko nämä sitten ikään kuin tilapäisesti odottamaan +20
C -asteen keliä...en tiedä.
Puristusvoimat tuottavat edelleen hellekäyriä. Tällöin radan geometria
muuttuu äkillisesti ja se tekee lyhyellä matkalla pienen s-kaarteen jonka
säde on yleensä niin pieni ettei siitä junalla voi ajaa joko lainkaan tai ei
ainakaan täydellä nopeudella.
Käytännössä tuo venymän/puristuman mittausmatkahan ei muuten voi olla juuri
pidempi kuin vaihteelta toiselle...vaihteessa aina ainakin toinen kisko
katkeaa ja laajenemislaskut pitää aloittaa taas nollasta. Eli ei siis
Helsingistä Rovaniemelle.
Kimmo T. Lumirae
"wsad" <tomaha...@hotmail.com> kirjoitti viestissä
news:ab2t2r$arm$1...@news1.song.fi...
Tve4
Suomessa katkenneista kiskoja harvemmin hitsataan pakkasella, sillä
lämpölaajeneminen tuo lisäongelmia. Kiskoja ei myöskään aleta lämmittämään
kuten USA:ssa ("burning the rope") polttamalla oljyistä köyttä kiskon
vieressä.
Katkennut kisko kiinnitetään ns. pikaliittimellä jolla vedetään kiskon päät
samaan linjaan. Paikkaan jää kuitenkin pieni katko, joka tuntuu täräyksenä
matkustajavaunun mennessä yli. Toisinaan pyörän kulkukehälle jää hetkellinen
kolo, joka raplattaa kiskoa vasten mutta häviää myöhemmin. Katkokseen
asennetaan myös kaapeli jotta raidevirtapiirit säilyvät eheinä.
Kun pakkaset hellittävät saapuu porukka hitsausvehkeiden kanssa ja hitsaavat
katkoksen kiinni.
USA:ssa kiskoa lämmitetään, koska raskaan liikenteen vuoksi (jopa n. 20%
raskaamaat askelipainot kuin Suomessa) on tärkeää että rata on kunnossa.
Hellekäyrät kesällä lähellä näitä paikkoja ovat kuitenkin harvinaisia.
Nykyiset hitsausaineet kuulemma ovat jopa sellaisia, että ne reagoivat
lämpötilaan päinvastoin kuin teräs
Tve4
