titulkaČlánok sa zaoberá zváraním žliabkových koľajníc pre koľajové vozidlá mestských dráh. Na základe rozboru ocelí koľajníc sú v ňom uvedené požiadavky, ktoré je potrebné splniť na zabezpečenie správneho postupu zvárania.

 

 

 

 

 


V Bratislave električky vzhľadom na umiestnenie koľajiska voči cestnej komunikácii jazdia na dvoch základných typoch koľajníc. Prvé sú so žliabkom a druhé majú klasický tvar bez žliabku (obr. 1, 2 a 4).

obr1 obr2
Obr. 1: Žliabkové koľajnice Obr. 2: Klasická koľajnica 49 E (S 49)

 

Žliabkové koľajnice sú určené do zástavby v mestských komunikáciách, nakoľko temeno hlavy koľajnice je zarovno s povrchom vozovky a nevytvára prekážku ostatným účastníkom cestnej premávky pri ich pohybe. Do žliabku zapadá okolok na obruči kolesa, vďaka čomu je električka bezpečne vedená po svojich koľajniciach v uliciach mesta (obr. 3).

obr3 obr4
Obr. 3: Okolok kolesa zapadajúci do žliabku Obr. 4: Rozmery koľajnice 49E, S49

 

V prípade, že koľajnicový zvršok môže byť vyšší ako okolitý terén, teda keď sa koľajnicový zvršok nachádza v samostatnom vyhradenom jazdnom pruhu, ktorý neprekáža v pohybe ostatným účastníkom cestnej premávky, používajú sa koľajnice klasického tvaru t.j. bez žliabku.
Žliabok sa nachádza len na jednej strane koľajnice. Žliabkové koľajnice sa na koľajnicový zvršok montujú tak, že žliabky sú na vnútorných stranách koľajnicového zvršku.

Podstata problému
V Dopravnom podniku Bratislava, a. s. (ďalej len DPB) sa najčastejšie používajú žliabkové koľajnice s označením NT 1 a NT 3 (obr. 5 a 6). Rozdiel medzi nimi je v podstate len v šírke žliabku. V prípade koľajníc klasického tvaru sa vo väčšine prípadov používa typ s označením 49 E, prípadne S 49 (obr. 4).

obr5 obr6
Obr. 5: Rozmery koľajnice NT 1 Obr. 6: Rozmery koľajnice NT 3


V súčasnosti sa koľajnice po osadení na zvršok zvárajú po jednotlivých častiach do dlhých celkov. Chemické zloženie týchto typov koľajníc a ich mechanické vlastnosti sú uvedené v tabuľke 1 a 2. Chemické zloženie a mechanické hodnoty ocelí koľajníc NT 1, NT 2 a 49 E boli zistené v rámci technickej správy [1]. Ostatné typy koľajníc majú chemické zloženie a mechanické vlastností uvedené v tabuľkách 3 a 4 [2].

tab1
tab2
tab3
tab4

 

Už podľa obsahu uhlíka je zrejmé, že ocele koľajníc patria medzi obtiažne až ťažko zvariteľné ocele, ktoré by sa pri tavnom zváraní elektrickým oblúkom mali zvárať za použitia predhrevu. Vzhľadom na vysoký obsah uhlíka nie je možné na výpočet predhrevu použiť normu STN EN 1011-2. Z tohto dôvodu bol na jeho výpočet použitý vzťah podľa Séferiana [5].

rov1

h – najväčšia hrúbka materiálu
Najväčšia hrúbka materiálu na koľajnici je výška jej hlavy.

Koľajnice typu NT 1, NT 3 a 60 R 2 (kap. 1 a 3) sú žliabkové koľajnice. Koľajnice s označením 49 E, R 220, R 260 a R 320 Cr sú koľajnice bez žliabku, a teda majú klasický profil. Z tohto dôvodu výška hlavy, resp. najväčšia hrúbka materiálu, dosahuje v prípade koľajníc typu 49 E (obr. 4), R 220, R 260 a R 320 Cr hodnotu 51,5 mm a pri žliabkových koľajniciach NT 1, NT 3 (obr. 5 a 6) a 60 R2 cez 66 mm.
Koľajnice typu R 220, R 260 a R 320 Cr sú uvedené hlavne z dôvodu vzájomného porovnania obsahu uhlíka v oceli, hrúbky materiálu a následne výšky predhrevu pri jednotlivých typoch koľajníc.
Vypočítané hodnoty teploty predhrevu Tp pre jednotlivé typy koľajníc sú uvedené v tab. 5.

tab5

Na obr. 7 až 12 je zobrazená mikroštruktúra koľajníc NT 1, NT 3 a 49 E [1]. Mikroštruktúra základného materiálu (ďalej len ZM) týchto koľajníc je tvorená takmer čistým perlitom,
o korešponduje s obsahom uhlíka v ZM. Teplota Ms (Martenzit štart) je 250 °C a teplota Mf (Martenzit finiš) je tesne nad bodom mrazu. Teda, keby sa zváralo bez predhrevu, štruktúra teplom ovplyvnenej oblasti by bola vždy tvorená okrem martenzitu aj zvyškovým austenitom [5].
V prípade koľajníc typu R 220, R 260 a R 320 Cr odberateľ pri dodaní požaduje aby, mikroštruktúra ocele bola vždy tvorená u:
• koľajníc R 220 len zmesou perlitu a feritu vyskytujúceho sa na hraniciach zŕn. Nie je prípustný martenzit, bainit alebo cementit na hraniciach zŕn.
• koľajníc R 260 len perlitom. Zároveň sa u tohto typu pripúšťa výskyt feritu na hraniciach zŕn. Nie je však prípustný martenzit, bainit alebo cementit na hraniciach zŕn.
• koľajníc R 320 Cr celá perlitom bez martenzitu, bainitu alebo cementitu na hraniciach zŕn [2].

obr7
Obr. 7 a 8: Mikroštruktúra materiálu koľajnice NT 1
obr9
Obr. 9 a 10: Mikroštruktúra materiálu koľajníc NT 3
obr11
Obr. 11 a 12 Mikroštruktúra koľajníc 49 E

 

Kvôli dodržaniu požadovanej mikroštruktúry aj po zváraní je nutné pred zváraním použiť predhrev. Použitím predhrevu s následným postupným pomalým chladnutím zvaru a jeho okolia sa zníži riziko vzniku zákalových štruktúr priamo vo zvarovom kove a v TOO. Zároveň sa eliminuje možnosť vzniku oneskorených prasklín indukovaných vodíkom. Vodík sa vďaka predhrevu bude postupne uvoľňovať z problémových oblastí.

Príklad realizácie zvárania električkových koľajníc
V danom podniku počas výstavby nových opravárenských priestorov pracovníci zváracej firmy zvárali (obr. 13) na odbočke (obr. 14 a 15) žliabkové koľajnice vedúce do týchto zariadení. Konkrétne boli na stavbe použité koľajnice typu 60R2 (obr. 17), ktoré podľa STN EN 13674-1:2004 zodpovedajú materiálu ocele koľajnice R 260 (tab. 3 a 4).

obr13 obr14a
Obr. 13: Zváranie žliabkových koľajníc Obr. 14: Vyhotovený zvar
obr15 obr16
Obr. 15 a 16: Odbočka zo žliabkových koľajníc  


Koľajnice zvárali rúrkovým drôtom s priemerom D = R 2,0 mm typu Ineershield NS – 3M od firmy Lincoln Electric.

obr17
Obr. 17 Označenie na žliabkovej koľajnici typu 60R2


Označenie tohto PM je podľa EN 758: T 42 Z V N 3. Uvedený drôt je podľa výrobcu určený na ručné zváranie v polohe PA spojovacích zvarov koľajníc na medenej podložke. Prúd musí byť jednosmerný s kladnou polaritou na elektróde. Zároveň výrobca odporúča používať daný PM na zváranie hrubých prierezov alebo pri aplikáciách citlivých na praskanie. Daný drôt si počas zvárania vytvára vlastnú plynovú ochranu. Chemické zloženie pre čistý zvarový kov je uvedené v tab. 6 a mechanické vlastnosti sú uvedené v tab. 7.

tab6
tab7

 

Požiadavky určené predpismi pre zváranie koľajníc
Pred zváraním sa musí upraviť zvarová medzera. Vzdialenosť oboch koncov koľajníc musí byť v rozmedzí od 14 do 18 mm. Na koncoch koľajníc sa musia obrúsiť ostré hrany. Konce sa musia očistiť a odmastiť [3].
Z dôvodu tepelnej dilatácie sa konce koľajníc musia pred zváraním pridvihnúť. Robí sa to ich podklinovaním (obr. 18 a 19). Výška prevýšenia musí byť v intervale 2 ÷ 4 mm na jeden meter koľajnice. Počíta sa to od stredu zamýšľaného zvaru na obe strany po 500 mm. Hodnoty prevýšenia sa kontrolujú plochým oceľovým pravítkom dlhým 1m podľa STN 25 1113. Kliny zároveň slúžia na fixáciu koncov koľajníc v patričnej výške a v patričnom smere [3].
Na základe vyššie uvedených skutočností s ohľadom na chemické zloženie ocele koľajníc sa pred zváraním musí použiť predhrev. Výška teploty predhrevu je stanovená technologickým postupom v intervale od 300 ÷ 400 °C. Robí sa do vzdialenosti cca 200 mm na obe strany zamýšľaného zvaru. Zároveň sa táto hodnota teploty predhrevu považuje aj za pracovnú teplotu zvárania a má sa udržiavať po celú dobu zvárania. Teplota sa má kontrolovať termokriedami [3].

obr18 obr19
Obr. 18 a 19: Podklinovanie koncov koľajníc  

 

Po zváraní koľajníc je potrebné zvar a jeho okolie zabaliť do zábalu z minerálnej vaty na zníženie rýchlosti chladnutia zvaru a jeho okolia. Vplyvom veľkého množstva dodaného tepla počas zvárania sa môže okolie zvaru zohriať aj na teplotu do 500 °C. Vtedy je potrebné zváranie prerušiť [3].
Počas zvárania koľajníc sa na formovanie zvaru musia použiť príložky (obr. 13 a 14) podľa [3].
Na obr. 15 je viditeľné v súčasnosti používané podloženie koľajníc gumeným pásom. Gumený pás alebo gumené podložky sa podkladajú pod koľajnice u všetkých druhov koľajových dráh, či už železničných, alebo mestských dráh, z dôvodov zníženia vibrácií a hluku pri prejazde vozidla po koľajniciach. Pred zváraním sa gumený pás musí spod zváraného miesta odstrániť. Naopak, po vychladnutí koľajnice po zváraní sa musí pod zvárané miesto vrátiť [4].
Z pohľadu na vyhotovený zvar (obr. 20), nie je možné jednoznačne určiť, či gumený pás bol vrátený pod koľajnicu. Počas zvárania koreňa na päte koľajnice sa na jeho formovanie musia použiť keramické alebo medené podložky. Keramické podložky majú rozmery 200 x 60 x 13 mm. Po zvarení je potrebné zvarový spoj oboch koncov koľajníc zarovnať brúsením tak, aby roviny koncov jednej aj druhej koľajnice boli zhodné (obr. 21).

obr20 obr21
Obr. 20: Vyhotovený zvarový spoj Obr. 21: Nerozoznateľný spoj dvoch koľajníc

 

Záver
Súčasné normy požadujú počas výkonu zváračských prác dohľad nad týmito prácami prostredníctvom zváračského dozoru. Povinnosťou zváračského dozoru je kontrolovať plnenie technologických požiadaviek na danom pracovisku uvedených v predchádzajúcej stati. Požiadavky vyplývajú z technologických náležitostí stanovených podľa WPS (postup zvárania) vypracovaného na základe WPQR (schválený postup zvárania). Dozor, vykonávaný akoukoľvek formou, by mal zabezpečiť dodržiavanie všetkých technologických požiadaviek podľa WPS.

Literatúra:
[1] Technická správa: Hodnotenie vlastností materiálu obručí a koľajníc mestských koľajových dráh. Spracoval: VÚZ – PISR pod číslom 222/2000, ME 229-2. Objednal: Dopravný podnik Bratislava, a. s., rok 2010.
[2] Železničné koľajnice, technické a dodacie podmienky TDP 2012-07-01. Spracovali: ŽSR, BA, Generálne riaditeľstvo, Odbor železničných tratí a stavieb, Klemensova Bratislava.
[3] Technologický postup zvárania spracovaný DP BA, a. s., pod č. UTZ – 008/02 ako Ručné oblúkové zváranie koľajníc obalenou elektródou NER. Schválil: Štátny dráhový úrad v BA 20. 1. 2003 na základe WPAR 359/340 WPAR bola spracovaná podľa: Podklady pre certifikáciu technológií renovácie súčastí výhybiek a zvárania koľajníc f. Esab – Záverečná správa. Autor záverečnej správy: VÚD Žilina, november 1995.
[4] Predpis ŽSR TS – 3. Železničný zvršok a jeho jednotlivé prvky.
[5] Ptáček, L. a kolektív: Náuka o materiálu I. a II. Vydavateľ: Akademické nakladatelství CERM, s. r. o,. Brno, ISBN: 80-7204-2831-1 (2. opr. a rozš. vyd.), 2002.
[6] Hrivňák, I.: Zváranie a zvariteľnosť materiálov. Vydavateľstvo Citadela ISBN 978-80-89628-18-6 (2. vyd.), 2013.

Poznámka: WPAR je staré označenie WPQR.

TEXT/FOTO: Ing. Tomáš Világoš IWE, Ing. Štefan Súdolský, Ing. Rudolf Slezák
Recenzent: doc. Ing. Peter Bernasovský Ph.D., EWE