Wissel ontwerpen op basis van Reliability, Availability, Maintainability en Safety

RAM(S) ASPECTEN VOOR HET ONTWERPEN VAN WISSELS Wissel ontwerpen op basis van Reliability, Availability, Maintainability (en Safety).

Eindrapport Afstudeerwerk van

D.L.M. Warmerdam Afstudeercommissie

prof. dr. ir. C. Esveld (TU Delft) dr. ir. V.L. Markine (TU Delft) ir. T.H.W. Horstmeier (TU Delft) ir. K.H. Oostermeijer (Holland Railconsult)

08 juli 2005

Wissel ontwerpen op basis van Reliability, Availability, Maintainability en Safety

Woord vooraf Dit afstudeeronderzoek is het eindexamenwerk van mijn opleiding Civiele Techniek aan de Technische Universiteit Delft. Mijn afstudeerrichting is de mastervariant Mechanica, Materialen en Constructies met de specialisatie Weg- en Railbouwkunde. Het examenwerk bestaat uit het uitvoeren van een wetenschappelijk onderzoek van een half jaar waaruit het analytische, synthetische academisch vermogen zal moeten blijken. De andere inhoudelijke aspecten waarop wordt gelet, zijn de zelfstandigheid, productiviteit, systematiek en originaliteit. De afstudeeropdracht is begeleid door de commissie bestaande uit de voorzitter de heer professor dr. ir. C. Esveld (TU Delft, afdeling Weg- en Railbouwkunde) en de dagelijkse begeleiders de heer dr. ir. V.L. Markine (TU Delft, afdeling Weg- en Railbouwkunde), de heer ir. T.H.W. Horstmeier (TU Delft, afdeling Bouwprocessen) en de heer ir. K.H. Oostermeijer (Holland Railconsult, groep Baan&Spoorwegbouw). Ik wil hen bij deze graag bedanken voor de goede begeleiding en betrokkenheid. De drie peilingen en in het bijzonder de dagelijkse begeleiding door de heren Oostermeijer, Markine en Horstmeier zijn een hele goede ondersteuning geweest voor het gedegen uitwerken van dit onderzoek. Het onderzoek heeft plaats gevonden bij het bedrijf Holland Railconsult te Utrecht. Holland Railconsult is een ingenieursbureau met ruim 1400 professionals, gespecialiseerd in advisering en het genereren van technische oplossingen op het gebied van vervoersystemen en de daarbij horende infrastructuur. Het werkveld beslaat zowel binnenland als het buitenland. De medewerkers adviseren nationale, regionale en lokale overheidsinstanties, organisaties voor openbaar vervoer en andere instellingen op elk deel van de projectfasen. De expertise van Holland Railconsult ligt op het vlak van capaciteits-, veiligheids- milieu- en inpassingvraagstukken van het drukst bereden spoorwegnet ter wereld, waarin zij duurzame en integrale oplossingen realiseert. [1] Ik heb tijdens het afstuderen met veel plezier aan de opdracht gewerkt. De gevraagde doelstellingen waren interessant door de brede toepassingsmogelijkheden en het verkennende karakter. Het was hierdoor wel noodzakelijk om diverse afbakeningen te maken om de doelstellingen te kunnen halen. Het is leuk om tegen het einde van de afstuderen te horen dat er vanuit verschillende hoeken van de spoorwegsector interesse is om vervolgonderzoeken uit te voeren. Het afstuderen bij het bedrijf Holland Railconsult is een leuke tijd geweest. Ik heb met diverse medewerkers interessante gesprekken gehad over het ontwerpen van bovenbouwconstructies, wat veel heeft bijgedragen aan het verkrijgen van inzicht in zaken rondom de spoorweginfrastructuur. Ik wil hen en de mensen bij wie ik -kort of lang- op de kamer heb gezeten graag bedanken voor de gezellige en interessante tijd die ik tijdens mijn afstuderen heb gehad. Tijdens het afstuderen heb ik diverse gesprekken gehad met medewerkers van ProRail en Strukton over het beheer en instandhouding van wissels. Daarnaast heb ik gesprekken gehad met medewerkers van Kloos Oving B.V. over de bouw van wisselconstructies. Ik wil hen hierbij bedanken voor de tijd en informatie hetgeen een nuttige bijdrage is geweest voor dit onderzoek. In het bijzonder wil ik graag de heren Frits van Loenen en Evert Pardijs van ProRail bedanken voor hun grote betrokkenheid. Tot slot wil ik graag mijn familie en vrienden bedanken voor hun ondersteuning en Jac en Liesbeth wil ik hierbij extra bedanken voor hun veelzijdige support tijdens mijn studie. Het voor u liggende rapport betreft het definitieve eindrapport. Het is geschreven voor de afstudeeropdracht en is bestemd voor de leden van de examencommissie. Daarnaast kunnen het rapport en met name de bijlagen mogelijk als handleiding dienen voor de ontwerpers van de groep Baan- & Spoorwegbouw. Tot slot is dit rapport geschikt voor éénieder die meer wil weten over de toepassingsmogelijkheden van RAM(S)-aspecten binnen de groep Baan- &Spoorwegbouw. Doesjka Warmerdam Studente aan Technische Universiteit Delft Faculteit der Civiele Techniek Afdeling Weg- en Railbouwkunde

-1- van de 107

RAM(S) aspecten voor het ontwerpen van wissels

[email protected] 8 juli 2005

-2- van de 107


-3- van de 107


Samenvatting Het gericht sturen op de Reliability, Availability, Maintainability en Safety (RAMS) van de spoorweginfrastructuur maakt het mogelijk om zeker te stellen dat op een bepaalde spoorbaan een zekere hoeveelheid treinverkeer in de afgesproken periode veilig kan plaatsvinden. De RAMS aspecten worden steeds meer in projectbeschrijvingen opgenomen om deze mee te nemen tijdens alle fasen van het project. De definitie van RAMS is volgens de Europese Norm EN50126: Een karakteristiek van de langdurige gebruikersperiode van een systeem dat door de toepassing van voorgeschreven ontwerpregels, ontwerpmethoden, middelen en technieken wordt vastgelegd voor de gehele levenscyclus van het systeem. De RAMS van een systeem kan worden gekarakteriseerd als kwalitatieve en kwantitatieve indicator waarmee de mate wordt aangegeven waarin het systeem -of het subsysteem en componenten overeenkomstig met het systeem- kan functioneren zoals in de specificaties is vastgelegd en zowel beschikbaar als veilig is. Holland Railconsult wil de RAMS aspecten gaan toepassen in de ontwerpfase, bestemd voor de groep Baan-&Spoorwegbouw. Voor een goede implementatie is het nodig om onderzoek te doen naar de belangrijkste parameters van de RAMS aspecten, waar tijdens het ontwerpen gericht op kan worden gestuurd. Deze vraag is voor onderzoek neergelegd bij de Technische Universiteit Delft. De resultaten worden opgenomen in een kader voor de RAM(S) ontwerprichtlijn. Een belangrijk onderdeel is het verkrijgen van meer inzicht in de relatie tussen slijtage en gebruik, in de vorm van een degradatiemodel. RAMS is zowel een karakteristiek volgens de definitie uit EN50126 als een afkorting voor de vier aspecten Reliability, Availability, Maintainability en Safety. Het aspect Availability is het belangrijkste aspect waarop wordt gestuurd door de railinfrabeheerder, zoals door ProRail in Nederland. De Availability wordt in belangrijke mate bepaald door de Reliability en Maintainability van het systeem welke op hun beurt grotendeels worden bepaald door de gemaakte ontwerpkeuzen. Het aspect Safety bepaalt of wordt bepaald door de aspecten Reliability, Availability en Maintainability, maar tijdens de ontwerpfase wordt deze aangehouden als een opgegeven eis die niet wordt geoptimaliseerd. Het onderzoek is gebruikt om vast te stellen wat de belangrijkste parameters zijn voor de RAM aspecten zodat hier tijdens het ontwerpen expliciet op kan worden gestuurd. De daarmee opgestelde RAM formules zijn geverifieerd op een bestaand wissel. Een belangrijk onderdeel van de richtlijn zijn de indicatoren waarmee de Reliability en Maintainability waarden kunnen worden bepaald voor verschillende ontwerpkeuzen. Deze waarden kunnen worden vastgesteld en weergegeven met behulp van een RAM indicator als in figuur 1. Het figuur geeft een voorbeeld van een RAM indicator, waaruit kan worden afgelezen welke R of M waarden horen bij verschillende waarden van de aanloophoek van een tongbeweging. De hoge waarden gelijk aan 1 geven een zeer goede situatie weer en de vastgestelde waarden van de ondergrens komen overeen met de niet gewenste situatie, meestal gelijk aan 0,99. Elke ontwerpkeuze zal zekere R en M waarden hebben, die zijn af te lezen uit de desbetreffende indicatoren. aanloophoek

0°

1,0

(zeer goed)

0,…

(slecht)

R óf M

RAM(S) specificaties

1°25’ met UIC wielen

figuur 1 RAM indicator aanloophoek tongbeweging

De RAM waarden van een wissel zijn afhankelijk van de optredende slijtage en vermoeiing. Het optreden van slijtage en vermoeiing zijn afhankelijk van de wiel-rail interactie en materiaaleigenschappen. De invloedsfactoren van het slijtage- en vermoeiingsproces zijn onderverdeeld in generieke en specifieke factoren. De generieke invloedsfactoren worden bepaald door de wissel eigenschappen. De specifieke invloedsfactoren worden bepaald door de externe wisseleigenschappen, zoals het tracé, het uitgevoerde onderhoud, de ondergrond e.d.. Het model van de degradatie is tijdens het ontwerpen nodig voor het voorspellen van de (grootte van) de risico’s en de verwachte levensduur van het wissel of de wisselcomponenten. Het degradatiemodel is in dit onderzoek opgesteld als kwalitatief model als resultaat van literatuuronderzoek en gesprekken met deskundigen.

Het kader van de richtlijn is opgesteld volgens de verschillende fasen van het ontwerpproject. De belangrijkste onderdelen zijn de risicoanalyse, het opstellen van de systeemeisen en de ontwerpfase. De volgende stap zal zijn om het kader van de ontwerprichtlijn toe te passen bij een concreet project en het kwantificeren van het degradatiemodel.

-4- van de 107


-5- van de 107


Abstract Application of Reliability, Availability, Maintainability and Safety (RAMS) management for rail infrastructure ascertain that a railway system can achieve a defined level of traffic in a given time frame and Safety. RAMS aspects are more and more applied in project specifications during all phases of the project. The RAMS definition is according to the European Norm EN50126: A characteristic of a system’s long term operation and is achieved by application of established engineering concepts, methods, tools and techniques throughout the lifecycle of the system. The RAMS of a system can be characterised as a qualitative and quantitative indicator of the degree that the system, or the sub-systems and components comprising that system, can be relied upon to function as specified and to be both available and safe. Holland Railconsult intends to apply the RAMS aspects in the design and engineering of railway constructions at the department of permanent way. For a good implementation, research needs to be carried out to determine the most important parameters of the RAMS aspects to be applied during design and engineering. This research issue has been placed by the Delft University of Technology. The results will be implemented in a RAMS Design Standard framework. An important part of this research is to gain more insight in the relation between wear and exploitation, ultimately resulting in a deterioration model. RAMS is as well a characteristic according to the definition of EN50126 as it is short for the four aspects Reliability, Availability, Maintainability and Safety. Aspect Availability is the prime deliverable for an infrastructure manager, such as ProRail in the Netherlands. The Availability will heavily be influenced by the Reliability and Maintainability of a system, which are the consequences of decisions made in the design process. The aspect Safety has a relation with the aspects Reliability, Availability and Maintainability, but will during the design process be applied as an invariable and will not be optimised. In order to allow control of the design process, the research is used to determine the major parameters for the individual aspects. The formulated RAMS equations were verified on an existing switch. The main part of the Design Standard consists of indicators to determine the Reliability and Maintainability values of a certain decisions made in the design process. These values can be determined and visualised with the help of the RAM Bar in figure 1. This figure is an example of a RAM Bar related to the R or M values of the different angle of attack for the set of switch. The high values equal to 1 correspond to a very good design. A poor design gives the lowest values, of approximately 0,99. Decisions made in the design process will result into certain R and M values of the matching indicators. The RAM(S) values of a switch are mainly determined by wear and fatigue. Wear and fatigue depend on the wheel-rail interface and properties of the materials. The influencing RAM (S) speci f i cat i on s factors for this process are classified as generic and specific factors. The generic influencing factors are the properties of the switch. The specific factors depend on the external properties of the switch amongst others the track, the executed maintenance and the subsoil. The deterioration model is an engineering tool to convert the risk values and the life expectancy of the switch or switch components. The degradation model has been drafted as a qualitative model (bad) 1°25’ 0,… w i t h UIC w h eel s determined by results of literature study and the interviews f i gu r e 1 RAM Bar ex am pl e an gl e of at t ack set of sw i t ch with peers. an gl e of at t ack 0°

1,0

(ver y good)

R or M

The formed Design Standard framework meets the different phases of design process. The main part is the risk analyses, the system requirements and the design phase. The next step will be to apply the Design Standard framework by a specific project and quantify the deterioration model.

-6- van de 107


-7- van de 107


Inhoud Woord vooraf ............................................................................................................ 1 Samenvatting ............................................................................................................ 4 Abstract ..................................................................................................................... 6 Inhoud........................................................................................................................ 8 1. Inleiding............................................................................................................. 10 1.1

RAMS in algemene context ....................................................................................10

1.2

RAMS Management in de spoorwegsector...........................................................13

1.2.1 1.2.2 1.2.3

1.3

RAM(S) management tijdens ontwerpfase ...........................................................16

1.3.1 1.3.2

1.4

Achtergrond van het RAMS denken ................................................................................ 13 Doelstellingen van de railinfrastructuur ........................................................................... 15 Toepassing van RAMS management in de spoorwegsector .......................................... 16 RAMS management bij Holland Railconsult.................................................................... 16 Vraagstelling van Holland Railconsult voor afstudeeronderzoek .................................... 17

Opbouw rapport ......................................................................................................18

2. Definiëren afstudeeropdracht.......................................................................... 20 2.1

Probleemsignalering...............................................................................................20

2.2

Doelstellingen..........................................................................................................20

2.3

Onderzoeksmodel ...................................................................................................21

2.4

Theoretisch kader ...................................................................................................22

3. Kwalitatieve RAM aspecten kwantificeren ..................................................... 25 3.1

Analyse RAM aspecten...........................................................................................25

3.2

Reliability ontwerpfase ...........................................................................................28

3.3

Maintainability ontwerpfase ...................................................................................29

3.4

Availability ontwerpfase .........................................................................................31

3.5

Verificatie RAM meetwaarden ................................................................................33

3.6

Conclusie RAM meetwaarden ................................................................................36

3.7

RAM specificaties ProRail ......................................................................................36

4. Analyse wisselcomplex.................................................................................... 39 4.1

Systeembeschrijving wissel...................................................................................39

4.2

Afbakening onderzoeksgebied wissel ..................................................................40

Analyse wisselcomplex ....................................................................................................41 4.3.1 4.3.2 4.3.3

4.4

Functies wisselcomplex ................................................................................................... 41 Fysieke opbouw wisselcomplex....................................................................................... 43 Gebruik wisselcomplex .................................................................................................... 45

Analyse symmetrisch wissel 4...............................................................................47

4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4

Huidige staat van wissel 4 ............................................................................................... 48 Onderhoudstrategie wissel 4 ........................................................................................... 49 Optredende storingen en oorzaken ................................................................................. 51 Conclusie bestaande situatie wissel 4............................................................................. 52

-8- van de 107


4.5

RAM(S) Analyse wissel...........................................................................................53

4.5.1 4.5.2

RAM(S) waarden van bestaande wissel.......................................................................... 53 Eerste validatie RAM(S) waarden.................................................................................... 54

4.6

Top tien verbeterpunten wissel ontwerp ..............................................................56

4.7

Aandachtspunten en adviezen voor het nieuwe ontwerp ...................................57

5. Analyse degradatiemodel wissel .................................................................... 60 5.1

Parameters degradatiemodel .................................................................................60

5.2

Invloedsfactoren .....................................................................................................61

5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5

Wisseleigenschappen...................................................................................................... 62 Tracé................................................................................................................................ 63 Baanvakaspecten ............................................................................................................ 65 Voertuigaspecten............................................................................................................. 65 Aanleg en instandhouding ............................................................................................... 66

5.3

Operatoren ...............................................................................................................66

5.4

Hypothese degradatiemodel ..................................................................................69

6. Ontwerp nieuwe wissel .................................................................................... 73 6.1

Ontwerp wissel volgens bestaande OVS-en.........................................................73

6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.1.4

6.2

Ontwerp wissel volgens RAM(S) ...........................................................................80

6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4

6.3

Programma van eisen...................................................................................................... 74 Spoorligging ..................................................................................................................... 75 Wissels en kruisingen ...................................................................................................... 76 Analyse OVS ontwerp...................................................................................................... 80 RAM(S) specificaties ....................................................................................................... 81 Europese standaard voor ontwerp en kwaliteit van tracé, wissels en kruisingen ........... 82 Maintainability ontwerpparameters .................................................................................. 84 Analyse RAM(S) ontwerp ................................................................................................ 84

Vergelijking OVS en RAM(S) ..................................................................................85

7. Richtlijn RAM(S) ontwerpen ............................................................................ 88 7.1

Ontwerpmethoden en RAM(S) richtlijn .................................................................88

7.2

Kader RAM(S) richtlijn Baan-&Spoorwegbouw....................................................88

7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.2.5

7.3

Fase 1: Concept .............................................................................................................. 89 Fase 2: Systeemdefinitie ................................................................................................. 91 Fase 3: Risicoanalyse RAMS .......................................................................................... 91 Fase 4: Systeemeisen ..................................................................................................... 93 Fase 6: Ontwerp .............................................................................................................. 94

Valideren en verifiëren............................................................................................95

8. Conclusie en aanbevelingen ........................................................................... 97 8.1

Conclusies ...............................................................................................................97

8.2

Aanbevelingen.......................................................................................................100

Referenties ............................................................................................................ 104

-9- van de 107


1. Inleiding De RAMS aspecten en de onderlinge relaties tussen deze aspecten worden kort beschreven in deze inleiding. Het ontstaan van het RAMS denken en de verdere ontwikkeling zijn beschreven vanuit de belangrijkste stappen. Het accent ligt hierbij op toepassing in de spoorwegsector. ProRail, de beheerder van het spoorwegnetwerk wil vanuit verschillende overwegingen de RAMS aspecten in de spoorwegsector toepassen. Holland Railconsult anticipeert op deze ontwikkeling en heeft als onderdeel de vraag voor dit onderzoek neergelegd bij de Technische Universiteit Delft. Op deze genoemde punten zal in dit hoofdstuk nader worden ingegaan waarbij de vraagstelling wordt beschreven.

1.1 RAMS in algemene context De vergaande mechanisatie en steeds complexere systemen maken de betrouwbaarheid van installaties en processen steeds belangrijker. De systemen en processen worden in de samenleving als betrouwbaar en robuust gezien, totdat er een ongeluk gebeurt of een grote storing plaatsvindt. De vragen die dan rijzen, zijn ‘hoe heeft het kunnen gebeuren’, ‘wie is de verantwoordelijke’ en ‘hoe kan het de volgende keer worden voorkomen’. Steeds meer bedrijven gaan over tot het inventariseren, kwalificeren en kwantificeren van de mogelijke risico’s voor het krijgen van een goede bedrijfszekerheid van hun systemen. Het doel van deze risicoanalyse is het kunnen wegnemen of beheersen van de risico’s tijdens de ontwerpfase en later tijdens het gebruik van dat systeem. Het toepassen van risicomanagement maakt het mogelijk om iets te zeggen over de betrouwbaarheid van het systeem en welke maatregelen nodig zijn om met zo weinig mogelijk kosten het systeem in een zo goed mogelijke staat te houden. Een wereldwijd bekend begrip om de bedrijfszekerheidaspecten (kwaliteit) van het functioneren van een systeem aan te duiden, is volledig RAMSHE. RAMSHE staat voor

Reliability: Betrouwbaarheid Availability: Beschikbaarheid Maintainability: Onderhoudbaarheid Safety: Veiligheid Health: Gezondheid (arbeidsomstandigheden) Environment: Milieu

RAMSHE wordt toegepast om de risico’s expliciet in beeld te brengen, wat zowel kwalitatief als kwantitatief kan worden uitgewerkt. Optimalisering van het systeem wordt hierdoor mogelijk. RAMS is nu een zelfstandig begrip en is volgens de norm EN50126 Railway applications [2] als volgt gedefinieerd: “Een karakteristiek van de langdurige gebruikersperiode van een systeem dat door de toepassing van voorgeschreven ontwerpregels en –methoden, middelen en technieken wordt vastgelegd voor de gehele levenscyclus van het systeem. De RAMS van een systeem kan worden gekarakteriseerd als kwalitatieve en kwantitatieve indicatoren waarmee de mate wordt aangegeven waarin het systeem -of het subsysteem en componenten overeenkomstig met het systeem- kan functioneren zoals in de specificaties is vastgelegd en zowel beschikbaar als veilig is.” De betekenis van alle RAMSHE aspecten wordt kort toegelicht. Reliability = Betrouwbaarheid EN50126: De waarschijnlijkheid dat het systeem een vereiste functie correct kan uitvoeren onder gegeven omstandigheden gedurende een bepaald tijdsinterval. De essentie is de faalfrequentie: de kans dat een systeem kan falen is de indicator die hierbij een cruciale rol speelt. Hoe groter de faalfrequentie hoe kleiner de Reliability van het systeem. Niet alle defecten in het systeem zijn te voorkomen. Een systeem honderd procent betrouwbaar maken, is niet te realiseren tegen aanvaardbare kosten. Er is dus behoefte aan een compromis, wat

-10- van de 107


vragen oproept als: “hoeveel storingen zijn toegestaan?”, “op hoeveel niet planmatig onderhoud dient te worden gerekend?” en “welke mate van bedrijfszekerheid wordt verlangd?”.

-11- van de 107


Availability = Beschikbaarheid EN50126: Het vermogen van het systeem om in een toestand te zijn om de gespecificeerde functies

onder bepaalde omstandigheden en op een bepaald moment, of gedurende een bepaald tijdsinterval, uit te voeren. De essentie is opgebouwd uit de volgende twee kenmerken die een cruciale rol spelen: de frequentie waarmee het systeem is verstoord en daardoor niet kan functioneren én de duur van de verstoring. De Availability neemt af wanneer één of beide variabelen toenemen.

Maintainability = Onderhoudbaarheid EN50126: De waarschijnlijkheid dat een bepaalde activiteit voor actief onderhoud voor een item onder

gegeven gebruikersomstandigheden kan worden uitgevoerd volgens vastgelegde voorwaarden en aan de hand van vastgestelde procedures en hulpbronnen. De essentie van het Maintainability is het gemak en de snelheid waarmee gedurende de operationele fase preventief en correctief onderhoud aan het systeem kan worden gepleegd. Het gaat hierbij niet alleen om de technische factoren (hoeveel schroeven moeten los en weer vast worden gedraaid) maar ook om zaken als de beschikbaarheid van voldoende competent personeel.

Safety, Health, Environment = Veiligheid, Gezondheid en Milieu EN50126: De mate waarin een proces vrij is van onaanvaardbare risico’s op letsel, onveilige situaties en aantasting van het milieu. De essentie is dat Safety betrekking heeft op de systeemveiligheid en dus is gericht op de veiligheidsprestatie van de infrastructuur om zo onder meer botsingen, ontsporingen en bezwijken van kunstwerken te voorkomen. De menselijke factor (bedienen) wordt daarbij meegenomen. De Health en Environment aspecten gaan in op de gezondheid van de werknemers/betrokkenen (Arbeidsomstandigheden) en het milieu. Een voorbeeld voor Safety keuzen is de afstand tussen beide sporen. De spoorafstand bepaalt of het mogelijk is onderhoud uit te voeren aan één spoor zonder dat het tweede spoor ook buiten dienst moet worden genomen voor de vereiste veiligheid. Deze en soortgelijke voorschriften zijn opgesteld in het generieke Veiligheid- en Gezondheidsplan (V&G-plan) dat per project nader wordt uitgewerkt en als uitgangspunt dient bij nieuwe projecten. De aspecten die in het ontwerpen een belangrijke rol spelen, zijn de eerste 3 aspecten. De Safety, Health en Environment worden tijdens het ontwerpen als uitgangspunten aangehouden. Er wordt naar een minimum gestreefd door zoveel mogelijk de kans op het optreden van onveilige en ongezonde situaties uit te sluiten. De SHE aspecten worden in het verdere onderzoek niet verder uitgewerkt. Er wordt in het verslag daarom over RAMS gesproken wanneer alle aspecten van belang zijn, er wordt over RAM(S) gesproken als er sprake is van zowel RAMS als karakteristiek én de aspecten Reliability, Availability en Maintainability en over RAM wanneer specifiek wordt gekeken naar de drie aspecten afzonderlijk. De LifeCycle Costs (LCC) worden als externe factor gezien bij het uitwerken van de RAM aspecten. De LCC dienen als objectieve weegfactoren bij de afweging tussen verschillende oplossingen met verschillende RAM(S) waarden. De RAM(S)-LCC waarden van spoorbaanontwerpen maken bijvoorbeeld mogelijk een kosten/baten afweging te maken tussen een duur ontwerp met lage onderhoudkosten en een goedkoop ontwerp dat meer onderhoud nodig zal hebben. De ontwerpfase is de uitgesproken fase waarin de kosten nog grotendeels beïnvloed kunnen worden en de LCC nog niet geheel zijn vastgelegd. Dit is nog wel een verder te ontwikkelen gebied, door de beperkte (eenduidige) gegevens om kwantitatieve aspecten –zoals kosten voor een componenten de kwalitatieve aspecten -bijvoorbeeld vertragingkosten- in euro’s uit te kunnen drukken.

-12- van de 107


De RAMS aspecten zijn ieder op zich geen onafhankelijke aspecten, maar vertonen een sterke onderlinge samenhang. De relatie van de aspecten is in het onderstaande figuur weergegeven.

RAMS

Safet y

Rel i abil i t y & Mai nt ai nabi l i t y

Avai l abi l i t y

Oper at i on & Mai nenance

figuur 1.1 Relaties tussen Safety, Reliability, Maintainability en Availability [EN50126]

Safety en Availability staan bovenaan op dezelfde hoogte omdat er veel wederzijdse afhankelijkheid is tussen deze factoren. Het falen van een systeem hoeft echter niet altijd te leiden tot onveilige situaties, maar een onveilige situatie tast vrijwel altijd de Availability van het systeem aan. Dit volgt uit het failsafe-principe om het treinverkeer stop te zetten bij het ontstaan van een onveilige situatie. De Availability en Safety zijn de belangrijke factoren waarop wordt gestuurd in de spoorwegsector. De Availability en Safety worden bepaald door aan de ene kant de Reliability en Maintainability en aan de andere kant door de Operation en Maintenance. De Operation en Maintenance staan voor het werkelijke gebruik van het wissel en het werkelijk uitgevoerde onderhoud wat direct van invloed is op de Safety en Availability van het systeem. Een systeem dat minder zwaar of minder frequent wordt belast dan tijdens het ontwerpen is aangehouden, kan minder gevoelig zijn voor storingen dan eerst is aangehouden en wat positief werkt voor de Availability en Safety. Het werkelijke uitvoeren van het nodige onderhoud is van belang voor (het behouden van) de geplande Availability en Safety. De verwachte Operation en Maintenance zijn van belang voor het voorspellen van de levensduur van het systeem tijdens het ontwerpproces en om inzicht te krijgen in de verandering van de Availability in de loop van het gebruik. De Reliability en Maintainability zijn de belangrijkste aspecten waarop kan worden gestuurd tijdens het ontwerpproces. De Reliability wordt bepaald door het aantal storingen dat in een systeem kan optreden. Hoe groter de Reliability, hoe minder storingsgevoelig het systeem is. Een goed, betrouwbaar systeem is gunstig voor de Availability. Een betrouwbaar systeem levert daarnaast ook een veilig systeem. De Maintainability beïnvloedt de Availability: hoe sneller de storingen worden verholpen hoe kleiner de impact is op de Availability. De Safety wordt bepaald door het goed en tijdig onderhouden van het systeem én onder veilige omstandigheden. De RAMS aspecten worden wereldwijd voor diverse systemen en in toenemende mate toegepast door de groeiende vraag naar betrouwbare systemen. Het toepassingsgebied waar met dit onderzoek naar wordt gekeken, is de railbouw sector met in het bijzonder het ontwerpen van de railinfrastructuur. Nu wordt eerst ingegaan op de geschiedenis van RAMS en de reden waarom het voor de spoorwegsector interessant is om over te gaan op het RAMS management.

1.2 RAMS Management in de spoorwegsector 1.2.1

Achtergrond van het RAMS denken

De Amerikaanse defensie-industrie heeft samen met de civiele vliegtuigindustrie in de jaren zeventig een belangrijke aanzet gegeven tot een gestructureerde wijze van ontwerpen, waarbij het begrip Reliability centraal stond. Aan het einde van de jaren zeventig werd de methodiek Failure Mode Effect Analysis (FMEA) ontwikkeld om de Reliability, Availability en Maintainability van technische systemen te analyseren. In 1980 verscheen de officiële ‘Military Standard 1629a’. De norm is voor velen de belangrijkste bron geweest voor de nu wijd verspreide analyse. [3]

-13- van de 107


-14- van de 107


De Europese Commissie stuurde eind jaren tachtig-begin jaren negentig aan op een scheiding tussen eigendom van railinfrastructuur (staat) en de exploitatie van treinen (privaat). De railinfrabeheerder en andere spoorwegpartijen hebben als reactie hierop midden jaren negentig op Europees niveau gekeken hoe de prestaties op het gebied van de exploitatie van de infrastructuur expliciet en meetbaar gemaakt kunnen worden. Dit is het begin geweest van het RAMS denken binnen de spoorwegsector.

1.2.2

Doelstellingen van de railinfrastructuur

ProRail werkt samen met het ministerie van Verkeer en Waterstaat en de vervoerders (zes reizigersorganisaties en zeven goederenvervoerders) volgens de institutionele driehoeksverband aan het operationeel zijn van het hoofdrailnet. De spoorwegsector bestaat uit een volledige samenwerking tussen deze drie partijen waarbij de belangrijke beslissingen gezamenlijk worden genomen. Het grote aantal vervoerders maakt het nodig dat er duidelijke afspraken worden gemaakt. Het operationeel zijn van het spoor is voor de overheid, de beheerder en de vervoerders een even zwaar wegend belang. De contracten tussen deze bedrijven zijn gericht op prestatie-eisen in de vorm het afgesproken percentage operationeel zijn van het hoofdrailnet waarin de onderhoudswerkzaamheden en incidenten zijn verdisconteerd. De huidige overeengekomen prestatienorm is een punctualiteit van 85% en het gezamenlijk doel is om in 2006 een punctualiteit van 90% te hebben. [5] De vervoerders krijgen van de overheid vervoersconcessies waarin onder meer overeenkomsten staan over de te leveren punctualiteit. Het percentage treinen dat een vertraging heeft van meer dan drie minuten betekent een afname van de punctualiteit. Dit is van belang omdat de vervoerders hierop worden afgerekend. De vervoerders betalen aan ProRail een gebruiksvergoeding voor het leveren van een beschikbaar spoorwegnetwerk. Het Ministerie van Verkeer en Waterstaat verleent een beheerconcessie aan ProRail waarin gedetailleerde overeenkomsten staan aangegeven voor het leveren van een veilig en betrouwbaar spoorwegnetwerk. ProRail krijgt een concessievergoeding waarbij op het aantal Treindienst Aantastende Onregelmatigheden (TAO’s) wordt gelet, ofwel op het aantal vertragingen groter dan drie minuten. De TAO’s worden geregistreerd naar oorzaak van optreden, zoals door het weer, technische storing of het proces. ProRail wil een optimaal beschikbaar spoor leveren dat veilig en betrouwbaar is. Zij wil deze doelstelling realiseren tegen optimale levensduurkosten en beperkte overlast voor gebruikers. ProRail kijkt daarom hoe de relatie kan worden gelegd tussen kosten (input) en de geleverde prestaties (output) met het doel een optimalisatie te bereiken. Het streven is een High Performance Organisation te zijn die haar afgesproken prestaties nakomt. Het RAMS-management is een goed systeem om deze doelstelling te realiseren en een goede marktpositie te krijgen (en te behouden). ProRail wil de operationaliteit van het spoorwegnetwerk verbeteren door met name de ongeplande onderbrekingen van de infrastructuur te verminderen en richt de aandacht hoofdzakelijk op de volgende twee operationeel verbeterende maatregelen: E Het terugdringen van het aantal onregelmatigheden aan de infrastructuur die de treindiensten negatief beïnvloeden, E Het verkorten van de functiehersteltijd na een opgetreden onregelmatigheid. Bij het nader uitwerken van deze doelstellingen ligt het zwaartepunt op de meest intensief gebruikte baanvakken en knooppunten, omdat deze verbeteringen een relatief grote bijdrage leveren voor de verbetering van de operationaliteit van het gehele spoorwegsysteem. Het bereiken van een betrouwbaar spoorwegsysteem met een goed evenwicht tussen de geleverde prestaties en de daarbij behorende kosten kan op verschillende manieren worden gerealiseerd. Er zijn dan ook verschillende optimalisatie mogelijkheden bestudeerd. Het is mogelijk een meetsysteem toe te passen waarmee de vervoerders direct kunnen worden afgerekend op de gebruikte railinfracapaciteit. Dit kan in de vorm van een meetsysteem waarbij onder meer het aantal aslasten en gebruikte tonnages worden gemeten, zoals met het monitorsysteem Quo Vadis.

-15- van de 107


In 2002 kreeg ProRail de opdracht van het ministerie van Verkeer en Waterstaat om een nieuw monitorsysteem te ontwikkelen voor het bepalen en registreren van verstoringen en om de oorzaken toe te kunnen wijzen aan de veroorzakers en voor het vastleggen van de gevolgen. Zo’n meetsysteem maakt het mogelijk om buitengewone slijtage en/of schade bij de verantwoordelijke te declareren. Het onderzoek heeft een definitief ontwerp geleverd voor zo’n systeem. De bouw en exploitatie hiervan bleken echter veel te duur en te omslachtig naar oordeel van alle partijen. In overleg is daarom besloten het huidige meetsysteem te verbeteren en de mogelijkheden te bekijken om op middellange termijn het ontwerp zo aan te passen dat de kosten-batenverhouding gunstiger uitvalt.

1.2.3

Toepassing van RAMS management in de spoorwegsector

Het overgaan naar RAMS management in de railinfrastructuur is de overgang naar het kunnen verzekeren dat op een bepaalde spoorbaan een zekere hoeveelheid treinverkeer in de afgesproken periode veilig kan plaatsvinden. De RAMS van het spoorwegsysteem resulteert direct in de servicekwaliteit richting de treinpassagiers. [4] De RAMS aspecten en in het bijzonder de Availability van het spoor zijn interessante meetwaarden voor operationeel zijn van het spoor gedurende de hele levenscyclus van het systeem. Het RAMS management maakt het mogelijk om doelgericht te sturen op de functionaliteit van het spoorwegnetwerk en in het bijzonder op die aspecten in spoorwegconstructies welke laag scoren door een hoge prijs/kwaliteit verhouding. De RAMS waarden van een systeem zijn een gezamenlijke maat voor de bedrijfszekerheid en een goede basis voor het opstellen van prestatiecontracten van het operationele spoorwegnetwerk. Bij het toepassen van RAMS aspecten is het mogelijk om een zeker ambitieniveau toe te voegen aan de gewenste doelstellingen. De doelstelling is het behalen van een zekere operationaliteit van het spoorwegnetwerk en vanuit ambitie wordt gestreefd naar nog betere operationaliteit dan uit de bestaande situatie wordt afgeleid. Het RAMS management is daarnaast een goede aansluiting op het toepassen van de monitorsystemen waarbij gericht wordt gestuurd op het gebruik van de railinfrastructuur en het onderhoud van het systeem.

1.3 RAM(S) management tijdens ontwerpfase 1.3.1

RAMS management bij Holland Railconsult

ProRail gaat steeds meer projecten aansturen op vooraf opgegeven RAMS prestatie-eisen. Holland Railconsult anticipeert op deze veranderingen. De afdeling Elektrotechniek is eerder begonnen met het toepassen van RAMS normen, opgesteld door CENELEC (Comité Européen de Normalisation Electrotechnique). CENELEC heeft in 1998 de Europese Standaard EN50126 uitgegeven, gericht op Reliability, Availability, Maintainability and Safety in de spoorweg applicaties. [2] Deze norm EN50126 legt bij de beschrijving van de vier RAMS-elementen de nadruk op twee verschillende processen: E Het ontwikkelingsproces van componenten, systeemdelen en systemen, E Het bouwproces van nieuwe infrastructuur CENELEC heeft de Europese norm met betrekking tot RAMS in het leven geroepen om de concurrentiepositie van het spoor te verbeteren. Zo wordt de HSL-Zuid aangelegd om het treinverkeer te laten concurreren met het vliegverkeer, maar hiervoor is het wel noodzakelijk dat de interoperationaliteit en de veiligheid kunnen worden gegarandeerd. De interoperabiliteit is de mogelijkheid om treinen over de spoorwegnetten van meerdere landen te laten rijden zonder problemen bij de grenzen. Dat stelt zowel uniformiteiteisen aan het materieel als aan de infrastructuur. Daarnaast is de norm in Europees verband opgesteld om te voorkomen dat elk land een goedgekeurd spoorvoertuig en infrastructuur van een ander land hernieuwd laat onderzoeken voordat het wordt toegelaten op de eigen infrastructuur. [1]

-16- van de 107


De groep Baan-&Spoorwegbouw wil in de toekomst in staat zijn om te ontwerpen op basis van RAM(S) specificaties. Daarom is bij de Technische Universiteit Delft de vraag neergelegd om onderzoek te doen naar de theoretische onderbouwing van de toepassingsmogelijkheden van RAM(S) aspecten voor de groep B&S. De bij de TU Delft neergelegde vraag wordt in de nu volgende paragraaf behandeld.

1.3.2

Vraagstelling van Holland Railconsult voor afstudeeronderzoek

De opdrachtgevers van Holland Railconsult vragen steeds meer expliciet "aan RAM(S) te doen". ProRail wordt door het ministerie van Verkeer en Waterstaat al afgerekend op de RAMS prestaties van de railinfrastructuur. ProRail stuurt projecten steeds meer aan op het toepassen van RAMS aspecten, het is echter nog niet een vereiste. Binnen Holland Railconsult worden onderzoeken en analyses uitgevoerd naar implementatie van de aspecten Reliability, Availability, Maintainability en Safety in projecten. De doelstelling is nu dat naast de afdeling Elektrotechniek ook de andere afdelingen de belangrijkste Reliability engineering technieken leren kennen en een kader schetsen waarin deze technieken gebruikt kunnen worden. De groep Baan- en Spoorwegbouw (B&S) heeft eerder advies gegeven voor het ontwerpen van het ballastloos spoor van de HSL-Zuid op basis van de vooraf gespecificeerde Availability waarde. [4] De RAM(S) aspecten worden in andere projecten stilaan meer gebruikt, maar voor vernieuwingsprojecten van bestaande spoorbanen ontbreekt de theoretisch onderbouwde kennis van meetbare RAM(S) waarden en de implementatie in het ontwerp. Holland Railconsult ontwerpt nu op basis van systeemkennis, kennis van componenten en voorschriften voor het Ontwerpen Van Spoorlijnen (OVS). De OVS-en zijn opgesteld door de railinfrabeheerder en bevat voorschriften voor de ontwerper van de spoorbaaninfrastructuur. Elke norm bevat specifieke aspecten voor een bepaald onderdeel en is als zodanig ook een aanvulling op vigerende NEN normen. Een nieuw ontwikkelde spoorbaan wordt pas goedgekeurd voor het leveren van bepaalde prestaties na een proefperiode van enkele jaren waarin de spoorbaan is belast met normale treinlasten. Elke empirisch ontworpen spoorbaan heeft een bepaalde RAM(S) als resultaat van het ontwerp. De RAM(S) is echter vóór en tijdens het ontwerpen niet bekend. De verwachting van Holland Railconsult is dat ProRail in de nabije toekomst wel direct op RAMS gaat sturen. De groep B&S wil aan deze vraag kunnen voldoen en kunnen ontwerpen op basis van de gevraagde RAM(S) prestaties. De discipline wil weten of het ontwerpresultaat vanuit RAM(S) aspecten nog voldoet aan de OVS-en omdat de kans bestaat dat deze voorschriften niet meer voldoen. De doelstelling van Holland Railconsult is het implementeren van RAM(S) aspecten in het ontwerpproces voor de groep B&S. Het afstudeeronderzoek heeft hiervoor het doel om een vooronderzoek uit te voeren voor het verkrijgen van een goede theoretische onderbouwing van het werken met RAMS aspecten binnen de groep B&S. Een belangrijk aspect is hierbij de relatie tussen gebruik en slijtage: het degradatieverloop. De gewenste, concrete resultaten zijn: • Een richtlijn RAM(S)-ontwerpen voor de groep Baan- en Spoorwegbouw, • Een degradatiemodel van een nader te kiezen asset (waarschijnlijk een wissel)

Deze vraagstelling van Holland Railconsult heeft een brede context om voldoende de mogelijkheid te bieden om een eigen invulling te geven aan het afstudeeronderzoek. De doelstellingen die in dit afstudeeronderzoek worden uitgewerkt, betreffen een nadere afbakening van deze vraagstelling wat wordt uitgewerkt in het volgende hoofdstuk.

-17- van de 107


1.4 Opbouw rapport Het rapport is een stapsgewijze verkenning van de kenmerken van de RAM(S) aspecten. Het is gericht op het in kaart brengen van belangrijke ontwerpkeuzen die het mogelijk maken om gericht aan te sturen op de gewenste prestaties van een wissel. Het einddoel van het onderzoek is het opstellen van een kader van een richtlijn die de belangrijkste RAM(S) indicatoren voor het ontwerpproces in beeld brengt voor de verschillende projectfasen. De RAM(S) indicatoren geven een direct beeld van de gevolgen van een bepaalde keuze op de RAM(S) waarden. De stappen die hiervoor nodig zijn, zijn per hoofdstuk uitgewerkt. De opbouw van het rapport wordt per hoofdstuk kort toegelicht. Hoofdstuk 2 Definiëren afstudeeropdracht gaat nader in op de vraag van Holland Railconsult in aansluiting op de huidige ontwikkeling in het RAMS management welke het uitgangspunt vormt van de probleemsignalering. De probleemsignalering wordt omgezet in de doelstellingen van het onderzoek waarbij is gelet op het benodigde inkaderen voor de uitvoerbaarheid van het afstudeeronderzoek. De in het onderzoek gebruikte modellen worden in dit hoofdstuk nader toegelicht. Het onderzoeksdoel wordt tot slot in de paragraaf ‘theoretisch kader’ scherper gedefinieerd en afgebakend waarbij de belangrijkste begrippen worden gedefinieerd. Hoofdstuk 3 Kwalitatieve RAM(S)-aspecten kwantificeren is gebruikt om de RAM(S) aspecten nader toe te lichten en uit te drukken in meetbare dimensies. Dit is uitgewerkt voor de aspecten Reliability, Availability en Maintainability. De waarden worden in formulevorm opgesteld met de vrijheidsgraden die tijdens het ontwerpen beïnvloed kunnen worden. De opgestelde formules worden aan het einde geverifieerd en vergeleken met in praktijk gebruikte RAM specificaties. Hoofdstuk 4 Analyse wisselcomplex gaat in op een onderzoek van een bestaand wisselcomplex. Het wisselcomplex wordt nader geanalyseerd waarbij een specifiek wissel wordt uitgelicht. Dit wissel wordt bekeken volgens de huidige geometrie en opbouw, waarbij de optredende storingen worden geanalyseerd. De eerder bepaalde RAM formules worden bij dit specifieke wissel gevalideerd volgens de huidige prestaties van het wissel. Het hoofdstuk wordt afgesloten met een risico top tien van de meest storingsgevoelige onderdelen van het geanalyseerde wissel en de adviezen voor verbetering. Hoofdstuk 5 Analyse degradatiemodel wissel wordt gebruikt voor het in beeld brengen van de degradatie van het wissel in de loop van het gebruik. De degradatie heeft direct invloed op de Reliability en Availability waarden van het wissel in de tijd. De factoren die de degradatie bepalen en de (complexe) relaties daartussen worden verhelderd met publicaties van eerder uitgevoerde onderzoeken en gesprekken met deskundigen. Het kwalitatieve degradatiemodel (hypothese) wordt hieruit afgeleid. Hoofdstuk 6 Ontwerp nieuwe wissel geeft een beeld van het maken van een nieuw wisselontwerp dat wordt gebruikt voor het analyseren van zowel de bestaande OVS-ontwerpmethodiek als het ontwerpen op basis van RAM(S) specificaties. De beide ontwerpmethoden worden eerst apart geanalyseerd en vervolgens vergeleken, zonder te gedetailleerd op de voorschriften in te gaan. Het doel is om inzicht te krijgen in de belangrijke verschillen tussen beide ontwerpmethoden. Hoofdstuk 7 Richtlijn RAM(S) ontwerpen geeft het kader weer van de RAM(S) ontwerp richtlijn voor de groep Baan-&Spoorwegbouw met de belangrijkste informatie die daarin zal worden opgenomen. Het kader van de richtlijn is nader uitgewerkt om een beeld te geven hoe de richtlijn eruit komt te zien. Het rapport wordt afgesloten met een Conclusie en aanbevelingen waarin een overzicht wordt gegeven van de belangrijkste resultaten en adviezen.

-18- van de 107


-19- van de 107


2. Definiëren afstudeeropdracht 2.1 Probleemsignalering De vraag vanuit de opdrachtgever aan Holland Railconsult zal volgens verwachtingen in de toekomst verschuiven van ontwerpen volgens de bestaande ontwerpvoorschriften naar ontwerpen vanuit vooraf opgegeven RAM(S) specificaties. De groep Baan- en Spoorwegbouw heeft tot op heden weinig gewerkt met deze RAM(S) aspecten en heeft voor vernieuwingsprojecten aan bestaande spoorlijnen geen richtlijnen voor ontwerpen op basis van RAM(S) specificaties. De eerste vraagstelling gaat in op het opstellen van een goed theoretisch kader voor het werken met RAM(S) aspecten door de groep Baan-&Spoorwegbouw. De deelvragen die hieruit kunnen worden afgeleid, zijn: E Wat zijn belangrijke kenmerken en parameters van de RAM(S) aspecten voor het ontwerpen? E Hoe ziet de richtlijn voor het ontwerpen vanuit RAM(S) specificaties er uit voor de groep B&S? E Zal een ontwerp dat is gemaakt op basis van RAM(S) specificaties ook nog voldoen aan de OVSen? En omgekeerd: hoe zijn de RAM(S) waarden van ontwerpen die volgens de huidige OVS-en zijn gemaakt? Een belangrijk aspect dat in dit onderzoek naar voren komt, is de relatie tussen gebruik, slijtage (degradatie) en onderhoud. De tweede vraagstelling gaat in op het opstellen van een model van de achteruitgang van een wissel. De bijbehorende deelvragen zijn: E Hoe vindt de degradatie van het wissel plaats en hoe kan dat in een model worden weergegeven? E Hoe is het degradatieproces te verbeteren door het maken van de juiste ontwerpkeuzen en het juist inplannen van onderhoud voor de geëiste levensduur van het wissel?

2.2 Doelstellingen De eerste doelstelling van dit onderzoek is het opstellen van een kader van de richtlijn voor het ontwerpen van een wissel dat voldoet aan de RAM(S) specificaties die door de opdrachtgever zijn gegeven. Dit kader wordt opgesteld vanuit onderzoek naar de belangrijkste kenmerken en de onderlinge verbanden van RAM(S) aspecten. De gevonden relaties voor de RAM(S) waarden worden geverifieerd en gevalideerd met een bestaand wisselcomplex. De validatie is een onderzoek van een bestaand wisselcomplex waarbij wordt gekeken naar de huidige situatie en de mogelijke verbeteringen. Het wissel wordt vervolgens opnieuw ontworpen waarbij het ontwerpen volgens de RAM(S) aspecten wordt vergeleken met de bestaande OVS-ontwerpmethodiek. Het verschil tussen de RAM(S) ontwerpresultaten en de resultaten vanuit de OVS-en is een belangrijk resultaat van dit onderzoek. De tweede doelstelling is het opstellen van een degradatiemodel op basis van informatie van de bestaande situatie, literatuuronderzoek en gesprekken met deskundigen. Het tijdens het ontwerpproces te gebruiken degradatiemodel van een wissel zal worden opgesteld vanuit de belangrijkste invloedsfactoren die uit dit onderzoek naar voren komen. De resultaten van het totale onderzoek worden gebruikt voor het opstellen van het kader voor de RAM(S) richtlijn voor het ontwerpen van een wisselcomplex.

-20- van de 107


2.3 Onderzoeksmodel De doelstellingen van het onderzoek zullen worden bereikt met het doorlopen van de stappen die in het onderstaande onderzoeksmodel zijn samengevat. [zie figuur 2.1] Het onderzoeksmodel is een weergave van het samenvoegen van diverse informatiebronnen tot modellen waarmee de gegevens voor de richtlijn worden bepaald. RAMS theorie en kennis RAMS specificaties Informatie wissel praktijk

RAM ontwerp parameters wissel

Risicoanalyse wissel

Ontwerpvoorschriften Relatie slijtage/gebruik

Richtlijn RAM(S) ontwerpen

Degradatiemodel wissel

Informatie componenten

figuur 2.1 Onderzoeksmodel

De informatiebronnen en uitgangspunten voor het opstellen van de richtlijn zijn aangegeven aan het begin van het model. De informatie zal worden verzameld uit documenten, artikelen, richtlijnen en door gesprekken met deskundigen en bezichtigen van de locatie. De definities van de Reliability, Availability en Maintainability worden samen met de bestaande vergelijkingen gebruikt om vast te stellen welke parameters van invloed zijn op de RAM waarden gedurende het ontwerpproces. Het doel is het inzichtelijk maken hoe gedurende de ontwerpfase gericht kan worden gestuurd op de gevraagde functionaliteit van het wisselcomplex. De risicoanalyse wordt opgesteld uit de combinatie van de stappen van de FMECA methodiek1 en een faalkans analyse vanuit de bestaande situatie van een wisselcomplex. Het doel van beide analyses is het in kaart brengen van het functioneren van een wissel -met name het niet functioneren- die door het optreden de RAM(S) prestaties negatief beïnvloeden. De risico-inventarisatie wordt gebruikt om hierop te kunnen anticiperen met het ontwerpen. Er wordt een degradatiemodel van een wissel opgesteld om een beeld te geven hoe het wissel door het gebruik achteruitgaat. Het degradatiemodel is een middel om aan te geven hoe de Reliability waarde in de loop van de tijd verlopen en hoe de Reliability en Availability waarden van ontwerpalternatieven verschillen door een ander degradatieverloop. Dit onderdeel is grijs gearceerd in figuur 2.1 als onderdeel van de gewenste onderzoeksresultaten. De resultaten van de RAMS parameters, de risicoanalyse en het degradatieverloop worden gebruikt voor het opstellen van een kader voor de RAMS richtlijn. Van het wisselcomplex wordt een nieuw ontwerp gemaakt om te zien hoe kan worden ontworpen met de RAM aspecten, om dat te vergelijken met de bestaande OVS-ontwerpmethode.

1

De FMECA is een vervolg op de eind jaren zeventig ontwikkelde methodiek Failure Mode Effect Analysis (FMEA). De toegevoegde C staat voor Criticality, het kwalificeren en kwantificeren van risico’s. [zie ook bijlage III]

-21- van de 107


De RAMS filosofie geldt voor alle betrokken disciplines bij een project en alle fasen van de levensloop van het systeem. De fasen van de levensloop zijn in EN 50126 weergegeven in het V-model. 12. Buiten gebruik stellen en verwijderen

terugkoppelen

1. Concept 2. Systeemdefinitie en toepassingsomstandigheden

11. Exploitatie en onderhoud

Project fase

vooruit kijken

10. Systeem acceptatie

3. Risicoanalyse

9. Systeemvalidatie

4. Systeem eisen

5. Toedeling van systeemeisen 6. Ontwerp

8. Installatie

7. Vervaardiging

figuur 2.2 V-model en systeem engineering [EN50126]

De eerste zes stappen zijn belangrijke fasen voor dit onderzoek. Het model wordt een V-model genoemd door de overeenkomstige vorm van de te nemen stappen waarbij wordt gewerkt van systeemniveau tijdens concept naar elementniveau bij het ontwerp. Na het ontwerp wordt weer terug gewerkt van elementniveau naar systeemniveau. Het neergaande been van de V staat voor het specificeren, decomponeren en detailleren van het systeem en de opgaande tak is de samenbouw en acceptatie in omgekeerde volgorde. Er wordt bij het concept systeemniveau uitgegaan van een zo compleet mogelijke verzameling functionele- en veiligheidseisen. Na het volledig gedetailleerde eisenpakket te hebben opgesteld, kunnen de potentiële gevaren en risico’s worden geanalyseerd. De eisen worden tot op componentniveau van het systeem apart geanalyseerd en de subsysteemeisen worden nader gedefinieerd. Het ontwerp van het systeem kan worden uitgevoerd op basis van de opgestelde eisen, gevolgd door het vervaardigen van de deelsystemen en uiteindelijk het totale systeem. Het systeem kan na te zijn gevalideerd en geaccepteerd, worden overgedragen voor de exploitatie- en onderhoudsfase totdat het uiteindelijk buiten gebruik wordt genomen en gesloopt. [8] De fase die wordt doorlopen in het V-model wordt schematisch aangegeven met een verdikking. Het betreft in figuur 2.2 de fase risicoanalyse. Elke fase wordt met de bijbehorende stappen doorlopen waarbij er continue een terugkoppeling is met de eerdere fasen en vooruit wordt gebouwd op de latere fasen. Zo wordt bij het opstellen van de risicoanalyse al rekening gehouden met de exploitatie en onderhoud terwijl wordt teruggekeken naar het concept dat bij grote risico’s zal worden aangepast. Het wordt in een verder gevorderd proces moeilijker om wijzigingen aan te brengen; gedurende het gebruik kunnen nog slechts kleine veranderingen worden toegepast ter verbetering van de situatie. Het V-model dient door alle betrokken disciplines van het systeem te worden toegepast om een effectieve toepassing van de RAMS aspecten en het lifecycle management te krijgen. Het V-model wordt nu uitgewerkt voor de groep Baan-&Spoorwegbouw, maar voor optimaal gebruik van RAMS dienen ook disciplines als Beveiliging en Tractie-Energiesystemen het RAMS management toe te passen.

2.4 Theoretisch kader De praktijkgerichte probleemstelling vanuit Holland Railconsult vormt het projectkader van het afstudeeronderzoek. Het projectkader is echter te ruim om binnen de afstudeerperiode in de volle omvang te kunnen behandelen en daarom zijn de doelstellingen zó opgesteld dat deze binnen dit afstudeerproject kunnen worden gehaald. De begrippen uit de doelstellingen die een centrale plaats in dit onderzoek hebben, worden eerst nader toegelicht. De definities van de kernbegrippen geven een nadere afbakening van het onderzoek en de informatieverzameling.

-22- van de 107


De opzet van het rapport is het onderzoeken van de RAM aspecten om te kijken hoe de invloed en effecten van deze aspecten op het ontwerpproces B&S zijn. Er is bewust gekozen om dit als onderzoek op zichzelf te houden en tijdens de latere fase een vergelijking te maken met de bestaande ontwerpmethode voor B&S. Het uitvoeren van een vergelijkingsonderzoek tussen beiden ontwerpmethoden van begin af aan zou een beperking kunnen zijn in het goed bekijken van RAM(S) op zichzelf en te vroeg een inkadering geven. Het uiteindelijke ontwerp hoeft niet te voldoen aan de OVS-en. Het gaat erom de verschillen tussen de richtlijnen inzichtelijk te maken. De RAM(S) richtlijn die tijdens dit onderzoek wordt opgesteld, gaat specifiek in op de aspecten Reliability, Availability en Maintainability en de relatie gebruik-slijtage. Door goede betrouwbare en onderhoudbare systemen toe te passen die ook werkelijk goed worden onderhouden en door het systeem op de juiste wijze te gebruiken, kunnen de veiligheidsdoelstellingen in belangrijke mate worden verwezenlijkt. De aspecten Safety, Healt (arbeidsomstandigheden) en Environment zijn een kenmerk van het systeem die voor de ontwerpfase als vaste, vooraf opgegeven waarden worden aangehouden. Er wordt geen afweging gemaakt tussen meer of minder ongevallen omdat het streven altijd is dat aantal te minimaliseren. De SHE aspecten worden om deze reden in dit rapport verder niet meegenomen. Het onderzoek wordt verder gebaseerd op de aspecten Reliability, Availability en Maintainability. Er wordt in het verdere verslag daarom over RAMS gesproken wanneer alle aspecten van belang zijn, er wordt over RAM(S) gesproken als er sprake is van zowel RAMS als karakteristiek én de aspecten Reliability, Availability en Maintainability en over RAM wanneer specifiek wordt gekeken naar deze drie aspecten afzonderlijk. De RAM(S) aspecten in de rest van het rapport hebben direct betrekking op het onderzochte asset; het wissel. De Reliability, Availability en Maintainability worden bepaald door de gebruikte componenten van het wissel, het ontwerp van het wissel en het wisselcomplex. De RAM(S) van het hele wisselcomplex, het baanvak of van een ander systeemniveau worden bepaald door de RAM(S) waarden van de gebruikte componenten en de deelsystemen samen te voegen (te vermenigvuldigen of op te tellen). De op te stellen richtlijn is specifiek gericht op toepassing vanuit de groep Baan-&Spoorwegbouw. Het is niet gericht op een brede toepassing van RAM(S) in de Railbouwsector. Het is op projectbasis echter wel van belang dat alle -in een project betrokken- disciplines gezamenlijk RAMS toepassen voor het verkrijgen van een succesvolle toepassing van RAMS. De andere systemen als de bovenleiding of de onderbouw zijn namelijk ook bepalend voor de RAM(S) waarden van het totale systeem. Het wisselcomplex dat voor dit onderzoek is onderzocht, bestaat uit gewone wissels 1:15 voor de splitsing rechtdoor en afbuigend en een symmetrisch wissel 1:15 voor de kruising van beide sporen. Het rechtdoorgaande spoor heeft ook twee redundante overloopwissels 1:9. De ontwerpsnelheid van het wisselcomplex bedraagt 80 km/uur. Het uitgangspunt is om specifiek het symmetrisch wissel 1:15 te analyseren op basis van RAM(S) specificaties. De volgende stap is het gehele wisselcomplex opnieuw te ontwerpen en te analyseren volgens de RAM(S) aspecten en de huidige OVS-en. Het hele wisselcomplex wordt opnieuw ontworpen om de invloed van tracé op de degradatie van het wissel mee te nemen. De RAMS waarden die worden gebruikt tijdens de ontwerpfasen dienen goed aan te sluiten op de door de opdrachtgever opgegeven RAM(S) specificaties. Indien geen specifieke RAM(S) prestaties zijn opgegeven voor een wisselcomplex, wordt gestreefd naar zo goed mogelijke RAM(S) waarden in relatie met de LCC. Het degradatiemodel dat in dit afstudeeronderzoek zal worden opgesteld, heeft betrekking op het bekeken wisselcomplex. De slijtage van wissels kent vele vormen, omdat dit door verschillende factoren wordt bepaald. De slijtage -en dus ook de RAMS waarden- wordt bepaald door zowel de intrinsieke eigenschappen van het wissel (bepaald door het wissel zelf zoals de boogstraal of de uitvoering van het puntstuk) als door de extrinsieke eigenschappen (bepaald door het ontwerp van het wisselcomplex, de ondergrond, het gebruik van het wissel zoals de bereden snelheid e.d.). Het degradatiemodel dat in dit rapport wordt opgesteld, heeft vooral een kwalitatieve structuur door het grote aantal invloedsfactoren en de complexe relaties.

-23- van de 107


De belangrijke, in dit rapport gebruikte definities zijn weergegeven in bijlage I.

-24- van de 107


3. Kwalitatieve RAM aspecten kwantificeren De aspecten Reliability, Availability en Maintainability worden in dit hoofdstuk uitgewerkt met eenduidige, meetbare dimensies. De RAM waarden worden specifiek gekwantificeerd voor de ontwerpfase, met het oog op de verdere levensloop van de wisselconstructie. De relevante parameters voor het kwantificeren van de RAM waarden worden geanalyseerd en in formulevorm uitgewerkt. De doorlopen stappen voor het kwantificeren van de aspecten Reliability, Availability en Maintainability zijn in bijlage II nader uitgewerkt, waar voor verdere informatie naar wordt verwezen. De opgestelde formules worden geverifieerd en vergeleken met de prestatienormen van bestaande projecten. De validatie vindt in het volgende hoofdstuk plaats.

3.1 Analyse RAM aspecten De toepassing van de RAMS aspecten op een wissel gebeurt voor een optimaal resultaat tijdens alle fasen van de levenscyclus én door alle betrokken disciplines. De RAMS aspecten gelden zowel generiek voor het totaalsysteem als specifiek voor de componenten waaruit het systeem is opgebouwd. Het is voor de ontwerpfase van belang de ontwerpbeslissingen bewust aan te sturen op de Reliability en Maintainability en de invloed die deze aspecten hebben op de Availability. De Reliability is goed wanneer het systeem tijdens het gebruik functioneert zoals tijdens de concept fase is gespecificeerd. De Maintainability is goed wanneer alle nodige werkzaamheden snel en gemakkelijk uitvoerbaar zijn en daardoor minimaal tot geen treinhinder geven. De Availability is goed wanneer het systeem gedurende de bekeken periode beschikbaar is om de gedefinieerde functies uit te voeren zoals vooraf is gespecificeerd. Het RAMS management wordt ook toegepast voor kerncentrales en ruimtevaart waar met name de Reliability van de componenten expliciet in kaart wordt gebracht om (grote) risico’s te voorkomen. De grote consequenties van een faalmechanisme in een kerncentrale of de ruimtevaart maken het noodzakelijk de relevante risico’s tot “6 cijfers achter de komma” te beheersen. Het kwantificeren van de RAM aspecten wordt per systeem bepaald door de eisen die de gebruiker aan het systeem stelt. De Reliability van ruimtevaart en kerncentrales aansturen, betekent het zo veel mogelijk reduceren van het kunnen optreden van het faalmechanisme. Dit heeft te maken de grote gevolgen die een faalmechanisme kan hebben, waarom (veel) geld wordt geïnvesteerd om het optreden van storingen met ernstige gevolgen te voorkomen. De Reliability wordt in de ruimtevaart en kernenergie gelijk gesteld aan de kans dat iets kan optreden. De duur van een storing heeft niet de hoogste prioriteit, omdat de schade er al is en/of het herstel niet noodzakelijk direct opgelost hoeft te worden (veel redundantie), mits de schade niet meer verder toeneemt. Het accent van de RAMS aspecten in de spoorwegen ligt op het expliciet meetbaar maken van de Availability van het systeem. De Availability wordt bepaald door de Reliability én de Maintainability van de systemen. Hoe minder het systeem uitvalt én hoe sneller de (herstel) onderhoudswerkzaamheden zijn uitgevoerd, hoe minder de Availability wordt aangetast. De RAMS specificaties van de opdrachtgever zijn waarden waar een railsysteem aan moet voldoen gedurende alle fasen van de levenscyclus. Deze waarden zeggen iets over de te leveren prestaties en dienen te worden vertaald in parameters die kunnen worden aangestuurd en geoptimaliseerd tijdens de ontwerpfase. De Reliability wordt in dit rapport samen met de Maintainability en Availability aspecten nader toegespitst op de parameters die specifiek van toepassing zijn voor het ontwerpen van railbouw assets. De RAM aspecten worden elk nader geanalyseerd en in formulevorm opgesteld. Aan het einde van dit hoofdstuk worden de gevonden RAM meetwaarden teruggekoppeld met de RAM specificaties die in eerdere projecten zijn gebruikt, om te kijken hoe deze op elkaar aansluiten.

-25- van de 107


Reliability De definitie van Reliability is: De waarschijnlijkheid dat het systeem een vereiste functie correct kan uitvoeren onder gegeven omstandigheden gedurende een bepaald tijdsinterval [EN50126] Het bepalen van de Reliability gebeurt door te kijken hoeveel treindiensten er in totaal falen. De orde van grootte om een risico te beheersen ligt in de nauwkeurigheid van “drie cijfers achter de komma”, door de financiële afweging tussen het voorkomen van het risico en de gevolgen. De Reliability in de spoorwegen heeft naast het beheersen van de kans dat het faalmechanisme optreedt ook belang bij het zo kort mogelijk laten duren van de storing. De duur van de storing is van belang doordat het aantal gefaalde treindiensten toeneemt met de duur van de storing. De Reliability geldt als een kans die wordt bepaald door het aantal gefaalde treindiensten ten opzichte van het totaal aantal treindiensten. Een wissel of een component heeft gefaald wanneer de waarschijnlijkheid is dat het zou functioneren, maar dat niet doet op het moment van het beroep. Een zeker faalmechanisme geeft op een druk bereden tracé meer absoluut gefaalde treindiensten dan op een rustig tracé, maar het aantal gefaalde diensten is procentueel hetzelfde doordat het totaal aantal treindiensten net zoveel toeneemt. Het druk bereden tracé zal wel gevoeliger kunnen zijn voor snellere achteruitgang van het systeem. Dit aspect is van invloed op de kans van het optreden van een zeker faalmechanisme wat dan van invloed is op de Reliability. Er is onderscheid in het merkbaar falen van een systeem en niet-merkbaar falen. De duur van de storing wordt groter door de tijd waarin het falen nog niet is gesignaleerd, wat middels inspectie of monitoren ondervangen kan worden. Het niet merkbaar falen wordt voor een wissel niet meegenomen, doordat dit geen gefaalde treindiensten geeft. De Reliability wordt direct bepaald door het aantal gefaalde treindiensten en ‘begint af te nemen’ bij de eerste gefaalde wisselomlegging tijdens het optreden van een faalmechanisme. Het tijdstip waarop de storing optreedt, speelt een rol als wordt gekeken naar het aantal gefaalde treinen: het aantal gefaalde treinen zal tijdens de spits groter zijn dan buiten de spits. De kans op het optreden van een faalmechanisme is echter random omdat er geen directe relatie is tussen de kans op het optreden en de momentane gebruikersintensiteit. Het optreden van een faalmechanisme heeft bij een voldoende lang bekeken periode (bijvoorbeeld een jaar) net zoveel kans tijdens spits als buiten de spits. Er wordt in het RAM model daarom uitgegaan van een gemiddeld interval tussen twee treindiensten of wisselomleggingen. Het optreden van een storing tegen het einde van de exploitatietijd maakt het aannemelijk om de hersteltijd te combineren met de stand-by tijd, de tijd dat er geen treinverkeer plaatsvindt en dan zal het onderhoud niet meer de urgentie hebben zo snel mogelijk klaar te zijn. De functie van het wissel wordt op een andere wijze opgevangen. Het moment van het optreden van een storing –tijdens spits of buiten spits, tegen einde exploitatieperiode of juist in het midden- is tijdens de ontwerpfase niet te bepalen. Het optreden van het functioneel falen wordt altijd aangehouden op beschikbaarheid aantastend falen doordat de kans bij voldoende lange bekeken periode over de hele dag hetzelfde is. De Reliability wordt dus bepaald door het aantal gefaalde treindiensten ten opzichte van het totaal aantal treindiensten en is de maat voor de achteruitgang van de kwaliteit (degradatie) van de spoorbaan. Het tellen van het aantal gefaalde treindiensten kan door te kijken naar de geschiedenis van het desbetreffende tracé. Het aantal opgetreden faalmechanismen per jaar kan dan als uitgangspunt dienen voor het aantal te verwachten gefaalde treinen in de toekomst. Het is wel belangrijk om rekening te houden met de veranderingen in het aantal treindiensten en de eigenschappen van de voertuigen (aslasten, snelheid e.d.) waardoor het aantal en soort faalmechanismen gaat veranderen. Tegelijk is er ook de ambitie om het aantal storingen in de toekomst te reduceren. De datagegevens van het wissel met bekende faalmechanismen en de verwachte levensduur van een component kunnen voor bestaande situaties een beeld geven van het aantal te verwachten storingen. Het geeft daarmee geen inzicht in welke gebruikersparameters bepalend zijn voor de hoge/lage RAM waarden en waar doeltreffende verbeteringen mogelijk zijn. Het voorspellen van de kans op het optreden van een zekere storing is ook af te leiden uit de gebruikte componenten, het tracé ontwerp, de voertuig eigenschappen e.d.. Een algemene data analyse van optredende storingen kan samen

-26- van de 107


met deze invloedsfactoren een beeld geven van de faalkans zowel aan het begin van de levensduur van een wissel als de verandering in de faalkans door de degradatie van het wissel door het gebruik. Het verwachte aantal gefaalde treinen per periode zal eerst worden bepaald aan de hand van de bestaande data van een zeker wissel, waarin de locatiegebonden invloedsfactoren zijn verdisconteerd. Het voorspellen van de faalmechanismen in relatie met de te verwachten degradatie van een zeker wissel, waarbij expliciet rekening wordt gehouden met de situatie gebonden factoren als de wisselopbouw en de ondergrond, zal verder (kwalitatief) worden uitgewerkt in hoofdstuk 5. Maintainability De Maintainability is in het algemeen de waarschijnlijkheid dat een bepaalde activiteit voor actief onderhoud voor een item onder gegeven gebruikersomstandigheden kan worden uitgevoerd volgens vastgelegde voorwaarden en aan de hand van vastgestelde procedures en hulpbronnen. [EN50126] Het uitvoeren van onderhoud betekent in veel gevallen voor de spoorwegen een onderbreking in de geplande dienstregeling. De veiligheidseisen voor werkzaamheden schrijven voor dat de risico’s op ongelukken van de werknemers moeten worden uitgesloten door een heel baanvak of het spoor waaraan wordt gewerkt buiten dienst te nemen. De Maintainability van een systeem dient het snel en gemakkelijk uitvoerbaar zijn van herstel- en onderhoudwerkzaamheden expliciet meetbaar en vergelijkbaar te maken, zodat er tijdens het ontwerpen bewust op kan worden gestuurd. Er wordt onderscheid gemaakt in de Maintainability voor gepland, preventief en/of periodiek onderhoud en die voor niet-gepland correctief onderhoud na een storing, omdat het accent voor beide situaties verschillend is. Het geplande onderhoud wordt vooraf in een treinvrije of treinarme periode ingepland en het accent ligt op het in die tijd kunnen uitvoeren van de werkzaamheden. De Maintainability van niet gepland onderhoud gaat juist in op het zo kort mogelijk houden van een storing en dus ook de herstelwerkzaamheden. Er wordt apart gekeken naar alle te verrichten activiteiten die de duur van de herstelwerkzaamheden bepalen, zoals de goede bereikbaarheid van de plaats of het makkelijk identificeren van het probleem, om deze zo nodig aan te passen. De Maintainability van niet-gepland onderhoud kan het beste worden bepaald door de duur van de verschillende activiteiten voor herstelwerkzaamheden die volgen uit een ontwerp van een wisselcomplex te vergelijken met de waarden die landelijk als gemiddelde naar voren komen of zijn voorgeschreven door de railinfrabeheerder. Het bereiken van een wissel op een druk bereden emplacement verschilt ten opzichte van de bereikbaarheid van een wissel op een emplacement van ‘gemiddelde’ drukte of een wissel halverwege de Schipholtunnel. Het aanleggen van een schouwpad naast de spoorbaan in de tunnel, of het gebruik maken van vluchtroutes kan de bereikbaarheid positief beïnvloeden ten opzichte van een baan die eerst vrij gegeven moet worden. De periode van een dag kan voor het wissel worden onderverdeeld in de periode van gepland gebruik van het wissel: de exploitatietijd, en de periode van gepland niet-gebruik die zo nodig kan worden gebruikt voor gepland onderhoud: de stand-by tijd. De stand-by tijd is een gemarkeerd tijdvak waarin geen treindiensten plaatsvinden zoals is toegepast bij de HSL-Zuid. De mogelijkheid voor het uitvoeren van onderhoud heeft tijdens de stand-by tijd de prioriteit zodat de projectaannemer kan blijven sturen op de geëiste Availability. De treinarme en treinvrije perioden betreffen voor personenvervoer voornamelijk de nachtelijke uren, in tegenstelling tot goederenvervoer (Betuweroute) waar deze periode overdag is. De stand-by tijd maakt het mogelijk om bij (dreigend) functioneel falen van een wissel ’s nachts de nodige herstelwerkzaamheden uit te voeren. Het niet instellen van stand-by perioden maakt het uitvoeren van onderhoud alleen mogelijk op gezette tijden (gemiddeld anderhalf keer per jaar) waardoor de kwaliteit meer achteruit kan gaan dan nodig is. Het is belangrijk om tijdens het ontwerpen rekening te houden met de mogelijkheid om werk ’s nachts in de stand-by tijd te kunnen uitvoeren, waarbij wordt gelet op de ARBO voorschriften. Het is voor circa één nacht per twee weken mogelijk om ’s nachts aan het spoor te werken en de werkzaamheden die vaker dan deze frequentie worden uitgevoerd, zullen tijdens de drukkere exploitatietijd (overdag) uitgevoerd moeten worden. Het onderscheid in exploitatietijd en stand-by tijd heeft de voorkeur omdat de geplande treindiensten daarmee gedurende de exploitatie geheel volgens planning kunnen rijden, terwijl het onderhoud kan worden geoptimaliseerd.

-27- van de 107


De treinvrije perioden zijn de (extra) perioden die expliciet worden aangewezen voor het uitvoeren van gepland onderhoud tijdens de exploitatieperiode. De meeste spoorwegen in Nederland hebben de 24urige exploitatieperiode waardoor de geplande onderhoudsperioden alleen tijdens treinvrije perioden kunnen worden uitgevoerd, wat een lagere Maintainability geeft. De stand-by tijd wordt in dit onderzoek expliciet als variabele aangegeven voor het bepalen van de RAM waarden en is gelijk aan nul wanneer deze niet is gedefinieerd voor een wissel. Een goede Maintainability kan worden verkregen wanneer alle periodieke en preventieve onderhoudswerkzaamheden in de stand-by tijd kunnen worden uitgevoerd en de exploitatietijd niet wordt aangetast. Het is tijdens de ontwerpperiode belangrijk om te kijken naar de benodigde tijd voor het uitvoeren van onderhoud. De Maintainability wordt grotendeels bepaald door keuzen die gedurende de ontwerpfasen worden gemaakt. De bijbehorende kosten zijn hierbij een belangrijke parameter. De Maintainability van gepland onderhoud werkt als een kans voor het inpasbaar zijn in de beschikbare onderhoudperiode. De Maintainability voor niet-gepland onderhoud werkt als een versterkingsfactor die van invloed is op de duur van een storing.

Availability De Availability betreft het vermogen van het systeem om in een toestand te zijn om de gespecificeerde functies onder bepaalde omstandigheden en op een bepaald moment of gedurende een bepaald tijdsinterval uit te voeren. [EN50126] De Availability wordt beïnvloed door de Reliability en Maintainability van het systeem. Het aantal en de duur van de faalmechanismen volgen uit de Reliability en de duur van gepland onderhoud wordt bepaald door de Maintainability. De werkzaamheden die binnen de stand-by tijd worden uitgevoerd, vormen geen aantasting van de Availability. Naast de inpasbaarheid van onderhoudwerkzaamheden in de stand-by tijd zijn de frequentie van de onderhoudsperioden en het totaal aantal uitgevoerde inspecties van invloed op de Availability. Tot slot heeft ook het instellen van gedwongen snelheidsbeperkingen invloed op de Availability doordat er in dezelfde periode minder treinen kunnen rijden. De tijdelijke snelheidsbeperking is na het optreden en/of herstellen van een faalmechanisme. De analyse uit deze paragraaf komt ook terug in bijlage II waar de aspecten stapsgewijs en met voorbeelden zijn bekeken. De RAM waarden zijn in de bijlagen uitgebreid geanalyseerd en uitgewerkt in formulevorm. De resultaten van de Reliability, Availability en de Maintainability meetwaarden worden in de volgende paragrafen toegelicht.

3.2 Reliability ontwerpfase De Reliability geldt als een kans die wordt bepaald door het aantal gefaalde treindiensten ten opzichte van het totaal aantal treindiensten. De Reliability wordt bepaald door het aantal gefaalde treindiensten en begint af te nemen bij de eerste gefaalde wisselomlegging tijdens het optreden van een faalmechanisme.

-28- van de 107


De waarde voor Reliability R, kan per component, systeemonderdeel en uiteindelijk voor het systeem worden bepaald aan de hand van de volgende formule:

R = 1−

totaal aantal gefaalde beroepen totaal aantal beroepen geanalyseerde periode ⎛

R = 1−

∑ ⎜⎜ λ ⎝

⎛ t np ,ref (T ) ⋅ ceil ⎜ ⎜ I ⎝ gem ∑ beroepen

func

⎞⎞ ⎟⎟ ⎟⎟ ⎠⎠

R ∈ [0,1]

[3.1]

Waarbij geldt: R = Reliability [-] λfunc(T) = De kans op het optreden van een faalmechanisme dat leidt tot functioneel falen van het wisselsysteem, waardoor direct niet-geplande correctieve onderhoudswerkzaamheden nodig zijn, afhankelijk van het gepasseerde aantal tonnages. tnp, ref = De gemiddelde referentieduur van het uitvoeren van niet gepland onderhoud, die is geaccordeerd door de betrokkenen als benodigde tijd, uitgedrukt in een tijdwaarde. Igem = De gemiddelde duur van het tijdsinterval tussen twee beroepen op het wissel, uitgedrukt in een tijdwaarde Σberoepen = totale aantal beroepen voor gebruik wissel gedurende de bekeken periode ceil(..) = De waarde tussen de haken afronden naar boven toe in een geheel getal De factor tnp,ref/Igem is voor het bepalen van het aantal gefaalde beroepen vanuit de bekende gegevens van de duur van een storing en het gemiddelde interval tussen twee treinen. Deze gegevens zijn bekend tijdens de ontwerpfase. De λfunc(T) geeft de kans dat een faalmechanisme optreedt. Deze kans wordt eerst uitgewerkt door het gemiddelde aantal storingen in een periode te bepalen met behulp van de voorgeschiedenis van het wissel. (λfunc(T)=1) In hoofdstuk 5 zal de kans λfunc(T) worden uitgewerkt op basis van de voorspelbaarheid en veranderingen in of door het gebruik van het wissel (aantal gepasseerde tonnages). De waarden voor Reliability kunnen tussen de 0 en 1 liggen, waarbij geldt dat 0 een totaal onbetrouwbare constructie is en 1 een volledig betrouwbare constructie. Een betrouwbare constructie betekent weinig niet-gepland onderhoud.

3.3 Maintainability ontwerpfase De Maintainability van gepland onderhoud werkt als een kans voor het inpasbaar zijn in de beschikbare onderhoudperiode De Maintainability is voor gepland onderhoud te optimaliseren door het onderhoud in de stand-by tijd uitvoerbaar te maken. De Maintainability voor niet gepland onderhoud is daarentegen te optimaliseren door direct te zorgen voor zo snel en gemakkelijk mogelijk herstel na falen. De Maintainability wordt daarom nader uitgewerkt volgens deze onderverdeling. Gepland onderhoud De Maintainability voor gepland onderhoud is de waarschijnlijkheid dat een bepaalde activiteit voor actief onderhoud voor een item onder gegeven gebruikersomstandigheden kan worden uitgevoerd binnen de stand-by periode volgens vastgelegde voorwaarden en aan de hand van vastgestelde procedures en hulpbronnen. De waarde voor Maintainability wordt eerst per activiteit bekeken en de Maintainability voor een systeem komt overeen met het product van alle aparte onderhoudactiviteiten.

-29- van de 107


De Maintainability M, van gepland onderhoud kan met de volgende formule worden uitgedrukt:

M = 1−

M = 1−

∑ (duur gepland onderhoud tijdens exploitati etijd ) totale duur geanalysee rde (exploitat ie) periode

M ∈ [0,1]

∑(t p − S )

[3.2]

t periode

Waarbij geldt dat: M = Maintainability gepland onderhoud [-] tp = De duur van het uitvoeren van gepland onderhoud, uitgedrukt in een tijdwaarde. S = De duur gewerkte tijd tijdens stand-by tijd, uitgedrukt in een tijdwaarde tperiode = De totale duur van de bekeken gebruikersperiode(n), uitgedrukt in een tijdwaarde. De waarden voor Maintainability liggen tussen 0 en 1 met M=0 voor zeer slechte Maintainability en M=1 voor zeer goede onderhoudbaarheid. Niet-gepland onderhoud De Maintainability voor niet-gepland onderhoud is de weegfactor om aan te geven hoe een bepaalde activiteit voor actief onderhoud voor een item na het optreden van een faalmechanisme onder gegeven gebruikersomstandigheden kan worden uitgevoerd binnen een zo kort mogelijke periode volgens vastgelegde voorwaarden en aan de hand van vastgestelde procedures en hulpbronnen. De Maintainability voor niet-gepland onderhoud werkt als een versterkingsfactor die van invloed is op de duur van een storing. De Maintainability versterkingsfactor voor niet gepland onderhoud γM, wordt:

γM =

duur herstel gefaald wissel normduur herstel gefaald wissel

γM =

t np t a + t b + t v + t Id + t o + t t = t np ,ref t np ,ref

γM tnp tnp, ref ta tb tv tId to tt

γ M ∈ [0,10]

[3.3]

= Versterkingsfactor Maintainability niet-gepland onderhoud [-] = Duur van het falen, tussen het optreden van het falen en het uiteindelijk weer opleveren van een functioneel wissel = De normduur van het herstellen van het functioneel falen geaccordeerd door de betrokkenen en zo mogelijk onderverdeeld in dezelfde tijdaspecten, uitgedrukt in een tijdwaarde. = Benodigde tijd van het (de)mobiliseren van het wissel voor en na de werkzaamheden = Benodigde tijd voor het bereiken van het wissel = Benodigde tijd voor het voorbereiden van de niet-geplande werkzaamheden, verzamelen van materiaal en materieel = Benodigde tijd voor het identificeren van het probleem = Benodigde tijd voor het uitvoeren van de nodige onderhoudsactiviteit(en) = Benodigde tijd voor het testen van de functionaliteit van de herstelde component(en).

De γM is direct verbonden met een faalmechanisme. De verschillende tijdsfactoren spelen tijdens het ontwerpen een belangrijke rol omdat deze elk van invloed zijn op de totale duur van een storing. Het is voor γM mogelijk om met relatief kleine aanpassingen grote tijdswinsten te boeken. Het is van belang rekening te houden met de maatgevende tijdduur, indien activiteiten samenvallen, worden alleen de maatgevende waarden meegeteld (in serie). De Reliability is opgesteld op basis van de gemiddelde (norm) tijdsduur van niet-geplande onderhoudswerkzaamheden.

-30- van de 107


De γM van de constructie heeft invloed op de werkelijk benodigde tijdsduur van de werkzaamheden en heeft daardoor een evenredig effect op de Reliability. Die formule kan als volgt worden uitgedrukt:

⎛

R =1−

∑ ⎜⎜ λ ⎝

⎛ ⎞⎞ ⎛ t np,ref ⎛ t np ⎞ ⎞ ⎟⎟ (T ) ⋅ ⎜ ⋅ γ M ⎟⎟ ∑⎜ λ func (T ) ⋅ ⎜ ⎟⎟ ⎜I ⎜ I ⎟⎟ ⎜ ⎠⎠ ⎝ gem ⎝ gem ⎠ ⎠ ⎝ =1− ∑ beroepen ∑ beroepen

func

[3.4]

De waarden van γM liggen tussen 0 en 10 om de eigenschappen van de versterkingsfactor duidelijk te onderscheiden ten opzichte van de andere RAM aspecten. Hier geldt dat 0 een zeer goede γM en geeft 10 een slechte γM. De γM = 10 zou betekenen dat de uitgevoerde hersteltijd tien keer langer duurt dan de normtijd die voor de activiteit staat. Deze waarde is al niet meer waarschijnlijk (acceptabel) om in praktijk op te treden.

3.4 Availability ontwerpfase De Availability geldt als een kans die aangeeft hoeveel procent van de totale exploitatietijd het wissel beschikbaar zal zijn. De Availability die hier wordt uitgewerkt, gaat specifiek in op de niet-Availability veroorzaakt door het falen van vooraf gespecificeerde prestaties van het wissel en/of door het onderhouden van het wissel. Het niet functioneren van het wissel buiten de gespecificeerde prestaties, bijvoorbeeld door een storing op het regionale elektriciteitsnetwerk, worden niet meegenomen in de ontwerpfase. Er wordt gesproken over een gemiddelde Availability omdat de beschikbaarheid niet constant is gedurende het genoemde tijdsinterval. De Availability A, kan in formulevorm voor de ontwerpfase als volgt worden uitgedrukt:

A =1−

∑(t p + t np ,ref ) totale duur gepland onderhoud in exploitatieperiode + niet - gepland onderhoud = 1− t periode totale duur geanalyseerde (exploitatie) periode

De totale duur van het geplande onderhoud wat de Availability negatief beïnvloedt, wordt mede bepaald door de Maintainability. De Reliability bepaalt zoals in figuur 1.1. is weergegeven de Availability door de noodzaak van niet-gepland onderhoud om het gefaalde wissel te herstellen.

-31- van de 107


De formule voor de Availability kan daarom als volgt worden opgesteld:

⎡ ⎞⎤ ⎛ ∑ t In,ref v t A = 1− ⎢(1− M ) ⋅ f p + + γ e ⋅ (1− R) + ∑⎜ λ func(T ) ⋅ TSB ⋅ TSB ⋅γ M ⎟⎥ ⎟⎥ ⎜ t periode vd t periode ⎢⎣ ⎠⎦ ⎝

[3.5]

Waarin geldt: A = Availability [-] M = Maintainability van het wissel bepaald volgens formule [3.2] = De frequentie waarmee het geplande onderhoud dient te worden uitgevoerd gedurende de fp bekeken periode tIn, ref = De gemiddelde normduur van uit te voeren inspectie ter controle van staat van het wissel tijdens gepland gebruik van het systeem, uitgedrukt in een tijdwaarde. R = Reliability van het wissel volgens formule [3.4] = Het effect van het optreden van het falen, γe 0 = het wissel is geheel bruikbaar is, 0,5 = het wissel is slechts in één richting (rechtdoor of afbuigend) berijdbaar 1 = het wissel is totaal niet Available. λfunc(T) = De kans op het optreden van een faalmechanisme dat leidt tot een tijdelijke snelheidsbeperking door functioneel falen, afhankelijk van het gepasseerde aantal tonnages. vTSB = De snelheid bij tijdelijke snelheidsbeperking. Indien er geen tijdelijke snelheidbeperking is opgelegd is deze waarde gelijk aan nul. vd = De snelheid waarop het wissel is ontworpen en wordt aangehouden als de gebruikerssnelheid. tTSB = De duur van de tijdelijke snelheidsbeperking, uitgedrukt in een tijdswaarde. tperiode = De totale duur van de bekeken gebruikersperiode(n), uitgedrukt in een tijdwaarde. γM = De Maintainability versterkingsfactor volgens formule [3.3] De waarden voor Availability liggen tussen 0 en 1 met A=0 voor geen beschikbaarheid en A=1 voor een volledige beschikbaarheid. De waarde van de Availability geldt net als de waarden van Reliability en Maintainability alleen voor de componenten en het systeem dat binnen het geanalyseerde systeemgebied vallen voor de bekeken periode.

-32- van de 107


3.5 Verificatie RAM meetwaarden De waarden die vanuit de RAM formules worden verkregen, worden geverifieerd in een spreadsheet. De verificatie dient om aan te geven wat het effect is van verschillende perioden gepland en niet gepland onderhoud (storingen), bekeken over een periode van een jaar. De gebruikte input gegevens zijn de gebruikgegevens van een wissel van het te onderzoeken wisselcomplex. [Zie bijlage II.5] De waarden die in de spreadsheet zijn getest, zijn in grafieken aangegeven, onderverdeeld in gepland en niet-gepland onderhoud. De lineaire relaties zijn hierin terug te zien.

Gepland Onderhoud 1,005

RAM waarden

1,000 0,995 0,990 0,985 0,980 0,975 0

10

20

30

40

50

Duur onderhoud (tp>S) per jaar

60

70

80

90

100

Reliability Availability Maintainability (gepland)

figuur 3.1 RAM waarden afhankelijk van het aantal uren gepland onderhoud tijdens exploitatietijd gedurende een jaar

500

1,000

450

0,995

400

0,990

350

0,985

300

0,980

250

0,975

200

0,970

150

0,965

100

0,960

50

0,955

Aantal gefaalde treine

RAM waarden

Niet-gepland onderhoud door falen van het wissel 1,005

0 0

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Duur niet gepland onderhoud per jaar

Reliability Availability Aantal gefaalde treinen

figuur 3.2 RAM waarden afhankelijk van het aantal uren niet-gepland onderhoud tijdens exploitatietijd gedurende een jaar

-33- van de 107


De Availability is gelijk aan de Maintainability als alleen gepland onderhoud wordt uitgevoerd. De Reliability is hetzelfde als de Availability wanneer alleen niet-gepland onderhoud plaatsvindt. Dit komt overeen met de analyse in paragraaf 3.1. Het effect van de waarde van γM op de Reliability is aangegeven in de onderstaande grafiek. De waarden zijn gebaseerd op de waarden van figuur 3.2 met een lineair toenemende waarde voor de versterkingsfactor γM.

12

1,000

10

0,950

8

0,900

6

0,850

4

0,800

2

0,750

Maintainability versterkingsfacto

RAM waarden

M aintainability versterkingsfactor 1,050

0 0

10

20

30

40

50

60

Referentieduur niet gepland onderhoud

70

80

90

100 Reliability Availability Maintainability (niet-gepland)

figuur 3.3 RAM waarden afhankelijk van de Maintainability versterkingsfactor

Het niet-lineaire verloop van Reliability en Availability komt door de lineaire toename van zowel de duur van het niet-geplande onderhoud als de lineaire toename van de verlenging van de onderhoudsperiode waardoor de aantasting van de Reliability kwadratisch verloopt. De versterkingsfactor γM zal per ontwerpkeuze echter een vaste waarde krijgen die de waarden van de Reliability en Availability lineair vergroot of verkleind. De inspecties en Tijdelijke Snelheidsbeperkingen veranderen de Availability ten opzichte van de M bij gepland onderhoud en ten opzichte van R bij niet-gepland onderhoud. De onderstaande grafiek geeft een verschillend verloop van zowel gepland als niet gepland onderhoud waardoor de Availability duidelijk verschilt.

400

1,000

350

RAM waarden

0,995

300

0,990 0,985

250

0,980

200

0,975

150

0,970

Aantal gefaalde treine

Gepland en niet-gepland onderhoud 1,005

100

0,965

50

0,960

0

0,955 0

5

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

Duur onderhoud per jaar

Reliability Availability Maintainability (gepland) Aantal gefaalde treinen

-34- van de 107

Wissel ontwerpen op basis van Reliability, Availability, Maintainability en Safety figuur 3.4 RAM waarden afhankelijk van het aantal uren gepland onderhoud en storing gedurende een jaar

De verificatie laat zien dat de M bij 4 uur gepland onderhoud in een jaar met ca. 0,1% zichtbaar afneemt tot 0,999. De Availability wordt ook ca. 0,1% lager. Korter dan 4 uur gepland onderhoud is niet zichtbaar. Er zijn bij gepland onderhoud en bij inspecties geen gefaalde treinen doordat er vooraf rekening mee is gehouden en geen treinen zijn gepland. Het effect van 4 uur niet-gepland onderhoud door storing levert dezelfde Availability, maar nu is de Reliability met 0,1% afgenomen, wat in deze situatie betekent dat er 19 treindiensten zijn gefaald. Het halveren of verdubbelen van de duur van een storing (5 uur, 10 uur, 20 uur) geeft een duidelijk verschil in het aantal gefaalde treinen, in tegenstelling tot de niet grote verandering in de aparte RAM waarden. Het aantal gefaalde treinen is afhankelijk van de intensiteit van het bekeken baanvak en is dus een situatieafhankelijke parameter. De Reliability waarde van 0,99 betekent dat in totaal 1% van alle wisselomlegging zullen falen. Het voorbeeld van het wissel met jaarlijks circa 25.000 wisselomleggingen voor zo’n 35.000 treinpassages geeft 250 gefaalde wisselomleggingen, ofwel ruim één gefaalde omlegging per twee dagen. Dit wordt aangenomen als niet gewenste situatie. De ondergrens voor de Reliability van één wissel wordt daarom aangehouden op 0,99. De ondergrenswaarden voor de Maintainability en Availability zijn afhankelijk van de duur van de gedefinieerde stand-by tijd. Indien de stand-by tijd bijvoorbeeld wordt aangehouden op 4 uur per dag, kan worden gestreefd naar een hoge Maintainability en Availability. De ondergrenzen kunnen dan worden aangehouden op waarden dicht tegen de 1. De Availability zal echter wat lager liggen door het effect van zowel Reliability als Maintainability. Doordat op dit moment voor de meeste baanvakken geen stand-by periode is gedefinieerd, wordt voor de Maintainability de minimale waarde aangehouden op 0,99, wat betekent dat er dan 87,6 uur van de exploitatietijd per jaar wordt besteed aan het uitvoeren van gepland onderhoud. Deze marge is groot vergeleken met de huidige gedefinieerde treinvrije perioden voor gepland onderhoud. De ondergrens van de Availability waarde komt hierbij op 0,98. De RAM wisselspecificaties zullen naar verwachting hoger liggen dan deze gehanteerde ondergrenswaarden. Het ontwerpen voor Reliability en Maintainability in het gebied tussen 0,99 en 1 geeft dus al een zeer ruim werkgebied. Deze grenswaarden worden nu verder aangehouden om voldoende inzicht te krijgen in het effect van verschillende ontwerpkeuzen. Deze waarden gelden voor één wissel (in één werkgebied). De RAM waarden van een wisselcomplex worden lager doordat meer onderhoud (gepland en niet-gepland) nodig kan zijn.

-35- van de 107


3.6 Conclusie RAM meetwaarden De waarden die voor de aspecten Reliability, Availability en Maintainability zijn opgesteld, worden bepaald door verschillende parameters. De formules van de drie aspecten worden hieronder samengevat. Voor de betekenis van de factoren wordt verwezen naar de paragraaf waar het aspect is uitgewerkt. Formule

Reliability

⎛ ⎛ t np , ref ∑ ⎜⎜ λ func (T ) ⋅ ceil⎜⎜ I ⎝ gem ⎝ 1− ∑ beroepen

Availability

⎡ ⎛ ⎞⎤ ∑ t In,ref v t + γ e ⋅ (1− R) + ∑⎜ λ func(T ) ⋅ TSB ⋅ TSB ⋅γ M ⎟⎥ 1− ⎢(1− M ) ⋅ f p + ⎜ ⎟⎥ t periode vd t periode ⎝ ⎠⎦ ⎣⎢

Maintainability Gepland 1 −

Versterkingsfactor

⎞ ⎟ ⋅γ M ⎟ ⎠

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

∑(t p − S ) t periode

γM =


Domein [0,tperiode]

Bereik

Min.

Goed

[0,1]

0,99 1

[0,tperiode]

[0,1]

0,98 1

[0,tperiode]

[0,1]

0,99 1

[0,tstoring]

[0, 10]

10

0

tabel 3.1 Overzicht kwantificeren RAM

De stand-by tijd, de duur van het preventieve en correctieve onderhoud, de degradatie van het wissel en het gebruik van het wissel bepalen de uiteindelijke RAM waarden. Deze waarden zullen in het verdere onderzoek nader worden uitgewerkt en gedetailleerder worden genoteerd. Het degradatiemodel en de verbetering van de Maintainability vormen hierbij het belangrijkste invloedsaspecten in de ontwerprichtlijn. De Reliability en Maintainability waarden liggen tussen de 0,99 en 1,0 wat ruimte biedt voor de ambitie om te streven naar 100% functioneren volgens vooraf gedefinieerde specificaties. Het definiëren van een vaste treinvrije periode per dag, de stand-by tijd, geeft meer mogelijkheid voor het optimaliseren van het onderhoud met een goed LCC management. Het is –met name op een rustig tracé- belangrijk om op te letten of het gemiddelde interval nog overeenkomt met de werkelijke intensiteit op het netwerk. De treinvrije of treinarme periode doet het gemiddelde interval afnemen waardoor het aantal gefaalde treinen lager uitkomt dan het representatieve gemiddelde. Er wordt eerst kort gekeken naar de RAM waarden die in praktijk zijn toegepast bij grote nieuwbouwprojecten. Hierbij wordt speciaal gekeken naar de relatie van de zojuist gevonden formules en de in praktijk gebruikte specificaties.

3.7 RAM specificaties ProRail De opdrachtgever zal bij een vraag voor een vernieuwingsproject van een wisselcomplex zekere RAM specificaties opgeven in de vorm van het maximaal aantal en duur van op te treden storingen en buitendienststelling van de spoorbaan voor het uitvoeren van onderhoudswerkzaamheden. Dit wordt opgesteld vanuit een Reliability&Availability model waarmee wordt gekeken naar de gebruikersintensiteit en het belang van het baanvak op het hoofdnetwerk. Een storing op een belangrijke ader in het hoofdnetwerk zal een zeer groot effect hebben op het landelijke netwerk en zal dus vrijwel niet acceptabel worden gevonden. Dit betekent dat er voor een wisselcomplex van het hoofdnetwerk strengere RAM(S) specificaties worden opgegeven dan voor een wisselcomplex in een minder intensief bereden baanvak.

-36- van de 107


Het is ook dat de robuustheid van een baanvak -de mogelijkheid om onregelmatigheden op te vangen en alternatieve treinroutes in te stellen- bij een baanvak waar twee treinen per uur per richting rijden groter is dan op hetzelfde baanvak waar 12 treinen per uur per richting rijden. De RAM specificaties zijn tot nu toe in praktijk toegepast bij het HSL-Zuid project (Infraspeed), de Betuweroute en het Hanzelijn project (ProRail). Deze nieuwbouwprojecten worden direct gestuurd op de RAMS prestaties. De door ProRail toegepaste RAM specificaties betreffen de Treindienst Aantastende Onregelmatigheden (TAO’s), de Tijdelijke Snelheid Beperking (TSB) en de Treinvrije Perioden (TVP). De Reliability wordt bepaald door het aantal optredende TAO’s gedurende een bepaalde periode. De Maintainability wordt bepaald door het aantal en de duur van de TVP’s gedurende een bepaalde periode. De Availability wordt bepaald door de totale (gemiddelde) duur van de optredende TAO’s, TSB’s en TVP’s gedurende een bepaalde periode. De TAO’s zijn onregelmatigheden in het gebruik van het railnetwerk, waarbij het gaat om een treindienst aantasting (vertraging) van tenminste 3 minuten. TAO’s zijn binnen ProRail geïntroduceerd om een maat te hebben waarbinnen niet elke onregelmatigheid wordt meegeteld. Dit is omdat niet elk falen leidt tot een aantasting van de treindiensten. TSB’s zijn opgelegde tijdelijke snelheidsbeperkingen, voornamelijk vanuit veiligheidsoverwegingen. Een beschadigd wissel kan bijvoorbeeld niet meer veilig bereden worden met de ontwerpsnelheid, terwijl het nog mogelijk kan zijn het wissel met lagere snelheid veilig te passeren. De TSB gelden na het optreden van een faalmechanisme totdat de oorzaak is weggenomen. De TVP’s zijn perioden waarbij het systeem buiten gebruik wordt genomen, wat noodzakelijk is om gepland onderhoud te kunnen uitvoeren binnen het Profiel van Vrije Ruime (PVR) of werkzaamheden die direct invloed hebben op het functioneren van het wissel zoals werk aan de bedieningskast. Het maximum aantal toelaatbare TAO’s is onderverdeeld in het effect van de TAO’s. Het aantal/duur TAO’s van de categorie ‘zeer belangrijk’ heeft een bijzonder groot –ongewenst- effect op de hoofdbaan terwijl de categorieën ‘belangrijk’ en ‘minder belangrijk’ minder effect hebben en/of effect hebben op een minder belangrijk baanvak. De gemeten TAO’s worden apart geregistreerd voor verschillende oorzaken: bijvoorbeeld de oorzaak van vervoerders, door technische oorzaak of door derden. De TVP’s worden apart geregistreerd voor verschillende soorten onderhoud. De maximale duur van de TAO’s is ook nader gedefinieerd naar het belang van het baanvak. Bij aanpassing van bestaande situaties gaat de interesse vooral naar aantallen TVP’s in vergelijking met bestaande situatie. [zie bijlage II.7 RAM specificaties bestaande projecten] De Hanzelijn is bij het definiëren van de RAMS eisen onderverdeeld in deelsystemen waarbij elk (deel)systeem een zeker percentage krijgt van het totaal aantal/duur TAO’s en TVP’s. De meest slijtage- en storingsgevoelige deelsystemen zijn het besturingssysteem en het railsysteem en deze krijgen daarom procentueel het grootste aantal toelaatbare TAO’s en TVP’s. Daar tegenover staan de weinig storingsgevoelige onderdelen als kunstwerken, baanlichaam e.d.. De aan elk deelsysteem toegekende TAO en TVP waarden kunnen weer verder worden onderverdeeld over alle elementen waaruit het deelsysteem is opgebouwd. De TAO en TVP waarden voor de railsector kunnen zo verder worden onderverdeeld tot op wissel niveau. De wissels worden onderscheiden naar belang van het systeem, gelet op bijvoorbeeld de plaats in het tracé, de mogelijke omleidingroutes bij storing en het effect van storing op de andere rijwegen. Een wissel aan het begin van een wisselstraat heeft bij storing een veel groter effect en moet dus hoge RAM waarden (lager aantal TAO’s) hebben dan bijvoorbeeld een bijsturingwissel. De gemiddelde TAO waarde voor een wissel in de Hanzelijn is het optreden van maximaal 1 storing in de twee jaar die niet langer duurt dan twee uur. De gemiddelde TVP waarde per wissel is één keer in de vier weken maximaal een half uur buitendienststelling. De RAM specificaties voor de Hanzelijn hebben betrekking op een 24-urige exploitatieperiode, waardoor alle onderhoudswerkzaamheden een negatief effect hebben op de Maintainability en de Availability. De totale vereiste RAM waarde voor de héle Hanzelijn is 0,876. [zie bijlage II.7 RAM specificaties bestaande projecten] De door de betrokken partijen afgesproken TAO en TVP waarden zullen contractueel worden opgesteld en nageleefd. De waarden zijn afhankelijk van het belang van het betreffende -37- van de 107


spoorwegtraject. ProRail wordt in de huidige prestatiecontracten afgerekend op het aantal opgetreden TAO’s. De gespecificeerde waarden van het aantal en de duur van de TAO’s, TVP’s en TSB’s zullen worden uitgedrukt in RAM waarden die vergelijkbaar zijn met de eerder bepaalde RAM waarden die zijn opgesteld vanuit ontwerp vrijheidsgraden. Fase

Formule

⎛

Reliability Ontwerp

Specificatie Availability Ontwerp

Specificatie

R =1−

Versterkingsfactor Ontwerp

Specificatie

⎝

func

⎛ t np , ref (T ) ⋅ ceil ⎜ ⎜ I ⎝ gem ∑ beroepen

⎞ ⎟ ⋅γ M ⎟ ⎠

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

eis: tnp, ref ≥ 3 minuten

R = max. aantal TAO' s ⎡ ⎛ ⎞⎤ ∑t In,ref v t A = 1 − ⎢(1 − M ) ⋅ f p + + γ e ⋅ (1 − R) + ∑⎜ λ func(T ) ⋅ TSB ⋅ TSB ⋅ γ M ⎟⎥ ⎜ ⎟⎥ t periode vd t periode ⎢⎣ ⎝ ⎠⎦ ⎛ ∑(duur TVP' s) ∑(max TAO' s ⋅ duur TAO' s) ⎞ ⎟ + A = 1− ⎜ ⎜ ⎟ t t periode periode ⎝ ⎠

Maintainability Gepland Ontwerp

∑ ⎜⎜ λ

M = 1−

γM =



M = 1−

∑ duur TVP' s ≈M t periode

tabel 3.2 Vergelijking RAM specificaties ontwerpfase en conceptfase

De specificatie voor de Reliability wijkt af van de uitgewerkte waarde voor Reliability. De aangegeven waarde van de specificatie kan worden vergeleken met een vereenvoudigde vorm van de bepaalde Reliability formule voor het voorspellen van het aantal optredende storingen. Het heeft echter de voorkeur om tijdens het ontwerpen voor de Reliability een waarde tussen 0,99 en 1 aan te houden, zodat de verkregen waarden vergeleken kunnen worden met goed (1) of niet goed (0,99). De TAO definitie specifiek voor Reliability geeft ook geen betekenis aan de duur van een storing, waardoor het vertekende beeld kan ontstaan van een zeer betrouwbaar systeem dat maar 1 TAO geeft, alleen die TAO duurde wel 8760 uur ofwel één jaar!

-38- van de 107


4. Analyse wisselcomplex De RAM(S) formules worden in dit hoofdstuk kort gevalideerd met een bestaand wisselcomplex dat vergeleken met het landelijke gemiddelde- veel onderhoud en vervangingswerkzaamheden nodig heeft. De situatie van het wisselcomplex, en specifiek van een symmetrisch wissel, worden nader geanalyseerd naar de te verrichten functies, de fysieke opbouw en de optredende storingen. De RAM(S) waarden van het geanalyseerde symmetrisch wissel worden voor deze validatie bepaald vanuit de storings- en inspectiegegevens. Het is aan het eind mogelijk om een verbeter top tien op te stellen van het geanalyseerde wisselcomplex. De specifieke verbeter top tien wordt vergeleken met die volgens het landelijke gemiddelde. De risicoanalyse wordt aan het eind omgezet in aandachtspunten en adviezen voor het ontwerpen van een nieuw wisselcomplex. Eerst zal er een korte systeembeschrijving van het wissel worden gegeven, om van daaruit nader toe te spitsen op het gedefinieerde onderzoeksgebied voor het ontwerpproces van de groep Baan&Spoorwegbouw.

4.1 Systeembeschrijving wissel Het wissel is een met een hefboom beweegbare inrichting die dient om het spoor te vertakken in twee of meer sporen zodat het voor de trein mogelijk wordt van spoor te veranderen. De wissels worden aangeduid met de hoek die de sporen met elkaar maken, b.v. 1:12 of 1:34,7. Deze waarden zijn de tangens van de hoek. Het punt in het wissel waar de uitwijkende spoorassen elkaar snijden wordt het mathematisch punt genoemd. De straal van de wisselboog in het wisselontwerp, bepaalt de snelheid waarmee een wissel afbuigend bereden mag worden. De wissels worden voor het comfort van de reiziger zodanig ontworpen dat de optredende horizontale (middelpuntvliedende) versnelling maximaal 0,65 m/s2 bedraagt. Dit komt overeen met een verkantingstekort van 100 mm (er zit geen verkanting in een wissel). Het wissel kan worden onderverdeeld in vier deelsystemen: bedieningssysteem, wisselconstructie, stabilisatieconstructie en de wisseltoestellen. Het bedieningsysteem en de wisseltoestellen zijn zelfstandig functionerende deelsystemen van een wissel. De wisselconstructie en stabilisatieconstructie hebben de overeenkomstige functie van het dragen van de trein en het overdragen van de belasting naar de ondergrond. De wisselconstructie heeft daarnaast nog de geleidende functie. Deze twee deelsystemen zijn daarom aan elkaar verbonden. De systeemopbouw van het wissel is schematisch weergegeven in figuur 4.1. Bedieningssysteem

Wisselconstructie

Wissel Stabilisatieconstructie

Wisseltoestellen

figuur 4.1 Schema systeemopbouw wissel

-39- van de 107


Het bedieningssysteem bestaat uit een aandrijfsysteem dat is opgebouwd uit een motor, de aandrijfstang, de controlestang en de aansturing. Het doel van het bedieningssysteem is dat het wissel in de gewenste positie wordt gebracht vóór de passage van de trein en tijdens passage in de juiste positie wordt gehouden. Het aandrijven wordt centraal, elektrisch aangestuurd en lokaal wordt gewerkt met een pneumatisch, hydraulisch of soms handmatig systeem. De wisseltoestellen zijn de wisselverwarming en de smeerinrichtingen. De wisselverwarming dient om ’s winters de wissels te verwarmen om vastvriezen van het wissel te voorkomen. De smeerinrichting dient -indien deze wordt toegepast- om de spoorstaven op het loopvlak met een vloeistof/korrelstof te smeren om het slijtage-effect door wielslip te beperken. De wisselconstructie heeft de functie van het dragen en geleiden van de treinen. Het biedt in het bijzonder de mogelijkheid voor de trein om van spoorbaan te veranderen. De wisselconstructie is hoofdzakelijk opgebouwd uit twee halve tongbewegingen, de tussenspoorstaven en het puntstuk. De stabilisatieconstructie dient om de constructiedelen van het wissel te dragen, stabiliseren en fixeren en de belasting over te dragen naar de ondergrond. De componenten verzorgen zowel de verticale als horizontale stabiliteit. De componenten waar het deelsysteem uit is opgebouwd, zijn de bevestigingsmiddelen, de wisselliggers en het ballastbed. Hiermee wordt de systeemgrens aangegeven. De opbouw van een wisselconstructie en de beschrijving van alle onderdelen is uitgebreid uitgewerkt in bijlage III.

4.2 Afbakening onderzoeksgebied wissel Het is na de systeembeschrijving van het wissel noodzakelijk om het onderzoeksgebied verder af te bakenen. Het afbakenen dient om binnen de onderzoekstijd in voldoende mate op detailniveau te komen en geeft daarnaast een verdere toespitsing op die aspecten die voor de groep Baan&Spoorwegbouw relevant zijn. De aspecten die bij deze afbakening buiten het verdere onderzoeksgebied komen, worden hieronder kort genoemd. De deelsystemen bedieningssysteem en wisseltoestellen zullen vanwege de beschikbare tijd niet nader worden uitgewerkt. De belangrijkste reden is dat deze deelsystemen niet tot het vakgebied van Baan-&Spoorwegbouw behoren. Het bedieningssysteem is in praktijk algemeen wel een belangrijk faalmechanisme en het verdient dus zeker de aanbeveling om deze en de andere deelsystemen op dezelfde wijze te analyseren. Het wissel kan elektrische scheidingslassen (ES-las) hebben, bedoeld voor de beveiliging van het railsysteem en het daarop rijdende materieel. De functie van de ES-lassen is de spoorstaven elektrisch geïsoleerd te koppelen voor het verkrijgen van een sectiescheiding voor de signalering, de treindienstleiding en de gebruikers van het spoor. De ES-lassen worden in dit systeem niet meegenomen omdat deze geen constante factor zijn voor een gemiddeld wissel. De ene keer liggen er vier ES-lassen en de andere keer maar twee. Het kan zijn dat er binnen de systeemgrens van het wissel een ES-las ligt die eigenlijk bij een overwegsysteem hoort. Dit geeft een niet-constante faalfactor en maakt het aannemelijk om de ES-lassen apart te analyseren. De beide analyses dienen op projectniveau weer te worden samengevoegd. De constructieve lassen zijn daarentegen wel systeemgebonden en worden verder meegenomen. Voor het analyseren van het wisselcomplex wordt nu nader toegespitst op de betreffende situatie.

-40- van de 107


4.3 Analyse wisselcomplex Het wisselsysteem bestaat uit drie gewone wissels 1:15 en één symmetrisch wissel 1:15 voor de splitsingen rechtdoor en afbuigend. In het rechtdoorgaande spoor liggen twee overloopwissels 1:9, als redundante wissels voor werkzaamheden of calamiteiten.

Rechtdoor Afbuigend

Het emplacement zelf ligt in een boog van het spoorwegtracé. Het wisselcomplex is opgebouwd uit deze zes wissels met elk de eigen (deel)functies voor het splitsen van de spoorbaan. De verschillende wissels zijn met de bijbehorende nummers (1 t/m 6) aangeven in figuur 4.3.

2

6

4

figuur 4.3 Situatieschets wisselsysteem

4.3.1

figuur 4.2 Tracé wisselcomplex

5

3

1

Wisselcomplex

Te analyseren symmetrisch wissel

Functies wisselcomplex

De hoofdfunctie van het wisselcomplex is het splitsen van de dubbele spoorbaan. De treinen worden door het wisselcomplex op veilige wijze in de gewenste richting over de wissels geleid. De nevenfunctie van het wisselcomplex is dezelfde als die voor spoorstaven in de vrije baan, namelijk het dragen van de belasting en dit overdragen naar de ondergrond. Het is bij het analyseren van belang om te definiëren wat de voorkant van het wissel is en hoe de rijrichtingen worden genoemd. Dit staat aangegeven in het onderstaande figuur. De rijrichtingen worden onderverdeeld in het wissel met de punt mee berijden (M) of tegen de punt in berijden (T). M-Rechtdoorgaand T- Rechtdoorgaand

voorkant wissel M-Afbuigend T-Afbuigend figuur 4.4 Rijrichting wissel

Het wisselcomplex is opgebouwd uit zes wissels met elk een specifieke deelfunctie van de splitsen geleidefunctie. Het eerste wissel 1 is voor het opsplitsen van de spoorbaan, rechtsrijdend in de afbuigende en rechtdoorgaande richting. Het wissel 2 is voor het samenvoegen van het rechtdoorgaande spoor en het afbuigende spoor voor rechtsrijden. Beide wissels kunnen in het afbuigende been de maximale

-41- van de 107


snelheid van 80 km/uur worden bereden en in het rechtdoorgaande been met de maximale snelheid van 130 km/uur. De baanvaksnelheid van het hele wisselcomplex is 80 km/uur.

-42- van de 107


Wissel 3 is het eerste deel van de kruising van het afbuigende spoor met het rechtdoorgaande spoor. Het symmetrisch wissel 4 is het tweede deel van de kruising. Dit wissel kan met een snelheid van 100 km/uur worden bereden in beide richtingen. Het toepassen van twee wissels voor de kruising in plaats van één kruising heeft het voordeel dat er extra treinpaden mogelijk zijn. De treinpaden van linksrijdend T-rechtdoorgaand naar rechtsrijdend en die van linksrijdend M-rechtdoorgaand naar rechtsrijdend zullen bij een kruising niet mogelijk zijn. Dit geldt ook voor de treinpaden van rechtsrijdend T-afbuigend naar linksrijdend en van rechtsrijdend Mafbuigend naar linksrijdend. De vereiste treinpaden zullen worden aangegeven in het Programma van Eisen voor het wisselcomplex. De wissels 5 en 6 zijn de overloopwissels zodat het bij onderhoudswerkzaamheden en/of storing mogelijk is om de treinen via een ander treinpad te laten rijden. De toelaatbare snelheid bedraagt voor de overloop 40 km/uur. Het is door deze combinatie van wissels ook mogelijk om linksrijdend vanuit bijna alle richtingen via het wisselcomplex in de gewenste richting weer rechtsrijdend uit te komen en omgekeerd kan het om vanuit alle richtingen rechtsrijdend via het wisselcomplex linksrijdend uit te komen. Het kan zelfs wanneer dit noodzakelijk is bij storing en/of werkzaamheden- om het wisselcomplex geheel linksrijdend te passeren van en naar alle richtingen. Het ontbreken van de overloopwissels in de afbuigende richting maakt het niet mogelijk om linksrijdend T-afbuigend weer rechts uit te komen en omgekeerd kan het niet om linksrijdend Mafbuigend rechtsrijdend uit te komen.

4.3.2

Fysieke opbouw wisselcomplex

Het wisselcomplex is onderdeel van het geëlektrificeerde emplacement. De bovenleidingportalen zijn opgebouwd uit staalprofielen, gefundeerd op ter plaatse gestorte, betonnen poeren. De wissels worden centraal aangestuurd en liggen in beveiligd gebied. Het optreden van storing wordt hierdoor tijdig gesignaleerd. De wissels hebben allen een elektrische wisselverwarming om vastvriezen van de tongbeweging te voorkomen. De wisselbediening bestaat hier uit het EBI switch bedieningssysteem. Dit bedieningssysteem is de derde generatie wisselbediening waar het systeem in een ‘holle’ wisselligger is ingebouwd. Het voordeel is het makkelijk kunnen stoppen rondom de tongpunt en het goed en snel kunnen vervangen van het bedieningssysteem. Het emplacement is op een verhoogde baan aangelegd met sloten ernaast. Deze verhoging zorgt voor een goede afwatering vanuit het spoorbaanlichaam naar de sloten toe, aangenomen dat de grond in de ophoging goede drainage capaciteiten heeft. De verhoging verzekert de vereiste afstand tussen de bovenkant spoorstaven en het grondwaterpeil (1,5 meter volgens de OVS), wat nodig is voor de stabiliteit. Het wisselcomplex is nu uitgevoerd op houten wisselliggers. Het toepassen van houten wisselliggers bij vernieuwing van wissels heeft bodemtechnisch het voordeel dat het gewicht van de aangepaste constructie hetzelfde is als de te vervangen constructie. Hierdoor wordt er geen extra zetting verwacht. Het toepassen van betonnen wisselliggers wordt mogelijk geacht omdat de aardebaan zorgt voor een goede spreiding van de belasting naar de natuurlijke ondergrond. Er wordt wel aanbevolen om in dat geval bodemonderzoek te doen naar de fysische grondeigenschappen tot een diepte van 5 meter om inzicht te krijgen in de te verwachte zetting verschijnselen. Het gebruikte spoorstaafprofiel is 54 E1. De bekeken wisselonderdelen zijn gemaakt door de Duitse wisselleverancier BWG. Het wisselcomplex is uitgevoerd met voegloze wissels. De extra kracht door de voegloze wissels wordt opgevangen met het toepassen van ankerschoenen. De ankerschoenen zijn grote bladen die onder de dwarsligger in het ballastbed steken en zorgen voor een stabiele ligging in het ballastbed. De wissels in de hoofdbaan hebben geconstrueerde puntstukken en de overloopwissels 5 en 6 hebben mangaanstalen puntstukken. De tongbeweging is een hoge, smeerloze tongbeweging die centraal, elektrisch wordt aangestuurd. De tongbeweging is middels glijstoelen aan de wisselliggers

-43- van de 107


bevestigd. De overige delen van het wissel zijn met stalen klemplaten, strippen en bouten op de houten dwarsliggers bevestigd.

-44- van de 107


Het wissel is in bijlage III functioneel en fysiek gedecomponeerd voor de generieke risicoanalyse, waarnaar wordt verwezen voor detailinformatie.

4.3.3

Gebruik wisselcomplex

Het wisselcomplex ligt vlakbij het station, waar alle stoptreinen en sneltreinen stoppen en de intercity’s doorrijden. De sneltreinen en intercity’s berijden het wisselcomplex zowel afbuigend als rechtdoorgaand terwijl de stoptreinen het wissel alleen afbuigend berijden. Per uur gaan dagelijks gemiddeld één intercity en één sneltrein per richting en afbuigend ook één stoptrein. Het gemiddelde aantal personentreinen per dag per richting staat aangegeven in tabel 4.1. Baanvak \ aantal treinen

T-afbuigend M-afbuigend T-rechtdoorgaand M-rechtdoorgaand Totaal

MaandagVrijdag (per dag) 53 51 38 37 179

Zaterdag

Zondag

50 49 35 34 168

40 39 33 34 146

Totaal

355 343 258 253 1209

tabel 4.1 Gemiddelde aantal treinpassages personenvervoer over wisselcomplex per dag in 2005

De dominante richting is voor personenvervoer de afbuigende richting. Het wisselcomplex wordt gebruikt voor goederenvervoer. Het gemiddelde aantal vrachttreinen per richting is aangegeven in de onderstaande tabel. Het is bij goederentreinen tot een uur voor tijd mogelijk een extra beroep in te plannen, dus de aangegeven aantallen fluctueren dagelijks. Baanvak \ aantal treinen

T-afbuigend M-afbuigend T-rechtdoorgaand M-rechtdoorgaand Totaal

MaandagVrijdag (per week) 45 49 4 4 102

Zaterdag

Zondag

7 4 1 1 13

1 1

2

Totaal

53 54 5 5 117

tabel 4.2 Gemiddelde aantal treinpassages goederenvervoer over wisselcomplex per weekdeel in 2005

De dominante richting is voor goederenvervoer de afbuigende richting. Het wisselcomplex kan in alle richtingen met maximaal 80 km/uur worden bereden. Het rechtdoorgaande spoor voorbij het wissel wordt met 130 km/uur bereden en in de boog met 80 km/uur. Het M-rechtdoorgaande spoor kan met 120 km/uur worden bereden. De aslasten per treinsteltype zijn aangegeven in tabel 4.3. Baanvak \ aantal treinen Locomotief Passagierwagon Passagierstrein (met motor) Goederentrein

Aantal assen

Onbeladen

Beladen

4-6 4 4 2

215 100 150 120

120 170 225

Ontwerp aslast 225 200 200 225

tabel 4.3 Gemiddelde nominale aslast per treintype [kN] [13]

Het sinds begin 2004 geïntroduceerde systeem Quo Vadis is een meetsysteem dat het aantal berijdingen (aantal treinen en tonnages) per wissel vastlegt. Het is hierdoor mogelijk de werkelijke gebruiksresultaten vast te leggen. Het aantal treinen en gepasseerde tonnages worden op

-45- van de 107


verschillende punten gemeten én afgeleid uit de dienstregelingen en/of treinnummers. De werkelijk gemeten waarden zijn direct gerelateerd aan de meetpunten en geven dus een hoge nauwkeurigheid.

-46- van de 107


Het monitoren is nu op een beperkt aantal plaatsen toegepast, waardoor voor veel baanvakken de meetgegevens moeten worden afgeleid uit de gemeten waarden. De afgeleide meetgegevens zoals het aantal gepasseerde tonnages en het aantal assen zijn hierdoor niet altijd even nauwkeurig. Er kunnen op het tracé tussen de meetpunten en de geanalyseerde wissels veranderingen zijn opgetreden in bijvoorbeeld het aantal treinstellen, waardoor de afgeleide meetgegevens dan niet meer kloppen. De monitorgegevens van het aantal tonnages en het aantal aslasten zijn hierdoor voor dit wisselcomplex minder betrouwbaar. De beschikbare gegevens zijn daarnaast bekend voor een periode van slechts één jaar. Dit is een goed uitgangspunt voor het in beeld brengen van de belasting op de spoorbaan, maar voor een betrouwbaar beeld zijn veel meer, nauwkeurig vastgelegde meetgegevens over een voldoende lange periode noodzakelijk. De gegevens worden daarom alleen als indicatie aangehouden. Tabel 4.4 laat de gemeten Quo Vadis waarden zien van het bekeken wisselcomplex over heel 2004. Wisselnummer 1 2 3 4 5 6

Aantal omleggingen 27.320 (75 p.d.) 37.637 (103 p.d.) 37.637 (103 p.d.) 26.709 (73 p.d.) 1.555 (4 p.d.) 1.555 (4 p.d.)

Totaal aantal treinen 36.320 (100 p.d.) 35.196 (97 p.d.) 36.820 (101 p.d.) 36.820 (101 p.d.) 14.634 (40 p.d.) 13.936 (38 p.d.)

tabel 4.4 Gemiddelde meetresultaten per wissel per jaar

Totaal tonnages

Totaal assen

11.316.186 11.019.377 10.932.743 10.932.731 3.435.549 3.745.321

894.198 864.480 878.286 878.286 287.178 291.426

(per dag)

Deze waarden zijn lager dan het aantal aangegeven treinen in tabellen 4.1 en 4.2, omdat niet elk treinstel over elk wissel rijdt. Het wissel wordt in de gewenste positie gelegd wanneer de trein in het baanvak komt. Het wissel dat verder wordt uitgewerkt in dit onderzoek, betreft het symmetrisch wissel 4. Dit wissel wordt nader bekeken in de volgende paragraaf.

4.4 Analyse symmetrisch wissel 4 Het wissel dat specifiek wordt bekeken is een symmetrisch op houten dwarsliggers. [zie figuur 4.5] Het symmetrisch wissel verschilt met het gewone wissel in dat er twee afbuigende sporen zijn, terwijl het gewone wissel een afbuigend spoor heeft en een recht doorgaand spoor. De hoek die wordt aangegeven bij een symmetrisch wissel zit tussen het afbuigende sporen en bij het gewone wissel tussen de rechte spoorstaaf en de afbuigende spoorstaaf. Dit betekent dat de hoek per afbuigend spoor bij het symmetrisch wissel half zo groot is als bij het gewone wissel en de boogstraal van het symmetrisch wissel is daarom twee keer groter. Dit heeft effect op de toegestane snelheid om het wissel te rijden, die is groter bij het symmetrisch wissel dan bij een gewoon wissel met dezelfde hoek. Het symmetrisch wissel mag met 100 km/uur worden bereden terwijl het gewone wissel 1:15 op het afbuigende spoor met maximaal 80 km/uur mag worden bereden.

-47- van de 107


De belangrijkste onderdelen van een symmetrisch wissel zijn -functioneel gezien- twee tussenspoorstaven, de twee halve tongbewegingen en het puntstuk. Deze en andere onderdelen zijn in het onderstaande figuur weergegeven.

figuur 4.5 Schets symmetrisch wissel op houten dwarsliggers

De functies van het symmetrisch wissel zijn het kruisen van het rechtdoorgaande spoor en het afbuigende spoor en het inpassen van de kruising in de boog van het tracé. De ligging van het wisselcomplex in een boog maakt dat er voor dit wisselcomplex geen standaard oplossing is. Het tweede wissel voor de kruising kan met de boog worden meegebogen maar dat geeft én een afwijking van het standaard wissel naar een unicaat wissel én de extra buiging in het wissel geeft meer kans op knikken waardoor het rijcomfort afneemt. Het uitvoeren van een gebogen wissel is hierom met klem niet gewenst. Het symmetrisch wissel komt met de toegepaste boogstralen beter in de buurt van de boogstraal in het wisselcomplex en kan zonder extra maatregelen als standaard wissel worden toegepast. De benodigde ruimte voor het wisselcomplex blijft hierdoor beperkt.

4.4.1

Huidige staat van wissel 4

Het huidige wisselcomplex is een ontwerp uit ongeveer 1965. De meeste onderdelen van het wissel zijn in de tussentijd al (meer dan) eenmaal één op één vervangen. Het ontwerp van het wissel is daardoor gelijk gebleven. Het wissel 4 is ontworpen in een overgangsboog met opbouwende verkanting. Dit is noodzakelijk door de beperkte ruimte in de boog, maar wordt in bestaande ontwerpvoorschriften met klem afgeraden. Het alignement van wissel 4 is voor één treinpad aangegeven in het onderstaande figuur.

D=100 mm 1:1000 overgangshelling 100 m

6 5 3

Symmetrisch wissel 1:15

4

2

1 Overgangsboog, 50 m km. 0.550

Boog R = 542 m, 181 m km. 0.600

figuur 4.6 Alignement wissel 4

Het is door de opbouw van de verkanting alleen mogelijk dit wissel op houten wisselliggers uit te voeren waarbij de inbouwhelling wordt in gevreesd. Dit is niet mogelijk bij betonnen wisselliggers.

-48- van de 107


Het wisselcomplex blijkt meer onderhoud nodig te hebben dan een gemiddeld wissel. De reden van deze grotere hoeveelheid onderhoud kan op basis van het ontwerp van het wisselcomplex mogelijk worden verklaard door de ligging van wissel 3 en het dicht op elkaar liggen van de verschillende wissels. Wissel 3 wordt in de rechtdoorgaande richting krom bereden, waardoor er lagere snelheid wordt toegestaan en er tijdens het passeren van het wissel in die richting zijdelingse krachten optreden. Het wissel 4 ligt tegen wissel 3 aan waardoor het onrustige rijgedrag extra wordt versterkt door het ontbreken van de dempingszone. Het kan daarom voordeel geven het wisselcomplex anders samen te stellen. Het slijtagepatroon van het wisselcomplex en de bijbehorende risico’s spelen een rol bij deze afweging.

4.4.2

Onderhoudstrategie wissel 4 Vrijwel alle wissels in Nederland worden met inspecties en schouwen gecontroleerd om te zien of de huidige staat nog voldoet aan de vereiste condities. Inspecties zijn anders dan het schouwen, schouwen gebeurt wekelijks vanuit veiligheid en berijdbaarheid en duurt enkele minuten per wissel. Deze activiteit wordt niet als aantasting van de Availability gezien, doordat deze activiteit korter duurt dan de grenswaarde van 3 minuten. Inspectie gebeurt gemiddeld 1,5 keer per jaar, om en om één keer primair voor slijpen en oplassen (kort) en één keer voor volledige inspectie eventueel met slijpen/oplassen. De inspectie betreft ook de activiteiten als het vastzetten van losse bouten, slijtage meting met digitale mallen(handmatig), vastliggen wissel e.d.. Dit gebeurt tijdens een treinvrije periode van ca. 2,5 manuren in 0,75-1 uur,

figuur 4.7 Huidige staat wissel bekeken vanaf achterkant

Het geanalyseerde wisselcomplex wordt vaker dan het gemiddelde wissel geïnspecteerd, namelijk 2 à 3 keer per jaar. De inspecties worden altijd in de nachtelijke uren uitgevoerd in

een gereserveerde treinvrije periode. Het wissel krijgt daarnaast middellange termijn onderhoud, wat hoofdzakelijk het bijwerken van de ligging van het wisselcomplex betreft. Het middellange termijn onderhoud wordt elke twee jaar gedurende een hele nacht uitgevoerd. De belangrijkste onderhoud aandachtspunten zijn dus enerzijds de ligging van de constructie (samenhang constructie als vast, stevig geheel met het accent op wisselliggers en ballast en anderzijds het ijzerwaar van de wisselconstructie. Het ijzerwaar is een verrekenbare post en onderhoud aan de geometrie van het wissel is een niet-verrekenbare post. Alle onderhoudactiviteiten zijn geclusterd in de 2 à 3 inspecties per jaar en het middellange termijn onderhoud om het jaar. Voor het groot onderhoud zijn er sinds de aanleg van het wisselcomplex al diverse vernieuwingsmaatregelen uitgevoerd. Het geconstrueerde puntstuk in het symmetrisch wissel 4 is in 2001 één op één vervangen. De tongbeweging in het wissel 4 is in 2003 één op één vervangen. De lijn is dat het vervangen van wisselonderdelen 2,5 tot 3 keer vaker gebeurt dan bij een gemiddeld wissel nodig is. De gemiddelde levensduur van een tongbeweging is 10 jaar waarbij de tussenspoorstaven ook worden vernieuwd. De tongbeweging in wissel 4 heeft volgens verwachting een levensduur van 3-4 jaar. Het puntstuk heeft de gemiddelde levensduur van 15 jaar en bij wissel 4 is het 5-6 jaar. Het verrichten van deze vernieuwingswerkzaamheden is in een nachtelijke treinvrije periode van 8 uur uit te voeren. Deze periodieke onderhoudswerkzaamheden zijn een deel van het geplande onderhoud, het andere deel is het preventieve onderhoud dat wordt uitgevoerd wanneer het POSS monitorsysteem (het Preventief Onderhoud- en Storingsdiagnosesysteem Strukton) een kritische waarde nadert. POSS is een monitorsysteem om de railinfraobjecten en treinbewegingen continu waar te nemen om zo alle -49- van de 107


afwijkingen van de normwaarden tijdig te signaleren. Het systeem is sinds april 2002 bij steeds meer wisselsystemen geïnstalleerd.

-50- van de 107


De monitorgegevens worden gebruikt voor toestandafhankelijk onderhoud. Er wordt een reparatieteam naar het wissel gestuurd wanneer de normwaarde met een zeker percentage wordt overschreden. De wissels waar het POSS monitorsysteem is geïnstalleerd, geven duidelijk minder storingen dan de wissels waar geen monitorsysteem is toegepast. [42] Er zijn echter geen gegevens bekend van de aantal en duur van deze acute, preventieve onderhoudsactiviteiten. Dit wordt daarom als aangehouden op een gemiddelde, geschatte waarde van 15 preventieve onderhoudsactiviteiten voor de wisselconstructie met de gemiddelde duur van half uur. Het overzicht van de verschillende vormen gepland onderhoud voor de wisselconstructie zijn aangegeven in de onderstaande tabel.

Onderdeel

Duur onderhoud 0,75-1 8

Frequentie per jaar specifiek wissel 4 2-3 0,5

Frequentie per jaar generiek wissel 1,5 0,33

8 8 ≈ 0,5

0,33-0,25 0,2-0,17 ≈ 15

0,1 0,07 ≈ 10

[uur]

Inspectie Geometrie wissel Wisselonderdelen vervangen Tongbeweging + tussenspoorstaaf Puntstuk

Preventief onderhoud

tabel 4.5 Aantal en gemiddelde duur gepland onderhoud wissel 4 per jaar

4.4.3

Optredende storingen en oorzaken

De optredende storingen worden onderverdeeld naar oorzaken vanuit bedieningssysteem, wisselconstructie/stabilisatieconstructie en wisselverwarming. De optredende storingen worden voor het gehele wisselsysteem bekeken om een goede indruk te geven van de verdeling van de storingen over de verschillende (deel)systemen. De onderstaande tabel geeft aan hoe de verdeling is van de het aantal optredende storingen per deelsysteem, waarbij specifiek wordt gekeken naar het geanalyseerde wissel 4 over de periode 2002 –2004 en naar een ‘gemiddeld wissel’ voor de verdeling over alle wissels over 2003 als referentie. [zie bijlage III.8 Algemeen beeld storingen] [40] Onderdeel

Wissel 4 [%]

Gemiddeld wissel [%] (gemiddelde verdeling Nederland)

Bedieningssysteem Wisselconstructie/stabilisatieconstructie Wisselmotor Wisselverwarming

75 20 5 0

60,5 37,0 1,4 1,1

tabel 4.6 Verdeling wisselstoringen per deelsysteem

Het procentuele verschil van meer storing in het bedieningssysteem is mogelijkerwijs te verklaren door het toegepaste EBI-switch bedieningssysteem met een hoger dan gemiddeld aantal storingen in het goed afgesteld staan van de wisselsteller. Het afstellen van de wisselsteller is in het algemeen meer storingsgevoelig door de moeilijkheid in het exact afstellen. Het afstellen van de wissel is een nauwgezet karwei, waarbij veel fouten optreden omdat er geen eenduidige positionering is. Het overzicht van het aantal optredende storingen aan wissel 4 is aangegeven in tabel 4.6. De storingen worden hier onderverdeeld in die van het bedieningssysteem, de motor en de wisselconstructie. Het gaat om de gemiddelde duur van de storing waardoor het systeem buiten gebruik is en het aantal keer dat de storing is opgetreden. De storingsduur wordt gerekend tussen het moment van het signaleren en het weer opleveren van het herstelde systeem. Dit is om een totaalbeeld te geven van de optredende storingen.

-51- van de 107


Onderdeel

Aantal storingen

Bedieningssysteem Wisselconstructie Wisselmotor

5 1,33 0,33

Gemiddelde duur storing [uur] 1,4 1,3 2,6

Geprognosticeerde gemiddelde duur [uur] 1,6 1,6 2,4

tabel 4.7 Aantal en gemiddelde duur storingen wissel 4 per jaar

De meest optredende storing van het bedieningssysteem is het uit controle lopen van de wisselsteller. De wisselconstructie heeft met name de storing van braamvorming op de tongbeweging waardoor het wissel uit controle raakt. De storing van het wisselmotor is het defect aan de motor zelf. De storingsresultaten in tabellen zijn omgerekend naar de gegevens van de periode van 1 jaar. Het verdient zeker de voorkeur voor betrouwbaar resultaat om de gegevens van een langere periode te analyseren. De praktijkervaring over langere duur is wel dat het uit controle lopen van de wisselsteller en de braamvorming de meest voorkomende storingsoorzaken zijn. De storingen die optreden in de wisselconstructie worden apart uitgewerkt om een beeld te geven van de meest optredende storingen die mogelijk tijdens de ontwerpfase zijn te beïnvloeden. De genoemde storingen zijn alle storingen die gedurende de periode 2002 tot en met 2004 zijn opgetreden waardoor het wissel buiten gebruik is geraakt. Storingen wisselconstructie Braam tussen tong (2x) Braam op glijstoel waardoor tong uit controle Dik folie in tongbeweging

Gem. duur storing [uur] 1,27 1,37 1,3

Gem. geprog. Duur [uur] 1,7 1,75 1,3

Oorzaak Endogeen Endogeen Extern

tabel 4.8 Storingen in wisselconstructie van wissel 4 over drie jaar

4.4.4

Conclusie bestaande situatie wissel 4

De analyse van het symmetrisch wissel 4 geeft een overzicht van de meest optredende storingen in het hele systeem en specifiek voor de wisselconstructie en stabilisatieconstructie. De gevonden waarden zijn door de beperkte beschikbare gegevens echter een indicatie van de bestaande situatie. Uit de wissel analyse blijkt dat de storingen in praktijk meestal optreden door de geleidelijke achteruitgang van de conditie van het wissel en slechts in zeer kleine mate door plotseling optreden zonder meetbare oorzaak. Een monitorsysteem zoals POSS blijkt een goed systeem om tijdig vast te stellen wanneer een kans op storing significant groot wordt, waardoor het noodzakelijk wordt om gepland onderhoud uit te voeren. Het wissel 4 geeft volgens ervaring circa 2 keer meer (kans op) correctief en/of preventief onderhoud dan een gemiddeld wissel. De oorzaken van de hogere onderhoudsfrequentie worden toegewezen aan het dicht op elkaar liggen van de wissels en de ongunstige plaats van de afbuigende richtingen in de wissels. Wissel 3 heeft het afbuigende been in de rechtdoorgaande richting. De andere wissels liggen met het afbuigende been in de afbuigende richting wat de dominante richting is. De afbuigende benen van de wissels worden in de huidige situatie van het wisselcomplex dus extra en ongunstig belast. De overloopwissels liggen dicht tegen wissel 4 aan. Het onrustige rijgedrag dat ontstaat tijdens het doorlopen van de wissels wordt uitgedempt op de overloopwissels waardoor op wissel 5 grotere horizontale slijtage is opgetreden. Dit is ongunstig doordat het wissel om die reden extra onderhouden moet worden wat kostbaarder is dan het vervangen of onderhouden van een spoorstaaf wanneer de overloopwissels verderop zouden liggen.

-52- van de 107


4.5 RAM(S) Analyse wissel De RAM(S) waarden van het wissel kunnen worden bepaald met de eerder opgestelde RAM formules en op basis van deze onderhoudsgegevens. Het gaat hierbij om reeds bekende storingsgegevens dus wordt λfunc(T) gelijk aan gesteld 1. Voor de RAM(S) waarden wordt alleen gekeken naar de gegevens van de wisselconstructie omdat daarop kan worden aangestuurd in het ontwerp door de groep Baan&Spoorwegbouw. Het faalmechanisme van een dik stuk plastic in de tongbeweging is een faalmechanisme dat niet binnen de specificaties van het wissel valt en wordt daarom niet meegenomen.

4.5.1

RAM(S) waarden van bestaande wissel

De periode die wordt bekeken, betreft een tijdsbestek van 1 jaar. Er wordt vanuit gegaan dat het aantal treinen gedurende een langere periode constant is. Het wisselcomplex en het baanvak hebben een exploitatietijd van 24 uur en er is dus geen stand-by tijd voor gepland onderhoud. Het aantal wissel omleggingen en het aantal gepasseerde treinen zijn 73 omleggingen per dag voor 101 treinen volgens de meetgegevens van Quo Vadis uit tabel 4.4. Gelet op het gegeven dat er over de afbuigende richting van het wisselcomplex meer treinen passeren, maakt het aannemelijk dat er meer treinpassages zijn dan het aantal omleggingen. Het wissel hoeft niet voor elke treinpassage te worden omgelegd. Het aantal treinen dat het symmetrisch wissel passeert volgens de gegevens in tabel 4.1 en 4.2, geeft een dagelijks gemiddelde van minstens 94,7. De gegevens van Quo Vadis kunnen dus worden gebruikt voor het berekenen van de RAM waarden. De Reliability van het wissel wordt bepaald door het aantal gefaalde omleggingen. De verkregen Availability waarde is daarentegen interessant voor het aantal gefaalde treinen. Het gemiddelde interval Igem wordt berekend door te kijken hoeveel tijd van de exploitatieperiode tussen twee treinbeweging zit, ongeacht de rijrichting.

I gem =

24 = 0,33 wat overeenkomt met 19 minuten tussen twee omleggingen. 73

De RAM waarden kunnen nu worden bepaald.

RAM waarden

Wissel 4

Gemiddeld wissel

0,9998 0,996

1 0,997

Inspectie Geometrie wissel Vervangen wisselonderdelen

0,9998 0,9990

0,9998 0,9993

Tongbeweging + tussenspoorstaaf -

0,9990 0,9990 0,9999 0,996

0,9990 0,9990 0,9999 0,997

Reliability Maintainability

Σ Gepland onderhoud

Puntstuk -

Preventief onderhoud Availability

tabel 4.9 RAM waarden van wissel 4 over de periode van één jaar

Het is belangrijk voor de nauwkeurigheid van de eindwaarden dat de tussenresultaten met voldoende cijfers achter de komma worden genoteerd. De Reliability van een gemiddeld wissel kan worden aangenomen op 1 omdat uit analyse van het aantal wisselstoringen blijkt dat wissel 4 een boven gemiddeld aantal storingen heeft. De Maintainability versterkingsfactor γM is gelijk aan 0,8125 omdat het verwijderen van de braamvorming sneller is uitgevoerd dan volgens de geprognosticeerde duur wordt verwacht. [zie tabel 4.8] -53- van de 107


De betekenis van de gevonden waarden wordt in tabel 4.10 vertaald in de hoeveelheid gefaalde wisselomleggingen, onderhoudstijd en de totale niet beschikbare exploitatietijd.

Aantal gefaalde omleggingen Aantal gefaalde treindiensten Aantal uren herstel werkzaamheden Aantal uren gepland onderhoud Aantal uren niet gebruikte exploitatie tijd Aantal niet plaatsgevonden omleggingen Aantal niet plaatsgevonden treinen

RAM waarden

Wissel 4

RAM waarden R≈1 R≈1

Gemiddeld wissel

R = 0,9998 R = 0,9998 M = 0,996 A = 0,996

4 7 1,73 28,9 30,6

M = 0,997 A = 0,997

0 0 0 26,3 26,3

A = 0,996

107

A = 0,997

80

A = 0,996

147

A = 0,997

110

tabel 4.10 Betekenis gevonden RAM waarden van wissel 4 over de periode van één jaar

4.5.2

Eerste validatie RAM(S) waarden

De validatie is bedoeld om te kijken of de gevonden resultaten overeenkomen met de situatie zoals het in werkelijkheid is geweest gedurende de geanalyseerde periode. Het valideren van de resultaten is voor de eerste stap uitgevoerd met gegevens die een indicatie zijn van de situatie in werkelijkheid door de beperkte beschikbaarheid van betrouwbare gegevens. De hoge waarde van de Reliability komt overeen met de geconstateerde beperkte gevoeligheid van de wisselconstructie voor het onverwacht optreden van een faalmechanisme. De hoge waarde is ook toe te wijzen aan het effect van het toegepaste POSS systeem waardoor de storingen voortijdig worden gesignaleerd. Het aantal niet plaatsgevonden omleggingen wordt hoofdzakelijk veroorzaakt door de onderhoudswerkzaamheden die tijdens de exploitatieperiode plaatsvinden. Het expliciet definiëren van een stand-by periode zou vrijwel allemaal waarden gelijk aan 1 geven. Het is interessant voor de levensloopkosten om te kijken naar de RAMS-LCC waarden van een nieuw ontwerp en deze te vergelijken met de bestaande situatie. De aangegeven grotere frequentie correctief en preventief onderhoud komt niet naar voren in de gevonden waarden van de Availability en Maintainability. Het verschil in het aantal niet plaatsgevonden omleggingen en treindiensten tussen wissel 4 en het gemiddelde wissel is lager dan de verwachte factor 2. Het verdient de aanbeveling om de validatie uit te voeren met nauwkeurigere registratiegegevens om beter te kunnen weergeven hoe de prestaties van dit wisselcomplex zijn in vergelijking met de gemiddelde situatie. Er is momenteel geen registratiemethode waarop is bijgehouden hoeveel keren het wissel niet is omgelegd wat volgens de treindienstregeling wel zou hebben plaatsgevonden. Het valideren geeft goede resultaten wanneer de RAM waarden kunnen worden vergeleken met het aantal gefaalde wisselomleggingen uit praktijksituatie waarbij de formules kunnen worden verfijnd met de juiste getallen en factoren. Het is ook gewenst meer inzicht te krijgen in de exacte duur van het uitgevoerde preventieve, periodieke en/of correctieve onderhoud aan zowel het wissel 4 als aan het gemiddelde wissel. Gekeken naar de gevonden waarde voor de Reliability, Availability en Maintainability komen deze overeen met de verwachte waarden voor één wissel. De verwachte resultaten liggen dicht bij de bovengrens van het bereik van 0,99-1 dat bij de verificatie is vastgesteld. Verder blijkt bij deze validatie dat het bepalen van de RAM waarden op basis van gegevens uit het verleden minder inzicht geeft op de oorzaak van deze waarden. Is het wissel zelf de oorzaak van storingen of is het de onderhoudsstrategie? Het wordt ook minder transparant wat de goede verbeterpunten kunnen zijn voor een nieuw te ontwerpen wissel.

-54- van de 107


De RAM(S) waarden van het wissel zullen tijdens de ontwerpfase meer van voorspellende aard zijn, om bewust te kunnen anticiperen op de mogelijke risico’s. De kans λfunc(T) speelt hierbij een belangrijke rol.

-55- van de 107


De vragen die bij het RAMS Management van het wissel naar voren zullen komen, zijn vragen als: - Wat zijn de te garanderen RAM(S) waarden vanuit het toegepaste type wissel? - Wat geven de wisselgeometrie en het ontwerp van het wisselcomplex voor RAM(S) waarden? - Hoe beïnvloedt het berijden van het wissel de RAM(S) waarden? - Welke invloed hebben de gebruikte voertuigen? - Welke rol spelen de aanleg en het toegepaste onderhoudstrategie op de RAM(S) waarden? De kwalitatieve opzet voor het voorspellende karakter van de RAM waarden zal aan de hand van deze vragen in hoofdstuk 5 worden uitgewerkt. De analyse van het wissel 4 geeft een beeld van de mogelijke risico’s van het wissel. De braamvorming blijkt het enige mechanisme te zijn dat kan leiden tot het optreden van een acute storing. De achteruitgang van het wissel blijkt maatgevend te zijn voor de te verwachten prestaties en levensduur van een wissel. Er wordt daarom nu specifieker gekeken naar de aspecten in een wissel die de gewenste functionaliteit negatief kunnen beïnvloeden door de (te snelle) achteruitgang.

4.6 Top tien verbeterpunten wissel ontwerp Het in kaart brengen van de meest potentiële faalmechanismen van een wissel is een belangrijk onderdeel om gericht te kunnen sturen op de gewenste functionaliteit en het realiseren van een betrouwbaar, veilig en onderhoudsarm wissel. De resultaten worden opgesteld in een top tien van verbeterpunten welke tijdens het ontwerpen worden meegenomen. De top tien zal veranderen wanneer bepaalde faalmechanismen zijn weggenomen. Het bijstellen van de verbeter top tien gebeurt net zo lang totdat de overblijvende ‘risico’s’ aanvaardbaar zijn. Er wordt geen rekening gehouden met storingen die worden veroorzaakt door het nalaten van onderhoud, maar dat het onderhoud is uitgevoerd met de benodigde frequenties om het falen te voorkomen. Het beleid in Nederland is om de spoorbaan in goede staat te houden en het voorkomen van de veiligheidsaantastende afwijkingen in het wissel. Het onderhoud voor de achteruitgang die de veiligheid niet aantast, kan wel worden uitgesteld wanneer bijvoorbeeld wordt gekozen voor storingsafhankelijk onderhoud vanuit economisch oogpunt. De tien grootste verbeterpunten zijn bepaald aan de hand van interviews, literatuuronderzoek en reeds uitgevoerde onderzoeken. De hiervoor uitgevoerde risicoanalyse is stapsgewijs uitgewerkt volgens het FMECA model [3] in bijlage III in combinatie met het analyseren van faalstatistieken. De gevonden verbeter top tien wordt in het volgende figuur aangegeven. Top tien verbeterpunten wisselontwerp Te beheersen afwijkingen 1 Tong slijtage horizontaal (eerste 1,5 meter) 2 Tong braamvorming (eerste 1,5 meter) 3 Tong (verhoogd) slijtage verticaal 4 Verhoogde slijtage spoor algemeen (met name tussenspoorstaaf in boog) 5 Slijtage aanslagspoorstaaf 6 Ballast onvoldoende ondersteunend 7 Wisselliggers onvoldoende ondersteunend 8 Bouten gebroken/losliggend 9 Naald puntstuk slijtage, scheuren en vervormen 10 Extra tijd voor stoppen bij bedieningsstangen, wisselliggers achter puntstuk

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,48 0,43

2

0,86 0,34

3

0,68 0,32

4

0,64 0,29

5

0,58 0,26

6

0,52 0,25

7

0,5 0,22

8

0,44 0,19

9 10

1

0,74

0,38 0,07 0,14

tabel 4.11 Verbeter top tien wissel (intensief bereden wissel)

De risico’s zijn geordend naar indicatie van de frequentie van het optreden en de gevolgen van het optreden. De frequentie is om aan te geven hoe vaak per jaar een onderhoudsactiviteit en/of inspectie nodig is voor het bekeken onderdeel. Bij de gevolgen wordt gekeken naar hoeveel uren exploitatietijd van één dag verloren zullen zijn door het nodig zijn van onderhoud.

-56- van de 107


Het risico wordt bepaald door de frequentie van het onderhoud te vermenigvuldigen met de impact van het onderhoud op de exploitatieperiode om het verschil zichtbaar te maken tussen hoe vaak iets nodig is en hoeveel tijd het dan gaat kosten. De waarden van de frequentie, gevolg en het risico van de horizontale tongslijtage zijn in de bijlage III als voorbeeld uitgewerkt. De lichtgrijs gearceerde staven zijn de risico’s van een gemiddeld wissel en de donkergrijs gearceerde risico’s zijn de risico’s van wissel 4. De ordening is voor beide wissels hetzelfde, maar de risico’s voor het geanalyseerde wissel zijn aangehouden op een factor twee groter. De gevonden waarden zijn door de beperkte beschikbare waarden een indicatie, het verdient dus zeker de aanbeveling dit nader uit te werken met nauwkeurigere gegevens.

4.7 Aandachtspunten en adviezen voor het nieuwe ontwerp De ontwerpfase is de belangrijkste fase voor het maken van bewuste afwegingen die de Reliability, Availability en Maintainability beïnvloeden. Er worden veel keuzen gemaakt die de RAM(S) waarden veranderen. Er is tijdens deze fase nog relatief veel keuzemogelijkheid om goed te kunnen aansturen deze aspecten, wat bepalend is voor de levensloop kosten, de exploitatie en het verdere onderhoud. De RAM(S) waarden van de beslissingen tijdens de ontwerpfasen geven ook handvatten voor optimalisatie van het ontwerp. Er zijn tijdens de analyse van het wissel al enkele punten naar voren gekomen, die de RAM waarden van het wissel negatief beïnvloeden. In opvolging van de gevonden tien verbeterpunten en de verdere conclusies bij het analyseren van het wissel worden enkele adviezen en aandachtpunten genoemd voor het ontwerpen van een nieuw wissel. De optredende (verhoogde) slijtage aan wissels blijkt de grootste verbetermogelijkheden te geven. De grootste slijtage treedt op door het onregelmatig belasten van het wissel, veroorzaakt door stootkrachten van de wielen tegen de spoorstaven. De stoten treden hoofdzakelijk op door (plotselinge) richtingverandering bij discontinuïteiten in het wissel. E

De horizontale slijtage aan het begin van de tongbeweging kan zowel worden beperkt door het juiste ontwerp van de wisselgeometrie als met het juiste ontwerp van een wisselcomplex. De geometrie is bepalend voor de discontinuïteiten in het wissel met name bij de overgang van rechtstand naar de afbuigende richting. Er zit door het spoorspel een speling van circa 4,5 mm tussen het wiel en de spoorstaaf, waardoor altijd een stoot optreedt op de plaats waar het wiel onder een aanloophoek van 1:125 de tong raakt. Deze stootbelasting kan worden beperkt door het toepassen van een overgangsboog waardoor het wiel geleidelijker de boog inloopt. Tijdens het gebruik van het wissel is het voorkomen van schiftslag in de dwarsliggers van belang om de horizontale krachten te beperken. Het ontwerp van het wisselcomplex heeft invloed op de wijze waarop een treinstel een wissel inloopt. Indien het wissel vlak achter een ander wissel ligt, zal het treinstel het wissel onrustig inrijden wat door de discontinuïteiten nog extra wordt versterkt. Het hanteren van de dempingszone (1 seconderegel) zorgt voor het rustig aanrijden op het wissel.

E

De braamvorming kan worden beheerst door het preventief slijpen van de plaatsen die gevoelige zijn voor braamvorming. Het wordt door de wisselleverancier geadviseerd om het slijpen direct na de eerste maand uit te voeren wanneer het wissel is geplaatst. Het initiële profiel van de spoorstaafkoppen is afgestemd op de vorm van het versleten wielbandprofiel voor een goed éénpuntscontact. Het spoorstaafprofiel zal echter altijd nog iets worden bijgevormd door het werkelijk plaatsgevonden wiel-railcontact. Het direct slijpen van de tong en het puntstuk bij het ontstaan van de eerste bramen na circa een maand gebruik, geeft de beste duurzaamheid van het wissel. Het is slijpen van de tong en het puntstuk zullen na gemiddeld na één jaar gebruik nogmaals moeten worden uitgevoerd voor het verkrijgen van een goede duurzaamheid. De planning voor vervolg slijpbeurten is afhankelijk van het gebruik en onderhoud van het wissel. De mogelijkheid om de braamvorming te sturen tijdens het ontwerpen ligt vooral in de materiaalkeuze, de keuze voor het profiel van de railkop en het onderhoud advies.

-57- van de 107


E

De verhoogde verticale slijtage op het uiteinde van de tong is sterk gerelateerd aan de optredende horizontale slijtage waardoor het profiel van de tong verandert. De slijtage op de aanslagspoorstaaf speelt hierbij een belangrijke rol voor het bepalen van het moment waarop de tong gaat dragen. Het te vroeg dragen van de tong geeft een hoge piekbelasting door het kleine contactoppervlak aan het begin van de tong. Het optreden van horizontale verschuiving van het wiel over de railkop door de optredende krachten bij een discontinuïteit zijn van invloed op de optredende (versnelde) verticale slijtage. Het gericht sturen op het beperken van de verticale slijtage kan worden verkregen door een goede geometrie waardoor de trein rustig het wissel binnenrijdt, de juiste materiaalkeuzen voor voldoende slijtageweerstand en het optimaliseren van het spoorstaafprofiel.

E

De slijtage op de overige wisseldelen kan worden beperkt door de juiste keuzen voor de wisselgeometrie zoals het toepassen van een overgangsboog, het toepassen van verkanting(opbouw) en/of het toepassen van een ruime boogstraal. De optredende horizontale, middelpuntvliedende krachten worden hiermee gecompenseerd waardoor het verkantingstekort wordt beperkt. Het verkantingstekort is een belangrijke oorzaak voor het optreden van horizontale slijtage door flenscontact op het bovenbeen. De door OVS voorgeschreven beperkte toepassing van overgangsbogen en verkanting in wissels wijkt hier wel van af. Het toepassen van overgangsbogen en verkanting in wissels geeft echter door de huidige meetapparatuur niet meer extra werk bij aanleggen en onderhouden van de wissels. Het toepassen van verkanting in wissels is momenteel nog alleen mogelijk bij houten wisselliggers.

E

Het goed ondersteunen van de wisselconstructie door de stabilisatieconstructie –met name door de wisselliggers en het ballastbed- kan voornamelijk worden bepaald door het goed uitvoeren van de wisselaanleg. Dit kan in een onderhoudsadvies worden opgenomen. Het ontwerpen van wissels op betonnen wisselliggers of met ingegoten spoorstaven vereist tijdens het ontwerpen en aanleggen meer nauwkeurigheid, maar levert tijdens het gebruik een stabielere (onderhoudsarme) constructie.

E

Het toepassen van een beweegbaar puntstuk heeft het voordeel dat de ongeleide opening en de strijkregels niet meer nodig zijn. Dit is positief voor de optredende krachten op het puntstuk en de slijtage van de strijkregels. Het is wel belangrijk om voor een goede RAMS afweging de extra risico’s van de bedieningsapparatuur mee te wegen. Het beweegbaar puntstuk wordt nu hoofdzakelijk toegepast bij 1:34,7 wissels door de grote ongeleide opening.

E

Het vormen van haarscheuren in de wisselconstructie kan tijdens het gebruik worden beheerst met preventief slijpen. Dit kan worden aangegeven in een onderhoudsadvies. Tijdens het ontwerpen kan hierop worden gestuurd door de juiste geometrie, materiaal- en profielkeuzen.

E

Het moeilijk stoppen van het ballastbed ter plaatse van de tongbeweging kan worden beperkt door de tongrollen niet tussen de dwarsliggers aan te brengen maar te integreren in de glijstoelen. Het is hierdoor niet meer noodzakelijk deze te verwijderen tijdens het stoppen van het ballastbed. De nieuwe generatie wisselliggers geeft minder problemen bij stoppingwerkzaamheden ter plaatse van het bedieningssysteem door de toegepaste holle wisselligger waarin de aandrijfstangen en de controlestang van het bedieningsysteem zitten. De ruimte bij het puntstuk is wat groter bij het toepassen van betonnen wisselliggers, maar het blijft een moeilijk punt voor stoppingwerkzaamheden. Het toepassen van een betonnen onderbouwconstructie maakt het uitvoeren van de stoppingwerkzaamheden overbodig. De beslissing voor het toepassen van deze constructie wordt onder meer bepaald door de economische afweging van de levensloopkosten en de draagkracht van de ondergrond.

Deze punten gaan voornamelijk in op de genoemde tien verbeterpunten. Het is in het algemeen ook van belang om op te letten wat de exacte wisselspecificaties zijn en wat het effect is wanneer hiervan wordt afgeweken. Daarnaast is het belangrijk dat een wissel niet onnodig krom wordt bereden, is opgebouwd uit onderhoudsarme onderdelen en een goede opname capaciteit heeft voor de optredende dynamische belastingen.

-58- van de 107


Deze adviezen kunnen worden vertaald in bijbehorende RAM waarden zodat het mogelijk wordt het verschil te zien van de ontwerpkeuzen. De levensloopkosten zullen een belangrijke afwegingsfactor zijn voor het bepalen van de beste RAMS-LCC oplossing. Voor het vaststellen van de bijbehorende RAM waarden wordt eerst gekeken hoe kan worden voorspeld hoe sterk de achteruitgang van een zeker wisselontwerp zal plaatsvinden. Dit wordt in het volgende hoofdstuk uitgewerkt in een (kwalitatief) degradatiemodel van een wissel, bepaald door de gepasseerde tonnages.

-59- van de 107


5. Analyse degradatiemodel wissel Het degradatiemodel wordt opgesteld om aan te kunnen geven hoe de RAM waarden in de loop van de tijd veranderen door de achteruitgang in kwaliteit van het wissel. Het dient daarnaast om het inzicht te vergroten in de te verwachte levensduur van het wissel. De Reliability is in dit hoofdstuk de belangrijkste parameter om uit het degradatieverloop te kunnen aflezen. De Reliability en met name de factor λfunc(T) wordt niet alleen bepaald door punten als de gekozen wisselcomponenten, materiaaleigenschappen en de wisselgeometrie, maar ook door hoe het wissel wordt aangelegd en onderhouden en hoe het wordt bereden. Deze aspecten zijn elk van invloed op de kans van het optreden van braamvorming en/of versnelde slijtage. Het is daarom nodig om meer inzicht te krijgen hoe verschillende factoren van invloed zijn op de achteruitgang van een wissel en daardoor op de verandering van de Reliability na een bepaald aantal gepasseerde tonnages. Het is dan mogelijk om te zien hoe de stabiliteit van de Reliability is in de loop van het gebruik van het wissel. Het wordt dan ook mogelijk om gedurende de operationele fase bij afwijkende wissel prestaties te kunnen achterhalen wat de oorzaak ervan is. Voor het opstellen van een degradatiemodel is nader onderzoek gedaan naar de wiel-rail interactie en de invloed van de materiaaleigenschappen met behulp van soortgelijke onderzoeken in de railbouwsector. De slijtage en vermoeiingsprocessen van specifiek de wissels zijn tot op heden echter nauwelijks onderzocht en daarom is voornamelijk gekeken naar slijtage en vermoeiing in bogen met verkanting om een beeld te krijgen van de belangrijkste parameters. Referentie [20] heeft de conclusie: Het opstellen van slijtagemodellen blijkt in het algemeen óf zo simpel te zijn dat zij geen specifieke, voorspellende capaciteit hebben óf zo gecompliceerd te zijn met vele niet te bepalen aspecten dat het maar beperkte voorspellende capaciteit heeft. Het kan dan voordeel hebben vooral te werken met de specifieke modellen die voldoen aan de te onderzoeken situatie. Deze modellen dienen met zowel laboratorium onderzoek als met praktijkonderzoek te zijn bevestigd. Het is in dit onderzoek niet mogelijk geweest om een kwantitatief degradatie verloop van een wissel op te stellen. Er is een kwalitatief degradatiemodel (hypothese) opgesteld op basis van soortgelijke onderzoeken waarmee het na meer onderzoek mogelijk zou zijn om voorspellingen te doen van de Reliability waarden van een generiek wissel en de veranderingen door de specifieke toepassing in het spoorwegnetwerk en het gebruik. De belangrijkste parameters voor het degradatieproces zijn afgeleid uit gepubliceerde artikelen in het tijdschrift Wear, digitaal uitgegeven door Elsevier B.V. en artikelen van de 5e World Congres in Railway Research 2001. De conclusies vormen de uitgangspunten voor het opstellen van een kwalitatief degradatiemodel. [zie bijlage IV.1 Samenvatting publicaties]

5.1 Parameters degradatiemodel Het degradatiemodel wordt door meerdere invloedsfactoren bepaald; onder meer door de eigenschappen van het wissel, door de beweging van de voertuigen en in belangrijke mate door de geometrie. Deze invloedsfactoren bepalen de waarden van operatoren zoals de krachten en vervormingen die door het voertuig op het wissel worden uitgeoefend. De degradatie wordt bepaald door de operatoren volgens een nader te onderzoeken functie. Indien de degradatie van het wissel bekend is, kunnen tijdens de ontwerpfase en gedurende de exploitatiefase hieruit de Reliability en daarmee Availability waarden worden afgeleid.

-60- van de 107


De stappen voor de opbouw van het degradatiemodel, zijn aangegeven in figuur 5.1.

Generiek:

• • • • •

Wissel eigenschappen

Specifiek: Tracé

Input Baanvak aspecten

Voertuig aspecten

Aanleg en onderhoud

Invloedsfactoren

• • • • • • • • •

Hardheid railkop, H Oppervlakte ruwheid Slijtagemaat/-coëfficiënt Initiële scheurvorming Hertzian contactpunt oppervlak,A Aanloophoek wielen, γ Frictiecoëfficiënt, μ Wielcontact kracht, Q Tangentiële kracht, T Dynamische belasting Relatieve slipsnelheid Cumulatieve tonnage Temperatuur spoorstaaf Kruip en spin

Operatoren

Reliability 1,0

λfunc(T)

T

Degradatiemodel

figuur 5.1 Stapopbouw degradatiemodel

Het degradatiemodel wordt in dit hoofdstuk opgesteld om inzicht te geven hoe bepaalde beslissingen de R en A waarden van het wissel bepalen. De in figuur 5.1 aangegeven stappen worden in de volgende paragrafen toegelicht. De opzet van het degradatiemodel zal aan einde van dit hoofdstuk worden weergegeven.

5.2 Invloedsfactoren Er zijn meerdere partijen in de spoorwegsector betrokken die elk op hun eigen gebied invloed hebben op de R en A waarden en dus het degradatieverloop van het wissel. De beslissingen worden per partij op andere gronden genomen en daarom heeft het de voorkeur om de invloedsfactoren in categorieën onder te verdelen zoals is aangegeven in figuur 5.1. De hoofdinvloeden van waaruit de partijen hun beslissingen nemen, zijn bepalend voor de gekozen categorieën. Per fase van de levensloop wordt naar één of meer categorieën gekeken, terwijl de waarden van de andere categorieën als steady-state worden aangenomen. Het is bij veranderingen gedurende de levensloop, bijvoorbeeld toename van het aantal treinen, mogelijk om de R en A waarden vanuit die specifieke categorie bij te stellen. Het geeft inzicht hoe de beslissingen per partij de uiteindelijke R en A waarden beïnvloeden en wie verantwoordelijk is als de R en A waarden niet (meer) voldoen. De categorieën die worden aangehouden zijn: de wisseleigenschappen, het tracé, de baanvak aspecten, de voertuig aspecten en de aanleg en instandhouding van de wissels. Er wordt onderscheid gemaakt tussen de generieke invloedsfactoren die niet afhankelijk zijn waar het wissel wordt toegepast, dus de eigenschappen van het wissel zelf en de specifieke invloedsfactoren die wel worden bepaald door de plaats waar het wissel wordt toegepast en hoe het wordt gebruikt. De invloedsfactoren van deze categorieën zijn uitgewerkt in figuur 5.2 en worden in de volgende paragrafen nader toegelicht.

-61- van de 107


RAM Generiek

Invloedsfactoren:

1. Wissel eigenschappen: -

Specifieke wisselcomponenten: type tong, puntstuk, spoorstaven, spoorstaafbevestiging en wisselliggers. Spoorstaaf eigenschappen (inbouwhelling, staaleigenschappen, profiel) Risico top tien faalmechanismen

Sturende partijen: Wisselleverancier en groep B&SHolland Railconsult

RAM Specifiek

Invloedsfactoren: -

2. Tracé:

Lay-out wisselcomplex Horizontaal en verticaal alignement Boogstraal Overgangsbogen Verkanting Ondergrond locatie Onderhoudbaarheid

Sturende partij: groep B&SHolland Railconsult

3. Baanvakaspecten:

Symmetrisch wissel 1:15 op houten wisselliggers

-

Wisselcomplex

Baanvak snelheid Aantal en soort treinen (UIC fiche 700) Stand-by tijd

Sturende partij: Spoorbaan beheerder ProRail

4. Voertuig aspecten:

-

Jaartonnage Snelheid passage Aslasten (karakteristieke waarde 250 kN) Wielconiciteit Wieldiameter [D(ϕ) bij afgevlakte wielen] Veerstijfheden wielstel/rijtuig Dynamische coëfficiënt

Sturende partij: Vervoerder

5. Aanleg en instandhouding:-

Geïntegreerd model voertuig-bovenbouw [14]

Aanleg/installatie wisselcomplex (afwijking geometrie) Ondergrond na bewerking Onderhoud wissel (frequentie en kwaliteit) - Schiften - Stoppen - Slijpen

Sturende partij: Procesaannemer

figuur 5.2 Invloedsfactoren degradatie wissel, uitgewerkt in de hoofdcategorieën

5.2.1

Wisseleigenschappen

Het wissel heeft zekere RAM waarden onafhankelijk waar het wordt geplaatst en hoe het wordt bereden: de generieke RAM waarden. De generieke RAM waarden worden bepaald door de totale samenstelling van de wisselconstructie en de stabilisatieconstructie. De waarden zullen onder meer verschillen door het gekozen spoorstaafprofiel, het gebruikte puntstuk: een mangaanstalen puntstuk of een gelijmd, geconstrueerd puntstuk of door het gebruik van een veerklem bevestiging of klemplaten. De R en A waarden worden mede bepaald met de faalkansen van de componenten waaruit het wissel is opgebouwd waarbij wordt uitgegaan van de standaard aslasten, ontwerpsnelheid en zeer goede ondergrond.

-62- van de 107


Voor het geometrische ontwerp is de baanvaksnelheid van belang. Het toepassen van een wissel dat met een hogere snelheid dan de baanvaksnelheid kan worden bereden, is gunstig voor slijtage van het wissel en dat heeft positieve invloed op de RAM waarden. De eigenschappen van de gebruikte spoorstaven zullen mede beslissend zijn voor de R en A waarden. De toegepaste staalkwaliteit is tegenwoordig van hoge kwaliteit S900B en staalkwaliteit van de railkoppen wordt nog versterkt tot de sterkte van 1200-1350 N/mm2 om goede weerstand te bieden tegen de hoge wiellasten en rem- en optrekkrachten. De spoorstaaf wordt met een zekere helling (1:20 of 1:40) op de dwarsliggers bevestigd voor het verkrijgen van een goed 1-puntscontact. De vorm van de doorsnede van het railprofiel is van belang voor de mechanische reactie van de spoorstaven op de cyclische belasting. De spoorstaaf gerelateerde aspecten zijn van belang voor de interactie tussen het wiel en de spoorstaaf en het daardoor optreden van (versnelde) slijtage en vermoeiing. De opbouw van het wissel is uitgebreid bekeken in bijlage III, waaruit de tien meest storingsgevoelige onderdelen naar voren zijn gekomen. De punt van de tongbeweging, de aansluiting van de tongbeweging op de aanloopspoorstaaf en het puntstuk blijken de grootste faalkansen van het wissel te geven. Het is per component met bijbehorend faalmechanisme mogelijk een waarde te geven voor zowel de Reliability, Availability en Maintainability. De verschillende waarden kunnen samen met de bijbehorende kosten worden vergeleken, om een goede afweging te maken voor het toe te passen onderdeel. Een groot aantal alternatieven van de verschillende componenten waaruit de wisselconstructie en stabilisatieconstructie zijn opgebouwd, zijn nu vrijgegeven om te worden gebruikt bij het ontwerpen van een wissel. Er worden nog steeds nieuwe en/of verbeterde componenten gerealiseerd. Het wissel dat wordt ontworpen door de groep Baan-&Spoorwegbouw wordt soms op componentniveau uitgewerkt, maar meestal ligt het accent op het geometrische ontwerp van het wissel. De leverancier zorgt voor het gedetailleerd, productieontwerp. Het is per leverancier verschillend hoe het wissel wordt uitgevoerd. Het is in dit verslag niet de doelstelling een geheel overzicht te geven van alle mogelijke componenten met bijbehorende RAM waarden. De leverancier van het wissel bepaalt voor het grootste deel de RAM waarden van het wissel en de groep B&S van Holland Railconsult bepaalt de waarden vanuit het geometrische ontwerp.

5.2.2

Tracé

De plaats waar het wissel wordt gelegd in een spoorbaan en/of in een wisselcomplex heeft direct invloed op de degradatie van het wissel en daardoor op de R en A waarden. Een wissel dat vlak tegen andere wissels wordt gelegd, kan door onrustiger rijgedrag meer zijdelingse slijtage ondergaan dan een enkel uitgevoerd wissel. Dit komt door de beweging van het treinstel tijdens het passeren van een wissel, dat bij onvoldoende uitdemping extra krachten geeft in het volgende wissel. Het tegen elkaar aanleggen van wissels heeft ook invloed op de Maintainability. Het vervangen van een tongbeweging vereist een nieuwe lasverbinding. Indien de tongbeweging van het volgende wissel er koud tegenaan ligt betekent het vervangen van de ene tongbeweging ook het vervangen van de andere tongbeweging zelfs wanneer het technisch of economisch niet noodzakelijk is. De Maintainability heeft een echter indirecte relatie met de degradatie van het wissel en is meer van belang voor het goed kunnen naleven van het noodzakelijke onderhoud en voor het bepalen van de Reliability en Availability. De degradatie van een wissel is tijdens de ontwerpfase in belangrijke mate te beïnvloeden door te zorgen voor niet te krappe boogstralen en overgangsbogen behorend bij de ontwerpsnelheid. Het toepassen van minimale lengte voor overgangsbogen en constante, ruime boogstralen geeft een rustig rijgedrag en geen verhoogde slijtage. Het toepassen van verkanting maakt het mogelijk om bij kleiner uitgevoerde boogstralen de invloed van de middelpuntvliedende kracht te reduceren of weg te nemen. De theoretische verkanting compenseert de horizontale versnelling volledig. De voertuigen passeren de boog echter niet allemaal met dezelfde snelheid, goederentreinen hebben minder hoge snelheid, waardoor het meer niet gunstig is om de theoretische verkanting toe te passen. Het verschil tussen de theoretische verkanting, berekend uit de genoemde parameters en de werkelijk toegepaste verkanting levert een verkantingsoverschot of verkantingstekort. Meer verkanting dan nodig is, is het overschot en minder verkanting toegepast dan de ideale verkanting is het verkantingstekort. Het in een boog opstarten vanuit stilstand betekent altijd een verkantingsoverschot. Teveel verkanting levert -63- van de 107


verhoogde slijtage aan het benedenbeen. Te weinig verkanting levert extra horizontale slijtage aan het bovenbeen door het contact van de wielflens.

-64- van de 107


De ondergrond van de locatie heeft veel invloed op de geometrie van het wisselcomplex. Er zijn limieten opgesteld voor de maximaal toelaatbare zetting gedurende een zekere periode. Het is tijdens het ontwerpproces van belang om inzicht te hebben in het draagvermogen van de ondergrond en hiervoor dient voldoende onderzoek te worden gedaan. De bestaande toestand van de ondergrond en de mogelijke grondverbeteringen of bewerkingen hebben direct relatie met de op te treden degradatie van het wisselcomplex gedurende de verdere levensloop. Deze invloedsfactoren wisseleigenschappen en tracé worden bepaald tijdens de ontwerpfase en vormen daarmee het gebied waar de groep B&S van Holland Railconsult de RAM waarden van het wisselontwerp het beste kan beïnvloeden.

5.2.3

Baanvakaspecten

De specifieke aspecten van de baan waarin het wissel wordt geplaatst, geven zekere RAMS waarden. Het gaat bijvoorbeeld om de baanvak snelheid. De opgegeven baanvaksnelheid kan lager zijn dan de ontwerpsnelheid van een wissel, bijvoorbeeld een symmetrisch wissel kan met 100 km/uur worden bereden terwijl het wordt toegepast in een wisselemplacement met de snelheid van 80 km/uur. Het aantal en soort treinen dat het wissel zal berijden, valt onder de specifieke baanaspecten. Het soort treinen is van belang voor de aan te houden belastingklasse [UIC fiche 700]. Er wordt hierbij onderscheid gemaakt in het berijden door zowel goederentreinen als passagierstreinen (D4) of alleen passagierstreinen (C4). Het aantal treinen geeft het verwachte aantal standaard aslasten en maakt het verschil tussen een druk bereden spoorbaan en een minder druk bereden traject. Het degradatiemodel kan in het algemeen op basis van gepasseerd aantal standaard tonnages worden opgesteld. ProRail heeft de wissels in verschillende klassen onderverdeeld volgens de gepasseerde jaartonnages, waardoor het per klasse mogelijk is het degradatiemodel tegen de tijd uit te zetten. De spoorwegbeheerder, ProRail is de sturende partij die deze beslissingen neemt. Het vaststellen van een periode waarin geen treinen zullen rijden en dus geen beroepen op het wissel worden gedaan, wordt mede bepaald door ProRail. De duur van de stand-by tijd is van belang om het optimale onderhoud uit te kunnen voeren zodat er geen versnelde degradatie optreedt.

5.2.4

Voertuigaspecten

De vervoerders hebben met de eigenschappen van de gebruikte voertuigen en het berijden van de wissels, invloed op het degradatieproces van het wissel. De voertuigaspecten die hierbij een rol spelen zijn in belangrijke mate de werkelijke jaartonnages en de snelheid waarmee werkelijk wordt gereden. De baanvaksnelheid is discontinu in overgang, bijvoorbeeld 130 km/uur in het vrije baanvak en wordt 80 km/uur bij het wisselemplacement. De werkelijk gereden snelheid verandert geleidelijker wat van belang is voor de werkelijke degradatie van de wissels. Een wisselcomplex in een baanvak met één baanvaksnelheid kan per wissel hierdoor met een andere snelheid worden bereden, mede afhankelijk van de rijrichting. De jaartonnages geven een gemiddelde aslast terwijl de werkelijke aslasten een spreiding zijn rondom dat gemiddelde. De werkelijke aslasten zijn bepalend voor het degradatiemodel. Het langdurig en zwaar overschrijden van de aslasten (kan door ongelijk verdeelde lasten) zal grote impact hebben op de degradatie van het wissel. De conditie van de wielen is bepalend voor de degradatie van de spoorstaven. Te ver doorgesleten wielen hebben een zeer ongunstig effect op de railkop slijtage en vermoeiing. De wieldiameter speelt ook een rol, in het bijzonder bij het optreden van ‘onregelmatig afgesleten’ wielen waarbij de diameter over de hoek ϕ niet constant is. De veerstijfheden van het wielstel (primaire veer) en van het rijtuig (secundaire veer) bepalen het dynamische gedrag van de interactie tussen het voertuig en de bovenbouw. De dynamische coëfficiënt is onder voertuigen genoemd door het grote aandeel dat de voertuigen hebben op het dynamische effect bij de interactie. De eigenfrequentie van de componenten van de bovenbouwconstructie spelen ook een rol. Het is voor het degradatiemodel van belang dat de werkelijke voertuigeigenschappen overeenkomen met de gebruikte waarden tijdens de ontwerpfase en omgekeerd.

-65- van de 107


5.2.5

Aanleg en instandhouding

De geometrie van een wissel blijkt uit bestaande onderzoeken een zeer belangrijk aspect voor de degradatie van het wissel. De aanleg van het wissel dient op de millimeter precies te worden uitgevoerd. De afwijking in de geometrie geeft een grotere toename van de dynamische belasting bij dezelfde aslast. De aanleg heeft veel invloed op de degradatie en dus de R en A waarden van een wissel. De nauwkeurige bewerking en verdichting van de ondergrond tijdens de aanleg van het wissel is van elementair belang voor een goede geometrie. Een goede investering in de ondergrond geeft eenmaal hoge kosten, maar geeft een duurzamere constructie tegen lagere kosten. Naast de nauwkeurigheid waarmee het wissel wordt gelegd, is het gebruik van het wissel tijdens de aanleg van invloed op de kwaliteit van het wissel. Het materieel dat wordt gebruikt gedurende de aanleg van het wissel kan door de wielen met dunne flenzen en het ontbreken van strijkregels bij de puntstukken, al veel schade aan het puntstuk aanbrengen. Het goed (naleven van) onderhoud heeft een direct effect op de degradatie van het wissel. Het wissel dat net is gelegd, dient binnen de eerste maand al te worden bijgeslepen op de plaatsen waar braamvorming is opgetreden. Het slijpen van het nieuwe wissel dient na één maand en nogmaals na één jaar te worden uitgevoerd voor het grootste positieve effect op de staat van het wissel. Indien dit onderhoud niet op die tijdstippen wordt uitgevoerd treedt er versnelde degradatie op. Ditzelfde geldt voor het goed, nauwkeurig en tijdig uitvoeren van stop- en schiftwerkzaamheden. Het goed uitvoeren van het onderhoud heeft een levensduurverlengend effect op het wissel tegen optimale kosten. Het bijbehorende kosten voor onderhoud hebben een exponentiële relatie met het tijdstip van onderhoud. Zowel te vroeg uitgevoerd onderhoud als te laat uitgevoerd onderhoud geven beide een exponentiële kostenstijging. De aanleg en instandhouding is de invloed op de R en A waarden, wat wordt bepaald door de procesaannemer van het wisselcomplex.

5.3 Operatoren Het effect van de invloedfactoren op de degradatie van het wissel wordt eerst via operatoren in kaart gebracht. De operatoren beïnvloeden elkaar ook onderling en worden vaak door meerdere invloedsfactoren bepaald. De zijdelingse kracht door het van richting veranderen op de tong, wordt bepaald door de snelheid van het voertuig, de frictiecoëfficiënt e.d.. De zijdelingse kracht bepaalt onder meer de slipsnelheid en de slijtagemaat. De operatoren, afgeleid uit de invloedsfactoren zijn: E E E E E E E E E E E E E E

Hardheid railkop, H Oppervlakte ruwheid, θ Slijtagemaat/-coëfficiënt (K), K/H Initiële scheurvorming, W Hertzian contactpunt oppervlak, A Aanloophoek wielen, γ Frictiecoëfficiënt, μ Wielcontact kracht, Q Tangentiële kracht, T Dynamische belasting, F(t) Relatieve slipsnelheid, λ Cumulatieve tonnage, T Temperatuur spoorstaaf, t Kruip en spin, φ

De initiële vorm van de railkop is een belangrijke factor voor een goed wiel-rail contact. De railkop van een nieuwe spoorstaaf zal altijd nog enigszins bijvormen naar de gebruikte wielvormen. De slijtage stabiliseert na enige tijd waardoor de hoeveelheid slijtage per gepasseerde tonnages lager wordt (maar niet stopt). De aanloophoek blijkt bij versleten spoorstaven kleiner te zijn dan bij nieuwe

-66- van de 107


spoorstaven. De optredende slijtage is ook een functie van de materiaaleigenschappen; bij hogere staalkwaliteit treedt minder slijtage op waardoor minder vaak vervanging nodig is.

-67- van de 107


Het gericht plaatsen van spoorstaven met verharde railkoppen maakt het mogelijk de voordelen (hogere slijtageweerstand) gericht toe te passen terwijl de nadelen (moeilijker lassen of beperkte reductie haarscheuren) beperkt blijven. De optimalisering van chemische samenstelling van het staal (gevonden evenredigheid tussen koolstofgehalte en slijtage) kan de slijtage in bogen tot een factor drie reduceren. De eigenschappen van de spoorstaaf zijn sterk bepalend voor de interactie met de wielen. De nieuwe spoorstaafprofielen hebben een grotere ruwheid dan het gladde kopprofiel dat wordt verkregen na een korte tijd te zijn bereden. De slijtage aan de loopkant wijkt hiervan af: de optredende tangentiële krachten veroorzaakt door de geleidende functie kunnen de ruwheid en de slijtage doen toenemen tot hevige en catastrofale slijtage. De slijtage treedt bij een aanslaghoek van 0,3º allereerst op aan de loopkant en gaat dan langzaam door naar de railkop. De loopkant is de plaats waar -net onder het oppervlak- de grootste verharding optreedt. Toename van de aanloophoek leidt tot grotere spanningen op het loopvlak en grotere vervormingen en slijtage. De tangentiële kracht bepaalt ook de hoeveelheid en de snelheid van de zijdelingse slip. Het overschrijden van de grenswaarde van de tangentiële kracht betekent dat het contact volledig overgaat in puur glijden. Uitgesleten wielen leiden tot hogere rolweerstand en grotere zijdelingse krachten in de bogen wat kan leiden tot spoorverwijding (met name bij wielen die meer dan 2 mm zijn uitgesleten). De rolweerstand blijkt lineair toe te nemen met de totale aanloophoek. Het wielflens-loopkant contact, het wiel-rail contact op versleten en/of ruwe contactoppervlakten maken dat door de hoge (lokale) piekbelasting de vloeisterkte van het spoorstaafstaal wordt overschreden waardoor plastische vervorming optreedt. De reactie van het spoorstaafmateriaal op de cyclische belastingen is afhankelijk van de grenswaarden van het materiaal die bepalend zijn voor het optreden van elastische en/of plastische vervormingen wat óf kan leiden breuk bij lage cyclische belastingen (plastische shakedown) óf breuk bij hoge cyclische belastingen (ratchetting). De vermoeiing en de daardoor ontstane scheurvorming wordt in grote mate bepaald door de reactie op de cyclische belastingen. De scheurvorming kan door actief en passief slijpen en met de juiste materiaalkeuze worden tegengegaan. De passieve slijtage door het wiel-railcontact neemt bij hogere staalkwaliteit af waardoor meer actief slijpen nodig wordt om het doorzetten van de scheurvorming te voorkomen. Tegelijk wordt de scheurvorming tegengegaan door hogere staalkwaliteit (grotere vloeisterkte) toe te passen én door de ruwheid van het contactvlak onder controle te houden. Het is met name een economische afweging die bepalend is voor de afweging tussen het beperken van de slijtage en het tegengaan van rolling contact fatigue. De initiële scheurvorming treedt eerder op bij droog wiel-railcontact, de grotere scheurvorming treedt alleen op wanneer vloeistof (regen of smeren) aanwezig is. Het smeren van spoorstaven heeft een positief effect op het reduceren van het schuureffect en de optredende slijtage maar doet de cyclische spanningen toenemen. De lagere wrijvingskracht beperkt de slijtagemaat waardoor de slijtage aan de loopkant duidelijk minder is. De niet gesmeerde spoorstaven hebben een grote verharding vergeleken met de gesmeerde spoorstaven. Het uitvoeren van smeermaatregelen is echter significant minder duurzaam bij toepassing op ruwe oppervlakten. De smeerinstallaties en het onderhoud zijn erg kostbaar en is nog niet altijd even betrouwbaar. Het toepassen van spoorstaven met grotere slijtageweerstand wordt te niet gedaan door het toepassen van het smeren van de spoorstaven. De groei van de initiële scheurvorming in de railkop wordt ook versterkt door de vloeistoffen. Het toepassen van smeerinstallaties wordt daarom aanbevolen alleen te doen bij situaties waar het effect groter is en de meerwaarde van de smeerinstallatie duidelijk is aangetoond. Het dynamische effect treedt onder meer op bij de niet gecompenseerde versnelling bij verkantingstekort. Het buitenste wiel maakt een minder groot verschil met de radius dan het binnenste wiel, waardoor vooral het binnenste wiel slip ondergaat en golfslijtage optreedt op het benedenbeen. Het hoge piepende geluid dat in bogen kan optreden, is het dynamische effect van het overspringen van het wielcontactpunt van de loopkant van de spoorstaaf naar de railkop door het continu bijsturen van de niet-radiale loop van de sturende wielen en wat gepaard gaat met slip.

-68- van de 107


Meetwaarden die uit de onderzoeken zijn geconcludeerd, zijn sterk bepaald door de uitgangspunten van de proefopstelling, door het grote aantal aannamen en steady-state die daarbij worden gedaan. Het is belangrijk te letten of het optredende slijtagemechanisme bij laboratoriumonderzoek overeenkomt met het slijtagemechanisme in praktijksituatie, omdat een verkeerde proefopstelling kan leiden tot geheel een ander slijtageregime. [Zie bijlage IV.1]

5.4 Hypothese degradatiemodel De faalfactor en daarmee de R en A waarden van een wissel worden bepaald door de in hoofdstuk 5.1 genoemde invloedsfactoren. De invloedsfactoren bepalen vervolgens de waarden van de operatoren die leiden tot een zekere slijtage, (plastische) vervorming en vermoeiing en dus degradatie van de bekeken component in de loop der tijd of het aantal gepasseerde tonnages. De Reliability en Availability zijn de belangrijkste aspecten voor de degradatie terwijl de Maintainability een vaste waarde is in de loop der tijd of over het aantal gepasseerde tonnages. De faalfactor van een component of van het wissel neemt toe in de tijd/tonnages waardoor de R en A waarden afnemen. Het is afhankelijk van de bekeken component(en) (tongbeweging, tussenspoorstaaf e.d.) hoe de degradatie verloopt en hoe het de degradatie van het totale wissel bepaalt. Er wordt bij het degradatiemodel onderscheid gemaakt in de degradatie van een component waarbij tussen de oplevering en het einde van de levensduur géén onderhoud wordt gepleegd en het degradatieverloop wanneer een zekere onderhoudsfrequentie wordt toegepast. Dit onderscheid wordt gemaakt doordat het uitgevoerde onderhoud sterk afhankelijk is van procesbeslissingen die worden genomen door de spoorwegbeheerder en de procesaannemer. De aan te houden onderhoudfrequentie kan op basis van ervaring en/of verleende treinvrije onderhoudsperioden worden vastgesteld. Het degradatiemodel wordt als voorbeeld opgesteld voor het faalmechanisme van horizontale slijtage aan de tongpunt, op basis van geen onderhoud (gestippelde lijn) en wanneer er wél onderhoud wordt gepleegd (doorgetrokken lijn). Het toegepaste onderhoud wordt aangegeven zoals het in praktijk plaatsvindt: er worden gemiddeld 1,5 keer per jaar slijpwerkzaamheden uitgevoerd aan de tongpunt. De Reliability waarde gaat door dit onderhoud wat omhoog (verticale lijndeel dat verhoging van de Reliability waarde aangeeft), maar zal niet dezelfde waarde krijgen als op als to. Het bijslijpen van het profiel van de railkop voor de horizontale slijtage geeft een beter wiel-rail contact, maar de horizontale maat van de tong neemt af waardoor in totaal de Reliability waarde afneemt. Dit degradatiemodel van horizontale slijtage zonder onderhoud is opgesteld vanuit kennis en verwachtingen dat tijdens gesprekken naar voren kwam, omdat er in praktijk altijd onderhoud wordt gepleegd aan een wissel. De verwachte levensduur zonder onderhoud ligt rond de 10 jaar en met onderhoud is de gemiddelde levensduur 25-30 jaar. De Reliability waarde aan het begin is vastgesteld op basis van de te verwachten faalmechanismen van de nieuwe tongbeweging en de afkeurmaat is wanneer mal 2 op 150 mm vanaf de tongspits het bewerkte gedeelte raakt. De braamvorming en rafeling worden niet meegenomen in dit degradatiemodel. [zie bijlage IV.3]

-69- van de 107


Reliability

1,0

1 Faalkans geen onderhoud

Faalkans onderhoud

Reliability met onderhoud Reliability geen onderhoud

Gepasseerde tonnages

0,99 0 0

Ca. 50-65 MT

Ca. 110-130 MT

figuur 5.3 Hypothese degradatiemodel horizontale slijtage tong

-70- van de 107


De lijn van de faalkans is de ontwikkeling van λ(T) in de loop van het gebruik. Deze parameter wordt gebruikt voor het bepalen van de Reliability en Availability waarden volgens de in hoofdstuk 3 uitgewerkte formules. De waarden van het aantal gepasseerde tonnages zijn afgeleid uit de gepasseerde tonnages van Quo Vadis in combinatie met de verwachte levensduur. De getallen zijn een benadering door de nog beperkte beschikbaarheid van nauwkeurige meetgegevens. Het degradatieverloop wordt bepaald voor alle ontwerpbeslissingen die direct van invloed zijn op de achteruitgang van het wisselcomplex. De degradatieverloop van alle parameters worden samengevoegd voor het verkrijgen van de Reliability verloop van het totale wissel(complex). Deze degradatiecurve voor een wissel is in bijlage IV.3 opgesteld op basis van ervaringscijfers die tijdens gesprekken naar voren kwamen. Het hypothese degradatiemodel voor het geanalyseerde wissel komt er uit te zien als in het onderstaande figuur. Reliability 1,0 Totaal lijn ‘gemiddeld’ wissel

Mogelijke degradatie bij geen onderhoud

0,99 ca. 12-18 MT

ca. 110-130 MT

gem. 275-325 MT


0

figuur 5.4 Hypothese degradatiemodel wissel 4 met als referentie de gemiddelde degradatie van een wissel

De gestippelde lijn geldt voor een generiek wissel en de doorgetrokken lijn geldt voor het wissel van het geanalyseerde wisselcomplex. De degradatie is bij het geanalyseerde wisselcomplex volgens verwachting een factor twee tot drie groter. De levensduur van de componenten en het totale wissel wordt hierdoor een factor twee tot drie korter. De R en A waarden van het wissel gaan ondanks het vervangen tongbeweging, tussenspoorstaaf en puntstuk tegen het einde van de levensduur toch (versneld) achteruit. Dit komt door de achteruitgang van de stabilisatieonderdelen zoals het verbrijzelen van de ballast door het stoppen en de treinbelasting, de achteruitgang van de staat van de wisselliggers e.d.. Het vervangen van de wisselliggers kan merkbaar levensduur verlengend onderhoud zijn. Het uitvoeren van onderhouden vervangingswerkzaamheden is een belangrijke economische afweging. Het vervangen van een onderdeel gebeurt altijd vanuit veiligheidsoogpunt, maar het opgestelde meerjarenplan is hoofdzakelijk gebaseerd op het economische voordeel van de kosten voor het uitgevoerde (levensduur verlengend) onderhoud tegen de jaarlijkse afschrijfkosten van het wissel. Het vervangen van componenten van de wisselconstructie en de stabilisatieconstructie wordt economisch afgewogen tegen het vervangen van het hele wissel en dat bepaalt de uiteindelijke levensduur van het wissel.

-71- van de 107


-72- van de 107


6. Ontwerp nieuwe wissel Het doel van dit hoofdstuk is een beeld te geven van de algemene ontwerpmethodiek en hoe ontwerpen met de RAM(S) aspecten verschilt met de bestaande ontwerpmethode, zonder in detail op de voorschriften in te gaan. De huidige ontwerpmethode en het ontwerpen op basis van RAM(S) specificaties worden eerst apart geanalyseerd en vervolgens vergeleken. De beide methoden worden bekeken aan de hand van de nieuwe ontwerpen van het geanalyseerde wisselcomplex, waar de in hoofdstuk 4.7 genoemde verbeterpunten zoveel mogelijk in zijn opgenomen. De groep Baan-&Spoorwegbouw van Holland Railconsult bepaalt tijdens het ontwerpproces van een (ver)nieuwbouwproject van een wisselcomplex met name het tracé en de geometrie. De andere degradatie invloedsfactoren worden daarbij steady-state gehouden. De ontwerpen die worden gemaakt door de groep Baan-&Spoorwegbouw vigeren aan de geldende normen en voorschriften. De inhoud van de belangrijkste normen en voorschriften worden in dit hoofdstuk nader belicht waarbij wordt gelet op de keuzeruimte voor verschillende parameters, de beslissende factoren en de mogelijkheid om iets te zeggen over de RAM(S) prestaties van het ontwerp. De RAM(S) richtlijn die zal worden opgesteld, heeft het doel om beslissingen te maken op basis van expliciet meetbare waarden met behulp van het degradatiemodel. Het wordt meteen zichtbaar welke invloed een keuze heeft op de prestaties en de levensduur van het (deel)systeem. De richtlijn zal in het volgende hoofdstuk worden uitgewerkt. Er wordt eerst gekeken welke ontwerpkeuzen de Reliability en Maintainability –en daarmee de Availability- beïnvloeden. De eerder opgestelde risico top-tien speelt een belangrijke rol omdat hiermee de grootse verbeteringen kunnen worden gerealiseerd. De RAM(S) waarden van de componenten zelf worden aangehouden op door de wisselleverancier opgegeven waarden. Er is een nieuw ontwerp gemaakt van het eerder geanalyseerde wisselcomplex. Het nieuwe ontwerp bestaat uit twee alternatieven van het doeltracé. Het doeltracé is een ontwerp waarin de optimale toepassing zit van de geldende normen en waar de nieuwbouwkosten niet de bepalende factor zijn. De tekeningen van het bestaande wisselcomplex en de beide alternatieven zijn in bijlage V opgenomen. De wissels 3 en 4 in het bestaande wisselcomplex zijn in het nieuwe ontwerp vervangen door een kruising. De kruising geeft een rustigere loop en heft het onnodig krom berijden op van wissel 3 in rechtdoorgaande richting. Het eerste alternatief is gemaakt op basis van de minimaal vereiste functionaliteit en het alternatief twee is met volledig behoud van de huidige functies door toepassing van een extra overloopwissel in het afbuigende spoor. Het overloopwissel 1:9 in het rechtdoorgaande spoor is bij beide alternatieven op een verder gelegen punt gelegd voor een betere Maintainability. Er kan op de nieuwe plek een 1:15 overloopwissel worden toegepast dat met de snelheid van 80 km/uur bereden kan worden. Dit overloopwissel kan daar worden gelegd zonder complexe aanpassingen in de bovenleidingen. Het alternatief 2 heeft ook in het afbuigende spoor een overloopwissel (1:9) op enige afstand van de kruising om de extra functionaliteit te behouden die de twee aparte wissels geven.

6.1 Ontwerp wissel volgens bestaande OVS-en De aanleg en het onderhoud van spoorwegconstructies zijn aan strenge normen onderhevig, waarmee met name de veiligheid van het treinverkeer wordt gegarandeerd. De uitgave van de ontwerpvoorschriften en richtlijnen wordt door ProRail gestuurd en beheerd. Belangrijke randvoorwaarden voor het ontwerp en de aanleg van spoorlijnen zijn de Nederlandse wetgeving, de Nederlandse en Europese normen, het ProRail-beleid dat in voorschriften is uitgewerkt en de ProRail-reglementen. De voorschriften voor het ontwerpen van spoorbanen heten de Ontwerpvoorschriften voor de Spoorwegbouw, of kortweg de OVS-en. De OVS-en zijn bedoeld voor de ontwerper van spoorbaaninfrastructuur en bevat eisen en toetsingscriteria van een bepaald onderdeel van de bovenbouwconstructie. De genoemden waarden in de voorschriften gelden als normwaarden. Referenties [33] t/m [39] zijn enkele van deze richtlijnen waarin specifiek wordt ingegaan op het alignement, de sporen lay-out, kruisingen en wissels e.d..

-73- van de 107


De informatie uit deze voorschriften wordt in de volgende paragrafen gebruikt om de belangrijkste informatie over het ontwerpproces te geven. Elke norm bevat specifieke spooraspecten en kan een aanvulling zijn op vigerende NEN normen. Elke divisie van de spoorwegbouw heeft de eigen voorschriften. ProRail geeft ook richtlijnen (RLN) uit die meestal betrekking hebben op de beheer en instandhouding van de spoorbaaninfrastructuur. De ontwerpen die geheel voldoen aan de OVS-en zijn geschikt voor de aanleg in praktijk. Het kan zijn dat voor bepaalde situaties of locaties het niet meer mogelijk is om aan de OVS-en te voldoen, bijvoorbeeld doordat de beschikbare ruimte beperkt is. Dat ontwerp zal door ProRail specifiek goedgekeurd moeten worden, waarbij wordt gelet op aspecten als mogelijke alternatieven, kosten, onderhoudbaarheid e.d. De afwijkingen leiden vaak tot hogere onderhoudskosten, unicaten of verkorte levensduur. Het streven is een zo lang mogelijke, economische levensduur met een zo laag mogelijke onderhoudsfrequentie. Een project start met een Programma van Eisen waarin de uitgangspunten en randvoorwaarden staan van het nieuwe ontwerp. Er wordt bij het ontwerpen van een nieuwe situatie meestal uitgegaan van een soortgelijk (afgerond) project en bij een vernieuwingsproject wordt uitgegaan van de bestaande situatie. Het ontwerpen van een nieuw of aan te passen wisselcomplex doorloopt achtereenvolgens de fasen schetsontwerp, voorontwerp, definitief ontwerp met uiteindelijk de bestekfase. Het voorontwerp vormt een basis om vanuit meerdere ontwerpen een keuze te maken voor het uit te werken definitieve ontwerp. Er zal nu korte opsomming worden gegeven van aspecten uit het Programma van Eisen om een beeld te geven van de uitgangspunten voor de ontwerpfase. De belangrijkste voorschriften voor de spoorligging en de ontwerpvoorschriften van wissels en kruisingen zullen beide in de daarop volgende paragrafen worden behandeld. De keuzeruimte voor verschillende parameters en de beslissende factoren zullen aan het eind worden geëvalueerd waarbij wordt gelet op de mogelijkheid om iets te zeggen over de RAM(S) prestaties van het ontwerp.

6.1.1

Programma van eisen

Het Programma van Eisen voor een spoorontwerp zal de volgende aspecten bevatten: E E E E E E E E E E E E E E E E E E E

aantal treinen per uur per richting aantal sporen op de vrije baan gewenste hoofdrijbanen bijstuurmogelijkheid door overloopwissels snelheid baanvak en bijstuurwissels vereiste gelijktijdigheden van treinen op het emplacement aslasten mogelijkheid onderhoud sporen afzonderlijk eisen voor (schouw)paden eisen voor de bermen eisen voor de waterhuishouding (bovenkant spoorstaven 1,5-1,75 m boven de grondwaterstand) eisen voor het hekwerk eisen voor de kabels en leidingen eisen voor de kunstwerken eisen voor de bereikbaarheid werkplek/onderhoud eisen voor inzetplaatsen rail/wegvoertuig eisen voor opstelsporen veiligheidsvoorzieningen specifieke eisen als wel/geen engels wissel, wel/niet voegloos, het uitvoeren van een wissel bij de overgang kunstwerk/aardebaan e.d. E realisatietermijn E toekomstvastheid van het ontwerp (bijvoorbeeld een overgang 2 spoor naar 4 spoor)

-74- van de 107


Dit is een overzicht van de belangrijkste aspecten voor een wisselcomplex. Er zullen meerdere aspecten aan toegevoegd kunnen worden, mede afhankelijk van het bekeken project.

6.1.2

Spoorligging

De “OVS spoorligging: alignement” gaat in op de voorschriften met betrekking tot de horizontale en verticale alignement van vrije baan sporen, doorgaande hoofdsporen op emplacementen, zijsporen en opstelsporen en raccordementsporen. De OVS geldt in principe voor het ontwerpen van één spoor met de ontwerpsnelheid van 200 km/uur en lager. De OVS is een voorschrift waarin de van toepassing zijnde grootheden gelden als normwaarden. De waarden kunnen een boven- of ondergrens aangeven waaraan een ontwerp moet voldoen. De opdrachtgever zal toestemming moeten geven bij afwijking van de aangegeven grenzen. De OVS gaat in op de toe te passen boogstralen en overgangsbogen in bogen. De voorkeur is de boogstraal zo constant mogelijk te houden, waarbij de elementlengte (lengte boog, rechtstand e.d.) minimaal overeenkomt met de afstand die de trein bij de ontwerpsnelheid in 2 seconden aflegt. De boog zal daarom de minimale lengte van Lmin, norm = V/1,8 [m] met V [km/uur] moeten hebben. De boogstraal zal worden toegepast tussen de minimale boogstraal Rmin en de maximale boogstraal Rmax. De Rmin, norm = 0,25·V2 geldt bij een verkantingstekort I = 48 mm en de niet gecompenseerde horizontale versnelling van ahor = 0,3 m/s2. De Rmin geeft boogstralen waarbij de ligging van beide spoorstaven waterpas is en overgangsbogen niet noodzakelijk zijn. De Rmax = 0,40·V2 bij I = 30 mm en ahor = 0,2 m/s2 is geldig om de slijtage aan de wielband en spoorstaaf te beperken en voor het beperken van de discomfort voor reizigers. De toegepaste boogstraal (Rtoeg) in een tracé dient bij voorkeur zo ruim mogelijk te zijn en tussen de Rmin en Rmax te zitten. Indien niet aan deze waarden kan worden voldaan, zal er een overgangsboog en zonodig verkanting worden toegepast. De theoretische verkanting wordt bepaald door de ontwerpsnelheid en de toegepaste boogstraal met de formule Dth = 11,8 V2/R waarbij geldt v [km/uur], R [m], Dth [mm]. Elke snelheid (bij één boogstraal) heeft een andere theoretische verkanting. De theoretische verkanting is niet mogelijk om toe te passen doordat de treinen niet allemaal met dezelfde snelheid door de boog rijden. De ideale verkanting wordt wat lager aangehouden op Dideaal = Dth – 30 waardoor een lichte geleiding langs het bovenbeen een rustigere loop geeft. Het kan tijdens de ontwerpfase nog verder moeten worden afgestemd op het verwachte treinverkeer. Het is mogelijk dat er in een boog wordt stilgestaan en dan dient voor reizigers onaangename scheefstand en/of verschuiving van goederen voorkomen te worden. De normverkanting die in een boog wordt toegepast volgt uit de genoemde voorwaarden en is Dmin, 2 norm = 6,2 V /R [mm]. De normverkanting wordt per 5 mm nauwkeurig afgerond. De maximale verkanting die in een spoor mag worden toegepast, bedraagt Dmax, norm = 120 mm. Deze is afgeleid uit de verwachte snelheden van het treinverkeer, om de slijtage aan het benedenbeen door verkantingsoverschot te voorkomen. De afwijking van de toegepaste verkanting ten opzichte van de theoretische verkanting geeft een verkantingstekort [I= Dth – Dtoeg > 0] of een verkantingsoverschot [E = Dtoeg – Dth > 0]. Het verkantingstekort I geeft een horizontale versnelling van ahor = I/(s/g) = I/153, waarbij s de spoorbreedte is en g de gravitatieversnelling. Te grote waarde van ahor wordt als oncomfortabel ervaren. Een verkantingstekort verhoogd de slijtage en onderhoud aan de spoorstaven. Tot een snelheid van 160 km/uur mag de maximale niet gecompenseerde horizontale versnelling ahor niet groter zijn van 0,65 m/s2 en geldt Imax = 100 mm. In praktijk is geconstateerd dat in bogen met een boogstraal tussen 1.000 meter – 2.500 meter en met hoge toegepaste verkantingstekorten, relatief veelvuldig headchecks voorkomen in de kop van de spoorstaaf. Verkantingsoverschot ontstaat wanneer een boog met een lagere snelheid dan de ontwerpsnelheid wordt bereden. Verkantingsoverschot is niet te voorkomen maar dient zoveel mogelijk te worden beperkt vanwege de reizigerscomfort en voor het beperken van verhoogde slijtage aan het benedenbeen. Het maximale verkantingsoverschot bedraagt Emax, norm = 70 mm. Het toepassen van overgangsbogen is mede afhankelijk van het aanwezige verkantingstekort. De aansluiting tussen rechtstand en boog of tussen twee bogen (tegen gebogen of meegebogen) en de maximale verkantingstekort, bepalen of een overgangsboog moet worden toegepast. Bij gelijkgerichte bogen zonder rechtstand zal bij een Vmax> 40 km/uur en een verkantingstekort groter dan 100 millimeter een overgangsboog tussen beide bogen ontworpen moeten worden. -75- van de 107


De 2 seconderegel geldt niet voor overgangsbogen, welke zo kort mogelijk wordt gehouden als nodig is, vanwege de extra aandacht die de overgangsboog vraagt bij de aanleg en het onderhoud. De lengte van de overgangsboog wordt bepaald door de toenemende verkanting in de tijd, de toename van het verkantingstekort in de tijd en de scheluwte (‘helling’ van het spoor bij opbouwen van de verkanting). De ontwerpsnelheid speelt hierbij een belangrijke rol. Deze uitgangspunten zijn met formules in de OVS aangegeven, waarmee de lengte van de overgangsboog kan worden bepaald. De grootste lengte moet worden toegepast (en bij voorkeur niet langer). Het is met een computermodel van Holland Railconsult mogelijk om de lengte van de overgangsboog te bepalen, na het invullen van de eerste boogstraal (rechtstand geeft R = ∞) met de verkanting, de tweede boogstraal met de verkanting en de ontwerpsnelheid. De verticale boogstraal van zowel top- als dalbogen dient zo ruim mogelijk te zijn, met het minimum van de straal van 2.000 meter. De geldende formule is Rv, norm ≥ 0,4·V2. Deze normwaarde komt overeen met een verticale versnelling van 0,2 m/s2. Ook hier geldt de 2 seconderegel. Het ontwerpproces is een iteratief proces waarbij wordt gevarieerd met de boogstraal, de verkanting, de overgangsbogen en –indien noodzakelijk- de snelheid. Het verkrijgen van een goede oplossing komt vooral aan op ervaring en inzicht van de ontwerper. Een ideaal ontwerp is zelden mogelijk door de vele dwangpunten in de omgeving van de boog. De sporen dienen volgens de huidige normen hart-op-hart 4 meter tot 4.25 meter uit elkaar te liggen, met de minimale afstand van 3.80 meter voor bijzondere situaties. De spoorafstand is afhankelijk van de ontwerpsnelheid in verband met de drukgolven die ontstaan als twee treinen elkaar met hoge snelheid passeren en vanuit veiligheidsoogpunt. Het ontwerp van de schouwpaden, bereikbaarheid en instandhouding wordt volgens de voorschriften uitgewerkt. Het is voor de bereikbaarheid belangrijk dat de vrije baan om de circa 2 km met de auto bereikbaar is en onderhoudsgevoelige objecten met de auto tot op baanniveau bereikt kunnen worden. Er zijn verder voorschriften voor het ballastbed, de spoorstaven e.d.. De “OVS spoorstaven” geeft een richtlijn voor de toe te passen spoorstaafkwaliteit (hardheid) weer in de vorm van een flowschema. Het flowschema wordt gebruikt om de staalkwaliteit te bepalen, afhankelijk van de vraag of corrosieproblemen worden verwacht, de straal van de boog en de aslast. Er wordt onderscheid gemaakt in corrosiebestendige spoorstaven, slijtagebestendige spoorstaven, vermoeiingsdefect bestendige spoorstaven en de standaard spoorstaven. De standaard spoorstaven worden toegepast bij een boogstraal < 3000 m, een aslast < 18 ton en een verkantingstekort <50 mm.

6.1.3

Wissels en kruisingen

Een wissel heeft ten opzichte van normaal spoor een groot aantal discontinuïteiten die het rijcomfort verminderen en leiden tot meer slijtage en onderhoud. De discontinuïteiten zijn onder meer de tongbeweging, het puntstuk en de strijkregels. Dit wordt versterkt bij een wissel in een boog. Wisselontwerpen zijn in het algemeen gebaseerd op een maximaal verkantingstekort van 100 mm. In principe worden alleen 54 E1 wissels toegepast. 46 E3 wissels worden alleen bij vervanging van 46 E3 wissels in een 46 E3 omgeving toegepast of in zijsporen die incidenteel door goederentreinen worden bereden. Wissels worden in bogen zoveel mogelijk beperkt, omdat dit extra beperkingen kan stellen voor de snelheid, de verkanting en het verkantingstekort. De wissels die met de voorkant aansluiten op een boog dienen met tenminste 10 meter rechtstand van de boog verwijderd te zijn. Er treedt een schommeleffect op als een rijtuig een boog zonder overgangsboog inrijdt of verlaat. Het rijtuig dat uit een boog komt zal eerst tot rust moeten komen voordat het een nieuwe boog ingaat, om het schommeleffect voldoende te laten uitdempen (2 seconde regel). Dit is zeker belangrijk bij tegengesteld gerichte bogen, omdat daar de zijdelingse versnelling omslaat naar de andere richting. Het heeft de voorkeur de tussenafstand zo ruim mogelijk toe te passen. Te dicht op elkaar liggende wissels kunnen problemen geven met de veilige berijdbaarheid, het rijcomfort, de bouw, onderhoud en vernieuwing en de wisselstellers. Er zijn echter kleinere tussenafstanden tussen wissels toegestaan, om nog redelijke ontwerpmogelijkheden te hebben. De kleinere tussenafstanden zijn mogelijk doordat

-76- van de 107


wordt uitgegaan dat het wissel minder vaak krom wordt bereden dan recht. Indien de voorgeschreven tussenlengte niet haalbaar is, moet de toegestane snelheid worden aangepast.

-77- van de 107


De minimale afstand tussen de voorkanten van bijvoorbeeld twee symmetrisch wissels 1:15 is Lmin = 55 meter en tussen twee rechte wissels 1:15 is Lmin = 45 m bij een snelheid van meer dan 60 km/uur. Minimale afstand tussen twee achterkanten van wissels zijn voor het symmetrisch wissel 1:15 R = 1200 gelijk aan 3,62 meter bij een recht wissel 1:15 met R = 725 is het 3,64 meter. Wissels zijn in of nabij overgangshellingen/overgangsbogen niet toegestaan. Dit is wel mogelijk wanneer een tussenafstand van 6 meter wordt aangehouden. Wissels kunnen ook in een voegloos spoor worden gelegd. Er zijn ankerschoenen nodig ter plaatse van de tongbeweging voor de stabiele ligging, met name voor de extra krachten uit het afbuigende spoor. Wissels kunnen alleen voegloos worden gemaakt indien zowel voor als achter het wissel tenminste 100 m voegloos spoor aanwezig is. De wissels liggen dan niet in de ankerlengte van het voegloze spoor. De spoorstaven staan verticaal in de wissels en om aan te sluiten op de spoorstaafhelling in de aansluitende sporen wordt de overgang buiten het wissel met wringing gerealiseerd. Bij 46 E3 met helling 1:20 is hiervoor een extra dwarsligger nodig met de helling 1:40. De wringing vindt bij de 54 E1 sporen tussen twee opeenvolgende dwarsliggers plaats. De spoorstaven blijven verticaal bij tussenafstanden tussen wissels kleiner dan 30 meter. De wissels op houten wisselliggers worden één op één vervangen ten opzichte van het bestaande project. De engelse wissels en kruiswissels worden bij voorkeur beperkt toegepast. De engelse wissels zijn niet gewenst door het grote aantal discontinuïteiten in het wissel, de snelheidsbeperking en daaruit volgende slechtere rijcomfort en grotere slijtage. De belangrijke uitgangspunten voor het uitwerken zijn de wisselgeometrie zijn: E spoorwijdte E snelheid E maximale zijdelingse versnelling of verkantingstekort E maximale verandering van zijdelingse versnelling of verkantingstekort E het mathematische punt en de hoek E de grenzen van de aansluiting op het gewone spoor E de variatie van spoorwijdte (indien van toepassing) De tangent van de wissels wordt bepaald door de hoek waarmee de te splitsen spoorbanen elkaar snijden op het mathematisch punt. De ontwerpsnelheid speelt hierbij een belangrijke rol omdat de straal van de wisselboog de snelheid bepaalt waarmee een wissel afbuigend bereden mag worden. De wissels worden voor het comfort van de reiziger zodanig ontworpen dat de optredende horizontale (middelpuntvliedende) versnelling maximaal 0,65 m/s2 bedraagt. Dit komt overeen met een verkantingstekort van 100 mm (er zit geen verkanting in een wissel). De aspecten die gecontroleerd moeten worden in het wisselontwerp zijn: E spoorwijdte E de afstand tussen de voegen aan het begin en uiteinde E de breedte en diepte van de wiel-flens opening in een wissels, puntstukken en strijkregel E begin- en eindpunt en lengte van de strijkregels en vleugels en de positie ten opzichte van de punt van het puntstuk E hoogte van de strijkregel ten opzichte van de bovenkant spoorstaaf E opening (bij de punt) van de tongbeweging E minimale flensopening voor vrije wissel passage Het wissel zelf wordt zoveel mogelijk als standaard wissel toegepast. De toegepaste wissels dienen door ProRail te zijn vrijgegeven. De ontwerpgroep kijkt bij de geometrie van een wisselcomplex in het bijzonder naar de aansluiting of de verweving van verschillende wissels bij beperkte beschikbare ruimte. Het kan hierdoor noodzakelijk zijn de achterkant van het wissel wat in te korten of de afstand tussen wissels tot onder de normwaarde te reduceren. Deze ontwerpen zullen expliciet door de opdrachtgever goedgekeurd moeten worden. Het constructieve wisselontwerp wordt alleen veranderd wanneer het noodzakelijk is een wissel meeof tegen te buigen of bij bijzondere kruisingen. Het gatenpatroon in betonnen dwarsliggers vraagt nauwkeurigheid tot de 0,1 mm doordat de bouthulzen tijdens het productieproces moeten worden

-78- van de 107


gesitueerd. Houten dwarsliggers hebben wat meer marge tot circa 1 mm nauwkeurig vanwege de mogelijkheid om het boutenpatroon later nog aan te passen.

-79- van de 107


6.1.4

Analyse OVS ontwerp

Het ontwerpen van het tracé en de geometrie van een wisselcomplex gebeurt volgens de vigerende normen en voorschriften en op basis van gedetailleerde kennis van het systeem. Het is duidelijk wanneer wordt afgeweken van het ideale ontwerp van het doeltracé. Het is meestal noodzakelijk hiervan af te wijken door beperkte, beschikbare ruimte en/of door het beschikbare budget voor de aanleg van het wissel. Veel projecten worden één op één vernieuwd vanwege de grotere complexiteit en aantasting van de exploitatie bij een totale vernieuwing. De geplande levensduur is ook een belangrijk economisch aspect waardoor de voorkeur uitgaat naar één op één vernieuwingen. De keuzevrijheid is daarnaast beperkt tot de door ProRail vrijgegeven onderdelen en methoden. Het budget voor het ontwerpen van een wisselcomplex wordt meestal los gezien van de verdere kosten voor exploitatie, beheer en instandhouding. Het uitvoeren van ongunstige situaties wordt zoveel mogelijk vermeden. Er worden echter weinig afwegingen gemaakt tussen de levensloopkosten van bijvoorbeeld het doeltracé ten opzichte van de levensloopkosten van het gerealiseerde ontwerp. Het voorkomen van de kostbare verplaatsing van de bovenleidingmasten voor het ideale tracé wordt gunstig afgewogen tegen het goedkopere alternatief met grote kans op hogere onderhouden vervangingskosten door de krappere boogstraal. De kosten worden langzaam aan wel meer bekeken over de gehele levensloop. Er is een procedure uitgewerkt, namelijk “Procedure 00055 Afstemming Beheer & Instandhouding Regio en projectmanagement van Nieuwbouw en wijzigingsprojecten”. [46] Het rapport heeft het doel om tot een optimaal systeem te komen, tegen de laagst mogelijke kosten over de gehele levenscyclus van het systeem om het project naar ieders tevredenheid af te sluiten. Het in waarden uitdrukken van de (versnelde) slijtage of minder goede onderhoudbaarheid is bij het ontwerpen volgens de OVS-en afhankelijk van gebruikte parameters en de kennis van de ontwerper. Het weergeven van de afwijking van de normwaarden (negatief én positief) gebeurt nu hoofdzakelijk kwalitatief waardoor verschillende alternatieven niet objectief tegen elkaar kunnen worden afgewogen. Er is ook geen (bijgewerkt) overzicht van de verschillende bijbehorende kosten (aanleg, onderhoud en instandhouding) om inzicht te krijgen in de bijbehorende levensloopkosten. Er zijn ook verbeteringen mogelijk in de geometrie van het wissel. Het is in Nederland een vast uitgangspunt dat beide halve tongbeweging gelijk zijn, bepaald door het productieproces. Mathematisch zou de toegepaste boogstraal -gemeten ten opzichte van de as van het spoor- bij de ene tongbeweging R+ 1/2s moeten zijn en bij de andere R – 1/2s. Dit verschil is in Nederland door de kleine waarde verwaarloosd. De tong is een discontinuïteit doordat er een acute overgang is van rechtstand naar boog. Het spoorspel veroorzaakt dat het rail-wielflens contact abrupt plaatsvindt en de bijsturing daardoor gepaard gaat met extra kracht en slip. Het toepassen van een overgangsboog en/of spoorverbreding in het afbuigende spoor zal een meer rustige loop geven. Een wisselcomplex ontwerp kan door het ontbreken van uniforme, kwantitatieve parameters van de degradatie, de onderhoudbaarheid en de bijbehorende levensloopkosten, niet objectief worden afgewogen tegen andere ontwerpen. Het risico is dat het aan te leggen wisselontwerp onnodig onderhoudsintensief en kostbaar is gedurende de exploitatie. Er worden onderhouden instandhoudingprogramma’s gemaakt voor het optimaliseren van het onderhoudsprogramma terwijl de grootste optimalisatie tijdens de ontwerpfase kan worden behaald. Het optimaliseren van het onderhoudsplan is in feite een suboptimalisering waar veel in (moet) worden geïnvesteerd.

6.2 Ontwerp wissel volgens RAM(S) Eerst wordt de in literatuur [2] opgestelde definitie van RAMS herhaald. RAMS is een karakteristiek van de langdurige gebruikersperiode van een systeem dat door de toepassing van voorgeschreven ontwerpregels en –methoden, middelen en technieken wordt vastgelegd voor de gehele levenscyclus van het systeem. De RAMS van een systeem kan worden gekarakteriseerd als een kwalitatieve en kwantitatieve indicator waarmee de mate wordt aangegeven waarin het systeem -of het subsysteem en componenten overeenkomstig met het systeem- kan functioneren zoals in de specificaties is vastgelegd en zowel beschikbaar als veilig is. [2]

-80- van de 107


Het ontwerpen volgens de RAMS aspecten betekent dat tijdens het ontwerpen wordt gekeken naar de belangrijke indicatoren van de wisselgeometrie en van het tracé. De indicatoren die belangrijk zijn tijdens de ontwerpfase, zijn opgenomen in de RAM formules en met name in het degradatiemodel. De stap die vooraf gaat aan het bepalen en vergelijken van deze indicatoren, zijn keuzen voor bepaalde componenten, een zekere lay-out van het wisselcomplex, de wisselgeometrie e.d.. Een belangrijk kenmerk van het RAMS management is dat het is gebaseerd op de gehele levensloop van het ontwerp. Tijdens het ontwerpen wordt gekeken naar de kosten voor de bouw en de aanleg van het wisselcomplex, maar ook naar de kosten van het onderhoud en de instandhouding. De investeringen of besparingen tijdens de ontwerpfase zijn van grote invloed voor de kosten tijdens de verdere levensduur. Een goed, robuust wisselcomplex kan duurder zijn in de aanleg, maar wanneer dat ruimschoots wordt gecompenseerd door onderhoudsarme componenten met voldoende lange levensduur kan dit als beste alternatief naar voren komen. De levensloopkosten zijn een belangrijke beslissingsfactor bij de afweging van verschillende alternatieven.

6.2.1


De RAM(S) specificaties worden gegeven door de opdrachtgever, waarmee wordt aangegeven wat de vereiste functionaliteit is van het (deel)systeem. De Reliability zal ingaan op het aantal toelaatbare storingen. De Maintainability versterkingsfactor voor niet-gepland onderhoud is mede bepalend voor de Reliability, maar wordt niet als prestatie eis opgegeven. De Maintainability wordt gespecificeerd in het aantal en de duur van de treinvrije perioden, waarbij de Maintainability wordt bepaald door de impact van het onderhoud. De Availability wordt bepaald door de som van het aantal en duur van de storingen en treinvrije perioden. De inhoudelijke opbouw van deze gespecificeerde functies is eerder uitgewerkt in bijlage II.7, wat is aangegeven in de onderstaande tabellen. Voor extra informatie wordt verwezen naar bijlage II.7. Storingscategorie Zeer ernstig Belangrijk

Minder belangrijk

Systeemstoring

Definitie

Totale storing Cruciale, functionele storing

Volledige baanvakstremming Baanvak sterk ontregeld of > 4 treinen opgeheven of omgeleid of > 2 treinen > 20 minuten vertraging of > 7 treinen > 10 minuten vertraging Overigen, maar wel met treinhinder

Niet-cruciale, functionele storing

Gewogen totaal

TAO’s / jaar 0,5 2,2

10,2 13,0

tabel 6.1 Reliability prestatie eis van aantal TAO’s per jaar per klasse voor de Hanzelijn [7]

Storingscategorie

Systeemstoring

Definitie

Zeer ernstig Belangrijk


Minder belangrijk



Gewogen totaal

Fhe Hanzelijn/ -10% 3,0 2,3

1,9 2,3

tabel 6.2 Onvoorziene niet-beschikbaarheid van duur TAO’s per klasse voor de Hanzelijn [7]

Het aantal en duur TVP’s voor de Hanzelijn zijn volgens de eerste opzet in de volgende eisen opgegeven: a. Eens per 4 weken, overdag, een twee-urige enkelsporige TVP per werkzone. b. Eens in de drie maanden, overdag, 4 uren voor elke werkzone een enkelsporige TVP. c. Eens per half jaar een vier-urige TVP van de twee werkzones waarin de overloop ligt (dus tweesporig). De TVP mag ‘s nachts in treinarme/-vrije uren gepland worden. d. Eens in de twaalf maanden, overdag, 3 uren ter plaatse van open spaninrichtingen en beveiligingschakelaars moeten beide aangrenzende werkzones treinvrij, en ook de groepen grenzend aan de spaninrichting of beveiligingschakelaar spanningsvrij gemaakt worden.

-81- van de 107


De verdere specificaties die worden opgegeven, zijn eisen als de levensduur van het systeem en de componenten. Het beschikbare budget is een richtlijn, maar speelt ook een belangrijke rol bij de afweging tussen verschillende alternatieven. De RAMS specificaties worden aangevuld met aspecten uit het Programma van Eisen zoals is aangegeven in hoofdstuk 6.1.1.

6.2.2

Europese standaard voor ontwerp en kwaliteit van tracé, wissels en kruisingen

De “prEN 13232 Railway applications – Track – Switches and crossings” [47] richtlijn is een goede handleiding voor het gericht sturen op de kwalitatieve en kwantitatieve indicatoren van het systeem. De prEN 13232 ontwerp richtlijn is opgedeeld in 9 onderdelen met elk de eigen accenten. Deel 1 bevat de terminologie die in alle delen wordt gebruikt. De delen 2 t/m 4 zijn een basis ontwerpgids, gericht op alle wissel en kruising onderdelen en het tracé. Delen 5 t/m 8 gaan in op specifieke typen onderdelen met bijbehorende toleranties. Deze zijn gebaseerd op de informatie uit de delen 1 t/m 4. Deel 9 definieert de functionele en geometrische dimensies en toleranties van de lay-out. De totale ontwerphandleiding is gebaseerd op de nauwkeurige definiëring van de ontwerp indicatoren voor het tracé ontwerp en het ontwerp van de wisselgeometrie en –constructie. De tongbeweging is gedetailleerd uitgewerkt in verschillende ontwerpmogelijkheden, waarbij de bijzondere details extra zijn belicht. De belangrijkste aspecten die in de richtlijn voor de tongbeweging zijn gedefinieerd, worden nu kort genoemd ter indicatie. E De grootte van de maximale opening tussen de tongspits en aanslagspoorstaaf bij een aangelegen tong voor een goede berijdbaarheid en krachtsoverdracht en ter voorkoming van storing door een te grote opening. E De aansluiting van de tongvoet tegen de naastgelegen aanslagspoorstaaf of glijplaat bevestiging voor de zijwaartse stabiliteit bij het berijden van de tong. E Het hoogteverschil tussen de punt van de tongspits en het loopvlak van de aanslagspoorstaaf om te voorkomen dat het wiel over de tongpunt heengaat zonder te worden geleid. E De nodige krachten en stijfheid voor het omleggen of open rijden van de beweegbare delen. E De niet-aanliggende tong zal een voldoende grote opening moeten garanderen voor het vrij kunnen passeren van de tong en om te voorkomen dat de tongpunt wordt geraakt. E De geometrie van de tongbeweging is in verschillende ontwerpen uitgewerkt met speciaal de aandacht voor de overgang van rechtstand naar boog. De beginhoek van de tongbeweging is bepalend voor de optredende krachten en slip. Er zijn verschillende alternatieven aangegeven als een overgangsboog, spoorverwijding of een verkorte tong. De aangegeven maximale waarde voor de aanloophoek aan het begin van de tong, is bij UIC wielen 1°25’. Alle relevante indicatoren voor de tongbeweging zijn uitgewerkt in de richtlijn. Datzelfde is ook gedaan voor de totale geometrie, de geleidefunctie van het puntstuk, de wisselsteller (bepalend voor de vereiste tongopening voor de vrije flensopening), de geleideregel en andere aspecten. Een belangrijk onderdeel van prEN 13232 is het definiëren van de toleranties en slijtagematen van alle indicatoren. Het is noodzakelijk om te weten wat de toleranties zijn voor maten als de lengte van de strijkregel, voor toleranties als de oppervlakte ruwheid of de zijwaartse afwijking van een ‘rechte’ spoorstaaf. Deze en andere indicatoren zijn in de richtlijn aangegeven met de bijbehorende toleranties. Het opstellen van de toleranties dient als uitgangspunt voor het kunnen vaststellen binnen welke marges een onderdeel, geometrie of aansluiting voldoet in het ontwerp of tijdens het productieproces. De aansluiting van de tong tegen de aanslagspoorstaaf vereist grote nauwkeurigheid, maar het is niet mogelijk te eisen dat de tong feilloos aansluit en daarom is er een tolerantie van 1 mm. Het overzicht van de geaccepteerde marges geeft goed inzicht in de vereiste nauwkeurigheid en de mogelijke afwijkingen. De richtlijn prEN 13232 geeft goede handvatten voor het maken van gedegen afweging tussen verschillende alternatieven en het aansturen op de gevraagde functionaliteit en RAM specificaties. De operatoren van het degradatiemodel worden hierbij bewust afgewogen. De prEN 13232 gaat specifiek in op het ontwerpen van de geometrie en het tracé van wissels en kruisingen wat overeenkomt met het adviesgebied van de groep Baan-&Spoorwegbouw. Aanvullend

-82- van de 107


hierop is het van belang een goed overzicht te hebben van de verwachte faalkansen en levensduur van de gebruikte componenten, wat kan worden bepaald door de wisselleverancier.

-83- van de 107


De RAM waarden worden ook bepaald door de Maintainability van het wisselcomplex ontwerp, wat niet expliciet aan de orde komt in prEN 13232. Het aspect Maintainability wordt daarom apart behandeld.

6.2.3

Maintainability ontwerpparameters

De Maintainability van een wisselcomplex is mede bepalend bij de keuze tussen verschillende ontwerpen. Letten op de Maintainability komt overeen met bewust te sturen op het gemak en de snelheid waarmee gepland en niet-gepland onderhoud kan worden uitgevoerd. De Maintainability wordt gedurende het ontwerpproces door vele keuzen beïnvloed en het is belangrijk om al deze keuzen expliciet te maken en vast te leggen in kwantitatieve parameters. Er wordt nu een kort overzicht gegeven van een aantal Maintainability karakteristieken. Dit is ter indicatie van de bepalende factoren en is zeker niet het complete overzicht. De Maintainability karakteristieken kunnen steeds verder worden uitgebreid bij het uitwerken van een ontwerp en het opstellen van een richtlijn. Een goede Maintainability kan worden verkregen door onder meer: E Het toepassen van onderhoudsarme onderdelen of onderdelen die makkelijk en snel vervangen kunnen worden. E De aansluiting tussen twee wissels voldoende groot te maken voor de vereiste lengte om de nieuwe thermietlas verbindingen te kunnen maken bij het vervangen van een wisselonderdeel. Indien de voorkant van een aangesloten wissel tegen een te vervangen tongbeweging aan ligt, zal dit wissel ook vervangen moeten worden omdat er geen ruimte meer is voor het maken van een nieuwe thermietlas. Dit levert een slechte Maintainability. E Het verhogen van de plaatsingsnauwkeurigheid en ballastondersteuning van het wissel bij de aanleg, geeft significante verbetering van het degradatieproces. E Het bewust afwegen of een component met monitoren of inspecties goed kan worden gestuurd op het voorkomen van een mogelijke storing en om tijdig onderhoud uit te voeren. De nodige frequentie van de inspecties kan gedetailleerd worden vastgesteld met de degradatie van een onderdeel, waarbij faalkans verdeling bepalend is voor de intervallen. Het monitoren en de inspecties zijn van belang voor het controleren van het degradatieproces. Verder gelden de voorschriften voor de goede bereikbaarheid van de baan en specifieke onderhoudsgevoelige onderdelen voor een goede Maintainability.

6.2.4

Analyse RAM(S) ontwerp

Het ontwerpen volgens de RAMS aspecten betekent gericht ontwerpen op de gewenste functionaliteit en RAMS aspecten door het kwantificeren van de belangrijke indicatoren van de wisselgeometrie en van het tracé. Het ontwerp wordt aangestuurd op de gewenste levensduur door de degradatie operatoren bewust mee te nemen. De toleranties van de indicatoren en degradatie operatoren zijn belangrijk voor de nauwkeurigheid. De levensloopkosten van een ontwerp spelen een rol bij de afweging van de alternatieven. De ontwerprichtlijn “prEN 13232 Railway applications – Track – Switches and crossings” is een goede handleiding bij het maken van een ontwerp waarbij wordt aangestuurd op de gewenste functionaliteit en RAMS waarden. Aanvullend hierop is het van belang een goed overzicht te hebben van de verwachte faalkansen en de verwachte levensduur van de gebruikte componenten, wat kan worden bepaald door de wisselleverancier. De Maintainability wordt gedurende het ontwerpproces door vele keuzen beïnvloed en het is belangrijk om al deze keuzen expliciet te maken en vast te leggen in kwantitatieve parameters. Dit gebeurt ook voor de Reliability en Availability bepalende factoren die met de in hoofdstuk 3 bepaalde formules zullen worden uitgedrukt in een zekere waarde. Het is voor het beoordelen van de RAM waarden van belang om per indicator aan te geven wat de beste situatie is en welke situatie de ondergrens aangeeft.

-84- van de 107


De afstand tussen de voorkanten van twee wissels is bijvoorbeeld bepalend voor de Maintainability. De slechtste situatie zal zijn wanneer voor het vervangen van één tongbeweging beide tongbewegingen vervangen moeten worden (afstand is gelijk aan nul) en de beste situatie zal zijn dat het aantal noodzakelijke vervangingen van één tongbeweging uitvoerbaar zijn bij de toegepaste afstand en waarbij het snel en makkelijk uitvoerbaar is. Deze situatie kan door een grotere afstand nog beter worden, maar dan zal het geen verschil meer geven in de Maintainability waarde. De afstand tussen twee wissels is ook bepalend voor de Reliability en Availability. De noodzakelijke tussenafstand voor het dempen van de schommelbeweging is van belang voor de degradatie (slijtage) van de wissels. De afstand gelijk aan nul geeft ook een slechte waarde voor de Reliability en Availability en de afstand gelijk aan de 2 seconderegel is de beste situatie. De vast te stellen boven- en ondergrenswaarden vereisen veel kennis, inzicht en informatie over de mogelijke situaties. Deze waarden zullen bij de verdere validatie en implementatie in een richtlijn worden vastgelegd en zullen door verder onderzoek worden aangevuld. Het is mogelijk de verschillende ontwerpen aan de hand van de verkregen RAM waarden en levensloopkosten objectief met elkaar te vergelijken. De gevonden RAM waarden zullen moeten voldoen aan de gespecificeerde RAMS eisen. Het is mogelijk dat er waarden uitkomen die lager zijn dan de eisen, bijvoorbeeld door de kleine afstand tussen twee wissels omdat de situatie het niet mogelijk maakt dat te verbeteren. Dit zal direct zichtbaar zijn in de RAM waarden en de te verwachte levensduur. Het doeltracé komt overeen met een ontwerp met goede RAM waarden. Het tracé is ontworpen voor een rustige loop in de bogen met een lichte geleiding langs de railkop. De overloopwissel in het afbuigende spoor is op 18 meter achter de kruising gelegd om te zorgen dat de zijwaartse beweging van het voertuig meer is uitgedempt voor het bij het wissel aankomt. Er zijn wel grote investeringen nodig bij de realisatie van het ontwerp, omdat bovenleidingportalen verplaatst moeten worden en de aardebaan moet worden aangepast. De berekening van de RAM waarden en de levensloopkosten van de bestaande situatie en het nieuwe ontwerp kunnen als objectieve meetwaarden dienen bij het bepalen van het beste ontwerp. Het minder onderhoudsintensieve ontwerp kan de extra kosten van de bovenleidingportalen en de aardebaan compenseren. Het ontwerpen van een wisselcomplex vanuit RAM(S) oogpunt komt naar voren als een methodiek voor het kwalitatief en kwantitatief in beeld brengen de belangrijke indicatoren en de gevolgen van een ontwerpkeus op de Reliability, Availability en Maintainability van het systeem. Dit geeft een handvat voor een goede objectieve keuze tussen verschillende ontwerpen met bijbehorende levensloopkosten. De ontwerpmethodiek is in deze analyse gebaseerd op de Europese norm omdat deze de ruimte geeft om goed aan te sturen op de belangrijke ontwerp indicatoren en degradatie operatoren én een goed gedefinieerde nauwkeurigheid geeft. De RAM(S) aspecten zijn echter niet uitsluitend aan deze ontwerpmethode gebonden.

6.3 Vergelijking OVS en RAM(S) De analyse van de ontwerpmethode aan de hand van de OVS-en en de ontwerpmethode op basis van RAM(S) specificaties maakt duidelijk dat beide methoden een andere benadering hebben. De OVS-en gaan specifiek in op het ontwerpen volgens normwaarden waarbij minimum of maximum grenswaarden zijn aangegeven. Zolang aan deze eisen wordt voldaan, kan het ontwerp volstaan. Dit verandert wanneer het niet mogelijk is om deze waarden aan te houden en een bijzondere oplossing noodzakelijk wordt. Het is dan afhankelijk van de kennis van de ontwerper en de opdrachtgever hoe het ontwerp kan worden aangepast en beoordeeld. Het is alleen kwalitatief mogelijk om aan de hand van een (bijzonder) ontwerp te bepalen wat de te verwachten degradatieverloop en levensduurkosten zullen zijn. Er is geen objectief beoordelingscriteria voor het maken van een keuze tussen verschillende ontwerpen of tussen een duurder ontwerp met lage onderhoudskosten en een goedkope maar onderhoudsintensieve oplossing.

-85- van de 107


De ontwerpmethodiek op basis van RAM(S) specificaties gaat uit van een tracé en wisselgeometrie die zorgen voor een rustige treinloop en een langzaam degradatieverloop. De ontwerpkeuzen worden gemaakt op basis van de gespecificeerde functionaliteit en prestaties van het wisselcomplex tijdens de verdere levensduur wat met Reliability en Availability waarden wordt weergegeven. De keuzen worden gemaakt op basis van de gewenste levensduur waarbij de bijbehorende kosten over de gehele levensloop worden bekeken. De aanpassingen in het ontwerp die ten koste gaan van de RAM waarden, worden zichtbaar door lagere waarden. Elke ontwerpbeslissing zal in meetbare RAM waarden worden uitgedrukt waardoor objectieve vergelijking mogelijk is en de degradatie beter kan worden ingeschat. Het beste resultaat kan worden verkregen bij een ontwerpmethode waarmee gericht kan worden aangestuurd op de belangrijke ontwerpparameters en degradatie operatoren, zoals ontwerprichtlijn prEN 13232. De ontwerpmethodiek op basis van RAM(S) specificaties is echter niet aan één bepaalde ontwerpmethode gebonden, doordat het accent vooral ligt op het meetbaar maken van de belangrijke ontwerpkeuzen en de te leveren RAM prestaties. De ontwerpvrijheden zijn groter bij de RAM(S) aspecten doordat functionaliteit en prestaties meetbaar en vergelijkbaar worden gemaakt. De gevolgen van een bepaald ontwerp komen naar voren in de RAM ontwerpresultaten, wat bij de OVS-en afhankelijk is van de bestaande kennis en ervaring. De ruimte waarbinnen het OVS-ontwerp wordt gemaakt is daardoor beperkt tot de marges waarbinnen bekend is hoe het systeem zich gedraagt. De keuze voor een zeker ontwerp is bij de RAM(S) aspecten te maken door vergelijking van de RAM waarden, de verwachte levensduur en de bijbehorende levensloopkosten. De keuze voor een ontwerp, gemaakt volgens de OVS-en heeft geen eenduidige afwegingsfactoren en is sterk afhankelijk van de opdrachtgever. Het is -met verdere uitwerking van de ontwerpmethode op basis van RAM(S) specificaties- mogelijk om van het nieuwe wisselontwerp in bijlage V te zeggen of deze wisselvernieuwing uiteindelijk naast een constructieve verbetering ook een economische verbetering zal geven. De RAM(S) gerelateerde ontwerpmethodiek is door de andere benadering niet hetzelfde als de OVS ontwerpmethodiek. De RAM(S) indicatoren gaan echter goed samen met de OVS ontwerpmethodiek door de OVS ontwerpresultaten in RAM(S) waarden uit te drukken. De RAM(S) indicatoren kunnen meer vrijheidsgraden geven aan de bestaande OVS-ontwerpmethode doordat de gevolgen van de beslissingen zowel kwalitatief als kwantitatief kunnen worden weergegeven.

-86- van de 107


-87- van de 107


7. Richtlijn RAM(S) ontwerpen De richtlijn die wordt opgesteld voor het ontwerpen op basis van RAM(S) aspecten, wordt uitgewerkt volgens de eerste zes stappen van het V-model (zie hoofdstuk 2.3). De richtlijn is nu als kader opgesteld en kan van hieruit verder worden uitgebreid. De verschillende stappen van het V-model worden in dit hoofdstuk kort beschreven, waarbij wordt toegespitst op het ontwerpen van het wisselcomplex. Het ontwerpen op basis van RAM waarden gebeurt met behulp van de kwalitatieve en kwantitatieve indicatoren die de mate aangeven waarin het tracé en wisselgeometrie ontwerp voldoen aan de vooraf gespecificeerde functionaliteit. Deze indicatoren zijn als model uitgewerkt. Eerst wordt echter kort ingegaan op aansluiting van de RAM(S) ontwerp richtlijn op de bestaande richtlijnen.

7.1 Ontwerpmethoden en RAM(S) richtlijn De RAM(S) aspecten worden uitgewerkt in een aparte richtlijn, maar de richtlijn kan ook als een aanvulling gelden op bestaande ontwerpmethoden. De voor dit onderzoek bekeken ontwerpmethoden zijn het ontwerpen volgens de OVS-en of het ontwerpen volgens “prEN 13232 Railway applications – Track – Switches and crossings”. De aanvulling op de bestaande ontwerpvoorschriften zal de vorm hebben van specifieke Maintainability en Safety normen en kwantitatieve indicatoren voor de belangrijke ontwerpkeuzen. Specifieke Maintainability normen zijn bijvoorbeeld eisen voor de bereikbaarheid van de baan met de auto of onderhoudsmaterieel. Een kwantitatieve indicator is de weergave van de RAM waarden met de maximale en minimale waarden, bijvoorbeeld voor de toegepaste boogstraal (in relatie met de toegepaste verkanting). Het ontwerpen op basis van RAM(S) specificaties wordt als zelfstandige richtlijn opgesteld die overeenkomt met het V-model, waarbij gedetailleerd wordt gekeken naar alle fasen van de levenscyclus. Elke fase van het V-model wordt apart uitgewerkt, wat gepaard gaat met een uitgebreide dataverzameling voor alle fasen. Er wordt geen specifieke ontwerp methodiek in de zelfstandige RAM(S) richtlijn opgenomen. Het heeft de voorkeur om de RAM(S) richtlijn uit te werken in aansluiting op de Europese ontwerprichtlijn [47] door de grote keuzevrijheid en de mogelijkheid voor het gebruik van bestaande kennis en informatie. Het direct uitwerken van een zelfstandige RAM(S) richtlijn heeft het risico dat deze te weinig aansluit op of in conflict is met de gebruikte ontwerpmethode. Het kan als zelfstandige richtlijn overkomen als extra administratie. De aansluiting op de OVS-en is momenteel de beste toepassing, maar het optimale resultaat zal er niet mee gehaald kunnen worden door de beperking tot vrijgegeven componenten. Het is met de aangehouden structuur wel mogelijk om het later verder uit te werken als een zelfstandige richtlijn. Het kader van de richtlijn zal nu worden uitgewerkt, voortbouwend op de Europese ontwerprichtlijn Railway applications – Track – Switches and crossings, delen 1 t/m 9. De eerste 6 stappen in het Vmodel worden als leidraad aangehouden. Het acceptatiemodel uit referentie [4] wordt overgenomen in figuur 7.1 om de het proces van de fasen 1 t/m 4 en 6 uit het V-model schematisch aan te geven

7.2 Kader RAM(S) richtlijn Baan-&Spoorwegbouw De richtlijn wordt opgebouwd volgens de structuur van de verschillende fasen van het V-model. De relatie tussen de verschillende fasen is aangegeven in het volgende figuur. De stippellijn geeft aan welke fasen bij de genoemde (hoofd)activiteiten behoren. Het toedelen van de (sub)systeemeisen voor fase 5 is niet expliciet uitgewerkt doordat het samenvalt met onder meer fase 3.

-88- van de 107


Stappen 1 t/m 6 V-model:

1

RAM(S) speficicaties

Fase 1: concept

Wissel concept Voorlopig wisselontwer

Fase 2: Systeemdefinitie

2

Fase 3: Risicoanalyse

3 Identificeren onderzoek

Faalanalyse

Fase 4: Systeemeisen

4 Aanvullend onderzoek

Verificatie matrix 6

Definitief wisselontwer

Object specificaties

Onderhoud specificaties

Constructie specificaties

Fase 5: Toedelen systeem eisen

Fase 6: Ontwerpen

figuur 7.1 Fasen uit het V-model in het ontwerpproces [4]

De belangrijke informatie per fase wordt kort behandeld, waarbij wordt gekeken hoe de in het rapport behandelde informatie en de informatie uit de Europese ontwerprichtlijn hierin terug komen. Er wordt gebruik gemaakt van de informatie uit de referenties [2] en [4].

7.2.1

Fase 1: Concept

De conceptfase is de eerste fase van het project dat start bij het verstrekken van de RAM(S) specificaties en het Programma van Eisen van de opdrachtgever aan het adviesbureau. Het doel van deze fase is het verkrijgen van inzicht in het systeem op hoofdniveau, zodat het mogelijk is alle daarbij behorende RAMS levenscyclus taken voldoende gedetailleerd vast te stellen. Er zal gedurende de conceptfase in het kader van de RAMS eisen, onderzoek worden gedaan om inzicht te krijgen in: Het kader, de context en het doel van het project De verschillende invloedsfactoren, zoals de sociale, economische, politieke invloedsfactoren De algemene RAMS betekenis voor het systeem RAMS is een ondersteuning bij het uitvoeren van het haalbaarheidsonderzoek en bij een financiële analyse. Er wordt een eerste globale risicoanalyse uitgevoerd voor het vaststellen van de eerste risico’s die de RAMS aspecten kunnen beïnvloeden, bijvoorbeeld door interactie met andere systemen of door menselijke invloeden. De informatie die zal worden doorgenomen, zijn de RAMS prestatie eisen van eerdere, soortgelijke projecten en de daarbij bijbehorende risicoanalyses. Het bestaande reglement voor veiligheid en de reglementen voor de spoorwegen vormen belangrijke uitgangspunten. Tot slot wordt er een overzicht gemaakt van de management eisen en de daaruit volgende RAMS systeem taken gedurende de levenscyclus. Het resultaat van deze fase is een schetsontwerp van het (ver)nieuwbouwproject, eventueel met alternatieven. De bekende parameters als aslasten, snelheden e.d. worden zoveel mogelijk vastgelegd. De keuzen voor de uitvoering van de spoorbaan die tijdens deze fase gemaakt kunnen

-89- van de 107


worden, zoals de afweging ballast spoor of ballastloos spoor, worden conform de RAMS prestaties gemaakt.

-90- van de 107


7.2.2

Fase 2: Systeemdefinitie

De tweede fase gaat in op het nader uitwerken van de systeemdefinitie. Het doel van deze fase is het uitwerken van de informatie in gerichte doelstellingen en afbakening van de vraag. De toegepaste condities die van invloed zijn op de systeemkarakteristieken worden in kaart gebracht. De RAMS policy en het doel van de risicoanalyse worden vastgesteld. De veiligheidsdoelstellingen worden uitgewerkt in een Veiligheid & Gezondheidsplan (V&G plan). Er wordt verwezen naar referentie [2] voor de inhoudelijke uitwerking van deze doelen. Als onderdeel van de systeemdefinitie wordt het schetsontwerp nauwkeuriger uitgewerkt en geoptimaliseerd in voorlopige ontwerpen. Referentie [4] geeft als voorbeeld van het optimaliseren het bepalen van de optimale afstand tussen dwarsliggers. Deze afstand wordt bepaald voor het verkrijgen van de goede stijfheid en dempingvermogen van de ondersteuning met behulp van een 2Dcomputerprogramma. De gemaakte systeemkeuzen tijdens de conceptfase worden tijdens deze fase geanalyseerd naar de capaciteit om te kunnen voldoen aan de opgegeven (RAMS) eisen.

7.2.3

Fase 3: Risicoanalyse RAMS

Een belangrijke fase voor het ontwerpen op basis van RAM specificaties is het opstellen van een risicoanalyse. De doelen van deze fase betreffen het vaststellen van de gevaren die bij het systeem horen. Er wordt ook met een gebeurtenissenboom gekeken welke (combinatie van) gebeurtenissen leiden tot een zeker gevaar. De gevaren worden met bijbehorende oorzaken vertaald in de mogelijke risico’s die bij het systeem horen. Er wordt een risico managementplan gemaakt dat tijdens het proces wordt nageleefd. Referentie [2] geeft een overzicht van de te doorlopen stappen voor de genoemde doelstellingen. De risicoanalyse wordt tijdens deze fase uitgewerkt. De risicoanalyse is echter een dynamisch document dat ook gedurende de gehele levensloop steeds verder wordt uitgewerkt en bijgehouden. De gemaakte voorlopige ontwerpen worden allemaal geanalyseerd op de mogelijke risico’s. De risicoanalyse wordt voor het RAMS management uitgewerkt volgens de Failure Mode Effect and Criticality Analysis (FMECA analyse). [3] De FMECA risicoanalyse voor het symmetrisch wissel is uitgewerkt in bijlage III. FMECA is een analysetechniek dat is ontworpen om alle mogelijke afwijkingen in het functioneren van componenten te bepalen en vast te leggen welke gevolgen dat heeft voor het systeem waar de componenten toe behoren. Het accent ligt bij de component FMECA op de oorzaken en het effect van het falen van componenten op het wisselsysteem. Tijdens het ontwerpen kunnen deze kritieke punten worden aangepast, waardoor kostbare wijzigingen achteraf kunnen worden voorkomen. De risicoanalyse wordt vertaald in de tien grootste risico’s om daar tijdens het ontwerpen bewust op aan te sturen. Het uitwerken van de grootste risico’s geeft de grootste winst. De minder belangrijke risico’s komen pas aan de orde wanneer de eerste tien risico’s zijn uitgewerkt tot acceptabele of verwaarloosbare risico’s. De belangrijkste risico’s worden uitgewerkt totdat alle risico’s acceptabel of verwaarloosbaar zijn. Het wisselsysteem wordt voor de theoretische risicoanalyse opgedeeld in de onderdelen: Wisselbedieningssysteem Wisselconstructie Wissel stabilisatieconstructie Wisseltoestellen Het accent ligt voor de groep Baan-&Spoorwegbouw op de wisselconstructie en de stabilisatieconstructie. Deze deelsystemen worden opgedeeld in de componenten waaruit deze zijn opgebouwd. De functies van de systemen worden vastgesteld om de mogelijke faalmechanismen af te kunnen leiden uit de geplande functies en de bijbehorende componenten. De risico’s kunnen worden geïnventariseerd met behulp van bestaande ontwerpkennis, onderzoeken, literatuur en laboratoriumonderzoek.

-91- van de 107


De (theoretische) FMECA risicoanalyse wordt aangevuld met een (praktijk) risicoanalyse vanuit (de) bestaande, soortgelijke praktijksituaties zoals is uitgewerkt in hoofdstuk 4. De analyse van de (bestaande) situatie is van belang voor de specifieke risico’s die bij de situatie horen, zoals de staat van de ondergrond. Deze risicoanalyses en het opstellen van de gebeurtenissenboom resulteren in een gedegen risicoanalyse, waar tijdens het verdere ontwerpproces bewust op kan worden gestuurd. Het resultaat wordt zoals het voorbeeld dat is weergegeven in figuur 7.2. Dit figuur is het eindresultaat van de risicoanalyse van het ballastloos spoor uit referentie [4] waarbij de eerste risico-inventarisatie verder is uitgewerkt met de gebeurtenissenboom in de mogelijke oorzaken en gevolgen. Belastin g specificatie

ontwerp berekeningen

literatuuronderzoek

laboratoriumonderzoek

computer modellen

Type onderzoek

verwaarloosbaar

acceptabel

ongewenst

ontsporing

Risk niveau

onacceptabel

losraken spoorstaaf

X

slijtage

X X

trillingen

X X

afname Availability

Top gebeu rtenis

vermoeiing modus xyz achteruitgang geometrie losraken bevestiging

verandering elasticiteit

Effect

max. spanningsniveau

omgeving

veroudering

Oorzaak

los raken

Mogelijke faalmechanisme

knik Verandering karakteristieken deformatie

Component

breuk

Hoofd element

spoorstaaf

spoorstaaf bevestiging

X

X

X

X

nr. x; § y

X

X

nr. x; § y

X

nr. x; § y

bevestiging

X ondersteuning

X

X

X

X

X

X

X

X

ballastbed

ondergrond

figuur 7.2 risicoanalyse ballastloos spoor [4]

De risicoanalyse is in dit rapport beperkt tot de eerste risico-inventarisatie en zal voor een gedegen risicoanalyse op overeenkomstige wijze als figuur 7.2 dienen te worden uitgewerkt met de resultaten van de gebeurtenissenboom. Het is dan mogelijk om tijdens het ontwerpen nog gerichter te anticiperen op de grootste risico’s tijdens de exploitatiefase. Het weergeven van de risico’s in relatie met de Reliability en Availability waarden gebeurt met het degradatiemodel dat in hoofdstuk 5 is uitgewerkt. De faalmechanismen die bij de bekeken wisselconstructie en stabilisatieconstructie horen en de faalkansen bepaald door het bekeken tracéontwerp zijn –samen met de bijbehorende Maintainability, baanvak specificaties en wissel aanleg- van invloed op de RAM waarden op tijdstip nul. De verandering van de R en A waarden tijdens de exploitatiefase wordt naast de genoemde factoren ook bepaald door het uitgevoerde onderhoud en het gebruik (operation) van het wissel. Het opgestelde hypothese degradatiemodel is weergegeven in het onderstaande figuur.

-92- van de 107

Wissel ontwerpen op basis van Reliability, Availability, Maintainability en Safety Reliabilit y 1,0

Totaal degradatielijn ‘gemiddeld’ wissel

Mogelij ke degradatie bij geen onderhoud

Gepasseerde t onnages

0,99 0

Invloedsfact oren t =t i : - Invloedsfactoren t =t 0 - Oper at i on en Mai nt enance

Invloedsfactoren t =t 0: - Generiek wisselont werp - Tracé - Baan specificaties - Wissel aanleg - Maintainability

figuur 7.3 Hypothese wissel degradatiemodel met bijbehorende invloedsfactoren

7.2.4

Fase 4: Systeemeisen

De tijdens de conceptfase aangegeven hoofdeisen, worden tijdens deze fase vertaald naar de systeemeisen. De doelen van deze fase zijn het specificeren van de RAM specificaties naar het systeem en het opstellen van een RAM verificatie matrix om te testen of het ontwerp voldoet aan de eisen. De verificatiematrix wordt opgesteld met de in hoofdstuk 3 bepaalde RAM formules. De ontwerpkeuzen die worden gemaakt, zullen worden vertaald in bijbehorende RAM waarden welke in de matrix worden geverifieerd. De opzet van de verificatiematrix is weergegeven in het onderstaande figuur. RAM(S) verificatie wissel 4 Reliability ⎛

R = 1−

∑ ⎜⎜ λ ⎝

func

⎛t (T ) ⋅ ceil ⎜ np ,ref ⎜ I ⎝ gem ∑ beroepen

Availability ⎞ ⎞ ⎟ ⋅γ M ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎠

[zie hoofdstuk 3]

Maintainability gepland

M = 1−

∑ (t p − S ) t periode

Maintainability niet-gepland

t +tb +tv +tId +to +tt tnp,ref

γM = a

R≈1

A = 0,998

M = 0,997

-

Geometrie

…

…

…

…

Boogstraal

…

…

…

…

ANSP-Tong

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

Prestatie eis

Totaal

figuur 7.4 Verificatiematrix voor de ontwerpfase

De RAMS waarden vragen een nauwkeurige registratie door de vele factoren en parameters die deze waarden beïnvloeden tijdens het ontwerpen en de exploitatie. Er wordt een RAM programma opgesteld voor de verdere levensloop om de (verandering in) RAM waarden te blijven sturen. [zie voor verdere informatie referentie [2]]

-93- van de 107


7.2.5

Fase 6: Ontwerp

De fase 6 ontwerpfase is voor het ontwerpen van het tracé en het wisselcomplex op basis van de opgegeven eisen en systeemdefinities en op basis van de Europese ontwerprichtlijn “Railway applications – Track – Switches and crossings” [47]. De risicoanalyse, het degradatiemodel en de verificatiematrix zijn belangrijke hulpmiddelen bij het expliciet maken van keuzen die voldoen aan de opgegeven specificaties. De fase is bedoeld voor het ontwerpen van de componenten en deelsystemen die overeenkomen met de RAMS eisen. De componenten en deelsystemen worden gecontroleerd of deze voldoen aan de eisen. De taken die nodig zijn voor de behouden van de RAM waarden gedurende de levensloop, zoals het uit te voeren onderhoud, worden vastgelegd in een RAM programma. Het samenstellen van de deelsystemen en de componenten tot één systeem kan de RAM waarden beïnvloeden, de afstand tussen wissels bepaalt bijvoorbeeld ook het slijtage gedrag van de wissels. De verificatiematrix zal gedurende de ontwerpfase continu worden gebruikt totdat de gewenste waarden zijn verkregen. Er zal als vervolg op dit onderzoek nader onderzoek nodig zijn voor het bepalen van de RAM waarden bij de specifieke keuzes. Dit onderzoek gebeurt met laboratoriumonderzoek en/of uit literatuuronderzoek en/of met modellen en/of berekeningen. De resultaten van deze onderzoeken worden uitgewerkt in Reliability en Maintainability indicatoren waarmee de maximale en minimale waarden worden aangegeven en wat de (totale) vooraf gespecificeerde RAM waarde is. Het ontwerp zal waarden geven die binnen de minimum en maximum grenzen vallen. Het totaal van alle componenten zal groter of gelijk moeten zijn aan de RAM specificaties van de opdrachtgever. Figuur 7.5 geeft een voorbeeld van een R of M indicator. Het geeft de verschillende aanloophoeken weer, bepaald door de aansluiting van de halve tongbeweging op de aanslagspoorstaaf. De ideale situatie met de maximale R of M waarden is een aanloophoek gelijk aan 0° door een goede overgangsboog. De minimaal acceptabele R of M waarden worden gelijk gesteld aan de aanloophoek van 1°25’. De bijbehorende Reliability en Maintainability waarden zullen met nader onderzoek vastgesteld moeten worden. aanloophoek

0?

1,0

(zeer goed)

0,…

(slecht)

R of M


1°25’ met UIC wielen

figuur 7.5 RAM(S) indicator voor aanloophoek tongbeweging

De R en M indicatoren zullen worden opgenomen in de richtlijn zodat een keuze direct is te vertalen in zekere RAM waarden. De indicatoren zullen elk met nader onderzoek worden opgesteld, waarbij het belangrijk is de juiste relaties in rekening te brengen. Er zullen bepaalde vereenvoudigingen of modelleringen moeten worden uitgevoerd om niet het overzicht kwijt te raken in de vele indicatoren. Het wordt in dat geval interessant om de indicatoren impliciet in een computer verificatiemodel op te nemen.

-94- van de 107


Het ontwerp dat voldoet aan alle opgegeven eisen in de verificatiematrix, geeft het definitieve ontwerp van het wisselcomplex of het baanvak met een overzicht van de bijbehorende object, onderhoud en constructie specificaties. [zie figuur 7.1]

7.3 Valideren en verifiëren Het kader van de RAM(S) richtlijn in combinatie met de Europese ontwerprichtlijn “Railway applications – Track – Switches and crossings” is in de hoofdlijnen aangegeven. Het is voor een goede richtlijn belangrijk dat de opgestelde RAM formules, de risicoanalyse en het degradatiemodel nog verder worden uitgewerkt, geverifieerd en gevalideerd. De validatie geeft een betere afstemming van de hulpmiddelen (specifiek de RAM formules) op de praktijksituatie. De validatie en verificaties kunnen tegelijk worden gebruikt voor een goede aansluiting op en eventuele aanpassing van de door de opdrachtgever opgestelde RAM specificaties (TAO’s en TVP’s of EVB’s). Het is aan te raden de huidige resultaten verder uit te werken met een bestaand project waarbij een grotere en nauwkeurigere data analyse wordt uitgevoerd over een langere periode. Het inzicht krijgen in het degradatieproces van een wissel en eventueel van een wisselcomplex vereist meer literatuur, laboratorium en praktijk onderzoek om inzicht te krijgen in de belangrijkste kengetallen en de onderlinge relaties. Het is zeker aan te bevelen om de huidige meetgegevens vanuit de reeds uitgevoerde onderhoud, inspecties en metingen te gebruiken voor deze analyses en/of meetinstrumenten te installeren op representatieve wissels. Het is voor een goede validatie ten zeerste aan te raden om ook nieuwe gegevens te registreren zoals het aantal niet uitgevoerde wisselomleggingen. De opgestelde RAM(S) richtlijn zal met een proefproject dat door ervaren ontwerpers wordt uitgevoerd, geverifieerd en gevalideerd kunnen worden. Het doel is te zien hoe de richtlijn kan worden gebruikt, uitgebreid en vormgegeven voor het verkrijgen van een goede aansluiting op de bestaande kennis en ervaring. Na het testen kan de richtlijn worden gevalideerd op een bestaand project.

-95- van de 107


-96- van de 107


8. Conclusie en aanbevelingen 8.1 Conclusies Doelstelling 1: Een richtlijn RAM(S)-ontwerpen voor de groep Baan- en Spoorwegbouw 8.1.1

De belangrijkste parameters van RAM(S) aspecten zijn: -

de degradatie van het wissel, bepaald door jaartonnages e.d. de gebruikersintensiteit en -interval van het wissel de gedefinieerde stand-by tijd de duur van de gedefinieerde periode de duur van het optreden van een faalmechanisme tot het is hersteld, indien nodig onderverdeeld in verschillende activiteiten de duur van geplande preventieve en/of periodieke onderhoudswerkzaamheden de frequentie van de geplande onderhoudswerkzaamheden de duur van de uitgevoerde inspecties de duur van de tijdelijke snelheid beperking door functioneel falen

De opgestelde formules voor de kanswaarde van de Reliability, Availability en de Maintainability van gepland onderhoud en de versterkingsfactor van de Maintainability niet-gepland onderhoud zijn weergegeven in de onderstaande tabel. Formule ⎛

Reliability 1−

Availability

∑ ⎜⎜ λ ⎝

⎛ t np , ref (T ) ⋅ ⎜ ⋅γ ⎜ I ⎝ gem ∑ beroepen

func

M

⎛ ⎞⎞ ⎛ t np ⎟⎟ ∑ ⎜ λ func (T ) ⋅ ⎜ ⎟⎟ ⎜I ⎜ ⎠⎠ ⎝ gem =1− ⎝ ∑ beroepen

⎞⎞ ⎟⎟ ⎟⎟ ⎠⎠

⎡ ⎞⎤ ⎛ ∑ t In,ref v t 1− ⎢(1− M ) ⋅ f p + + γ e ⋅ (1− R) + ∑⎜ λ func (T ) ⋅ TSB ⋅ TSB ⋅γ M ⎟⎥ ⎟⎥ ⎜ vd t periode t periode ⎢⎣ ⎠⎦ ⎝

Domein

Bereik

Min.

Goe d

[0,tperiode]

[0,1]

0,99

1

[0,tperiode]

[0,1]

0,98

1

[0,tperiode]

[0,1]

0,99

1

[0,tfalen]

[0, 10]

10

0

Maintainability Gepland

Versterkingsfactor

1−


γM =


tabel 8.1 Overzicht kwantificeren RAM(S)

8.1.2

De opgestelde formules en relaties zijn geverifieerd, onder meer voor het vaststellen van het te gebruiken bereik [zie tabel 8.1]. Het theoretische bereik ligt tussen 0 en 1 maar de toe te passen waarden liggen voor de kanswaarden tussen 0,98 en 1 en voor de versterkingsfactor tussen 1 en 10.

8.1.3

De RAM formules zijn gevalideerd met de wisselgegevens van een bestaand wisselcomplex over de periode 2002-2004 om te zien hoe de resultaten bruikbaar zijn voor projecten. De uitgevoerde validatie is hoofdzakelijk een kwalitatieve validatie, door de beperkte beschikbare gegevens met onvoldoende nauwkeurigheid. De resultaten geven aan dat de RAM(S) waarden tegen de bovengrens aanliggen van het bereik 0,99-1,0 wat voldoet aan de verwachte waarden voor één wissel.

8.1.4

De vergelijking van het ontwerpen op basis van RAM(S) specificaties met de bestaande ontwerpmethode op basis van OVS-en laat zien dat beide methoden een andere benadering hebben.

-97- van de 107


Het ontwerpen op basis van OVS-en is gericht op het ontwerpen met normwaarden, waarbij boven- of ondergrenzen worden aangegeven. Het overschrijden van deze grenzen in bijzondere situaties kan niet kwantitatief worden aangeduid, alleen kwalitatief op basis van ervaring. De ontwerp keuzemogelijkheden zijn bij de bestaande ontwerpmethode beperkt tot vrijgegeven methoden en middelen. De keuze tussen verschillende ontwerpen wordt hoofdzakelijk gecalculeerd op de bijbehorende (ver)nieuwbouwkosten, waarbij geen rekening wordt gehouden met de verdere levensloopkosten. Dit kan de beheerder onnodig hoge kosten geven voor onderhoud, terwijl een duurder, maar duurzamer ontwerp vanuit Life Cycle Management aantrekkelijker had geweest. De Maintainability is de tweede belangrijke afwegingsfactor voor verschillende ontwerpen. Er bestaat echter geen eenduidige keuzematrix voor het afwegen van het beste ontwerp. Het ontwerpen op basis van RAM(S) specificaties gaat uit van een doeltracé ontwerp dat een rustige treinloop geeft en voldoet aan de opgegeven RAM(S) specificaties. De ontwerpkeuzen worden gericht gemaakt om te voldoen aan de gespecificeerde functionaliteit en prestaties van het wisselcomplex gedurende de hele levensloop. Het aanpassen van het doeltracé wegens dwangpunten op het emplacement, laat door afname van de RAM(S) waarden zien hoe de functionaliteit verandert. De keuzevrijheden zijn groot doordat in RAM(S) waarden kan worden aangegeven hoe een ontwerp refereert ten opzichte van andere ontwerpen. De bijbehorende kosten van het ontwerp worden over de gehele levensloop bekeken om een goede en objectieve afweging te maken voor het economisch beste ontwerp. De Maintainability van een ontwerp is in waarden aangegeven voor de belangrijke indicatoren, wat het mogelijk maakt om een goede, objectieve afweging te maken. De beide methoden kunnen zowel zelfstandig als gecombineerd worden toegepast. De verwachting is dat de RAM(S) waarden van ontwerpen die voldoen aan de OVS-en door de ingebouwde veiligheden binnen een kleinere marge vallen. Het toepassen van de RAM(S) aspecten (op de OVS-ontwerpmethode) kan een verbetering geven in de keuzeruimte tijdens het ontwerpen, de beslissing voor het definitieve ontwerp en inzicht in de uiteindelijke levensloopkosten. 8.1.5

Het opstellen van de RAM(S) richtlijn is door de beschikbare tijd beperkt tot het opstellen van het kader voor deze richtlijn. De richtlijn wordt bij voorkeur uitgewerkt in aansluiting op de ontwerprichtlijn “prEN 13232 Railway applications – Track – Switches and crossings” vanwege de gedetailleerde opbouw voor het ontwerpen van het tracé en de wisselgeometrie en het uitgebreide overzicht van de verschillende toleranties. Het geeft veel keuzevrijheid en inzicht in de belangrijke ontwerpdetails. De richtlijn is opgesteld volgens de stappen van het V-model, die de verschillende fasen van het ontwerpproject aangeven. De belangrijkste fasen zijn de risicoanalyse, het opstellen van de systeemeisen en de ontwerpfase, welke tijdens het afstudeeronderzoek nader zijn uitgewerkt. De risicoanalyse wordt bij voorkeur gedaan volgens de FMECA methodiek in combinatie met het opstellen van een gebeurtenissenboom om een gedegen overzicht te krijgen van de (belangrijkste) risico’s met de bijbehorende oorzaken en gevolgen. De systeemeisen worden gedefinieerd vanuit de opgegeven RAM(S) specificaties. Het opstellen van een verificatiematrix is van belang om tijdens het ontwerpen te kunnen verifiëren of de gemaakte ontwerpen van de componenten en (deel)systemen voldoen aan de gespecificeerde functionaliteit. Het ontwerpen op basis van de belangrijke RAM(S) indicatoren gebeurt met behulp van de opgestelde risicoanalyse en verificatiematrix en met het model dat is aangegeven in figuur 8.1.

-98- van de 107

Wissel ontwerpen op basis van Reliability, Availability, Maintainability en Safety 1,0

(zeer goed)

0,99

(slecht )

R of M


figuur 8.1 RAM indicator

Er is nader onderzoek nodig voor het vastleggen van de minimale RAM(S) waarden en/of de bijbehorende waarden van de bekeken ontwerpkeuze. De belangrijke RAM(S) indicatoren worden in de richtlijn opgenomen zodat direct kan worden afgelezen welke RAM(S) waarden bij een gemaakte keuze horen. Het wordt bij een groot aantal indicatoren echter interessant om deze in een computermodel op te nemen, zodat het overzichtelijk blijft voor de gebruiker.

Doelstelling 2: Een degradatiemodel van een wissel 8.1.6

De invloedsfactoren van het degradatiemodel zijn verdeeld in de generieke invloedsfactoren die worden bepaald door de intrinsieke wisseleigenschappen en de specifieke invloedsfactoren die bepalend zijn voor de extrinsieke wisseleigenschappen. De invloedsfactoren zijn aangegeven in figuur 8.2. Generiek:

Wissel eigenschappen

Specifiek: Tracé

Baanvak aspecten

Voertuig aspecten

Aanleg en onderhoud

figuur 8.2 Invloedsfactoren voor de degradatie van een wissel

-99- van de 107


8.1.7

De eigenschappen van de invloedsfactoren bepalen hoe de wiel-railinteractie plaatsvindt en de (verandering van) de materiaaleigenschappen in de spoorstaven. Deze processen worden bepaald door de volgende operatoren, die zijn vastgesteld uit een literatuuronderzoek. -

8.1.8

Hardheid railkop, H Oppervlakte ruwheid, θ Slijtagemaat/-coëfficiënt (K), K/H Initiële scheurvorming, W Hertzian contactpunt oppervlak, A Aanloophoek wielen, γ Frictiecoëfficiënt, μ Wielcontact kracht, Q Tangentiële kracht, T Dynamische belasting, F(t) Relatieve slipsnelheid, λ Cumulatieve tonnage, T Temperatuur spoorstaaf, t Kruip en spin, φ

Het opstellen van een degradatiemodel van een wissel is door de vele operatoren met bijbehorende relaties een complex vraagstuk. Tot nu toe zijn de modellen specifiek opgesteld voor de te onderzoeken situatie of sterk vereenvoudigd. Het degradatiemodel is voor dit onderzoek opgesteld als kwalitatief model, op basis van het literatuuronderzoek naar de hiervoor genoemde operatoren en de gesprekken met deskundigen. Het resultaat is weergegeven in het onderstaande figuur, waar de doorgetrokken lijn de degradatielijn is van het geanalyseerde wissel. De onderbroken lijn is de degradatielijn van een gemiddeld wissel dat is weergegeven als referentielijn. Reliability 1,0 Totaal lijn ‘gemiddeld’ wissel

Mogelijke degradatie bij geen onderhoud

0,99 0

ca. 12-18 MT

ca. 110-130 MT

gem. 275-325 MT


figuur 8.3 Kwalitatieve hypothese degradatielijn geanalyseerd wissel

8.2 Aanbevelingen Er zijn tijdens het afstuderen diverse onderdelen ingekaderd of vereenvoudigd om binnen de gestelde tijd de gevraagde doelstellingen te kunnen halen. De volgende adviezen gaan over het oppakken van deze afbakeningen en de vervolgonderzoeken voor de verdere uitwerking van de RAM(S) richtlijn. 8.2.1

De RAMS eigenschappen zijn kwaliteitsbepalend voor een systeem. Voor een succesvolle bijdrage van RAMS aan een systeemontwerp is vereist dat: - De deelaspecten van RAMS in hun onderlinge samenhang worden beschouwd. - De RAM(S) aspecten worden toegepast op alle (deel)systemen van een spoorbaantraject, dus op alle railbouw aspecten als de wissels, het wisselbedieningsysteem, de ES-lassen, de bovenleidingen, de onderbouw e.d.. - RAMS vroegtijdig in een systeemontwerp wordt meegenomen door álle betrokken disciplines - RAMS zich uitstrekt over de complete levenscyclus van het systeem

-100- van de 107

Wissel ontwerpen op basis van Reliability, Availability, Maintainability en Safety 8.2.2

Het onderhoud zou niet als een belemmering van de spoorwegexploitatie moeten worden gezien maar als onderdeel van de exploitatie in de vorm van de gedefinieerde stand-by tijd. Het bewust specificeren van alle spoorwegactiviteiten, exploitatie, onderhoud e.d. geeft goede handvatten voor het optimaliseren daarvan. De resultaten laten zien dat het geanalyseerde wissel vooral laag scoort in de hoeveelheid onderhoud die nodig is. Het aantal storingen is verwaarloosbaar klein, wat overeenkomt met de verwachting dat de RAM(S) waarden van een wissel hoofdzakelijk worden bepaald door de degradatie van het wissel en niet door het onverwacht falen. Het definiëren van de stand-by tijd geeft meer mogelijkheid voor het optimaliseren van het onderhoud met een goed LCC management.

8.2.3

De richtlijn wordt bij voorkeur getest door ervaren ontwerpers, om te zien hoe de richtlijn kan worden gebruikt, uitgebreid en vormgegeven voor het verkrijgen van een goede aansluiting op de bestaande kennis en ervaring.

8.2.4

De meetgegevens van een bestaand wisselcomplex, zoals het gemeten aantal treinen, snelheden en jaartonnages, zijn van belang voor het bepalen van het degradatieproces van het wissel. Het vastleggen van meerdere jaren meetgegevens geeft inzicht in het gebruik en de ontwikkelingen in het aantal aslasten en tonnages per baanvak. Andere gegevens worden specifiek voor een project gemeten, zoals de eigenschappen van de ondergrond. Een goede database van de gegevens is van elementair belang voor het vastleggen van de extrinsieke wisseleigenschappen.

8.2.5

Het valideren van de RAM(S) aspecten, het degradatiemodel en de hulpmiddelen van de RAM(S) richtlijn zoals de RAM(S) indicatoren is de volgende stap voor het gericht afstemmen van de meetwaarden en hulpmiddelen op de praktijksituatie. Het valideren dient voor een betere overeenkomst van de gebruikte parameters en formules en bijbehorende waarden,

8.2.6

Het is aan te raden de huidige resultaten verder uit te werken voor een bestaand project waarbij de een grotere, nauwkeurigere en gerichte data analyse wordt uitgevoerd die ook een grotere periode beslaat. Het inzicht krijgen in het degradatieproces van een wissel en later van een wisselcomplex vereist meer literatuur, laboratorium en praktijk onderzoek om inzicht te krijgen in de belangrijkste kengetallen en de onderlinge relaties. Het is zeker aan te bevelen om de huidige meetgegevens vanuit de uitgevoerde onderhoud en inspecties en meetwagens te gebruiken voor deze analyses en/of op representatieve wissels meetinstrumenten te installeren.

8.2.7

Het wordt aanbevolen de invloedsfactoren en operatoren van het degradatiemodel verder uit te werken. De verschillende invloedsfactoren -de generieke en specifieke wisseleigenschappenhebben wanneer deze bekend zijn, het voordeel dat een bestaand wissel gericht verbeterd kan worden op de slechtst scorende invloedsfactor. Het is bij een voldoende ontwikkeld degradatiemodel mogelijk om direct af te leiden welke invloedsfactor(en) de oorzaak is van afwijkende RAMS waarden. Het degradatiemodel maakt het mogelijkheid om gericht voorspellingen te doen van de te verwachten levensduur en geeft inzicht in de effecten van het uit te voeren onderhoud.

8.2.8

Het inzicht krijgen in de LifeCycle Costs van een wisselcomplex is belangrijk voor een goede toepassing van het RAM(S) management. Het gaat zowel om de kosten van de verschillende componenten en deelsystemen, maar ook om kwalitatieve kosten als de kosten van een uitgevallen wisselomlegging of de kosten van een treinvertraging. Een goed bijgewerkt overzicht van deze kosten geeft tijdens het ontwerpen inzicht in de LCC van verschillende ontwerpen.

-101- van de 107


-102- van de 107


-103- van de 107


Referenties 1. Website van Holland Railconsult: www.hr.nl 2. EN50126 Railway applications – The specification and demonstration of Reliability, Availability, Maintainability and Safety (RAMS), CENELEC European Committee for Electrotechnical Standardization, September 1999 3. FMECA Failure mode Effect and Criticality Analysis; Kwaliteit in Praktijk F20, Peter Van Gestel, Ed Bouwman en Ivan Reijnen, Sigma maart 2004 4. Availability as design starting point: ballastless track development for high-speed rail, K.H. Oostermeijer M.Sc., Voie & Maintenance Paris 13-14 November 2003 5. Spoorambitie 2007, Plan voor een betrouwbaar en beschikbaar spoor, ProRail 28 oktober 2003 6. EcoSwitch, Een beslissingsondersteunend systeem bij het onderhoud van spoorwegwissels en – kruisingen, Haalbaarheidstudie, Willem-Jan Zwanenburg, Augustus 2002 7. RAMS leidraad Nieuwbouw, RAMS begrippenkader en instrumenten, organisatorische, procedurele en procesmatige aspecten en voorbeelden, Peter van Gestel Stuurgroep RAMS Nieuwbouw, ProRail 27 oktober 2003 8. Introductie & Basisprincipes RAMS, deelnemersmateriaal, ProRail 9. Bijlagen BDZ-Model, Vakgroep Veilige Systemen, Holland Railconsult 10. RAMS-Aspecten in de ontwerpfasen, PRC Bouwcentrum, Bodegraven 5 juni 1998 11. RAMS in de planstudiefase, voorloper van een PMS-artikel, ProRail 12. Hogesnelheidswissels voor de HSL-Zuid, een beschikbaarheidstudie, Ir. R.P.J. Jasker (HSL-Z) en ing. G.E. Hoekman (Holland Railconsult), Holland Railconsult 27 maart 2000 13. Modern Railway Track, Second Edition, Coenraad Esveld, MRT- Productions 2001 14. Geometrisch en constructief ontwerp van wegen en spoorwegen. Deel D: Constructief ontwerp van spoorwegen, Prof. dr.ir. C. Esveld, TU Delft Delft september 2004. 15. Reliability –centred Maintenance, John Moubray, Butterworth Heinemann second edition 16. Improvement in the design of switches by means of computer simulation, M. R. Bugarin, J.M.Gacrcia Diaz-de-Villegas, Switch to Delft 2002 17. Reliability theory and practice, Igor Bazovsky, Prentice-Hall Space Technology Series 1961 18. The design and analysis of AVTMR (all voting triple modular redundant) and dual-duplex system, Hyunki Kim, Hyeuntae Lee, Keyseo Lee, Wear Elsevier 6 augustus 2004, Elsevier B.V. 19. ORE D161.1 Dynamic effects of 22,5 t axle loads on the track, Report No. 2. Analysis of dynamic measurements taken with the ORE measuring train with axleloads of 20 and 22,5 t. Office for Research and Experiments of the International Union of Railways, Utrecht April 1986 20. Tribological aspects of wheel-rail contact: a review of recent experimental research, P. Clayton, Wear 191 p.170-183, 1996, Elsevier B.V. 21. Effects of wheel-rail contact geometry on wheel set steering forces, S. Mace, R. Pena, N. Wilson, D. DiBrito, Wear 191 p. 204-209, 1996, Elsevier B.V.

-104- van de 107


22. Simulation of mutual wheel/rail wear, S. Zakharov, I. Zharov, Wear 253 p.100-106, 2002, Elsevier B.V. 23. On some recent trends in modelling of contact fatigue and wear in rail, K. Dang Van, M.H. Maitournam, Wear 253 p. 219-227, 2002, Elsevier B.V. 24. Wear, plastic deformation and friction of two rail steels-a full scale test and a laboratory study, U. Olofsson, T. Telliskivi, Wear 254 p. 80-93, 2003, Elsevier B.V. 25. Mapping rail wear regimes and transitions, R. Lewis, U. Olofsson, Wear 257 p.721-729, 2004, Elsevier B.V. 26. Two-Material Rail Development to Prevent Rolling Contact Fatigue and to Reduce Noise levels in Curved Rail Track, E.J.M. Hiensch, A. Kapoor, B.L. Josefson, J.W. Ringsberg, J.C.O. Nielsen en F.J. Franklin [WCRR 2001] 27. Rolling Contact Fatigue of Rails, what remains to be done?, R.A. Smith, Imperial College of Science, technology and Medicine, London [WCRR 2001] 28. Gauge Face Wear Caused with Vehicle/Track Interaction, Makoto ISHIDA, Misunobu TAKIKAWA, Ying JIN, Railway Technical Research Institute [ WCRR 2001] 29. Simulating rolling-contact fatigue and wear on a wheel/rail simulation test rig, Dr.rer.nat. Detlev Ullrich, Dr.-Ing. Michael Luke [ WCRR 2001] 30. Rail maintenance oriented wheel-rail contact knowledge, Louis Girardi e.a., SNCF [ WCRR 2001] 31. Wheel/Rail Profile Maintenance, Kevin J. Sawley, Transportation Technology Center, Inc., Pueblo, Colorado Identification No. 461 [ WCRR 2001] 32. Wear modelling: analytical, computational and mapping: a continuum mechanics approach, J.A. Williams, Wear 225-229 (1999) p. 1-17, 2002, Elsevier B.V. 33. Ontwerpvoorschrift Baan en Bovenbouw, Spoorligging: ALIGNEMENT, Productbeheer, Rail Infrabeheer Beheer en Instandhouding 01-12-2001

RIB

B&I

34. Ontwerpvoorschrift Baan en Bovenbouw, Spoorligging: SPOREN LAY-OUT, RIB B&I Productbeheer, Rail Infrabeheer Beheer en Instandhouding 01-12-2001 35. Ontwerpvoorschrift Baan en Bovenbouw, Richtlijn voor de bovenbouw: WISSELS EN KRUISINGEN, Service Unit Infrabeheer 36. Baanconcepten voor spoorlijnen, versie 2.0, Holland Railconsult, NS Railinfrabeheer september 1996 37. Ontwerpvoorschrift Wissels en kruisingen, ProRail B&I Productbeheer, ProRail B&I Basisgegevens 01-07-2003 38. Ontwerpvoorschrift Baanlichaam en Geotechniek, ProRail B&I Productbeheer, ProRail B&I Basisgegevens 14-07-2004 39. Naslagwerk “Ontwerpen van spoorlijnen”, Richtlijnen voor de bovenbouw, Wissels en kruisingen (richtlijn), If 5008 01-09-‘93 40. Onderhoud wissels opnieuw gespoord, P. Booij, H. Engelmoer, M. de Glopper, R. Jansen en R. van Ommeren, Delft TopTech Studies, 2004

-105- van de 107


41. Railway Design and maintenance from a Life-Cycle Cost perspective, A decision-support approach, Arjan Zoeteman, 2004 42. Website Strukton Railinfra: http://www.struktonrailinfra.com. 43. Innovation of Turnout and Switch Machine System, Next Generation Turnout (NGT), Yuichiro Hori, Kazue Yasuoka, Minoru Obi, Toshiyuki Kaji, Tatsuo Odaka, Koji Motohashi, JR East Technical Review-No2 p031-037 44. A Study on Reliability Allocation for Rolling Stock System, K. Choe, H.S. Hwang, J.S. Lim, J.S. Jang, M.S. Kim, WCRR 1999 45. Simulation of rail maintenance management for reducing overall life cycle cost, Louis Girardi et al., WCRR 1999 46. Procedure 00055 [a t/m k] Afstemming Beheer & Instandhouding Regio en projectmanagement van Nieuwbouw en wijzigingsprojecten, Ewout Stolwijk, Greet Eijkelenboom, afdeling Basisgegevens RIB januari 2003 47. Railway applications – Track – Switches and crossings Part 1 t/m 9, European Committee for Standardization, Oktober 2002 [prEN 13232-1 t/m 9]

-106- van de 107


-107- van de 107

BIJLAGEN RAM(S) ASPECTEN VOOR HET ONTWERPEN VAN WISSELS Richtlijn ontwerp wissel op basis van Reliability, Availability, Maintainability (en Safety).

Bijlagen eindrapport (concept) Afstudeerwerk van

D.L.M. Warmerdam Afstudeercommissie

prof. dr. ir. C. Esveld (TU Delft) dr. ir. V.L. Markine (TU Delft) ir. T.H.W. Horstmeier (TU Delft) ir. K.H. Oostermeijer (Holland Railconsult)

08 juli 2005

Bijlage


Inhoud bijlagen Inhoud bijlagen ......................................................................................................... 1 I.

Definities ............................................................................................................. 3

II. Kwalitatieve RAM aspecten kwantificeren ....................................................... 7 II.1 Analyse RAM aspecten................................................................................................7 II.2 Reliability ontwerpfase ..............................................................................................15 II.3 Maintainability ontwerpfase ......................................................................................18 II.4 Availability ontwerpfase ............................................................................................21 II.5 Verificatie RAM meetwaarden...................................................................................24 II.6 Conclusie RAM meetwaarden...................................................................................27 II.7 RAM specificaties bestaande projecten ..................................................................28

III.

Wisselconstructie generiek .......................................................................... 32

III.1 Inleiding .....................................................................................................................32 III.2 Systeembeschrijving wissel ....................................................................................33 III.3 Afbakening onderzoeksgebied wissel ....................................................................34 III.4 Functionele decompositie........................................................................................36 III.3.1 Wisselconstructie ................................................................................................................ 37 III.3.2 Stabilisatieconstructie ......................................................................................................... 37

III.4 Fysieke decompositie wissel ...................................................................................37 III.4.1 Wisselconstructie ................................................................................................................ 39 III.4.2 Stabilisatieconstructie ......................................................................................................... 44

III.5 Afwijkingen wissel met mogelijke gevolgen ..........................................................46 III.5.1 Wisselconstructie ................................................................................................................ 47 III.5.2 Stabilisatieconstructie ......................................................................................................... 49

III.6 Mogelijke acties bij afwijkingen...............................................................................50 III.6.1 Wisselconstructie ................................................................................................................ 51 III.6.2 Stabilisatieconstructie ......................................................................................................... 52

III.7 Overzicht FMECA tabel wissel.................................................................................52 III.8 Algemeen beeld storingen .......................................................................................54

IV.

Analyse degradatiemodel wissel ................................................................. 57

IV.1 Literatuuronderzoek degradatie proces wissel ......................................................57 IV.1.1 Samenvatting publicaties..................................................................................................... 57 IV.1.2 Conclusies slijtage en vermoeiing volgens literatuur........................................................... 78

IV.2 Degradatiemodel ......................................................................................................80

V. Ontwerp wisselcomplex................................................................................... 86

-1- van de 87


Bijlage

-2- van de 87


Bijlage

I.

Definities

Alignement

Samenstelling van horizontaal en verticaal tracé

Availability (Beschikbaarheid)

Het vermogen van het systeem om in een toestand te zijn om de gespecificeerde functies onder bepaalde omstandigheden en op een bepaald moment of gedurende een bepaald tijdsinterval uit te voeren. [EN50126]

Beroep Bovenkant spoor (BS) C vervoer D vervoer Dempingszone

De vraag het wissel te berijden en/of om te leggen volgens de gestelde eisen Peil van de laagst gelegen spoorstaaf, gemeten dwars op het spoor

Exploitatietijd Falen

FMECA

Hoofdspoor

Vervoer met wagons met een aslast van 20,0 ton Vervoer met wagons met een aslast van 22,5 ton Een vastgestelde lengte recht spoor tussen wissels onderling, of tussen wissels en bogen waarbij de schommelbeweging van een rijdend rijtuig wordt gedempt De periode waarin het op elk moment mogelijk is het wissel te bedienen en in de gewenste positie te berijden Situatie waarin een onderdeel niet functioneert volgens de gespecificeerde eisen op het moment dat op dat onderdeel een beroep wordt gedaan, onder te verdelen in de gradaties normfalen, functioneel falen en catastrofaal falen Failure Mode Effect Criticality Analysis, hulpmiddel ter ondersteuning van ontwerpprocessen. FMECA wordt ondermeer gebruikt voor het inventariseren van risico’s Sporen waarover de reguliere treindienst wordt uitgevoerd

Spoor op station/emplacement dat met baanvaksnelheid mag worden Hoofdspoor op station/emplacement bereden 2 of meer aaneengesloten gelijkgerichte horizontale bogen met verschillende Korfboog boogstralen Het verloop van het verticale tracé, waarbij in het spoor met verkanting het Lengteprofiel benedenbeen (= laagst gelegen spoorstaaf) maatgevend is LifeCycle Costs; Kosten/baten van het systeem bekeken over de gehele LCC levenscyclus van concept tot sloop. Deze kosten zijn onder te verdelen in investeringskosten, instandhoudingskosten, buitendienststellingskosten en sloopkosten. De waarschijnlijkheid dat een bepaalde activiteit voor actief onderhoud voor Maintainability (Onderhoudbaarheid een item onder gegeven gebruikersomstandigheden kan worden uitgevoerd volgens vastgelegde voorwaarden en aan de hand van vastgestelde ) procedures en hulpbronnen. [EN50126] De waarschijnlijkheid dat een bepaalde activiteit voor actief onderhoud voor Maintainability gepland onderhoud een item onder gegeven gebruikersomstandigheden kan worden uitgevoerd binnen de stand-by periode volgens vastgelegde voorwaarden en aan de hand van vastgestelde procedures en hulpbronnen De weegfactor om aan te geven hoe een bepaalde activiteit voor actief Maintainability niet gepland onderhoud onderhoud voor een item na het optreden van een faalmechanisme onder gegeven gebruikersomstandigheden kan worden uitgevoerd binnen een zo kort mogelijke periode volgens vastgelegde voorwaarden en aan de hand van vastgestelde procedures en hulpbronnen Snelheid waarvoor de te ontwerpen infrastructuur geschikt dient te zijn Ontwerpsnelheid De overgangsboog vormt een geleidelijke overgang tussen een rechtstand Overgangsboog en een boogstraal met straal R, of tussen 2 gelijkgerichte bogen met verschillende stralen. In het eerste geval neemt de boogstraal lineair toe van ∞ (rechtstand) aan het begin van de overgangsboog tot straal R aan het eind van de overgangsboog. In het tweede geval neemt de boogstraal toe van R1, naar R2, waarbij R1 de kleinste en R2 de grootste van de twee boogstralen is.

-3- van de 87


Bijlage

De overgangshelling vormt een geleidelijke overgang van de verkanting tussen 2 spoorelementen. Dit kan dus zowel tussen een rechtstand met verkanting 0 en een boog met verkanting D zijn, als tussen 2 al dan niet tegengestelde horizontale bogen met verschillende verkantingen. In de overgangshelling neemt de verkanting lineair toe van 0 aan het begin van de overgangshelling tot D aan het eind van de overgangshelling (in het geval van een overgang tussen een rechtstand en een boog), of van D1 aan het begin van de overgangshelling tot D2 aan het eind (in geval van overgang tussen 2 bogen met verschillende verkantingen) Ontwerpen Van Spoorlijnen, richtlijnen voor ontwerp spoorbaan constructie, OVS geldig tot 200 km/uur Een karakteristiek van de langdurige gebruikersperiode van een systeem dat RAMS door de toepassing van voorgeschreven ontwerpregels en –methoden, middelen en technieken wordt vastgelegd voor de gehele levenscyclus van het systeem. De RAMS van een systeem kan worden gekarakteriseerd als een kwalitatieve en kwantitatieve indicatoren waarmee de mate wordt aangegeven waarin het systeem -of het subsysteem en componenten overeenkomstig met het systeem- kan functioneren zoals in de specificaties is vastgelegd en zowel beschikbaar als veilig is. [EN50126] Een wereldwijd bekend begrip om de bedrijfszekerheidaspecten (kwaliteit) RAMSHE van het functioneren van een systeem aan te duiden, onderverdeeld in Reliability, Availability, Maintainability, Safety, Health en Environment. RAMS specificaties De vooraf gespecificeerde prestaties waarvoor het systeem in staat moet zijn om deze te leveren gedurende de vooraf gedefinieerde periode(n) De waarschijnlijkheid dat het systeem een vereiste functie correct kan Reliability (Betrouwbaarheid) uitvoeren onder gegeven omstandigheden gedurende een bepaald tijdsinterval [EN50126] De schok die in een trein wordt ervaren wanneer deze vanuit een rechtstand Ruk een boog berijd zonder overgangsbogen De mate waarin een proces vrij is van onaanvaardbare risico’s op letsel en Safety (veiligheid) onveilige situaties [EN50126] Storingsafhankelijk onderhoud; het onderhoud wordt uitgevoerd wanneer een SAO storing is opgetreden of dreigt op te treden 2 of meer aaneengesloten tegengestelde horizontale bogen met S-boog verschillende boogstralen Periode waarin geen treindiensten zijn gepland en de spoorbaan beschikbaar Stand-by periode is voor het uitvoeren van onderhoudswerkzaamheden Station/emplacemen Een begrensde locatie in het spoorwegnet waar 2 of meer sporen liggen en waarbinnen het mogelijk is treinen van spoor te laten wisselen. t Station/emplacemen Alle sporen op een station/emplacement tsporen Treindienst Aantastende Onregelmatigheden; onregelmatigheden in het TAO gebruik van het railnetwerk, waarbij het gaat om een treindienst aantasting (vertraging) van ten minste 3 minuten, onderverdeeld naar oorzaak van optreden. Bestaat uit de in het “horizontale vlak” gelegen rechtstanden en cirkelbogen Tracé, horizontaal met de eventueel daarbij noodzakelijke verkanting en overgangsbogen Bestaat uit de in het “verticale vlak” gelegen rechtstanden (zowel waterpas Tracé, verticaal als in helling) en cirkelbogen (top- en dalbogen) Tijdelijke Snelheid Beperking; opgelegde tijdelijke snelheidsbeperking TSB noodzakelijk voor veilig gebruik van de spoorbaan na het optreden van een faalmechanisme of uitgevoerde wijziging aan het spoor. TreinVrije Periode, periode waarin alle treindiensten die de gespecificeerde TVP werkplaats passeren worden opgeheven om werkzaamheden veilig en in één aaneengesloten periode te kunnen uitvoeren. Het hoogteverschil tussen het bovenbeen (de buitenspoorstaaf) en het Verkanting, D benedenbeen (binnenspoorstaaf)

Overgangshelling

-4- van de 87

Bijlage

Verkantingsoverschot E Verkantingstekort, I Verkanting theoretische Dth Vrije baan spoor Zijspoor Zone-breedte 1/2 b

Zone-lengte x

1-seconde regel

2-seconde regel

-5- van de 87


Het verschil tussen de theoretische verkanting en de toegepaste verkanting, wanneer de theoretische verkanting kleiner is dan de toegepaste verkanting Het verschil tussen de theoretische verkanting en de toegepaste verkanting, wanneer de theoretische verkanting groter is dan de toegepaste verkanting De verkanting waarbij een trein, rijdend met een snelheid V door een boog met straal R, geen zijdelingse kracht ervaart Spoor tussen twee stations/emplacementen dat in principe met baanvaksnelheid bereden wordt Sporen die niet voor de reguliere treindienst worden gebruikt, maar wel voor het opstellen, rangeren, onderhoud, reinigen, beladen e.d. Aan weerszijde van de hartlijn van het spoor geldt een overgangsvrije zone met een breedte van 1/2b, loodrecht gemeten ten opzichte van de hartlijn. Aan de voorkant van het wissel ontstaat daarmee een overgangsvrije zone b (2x1/2b) en aan de achterzijde van het wissel een breedte van b+ de afwijking van het afbuigende spoor. De waarde b is gelijk aan de grootte van de plaatselijk aanwezige spoorafstand. Daar waar sprake is van enkel spoor dient voor b een waarde van 4,0 meter te worden toegepast. De zone-lengte x is een lengte spoor aan de voorkant of de achterkant van het wissel en wordt rekenkundig bepaald met behulp van de vergelijking: X = v·t/3,6 waarbij t [s] = 1 of 2 seconde en v [km/uur] baanvaksnelheid De 1-seconde regel is de regel die wordt toegepast bij de berekening van de lengte van de dempingszone en overgangszone. 1 seconde is de tijd die het materieel nodig heeft om na een verandering van richting tot rust te komen (uitdempen schommelbeweging) De 2-seconde regel is de regel die wordt toegepast bij bepaling van de minimumafstand tussen twee, met de voorkant naar elkaar toe gerichte wissels, in sporen met een baanvaksnelheid groter dan 60 km/uur.


Bijlage

-6- van de 87


Bijlage

II. Kwalitatieve RAM aspecten kwantificeren De aspecten Reliability, Availability en Maintainability worden in deze bijlage uitgewerkt in eenduidige, meetbare dimensies die bruikbaar zijn gedurende de ontwerpfase en de verdere levensloop van de wisselconstructie. De belangrijke parameters voor het kwantificeren van de RAM waarden worden geanalyseerd en in formulevorm uitgewerkt aan de hand van fictieve storingsgegevens. De verkregen relaties worden vervolgens met de faalkans gedefinieerd naar beschikbare gegevens tijdens de ontwerpfase. De faalkansen zijn voor ontwerpbeslissingen af te lezen uit een degradatiemodel. Per RAM aspect worden ook de belangrijke definities en uitgangspunten aangegeven, wat nodig is voor de juiste interpretaties van de formules.

II.1 Analyse RAM aspecten De betekenis en de verschillende waarden van de RAM aspecten worden aan de hand van voorbeelden toegelicht. De waarden van de RAM aspecten worden per situatie aangegeven om de invloed van verschillende situaties aan te geven. De belangrijke aannames en uitgangspunten die bij de analyse naar voren komen, worden expliciet beschreven op het moment dat deze worden vastgesteld.

1. Het eerste figuur II.1 geeft de gewone situatie aan waarbij het systeem in de geplande exploitatietijd goed functioneert en volledig beschikbaar is. Een dag wordt onderverdeeld in de stand-by tijd en de exploitatietijd. De stand-by tijd is de periode waarin geheel geen treindiensten zijn gepland en er ruimte is voor het uitvoeren van onderhoudswerkzaamheden. De exploitatietijd wordt gedefinieerd als de periode waarin het op elk moment mogelijk is om het wissel te bedienen en in de gewenste positie te berijden. Het correct uitvoeren van de vereiste functies komt overeen met een maximale waarde voor Reliability. De Availability heeft de maximale waarde door het volledig functioneel beschikbaar zijn van het systeem gedurende de exploitatieperiode. Uitgangspunten: Stand-by tijd, S = 6 uur Gebruik systeem = 18 uur Aantal beroepen per dag = 10 maal

1

Stand-by tijd 0.00

2.00

Exploitatietijd 4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

16.00

18.00

20.00

22.00

0.00

R

10/10 = 1

A

18/18 = 1

M

n.v.t.

figuur II.1 Goed functionerend systeem

De Reliability wordt berekend met de volgende formule:

R = 1−

totaal aantal gefaalde beroepen door falen systeem 0 = 1− =1 totaal aantal beroepen geanalyseerde (exploitatie) periode 10

R ∈ [0,1]

De Availability wordt berekend met de formule:

A =1−

totale duur falen systeem 0 =1− =1 totale duur geanalyseerde (exploitatie) periode 18

A ∈ [0,1]

De Maintainability wordt hier nog niet geanalyseerd, doordat het beter naar voren komt bij het bekijken van het uitvoeren van onderhoudswerkzaamheden in een later voorbeeld.

-7- van de 87


Bijlage

2. Figuur II.2 geeft een korte onderbreking aan in het gebruik van het systeem, door het optreden van een faalmechanisme van een component. Falen is de situatie waarin een onderdeel niet functioneert volgens de gespecificeerde eisen op het moment dat op dat onderdeel een beroep wordt gedaan, en is onder te verdelen in de gradaties normalen, functioneel falen en catastrofaal falen. Het systeem faalt daarentegen niet omdat het falen van de component is opgeheven op het moment dat er een beroep op het wisselsysteem wordt gedaan. De Reliability van het systeem is nog steeds maximaal. De Reliability van de gefaalde component is afgenomen, mits het falen wordt gesignaleerd door bijvoorbeeld de vraag naar het uitvoeren van de gespecificeerde functie. De Availability is wel lager ten opzichte van de optimale waarde in situatie 1 doordat het systeem korte tijd niet in de gespecificeerde toestand heeft verkeerd (indien dat is gesignaleerd). Een voorbeeld is het omleggen van een wissel dat weigert bij het eerste bedieningssignaal, maar wel reageert op een tweede of derde signaal en op het moment dat de trein het wissel passeert in de goede positie ligt.

2

Stand-by tijd

Exploitatietijd 1

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

16.00

18.00

20.00

22.00

R

1

A

1-1/18 = 0,944

M

n.v.t.

0.00

falen component

figuur II.2 Falen van een component

3.

3

De situatie in voorbeeld 2 is bedoeld om aan te geven dat het falen van een component niet direct hoeft te leiden tot falen van een systeem. In praktijk wordt het wissel vlak voor het passeren van de trein omgelegd. Het falen van een onderdeel wordt bij een omlegging van het wissel meestal vastgesteld door het falen van het systeem. Het falen van het systeem begint dus altijd met één gefaald beroep. Het falen van een component kan bij niet elektronisch aangestuurde onderdelen worden vastgesteld met visuele inspectie of monitoren. Indien een onderdeel tussentijds faalt, zal dat niet worden vastgesteld. De waarden van zowel de Reliability als de Availability worden in figuur II.3 lager ten opzichte van de maximale waarden. De storing is hier snel weer opgeheven zodat de rest van de bekeken tijdsperiode het systeem weer goed kan functioneren volgens de gespecificeerde eisen en omstandigheden.

Stand-by tijd 0.00

2.00

Exploitati etijd 4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

16.00

18.00

20.00

22.00

0.00

R

1-1/10 = 0,900

A

1-1/18 = 0,944

M

--

falen systeem

figuur II.3 Falen van een systeem

4.

4

Het faalmechanisme dat optreedt in figuur II.4 is van dien aard dat de reparatie meer tijd kost. Hierdoor falen er meer beroepen wat een sterkere afname geeft van de Reliability en Availability waarden dan in figuur II.3 het geval is. Het is afhankelijk van het soort faalmechanisme en de daarbij behorende hersteltijd, hoe veel beroepen zullen falen.

Stand-by tijd 0.00

2.00


6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

Reparatie 16.00

18.00

20.00

22.00

0.00

R

1-3/10 = 0,700

A

1-6/18 = 0,667

M

--

langdurig falen systeem

figuur II.4 Langdurig falen van een systeem

-8- van de 87


Bijlage

5. Het faalmechanisme dat optreedt in figuur II.4 wordt nu vergeleken met dezelfde situatie waarbij twee keer meer beroepen op het systeem worden gedaan in een zelfde tijdsperiode. De Reliability verandert weinig ten opzichte van situatie 4 doordat het totale aantal beroepen vrijwel net zoveel is toegenomen als het aantal gefaalde beroepen (7/20* ≈ 3/10). De Availability verandert niet door het grotere aantal beroepen omdat de duur van de storing hetzelfde is als in situatie 4.

* Doordat het interval bij situatie 5 niet exact half zo groot is als het interval bij situatie 4, is het aantal gefaalde beroepen één hoger geworden. Een exact half zo groot interval bij situatie 5 zou betekenen dat er 6/19 beroepen zijn gefaald. Dit verschil is bij een groot aantal beroepen te verwaarlozen.

5

Stand-by tijd 0.00

2.00

Reparatie


6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

16.00

18.00

20.00

22.00

0.00

R

1-7/20 = 0,650

A

1-6/18 = 0,667

M

--

langdurig falen systeem

figuur II.5 Langdurig falen van een systeem bij grotere frequentie beroepen

Het kunnen falen van het wissel wordt niet bepaald door het aantal treinpassages per tijdseenheid, maar door het cumulatieve aantal gepasseerde tonnages in combinatie met het uitgevoerde onderhoud. Het heeft daarom de voorkeur om tijdens het ontwerpen te werken met het relatieve aantal keren falen (6 van de 20). De RAM specificaties van ProRail geven wel aan wat het maximale aantal storingen mag zijn en hoelang deze maximaal duren. Dit absolute aantal keren en duur van het falen worden vastgesteld in relatie met de te verwachte intensiteit en het belang van het bekeken (hoofd)netwerk. Op een hoofdnetwerk zijn minder storingen acceptabel dan op een secundaire lijn waar meer tijd zit tussen twee treindiensten. De RAM specificaties worden dus opgesteld op basis van het belang en de intensiteit van een baanvak, waarmee het absolute verwachte aantal gefaalde beroepen wordt beheerst. Deze specificaties zijn terug te rekenen in het relatieve aantal keren falen.

6. De beroepen zijn tot nu toe als gelijkmatig over de tijd aangehouden. Figuur II.6 geeft de situatie aan waarbij gedurende de spits meer beroepen worden gedaan dan gedurende de rest van de dag.

6a

Stand-by tijd 0.00

6b

2.00

4.00

6.00

Stand-by tijd 0.00

2.00

reparati e


10.00

12.00

14.00

16.00

18.00

Exploitati elijn 4.00

6.00

8.00

10.00

20.00

22.00

0.00

reparati e 12.00

14.00

16.00

18.00

20.00

22.00

0.00

R

1-1/10 = 0,900

A

1-4/18 = 0,778

M

--

R

1-3/10 = 0,700

A

1-4/18 = 0,778

M

--

figuur II.6 Langdurig falen van een systeem bij verschillende frequentie beroepen

De Reliability is in deze situatie afhankelijk van wanneer het falen van het wissel optreedt: tijdens de spits of gedurende de rustigere uren. Het aantal gefaalde beroepen is lager tijdens de rustige periode (voorbeeld 6a) dan tijdens de spits (voorbeeld 6b). De Availability is daarentegen hetzelfde bij een gelijk soort storing, ongeacht wanneer het optreedt. Het grotere aantal gefaalde beroepen komt door het grotere gebruikersaantal van het wissel tijdens de spits. De toename van beide waarden vallen tegen elkaar weg, wat overeenkomt met de verwachting dat de kans op het falen van beroepen niet evenredig toeneemt met een groter aantal beroepen maar wordt bepaald door een faalkans afhankelijk van het reeds gepasseerde aantal tonnages en uitgevoerde onderhoud.. De aanname die dit onderzoek wordt gedaan, is dat de te analyseren exploitatietijd van die duur is (bijvoorbeeld één jaar), dat kan worden uitgegaan van een gemiddelde gebruikersfrequentie. Het aantal opgetreden, gefaalde beroepen wordt dan

-9- van de 87


Bijlage

als gemiddelde waarde bepaald omdat de kans op optreden van een faalmechanisme tijdens de spits net zo groot is als buiten de spits bij een voldoende lange periode. Het bepalen van het aantal gefaalde beroepen, gebeurt tot nog toe door het aantal gefaalde beroepen te tellen. Er wordt met de laatste aanname uitgegaan van een gemiddelde gebruikersfrequentie en dus het gemiddelde interval tussen twee treinen. Het aantal gefaalde beroepen is hierdoor ook te bepalen met de voorgeschreven functiehersteltijd na een zekere wisselstoring en de gebruikersintensiteit op het bekeken baanvak. Het voordeel is dat deze gegevens vanuit statistieken bekend kunnen zijn tijdens de ontwerpfase. Een nadeel bij deze methode is dat de Reliability van het wissel wordt bepaald door externe factoren, namelijk hoe snel het wissel na falen wordt hersteld. Het werken met algemene norm hersteltijd compenseert de directe afhankelijkheid van de Reliability van de uitvoer van herstelwerkzaamheden. De formule voor de Reliability verandert in de onderstaande formule:

Rgem

⎛ ⎛ t np,ref ⎞ ⎞ ⎛ ⎛ totale normduur falen ⎞ ⎞ ⎟⎟ ∑⎜ ceil⎜ ⎟⎟ ⎟⎟ ∑⎜⎜ ceil⎜⎜ ⎟⎟ ⎜ I ⎜ gemiddelde interval ⎝ gem ⎠ ⎠ ⎠⎠ ⎝ ⎝ ⎝ = 1− = 1− ∑ beroepen totaal aantal beroepen geanalyseerde (exploitatie) periode

De term ceil(..) dient voor het naar boven afronden van de waarde tussen de haken, tnp,ref/Igem. Dit is omdat de storing altijd begint met tenminste één gefaald beroep en is dus altijd groter dan 1. Indien de storing net iets korter duurt dan het gemiddelde interval tot de volgende trein, zal de volgende trein net weer kunnen rijden. Wanneer de storing 1,00 keer zolang duur als het gemiddelde interval, zal het tweede beroep ook falen. Indien de storing 1,75 keer langer duurt dan het gemiddelde interval tussen twee treinen zullen ook twee beroepen falen. Het aantal gefaalde beroepen zal altijd een natuurlijk getal betreffen. De duur van de storing met of zonder herstel bepaalt hoeveel meer beroepen zullen falen. De in te vullen tnp geldt voor die storingen die worden meegenomen gedurende de ontwerpfase omdat deze tijdens het gebruik van het wissel worden verwacht. De normduur van het falen is gelijk aan 0 indien er geen falen wordt verwacht. Het gemiddelde interval kan als volgt worden bepaald:

I gem =

duur beschouwde periode totaal aantal beroepen geanalyseerde periode

[tijd ]

De waarde van de gemiddelde Reliability van voorbeeld 6 wordt met deze formule:

⎛ 4⎞ ceil⎜ ⎟ ⎝ 2 ⎠ = 1 − 2 = 0,80 Rgem = 1 − 10 10 De formule geeft bij een gelijkmatig interval hetzelfde resultaat als het aantal gefaalde beroepen gedeeld door het totaal aantal beroepen. Het Reliability van voorbeeld 5 wordt met de nieuwe formule:

⎛ 6⎞ ceil⎜ ⎟ ⎝ 1 ⎠ = 1 − 6 = 0,70 Rgem = 1 − 20 20

-10- van de 87


Bijlage

7. Een systeem met maximale Maintainability waarde is aangegeven in figuur II.7. Het geplande onderhoud is goed uitvoerbaar binnen de stand-by tijd. De Reliability en Availability worden niet aangetast door onderhoudswerkzaamheden en hebben daardoor de maximale waarden.

7

Gepland onderhoud 0.00

2.00

4.00

Exploitat ietijd 6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

16.00

18.00

20.00

22.00

R

1

A

1

M

1

0.00

figuur II.7 Uitvoeren van gepland onderhoud binnen de stand-by periode

De Maintainability van gepland onderhoud wordt met de volgende formule bepaald:

M = 1−

duur gepland onderhoud tijdens exploitatietijd 0 = 1− = 1 totale duur geanalyseerde (exploitatie) periode 18

M ∈ [0,1]

De waarde voor Maintainability wordt eerst per activiteit bekeken en voor een systeem bedraagt het de som of het product van alle onderhoudactiviteiten apart. Het uit te voeren onderhoud wordt onderverdeeld in gepland onderhoud en niet-gepland onderhoud. Het geplande onderhoud heeft het doel het onderhoud zoveel mogelijk in vóóraf geplande perioden uit te voeren en bij voorkeur op tijden dat het wissel niet wordt gebruikt. Het niet-gepland onderhoud is nodig na het optreden van een storing en heeft het doel de storing zo kort mogelijk te laten duren. De doelstelling van beide soorten onderhoud is dus verschillend van aard. De Maintainability wordt daarom apart uitgewerkt voor Maintainability van gepland onderhoud (M) en de versterkingsfactor voor de Maintainability bij niet-gepland onderhoud (γM). 8. Figuur 8 is gebruikt om aan te geven hoe de Maintainability van gepland onderhoud varieert. De Maintainability van gepland onderhoud, M wordt verduidelijkt door de verschillende situaties aan te geven van ‘langdurig gepland onderhoud’ in situatie 8a, ‘de uitloop van gepland onderhoud’ in situatie 8b en ‘de uitloop van langdurig, gepland onderhoud’ bij 8c. Dit dient om aan te geven hoe de Availability en Reliability worden beïnvloed.

Gepland onderhoud

8a 0.00

2.00

4.00


Gepland onderhoud

8b 0.00

2.00

4.00

8.00

0.00

2.00

4.00

12.00

14.00

16.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

16.00

8.00

20.00

22.00

0.00

10.00

18.00

20.00

22.00

0.00

Exploitatietijd

Uitloop 6.00

18.00

Exploitatietijd

Uitloop

Gepland onderhoud

8c

10.00

12.00

14.00

16.00

18.00

20.00

22.00

0.00

R

1

A

1-3/18 = 0,833

M

1-/318 = 0,833

γM

--

R

1-2/10 = 0,800

A

1-3/18 = 0,833

M

1

γM

--

R

1-2/8 = 0,750

A

1-6/18 = 0,667

M

1-3/18 = 0,833

γM

--

figuur II.8 Uitvoeren van gepland onderhoud in de stand-by periode en de exploitatietijd

Gepland onderhoud is onderhoud dat vooraf is ingecalculeerd en gedurende die tijd worden er geen beroepen gepland. Deze onderhoudswerkzaamheden worden zoveel mogelijk in de standby tijd uitgevoerd, wanneer normaal gesproken geen beroepen op het systeem worden gepland. Dit is zoals bij voorbeeld 7 is aangegeven, waar de Maintainability maximaal is.

-11- van de 87


Bijlage

De Maintainability van gepland onderhoud wordt hoofdzakelijk bepaald door de mogelijkheid het werk uit te voeren in de stand-by tijd, wat tijdens de ontwerpfase beïnvloed kan worden. Indien onderhoud niet binnen de stand-by tijd uitvoerbaar is, wordt een langere onderhoudsperiode gepland waarbij overlap over de exploitatietijd noodzakelijk is, zoals bij situatie 8a en 8c. De stand-by tijd betreft voor personenvervoer voornamelijk de nachtelijke uren, in tegenstelling tot goederenvervoer over bijvoorbeeld de Betuweroute waar de stand-by tijd in de uren overdag vallen. Het is tijdens het ontwerpen met name van belang om te letten op de mogelijke hoeveelheid nachtelijke werkuren, wat circa één nacht per twee weken bedraagt. De werkzaamheden die vaker dan deze frequentie worden uitgevoerd, zullen tijdens de exploitatietijd uitgevoerd moeten worden. De Maintainability van gepland onderhoud is dus ook afhankelijk van de duur van de stand-by tijd. Het baanvak waar zowel overdag met name personen treinen rijden en ’s nachts met name goederentreinen kan bij te korte ‘stand-by tijd’ geen maximale Maintainability meer geven. De goede Maintainability gaat ten koste van de hoge eisen voor de exploitatietijd. Goede Maintainability heeft een zekere stand-by tijd nodig om dit mogelijk te maken en om ruimte te hebben bij (dreigend) functioneel falen voor het uitvoeren van de nodige herstelwerkzaamheden. De Maintainability wordt bij de situaties 8a en 8c aangetast (lager dan 1) doordat het onderhoud niet voldoet aan het streven om het snel en gemakkelijk binnen de Stand-by uit te voeren. De Availability wordt hierdoor aangetast. Deze situaties tasten niet de Reliability aan omdat de duur van de werkzaamheden vooraf bekend is en geen treindiensten worden gepland (met uitzondering van de niet-voorziene uitloop in voorbeeld 8c). De eerder bepaalde formule wordt aangepast om direct onderscheid te kunnen maken wanneer de Maintainability de gedefinieerde exploitatietijd aantast:

M = 1−

∑(t p − S ) ∑(duur gepland onderhoud - werkuren tijdens stand - by tijd ) = 1− totale duur geanalyseerde (exploitatie) periode t periode

Uitloop van de werkzaamheden wat vooraf niet wordt voorzien zoals in situaties 8b en 8c tast de Availability én de Reliability aan omdat er treindiensten zijn gepland. De Maintainability van 8b blijft gelijk aan 1 omdat de geplande werkzaamheden binnen de stand-by tijd kúnnen worden. De uitloop van geplande werkzaamheden wordt gezien als het optreden van een storing, waardoor naast de Availability ook de Reliability wordt aangetast. De aantasting van de Reliability wordt bepaald door de duur en de kans op de storing. De kans en gevolgen van uitloop worden groter bij werkzaamheden die net zo lang of langer duren dan de stand-by tijd. Het is belangrijk om bij de referentieduur van het uit te voeren onderhoud rekening te houden met de mogelijke risico’s op uitloop en of de onvoorziene omstandigheden voldoende zijn ingecalculeerd. Het optreden van uitloop van gepland onderhoud heeft geen verband met de Maintainability maar komt veelal door niet voorziene procesafwijkingen. Bijvoorbeeld door het niet geschikt zijn van materieel om onder bovenleiding te kunnen manoeuvreren, waardoor extra tijd nodig is om vervanging te regelen. De risico’s op uitloop die vooraf bekend zijn, worden beheerst tot acceptabele risico’s of voorkomen door een langere treinvrije periode te reserveren.

9. De situaties 9 en 10 worden gebruikt om aan te geven hoe de versterkingsfactor voor Maintainability van niet gepland onderhoud, γM werkt. De γM is in tegenstelling tot de R, A en M geen ‘kans’ dat iets gebeurt zoals wordt verwacht, maar een versterkingsfactor die wordt gebruikt om de duur van een storing te verkorten (of verlengen). Het niet-geplande onderhoud is onderhoud dat onverwacht moet worden uitgevoerd na het optreden van een faalmechanisme en valt altijd in de exploitatietijd van het systeem. De γM heeft dus direct relatie met het functioneel falen van een systeem en dient om de duur van de storing zo kort mogelijk te maken. Het optreden van een storing tegen het einde van de exploitatietijd maakt wel de uitzondering dat de hersteltijd meestal wordt gecombineerd met de stand-by tijd.

-12- van de 87


Bijlage

De functie van het wissel wordt op een andere wijze opgevangen en de korte resterende exploitatieduur na herstel maakt het terugschakelen naar het oorspronkelijke systeem niet meer rendabel. Het moment van het optreden van een storing –tegen einde exploitatieperiode of juist in het midden- is niet te bepalen tijdens de ontwerpfase. Het optreden van het functioneel falen wordt altijd aangehouden op beschikbaarheid aantastend falen dat zo snel mogelijk verholpen dient te worden, omdat de kans bij voldoende grote bekeken periode over de hele dag hetzelfde is. Het doel is dus om met γM de duur van de herstelperiode zo kort mogelijk te houden. De γM wordt bepaald door de duur van het niet-gepland onderhoud vergeleken met de gemiddelde normduur van de herstelperiode die op basis van uitgebreide ervaring zijn opgesteld. Het is tijdens de ontwerpperiode goed om te kijken naar de benodigde tijd voor het uitvoeren van onderhoud, ook in relatie met keuzen die tijdens het ontwerp worden gemaakt én die de duur van het onderhoud beïnvloeden, bijvoorbeeld door te zorgen voor een goede bereikbaarheid van het wissel. De normduur van herstelperioden zijn zeker geen vaste waarden. De ‘Maintainability versterkingsfactor voor niet-gepland onderhoud’ (γM) wordt door de volgende formules bepaald.

γM =

t np duur herstel gefaald wissel = normduur herstel gefaald wissel t np ,ref

γ M ∈ [0,10]

De waarden van γM liggen tussen 0 en 10 om de eigenschappen van de versterkingsfactor duidelijk te onderscheiden ten opzichte van de andere RAM aspecten. Hier geldt dat 0 een zeer goede γM en geeft 10 een slechte Maintainability. De γM = 10 zou betekenen dat de uitgevoerde hersteltijd tien keer langer duurt dan de normtijd die voor de activiteit staat. Deze waarde is al niet meer waarschijnlijk (acceptabel) om in praktijk op te treden. Situatie 9 geeft de verschillende waarden voor de M en de γM. De γM wordt hier aangehouden op 1, uitgaande dat de werkzaamheden worden uitgevoerd binnen de geprognosticeerde tijd. De Maintainability van het geplande onderhoud is hetzelfde als situatie 8a. De Reliability wordt aangetast door de niet-geplande onderhoudswerkzaamheden die het functioneren verhinderen.

Gepland onderhoud

9 0.00

2.00

4.00

Niet-gepland onderhoud


8.00

10.00

12.00

14.00

16.00

18.00

20.00

22.00

0.00

R

1-3/8 = 0,625

A

1-9/18 = 0,500

Mp

1-3/18 = 0,833

γM

1

figuur II.9 Uitvoeren van gepland onderhoud en niet-gepland onderhoud in de beschikbaarheidperiode

Availability wordt hier in grote mate aangetast doordat én het geplande onderhoud binnen de beschikbaarheidperiode valt én niet-gepland onderhoud (van lange duur) moet worden uitgevoerd na het optreden van een storing. Er wordt voor het bepalen van de Availability daarom verschil gemaakt in gepland en niet-gepland onderhoud.

A = 1−

∑ t p + ∑ t np,ref totale duur geplandin exploitatieperiode + niet - gepland onderhoud = 1− totale duur geanalyseerde (exploitatie) periode t periode

Een kanttekening bij niet-gepland onderhoud is dat de duur van deze periode niet alleen bestaat uit het actief uitvoeren van onderhoud zoals de naam suggereert, maar ook het signaleren en identificeren van het probleem, het voorbereiden en uitvoeren van werkzaamheden en het uiteindelijk weer opleveren van een weer functioneel wissel. Indien een faalmechanisme niet te verhelpen is met actief onderhoud, bijvoorbeeld een brug die niet meer dicht kan na teveel uitzetting door hoge temperatuur, kan met passief onderhoud (wachten op voldoende afkoelen) het probleem worden verholpen. De duur van deze wachttijd is samen met de andere tijdsfactoren bepalend voor de duur van het falen van het wissel.

-13- van de 87


Bijlage

10. De invloed van een goede γM op de waarden van de Reliability en Availability is aangegeven in figuur II.10. De γM is beter doordat het correctieve onderhoud sneller kan worden uitgevoerd ten opzichte van de gemiddelde normduur van voorbeeld 9. De γM is alleen van belang voor de duur van de storing. De waarde voor M wordt apart geoptimaliseerd. De verschillen voor gemakkelijk en snel onderhoud zijn aangegeven in figuur II.10 waar dezelfde situatie als figuur II.9 wordt weergegeven.

Gepland onderhoud

10 0.00

2.00

4.00

R

1-2/8 = 0,800

A

1-6/18 = 0,667

Mp

1-3/18 = 0,833

γM

3/6=0,500


8.00

10.00

12.00

14.00

16.00

18.00

20.00

22.00

0.00

Niet-gepland onderhoud bij betere γM

9

figuur II.10 Niet-gepland onderhoud bij goede Maintainability.

Een goede Maintainability kan over langere termijn invloed hebben op de (gemiddelde) Availability door te zorgen dat langdurige onderhoudwerkzaamheden met een zo laag mogelijke frequentie nodig zijn. Het werkt gunstig om de langdurige werkzaamheden zoveel mogelijk te combineren in één langere buitendienststelling, zodat het gebruik van het wissel minimaal wordt verstoord gedurende de totale levensduur.

Samengevat zijn de RAM formules:

⎛ ⎛ t np ⎞ ⎞ ⎜ ceil ∑⎜ ⎜⎜ I ⎟⎟ ⎟⎟ ⎝ gem ⎠ ⎠ Reliability = 1 − ⎝ ∑beroepen

Maintainability =1 −


Availability = 1 −

∑ t p + ∑ t np ,ref t periode

Maintainability versterkingsfactor =

t np t np,ref

De Reliability, Availability en Maintainability zijn in formulevorm opgesteld op basis van bekende onderhouden storingsgegevens van een wissel. Deze gegevens zijn echter niet algemeen te gebruiken voor een nieuw te ontwerpen wissel. De werkelijke hoeveelheid onderhoud en de optredende storingen zijn namelijk niet alleen afhankelijk van het gebruikte type wissel, maar ook van de gebruikersgegevens als bereden snelheid, gepasseerde jaartonnages en in belangrijke mate door de geometrische ligging en de ondergrond. De R, A en M formules zullen daarom toegespitst worden op gegevens die vóóraf bekend zijn over een wissel. Het is mogelijk om een degradatiemodel van een nieuw te leggen wissel te maken, op basis van bekende onderhouden storingsgegevens van het te vervangen wissel, waarbij rekening wordt gehouden met de gebruikerseisen. Het degradatiemodel dient een beeld te geven van de degradatie van het wissel in relatie met toegepast onderhoud. Het degradatiemodel wordt verderop in dit rapport ontwikkeld en maakt het mogelijk om de onderhouden storingsgegevens te voorspellen. De formules voor Reliability, Availability en Maintainability worden nu zo geformuleerd dat het mogelijk is deze waarden te bepalen met behulp van dat degradatiemodel. De aspecten worden zo nodig verder gedefinieerd en worden aannamen geformuleerd.

-14- van de 87

Bijlage


II.2 Reliability ontwerpfase Eerst wordt nog een keer de definitie genoemd. Volgens de norm EN50126 geldt voor Reliability: De waarschijnlijkheid dat het systeem een vereiste functie correct kan uitvoeren onder gegeven omstandigheden gedurende een bepaald tijdsinterval. De Reliability zegt -volgens de definitie- alleen iets over het kunnen vervullen van de gevraagde functie wanneer daarom wordt gevraagd. Het systeem faalt wanneer het niet doet wat het naar behoren hoort te doen. Het gaat hierbij om de primaire functie van het systeem(onderdeel) wat bij een beroep geheel niet wordt vervuld. De voorbeelden 2 (figuur II.2) en 3 (figuur II.3) geven dit verschil weer. Een systeem dat altijd goed functioneert op het moment dat het wordt gevraagd, is een betrouwbaar systeem. Het werkt in praktijk gemakkelijker om te kijken naar de niet-Reliability in de vorm van het aantal keren falen of de kans van het optreden van een verstoring. De Reliability wordt dan (1-kans op falen). De impact van de storing geeft aan wat het effect is van het falen: of het systeem geheel niet bruikbaar is of nog wel gedeeltelijk, bijvoorbeeld door nog één berijdbaar spoor. Het effect van de storing heeft echter geen relatie met de oorzaak en ook niet met de Reliability van het systeem. Het kan zijn dat er als beschikbaarheidsmaatregel een onderdeel dubbel is uitgevoerd, zodat bij storing het systeem nog wel kan blijven functioneren met behulp van het tweede –redundanteonderdeel. De geleidelijke achteruitgang van een systeem, zoals de slijtage van het wissel, is pas falen wanneer het boven een bepaalde waarde komt waardoor de Availability in het geding komt.

⎛

⎛ t np ⎞ ⎞ ⎟⎟ ⎟⎟ ⎝ gem ⎠ ⎠ ⎝ De eerder opgestelde formule vanuit storingsgegevens is: Reliability = 1 − ∑ beroepen

∑ ⎜⎜ ceil⎜⎜ I

Het tijdens het ontwerpen kwantificeren van het aantal keren falen, kan gebeuren door gebruik te maken van de kansen van het optreden van faalmechanismen. De kans dat het faalmechanisme optreedt, is een waarde behorend bij de (gekozen) component dat die (hoofd)functie dient te vervullen. De faalkansen worden bepaald op basis van een representatief onderzoek naar in praktijk optredende faalmechanismen in relatie met de mogelijke faalmechanismen afhankelijk van de gebruikte componenten. De faalkansen zijn uit de registratiegegevens onder meer af te leiden uit de frequentie waarmee het bekeken faalmechanisme optreedt en de verwachte levensduur onder de gespecificeerde condities. De faalkans verandert in de loop van het gebruik van het wissel(component) wat ook terugkomt in het degradatiemodel. Er zijn naast het cumulatieve gepasseerde tonnages meerdere factoren van belang zoals de snelheid en boogstraal waarin het wissel wordt bereden. Deze factoren zijn afhankelijk van de plaats waar het wissel wordt toegepast en worden meegenomen in het degradatiemodel. Een faalmechanisme is bijvoorbeeld een spoorstaafbreuk waarbij de kans op optreden merkbaar vergroot na het overschrijden van de ontwerpbelasting. Het optreden van algehele slijtage van een spoorstaaf is een ander faalmechanisme dat gelijkmatig optreedt in relatie met de gepasseerde jaartonnages. De kansen op het falen van componenten zijn in belangrijke mate afhankelijk van de levenscyclus van het systeem. De optredende faalmechanismen kunnen afhankelijk van de levensduur verschillen in willekeurig falen, kinderziektes en veroudering. [7] Het is afhankelijk van vele factoren of alle fasen even duidelijk te onderscheiden zijn, hoe lang de fasen duren en welke faalmechanismen werkelijk zullen optreden. De storingen die vlak na de inbedrijfstelling optreden, kunnen onder kinderziektes worden gerekend. Naarmate de component ouder wordt neemt de kans per tijdseenheid af dat de component dergelijke storingen ondervindt en gaat de degradatie van de component domineren. De kans op storingen neemt met de leeftijd toe.

-15- van de 87


Bijlage

Gedurende de tijd tussen de periode van kinderziektes en voordat er sprake is van veroudering, is de leeftijd van de component minder belangrijk. De eventuele storingen treden min of meer willekeurig op en hebben niets met toestand of de leeftijd van de component te maken. Deze verdeling is een bekend faalpatroon (A). Er zijn in totaal 6 verschillende faalpatronen mogelijk voor een component als wordt gekeken naar de totale levensduur. Deze vormen zijn weergegeven in het onderstaande figuur: [15] Faalkans

A Kinderziektes

Willekeurig falen

Ouderdom

Tijd of tonnages

Faalkans

B Tijd of tonnages Faalkans

C Tijd of tonnages Faalkans

D Tijd of tonnages Faalkans

E Tijd of tonnages Faalkans

F

Tijd of tonnages

figuur II.12 De 6 faal patronen gedurende de levensloop van het asset

Deze onderverdeling in falen is van belang bij het verzamelen en analyseren van data, voor het modelleren van de (rest)levensduur en voor het bepalen van de meest effectieve en efficiënte onderhoudsmaatregelen Het faalgedrag met blijvend effect op een systeem(onderdeel) kan worden onderverdeeld in verschillende maten van falen, aangezien niet elke degradatie direct tot falen leidt. De gebruikte begrippen voor de verschillende gradaties van falen, zijn: norm falen, functioneel falen en catastrofaal falen. [7] E Norm falen wordt gebruikt om aan te duiden dat de component functioneert maar als gevolg van normoverschrijding moet de component onderhouden worden om functioneel falen en uiteindelijk catastrofaal falen te kunnen voorkomen. Een voorbeeld is een spoorstaaf die is overbelast door railvervoer met een te hoog tonnage. De materiaaleigenschappen in de spoorstaaf zijn door de overbelasting veranderd waardoor de kans op spoorstaafbreuk toeneemt.

-16- van de 87


Bijlage

E De term functioneel falen wordt gebruikt om onderscheid te maken tussen dat een component nog wel functioneert, maar in de gegeven situatie echt niet meer in staat kan zijn de toegedachte functie te vervullen door achteruitgang van de component. Een voorbeeld is een wissel. De motor van de wisselsteller degradeert maar functioneert nog wel. Af en toe hapert de wisselsteller. Op een zijspoor is dat wellicht acceptabel, maar op een hoofdspoor is dat niet acceptabel en heeft het wissel functioneel gefaald.

E Catastrofaal falen is wanneer een component en daardoor het systeem niet meer in staat is de gevraagde functie te vervullen. Het voorbeeld is wanneer er een spoorstaafbreuk optreedt.

De verschillende vormen van falen zijn in de loop van tijd uitgezet tegen verwachte prestatie, wat is aangegeven in figuur II.13. Prestatie

Norm falen Functioneel falen Catastrofaal falen Tijd

figuur II.3 Relatie tussen norm falen, functioneel falen en catastrofaal falen van een systeem

De kans van een bepaald faalmechanisme vermenigvuldigd met de gemiddelde duur van de storing geeft een waarde voor de totale verwachte duur van het falen dat voor de bekeken periode in rekening wordt gebracht. De waarschijnlijkheid van het correct uitvoeren van de vereiste functie; de Reliability, kan samengevat worden uitgedrukt met de volgende dimensies en factoren: E De kans op het falen van het systeem bij een beroep, afhankelijk van het aantal gepasseerde tonnages gedurende de levensduur van de component E De duur van het optredende faalmechanisme, totdat het onderdeel functioneel is hersteld E Gemiddelde interval tussen twee beroepen op het systeem E Het aantal beroepen op een systeem

De waarde voor Reliability R, kan per component, systeemonderdeel en uiteindelijk voor het systeem worden bepaald aan de hand van de volgende formule:

⎛ ⎛t ∑ ⎜⎜ λ func (T ) ⋅ ceil⎜⎜ Inp,ref ⎝ gem R = 1− ⎝ ∑ beroepen

⎞⎞ ⎟⎟ ⎟⎟ ⎠⎠

R ∈ [0,1]

Waarbij geldt: R = Reliability [-] λfunc(T) = De kans op het optreden van een faalmechanisme dat leidt tot functioneel falen van het wisselsysteem, waardoor direct niet-geplande correctieve onderhoudswerkzaamheden nodig zijn, afhankelijk van het gepasseerde aantal tonnages. tnp, ref = De totale, gemiddelde referentieduur van het uitvoeren van niet gepland onderhoud, die is geaccordeerd door de betrokkenen als benodigde tijd, uitgedrukt in een tijdwaarde. Igem = De gemiddelde duur van het tijdsinterval tussen twee beroepen op het wissel, uitgedrukt in een tijdwaarde Σberoepen = totale aantal beroepen voor gebruik wissel gedurende de bekeken periode ceil(..) = De waarden tussen de haken afronden naar boven toe in een geheel getal

-17- van de 87


Bijlage

De waarden voor Reliability kunnen tussen de waarden 0 en 1 liggen, waarbij geldt dat 0 een totaal onbetrouwbare constructie is en 1 een volledig betrouwbare constructie. Een betrouwbare constructie betekent weinig niet-gepland onderhoud. De waarde voor Reliability is direct gekoppeld aan de bekeken component en kan voor een systeem bestaande uit meerdere componenten worden bepaald door de aparte Reliability waarden met elkaar te vermenigvuldigen of op te tellen.

II.3 Maintainability ontwerpfase De definitie van Maintainability is volgens EN50126: De waarschijnlijkheid dat een bepaalde activiteit voor actief onderhoud voor een item onder gegeven gebruikersomstandigheden kan worden uitgevoerd volgens vastgelegde voorwaarden en aan de hand van vastgestelde procedures en hulpbronnen. De Maintainability zegt, in tegenstelling tot de term onderhoud, iets specifiek over het gemak en de snelheid waarmee gedurende de operationele fase gepland en niet-gepland onderhoud aan het systeem kan worden gepleegd. Hierbij wordt rekening gehouden met alle factoren die invloed hebben op de Maintainability, zoals onder meer de technische factoren, de bereikbaarheid en de (Arbo)wetgeving. Onderhoud gaat specifiek in op alle activiteiten die ervoor zorgen dat een object technisch gezien zijn functies kan vervullen. Het gaat hierbij om het voorkomen van functioneel falen, het herstellen van de component of het terugbrengen in een functionele staat. Inspecties worden ook tot het onderhoud gerekend. EN 50126 definieert onderhoud als ‘het in staat houden’ of ‘weer in staat brengen’ van de component. Het onderhoud kan in verschillende soorten worden onderverdeeld. E Het preventieve onderhoud is gericht op het voorkomen van het falen van de component en betreft alle activiteiten die worden uitgevoerd omdat er sprake is van normfalen. Het testen van systemen wegens de mogelijkheid van niet-merkbaar falen valt onder preventief onderhoud. E Het correctieve onderhoud is gericht op de componenten die functioneel hebben gefaald en de activiteiten vinden plaats nadat het falen is opgetreden. Het niet-gepland onderhoud is gericht op het herstellen van de functie en het beperken van de gevolgen van het falen. Het bestaat primair uit het voorlopig herstellen van het gefaalde onderdeel, om dit op een later, gepland tijdstip volledig te herstellen. E Het periodieke onderhoud is het preventieve onderhoud dat met een vast (tijd- of gebruik-) interval wordt uitgevoerd. De regelmatige inspecties en testen vallen er ook onder. Het periodieke onderhoud kan via verschillende strategieën worden uitgevoerd: gebruikersafhankelijk (preventief), toestandsafhankelijk (preventief) of storingsafhankelijk (correctief). De Maintainability van de constructie staat zoals is aangegeven in figuur II.11 Relaties tussen Safety, Reliability, Maintainability en Availability [EN50126] apart van het toepassen van onderhoud. De Maintainability heeft geen relatie met de naleving van het onderhoudsplan. De verschillende vormen van onderhoud zijn hier wel gedefinieerd omdat het soort toe te passen onderhoud wel van belang is voor het dimensioneren van Maintainability. Zo is de benodigde tijd voor het bereiken van de plaats van het onderhoud voor gepland onderhoud minder van belang dan bij niet-gepland onderhoud. Het bereiken van de locatie kan bij gepland onderhoud buiten de geplande onderhoudsperiode worden verzorgd, terwijl het bij niet-gepland onderhoud van belang is om zo snel mogelijk ter plaatse te kunnen zijn. Een goede Maintainability maakt het mogelijk om al het benodigde onderhoud pro-actief uit te voeren in de geplande uren, waardoor het niet-gepland onderhoud kan worden beperkt of zelfs uitgesloten. De Maintainability wordt apart behandeld voor gepland preventief en periodiek onderhoud en nietgepland correctief onderhoud. Deze onderverdeling wordt gemaakt doordat Maintainability van gepland onderhoud, M door andere factoren wordt bepaald dan de Maintainability versterkingsfactor, γM. Het geplande onderhoud wordt positief beïnvloed door de werkzaamheden in de stand-by tijd uit te voeren. Het niet-gepland onderhoud kan worden geoptimaliseerd door te zorgen dat de benodigde activiteiten snel kunnen worden uitgevoerd zodat het wissel zo snel mogelijk weer beschikbaar is.

-18- van de 87

Bijlage


Gepland onderhoud Het onderhoud van het wissel bestaat voornamelijk uit gepland onderhoud. Het uit te voeren gepland onderhoud kan worden onderverdeeld in dagelijks onderhoud bestaande uit het onderhoud dat met grotere frequente moet worden uitgevoerd en jaarlijks onderhoud voor onderhoud dat minder frequent nodig is. De Maintainability van het wissel kan gedurende de ontwerpfase worden beïnvloed door het mogelijk te maken om het kortdurende preventieve en/of periodieke onderhoud uit te voeren in de stand-by tijd. De stand-by betreft meestal de nachtelijke uren voor voldoende lange onderhoudstijd. De gemiddelde benodigde tijd per onderhoudsactiviteit wordt door meerdere factoren bepaald en kan middels een representatief dataoverzicht worden bepaald. Het uitvoeren van frequent onderhoud in de stand-by periode heeft geen (negatieve) invloed op de Maintainability, wat wel het geval is bij dagelijks onderhoud tijdens het geplande gebruik van het wissel. Het is hierbij wel van belang om rekening te houden met de toegestane frequentie voor het uitvoeren van onderhoud in de nachtelijke uren, bepaald volgens de ARBO regels. Dit is gemiddeld één nacht in de twee weken. Het overige onderhoud zal in tijdens de exploitatietijd moeten plaatsvinden. De Maintainability van gepland onderhoud kan tijdens het ontwerpen worden geoptimaliseerd door de nodige werkzaamheden zoveel mogelijk in de stand-by uren inpasbaar te maken. Dit is zowel van belang voor preventief onderhoud als voor periodiek onderhoud. Het is belangrijk om tijdens het ontwerpen te letten op de mogelijkheid om onderdelen van het wissel(complex) apart van elkaar te kunnen vervangen. Het ontwerpen van een wisselcomplex als één voegloos wisselcomplex geeft een veel lagere Maintainability dan wissels die op enige afstand van elkaar liggen. Het maken van een ontwerp met een zekere Maintainability wordt echter in belangrijke mate bepaald door technische en/of economische afwegingen. Een voorbeeld is een afweging tussen een voegloos wissel en een voegwissel. Het uitvoeren van een voegloos wissel is gunstig voor het beperken van het aantal voegen en de dynamische belastingen op het wissel bij openstaande voegen. De axiale kracht die op een voegloos wissel staat door temperatuurwerking (trek/druk) maakt het uitvoeren van vervangingswerkzaamheden aan het voegloos spoor echter complexer. Het afwegen van een voegloos wissel tegen een voegwissel gebeurt hoofdzakelijk vanuit constructief oogpunt en niet op basis van de Maintainability. De Maintainability kan wel een goede weegfactor zijn wanneer het wordt gekoppeld aan de economische aspecten van de keuzen. Het combineren van werkzaamheden voor jaarlijks onderhoud in één langere buitendienststelling tijdens de exploitatieperiode heeft een minder grote impact op de RAM dan vaker een korte buitendienststelling tijdens de exploitatieperiode. Dit komt door de benodigde buffertijd en de benodigde tijd voor bijvoorbeeld de Treindienstleiding en NS Reizigers. Deze tijd wordt per buitendienststelling extra toegevoegd naast de benodigde werktijd. Dit is bepalend voor de Availability en daar zal de uiteindelijke Maintainability tegen afgewogen moeten worden. De Maintainability wordt bepaald door de waarschijnlijkheid om het geplande onderhoud in de standby uren uit te voeren. Dit betekent dat Maintainability wordt bepaald door de volgende dimensies en factoren: E De duur van het geplande onderhoud E De duur van de stand-by tijd E De duur van de geanalyseerde periode De hiervoor besproken punten zijn allemaal van invloed op de duur van het geplande onderhoud wat tijdens het ontwerpen kan worden beïnvloed of als uitgangspunt wordt aangehouden. De Maintainability wordt niet bepaald door de kans van het optreden van een faalmechanisme, omdat de Maintainability systeemgebonden is en niet afhankelijk van het wel of niet optreden van een faalmechanisme.

-19- van de 87


Bijlage

De Maintainability van het geplande onderhoud kan met de eerder bepaalde formule worden uitgedrukt:

M = 1−


M ∈ [0,1]

[II.2]

Waarbij geldt dat: M = Maintainability gepland onderhoud [-] = De duur van het uitvoeren van gepland onderhoud, uitgedrukt in een tijdwaarde. tp S = De duur gewerkte tijd tijdens stand-by tijd, uitgedrukt in een tijdwaarde tperiode = De totale duur van de geanalyseerde exploitatieperiode(n), uitgedrukt in een tijdwaarde. De maat voor Maintainability wordt gekoppeld aan een gestelde periode. Het is ook mogelijk de Maintainability aan andere dimensies te koppelen zoals aan het gebruikersaantal. De waarden voor Maintainability liggen tussen 0 en 1 met M=0 voor zeer slechte Maintainability en M=1 voor zeer goede onderhoudbaarheid. De waarden voor de Maintainability van een systeem worden verkregen door de Maintainability waarden van de componenten te vermenigvuldigen of op te tellen. De M zegt alleen iets over de componenten die direct zijn meegenomen in de berekening en binnen de systeemgrens van het geanalyseerde gebied vallen.

Niet-gepland onderhoud Het is voor niet-gepland onderhoud van belang dat elke activiteit zo kort mogelijk wordt gehouden zodat het wissel weer zo snel mogelijk terug in dienst kan worden genomen. De formule voor nietgepland onderhoud bevat alle tijdfactoren die samen de totale duur van de storing geven, omdat het wissel vanaf het optreden van een faalmechanisme niet meer functioneert. Elke uitgevoerde handeling gaat direct ten koste van het gebruik van het wissel en valt binnen de storings- en hersteltijd. De formule voor de Maintainability versterkingsfactor is:

γM =

t np t np,ref

De Maintainability versterkingsfactor wordt beïnvloed door het demobiliseren van het wissel (spanning van bovenleiding afhalen, wissel vrijgeven), de bereikbaarheid van de plek, de nodige voorbereidingen, het snel kunnen identificeren van de oorzaak van de storing, het verzamelen van het juiste materiaal en materieel en de benodigde tijd voor het uitvoeren van de correctie maatregelen. Het is bij het ontwerpen daarom van belang om de benodigde visuele waarnemingen en testen makkelijk uitvoerbaar te maken. De bereikbaarheid kan worden vergroot door het wissel goed toegankelijk te maken voor het onderhoudsmaterieel. Deze tijdaspecten kunnen ook met enig overlap plaatsvinden, het vrijgeven van het wissel voor onderhoud kan gelijk plaatsvinden met het arriveren van de monteurs. De gebruikte tijdaspecten zullen dan alleen de maatgevende activiteiten betreffen. De kennis van het systeem is van belang voor het beperken van de benodigde tijd voor het identificeren en lokaliseren van de storing. Het uitvoeren van een wissel met unicaten is nadelig voor de logistiek, de voorbereiding, kosten en het uitvoeren van de werkzaamheden. Het speelt voor de Maintainability versterkingsfactor een belangrijke rol om de duur van alle activiteiten apart te benoemen in tegenstelling tot Reliability en Availability waar alle tijdaspecten binnen de gemiddelde totale (norm) faaltijd vallen. De Maintainability versterkingsfactor kan in belangrijke mate worden beïnvloed door elk tijdaspect te optimaliseren.

-20- van de 87


Bijlage

De totale duur van het niet geplande onderhoud wordt gedefinieerd in de belangrijke tijdsaspecten om deze apart te kunnen beïnvloeden: tnp

=

ta + tb + tv + tId + to + tt

Waarbij geldt: tnp = Totale duur van het falen, tussen het optreden van het falen en het uiteindelijk weer opleveren van een functioneel wissel ta = Benodigde tijd van het (de)mobiliseren van het wissel voor en na de werkzaamheden tb = Benodigde tijd voor het bereiken van het wissel tv = Benodigde tijd voor het voorbereiden van de niet-geplande werkzaamheden, verzamelen van materiaal en materieel tId = Benodigde tijd voor het identificeren van het probleem to = Benodigde tijd voor het uitvoeren van de nodige onderhoudsactiviteit(en) = Benodigde tijd voor het testen van de functionaliteit van de herstelde component(en). tt De Maintainability van niet gepland onderhoud, wordt bepaald door de volgende dimensies: E De duur van elk uit te voeren activiteit E De gemiddelde normtijd voor het uitvoeren van onderhoud De Maintainability formule voor niet gepland onderhoud wordt hiermee:

γM = γM tnp, ref


γ M ∈ [0,10]

[II.3]

= Maintainability niet-gepland onderhoud [-] = De totale normduur van het herstellen van het functioneel falen geaccordeerd door de betrokkenen en zo mogelijk onderverdeeld in dezelfde tijdaspecten, uitgedrukt in een tijdwaarde.

De waarden van γM liggen tussen 0 en 10 om de eigenschappen van de versterkingsfactor duidelijk te onderscheiden ten opzichte van de andere RAM aspecten. Hier geldt dat 0 een zeer goede γM en geeft 10 een slechte Maintainability. De γM = 10 zou betekenen dat de uitgevoerde hersteltijd tien keer langer duurt dan de normtijd die voor de activiteit staat. Deze waarde is al niet meer waarschijnlijk (acceptabel) om in praktijk op te treden.

II.4 Availability ontwerpfase De Availability is volgens EN50126: Het vermogen van het systeem om in een toestand te zijn om de gespecificeerde functies onder bepaalde omstandigheden en op een bepaald moment of gedurende een bepaald tijdsinterval uit te voeren. De Availability is een belangrijk aspect voor alle betrokkenen in de spoorwegsector. De Availability van het spoorwegnetwerk is -zoals het in de definitie van EN50126 is beschreven- geheel gericht op het in goede staat zijn van het spoor zodat het operationeel is voor personen- en goederenvervoer onder veilige omstandigheden. De Availability van een component betekent dat de component gedurende een zekere tijdsperiode in goede staat is om de gespecificeerde functies uit te kunnen voeren of het vermogen heeft om in de goede staat te komen. De gespecificeerde functies van het wissel zijn het dragen en geleiden van de passerende treinstellen in de gewenste richting. Het wissel dient geschikt te zijn om de trein in de goede richting te geleiden en heeft het vermogen om in de gewenste positie gelegd te worden op het moment dat het wordt gevraagd. De Availability wordt in dit rapport uitgedrukt in het percentage van de geplande tijd dat het wissel werkelijk beschikbaar is onder vooraf gedefinieerde omstandigheden. Er wordt gesproken over een gemiddelde Availability omdat de beschikbaarheid niet constant is gedurende het genoemde tijdsinterval. Het heeft de voorkeur om te werken met het percentage dat het spoor niet-beschikbaar is. De Availability wordt teruggerekend met A = 1 – niet-Availability.

-21- van de 87


Bijlage

De Availability die hier wordt uitgewerkt, gaat specifiek in op de niet-Availability veroorzaakt door het geplande onderhoud en door het falen van de vooraf gespecificeerde prestaties van het wissel. Het niet functioneren van het wissel buiten de gespecificeerde prestaties, bijvoorbeeld door een stuk plastic in het wissel, worden niet meegenomen in de ontwerpfase. De Availability kan zoals is aangegeven in figuur II.11 Relaties tussen Safety, Reliability, Maintainability en Availability [EN50126] door verschillende factoren worden beïnvloed. Het zorgen voor een goede Reliability door het beperken van de optredende faalmechanismen, heeft positieve invloed op de Availability. [zie figuren II.1 t/m II.10]. De Maintainability heeft direct -en via de Reliability- een gelijk effect op de Availability. De impact van de faalmechanismen op de Availability wordt bepaald door de kans van optreden, de duur van het falen en het effect van het falen. Het effect van het falen bepaalt de mate waarin de Availability wordt aangetast: is het wissel geheel buiten gebruik of kan het nog in één richting worden bereden, of met beperkte snelheid. Het wissel wordt tijdens de herstelwerkzaamheden geheel buiten gebruik genomen. Een tijdelijke snelheidsbeperking (TSB) behoort tot een effect van het optreden van een faalmechanisme. Een te ver doorgesleten wissel kan onveilig zijn voor de ontwerpsnelheid, maar het kan nog wel mogelijk zijn om het wissel te berijden met een lage snelheid. De Availability wordt aangetast door de lagere snelheid terwijl de Reliability bij een TSB door het opgetreden faalmechanisme wordt aangetast. De staat van het wissel wordt bepaald door de rechtertak in figuur II.11: de exploitatie en de uitgevoerde onderhoudwerkzaamheden. Het ontwerp wordt gemaakt op basis van vooraf gespecificeerde eisen en randvoorwaarden. Het degradatiemodel wordt opgesteld op basis van het gedefinieerde onderhoudsprogramma en gebruikerseisen. Het overschrijden van de gespecificeerde eisen en randvoorwaarden versnelt in de meeste gevallen het degradatieverloop. Het is mogelijk om tijdens het ontwerpen te variëren met verschillende onderhoudsfrequenties om te zien wat het effect is op de degradatie (levensduur) van het wissel. De frequentie waarmee het geplande onderhoud wordt uitgevoerd heeft invloed op zowel de staat van het wissel als op de hoeveelheid niet-beschikbaarheid veroorzaakt door werkzaamheden die langer duren dan de stand-by periode. De Availability van de wisselconstructie wordt met de volgende dimensies en factoren bepaald: E Geplande niet Availability, bepaald door: Duur van de geplande werkzaamheden gedurende de exploitatieperiode. Gedurende de werkzaamheden is het wissel geheel afgesloten en dus volledig niet-Available. Duur van de inspecties uitgevoerd in Availability periode De frequentie waarmee alle geplande onderhoud wordt uitgevoerd E Niet-geplande niet Availability, bepaald door: De kans op het optreden van functioneel falen van een component Totale duur van het falen tijdens de exploitatieperiode, nodig voor het demobiliseren van het wissel, het signaleren en identificeren van het falen, het voorbereiden en uitvoeren van het onderhoud en het weer opleveren van een veilig, functioneel systeem, uitgedrukt in een tijdseenheid Het gedeeltelijk beschikbaar zijn van het wissel door een tijdelijke snelheidsbeperking Het effect van het optreden van het falen op het (gedeeltelijk) beschikbaar zijn van het wissel. De opgelegde TSB na het falen van het wissel De niet-Availability is onder te verdelen in geplande niet-Availability (bepaald door totale duur gepland onderhoud tp) en niet-geplande niet-Availability (bepaald door totale duur niet-gepland onderhoud tnp). De geplande niet-Availability wordt alleen veroorzaakt door geplande werkzaamheden of inspecties aan de spoorwegconstructie tijdens de exploitatieperiode. De niet-geplande niet-Availability wordt veroorzaakt door het optreden van een faalmechanisme waardoor het wissel niet meer functioneert en/of een TSB noodzakelijk wordt.

-22- van de 87


Bijlage

De Availability A, kan in formulevorm voor de ontwerpfase als volgt worden uitgedrukt:

⎛ ∑ t p + ∑ t np ,ref ⎞ ⎟ A = 1− ⎜ A ∈ [0,1] ⎜ ⎟ t periode ⎝ ⎠ ⎡ ∑((t p,ref − S) ⋅ f p ) ∑ t In,ref ⎛ ⎞⎤ t np,ref ⎞ ⎛ v t ⎟ + ∑⎜ λ func(T ) ⋅ TSB ⋅ TSB ⎟⎥ A = 1− ⎢ + + γ e ⋅ ∑⎜ λ func(T ) ⋅ ⎜ t periode t periode t periode ⎟⎠ ⎜⎝ vd t periode ⎟⎠⎥⎦ ⎢⎣ ⎝ tp/tperiode

A∈[0,1]

tnp,ref/tperiode

Waarin geldt: A = Availability [-] tp = De totale, gemiddelde duur van het uitvoeren van gepland onderhoud, die gemiddeld wordt gebruikt voor het uitvoeren van het onderhoud, uitgedrukt in een tijdwaarde. S = De duur gewerkte tijd tijdens stand-by tijd, uitgedrukt in een tijdwaarde fp = De frequentie waarmee het geplande onderhoud dient te worden uitgevoerd gedurende de bekeken periode = De gemiddelde normduur van uit te voeren inspectie ter controle van staat van tIn, ref het wissel tijdens gepland gebruik van het systeem, uitgedrukt in een tijdwaarde. γe = Het effect van het optreden van het falen, 0 = het wissel is geheel bruikbaar is, 0,5 = het wissel is slechts in één richting (rechtdoor of afbuigend) berijdbaar 1 = het wissel is totaal niet Available. λfunc(T) = De kans op het optreden van een faalmechanisme dat leidt tot functioneel falen, afhankelijk van het gepasseerde aantal tonnages. tnp, ref = De normduur van het uitvoeren van niet-gepland onderhoud die gemiddeld wordt gebruikt voor het signaleren van het opgetreden faalmechanisme en het uitvoeren van het onderhoud, uitgedrukt in een tijdwaarde tperiode = De totale duur van de bekeken gebruikersperiode(n), uitgedrukt in een tijdwaarde. vTSB = De snelheid bij tijdelijke snelheidsbeperking. Indien er geen tijdelijke snelheidbeperking is opgelegd is deze waarde gelijk aan nul. vd = De snelheid waarop het wissel is ontworpen en wordt aangehouden als de gebruikerssnelheid. tTSB = De duur van de tijdelijke snelheidsbeperking, uitgedrukt in een tijdswaarde. De maat voor Availability kan worden gekoppeld aan een gestelde periode, het gebruikersaantal of een andere dimensie. De waarden voor Availability liggen tussen 0 en 1 met A=0 voor geen beschikbaarheid en A=1 voor een volledige beschikbaarheid. De waarde van de Availability geldt net als de waarden van Reliability en Maintainability alleen voor de componenten en het systeem dat binnen het geanalyseerde systeemgebied vallen voor de bekeken periode.

-23- van de 87

[3.4]


Bijlage

II.5 Verificatie RAM meetwaarden De waarden die vanuit de RAM formules worden verkregen, worden geverifieerd in een spreadsheet. De verificatie dient om aan te geven wat het effect is van verschillende perioden gepland en niet gepland onderhoud, bekeken over de totale periode van een jaar. De in te voeren gegevens zijn bepaald vanuit gebruikgegevens van een wissel in het onderzochte wisselcomplex. Stand-by tijd Exploitatietijd Totaal aantal treinen wissel

S E n

4 20 663

Bekeken periode Gemiddelde interval Stand-by tijd Exploitatietijd Totaal aantal treinen wissel

T

52 0,211 1.456 7.280 34.476

Igem ST ET nT

uur/dag uur/dag per week weken uur uur/periode uur/periode per periode

= 12,7 Minuten

tabel II.1 Input gegevens wissel

De bepaalde formules worden met verschillende waarden voor gepland onderhoud en niet-gepland onderhoud bekeken, waarbij voor niet-gepland onderscheid wordt gemaakt in de normduur en de werkelijke duur van de herstelwerkzaamheden. Duur gepland onderhoud (tp > S)

Duur inspectie [uur/jaar]

[uur/jaar]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

0 4 20

0

Duur niet gepland onderhoud (norm)

Duur niet gepland onderhoud

[uur/jaar]

[uur/jaar]

0

0

26

10 10 10 10 10 52

5 10 20 0,1 100 52

1

120

120

70

70

725

725

725 1

725 1

4 10

52 120 725

52 3640 3640 6

1

tabel II.2 Input verschillende onderhoudsperioden

De eerste waarden voor de onderhoudsduur zijn voor het vaststellen van de minimale waarden om verschil te zien in de RAM waarden. De beide soorten onderhoud worden verdubbeld om te zien wat dat voor effect geeft. Met name de verschillen tussen normduur en werkelijke duur niet-gepland onderhoud en het effect van een twee keer langer of korter durende storing is nader bekeken. Er is gekeken naar het effect van één uur gepland (tijdens de exploitatieperiode) én niet-gepland onderhoud per week met een half uur inspectie per week.

-24- van de 87


Bijlage

Andere mogelijke waarden zijn het uitvoeren van 10 uur onderhoud per maand (120 uur per jaar) zowel voor gepland onderhoud als voor storing. Tot slot is gekeken naar de extreme waarden van onderhoud en dus de extreme RAM waarden. Dit om een beeld te geven van het gebied waarin het nuttig is te variëren met de RAM waarden en te zien bij welke waarden het aantal optredende storingen onacceptabel is. De resultaten hiervan zijn hieronder aangegeven. Reliability [R] [-]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 0,999 0,999 0,997 1,000 0,986 0,993 1,000 0,983 1,000 0,990 1,000 0,900 1,000 0,900 1,000

Maintainability Maintainability Availability gepland versterkingsfacto [A] [-] [-] r [-]

1,000 0,999 0,997 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 0,993 0,984 1,000 0,900 1,000 1,000 1,000 0,500 0,500 0,999

1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 0,500 1,000 2,0 0,010 10,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000

gefaalde treinen [per jaar]

1,000 0,999 0,997 0,999 0,999 0,999 0,999 0,997 1,000 0,986 0,982 0,984 0,983 0,900 0,990 0,993 0,900 0,500 0,400 0,999

0 0 0 0 0 24 48 95 1 474 247 0 569 0 332 0 3.434 0 3.434 5

tabel II.3 Resultaten RAM aspecten voor ingevoerde onderhoudsperioden gegevens wissel

De M is bij 4 uur gepland onderhoud per jaar zichtbaar afgenomen met 0,1% tot 0,999. De Availability wordt ook 0,1% lager. Er zijn bij gepland onderhoud en bij inspecties geen gefaalde treinen doordat er vooraf rekening mee is gehouden en geen treinen zijn gepland. Korter dan 4 uur gepland onderhoud is niet zichtbaar. Het halveren of verdubbelen van de duur van een storing (5 uur, 10 uur, 20 uur) geeft een duidelijk verschil in het aantal gefaalde treinen, terwijl het verschil tussen een storing van 5 of van 10 uur in de aparte RAM waarden minder goed zichtbaar is. Het effect van één uur gepland én niet-gepland onderhoud per week (52 uur per jaar), met een half uur inspectie per week is zeer goed zichtbaar in het aantal gefaalde treinen en de ‘grote’ afname van de RAM waarden. Dit voorbeeld met 247 gefaalde treinen in één jaar (4,75 gefaalde treinen per week) maakt het aannemelijk om te kijken naar RAM waarden die elk minimaal 0,990 zullen zijn. Waarden lager dan 0,990 zoals in regels 12 en 13 geeft al zo’n groot aantal niet gereden treinen en/of storingen dat het zeer ongunstig is. Dit geldt helemaal voor het werken met RAM waarden tot 0,900, wat 3.434 gefaalde of niet ingezette treindiensten betekent en de gewenste operationaliteit te sterk wordt aantast voor alle betrokken partijen.

-25- van de 87


Bijlage

-26- van de 87


Bijlage

II.6 Conclusie RAM meetwaarden De waarden die voor de aspecten Reliability, Availability en Maintainability zijn opgesteld, zijn op basis van kansen van het optreden van faalmechanismen, de duur en de verdeling van de werkzaamheden en inspecties aan het wisselsysteem. De formules van de drie aspecten worden hieronder samengevat. Voor de betekenis van de factoren wordt verwezen naar de paragraaf waar het aspect is uitgewerkt.

Formule

⎛

Reliability

1− Availability

⎝

⎛ t np , ref (T ) ⋅ ceil ⎜ ⎜ I ⎝ gem ∑ beroepen

func

⎞⎞ ⎟⎟ ⎟⎟ ⎠⎠

⎡ ∑((t p, ref − S) ⋅ f p ) ∑tIn, ref ⎛ ⎞⎤ tnp, ref ⎞ ⎛ ⎟ + ∑⎜λfunc(T) ⋅ vTSB ⋅ tTSB ⎟⎥ + + γ e ⋅ ∑⎜λfunc(T) ⋅ 1− ⎢ ⎜ ⎟ ⎜ t periode t periode t periode⎠ ⎝ vd t periode⎟⎠⎥⎦ ⎢⎣ ⎝

Maintainability Gepland 1 −

Versterkingsfactor

∑ ⎜⎜ λ


t np t a + tb + t v + t Id + t o + tt = t np ,ref t np ,ref

Domein [0,tperiode]

Bereik

Min.

[0,1]

0,99 1

Goed

[0,tperiode]

[0,1]

0,98 1

[0,tonderhou d]

[0,1]

0,99 1

[0,therstel]

[0, 10] 10

0

tabel II.1 Overzicht kwantificeren RAM

De Reliability wordt beïnvloed door het optreden van onverwacht falen waardoor herstelwerkzaamheden nodig zijn. De γM versterkingsfactor heeft een direct effect op de duur van de storing. Het geplande onderhoud beïnvloed alleen de Availability en niet de Reliability. De Availability wordt dus zowel door gepland onderhoud beïnvloed als door niet-gepland onderhoud en dus door de Reliability (aantal storingen). [Zie ook figuur II.11]

RAMS

Safet y

Rel i abil i t y & Mai nt ai nabi l i t y

Avai l abi l i t y

Oper at i on & Mai nenance

figuur II.11 Relaties tussen Safety, Reliability, Maintainability en Availability [EN50126]

De ontwerpkeuzen voor Maintainability worden in belangrijke mate bepaald door de (levensduur)kosten. Het is inzetten van meer mankracht kan na falen een snellere hersteltijd geven maar dat geeft wel meer kosten. Een duurder, minder onderhoudsgevoelig onderdeel kan worden afgewogen tegen een goedkoop, onderhoudsintensiever onderdeel. Er dienen tijdens de ontwerpfase wel gegevens beschikbaar te zijn over de kosten van verschillende onderhoudsactiviteiten en vervangingswaarden van componenten.

-27- van de 87


Bijlage

De relaties van de RAM aspecten zijn als volgt: E Maintainability E Reliability E Availability

M en γM hoofdzakelijk bepaald door LCC RTotaal mede bepaald door γM ATotaal mede bepaald door RTotaal en M

De Reliability geeft met de formule het absolute aantal keren aan dat een beroep faalt. Dit werkt ongunstig voor het berekenen van de Availability vanuit de Reliability, omdat daarmee de volledige periode na een gefaald beroep tot aan het volgende beroep wordt gerekend tot het niet beschikbaar zijn. Het is hierdoor noodzakelijk om de Reliability voor de Availability met de decimale uitkomsten uit te drukken. De duur van het falen wordt zoals hiervoor is vastgesteld, mede bepaald door de γM. De nieuwe vormen worden RTotaal met γM en ATotaal bepaald door Rtotaal en M:

⎛ ⎛ ⎞⎞ ⎛ t np,ref ⎛ t np ⎞ ⎞ ⎜ ⎜ ⎟ ⎟ ⎟⎟ ⎜ ⎜ λ ( ) γ λ ( ) T ⋅ ⋅ ∑ T ⋅ ∑ ⎜ func ⎜ I M ⎟ func ⎜ I ⎟⎟ ⎜ ⎟ ⎠⎠ ⎝ gem ⎝ gem ⎠ ⎠ ⎝ ⎝ =1− RTotaal = 1 − ∑ beroepen ∑ beroepen

⎡ ⎛ ⎞⎤ ∑t In,ref v t + γ e ⋅ (1 − RTotaal) + ∑⎜ λ func(T ) ⋅ TSB ⋅ TSB ⋅ γ M ⎟⎥ ATotaal =1 − ⎢(1 − M ) ⋅ f p + ⎜ ⎟⎥ t periode vd t periode ⎢⎣ ⎝ ⎠⎦ De stand-by tijd, de duur van het preventieve en correctieve onderhoud, de degradatie van het wissel en het gebruik van het wissel bepalen de uiteindelijke RAM waarden. Deze waarden zullen in het verdere onderzoek nader worden uitgewerkt en gedetailleerder worden genoteerd. Het degradatiemodel en de verbetering van de Maintainability vormen hierbij de belangrijkste parameters in de ontwerprichtlijn. Er wordt eerst kort gekeken naar de RAM waarden die in praktijk zijn toegepast bij grote nieuwbouwprojecten.

II.7 RAM specificaties bestaande projecten De RAM specificaties zijn tot nu toe in praktijk toegepast bij het HSL-Zuid project (Infraspeed), de Betuweroute en het Hanzelijn project (ProRail). Deze nieuwbouwprojecten worden direct gestuurd op de RAM prestaties. De door ProRail toegepaste RAM specificaties betreffen de Treindienst Aantastende Onregelmatigheden (TAO’s), de Tijdelijke Snelheid Beperking (TSB) en de Treinvrije Perioden (TVP). De Reliability wordt bepaald door het aantal optredende TAO’s gedurende een bepaalde periode. De Maintainability wordt bepaald door het aantal en de duur van de TVP’s gedurende een bepaalde periode. De Availability wordt bepaald door de totale (gemiddelde) duur van de optredende TAO’s, TSB’s en TVP’s gedurende een bepaalde periode. De TAO’s zijn onregelmatigheden in het gebruik van het railnetwerk, waarbij het gaat om een treindienst aantasting (vertraging) van ten minste 3 minuten. TAO’s zijn binnen ProRail geïntroduceerd om een maat te hebben waarbinnen niet elke onregelmatigheid wordt meegeteld. Dit is omdat niet elk falen leidt tot een aantasting van de treindienst. TSB’s zijn opgelegde tijdelijke snelheidsbeperkingen, voornamelijk vanuit veiligheidsoverwegingen. Een beschadigd wissel kan bijvoorbeeld niet meer veilig bereden worden met de ontwerpsnelheid, terwijl het nog wel mogelijk kan zijn het wissel met lagere snelheid veilig te passeren. De TSB gelden totdat de oorzaak is weggenomen. De TVP’s zijn perioden waarbij het systeem buiten gebruik wordt genomen, wat noodzakelijk is om gepland onderhoud te kunnen uitvoeren binnen het Profiel van Vrije Ruime (PVR) of werkzaamheden die direct invloed hebben op het functioneren zoals werk aan de bedieningskast.

-28- van de 87

Bijlage


De TAO’s en TVP’s zijn voor de Hanzelijn vooraf gespecificeerd en in categorieën onderverdeeld, zoals het railsysteem, het besturingssysteem, kunstwerken e.d.. Het totale systeem heeft een waarde voor het maximale aantal toelaatbare TAO’s en TVP’s. De gemeten TAO’s worden apart geregistreerd voor verschillende oorzaken: bijvoorbeeld de oorzaak van vervoerders, door technische oorzaak of door derden. Voorbeeld project Hanzelijn Bij de vaststelling van TAO-eisen (Reliability) voor de Hanzelijn is gekeken naar het landelijk net en naar de vergelijkbare Flevo-lijn. Uit deze vergelijking bleek dat de TAO-eisen voor de Hanzelijn beter konden worden afgeleid uit de Flevo-lijn dan uit het landelijk net. Op basis van deze analyse is gesteld dat het aantal TAO’s per jaar veroorzaakt door “Techniek” afgerond op 16 komt te liggen. Het aantal van 16 TAO’s is vanuit de ambitie om het totaal aantal TAO’s te reduceren nog eens met 40% verlaagd tot een eis van 13 TAO’s per jaar, [7] De TAO eisen voor de Hanzelijn zijn aangegeven in de onderstaande tabellen. Storingscategorie Zeer ernstig Belangrijk

Minder belangrijk

Systeemstoring

Definitie




Gewogen totaal

TAO’s / jaar 0,5 2,2

10,2 13,0

tabel II.2 Reliability prestatie eis van aantal TAO’s per jaar per klasse voor de Hanzelijn [7]

Voor het bepalen van de onvoorziene niet-beschikbaarheid dienen per storingscategorie de gemiddelde functiehersteltijden te worden bepaald. Er is gekeken naar de functiehersteltijden van de TAO’s op de Flevolijn en van het landelijk net. Uitgerekend is ook de gemiddelde functiehersteltijd (MTTR) per storingscategorie over de laatste jaren. Deze gegevens zijn hier toegepast met een reductie van 10% vanuit ambitie. [7] Voor het gehele systeem van de Hanzelijn ziet dat er als volgt uit: Storingscategorie

Systeemstoring

Definitie

Zeer ernstig Belangrijk


Minder belangrijk



Gewogen totaal

Fhe Hanzelijn/ -10% 3,0 2,3

1,9 2,3

tabel II.3 Onvoorziene niet-beschikbaarheid van duur TAO’s per klasse voor de Hanzelijn [7]

Dat de functiehersteltijd in de storingsklasse “zeer ernstig” het hoogst is, kan worden verklaard doordat minder belangrijke storingen doorgaans simpeler van aard zijn en daarom sneller verholpen kunnen worden dan zeer ernstige storingen. Het is dus van belang na te gaan waarom welke storing een lange herstelduur vereist. [7] De onvoorziene niet-beschikbaarheid van de gehele Hanzelijn volgt uit het aantal en de duur van de TAO’s. Door deze afzonderlijke eisen per storingsklasse te vermenigvuldigen ontstaan Availability eisen uitgedrukt in uren per jaar. Door aan te nemen dat een jaar uit 8760 uren bestaat kan de beschikbaarheid (rekeninghoudend met alle storingsklassen) uitgedrukt worden in een percentage en deze is voor de TAO’s gelijk aan 99,7%. [7] Het aantal en duur TVP’s voor de Hanzelijn zijn volgens de eerste opzet in de volgende eisen opgegeven: -29- van de 87


a. b. c. d.

Bijlage

Eens per 4 weken, overdag, een twee-urige enkelsporige TVP per werkzone. Eens in de drie maanden, overdag, 4 uren voor elke werkzone een enkelsporige TVP. Eens per half jaar een vier-urige TVP van de twee werkzones waarin de overloop ligt (dus tweesporig). De TVP mag ‘s nachts in treinarme/-vrije uren gepland worden. Eens in de twaalf maanden, overdag, 3 uren ter plaatse van open spaninrichtingen en beveiligingschakelaars moeten beide aangrenzende werkzones treinvrij, en ook de groepen grenzend aan de spaninrichting of beveiligingschakelaar spanningsvrij gemaakt worden.

De gevolgen voor de voorziene niet-beschikbaarheid per jaar kunnen per eis eenvoudig worden berekend, gegeven het aantal werkzones is gelijk aan 20: a. 13 * 2 * 20 / 8760 = 5,94% b. 4 * 4 * 20 / 8760 = 3,65% c. 2 * 4 * 20 / 8760 = 1,83% d. 1 * 3 * 20 / 8760 = 0,68% Indien er geen onderlinge afstemming mogelijk is, wordt de maximale voorziene niet-beschikbaarheid gelijk aan de som van de afzonderlijke niet-beschikbaarheden: 12,10% Indien wordt gekeken naar één werkzone, is de niet-beschikbaarheid: 0,605% De te realiseren beschikbaarheid wordt bepaald door de voorziene en niet-voorziene beschikbaarheid te sommeren, wat maakt dat de gewenste beschikbaarheid 87,6% moet zijn voor de hele Hanzelijn. De voorkeur is om te kijken naar treinarme of treinvrije perioden om deze expliciet te definiëren voor gepland onderhoud zoals is toegepast bij HSL-Zuid. Alle geplande onderhoudwerkzaamheden kunnen dan in die perioden worden uitgevoerd, waardoor geen treindiensten vooraf moeten worden opgeheven of verschoven. De geplande treindiensten kunnen ook met een grotere zekerheid worden gegarandeerd.

-30- van de 87

Bijlage

-31- van de 87



Bijlage

III. Wisselconstructie generiek III.1 Inleiding Het wissel wordt in deze bijlage theoretisch geanalyseerd en gedecomponeerd voor het verkrijgen van een bottum-up risicoanalyse. Het wissel wordt bij de bottum-up analyse van componentniveau naar systeemniveau geanalyseerd. Dit is de omgekeerde volgorde van de analyse in hoofdstuk 4 waar het wissel van systeemniveau naar detailniveau wordt bekeken, de top-down risicoanalyse. Deze analysemethoden -bottum-up en top-down- worden beide uitgevoerd om een complete en betrouwbare risico-inventarisatie te krijgen. De analyse in deze bijlage wordt uitgevoerd volgens de stappen van de FMECA methodiek waarbij wordt gekeken van componentniveau naar systeemniveau. Het betreft de stappen 2 t/m 5 van het V-model in hoofdstuk 2.3. De Failure Mode Effect and Criticality Analysis (FMECA) is een analysetechniek dat is ontworpen om alle mogelijke afwijkingen in het functioneren van componenten te bepalen en vast te leggen welke gevolgen dat heeft voor het systeem waar de componenten toe behoren. De C van Criticality is de extra onderbouwing van de noodzaak voor te nemen maatregelen, uitgedrukt in de kans van optreden en de gevolgen van de afwijkingen. De Criticality kan zowel kwalitatief als kwantitatief worden uitgedrukt. Het doel van FMECA is om op gestructureerde manier te kijken naar het (functioneel) falen van technische systemen, processen, mensen of organisaties. Algemener gezegd dient de FMECA om te controleren of het systeem (ten onrechte) op een andere wijze effecten veroorzaakt dan de ontwerper voor ogen had. Het accent ligt bij de component FMECA op de oorzaken en het effect op het wisselsysteem door het falen van componenten. Tijdens het ontwerpen kunnen deze kritieke punten worden aangepast, waardoor kostbare wijzigingen achteraf kunnen worden voorkomen. FMECA zal gedurende de ontwerpfase meerdere keren herhaald moeten worden. Tijdens de gebruiksfase is het doel van FMECA om op basis van de analyse te komen tot verbetervoorstellen. [3] In grote lijnen zijn de te doorlopen stappen: 1. Bepalen mogelijke functieafwijkingen voor componenten zelf aan de hand van lijsten standaardafwijkingen componenten 2. Bepalen mogelijke functieafwijkingen voor het hele systeem 3. Schatten kans optreden en de ernst van de gevolgen waarmee de criticality wordt vastgelegd. Er zijn verschillende technieken beschikbaar voor het in kaart brengen van de prestaties van een systeem. Andere methoden zijn bijvoorbeeld de Fault Tree Analysis (FTA) en de Hazard and Operability studie (HAZOP). De FTA is geschikt om vanuit gebeurtenissen te kijken naar componenten. De doelstelling is echter om vanaf componentniveau te kijken welke risico’s maatgevend zijn en daarvoor is FTA niet geschikt. De HAZOP lijkt veel op de FMECA en gaat uit van afwijkingen in een proces en analyseert wat de (systeem)oorzaken en de (veiligheids)consequenties zijn van de afwijking. De HAZOP legt het accent op het proces en het functioneren van het systeem en op de Safety. De gewenste analyse is meer gericht op het in kaart brengen van alle faalmechanismen die gebruikt kunnen worden voor het verbeteren van de RAM(S) waarden. De FMECA sluit het beste aan op deze aspecten en gaat goed in op de oorzaken en het effect van het (functioneel) falen van een systeem en component. De FMECA analysetechniek bestaat uit een aantal stappen waarbij het wissel van systeemniveau steeds gedetailleerder wordt bekeken tot op componentenniveau. De hoofdfuncties van het systeem, alle componenten en de bijdragen van de componenten aan het functioneren van het wissel worden vastgelegd. Deze decompositie maakt het mogelijk om de risico-analyse uit te voeren vanaf het componentniveau. Alle mogelijke afwijkingen van het wissel worden op structurele wijze opgesteld en geven een beeld hoe de componenten kunnen falen (de Failure modes) en welke gevolgen (Effects) die afwijkingen hebben op de functies van het systeem. Het risico (de Criticality) van de afwijking kan vervolgens samen met kans van optreden worden bepaald. (Risico = kans · gevolg) De afwijkingen met de grootste risico’s (de toptien) worden meegenomen in de verdere analyse. Hierbij wordt onderscheid gemaakt in de opbouw van een risico. Het risico van grote kans en groot gevolg zullen in het ontwerp uitgesloten moeten worden. De risico’s van kleine kans van optreden met kleine gevolgen hoeven daarentegen niet expliciet in het ontwerp te worden meegenomen.

-32- van de 87

Bijlage


De risico’s van kleine kans groot gevolg en grote kans klein gevolg kunnen door een juist ontwerp en onderhoud worden beheerst. De FMECA stappen worden nu voor een wissel doorlopen. De systeembeschrijving en de bijbehorende (hoofd)functies worden eerst uitgewerkt. De componenten die nodig zijn om deze functies te vervullen komen daarna aan de orde. De risico-inventarisatie kan worden gemaakt aan de hand van de gebruikte componenten met bijbehorende functies.

III.2 Systeembeschrijving wissel Het wissel is een met een hefboom beweegbare inrichting die dient om het spoor te vertakken in twee of meer sporen zodat het voor de trein mogelijk wordt van spoor te veranderen. De wissels worden aangeduid met de hoek die de sporen met elkaar maken, b.v. 1:12 of 1:34,7. Deze waarde is de tangens van de hoek. Het punt in het wissel waar de uitwijkende spoorassen elkaar snijden wordt het mathematisch punt genoemd. De straal van de wisselboog in het wisselontwerp, bepaalt de snelheid waarmee een wissel afbuigend bereden mag worden. De wissels worden voor het comfort van de reiziger zodanig ontworpen dat de optredende horizontale (middelpuntvliedende) versnelling maximaal 0,65 m/s2 bedraagt. Dit komt overeen met een verkantingstekort van 100 mm. Het wissel dat hierbij specifiek wordt bekeken is een symmetrisch wissel op houten dwarsliggers. Het symmetrisch wissel verschilt met het gewone wissel in dat er twee afbuigende sporen zijn, terwijl het gewone wissel een afbuigend spoor heeft en een recht doorgaand spoor. De hoek die wordt aangegeven bij een symmetrisch wissel zit tussen de afbuigende sporen en bij het gewone wissel tussen de rechte spoorstaaf en de afbuigende spoorstaaf. Dit betekent dat de hoek per afbuigend spoor bij het symmetrisch wissel half zo groot is als bij het gewone wissel en de boogstraal van het symmetrisch wissel is daarom twee keer groter. Dit heeft effect op de toegestane snelheid om over het wissel te rijden, die is groter bij het symmetrisch wissel dan bij een gewoon wissel met dezelfde hoek. Het symmetrisch wissel mag met 100 km/uur worden bereden terwijl het gewone wissel 1:15 op het afbuigende spoor met maximaal 80 km/uur mag worden bereden. Het wissel kan worden onderverdeeld in vier deelsystemen: bedieningssysteem, wisselconstructie, stabilisatieconstructie en de wisseltoestellen. Het bedieningssyteem en de wisseltoestellen zijn zelf functionerende deelsystemen van een wissel. De wisselconstructie en stabilisatieconstructie hebben de overeenkomstige functie van het dragen van de trein en het overdragen van de belasting naar de ondergrond en de wisselconstructie heeft daarnaast de geleidende functie. Deze twee deelsystemen zijn daarom aan elkaar verbonden. De systeemopbouw van het wissel is schematisch weergegeven in figuur III.1. Bedieningssysteem

Wisselconstructie

Wissel Stabilisatieconstructie

Wisseltoestellen

-33- van de 87


Bijlage

figuur III.1 Schema systeemopbouw wissel

Het bedieningssysteem bestaat uit een aandrijfsysteem dat is opgebouwd uit een motor, de aandrijfstang, de controlestang en de aansturing. Het doel van het bedieningssysteem is dat het wissel in de gewenste positie wordt gebracht vóór de passage van de trein en tijdens passage in de juiste positie wordt gehouden. Het aandrijven wordt centraal, elektrisch aangestuurd en lokaal wordt gewerkt met een pneumatisch, hydraulisch of soms handmatig systeem. De wisseltoestellen zijn de wisselverwarming en de smeerinrichtingen. De wisselverwarming dient om ’s winters de wissels te verwarmen om vastvriezen van het wissel te voorkomen. De smeerinrichting dient -indien deze wordt toegepast- om de spoorstaven op het loopvlak met een vloeistof/korrelstof te smeren om het slijtage-effect door wielslip te beperken. De wisselconstructie heeft de functie van het dragen en geleiden van de treinen. Het biedt in het bijzonder de mogelijkheid voor de trein om van spoorbaan te veranderen. De wisselconstructie is hoofdzakelijk opgebouwd uit twee halve tongbewegingen, de tussenspoorstaven en het puntstuk. De stabilisatieconstructie dient om de constructiedelen van het wissel te dragen, stabiliseren en fixeren en de belasting over te dragen naar de ondergrond. De componenten verzorgen zowel de verticale als horizontale stabiliteit. De componenten waar het deelsysteem uit is opgebouwd, zijn de bevestigingsmiddelen, de wisselliggers en het ballastbed. Hiermee wordt de systeemgrens aangegeven. De belangrijkste onderdelen van een symmetrisch wissel zijn -functioneel gezien- twee tussenspoorstaven, de twee halve tongbewegingen en het puntstuk. Deze en andere onderdelen zijn in het onderstaande figuur weergegeven.

figuur III.2 Schets symmetrisch wissel op houten dwarsliggers [PvV, WB]

III.3 Afbakening onderzoeksgebied wissel Het onderzoek van het wissel wordt nu nader afgebakend om binnen de onderzoekstijd in voldoende mate op detailniveau te komen en verder toe te spitsen op die aspecten die voor de groep Baan&Spoorwegbouw relevant zijn. De aspecten die bij deze afbakening buiten het verdere onderzoeksgebied komen, worden hieronder kort genoemd. De deelsystemen bedieningssysteem en wisseltoestellen zullen vanwege de beschikbare tijd niet nader worden uitgewerkt. De belangrijkste reden is dat deze deelsystemen niet tot het vakgebied van Baan-&Spoorwegbouw behoren. Het bedieningssysteem is in praktijk algemeen wel een belangrijk faalmechanisme en het verdient dus zeker de aanbeveling om deze en de andere deelsystemen op dezelfde wijze te analyseren. Het wissel heeft altijd elektrische scheidingslassen (ES-las), bedoeld voor de bediening en besturing van het wissel. De functie van de ES-lassen is de spoorstaven elektrisch geïsoleerd te koppelen voor het verkrijgen van een sectiescheiding voor de signalering voor de treindienstleiding en de gebruikers van het spoor. De ES-lassen worden in dit systeem niet meegenomen omdat deze op generiek niveau geen constante factor zijn. De ene keer liggen er vier ES-lassen en de andere keer maar twee. Het

-34- van de 87

Bijlage


kan zijn dat er binnen de systeemgrens van het wissel een ES-las ligt die eigenlijk bij een overwegsysteem hoort. Dit geeft een niet-constante faalfactor en maakt het aannemelijk om de ESlassen apart te analyseren.

-35- van de 87


Bijlage

De beide analyses dienen op projectniveau weer samengevoegd te worden. De constructieve lassen zijn daarentegen wel systeemgebonden en worden wel verder in het FMECA model meegenomen.

III.4 Functionele decompositie De functies van het systeem zijn van belang voor het vaststellen van de faalmechanismen van het systeem. De hoofdfuncties van het wissel zijn kort genoemd bij de systeembeschrijving en worden in deze bijlage verder uitgewerkt. De functies van het totale wisselsysteem zijn als volgt: • • • • • • •

Spoor vertakken in twee of meer sporen Rollend materieel in juiste richting geleiden Dragen van voertuigen Opnemen van aanzet- en remkrachten Belasting overbrengen naar de onderbouw Het fungeren als elastisch en trillingsdempend medium Het geleiden van retourstromen van de tractie en voor de beveiliging (ATB)

Het treinstel dat vanaf de voorkant van het wissel komt aangereden, heeft bij het passeren van het wissel de mogelijkheid van twee of meer rijwegen om de gewenste richting uit te gaan. Het wissel wordt vóór het passeren in de gewenste richting gelegd zodat in die richting een doorgaande baan ontstaat. Het treinstel wordt door de spoorstaven en de wielflenzen in de juiste richting geleid. Het wisselsysteem draagt de belasting van de voertuigen en brengt deze over naar de ondergrond. De belasting wordt als ‘puntlast’ overgedragen van de treinwielen op de spoorstaven. De spoorstaven dragen deze belasting over aan de wisselliggers waarna het ballastbed zorg voor goede spreiding van deze belasting naar de ondergrond toe. De opbouw van de ballast bovenbouwconstructie en het overbrengen van de belasting is weergegeven in het onderstaande figuur.

figuur III.3 Opbouw en belastingoverdracht bovenbouwconstructie ballast spoor [14]

Het versnellen en vertragen van het treinstel levert horizontale krachten op de spoorstaven en in de bochten ontstaat een horizontale, tangentiële kracht. Deze krachten worden door het wisselsysteem opgenomen en overgedragen op de ondergrond. De horizontale krachten zijn wel moeilijker op te nemen door het wissel dan de verticale belastingen. Het wisselsysteem krijgt vanuit de voertuigen dynamische belastingen opgelegd. De elastische en trillingsdempende eigenschappen van het systeem maken het mogelijk deze belastingen op te nemen. Het wissel functioneert als elektrische geleider voor de retourstroom van de tractie zodat dit niet als zwerfstroom in de ondergrond komt. De ATB, automatische TreinBeïnvloeder wordt gebruikt voor de beveiliging van de spoorwegen en wordt via de spoorstaven overgedragen. Al deze functies zijn nodig voor het mogelijk maken van treinverkeer. Het spoor vertakken is de specifieke functie van het wissel. De overige functies worden altijd door de bovenbouwconstructie vervuld, dus ook in de vrije, rechtdoorgaande baan. De functies worden nu nader bekeken voor de wisselconstructie en stabilisatieconstructie en zo mogelijk verder opgedeeld in deelfuncties.

-36- van de 87

Bijlage


III.3.1 Wisselconstructie De functies van de wisselconstructie zijn de spoorstaaf gerelateerde functies. De functies die door de wisselconstructie worden uitgevoerd, zijn: • • • • • •

Spoor vertakken in twee of meer sporen Rollend materieel in juiste richting geleiden Dragen van voertuigen Opnemen van aanzet- en remkrachten Belasting overbrengen naar de onderbouw Het geleiden van retourstromen van de tractie en voor de beveiliging (ATB)

Het dragen van de voertuigen gebeurt in samenwerking met de stabilisatieconstructie. Deze functies kunnen niet zelfstandig door de wisselconstructie worden uitgevoerd door te weinig stabiliteit. De deelfuncties die bij het vertakken van de spoorstaven behoren, zijn: • De keuze te bieden voor de gewenste richting • Kruising van het doorgaande spoor De fysieke opbouw van de wisselconstructie dient zo te zijn dat deze functies kunnen worden uitgevoerd.

III.3.2 Stabilisatieconstructie De functies van de stabilisatieconstructie zijn behalve het dragen van de voertuigen en de horizontale aanzet- en remkrachten, duidelijk anders dan de functies van de wisselconstructie. De functies van de stabilisatieconstructie zijn: • • • •

Dragen van voertuigen Opnemen van aanzet- en remkrachten Belasting overbrengen naar de onderbouw Het fungeren als elastisch en trillingsdempend medium

De aanvullende functies van speciaal de stabilisatieconstructie zijn: • • • •

Stabiliseren van de wisselconstructie in de gewenste positie Handhaving van spoorwijdte en inbouwhelling spoorstaven Voldoende elektrische isolatie tussen beide spoorstaven Zorgen voor goede drainage van regenwater in het spoorbaanlichaam.

De stabilisatieconstructie is opgebouwd uit verschillende componenten om het mogelijk te maken deze functies te vervullen. De stabilisatieconstructie wordt daarom samen met de wisselconstructie fysisch gedecomponeerd in alle deelelementen die voor de functies nodig zijn.

III.4 Fysieke decompositie wissel De fysieke decompositie wordt uitgevoerd volgens de bestaande situatie van het symmetrisch wissel. Het uitgangspunt is een wissel op houten dwarsliggers met een vast puntstuk in een ballastbed. Het is mogelijk om de betonnen dwarsliggers uit te voeren. Het puntstuk kan ook beweegbaar worden uitgevoerd en een ballastloos spoor begint een goed (financieel) alternatief te worden voor het ballast spoor. Deze alternatieven zijn goede mogelijkheden voor het verkrijgen van een gewenste RAM(S)waarde. Deze alternatieve worden in de eerste functionele decompositie nog niet opgenomen, om niet te starten vanuit een uitgebreid, generiek model. De fysieke decompositie wordt apart uitgevoerd voor zowel de wisselconstructie als voor de stabilisatieconstructie om aan te geven uit welke componenten beide deelsystemen zijn opgebouwd.

-37- van de 87


Bijlage

Het wordt per deelsysteem uitgevoerd tot op het niveau waar een component nog een meetbare invloed heeft op de faalaspecten van het wissel.

-38- van de 87


Bijlage

III.4.1 Wisselconstructie Het deelsysteem wisselconstructie bestaat uit de componenten die in het onderstaande figuur zijn aangegeven. Aanslagspoorstaaf Tong

Smeerloze wisselconstructie

Glijstoel Gesmeerde wisselconstructie Tongbeweging

Klembeugel Tongsteun Bout

Geconstrueerd puntstuk

Vleugel Diverse vulklossen

Vast puntstuk Mangaanstalen puntstuk

Wisselconstructie

Bewerkte spoorstaven

Tussenspoorstaaf

Rail (tussen tong-puntstuk)

Strijkspoorstaaf

Rail (buitenkant)

Hoogvaste bouten met borgmoeren

Rail (bewerkt) Strijkregel

Strijkregelstoel Zeskant bout

Thermietlas Lasverbinding

Compensatielas (voegloos spoor) Plaatlas (voegspoor)

figuur III.4 Fysieke decompositie wisselconstructie

De wisselconstructie bestaat naast de functionele hoofdcomponenten -de halve tongbewegingen, de tussenspoorstaven en het puntstuk- ook uit de strijkspoorstaven en de strijkregels. De deelcomponenten worden nu achtereenvolgens kort beschreven. Tongbeweging De tongbeweging is gezien vanaf de voorkant van het wissel, het begin van de verandering van richting vanaf het doorgaande spoor. De tongbeweging is opgebouwd uit de twee aanslagspoorstaven en twee tongen. [zie figuur III.5]

-39- van de 87


Bijlage

figuur III.5 Schets tongbeweging [WB]

De lengte van de tongbeweging van het symmetrisch wissel 1:15 is 12.075 millimeter. De lengte van de aanslagspoorstaaf bedraagt 13.400 millimeter. De tong wordt middels de klembeugel (klemming) in positie gehouden. De klembeugel bestaat uit drie stalen verbindingen die zorgen voor een momentvaste verbinding in het vlak van de tongbeweging. De tong is tussen de tongspits en de klembeugel vrij opgelegd op glijplaten zodat deze horizontaal kan bewegen. De tongbeweging is voorbij de klemming gefixeerd op de wisselliggers. De tongsteunen liggen tussen het begin van de tong en de klembeugel en geven de halve tongbeweging zijdelingse ondersteuning als het wordt bereden en daarvoor tegen de aanslagspoorstaaf is geplaatst. De tong gaat net voorbij de klembeugel (rechtereinde aangegeven in figuur III.4) over in de tussenspoorstaaf die met klemplaten aan de wisselliggers is bevestigd. Dit is op de plaats waar voldoende ruimte is tussen de aanslagspoorstaaf en de tongbeweging voor het aanbrengen van de thermietlas. De glijstoelen en tongsteunen horen bij de wisselconstructie, de klemplaten vallen onder de stabilisatieconstructie. De tong kan worden uitgevoerd als hoge tongbeweging met een bewerkte standaard spoorstaaf en als lage tongbeweging met een asymmetrische spoorstaaf. De hoge tongbeweging is even hoog als de spoorstaaf en neemt toe in breedte totdat het volledige railprofiel is verkregen. Het is voor tongbewegingen van wissels groter dan 1:9 nodig om deze te versterken met een extra hoekprofiel tegen het lijf van de tong, zodat de tong stijver reageert bij omleggen. De lage tongbeweging is uitgevoerd met een minder hoge spoorstaaf met een bredere voet. De lage tong wordt door hoge glijstoelen ondersteund waardoor meer ruimte beschikbaar is voor de aansturingcomponenten. Deze asymmetrische spoorstaaf heeft een grotere zijwaartse traagheidsmoment, en reageert stijver tijdens de omzetting. Er is hierdoor minder aandrijving nodig is bij het omzetten van het wissel. Dit heeft vooral voordeel bij lange tongbewegingen waarbij na omlegging de kans ontstaat op onvoldoende ruimte tussen de aanslagspoorstaaf en de tong door onvoldoende (stijf) meebewegen van de tong. Het nadeel van de lage tongbeweging is de aansluiting op de tussenspoorstaaf waarvoor de asymmetrische tongbeweging aan het einde moet worden aangepast tot het normale spoorstaafprofiel.

figuur III.6 Open halve (hoge) tongbeweging figuur III.7 Aanliggende .tongbeweging

figuur III.8 Tongbeweging wissel

-40- van de 87


Bijlage

Puntstuk Het puntstuk is het punt waar twee sporen elkaar onder een scherpe hoek snijden. De wielflens kruist bij afbuiging in de ene richting het spoor dat afbuigt in de andere richting. De lengte van het puntstuk in het symmetrisch wissel 1:15 bedraagt 7.940 millimeter. De spoorkruising wordt bij een vast puntstuk mogelijk gemaakt door een onderbreking in het spoor aan te brengen. Hoe kleiner de hoek, hoe groter de ongeleide onderbreking is. Het puntstuk wordt zo ontworpen dat het passerende wiel zoveel mogelijk ondersteund blijft en tevens een vrije doorgang van de wielflens heeft. Het is daarom zeker bij een kleine hoek (1:34,7) aan te raden om een beweegbaar puntstuk toe te passen waarbij de ongeleide opening niet meer nodig is. Het beweegbare puntstuk werkt op dezelfde wijze als een halve tongbeweging. Het vaste geconstrueerde puntstuk is opgebouwd uit de bewerkte spoorstaven, de vleugelspoorstaven, diverse vulklossen en de hoogvaste voorspanbouten. Een vast mangaanstalen puntstuk wordt als één massief geheel vervaardigd. Het is bij een mangaanstalen puntstuk belangrijk om te letten op ongelijkmatigheden in het puntstuk. De belangrijkste onderdelen van het geconstrueerde puntstuk zijn aangegeven in de onderstaande figuren III.9 en III.10. Figuur III.9 geeft het puntstuk aan als systeemonderdeel en in figuur III.10 is het puntstuk opgesplitst in de verschillende onderdelen.

achterkant wi ssel

vl eugelspoor


voorkant wi ssel

Geconstr ueerd verli j mde puntst uk

figuur III.9 Geconstrueerd verlijmde puntstuk [Kloos Oving B.V.]

Lijfplaten Vleugel

Vulklos Zijstuk


Klos

Doorgaand been

figuur III.10 Decompositie geconstrueerd verlijmde puntstuk [Kloos Oving B.V. ]

Puntstukken met een kleinere "oplage" worden uitgevoerd met een smeedstalen middenblok, waar stukken spoorstaaf aan gestomplast worden. De vleugels bestaan ook uit spoorstaven en worden met bouten aan de punt bevestigd.

-41- van de 87


Bijlage

Het wiel wordt bij een puntstuk vanuit het wissel overgenomen door de vleugels. De vleugels lopen uiteen en het wiel gaat door de coniciteit met een kleinere diameter over de vleugels en zakt daardoor iets naar beneden. Het punt waar het doorgaande been het wiel overneemt moet dit hoogteverschil worden gecorrigeerd en bij een gewoon puntstuk gaat dit met krachten gepaard. Kloos Oving B.V. heeft om deze reden het puntstuk met verhoogde vleugels uitgevoerd zodat de overloop geleidelijker gaat op het punt waar het puntstuk voldoende breed is. De verhoogde vleugel heeft wel een veilige hoek nodig voor het berijden van de andere kant. De vulklossen en de hoogvaste bouten met borgmoeren zijn op de foto van figuur III.11 goed te zien. Deze vulklossen worden bij Kloos Oving B.V. aan de spoorstaven gelijmd en met de bouten op spanning gebracht. Het is mogelijk deze vulklossen aan het einde van de levensduur uit het puntstuk te verwijderen en opnieuw te gebruiken.

figuur III.11 Foto geconstrueerd verlijmde puntstuk [Kloos Oving B.V. ]

De figuren III12 en III.13 geven achtereenvolgens een beeld van een geconstrueerd puntstuk en een mangaanstalen puntstuk.

figuur III.12 Geconstrueerd puntstuk wissel

figuur III.13 Mangaanstalen puntstuk [14]

-42- van de 87

Bijlage


Het puntstuk van het wissel wordt in het FMECA model uitgewerkt als vast puntstuk zoals in het symmetrisch wissel is toegepast. Het puntstuk kan beweegbaar worden uitgevoerd, waarbij het puntstuk op dezelfde manier werkt als een tongbeweging. Het aanslagvlak van het beweegbaar puntstuk is in de vleugel aangebracht. Er is dan geen ongeleide opening meer waardoor minder dynamische belasting optreedt en minder slijtage. Strijkregels kunnen achterwege blijven. Deze puntstukken worden meestal toegepast bij wissels met een kleine hoek, zoals de 1:34,7 wissels waar de ongeleide opening bij een vast puntstuk te groot wordt. Een voordeel van het beweegbare puntstuk is de lage geluidsproductie. Het is echter wel duurder in productie en in exploitatie door extra bedieningssysteem terwijl het onderdeel geen langere levensduur heeft. Tussenspoorstaaf De tussenspoorstaaf is de spoorstaaf tussen de tongbeweging en het puntstuk. De spoorstaaf is een onbewerkte spoorstaafprofiel -bijvoorbeeld UIC54- die met thermietlassen tussen de tongbeweging en het puntstuk wordt bevestigd. Strijkspoorstaaf De strijkspoorstaaf is de spoorstaaf aan de buitenkanten van het wissel tussen de tongbeweging en het doorgaande spoor. Deze spoorstaaf is net als de tussenspoorstaaf een onbewerkt spoorstaafprofiel dat met thermietlassen tussen de aanslagspoorstaaf en de spoorstaven achter het wissel in de vrije baan is bevestigd. Strijkregel De strijkregel is met strijkregelstoelen en zeskant bouten ter hoogte van het puntstuk aan de strijkspoorstaaf bevestigd. De strijkregel is gemaakt van een gevreesde spoorstaaf die aan het begin en het einde van de strijkregel in doorsnede afneemt. De lengte van de strijkregel in het wissel 4 bedraagt 6.000 millimeter. De strijkspoorstaaf en strijkregel zijn te zien in figuur III.13. De strijkspoorstaaf is de doorlopende spoorstaaf aan de linkerkant. De strijkregel is voor een deel zichtbaar met de strijkregelstoelen waarmee de strijkregel aan de strijkspoorstaaf is bevestigd. Het puntstuk zit aan de rechterkant van de spoorbaan en is hier niet zichtbaar.

figuur III.14 Strijkregel met strijkregelstoelen bij puntstuk wissel 4

De strijkregels kunnen worden bijgesteld op de vereiste afstand tussen de strijkregel en de strijkspoorstaaf door stalen plaatjes tussen de strijkregel en strijkregelstoelen te bevestigingen. Dit wordt nodig wanneer de strijkregel te ver is afgesleten. Las De verschillende onderdelen waaruit de wisselconstructie is opgebouwd worden met lasverbindingen aan elkaar bevestigd. De tongbeweging is met een thermietlassen aan de tussenspoorstaaf bevestigd. Deze lasverbinding is een goede metallurgische las waarbij een mengsel van aluminiumpoeder en ijzeroxide bij hoge temperatuur wordt omgezet in aluminiumoxide en staal. Deze lasverbinding is op de spoorbaan relatief eenvoudig uit te voeren. Zie figuur III.15. Thermietlassen hebben ± 60 % van de originele sterkte van de spoorstaaf. -43- van de 87


Bijlage

Het is afhankelijk of het een voegloos wissel is of een voegwissel, welke lasverbinding wordt gebruikt om het wissel aan het doorgaande spoor te verbinden. Een voegloos wissel wordt met een compensatielas aan de spoorbaan verbonden wanneer dit noodzakelijk bij grote verplaatsingen door temperatuurverschillen. [zie figuur III.16] Het voegwissel wordt met een plaatlas aan het doorgaande spoor verbonden, wat in figuur III.17 is weergegeven. Het wissel is uitgevoerd als voegloos wissel.

figuur III.15 Thermietlas [14]

figuur III.16 Compensatielas

figuur III.17 Plaatlas bij wissel 1:9

III.4.2 Stabilisatieconstructie Het deelsysteem stabilisatieconstructie is opgebouwd uit de componenten die in figuur III.18 zijn aangegeven. Houten dwarsligger Wisselliggers Rugplaat Ankerschoenen

Filterlaag 0/30

Stabilisatieconstructie

Ballastbed Steenslag 30/63

Klemplaat / Veerklem Klembout Bevestigingsmiddelen Veer Moeren

figuur III.18 Fysieke decompositie stabilisatieconstructie

De onderdelen waar de stabilisatieconstructie mee is opgebouwd, worden nu kort beschreven. Wisselligger De wisselligger is een houten of betonnen ligger waarop het wissel is gemonteerd. De houten wisselliggers zijn prismatisch van vorm met een hoogte van 15 cm en een breedte van 25 cm. De lengte van wisselliggers varieert van 2,60 meter tot 7,50 meter. De wisselliggers worden van hard hout (beuken, eiken, tropische soorten) en zacht hout (grenen) gemaakt, afhankelijk van verwachte belasting en gewenste levensduur. Het is bij zachthout noodzakelijk om een stalen onderlegplaat te leggen tussen de spoorstaaf en de ligger. De houten wisselliggers moeten voor gebruik uitgebreid worden bewerkt zoals bijvoorbeeld de gaten voor bevestiging boren, creosoteren om biologische aantasting te voorkomen en monteren van bewapening (rughellingplaten) en klemhouders. [14] De rughellingplaat wordt met kraagbouten op de houten of betonnen wisselligger bevestigd. De rughellingplaat kan tot de bevestigingsmiddelen worden gerekend, maar dat wordt in dit rapport onder de wisselliggers gerekend waarop deze vooraf worden bevestigd indien dat nodig is.

-44- van de 87


Bijlage

De houten wisselliggers worden steeds minder gebruikt. De verhouding houten wisselliggers ten opzichte van betonnen wisselliggers bedraagt nu 1:2. Op kleine schaal worden stalen wisselliggers gebruikt. De betonnen wisselliggers zijn vooral na de Tweede Wereldoorlog van belang geworden door houtschaarste, de toepassing van voegloze wissels en de verbetering in betontechnologie en voorspanmogelijkheden. De betonnen wisselliggers worden als prefabricage elementen geleverd in de gewenste afmetingen. De afmetingen zijn veel meer aangepast aan de gewenste vorm. Een voorbeeld van een betonnen ligger is aangegeven in het onderstaande figuur. helling 1:40

23 17 3 0

22 5 225

17 5 400

835

2520 afgemonteerde dwarsligger

30 13 0 6

dwarsligger in eindsituatie

15 0

22 0

figuur III.19 Voorgespannen monoblok dwarsligger [14]

De bevestigingsmiddelen worden bij het productieproces al in het wisselelement opgenomen. Het is bij betonnen wisselliggers nodig om vooraf duidelijk op tekening aan te geven waar de bevestigingsmiddelen nodig zijn en onder welke hoek in het afbuigende spoor. Het is lastiger om dit later op de bouwplaats nog aan te passen dan bij houten wisselliggers. Betonnen wisselliggers hebben een beduidend langere levensduur en zijn minder gevoelig voor de klimatologische factoren. De betonnen wisselliggers zijn wel gevoeliger voor de dynamische belasting, zijn minder elastisch en zwaarder dan houten wisselliggers. De extra kracht in de wisselconstructie bij het toepassen van voegloze wissels, wordt opgevangen door het toepassen van ankerschoenen. De ankerschoenen zijn grote bladen die onder de dwarsligger in het ballastbed steken en zorgen voor een stabiele ligging in het ballastbed. Ballastbed Het ballastbed is belangrijk voor de stabiele ligging en het dragen van de wisselconstructie en het overdragen van de (dynamische) belastingen op de ondergrond. Het ballastbed bestaat uit een laag grofkorrelig en ongebonden materiaal dat door hoge inwendige wrijving tussen de korrels aanzienlijk hoge drukspanningen kan opnemen maar geen trekspanningen. [14] De belangrijkste eisen waar het ballastmateriaal aan moet voldoen zijn een grote hardheid en slijtvastheid. De korrels zelf moeten kubisch en scherphoekig zijn. Ballastmateriaal dat vervangen moet worden heeft door slijtage een meer afgeronde vorm gekregen en heeft daardoor minder draagkracht. Het ballastbed dient heel goed en nauwkeurig te zijn verdicht en afgevlakt zodat weinig extra (ongelijkmatige) zetting optreedt. De dikte van de ballastlaag bedraagt 25-30 cm, gemeten vanaf de onderkant van de dwarsligger. Vaak gebruikt ballastmateriaal is steenslag: gebroken stolling- of sedimentgesteente zoals porfier, basalt of graniet. De gradering is 30/63 voor hoofdsporen en 20/40 voor wissels en overwegen. Ander vaak gebruikt ballastmateriaal is grint(kiezel). Dit is afkomstig uit de Maas met de gradering 20/50. Deze heeft echter een minder hoekige vorm en daardoor minder wrijvingsweerstand. Er wordt een filterlaag toegepast om vermenging met de ondergrond te voorkomen. Deze filterlaag bestaat uit de fractie steenslag van 0/30.

-45- van de 87


Bijlage

Bevestigingsmiddelen De bevestigingsmiddelen zijn voor wissels over het algemeen de klemplaten of veerklemmen. De bevestigingsmiddelen zijn alle onderdelen die worden gebruikt voor de constructieve bevestiging van de spoorstaven aan de wisselliggers. Het symmetrisch wissel is met klemplaten op de wisselliggers bevestigd. De spoorstaaf wordt vastgezet met klembouten en starre klemplaten. Dit is goed te zien op de onderstaande afbeelding.

figuur III.20 Klemplaat bevestiging spoorstaaf op wisselliggers

figuur III.21 Veerklem bevestiging [14]

Het is mogelijk de wisselconstructie met veerklemmen op de wisselliggers te bevestigen. De elastische veerklemmen worden met veerringen en moeren op de wisselliggers bevestigd. Zie figuur III.21.

III.5 Afwijkingen wissel met mogelijke gevolgen De afwijkingen aan het wissel treden op wanneer een component niet de goede functie kan vervullen door het falen van één of meer onderdelen. Het in kaart brengen van de mogelijke afwijkingen gebeurt door eerst in tabelvorm de relaties in kaart te brengen tussen de (deel)functies en de gebruikte componenten. De bestaande kennis en informatie van de meest optredende faalmechanismen vormen een goede bron voor het verkrijgen van een overzicht van de belangrijkste faalmechanismen. Er wordt met de resultaten van deze twee uitgangspunten per hoofdcomponent gekeken naar de mogelijke faalmechanismen. Het is bij alle afwijkingen van belang dat de veiligheid van het systeem niet wordt aangetast en veiligheid aantastend falen wordt nooit geaccepteerd. Het kunnen optreden van ontsporing wordt altijd voorkomen.

-46- van de 87


Bijlage

III.5.1 Wisselconstructie

X X X

X X

X X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

Las

Strijkspoorstaaf

X X X

Strijkregel

Tussenspoorsta af

Functies Vertakken Geleiden wiel Dragen Aanzet- en remkracht opnemen Belasting overbrengen Elastisch en trillingsdempend medium Geleiden retourstroom Gewenste richting mogelijk maken Kruisen doorgaande spoor

Puntstuk

Fysieke delen

Tongbeweging

De tabel III.1 geeft een overzicht welke componenten nodig zijn voor het vervullen van een functie.

X X X

X

X

X

tabel III.1 Overzicht componentenfuncties wisselconstructie

Per hoofdcomponent worden de belangrijkste faalmechanismen in kaart gebracht. De faalmechanismen van de spoorstaaf algemeen worden eerst genoemd bij de tussenspoorstaaf. De componenten die dezelfde faalmechanismen hebben als de tussenspoorstaaf worden verwezen naar deze faalmechanismen. Tussenspoorstaaf Afwijking Afname doorsnede verticaal Zijdelingse afname doorsnede Breuk

Oorzaak Hoge (ongelijkmatige) belasting Zijdelingse versnelling

Uitknikken

Vermoeiing, lage temperatuur Overschrijden max. spanning Hoge temperatuur

Kopslijtage

Golfslijtage

Afwijking geometrie Zijdelingse versnelling Onvoldoende ondersteuning Vermoeiing Rail Contact Fatigue tabel III.2 Afwijkingen tussenspoorstaaf

-47- van de 87

Gevolgen Slijtage kop Slijtage loopkant

Topgebeurtenis Versneld grens slijtage

Versneld grens slijtage, helling 32° Discontinuïteit spoorstaaf Volledige niet beschikbaarheid Afwijkende geometrie Volledige niet beschikbaarheid Afwijkingen geometrie Volledige niet beschikbaarheid Toename trillingen, Beperkte afname comfort beschikbaarheid Verschuiving constructie Rafelig spoor Vermoeiing, dynamische Losraken spoorstaaf lasten Scheurvorming Breuk, Volledige niet beschikbaarheid


Bijlage

Het vernieuwen van de spoorstaven is in de volgende drie gevallen noodzakelijk: • Als de grens van de slijtage aan de loopkant is bereikt, • Als de grens van de slijtage aan de bovenkant van de kop is bereikt • Als een bepaald aantal voertuigen (treinen, trams of metro’s) over heeft gereden.

Aanvulling op afwijkingen tussenspoorstaaf: Tongbeweging Afwijking Oorzaak Hoge belasting Punt geplet, frequentie uitgewalst

Horizontale slijtage tongpunt Verticale slijtage tongpunt Braamvorming Afbrokkelen

Zijdelingse versnelling Lager draagvermogen kleinere doorsnede Oneffenheden uitwalsen Braamvorming

Niet goed aanliggen Braamvorming tongbeweging Eenzijdig berijden wissel Ongelijkmatige slijtage aanslagspoorstaaftong Smalle opening Tong aanrijden aanslagspoorstaaf-tong Braamvorming Geen passend profiel aanslagspoorstaaf Afwijking geometrie Onvoldoende verticale ondersteuning tong Externe oorzaak Vastlopen beweegbare delen

Gevolg Hor. niet goed aanliggen tegen aanslagspoorstaaf, kattenrug vert. opbuigen Braamvorming, 32° slijtage,vervorming Versnelde slijtage tongpunt Aantasting oppervlak Versnelde slijtage door grotere belasting op in tact gebleven deel Wissel in storing

Topgebeurtenis Storing wisselbediening

Storing wisselbediening Versneld afkeuren tongpunt Afbrokkelen, breuk Storing wisselbediening, breuk

Volledige niet beschikbaarheid Te vroeg meedragen Afkeuren tongbeweging, tongbeweging/ over tong volledig niet beschikbaar heenrijden Trilling tong

Wissel in storing

Wissel in storing

Volledige niet beschikbaarheid

Beschadiging glijstoel

Storing wisselbediening

Wissel in storing


Gevolg Beschadiging naald, grotere belasting overig deel Versnelde slijtage

Topgebeurtenis Vermoeiing

Versneld grens slijtage

Aantasting oppervlak Aantasting oppervlak

Afbrokkelen Afbrokkelen

Slagwerking, braamvorming

Discontinuïteit puntstuk


Scheuren loopvlak

Discontinuïteit puntstuk


tabel III.3 Afwijkingen tongbeweging

Aanvulling op afwijkingen tussenspoorstaaf: Puntstuk Afwijking Oorzaak Te vroeg dragen wiellast Geplet, uitgewalst

Slijtage door inrijden Braamvorming punt Braamvorming deelnaad Mangaanstalen puntstuk scheuren/breuk Breuk

Wisselligger houdt puntstuk niet op plaats Oneffenheden uitwalsen Oneffenheden uitwalsen

tabel III.4 Afwijkingen puntstuk

-48- van de 87


Bijlage

Aanvulling op afwijkingen tussenspoorstaaf: Strijkspoorstaaf Afwijking Oorzaak Geen extra faalmechanismen

Gevolg

Topgebeurtenis

Oorzaak Flenscontact

Gevolg Kromrijden puntstuk

Horizontale verplaatsing glijstoelen

Grotere horizontale kracht puntstuk

Topgebeurtenis Verhoogde slijtage puntstuk Verhoogde slijtage puntstuk

tabel III.5 Afwijkingen strijkspoorstaaf

Strijkregel Afwijking Verhoogde zijdelingse slijtage Spoorvernauwing (betonnen liggers)

tabel III.6 Afwijkingen strijkregel

Las Afwijking Breuk

Scheuren/breuk lasplaten

Oorzaak Discontinuïteit las, overschrijden max. spanning Trillingen, slagwerking

Gevolg Afwijkingen geometrie

Topgebeurtenis Volledige niet beschikbaarheid

Afwijkingen geometrie


tabel III.7 Afwijkingen lasverbinding

III.5.2 Stabilisatieconstructie De functies van het wissel worden uitgezet tegen de componenten van de stabilisatieconstructie.

Ballastbed

Bevestiging

Functies Vertakken Geleiden wiel Dragen Aanzet- en remkracht opnemen Belasting verdelen Elastisch en trillingsdempend medium Geleiden retourstroom Stabilisatie geometrie Spoorwijdte en helling garanderen Elektrische isolatie spoorstaven Drainage

Wisselliggers

Fysieke delen

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X X

tabel III.8 Overzicht componentenfuncties stabilisatieconstructie

-49- van de 87


Wisselligger Afwijking Niet goed ondersteund Teveel bewegen Inslaan hout Scheurvorming Breuk

Bijlage

Oorzaak Verzakking/zetting

Gevolg Teveel bewegen, pompwerking (opkomen grondwaterstand) Beperkt draagvermogen Afwijking spoorbreedte, ballast slijtage Grote zijdelingse Rugplaat in hout belasting drukken, verschuiven Materiaaleigenschappen, Afnemen veroudering draagvermogen Scheurvorming Rail slecht ondersteund, losliggen

Topgebeurtenis Beperkte beschikbaarheid Beperkte beschikbaarheid Slechte geometrie Breuk dwarsliggers Slechte geometrie, beperkte beschikbaarheid

tabel III.9 Afwijkingen wisselligger

Ballast Afwijking Onjuiste ligging geometrie Onvoldoende drainage werking Verbrijzeling

Oorzaak Slechte ondersteuning Vervuiling ballast

Stoppen, te grote verticale belasting Afname horizontale Horizontale belastingen stabiliteit Afname verticale stabiliteit

Verticale belastingen

Gevolg Verhoogde slijtage wissel Opvriezing, beïnvloeden schuifweerstand Afname draagkracht, verhoogde slijtage wissel Toename geluid, teveel speling, versnelde slijtage Toename geluid, teveel speling, versnelde slijtage

Topgebeurtenis Beperkte beschikbaarheid Verbrijzeling

Gevolg Teveel speling, afname stabiliteit Losliggen spoorstaaf Afname stabiliteit

Topgebeurtenis Beperkte beschikbaarheid Beperkte beschikbaarheid, Afkeuren bij >15% Beperkte beschikbaarheid Beperkte beschikbaarheid Grotere spoorwijdte, beperkte beschikbaarheid

Beperkte beschikbaarheid Beperkte beschikbaarheid Beperkte beschikbaarheid

tabel III.10 Afwijkingen ballastbed

Bevestiging Afwijking Klembouten/ veerklem los Veerklem kapot

Oorzaak Trillingen

Teveel speling

Te veel speling, overschrijden max. spanning Klembout/veerklem los

Kraagbout los

Trillingen

Kraagbout breken

Te veel speling, overschrijden max. spanning

Losliggen spoorstaaf Afname stabiliteit Teveel speling, afname stabiliteit Klappen liggers, inslaan hout, afname stabiliteit

tabel III.11 Afwijkingen bevestiging

III.6 Mogelijke acties bij afwijkingen De mogelijke afwijkingen aan het wissel zijn te voorkomen of herstellen door of vóóraf de oorzaak zelf weg te nemen of de gevolgen van de afwijking weg te nemen. De gevolgen kunnen worden weggenomen door het uitvoeren van gepland onderhoud (toestandafhankelijk, gebruiksafhankelijk) of niet-gepland onderhoud (storingsafhankelijk). Het voorkomen van afwijkingen kan tijdens de ontwerpfase worden beïnvloed met het gekozen wisselontwerp en geometrie.

-50- van de 87

Bijlage


De mogelijke maatregelen worden afwijking genoteerd.

III.6.1 Wisselconstructie Tussenspoorstaaf Afwijking Afname doorsnede verticaal Zijdelingse afname doorsnede Breuk Uitknikken Kopslijtage Afwijking geometrie Rail Contact Fatigue

Maatregel Materiaalkeuze (voorkomen), slijpen loopvlak [herstel] Materiaalkeuze, goede boogstraal/verkanting [voorkomen], smeren, vervangen [herstel] Materiaalkeuze, preventief onderhoud, vervangen Materiaalkeuze [voorkomen], herstellen Materiaalkeuze, geometrie (voorkomen), slijpen Schiften, stoppen Slijpen

tabel III.12 Afwijkingen tussenspoorstaaf

Aanvulling op afwijkingen tussenspoorstaaf: Tongbeweging Afwijking Maatregel Inspectie mal, tong vervangen Punt geplet, uitgewalst Inspectie mal, slijpen tong Horizontale slijtage tongpunt Inspectie mal, slijpen tong Verticale slijtage tongpunt Slijpen Braamvorming Tijdig slijpen, vervangen tongbeweging Afbrokkelen Niet goed aanliggen tongbeweging Slijpen, afstellen Verstijven van de tong Tong aanrijden Slijpen Geen passend profiel aanslagspoorstaaf Schiften, stoppen Afwijking geometrie tabel III.13 Afwijkingen tongbeweging

Aanvulling op afwijkingen tussenspoorstaaf: Puntstuk Afwijking Maatregel Goede geleiding, slijpen, goed afgestelde strijkregel Slijtage door inrijden Slijpen, oplassen Braamvorming punt Slijpen, oplassen Braamvorming deelnaad Tijdig slijpen, oplassen Mangaanstalen puntstuk scheuren/breuk Scheuren voorkomen door slijpen, vervangen Breuk tabel III.14 Afwijkingen puntstuk

Strijkregel Afwijking Verhoogde zijdelingse slijtage Spoorvernauwing (betonnen liggers) tabel III.15 Afwijkingen strijkregel

-51- van de 87

Maatregel Goede geometrie wissel, uitvullen strijkregel, vervangen Voldoende wrijving onderlegplaat, schiften


Bijlage

Las Afwijking Breuk Scheuren/breuk lasplaten

Maatregel Materiaalkeuze, storingsafhankelijk onderhoud, vervangen Materiaalkeuze, storingsafhankelijk onderhoud, vervangen lasplaat

tabel III.16 Afwijkingen lasverbinding

III.6.2 Stabilisatieconstructie Wisselligger Afwijking Niet goed ondersteund Teveel bewegen Inslaan hout Scheurvorming Breuk

Maatregel Stoppen Tijdig stoppen Goede horizontale weerstand, verboren wisselligger, vervangen Materiaalkeuze, vervangen Materiaalkeuze, vervangen

tabel III.17 Afwijkingen wisselligger

Ballast Afwijking Onjuiste ligging geometrie Onvoldoende drainage werking Verbrijzeling Afname horizontale stabiliteit Afname verticale stabiliteit

Maatregel Stoppen, schiften Zeefanalyse ballast, filterlaag, schoonmaken ballast Zeefanalyse ballast, schoonmaken/vervangen ballast Aanvullen, verdichten ballast Aanvullen, verdichten ballast

tabel III.18 Afwijkingen ballastbed

Bevestiging Afwijking Klembouten/ veerklem los Veerklem kapot Teveel speling Kraagbout los Kraagbout breken

Maatregel Inspectie bevestiging, Bouten aandraaien/vervangen Inspectie bevestiging, Storingsafhankelijk onderhoud Inspectie bevestiging, Bouten aandraaien/vervangen Inspectie bevestiging, Bouten aandraaien/vervangen Inspectie bevestiging, Storingsafhankelijk onderhoud

tabel III.19 Afwijkingen bevestiging

III.7 Overzicht FMECA tabel wissel De tien grootste risico’s kunnen worden afgeleid uit de mogelijke afwijkingen, de kans op optreden en de gevolgen wanneer een afwijking optreedt én vanuit praktijkervaring. Er wordt geen rekening gehouden met storingen die worden veroorzaakt door het nalaten van onderhoud, maar van de benodigde onderhoudsfrequenties om het falen te voorkomen. Het beleid in Nederland is de spoorbaan in goede staat te houden en veiligheidsaantastende degradatie van het wissel wordt voorkomen. De niet veiligheid aantastende degradatie kan wel worden uitgesteld wanneer wordt gekozen voor correctief onderhoud (uit economisch afweging). De levensduur van een wissel bedraagt gemiddeld 15 tot 25 jaar en op niet druk bereden tracés zelfs 30-35 jaar. De gemiddelde levensduur die nu wordt aangehouden is daarom 25 jaar. De kans op het optreden is bepaald vanuit de frequentie dat het onderhoud nodig is gedurende de levensduur van het wissel. De gevolgen van een storing worden bepaald op basis hoe veel exploitatie tijd van een dag treindienstplanning door het onderhoud wordt verhinderd, uitgaande van 24 uur.

-52- van de 87


Bijlage

Risico top tien Afwijking Kans 1 Tong slijtage horizontaal (eerste 1,5 meter) 1,14 2 Tong braamvorming (eerste 1,5 meter) 1,14 3 Tong (verhoogd) slijtage verticaal 0,41 4 Verhoogde slijtage spoor algemeen (met 0,64 name tussenspoorstaaf in boog) 5 Slijtage aanslagspoorstaaf 1,14 6 Ballast onvoldoende ondersteunend 0,51 7 Wisselliggers onvoldoende ondersteunend 0,50 8 Bouten gebroken/losliggend 1,1 9 Naald puntstuk slijtage, scheuren en 0,50 vervormen 10 Extra tijd voor stoppen bij 0,40 bedieningsstangen, wisselliggers achter puntstuk

Gevolg 0,65 0,38 0,83 0,5

Risico 0,74 0,43 0,34 0,32

0,25 0,50 0,50 0,20 0,38

0,29 0,26 0,25 0,22 0,19

0,17

0,07

tabel III.20 Risico top tien wissel (intensief bereden wissel)

Het voorbeeld voor risico 1, horizontale slijtage tong wordt als voorbeeld uitgewerkt in het onderstaande figuur. De bekeken periode bedraagt de levensduur van het wissel, aangenomen op 25 jaar. De bekeken onderhoudswerkzaamheden zijn StoringsAfhankelijk Onderhoud (SAO) met een algemene frequentie, gerelateerd aan de generieke toepassing van een intensief bereden wissel en/of de frequentie van gepland onderhoud. De onderhoudgegevens zijn: a. Zijdelingse slijtage, standtijd 1 jaar, SAO van 1,5 uur b. Zijdelingse slijtage, standtijd 25 jaar, SAO van 6 uur c. Vervangen tongbeweging. standtijd 10 jaar, SAO van 8 uur c

a

a

a

a

0

a

a

a

a

a

a

5

a

c

b

a

a

a

10

a

a

15

a

a

a

a

a

20

a

a

a

a

25 jaar

figuur III.22 Onderhoudintervallen zijdelingse slijtage tong

1 1 1 114 Frequentie = freq a + freq b + freq c = + + = 1 25 10 25 Gevo lg =

duur a duur b duur c 1,5 6 8 15,5 + + = + + = exp loitatie duur exp loitatie duur exp loitatie duur 24 24 24 24

Het gevolg wordt bepaald door de duur van het herstel uit te zetten tegen de exploitatieperiode, omdat dat de directe impact van het onderhoud geeft. De duur van het falen uitzetten tegen de totale bekeken periode geeft niet de reële impact weer.

Risico = frequentie ⋅ gevo lg =

-53- van de 87

114 15,5 ⋅ = 0,74 25 24


Bijlage

III.8 Algemeen beeld storingen De verdeling van alle optredende storingen in Nederland wordt in deze paragraaf nader belicht om een beeld te geven hoe het algemene aandeel is van de optredende wisselstoringen. De waarden zijn bepaald door analyse van de landelijke storingen van alle spoorwegcomponenten als wissels, overwegen e.d. gedurende 2003. De storingen van wissels worden verder verdeeld over de deelsystemen bedieningssysteem, wisselconstructie/stabilisatieconstructie en wisselverwarming. De wisselconstructie wordt tot slot nog nader belicht voor de gemiddelde verdeling van storingen over de verschillende wisselonderdelen. De gegevens van alle spoorweg storingen in 2003 zijn overgenomen uit referenties [40] en [41] en de faalpercentages van de wisselcomponenten bekeken vanuit het landelijk gemiddelde zijn overgenomen uit referentie [6]. Onderdeel Bedrijfsprocessen derden Technische storingen Bedrijfsprocessen ProRail Weersomstandigheden Overig/onbekend Totaal

Totaal [-] 2003 3532 3343 940 388 76 8279

Totaal [%] 2003 42,7 40,4 11,4 4,7 0,92 100

tabel III.21 Totaal overzicht storingen onderverdeeld in categorieën over 2003

De storingen in het spoorwegnetwerk kunnen voor een belangrijk onderdeel procesmatig worden beheerst door de vervoerders en de spoorwegbeheerder. De technische storingen worden veroorzaakt door de infrastructuur zelf en kunnen ook worden toegeschreven aan de wissels. De verdeling van de technische storingen over alle infra-elementen, is onderverdeeld in de onderstaande tabel. Onderdeel Wissel Beveiliging Seinen Overwegen Overig/onbekend Totaal

Totaal [-] 2003 981 919 206 200 1037 3343

Totaal [%] 2003 29,3 27,5 6,2 8,0 31,0 100

tabel III.22 Totaal overzicht storingen per infra-element over 2003

Wissels zijn een belangrijke storingsoorzaak in het totale spoorwegnetwerk. Het totale registratie overzicht van wissel gerelateerde storingen in 2003 is aangegeven in tabel III.23. Onderdeel Bedieningssyteem Motor Wisselconstructie Wisselverwarming Totaal

Totaal [-] 2003 653 15 399 12 1079

Totaal [%] 2003 60,5 1,4 37,0 1,1 100

tabel III.23 Totaal overzicht storingen per deelsysteem wissel over 2003

Onderzoek naar wisselstoringen in Nederland laat zien dat de meeste wisselstoringen worden veroorzaakt door een technische, mechanische oorzaak (80%) en een klein deel door weerinvloeden, vandalisme of schade veroorzaakt door derden (20%). [6] De verdeling van de 80% technische storingen over de hoofdcomponenten van het wissel is in de volgende tabel aangegeven. Onderdeel Wisselsteller Tongbeweging/aanslagspoorstaaf Puntstuk/strijkregel/tussenspoorstaaf Overig (bouten/rugplaten)

Totaal [%] 50 30 15 5

Verdeling [%] 40-60 20-40 10-20 0-10

-54- van de 87

Bijlage


tabel III.24 Totaal overzicht wisselstoringen per hoofdcomponent wissel

-55- van de 87


Bijlage

-56- van de 87

Bijlage


IV. Analyse degradatiemodel wissel IV.1 Literatuuronderzoek degradatie proces wissel Het degradatiemodel dat voor het wissel wordt opgesteld, is gebaseerd op de achteruitgang door het gebruik van het wissel en door de (materiaal) eigenschappen van het wissel zelf. De degradatie van het wissel dat wordt bepaald door de materiaaleigenschappen en de wiel-rail interactie wordt op basis van bestaande soortgelijke onderzoeken in de railbouwsector nader uitgediept. De gebruikte publicaties van uitgevoerde onderzoeken gaan hoofdzakelijk in op de slijtage en vermoeiing van spoorstaven die in een boog met verkanting liggen. De slijtage en vermoeiingsprocessen van specifiek wissels zijn nauwelijks onderzocht. De onderzoeken naar bogen met verkanting hebben een groot verschil met wissels waarin geen verkanting zit en geen overgangsboog tussen het afwijkend been en voorgaande rechtstand. Het proces van slijtage en vermoeiing in bogen kan wel een beeld geven van de belangrijkste parameters die ook een belangrijke rol spelen bij vermoeiing en slijtage in wissels. Referentie [16] geeft meer informatie over de optredende slijtage en vermoeiing in wissels. Referentie [20] geeft als conclusie: Het opstellen van slijtagemodellen blijkt in het algemeen óf zo simpel te zijn dat zij geen specifieke, voorspellende capaciteit hebben óf zo gecompliceerd zijn met vele niet te bepalen aspecten dat het maar beperkte voorspellende capaciteit heeft. Het kan dan voordeel hebben vooral te werken met de specifieke modellen die voldoen aan de te onderzoeken situatie. Deze modellen moeten met zowel laboratorium onderzoek als met praktijkonderzoek te zijn bevestigd. Het is in dit onderzoek dus niet mogelijk een kwantitatieve degradatie verloop van een wissel te geven door de zo complexe relaties en de vereiste onderzoeken voor het verkrijgen van de juiste waarden van de verschillende parameters. De volgende publicaties zijn gebruikt en samengevat voor het vormen van een beeld van de parameters van materiaaleigenschappen en het wiel-rail interactieproces die de basis vormen voor het op te stellen kwalitatieve degradatiemodel. Deze artikelen zijn afkomstig uit tijdschrift Wear, digitaal uitgegeven door Elsevier B.V. en artikelen van de 5e World Congres in Railway Research 2001.

IV.1.1 Samenvatting publicaties Tribological aspects of wheel-rail contact: a review of recent experimental research, P. Clayton, Wear 191 p.170-183, 1996, Elsevier B.V. In dit artikel wordt de huidige stand in de wiel-rail wrijvingsleer onderzoeken nader geanalyseerd tot de datum van publicatie, vanuit het oogpunt van zware vracht spoorlijnen. Het artikel gaat nader in op de uitgevoerde onderzoeken van de voorgaande 12 jaar om de bestaande kennis toe te lichten. De nadruk ligt op de slijtage, frictie en vermoeiing die horen bij het wiel-rail contact. In de spoorwegen hebben tijdens de bekeken periode veel veranderingen plaatsgevonden, die de levensduur van de constructie mede bepalen. Slijp-onderhoudswerkzaamheden behoren nu tot de standaard werkzaamheden om golfslijtage en oppervlakte vermoeiing te beheersen. Deze slijpwerkzaamheden zijn een belangrijke factor in de spoorstaaf slijtage levensduur. In de jaren 1980 krijgt het smeren van spoorstaven een opleving door het vasthouden aan de belofte voor het reduceren van de brandstofkosten en wiel-rail slijtage. Dearden concludeerde echter in zijn artikelen dat in het UK systeem met relatief scherpe bochten, de introductie van de slijtage weerstand klassen wordt opgeheven door het toepassen van het smeren van de spoorstaven. Het onderhoud van deze systemen is ook erg arbeidsintensief. De spoorstaven zijn veranderd van staalkwaliteit en samenstelling. Tegenwoordig worden voornamelijk spoorstaven toegepast met in de verharde railkop door extra behandeling tijdens het productieproces.

-57- van de 87


Bijlage

Slijtage De slijtage aan de loopkant van de railkop (Gauge Face Wear, GFW) en de slijtage aan de wielflens en wielkop zijn nog steeds belangrijke, economische problemen. Zelfs met de grootste aandacht worden niet alle spoorstaven in bochten even goed gesmeerd. Het gebeurt nog steeds dat er verhoogde slijtage plaatsvindt op de railkoppen en dat de wielen uithollen, alleen het gebeurt niet altijd op dezelfde manier. Onderzoeken concludeerde in 1950 dat de railkop slijtage voornamelijk door corrosie wordt bepaald. In de jaren ’80 veranderde dit idee door de afname van de optredende slijtagegraad. Clayton en Allery veronderstelde dat de vervorming en breuk van perliet staal een frequenter mechanisme is. Grote data analyses uit praktijkmetingen hebben geleid tot een empirisch model waarmee slijtageverloop kan worden aangegeven met de cumulatieve tonnage, de boogstraal en verkanting met verschillende coëfficiënten. Reiner en Staplin observeerden dat het empirische model een exponentiele toename voorspelt in de spoorstaafslijtage bij een wiellast boven de 23.000 lbf (=102,3 kN). Dit gaf het begin voor een vergelijking voor Rolling Contact Fatigue verloop als een functie van belasting zoals de relatie tussen slijtageverloop en wiellast. Laboratorium onderzoek gaf aan dat de maat van slijtage door belasting een functie is van het materiaal. Problemen met metingen treden in praktijk op bij het in beeld brengen van de railprofielen en de mate van slijtage. Het is belangrijk te weten hoe bij bochten de maat van slijtage varieert. Er zijn ook verschillende onderzoeken gedaan naar de relatie tussen slijtage en de staalkwaliteit. Mutton et al. hebben bij onderzoek naar staalsoorten aangetoond dat er in een 2° bocht een nietlineaire relatie is tussen de mate van slijtage en de cumulatieve gepasseerde tonnages. Eén conclusie is dat hoe harder staal is hoe minder slijtage. Wielflens slijtage wordt gereduceerd door toename van het koolstofgehalte in staal. De slijtage in bochten kan tot een factor drie worden gereduceerd met de optimalisering van de chemische samenstelling van het staal (gevonden evenredigheid tussen koolstofgehalte en slijtage). Het analyseren van data van verschillende metingen laat wel zien dat het moeilijk en complex is vaste relaties aan te tonen. Terwijl er een duidelijke trend is in het afname van slijtage bij hogere hardheid van het staal, is er een spreiding van ±25% in conclusies van verschillende artikelen. Bolton en Clayton hebben drie typen slijtage geïdentificeerd, type I, II en III. Type I komt overeen met kopslijtage van spoorstaven. Er is geen verder onderzoek gedaan om dit te onderbouwen. Type II komt overeen met de eerder vastgestelde slijtage aan loopkant. Er is ook gekeken naar de relatie tussen de slijtagemaat en de contact condities. De volgende lineaire functie is vastgesteld:

lineaire relatie slijtagemaat =

tangentiele kracht ⋅ slip/rol ratio T ⋅ γ = . Hertzian contact gebied A

Dit geldt voor een kleine selectie van materialen binnen het type II slijtage regiem. Deze slijtage getallen zijn gebruikt voor het voorspellen van het slijtagegedrag per staalkwaliteit. De type III slijtage komt overeen met ongesmeerde zijdelingse slijtage door zware vrachttreinlasten. Er is geen algemeen slijtagemodel van wiel en spoorstaaf slijtage dat gebruikt kan worden voor voorspellingen van een absolute slijtage graad voor elke staalkwaliteit in elke situatie, noch van eerste principes of kennis van basis materiaaleigenschappen. Het lijkt daarom aannemelijk om voor de toekomst te concluderen dat een goed werkende kennis over relatieve prestaties van spoorbaan en verkeersvariabelen voor een selectie materialen het best haalbare is voor mogelijke voorspellingen en van daaruit planningen voor spoorwegvernieuwingen. Een alternatief is meer te begrijpen van de slijtagemechanismen en de controle daarvan door de staalstructuur. Type III slijtage blijkt het beginstadium scheurvorming te zijn dat leidt naar grotere afbrokkeling. Deze beschadiging leidt weer tot grotere beschadiging aan zowel het wiel als de spoorstaaf. Het beginstadium scheurvorming en de snelheid daarvan worden zowel bepaald door de contactcondities als door de staaleigenschappen; harder staal en lagere ruwheid in het contactgebied geven een langere duur van het scheurvormingsproces. Het proces van het ontstaan van de eerste scheuren is nog niet geheel bekend. De grote spreiding in de meetgegevens maakt het ook moeilijk om de relatie tussen slijtage en de microstructuur vast te stellen.

-58- van de 87

Bijlage


Frictie Het smeren van spoorstaven voor besparing van brandstof is begin jaren tachtig aangetoond bij bepaalde tracéstudies. Het proces vereist wel veel voorzieningen en werkzaamheden die nog te wensen overlaten in betrouwbaarheid. Een vaste hoeveelheid smeren kan een gemiddelde toename van frictie van 0,1 naar 0,5 geven bij een begin rolruwheid van 1220 MPa en een slip/rol ratio van 25%. De smeermaatregelen zijn significant minder duurzaam bij toepassing op ruwe oppervlakten. Er is verder nog veel te doen voor het begrijpen van het gedrag van gewone smeermiddelen om deze te kunnen verbeteren of gericht te kunnen aanpassen. Vermoeiing De begin oppervlakte Rolling Contact Fatigue (RCF) hangt alleen af van de spanningen die ontstaan door de wiel-rail contact spanningen. In Groot-Brittannië is squat de meest bekende vorm van RCF die ook veel zorgen geeft doordat de scheuren meestal overgaan in transversale scheuren. RCF zijn gerelateerd aan plastische deformatie waarbij begin scheurvorming resulteren uit eenzijdige spanningsaccumulatie. De daarop volgende groei van de scheur volgt uit de vloeilijn van de vervormde microstructuur. Het ontstaan en voortplanten van de scheuren krijgt de laatste jaren veel aandacht. Een veel voorkomende RCF in zwaar belaste spoorstaven zijn de headchecks die op dezelfde manier ontstaan en voortzetten volgens de vloeilijnen van het oppervlaktemateriaal. De meest gehoorde toelichting is dat grotere aslasten leiden tot een diepe deformatielaag dan lichte aslast, hoge snelheid voertuigen. Bepaalde vormen van onregelmatige golfslijtage komen door oppervlakte scheuren die leiden tot te weinig oppervlakte ondersteuning. Laboratoriumonderzoek toonde aan dat RCF onmogelijk tot grote scheurvorming kon leiden zonder de aanwezigheid van vloeistoffen. Way stelde vast dat de vloeistof die in de scheur komt, zorgt voor extra druk in de scheur waardoor deze uitbreidt. Dit idee is door meerdere onderzoeken bevestigd. Het is aannemelijk dat het smeren van spoorstaven ook het begin van scheurvorming bevordert. De vloeistof draagt bij aan het reduceren van de oppervlakte grip en de slijtage, terwijl de spanningen cyclisch toenemen en leidt tot een zeker falen. Water heeft een sterker nadelig effect op de scheuren dan olie, door het gemak waarmee het de scheur binnendringt. Onderzoeken naar de relatie RCF-slip-rol ratio hebben nog niet geleid tot een duidelijke relatie. De toename in contactspanning en reductie van perliet staal hardheid leidt wel tot kortere levensduur. Het voorspellen van RCF verloop blijft nog wel moeilijk. Een faalaspect voor begin scheurvorming zal meer worden bevestigd in termen van cumulatieve spanningen en de verdere scheurvorming. De oplossing van spoor slijpen om de squats weg te nemen, geeft weer het begin van golfslijtage door teveel lokaal bijslijpen van de spoorstaaf. Het preventief slijpen is hierdoor een betere oplossing. Het opstellen van slijtagemodellen blijkt dus in het algemeen óf zo simpel te zijn dat zij geen specifieke, voorspellende capaciteit hebben óf zo gecompliceerd zijn met vele niet te bepalen aspecten dat het maar beperkte voorspellende capaciteit heeft. Het kan dan voordeel hebben vooral te werken met de specifieke modellen die voldoen aan de te onderzoeken situatie. Deze modellen moeten met zowel laboratorium onderzoek als met praktijkonderzoek te zijn bevestigd. Een alternatief is voorspelling te doen van de plastische spanningen. Slijtage is meestal het gevolg van plastische oppervlaktespanning dat leidt tot microscheurvorming. De macrodeformatie van de wiel-railcomponenten en beginnende oppervlakte RCF zijn ook gevolg van plastische spanningen.

Effects of wheel-rail contact geometry on wheel set steering forces, S. Mace, R. Pena, N. Wilson, D. DiBrito, Wear 191 p. 204-209, 1996, Elsevier B.V. Ongunstig wiel-railcontact geometrie en flens smeren zijn van betekenis geweest bij een aantal recent optredende spoorverwijdingen en opklimming wat leidt tot ontsporingen. Het verlies van het wielset stuurmechanisme is samen met een reductie van het verschil in wiel rolradius in het wielset het aangetoonde, onderliggende ontsporingmechanisme dat leidt tot dwarskrachtvervorming van het draaistel en de generatie van grote zijdelingse krachten (leiden tot verbreding) op het spoor. Een serie theoretische analyses en veldexperimenten hebben het verlies van stuurvermogen aangetoond, veroorzaakt door de volgende wiel-rail contact condities: 1. Sterk tweepunt contact tussen wielflenzen en rails 2. Hol uitgesleten wiel loopvlak 3. Zwaar slijtage op het binnenloopvlak van de spoorstaaf 4. Bovenbeen loopvlak smeren -59- van de 87


Bijlage

5. Droge railkoppen Studies leiden naar verschillende spoorverwijdingen en opklimming ontsporingen situaties hebben aangetoond dat deze condities niet ongewoon zijn in Noord Amerikaanse spoorwegen. Het doorlopen van bochten door een treinwagon betekent normaal gesproken dat het eerste wielstel de bocht in een negatieve hoek ten opzichte van de boogstraal de bocht doorloopt. Het tweede wielstel doorloopt daartegen de bocht wel radiaal. De buitenste wielen van het eerste wielstel worden met de flens tegen het bovenbeen in de bocht gedrukt. Het verschil in boogstraal van het bovenbeen en benedenbeen in een bocht, geeft longitudinale krachten bij de zijdelingse verplaatsing tijdens de bocht die het eerste wielstel sturen. De sturende krachten die door de twee wielstellen worden veroorzaakt, geven de sturende momenten op het draaistel. Normaal gesproken levert het sturende wielstel een positief stuurmoment, terwijl het volgende wielstel een kleiner negatief moment levert. Het resterende moment is dan positief en draait het draaistel bij ten opzichte van het rijtuig door het overwinnen van de wrijving van het centrale draaipunt. Bijkomend bij de longitudinale stuurkrachten, levert het leidende wielstel ook grote, laterale kruipkrachten op beide wielen, veroorzaakt door de negatieve hoek. Het volgende wielstel levert slecht kleine laterale krachten omdat deze meer radiaal door de bocht loopt. Indien het moment op de leidende wielstel negatief is, wordt het moment op het draaistel ook negatief. Het overschrijden van de dwarskrachtweerstand door dit negatieve moment, ontstaat er dwarskracht op het wielstel in plaats van dat het gaat roteren. In dit geval maken beide wielstellen een negatieve hoek met de boogstraal en produceren grote laterale kruipkrachten op de spoorstaven. De opeenvolgende dwarskrachten van draaistellen geven grote zijdelingse krachten op de spoorstaven en veroorzaken grote zijdelingse spoorstaaf slijtage.

Simulation of mutual wheel/rail wear, S. Zakharov, I. Zharov, Wear 253 p.100-106, 2002, Elsevier B.V. Wiel/rail slijtage simulatie gebaseerd op wiskundige modellen is één van de middelen om voorspelling te doen van de wiel-rail levensduur. Theoretische studie van wederzijdse slijtagelichamen heeft aangetoond dat de steady-state slijtageprofiel afhankelijk is van het initiële profiel. De afgeleide vergelijkingen van deze studie maken het mogelijk een optimaal wiel/railkop profiel te maken voor het beperken van de totale slijtage als de aanloophoek, de zijdelingse krachten en het slijtagemodel bekend zijn. Voor het simuleren van de wiel-rail slijtage is het noodzakelijk de interrelatie van het slijtageproces met de dynamica van de voertuig/spoor interactie, de mechanische contactparameters en de wrijvingseigenschappen van de samenwerkende materialen mee te nemen. De meeste wiel-rail simulaties zijn uitgevoerd vanuit het veronderstelling dat alleen het wielprofiel onderhevig is aan slijtage. Dynamische krachten zijn met verschillende programma’s bepaald. Normaal en tangentiële spanningen zijn bepaald met Hertzian en niet-Hertzian theorie. Er zijn geometrische onregelmatigheden van de spoorlijn toegevoegd voor uitwijking van het wielstel. Berekeningen zijn gebaseerd op de lineaire relatie tussen slijtage en frictie. Ook de stochastische, dynamische voertuigeigenschappen zijn als een mechanisch contact set ontwikkeld. Er is een gecombineerde simulatie van rail en wiel in relatie met slijtage beschreven. Er zijn veel factoren van invloed op slijtage, welke vaak indirect als steady-state worden aangenomen. Theoretische studie naar twee wederzijdse slijtage lichamen heeft aangetoond dat hun steady-state slijtageprofiel afhankelijk is van de initiële profielen. De wederzijdse slijtage kan dus zowel direct worden beïnvloed met keuze van het initiële railprofiel, het slijpen en met de wielen en indirect met onder meer de variatie in het slijtage weerstand eigenschappen over de profiellengte door oppervlaktebehandeling. Het onderzoek is gebaseerd op de volgende uitgangspunten: • Het steady-state profiel geldt bij zekere situaties en is afhankelijk van de initiële wiel/rail profielen en de slijtage eigenschappen van het materiaal • Er bestaat een optimaal, op geselecteerde criteria, profiel voor het verkrijgen van minimale slijtage en minimale drukverdeling • De optimale profielen zijn geselecteerd voor de groep van wielflens/railkop conforme profielen

-60- van de 87

Bijlage

• • •


De optimale profielen kunnen gevonden worden door op het contactvlak een constante ratio van slijtage van het contactlichamen in te stellen De verticale en zijdelingse krachten zijn net als de aanloophoek bekend vanuit berekening van de quasi-statische beweging van het draaistel in een bocht. De afhankelijkheid van slijtagemaat van de contactparameters is afgeleid vanuit laboratoriumonderzoek van wielflens/railkop slijtage.

Een goede opstelling van de wiel/rail slijtage simulatie vereist dat het slijtagemechanisme goed wordt nagebootst. Belangrijk zijn hiervoor de slijtagemaat, eigenschappen slijtageoppervlak, afmetingen, morfologie en kleur van slijtageresten en de schaaleffecten. De slijtage is gemeten voor rails en wielen standaard materiaal met de gemiddelde hardheid van 290 HV. De totale maat van de slijtage aan beide rollen is gebruikt voor het krijgen van betrouwbare gegevens. De totale maat van slijtage is ook nodig voor het optimaliseren van beide materialen. De slijtagemaat is bestudeerd als functie van de pλ parameter, waarbij p de contactdruk (MPa) is en λ de relatieve slip. De slijtagemaat varieert met een wijde marge van pλ. De formule die op basis van laboratoriumonderzoek is opgesteld voor het bepalen van de totale rollen slijtagemaat I is:

⎛P⎞ 2 ⎛ F ⎞ 2 I = kρ ⎜ ⎟λ = kρ ⎜ ⎟λ ⎝E⎠ ⎝ ωE ⎠

[mg /( m mm)]

waarbij k de slijtagecoëfficiënt is en E de Young modulus, ω de breedte van de kleinste rol, F de belasting en P de belasting per eenheid lengte en λ de relatieve slip tussen 0 en 1. De bekende Hertz formule voor het contact tussen twee cilinders geeft de volgende relatie voor de belasting F en de maximale druk p:

p=

FE (1 − υ 2 )ωπr

waarbij υ de Poisson coëfficiënt is en r de straal van de rollers (effectieve straal is r/2). De specifieke volume slijtagemaat in dimensieloze vorm kan worden uitgedrukt als I* = k*p*λ2. Waarbij k* = k/E en p* is de contact druk in de bijbehorende punten van het contactvlak. De analytische benadering van de wederzijdse wiel/rail slijtage laat zien dat het uiteindelijke slijtageprofiel afhankelijk is van de initiële profielen. De opgestelde formules maken het mogelijk het ideale wielflens/railkop profiel op te stellen die de minimale slijtage geeft bij bekende aanloophoek, zijdelingse krachten en slijtagemodel.

On some recent trends in modelling of contact fatigue and wear in rail, K. Dang Van, M.H. Maitournam, Wear 253 p. 219-227, 2002, Elsevier B.V. Er zijn verschillende numerieke methoden gepresenteerd voor computeranalyses van schade dat in spoorstaven optreedt door repeterende belasting. Deze methoden zijn gebruikt voor kwantitatieve voorspelling van vermoeiing. Squats en head-checks zijn tegenwoordig belangrijke faalmechanismen. Squats komen zowel voor op rechte tracés als in bochten en ontstaan in het gedeformeerde gebied van het loopvlak van de spoorstaaf. Indien de squat zo’n 5 mm onder het oppervlak kom, kan deze verder naar beneden toe uitbreiden en vormt progressieve zijdelingse scheuren die snel uitbreiden. Head checks komen voor op het bovenbeen in bochten en bij kruisende spoorstaven. Een oorzaak van de toename in deze schadevorm is onder meer de verandering van staalkwaliteit (sinds 1960) en de toename belasting en kracht van de wielassen. Het begrijpen van het vermoeiingsproces vraagt allereerst meer duidelijkheid over het thermomechanische waarden in de spoorstaaf door herhaalde rolcontacten. Het kleine contactoppervlak maakt dat de elasticiteit wordt overschreden en plastische deformatie optreedt. Dit moet dan ook worden meegerekend, samen met de restspanningen door de opeenvolgende wiellasten. Het rolcontact is een 3D probleem van frictie en complexe, plaatselijk slip. De intensiteit -61- van de 87


Bijlage

van de wiellast, de frictiecoëfficiënt en de materiaal eigenschappen zijn bepalend voor de grenswaarden. De grenswaarden betreffen de elastische staat, de elastische vervorming (door eerdere plastische vervorming is hierop van invloed), verandering plasticiteit en de versterking van staalkwaliteit door herhaaldelijk elastische verlenging en plastische vervorming (ratchetting). De tweede moeilijkheid is het voorspellen van de schade, wat nauw verbonden is met de mechanische grenswaarden. Dit maakt het noodzakelijk om gebruik te maken van het meer-assige vermoeiingscriteria om te kunnen werken met het complexe meer-assige belasting situatie. De lokale spanningen en rekken werken in driedimensionale richting. Het eerste probleem wordt met een ontwikkeld computermodel bepaald, waarmee de gestabiliseerde staat van elk soort inelastische structuur wordt bepaald (stapsgewijs of direct) dat is belast met bewegende belastingen. Het tweede probleem in geval van hoge cyclische vermoeiing heeft Dang Van een meer assige vermoeiingscriterium opgesteld.

Wear, plastic deformation and friction of two rail steels-a full scale test and a laboratory study, U. Olofsson, T. Telliskivi, Wear 254 p. 80-93, 2003, Elsevier B.V. Vormverandering in combinatie met slijtage en plastische vervorming op een spoorstaaf kan de levensduur van een spoor verkorten. Het doel van dit onderzoek is de ontwikkeling van deze schademechanismen te bestuderen op een nieuwe en een 3 jaar oude spoorstaaf in een forensen spoor over de periode van 2 jaar. De proefondervindelijke resultaten van de metingen tonen aan dat er een significante verandering in het railprofiel optreedt samen met plastische deformatie. De plastische deformatie en slijtage zijn een continu proces, zelfs voor een spoorstaaf dat al 5 jaar in gebruik is. Het plastische deformatie mechanisme is een steeds verdere ontwikkelende plastische vervorming door cyclische belasting. De resultaten van een 3D oppervlakte meting gaven aan dat er verschillende slijtagemechanismen zijn voor verschillende delen van de spoorstaaf. Milde slijtage domineert op de railkop terwijl hevige slijtage optreedt aan de loopkant. De hevige slijtage vertoont verloop in de mate van slijtage. De materiaaltesten zijn op twee verschillende machines uitgevoerd, de twee-rollen (rol-slip contact van railkop-wielband) en de pin-op-schijf (slip contact van loopkantwielflens) machine. Op basis van de resultaten van de materiaaltesten is een eenvoudige slijtagekaart opgesteld waarin de slijtagecoëfficiënt is weergegeven als functie van slipsnelheid en contactdruk. De resultaten van de laboratoriumtesten tonen aan dat de slijtagecoëfficiënt sterk afhankelijk is van de slipsnelheid. De toename in slijtagecoëfficiënt bij toename van slipsnelheid gaat samen met de overgang in het slijtagemechanisme van de milde vorm naar de hevige vorm van slijtage. Het contactvlak kan worden opgedeeld in een ‘adhesie’ gebied en een ‘slip’ gebied. Bij toenemende tangentiële kracht neemt het slipgebied toe en neemt het adhesiegebied af, wat resulteert in een rol en slip gebied. Het overschrijden van de grenswaarde van de tangentiële kracht maakt dat het contact volledig overgaat in puur glijden. Het overschrijden van de elastische grens in het contactgebied leidt tot plastische deformatie. De diepte van deze plastische deformatie wordt bepaald door de hardheid van de spoorstaven en de hevigheid van de bochten en kan zelfs 15 mm bedragen. Meestal treedt elastische shakedown op en dat het materiaal na een aantal belasting cyclussen elastisch vervormd. De shakedown gebeurt alleen bij belastingen die de shakedown grens overschrijden. Het materiaal ontspant bij de elastisch shakedown tussen de belastingen door terug naar de oorspronkelijke situatie, maar houdt enige restspanningen. De plastische shakedown grens is wanneer belastingen tussen de elastische en plastische shakedown grens komen wat leidt tot cyclische plasticiteit van de spoorstaven. Belastingen boven de plastische shakedown limit leiden tot blijvende vervormingen die bij elke cyclische belasting een klein beetje toenemen (ratchetting). De slijtage kan de vorm veranderen van het contactoppervlak van de rol-slip contact op een ongunstige manier. De slijtagemaat wordt bepaald door de contactdruk, de grootte van het slip aandeel, smeren, de microstructuur en de hardheid. Over de glijslijtage kan worden opgemerkt dat een toename van hevigheid van de belasting (normaal last, slipsnelheid of temperatuur van de massa) op een gegeven moment leidt tot een plotselinge verandering in de slijtagemaat (volume materiaalverlies per lengte). De eenvoudigste onderscheid in slijtage dat verschillende slijtagematen

-62- van de 87


Bijlage

geeft, zijn de milde slijtage en de hevige slijtage. Milde slijtage geeft een glad oppervlak die soms gladder is dan het originele oppervlak. Hevige slijtage leidt tot een ruw oppervlak dat meestal ruwer is dan het originele oppervlak. In rechte tracés kan het roestvorming grotere slijtage geven dan de slijtage door wiel-rail contact. Bij roestvorming is de contacttemperatuur een negatieve invloedsfactor voor de slijtagemaat. De frictiecoëfficiënt wordt gebruikt voor zowel de invoer bij dynamische treinsimulaties als bij gedetailleerde contact mechanisme berekeningen. Er is echter weinig bekend over de metingen van frictie. Het bestudeerde tracé is 20 km dubbel spoor in Älvsjö op het Banverket spoor, 20 km ten zuiden van Stockholm. De treinen rijden in beide richtingen over beide sporen met de gemiddelde snelheid van 75 km/uur. Het gemiddelde aantal gepasseerde tonnages bedroeg in 1994-1997 jaarlijks 4.000.000 ton en in 1997-1999 nam dit toe tot jaarlijks 6.000.000 ton. Er zijn in de sporen verschillende materialen toegepast, UIC 900A en UIC 1100. Het ene spoor wordt gesmeerd en het andere spoor niet. De gebruikersperiode of mega tonnages zijn per boog 2 jaren (12,3 Mt), 3 jaren (12,8 Mt) en 5 jaren (24,7 Mt). Bij het eerste draaistel maakt het eerste wielstel contact met de loopkant van het bovenbeen en het tweede wielstel maakte contact met de railkop van het bovenbeen. Het contact met de loopkant van het bovenbeen gaat snel over in de maximale zijdelingse kracht en gaat dan over in slip. Daartegen is het contact op de railkop een rollend én slipcontact. De verdeling is in het onderstaande figuur weergegeven. railkop – wielband rand railkop – wielflens +

contact druk (MPa)

eerste wiel hoge rail (Medyna)

2000

tweede wiel hoge rail (Medyna) +

0 0

1 slip snelheid (m/s)

figuur 1 Slipsnelheid en contact druk grafiek.

Het verschil in slipsnelheid en contactdruk in het railkop-wielband contact en loopkant-wielflens contact is goed zichtbaar. Het railkop-wielband contact zal de slipsnelheid en de contactdruk van 0,1 m/s en 1,5 GPa nooit overschrijden. De loopkant-wielflens contact zal de maximale slipsnelheid bereiken van 0,9 m/s en de maximale contactdruk tot 2,7 GPa. Een meer gedetailleerde contact mechanisme analyse kan worden verkregen met de eindige elementen methode. Voor experimenten worden het profiel (MINIPROF), de oppervlakte ruwheid (wordt middels plastic mal gemeten), rail hardheid en de rail frictiecoëfficiënt gemeten. De metingen worden op drie plaatsen boven een dwarsligger gemeten per spoorstaaf. De oppervlakte ruwheid wordt alleen op de bovenbenen gemeten. De meetresultaten van het tracé geven het verschil in slijtage tussen gesmeerde (weinig slijtage) en niet-gesmeerde (veel slijtage) spoor goed weer. De UIC900A spoorstaaf vervormt veel meer dan de UIC1100 spoorstaaf. Plastische deformatie gebeurt aan de loopkant van het bovenbeen. Er treedt daar zowel slijtage op als wegdringen van materiaal. Het wegduwen van materiaal gaat samen met ratchetting. De maten W1, W2 en W3 worden gebruikt voor het kwantitatieve vergelijken van de vormverandering. W1 is het verticale verschil op de railkop, W2 het horizontale verschil aan de loopkant van de railkop -63- van de 87


Bijlage

en W3 is het verschil in de richting 45° aan de loopkant van de railkop. W2 en W3 zijn de maten die vaak hevige slijtage betreffen.

W1 [mm] nieuwe spoorstaaf



W1 [mm] Oude spoorstaaf

W2 [mm] oude spoorstaaf

UIC 900A, gesmeerd 0,08 ± 0,01 0,57 ± 0,22 0,48 ± 0,10 0,04 ± 0,01 0,12 ± R=364 m en verkanting 94 mm UIC 1100, gesmeerd 0,06 ± 0,05 0,14 ± 0,10 0,14 ± 0,04 0,06 ± 0,02 0,24 ± R=364 m en verkanting 93 mm UIC 900A, niet gesmeerd, R=303 4,07 ± 0,11 3,29 ± 0,09 0,12 ± 0,05 1,89 ± m en verkanting 0,38 ± 0,11 152 mm UIC 1100, niet gesmeerd, R=303 1,28 ± 0,18 0,94 ± 0,13 0,14 ± 0,04 1,12 ± m en verkanting 0,16 ± 0,03 148 mm tabel 1 Resultaten kwantitatieve slijtage parameters voor bovenbeen na 16 maanden verkeer (8,1 Mt)

W3 [mm] oude spoorstaaf

0,03

0,04 ± 0,02

0,04

0,08 ± 0,04

0,13

1,29 ± 0,14

0,07

0,83 ± 0,06

De nieuwe, niet-gesmeerde spoorstaven hebben aan de loopkant, W2 ongeveer 10 keer meer slijtage dan op de railkop, W1. Ditzelfde geldt ook voor de oude spoorstaven. Een vergelijking in de hoeveelheid slijtage op W2 van de oude en de nieuwe spoorstaaf geeft wel aan dat de diepte van de slijtage op de nieuwe spoorstaaf groter is dan die op de oude spoorstaaf. De W1, W2 en W3 zijn op de UIC900A, niet-gesmeerde spoorstaaf bij de nieuwe spoorstaaf meer dan twee keer groter dan op de oude spoorstaaf. De nieuwe spoorstaaf UIC1100 aan de ongesmeerde kant vertoont op alle drie de punten ongeveer eenderde van de slijtage van de nieuwe, niet-gesmeerde UIC900A spoorstaaf. Alle slijtage metingen zijn verricht met de referentie van de allereerste meting op dezelfde spoorstaaf. De metingen voor de oppervlakteruwheid met behulp van de plastic mallen gaven aan dat bij beide type spoorstaven de railkop van de bovenbeen binnen korte tijd glad werd. De eerste dag slijten de pieken van de ruwheid af en blijven de dalen zichtbaar. Na 15 dagen zijn deze dalen ook niet meer zichtbaar. Het verschil in ruwheid op de railkop en de loopkant zijn na 4 maanden goed zichtbaar, de railkop wordt gladder en de loopkant wordt ruwer. De hardheid van de UIC 900A spoorstaven verandert minder dan die van de UIC 1100 spoorstaaf. Na 16 maanden treinbelasting is de railkop hardheid in de gesmeerde bocht ongeveer gelijk aan die van de oude spoorstaaf. Het benedenbeen heeft geen significante verandering in hardheid gedurende de twee jaar testen. De loopkant is de plaats -net onder het oppervlak- waar de grootste verharding optreedt. De niet gesmeerde spoorstaven hebben een grote verharding vergeleken met de gesmeerde spoorstaven. Dit komt overeen met de grote waarden voor frictie. De gemeten frictie is bij nietgesmeerde spoorstaven tijdens een regenbui significant lager dan bij droog weer. Hoe groter de frictiecoëfficiënt hoe groter ook de zijdelingse krachten en hoe dichter bij het oppervlak de grootste equivalenten spanningen optreden. De laboratoriumtesten met de twee-rollen machine en de pin-schijf machine zijn gebruikt om de verschillen te meten tussen beide materialen, slipsnelheden en contactdruk waar de slijtagecoëfficiënt uit volgt. De frictiecoëfficiënt μ in de Coulomb frictiecoëfficiënt

μ=

T waarbij T de zijdelings N

belasting is en N de normaal belasting. De dimensieloze slijtagecoëfficiënt K is gedefinieerd met de Archad slijtage vergelijk:

K=

W (?) waarbij W (m3) het slijtagevolume is, N (N) de normaal HNs

-64- van de 87

Bijlage


belasting, s (m) de slipafstand en H (Pa) de materiaalhardheid. De resultaten van beide laboratoriumtesten zijn in tabelvorm aangegeven. De resultaten van de pin-op-schijf machine tonen aan dat de slijtagecoëfficiënt afhankelijk is van de slipsnelheid van beide materialen wat ook in praktijk naar voren kwam. De interessante conclusie van de twee-rollen test is dat het verschil in materiaal UIC 900A en UIC 1100 statistisch een minder groot verschil geven in de slijtagecoëfficiënt K dan de verandering in belasting en kruip. De testen tonen net als de real life test aan dat er een sprong is tussen het slijtagemechanisme puur door slip (hevige slijtage) bij toename van de belasting (toename contactdruk en slipsnelheid of massa temperatuur) voor alle materialen. De kop zelf heeft vooral milde slijtage terwijl aan de loopkant met name hevige slijtage optreedt. De zijdelingse kopslijtage is zowel bij de laboratoriumtest als bij de real life test 10 keer groter dan de kopslijtage. Het verschil tussen een glad oppervlak en het optreden van hevige slijtage blijkt bij de pin-op-schijf test bij de slipsnelheid van 0,0325 m/s op te treden. De slipsnelheid tot 0,0325 m/s geeft een glad oppervlak en bij hogere snelheid ontstaat een ruwer oppervlak. Uit het onderzoek kan worden geconcludeerd dat het soort wiel-rail contact in de vorm van gesmeerd/niet-gesmeerd of slipsnelheid/contactdruk meer invloed heeft op de profielverandering dan het gebruikte materiaal UIC900A of UIC1100. De slijtagecoëfficiënt wordt bepaald door de slipsnelheid. Toename van de slijtagecoëfficiënt gaat samen met toename van slipsnelheid wat bij een zekere slipsnelheid de overgang geeft van milde slijtage naar hevige slijtage. De plastische vervorming treedt vooral op aan de loopkant en kan gepaard gaan met ratchetting.

Mapping rail wear regimes and transitions, R. Lewis, U. Olofsson, Wear 257 p.721-729, 2004, Elsevier B.V. Het artikel is een beschrijving van het opstellen van diagrammen van de rail materiaal slijtagecoëfficiënten, opgesteld op basis van laboratoriumonderzoek met de twee-schijven test en de pin-op-schijf machine en op basis van veldmetingen. De slijtage regimes zijn gerelateerd aan de verwachte wiel/railcontact condities en contactpunten (railkop/wielband en loopkant/wielflens). De oppervlakte morfologie wordt besproken waarbij vergelijking wordt gemaakt tussen de resultaten van het veld- en laboratoriumonderzoek. Het opstellen van de slijtage diagrammen van slijtagematen tegen contactdruk en slipsnelheid geeft verschillende gebieden voor verschillende slijtagemechanismen en de overgang van milde slijtage naar heftige slijtage. In een slip slijtage diagram van Lim en Ashby zijn tot zeven verschillende slijtage regimes vastgesteld. Een andere vorm voor het weergeven van wiel-rail slijtage data is uitgevoerd door Bolton en Clayton. Deze benadering is gebaseerd op het uitzetten van de slijtagemaat in μg massa verlies/m gerold/mm2 contact oppervlak tegen Tγ/A waarbij T de wrijvingskracht (normaalkracht · wrijvingsweerstand) is en γ is de slip (percentage verschil oppervlaktesnelheid tussen wiel en spoorstaaf) en A het Hertzian contactoppervlak. Hierbij zijn drie slijtage regimes vastgesteld met de twee-schijven test, namelijk milde, hevige en catastrofale slijtage. Slijtage regiem I wordt door oxidatie gedomineerd en gebied III door oppervlakte scheurvorming en materiaalverlies door afbrokkeling. De overgang tussen de verschillende gebieden geeft een ander type slijtage. Gebied I (en beetje gebied II) wordt bepaald door wielband/railkop contact terwijl gebieden II en III worden bepaald door wielflens/loopkant contact.

-65- van de 87


Bijlage

Slijtage maat (μg/m/mm 2] 100.000 Gebied II, heftig

10.000

Gebied III, catastrofaal

1.000

100 Gebied I, mild

10 1 0

20

40

60

80

100

120

Tγ/A [N/mm 2]

figuur 1 Slijtage regimes die bij de twee-schijven test zijn vastgesteld voor BS11 spoorstaaf materiaal

Het is duidelijk dat elk materiaal type een andere hoeveelheid slijtage op verschillende plaatsen geeft met eigen grenzen voor de drie gebieden, maar de trend is gelijk en de drie regimes bestaan voor alle metaalsoorten. Resultaten vanuit de grote schaal testen (real life) geven goede overeenkomstige resultaten, maar met enig verschil in de helling (wat steiler). Dit verschil komt waarschijnlijk door onderschatting van de slipwaarden, welke de waarde van de Tγ/A parameter doen afnemen. De spreiding van de contactcondities voor de flens contacten geeft de variatie aan in de frictiecoëfficiënt. Goede waarden voor frictie kunnen worden bepaald voor het wielband contact waarin geen spreiding optreedt. Ondanks de kleine verschillen tussen de laboratorium en veldtesten, geven beide testen resultaten van dezelfde orde van grootte. De Tγ/A methode is zeer bruikbaar voor het vergelijken van resultaten van de veld- en laboratoriumonderzoeken. De methode geeft echter geen informatie voor het volledig begrijpen hoe de individuele bijdragen zijn van de verschillende parameters als contactdruk en slip effect op de slijtagemaat. Lim en Ashby hebben een goede techniek ontwikkeld voor het weergeven van de slip slijtagemechanismen. De slijtagecoëfficiënten worden berekend met railstaal slijtage met gebruik van Archard’s vergelijking:

K=

Vh . Ns

K is hierbij de slijtagecoëfficiënt, V het slijtagevolume, N de normaalbelasting en s de slipafstand en h de materiaalhardheid. De slijtagecoëfficiënten worden uitgezet tegen contactdruk en slipsnelheid in het contact in zowel contourdiagram als 3D punt grafiek. De beschikbare gegevens zijn nog beperkt voor de nauwkeurigheid van het contourdiagram. De resultaten van de twee-schijven test en de pin-op-schijf test geven bij lage slip snelheden dezelfde slijtagecoëfficiënten. De slijtagecoëfficiënt is dus afhankelijk van de slipsnelheid. Dit komt ook naar voren in de grote schaal test. De slijtage aan de loopkant is groter (hoge slipsnelheid) dan de slijtage op de railkop (lage slipsnelheid). De slijtagecoëfficiënt diagrammen geven een goed beeld van de overgang van milde slijtage naar heftige slijtage. Het is belangrijk te weten hoeveel slijtage optreedt onder de verwachte wieldruk en slip op het wiel-rail contactpunt op zekere punten van het spoorbaan tracé, met name in bochten met kleine straal. Dit kan helpen bij de volgende punten: • Meer effectieve onderhoudschema’s per routes • Indien verschillende spoorprofielen nodig kunnen zijn voor het reduceren van onrustig wielrailcontact • Waar smeerinstallaties noodzakelijk zijn voor het slijtageprobleem • Verbetering van dataverzameling voor simulatietechnieken voor het voorspellen van verandering van spoorstaafprofielen De huidige data in de slijtage diagrammen is echter nog te beperkt hiervoor, maar zijn een goed startpunt voor verdere ontwikkeling.

-66- van de 87


Bijlage

Testen in praktijk (Älvsjö) duidden aan dat de slijtage op de loopkant zo’n 6 keer groter is dan die op de railkop. De pin-op-schijf test gaf een slijtagemaat van catastrofale slijtage regime die vier keer groter is dan die van het milde slijtage regime. De slijtage van de grote schaal test is kleiner dan die van de pin-op-schijf test. Dit wordt toegewezen aan de milieu-invloeden die bij de praktijktest wel zijn en niet bij de laboratoriumtest, zoals biologisch materiaal dat op de spoorstaven afzet. De overgang in slijtagemaat tussen de verschillende regimes kan nog niet goed worden verklaard. Het is zeker dat de temperatuur een rol speelt in de slijtage overgangen. In recent werk over slijtage van R&T wheel steel is een kwantitatieve analyse gebruikt om de relatie van de sprong in slijtage tussen heftige slijtage en catastrofale slijtage en de temperatuur op het contactpunt te bepalen. De berekende temperaturen van de contact condities bij deze spong waren in het gebied waar een afname in vloeisterkte van het wielmateriaal plaatsvond. De temperaturen bij de pin-op-schijf test en twee-schijven test zijn berekend voor de UIC60 900A railstaal en R7 wielstaal. De pin-op-schijf temperatuur is berekend met de methode van Lim en Ashby en voor de twee-schijven test met de benadering van Lewis en Dwyer-Joyce. De overgang tussen heftige slijtage en catastrofale slijtage blijkt te liggen tussen 200ºC en 300ºC. Deze temperaturen komen overeen met de temperaturen die de sprong in de vloeisterkte van koolstofmangaanstaal (railstaal) veroorzaken. Een vergelijking van beide testen bij lage belasting en slipsnelheid geeft dezelfde temperaturen, wat overeenkomt met slijtagemaat. Een studie naar slijtage regimes past in de grafiek die de relatie aangeeft tussen slipsnelheid en contactdruk. Er zijn nu tot 5 slijtage regimes en overgangsgebieden vastgesteld. Het is aangegeven in het onderstaande figuur waaruit blijkt dat de railkop vooral milde slijtage en enigszins hevige slijtage ondervindt en de loopkant heeft meer heftige slijtage en vooral catastrofale slijtage. contact druk (MPa)

railkop – wielband rand railkop – wielflens

2500

2000 hevigcatastrofaal Hevig overgang

1500

Mild

1000

UIC 900A v.s. R7 slijtage kaart Catastrofaal

500

slip snelheid (m/s)

0 0

1

figuur 2 UIC 900A railstaal slijtagekaart met ondergrond van wiel-railcondities bepaald met GENSYS simulatie

Er is veel onderzoek gedaan naar contact railkop-wielband, maar nog weinig voor het contact loopkant-wielflens. Dat is een doelstelling voor verder onderzoek, vooral nu de ontwikkelingen van hogere aslasten en smalle bogen op hogesnelheidslijnen meer hevige slijtage doet verwachten.

Two-Material Rail Development to Prevent Rolling Contact Fatigue and to Reduce Noise levels in Curved Rail Track, E.J.M. Hiensch, A. Kapoor, B.L. Josefson, J.W. Ringsberg, J.C.O. Nielsen en F.J. Franklin [WCRR 2001] Resultaten van het Europese 5e kader onderzoek project “INFRA-STAR” zijn gepresenteerd. Het doel van het onderzoek is het voorkomen van rolling contact fatigue (RCF) en het reduceren van schrille geluiden in bochten door een tweede oppervlakte laag aan te brengen op de railkop; de tweematerialen spoorstaaf. Het accent ligt bij het INFRA-STAR project op de verbetering van de

-67- van de 87


Bijlage

duurzaamheid en leeftijd van de spoorstaven en het reduceren van geluid emissie bij nauwe en middelmatige bochten, hoge verkeersintensiteit en hoge aslasten door het toepassen van een coating op de railkop. Een dynamisch trein tracé interactiemodel is gebruikt voor het bepalen van de contactkrachten. De wiel-rail contactkrachten, spinmomenten, contactposities en belastingverdeling op het contactgebied zijn bepaald met gegevens van de wiel-railprofielen, wiel-rail frictie, voertuiggegevens, spoorbaangegevens en operationele condities. De contactdruk, frictiecoëfficiënt, coatingdikte, materiaaleigenschappen van de coating en het railmateriaal zijn gebruikt voor de shakedown grens wat wordt gebruikt voor het voorspellen van de RCF van het systeem. Het rapport gaat in op het theoretische model, de twee schijven test en het metaalkundig onderzoek. De ontwikkeling van de gebruikte toepassingmethoden voor de oppervlaktelaag wordt besproken. Rolling contact fatigue (RCF) is één van de hoofd gebruikersbeperking van de productiviteit van het spoorwegnetwerk. Squats, Tache Ovals, Shelling en Head Checks zijn allemaal vormen van RCF, waarbij Head Checks (haarscheuren) vooral optreden in bochten en bij wissels waar de wielflens tegen de loopkant komt wat kan leiden tot toenemende slip en afname van het wiel-rail contactoppervlak. De beginnende haarscheuren kunnen leiden tot uiteindelijk breuk van de hele spoorstaaf. Twee toepassingtechnieken voor de productie van de tweematerialen spoorstaven zijn in het project bestudeerd: de walstechnologie voor het maken van nieuwe spoorstaven en de laser bekleding technologie voor toepassing bij bestaande infrastructuur of in het productieproces van nieuwe spoorstaven. De Corus walstoepassing bestaat uit de elastische en plastische shakedown en ratchetting waarmee het toegevoegde oppervlak wordt gerold tijdens het productieproces. (uitgebreid beschreven proces. Plastische shakedown kan door gesloten spanningscyclus leiden tot breuk bij lage cyclische vermoeiing, overschrijding van de plastische shakedowngrens leidt tot ratchetting (open spanningscyclus) waardoor in alle richtingen plastische vloei optreedt wat per belasting verder doorzet. De taaiheid is de maat voor hoeveel plastische vervorming het materiaal kan doorstaan. Overschrijding van de taaiheid bij ratchetting leidt tot breuk) De Duroc bekleding technologie is een oppervlakte en materiaal behandelingsproces waarbij legeringmaterialen en zelfs keramische toevoegingen, in de vorm van poedermaterialen gecombineerd kunnen worden om de unieke materialen te produceren. De dikte van de toe te passen bekleding is belangrijk. Hoe dikker hoe beter, maar dat is niet economisch. Om te voorkomen dat elke productie in het laboratorium of praktijk getest moet worden, is er een dynamica model van de spoorbaan ontworpen om te onderzoeken hoe de twee-materiaal spoorstaven reageren op de zware belasting. Twee Duroc coating proefmodellen worden eerst getest op excellente RCF en slijtageweerstand onder natte omstandigheden met een Hertzian piek contactdruk van 1,5 GPa (toegepaste belasting van 7.18 kN) op –1% slip. Deze modellen worden getest met de twee-schijven machine waarbij de eerste 1000 omwentelingen droog plaatsvinden om de initiële scheurvorming te bevorderen, waarna vervolgens de test met gedestilleerd water (2 druppels per seconde) nat gemaakte schijven wordt uitgevoerd. Bij één situatie worden nat 20.000 omwentelingen gemaakt en bij de andere nat 200.000 omwentelingen. De behandelde spoorstaven vertoonden in beide situaties geen scheurvorming terwijl de niet behandelde schijven scheuren vertoonden na 1.000 droge en 3.000 natte omwentelingen. De wrijvingscoëfficiënt was gemeten voor de duur van elke test. De referentietest met onbehandelde spoorstaaf schijf had maximaal de wrijvingscoëfficiënt van 0,44 tijdens de droge omwentelingen en kwam op 0,21 bij de natte cyclussen. De droge wrijvingscoëfficiënt van bij het ene monster 0,42-0,43 en de andere 0,39. De wrijvingsweerstand bij de natte omwentelingen was duidelijk verschillend voor de twee monsters. Het eerste model kwam uiterlijk op 0,33 na 40.000 natte omwentelingen wat gepaard ging met ruis wat beide weer afnam richting de 200.000 omwentelingen waarbij de wrijvingscoëfficiënt 0,21 werd. Het andere model had de piek bij 5.000-7.000 omwentelingen op 0,300,32 en kwam bij 20.000 omwentelingen uit op blijvend 0,16. De weerstand is van beide proefmodellen zowel droog als nat dus lager dan die van het referentiemodel. Resultaten van het materiaalonderzoek zijn:

-68- van de 87

Bijlage

• • •


Contactoppervlak: de micro scheurvorming is niet waargenomen (niet op oppervlak en niet op raakvlak). De diepte van de plastische deformatie varieerde tussen de 2 en 18 μm. De onbehandelde rail had bij dezelfde test parameters een plastische deformatie van 0,3-0,4 mm dik. Raakvlak: De bindingskwaliteit op het raakvlak functioneerde uitstekend. Geen van de geteste schijven vertoonde micro scheurvorming of laagvorming. Basismateriaal spoorstaaf: het geharde oppervlak bestaat uit voornamelijk uit martensiet structuur direct op het raakvlak dat geleidelijk verandert in uitgegloeid perliet en uiteindelijk tot een volledige perlietstructuur bij het raakvlak.

Het materiaal dat wordt aangebracht op de twee-materialen spoorstaven heeft een grotere hardheid, hogere vloeispanning en, gewenst, lagere frictie dan het materiaal van de spoorstaven. Deze eigenschappen beperken de plastische vervorming en dus de vorming van haarscheurtjes in de railkop. De prestatie van de coating worden bepaald door de dikte en de interactie tussen de coating en de ondergrond materiaal eigenschappen. De stappen hiervoor zijn 1. Het treinverkeer wordt nagebootst in een dynamisch trein tracé interactiemodel voor het bepalen van de wiel-rail contactkrachten, spinmomenten, contactposities en contact belastingverdeling. 2. Deze resultaten worden in een FEM model ingevoerd om het RCF proces te analyseren. 3. De berekende railspanningen worden gebruikt om shakedown berekeningen uit te voeren en het optreden van RCF bij verschillende coatings en treinverkeer situaties en voor het bepalen van het risico van initiële RCF scheuren. Het model is in twee praktijksituaties getest. De zijdelingse contactpositie van de leidende buitenste wielen van de twee draaistellen van een ertswagon was stabiel rond 20-25 mm vanaf de top van de railkop (richting midden baan) onafhankelijk van de wiel-rail de profiel combinatie.

-69- van de 87


Bijlage

De grootste normaal- en tangentiële krachten treden op bij de eerste, buitenste wielen per draaistel waarbij volledige slip optreedt. De maximale normaal contactdruk overeenkomstig met het Hertzian contactmechanisme varieert tussen 2.5 en 4.1 GPa bij zes verschillende, versleten wielen op een nieuw UIC60 spoorstaaf. Als zowel de wielen als de spoorstaven versleten zijn, is de maximale contactdruk 0,7-2,1 GPa. De voertuigbelasting op een spoorbaan geeft spanningen in de spoorstaven. Deze spanningen geven in de spoorstaven twee verschillende reacties: 1. Globale respons: globale rail balk buiging en torsie, veroorzaakt door resterende longitudinale, laterale en normaal krachten. Deze respons wordt bepaald door de eigenschappen van de railcomponenten en de interacties 2. Locale respons: veroorzaakt lokaal naast en op het contactvlak zeer hoge spanningen en grote spanningsgradiënten. Deze spanningen zijn dichtbij of boven de vloeispanningen. Deze zijn beide van belang bij de RCF analyse. Eerder is aangetoond dat de globale respons de restspanningen met zo’n 10% beïnvloeden (longitudinale buigspanningen) vergeleken met de lokale respons dat de RCF schade bepaald. De shakedown grens wordt bepaald door de frictiecoëfficiënt en de vloeispanningen van het materiaal van zowel de spoorstaaf als de coating. Wong et al. hebben voor verschillende frictiecoëfficiënten en vloeispanningen de shakedown grenzen berekend van behandelde spoorstaven belast met een lijnlast. Het is gewenst om binnen de shakedown grens te blijven zodat ratchetting niet optreedt. Hieruit is de gewenste dikte van de coating te bepalen die de shakedown grens bepaald.

Rolling Contact Fatigue of Rails, what remains to be done?, R.A. Smith, Imperial College of Science, technology and Medicine, London [WCRR 2001] Het spanningsconcentratie gedrag dat het begin van de RCF scheurvorming veroorzaakt, is het wielrail contact. De condities onder het contactvlak zijn altijd ruw en het vloeispanning van het spoorstaaf staal wordt altijd overschreden, zeker op microniveau mede door de oppervlakte ruwheid van het wiel en de rail. Per wiel-railcontact treden onomkeerbare veranderingen op in de spoorstaafstructuur dat leidt tot slijtage en vermoeiing. De levensduur van een spoorstaaf wordt in belangrijke mate bepaald door de competitie tussen slijtage en vermoeiing. De spanningen onder het contactpunt worden bepaald door de wiel-rail geometrie bij het contactpunt. Het contactpunt wordt onder meer bepaald door het gedrag in de bocht, de voertuig karakteristieken en de staat van het wiel en de rail. Zowel de normaalkrachten als de middelpuntvliedende krachten doen de dwarskrachten toenemen in het contactpunt waardoor de beginscheuren ontstaan. Het fenomeen en de stappen waarin RCF scheuren in de spoorstaven ontstaan, is schematisch weergegeven in onderstaande figuur.

-70- van de 87


Bijlage

Vervormde oppervlakte laag

Richting

In het contactspanningsgebied zet de scheurvorming door onder een hoek van ~ 15º

Regio plastische vervorming door contactspanningen

Elastisch contact spanningsveld

De scheur buigt naar beneden af met een hoek van ~ 70º onder invloed van de restspanningen

Groei tempo

Groei tempo

Vroege groei in contact spanningsgebied dat versterkt kan worden door hydro effect

Verdere achteruitgang in contact spanningsgebied mede door afname spanningen

Iniatief. Veroorzaakt door sterke plastische vervorming en ratchetting

Scheurlengte

Groei tempo

Restspanningen in de rail door buiging, fabricage en voegloos spoor

De scheur neemt door de restspanningen verder toe tot uiteindelijk een breuk optreedt

Scheurlengte

Scheurlengte

Groei tempo

Het complexe proces van scheurvorming wordt door de gestippelde lijn gevormd na bijeenvoegen van de verschillende mechanismen

Scheurlengte

Figuur 1 Karakteristieken van de ontwikkeling en groei van RCF scheuren in spoorstaven

De onderzoeken hebben aangetoond dat de scheuren eerst in de richting ~15º richting de railkop voortplanten en nadat de scheuren een diepte van typische 10 mm bereiken wordt de helling veel steiler tot ~70º en zet de scheur voort tot breuk optreedt. Tijdens de ondiepe scheurvorming schilfert het materiaal en laat het los van de railkop. De breuk treedt op door de verdiepte voorzetting van de scheur en zal ten alle tijden voorkomen dienen te worden. De verzamelde W vorm is in figuur 2 nader geanalyseerd voor de relatie RCF- slijtage.

-71- van de 87


Groeitempo / slijtagemaat

Erg hoge slijtagemaat aan het oppervlak houdt scheurvorming tegen, een lagere maat vereffend de scheuren sneller dan zij vormen

Bijlage

Lagere slijtage maat is onvoldoende om te voorkomen dat de scheuren overgaan naar de elastische contact spanningszone (A) De scheur zal echter stoppen te groeien als het buiten de contact spanningszone komt, voordat het bij de restspanningen komt (B).


B A

Scheurlengte


Scheurlengte

Bij lagere groeisnelheid dan getoond, zullen de restspanningen de scheur verder naar beneden doen toenemen, door de railkop heen wat kan leiden tot breuk.

Scheurlengte

Figuur 2 Interactie tussen slijtage en RCF scheuren in de spoorstaven

De hoeveelheid slijtage kan ook met extra bijslijpen worden verkregen, met het doel de RCF te beheersen. De dunne oppervlakte laag direct onder het wiel-railcontact is onderworpen aan verschillende belastingen. De beginfasen van slijtage en RCF zijn in essentie gelijk. Het materiaal faalt lokaal en de schade hoopt zich op. De maat waarbij materiaal loslaat moet groter zijn dan het verdiepen van de scheurvorming om vermoeiing te vermijden. Het kwantificeren van slijtage is zowel een orde van grootte als de mogelijkheid voor het kwantificeren van de initiële scheurvorming. Er is nader onderzoek nodig voor parameters zoals begin ruwheid van zowel wiel als rail, de rol van de hydrostatische druk op de verdere hardheid, de gedetailleerde mechanismen van spanningen die ontstaan door combinaties van nieuwe en versleten wielen railprofielen en het effect van longitudinale en tangentiële spanningen. De dynamische effecten en het schaaleffect van scheurvorming wat laboratorium testen bemoeilijk, spelen in praktijk een grote rol bij deze processen. Er is dus grote relatie tussen slijtage en de ontwikkeling van RCF in rails. Afname van slijtage lijkt samen te gaan toename van railbreuk problemen. Het begrijpen van zowel slijtage als vermoeiing is van belang voor het maken van goede rationele afwegingen van de laagste economische slijtage wat faalmechanismen zal reduceren. Als scheurvorming niet te vermijden is, kan het proces door het slijpen van de spoorstaven worden beheerst. Ditzelfde geldt voor het beheersen van zijdelingse slijtage door rail smeren. Beide kan alleen goed effect geven wanneer een goed kwantitatief beeld bestaan van het voorgeschreven vermoeiing-slijtage proces.

-72- van de 87

Bijlage


Gauge Face Wear Caused with Vehicle/Track Interaction, Makoto ISHIDA, Misunobu TAKIKAWA, Ying JIN, Railway Technical Research Institue [WCRR 2001] De auteurs zijn met dit artikel nader ingegaan op de invloed van de voertuig/spoor interactie, zoals de aanloophoek van een wielstel en de zijdelingse krachten tussen het wiel en de spoorstaaf, op de zijdelingse railkop slijtage en zijdelingse flensslijtage van de wielen. Verschillende dynamische spoormetingen zijn gedurende twee jaar uitgevoerd op Shinkansen tracés met scherpe bochten. De twee schijven machine is daarnaast gebruikt om de invloed van de aanloophoek, zijdelingse kracht e.d. op de slijtage te bestuderen. Een 3-D FEM analyse van de contactspanningen is uitgevoerd om een benadering te maken van de plastische vervorming en slijtage die plaatsvinden op de loopkant bij wielflens contact. Het significante effect van de aanloophoek op de zijdelingse kopslijtage is verkregen van de testen met de tweeschijven machine wat liet zien dat toename van de aanloophoek er toe leidt dat het wiel-railcontactpunt verandert in toenemende glijsnelheid. In het algemeen heeft de slipsnelheid een grove overeenkomst met slijtage. De FEM analyse liet de mogelijkheid van grote plastische vervorming en slijtage op het contactvlak tussen wiel en rail zien waardoor het effect van het profiel op het reduceren van de slijtage kon worden ingeschat. De optredende zijdelingse krachten op het bovenbeen in de bocht van 400 m is bijna twee keer groter dan in de bocht met de straal van 900 m waarbij het verkantingstekort vrijwel gelijk is. Er lijkt bij zijdelingse krachten op het versleten railprofiel bij beide boogstralen meer stabiliteit te zijn dan bij nieuwe railprofielen. De optredende zijdelingse verplaatsing van de railkop is overeenkomstig met de zijdelingse krachten. De bocht van 900 m liet bij de metingen voor zijdelingse verplaatsing twee interessante fenomenen zien: sommige zijdelingse verplaatsingen van de bovenbenen vonden naar binnen toe plaats en de verplaatsingen van de versleten spoorstaven lieten meer spreiding zien dan nieuwe spoorstaven. In het algemeen is de zijdelingse verplaatsing van de bovenbenen bij zijdelingse krachten naar buiten toe gericht, maar wanneer de laterale kracht te klein is kan verplaatsing naar binnen gaan richten, bepaald door de rail/wiel contact en de grootte van de wiellast. De aanloophoek blijkt bij versleten spoorstaven kleiner te zijn dan bij nieuwe spoorstaven. De FEM analyse gaf een beeld van de optredende spanningen die goed overeen kwamen met de Hertzian contactspanningen. De spanningen aan de loopkant blijken bijna twee keer groter te zijn dan die recht boven de railkop. Toename van de aanloophoek geeft geen grote veranderingen in de spanningen in de railkop, maar die in de loopkant namen met 12,7% toe. De slijtage bij het twee-schijven testmodel met een aanloophoek van 0,3º lijkt overeen te komen met bestaande slijtageprocessen. Er is geconstateerd dat de slijtage allereerst optreedt aan de loopkant en dan langzaam doorgaat naar de railkop. De slijtage van de railkop neemt geleidelijk aan toe het de herhaalde cyclische belastingen, waarbij geen merkbaar verschil is tussen een aanloophoek van 0º of 0,3º tot 40 MGT. De zijdelingse slijtage aan de railkop neemt daarentegen snel toe bij zowel 0º als 0,3º. De slijtage hoeveelheid van 0,3º is groter dan die van 0º.

Simulating rolling-contact fatigue and wear on a wheel/rail simulation test rig, Dr.rer.nat. Detlev Ullrich, Dr.-Ing. Michael Luke [WCRR 2001] Deutsche Bahn’s Research & Technology Centre (FTZ) heeft de nieuwe wiel/rail simulatie test installatie (RaSSP) op Brandenburg-Kirchmöser reeds twee jaar in gebruik. De installatie is hoofdzakelijk ontworpen om het rolcontact proces te testen voor wielstellen op ware grootte. De model testinstallatie dient om de gebruikte materialen te testen op dezelfde contactspanningen als in werkelijkheid zouden optreden. Dit geeft informatie om de materialen te optimaliseren tegen de optredende slijtage. De twee railrollen, 2,1 m diameter, zijn torsie stijf aan elkaar bevestigd waarbij de staalband een UIC 60 profiel heeft (900A). Deze wielen hebben ook zoveel mogelijk dezelfde microstructuur en textuur als de werkelijke spoorstaven na het fabricageproces. Het 36 ton wegende lichaam van de wiel-rail simulatie testinstallatie rust op een 200 ton vibratie voetstuk. Samen met de ondersteuning is het wielstel bevestigd aan een hulpstuk met primaire gedempte vering en kan, aangedreven door een railroller, een stationaire rolsnelheid tot 330 km/uur halen. De wiel contactkrachten, de zijdelingse verplaatsing en de aanloophoek van het wielstel kunnen in het systeem worden aangebracht door een systeem van 6 hydraulische cilinders. -73- van de 87


Bijlage

De krachten die op het wielstel werken, worden afgeleid vanuit computersimulaties van de bekeken spoorlijn. Het doorlopen van een bocht en de daardoor veranderde beweging, de verandering van snelheid over een recht tracé e.d. worden gebruikt voor het verkrijgen van de grote variatie aan optredende spanningen. Naast de op het wiel en rail profiel af te leiden slijtage, kunnen ook de optredende krachten en verplaatsingen tijdens het proces worden gemeten en vastgelegd. Het model is ook zo opgesteld dat het mogelijk is de optredende wiel-railkrachten te meten in alle ruimtelijke richtingen gedurende de test rit. Doordat verschillende –nieuw of gebruikte, of standaard wielmateriaal (RR7)- wiel en railprofielen kunnen worden gebruikt, kan onderzoek worden gedaan naar het verschil in hardheid, profielverloop en mogelijke scheurvorming. De Head Checks als belangrijke vorm van rail defecten zijn met dit test model nader onderzocht. Head Checks zijn een patroon van fijne scheuren die hoofdzakelijk optreden aan de rand van de wielflens op de spoorstaaf. De Head Checks verspreiden vanaf het oppervlak verder over de hele spoorstaafdoorsnede tot dit leidt tot breuk. De oorzaken van deze vermoeiingsvorm zijn uitgebreid, onder andere: - Slijtageweerstand van het gebruikte staal in de spoorstaaf - Boogstraal - Spoorstaaf profiel - Verkanting of helling (initiële scheurvorming bij testmodel) - Snelheid - Impact van spoorstaaf smeren en natheid spoorstaven - Wiel slip - Aanloophoek wielen (initiële scheurvorming bij testmodel) - Wiel contact kracht (initiële scheurvorming bij testmodel) Het grote aantal cyclische belastingen op de spoorstaaf kan goed worden nagebootst met dit model. Het railmodel wordt bij grote snelheid zeer frequent belast. Bijvoorbeeld bij 120 km/uur wordt het railoppervlak ongeveer 5 keer per seconde belast wat overeenkomt met ongeveer de continue belasting 5 ICE1-treinen per minuut. Vermoeiing dat normaal na jaren gebruik optreedt, kan zo in enkele dagen worden gemeten. Het testen van het model voor 1 uur, komt overeen met 55 dagen continu 20.000 ton/dag in praktijk, of 27 dagen 40.000 ton/dag of 60.00 ton/dag voor 18 dagen in praktijk. Een S1002 wielstel is bij de proefopstelling eerst gelijkmatig glad gereden door het wielstel zijdelings te bewegen tijdens het draaien. De testbeweging is een bocht met de straal van 800 m die met 130 km/uur wordt bereden. De eerste test is het meten van het verschil in aanloophoek (0 tot 2,5 mrad) en de zijdelingse kracht (-10 kN) bij een contactkracht links/rechts van 56/80 kN. Zoals verwacht leidt bij afwezigheid van smeren het strijken van de wielflens tegen de spoorstaaf tot grote zijdelingse slijtage. Dit verandert zichtbaar wanneer het model wordt ingesteld op een bocht waar de centrifugaalkracht ruimschoots is overgecompenseerd en de zijdelingse kracht niet meer op de spoorstaaf werkt. Na een uur, overeenkomstig met ca 70.000 aslasten en zo’n 1 miljoen ton aslasten treden de eerste haarscheuren van 1-3 mm lengte op die met het blote oog waarneembaar zijn. Het railprofiel en het wiel zijn niet meetbaar veranderd. De hardheid van de spoorstaaf was maximaal 320 HV (Hardheid Vickers) in het scheurgebiedje. Het railprofiel moest tot een diepte van 0,4 mm worden bijgeslepen voor de scheurtjes waren verdwenen. Het demonstreren van slijtage en vermoeiing is met de wiel/rail model testinstallatie mogelijk binnen zeer korte onderzoekstijd. Vindingen tonen naast de gemeten oorzaken van de haarscheuren (snelheid, centrifugale versnelling die niet door verkanting wordt gecompenseerd en de resulterende aanloophoek) ook aan dat de haarscheuren vooral optreden door passage van de niet aangedreven wielstellen. De aangedreven wielen zijn niet nodig voor het ontstaan van haarscheuren maar dragen er wel toe bij.

-74- van de 87

Bijlage


Rail maintenance oriented wheel-rail contact knowledge, Louis Girardi e.a., SNCF [WCRR 2001] Het wiel-rail contact wordt door vele parameters beïnvloed. Dit onderzoek gaat in op de twee hoofdfactoren die in de meeste praktijksituaties optreden, namelijk - Het wiel-railcontact met het daarbij behorende contactpatroon bepaald door de wiellast en de geometrische vorm van het wiel en de rail. - Het wrijvingsverloop veroorzaakt door het ‘derde lichaam’ bestaande uit het raakvlak wiel-rail. (gemeten met microscopische inspectie van de bolvormige deeltjes van het rail smeren) Deze factoren zijn met zowel theoretische als laboratorium modellen onderzocht. Het verschil in wieldiameter waarin de wielstellen een bochten doorlopen, maakt dat het binnenwiel de bocht vertraagd doorloopt en het buitenste wiel juist versneld. De hoek tussen de as en de boogstraal neemt hierdoor toe. De as herstelt naar de radiale positie maar dan blijft het snelheidsverschil zich voordoen en is er een oscillerend effect. Het buitenste wiel maakt een minder groot verschil met de radius dan het binnenste wiel, waardoor vooral het binnenste wiel slip ondergaat en golfslijtage optreedt op het benedenbeen. De hardheid is meer representatief voor het aantal gepasseerde treinen dan het slijtageprofiel van de railkop wat een meer willekeurig proces is, bepaald door de verschillende wielvormen en dynamische condities. De hardheid wordt op verschillende karakteristieke punten van de spoorstaaf doorsnede gemeten. Er is nog steeds een grote spreiding in de gemeten hardheid door de niet accurate meetresultaten van het micromeetsysteem. Dit wordt wel verwacht af te nemen in de toekomst.

Wheel/Rail Profile Maintenance, Kevin J. Sawley, Transportation Technology Center, Inc., Pueblo, Colorado Identification No. 461 [WCRR 2001] De wiel rail interactie geeft veel grotere spanningen dan de vloeisterkte van het wielen railstaal. De krachten bij deze interactie werken positief voor het sturen van het voertuig. De rolcontact spanningen veroorzaken wel grote slijtage en scheurvorming, schilfering en loslating van materiaal, veroorzaakt door rolling contact fatigue. De stuurkracht van het voertuig is afhankelijk van vele factoren waaronder voertuigeigenschappen, boogstraal, hoeveelheid rail smeren en detail van dwarsprofiel spoorstaven en wielen. Afwijkende profielvormen leiden tot grote voertuig instabiliteit en zelfs tot ontsporing. De gemiddelde MGT van spoorstaven in Noord Amerika geeft een indicatie van de levensduur wat is aangegeven voor verschillende boogstralen, van oneindig (recht) met MGT = 1460 tot een boogstraal van 175 m met MGT = 330. Het beeld van de 12 miljoen rijdende wielen in Noord Amerika is dat jaarlijks rond de één miljoen wielen worden vervangen om verschillende redenen. Onderzoek naar het uitslijten van wielprofielen toonde van zo’n 6.500 profielen aan dat ca. 46% geen uitholling vertonen, ongeveer 2% tonen meer dan 4 mm uitholling en zo’n 3,8% van de assen had ten minste één wiel met 4 mm uitholling. Slechts enkele wielen, 0,03% hadden een uitholling van meer dan 6 mm. De uitholling van 6 mm is het criterium voor vervanging van de wielband. Uitgesleten wielen hebben een negatief effect op het sturend vermogen door toenemende zijdelingse krachten in bochten en toenemende rolweerstand. De toenemende zijdelingse kracht leidt tot schade aan de houten liggers en kan leiden tot ontsporing, zeker wanneer de valse flens op de rand van profiel steunt op de buitenkant van het benedenbeen in bogen. Het valse flens contact kan ook leiden tot RCF aan de buitenkant van het benedenbeen en tot schade aan de overgang vleugel-railpunt van kruisingen. Deze vermoeiing en schade moet worden hersteld met lassen en/of slijpen. Het verkrijgen van een realistische rolweerstand op een recht tracé in het model wordt verkregen door een kleine afwijking in de ligging van typisch 2 mrad toe te passen, waarmee de onderstellen volgens onderzoek over de spoorbaan rijden. Deze afwijking heeft ook enig effect op de resultaten van een gebogen tracé. Het onderzoek liet volgens verwachting zien dat de rolweerstand substantieel toeneemt met de boogstraal, voor wielen van alle condities. Uitgesleten wielen leiden tot veel hogere rolweerstand, zelfs op het rechte tracé. Hetzelfde effect van de boogstraal en uitgesleten wielen geldt voor de kracht die leidt tot spoorverwijding. Tot 2 mm uitgesleten wielen hebben weinig effect op de rolweerstand en de -75- van de 87


Bijlage

spoorverwijding kracht, maar boven de 2 mm geeft het significante toename in weerstand en kracht. Het verschil bij 2 mm wordt mogelijk verklaard door de positieve coniciteit bij uitholling tot ca. 2 mm en negatieve coniciteit bij uitholling vanuit ca. 3 mm. Het model geeft een correlatie tussen de totale aanloophoek van alle wielstellen en de rolweerstand. De rolweerstand blijkt lineair toe te nemen met de totale aanloophoek. De rolweerstand voor weinig uitgesleten wielen komt overeen met de formule: Totale wagon rolweerstand = 0,771 kg/ton + 0,445 kg/ton/kromming graad Voor locomotieven was eerder een overeenkomstige relatie vastgesteld: Totale locomotief rolweerstand = 0,816 kg/ton + 0,363 kg/ton/kromming graad

Wear modeling: analytical, computational and mapping: a continuum mechanics approach. J.A. Williams, Wear 225-229 (1999) 1-17 Elsevier B.V. De reactie van een materiaal op een mechanische belasting kan globaal worden onderscheiden in bros of taai. Het kan echter dat onder bijzondere condities zoals onder de zeer hoge punt- of lijnbelasting het materiaal dat normaal bros is, taai reageert of dat taai materiaal juist heel bros reageert. Er is geen simpel en universeel model dat gebruikt kan worden voor alle situaties. De maat van oppervlakte degradatie of schade op twee –meestal verschillende- belaste oppervlakten (de tweelichamen condities) bij droge, ongesmeerde of misschien miniem gesmeerde slip wordt op zijn minst bepaald door: - Normaal belasting - Relatieve slipsnelheid - Geometrie (zowel macroscopisch als lokaal en topografisch) - Initiële temperatuur - Locale milieuomstandigheden - De thermische, mechanische en chemische eigenschappen van de materialen Het derde lichaam betreft het raakvlak wiel-rail waar slijtage kan worden beperkt maar niet worden geëlimineerd of versterkt. Als bijvoorbeeld is het derde lichaam het smeren van tenminste de dikte van de oppervlakte ruwheid. De verdeling van de grootte, vorm en mechanische eigenschappen van het derde lichaam zijn allemaal beïnvloedbare variabelen. Een uitgangspunt voor de analyse van slijtage is meestal de Archard (of Rabinowicz) slijtagevergelijking die aangeeft dat het slijtagevolume w direct wordt bepaald door het product van de belasting P op het contactpunt en de slipsnelheid s en de inverse van de oppervlakte hardheid H van het slijtagemateriaal, zodat geldt:

w=K⋅

Ps H

De dimensieloze constante K is de dimensieloze slijtagecoëfficiënt. Onderzoek opstellingen maken duidelijk dat de hardheid van de bovenste laag van het materiaal in het contactgebied niet met zekerheid kan worden bepaald. Consequent komt ook naar voren dat de ratio K/H een betere waarde is dan K wat wordt aangegeven als de specifieke slijtagecoëfficiënt of de slijtagemaat met de eenheid mm3 N-1 m-1. Er zijn waarden voor K bekend uit eerdere literatuur als karakteristieke ongesmeerde systemen, zoals: - Zacht staal - Hard staal - Ferriet roestvast staal

K = 7·10-3 K = 1,3·10-4 K = 1,7·10-5

Bij deze waarden moeten wel twee opmerkingen worden gemaakt. Allereerst zijn de numerieke waarden van K altijd lager en deze genoemde waarden zijn bepaald met de frictiecoëfficiënten in een heel klein gebied van 0,18-0,8. Er is geen eenvoudige relatie tussen slijtage en frictie.

-76- van de 87


Bijlage

Een eenvoudige indeling van slijtage is de verdeling tussen milde slijtage en hevige slijtage. Dit is niet gebaseerd op bepaalde numerieke waarden van de slijtagemaat maar op de observatie van toenemende hevigheid van de belasting (zoals toename normaal belasting, slipsnelheid of temperatuur massa) voor elk soort materiaal in een bepaalde fase wat leidt tot een vrij plotselinge sprong in de slijtagemaat. Deze sprongen of niet-lineair van het slijtagegedrag of de reactie van het materiaal hebben belangrijke gevolgen voor de ontwerpers. Vanuit praktisch ontwerp oogpunt is milde slijtage enigszins acceptabel terwijl de overgang naar hevige slijtage meestal een verandering geeft naar onacceptabele waarden. Het is dus interessant om bij bekende gebruikcondities en materiaaleigenschappen te kijken hoe dicht de resultaten liggen bij de sprong tussen beide soorten slijtage. Het is ook mogelijk daar waar er geen kans is op de slechte condities te kijken welke gebruikcondities en materialen daarbij horen. De slijtagemaat is in kaarten weer te geven waar het in verschillende gebieden wordt ingedeeld die elk een bepaald soort dominant degradatie mechanisme weergeven. De lage waarden van de slijtagemaat maakt dat voor het verkrijgen van betrouwbare meetgegevens er in een laboratorium voor enkele honderden uren de roltest moet worden uitgevoerd. Het verkorten van deze tijd door bijvoorbeeld grotere belasting of grotere snelheden, geeft het potentiële risico dat er een ander slijtageregiem optreedt dan hoort bij de eigenlijke testopstelling. De Lim en Ashby vorm van de kaart opbouw geeft de relatie weer tussen de slipsnelheid V [m/s], de normaaldruk p [MPa] en de genormeerde slipsnelheid en genormeerde normaaldruk (p/H). Deze kaart hoort bij een zeker materiaal (oppervlakte topografie, korrelgrootte, hardheid e.d.) en geeft de regimes van verschillende chemische of oppervlaktereactie gedrag welke horen bij de temperatuur effecten. De kaart kan in twee regio’s worden ingedeeld dat door een ruwweg verticale lijn wordt gescheiden. Het linker gebied is het gebied waar de slijtage hoofdzakelijk wordt gestuurd door het mechanische proces en de slijtagemaat afhangt van de normaaldruk en in mindere mate door de slipsnelheid. De contouren van de slijtagemat zijn hier min of meer horizontaal. De rechterkant wordt hoofdzakelijk beïnvloed door de thermische en chemische effecten (niet variabel onder normale atmosfeer condities die de oxidatie beïnvloeden) en de slijtagemaat wordt een functie van zowel de belasting als de slipsnelheid. Bij staal ligt deze de fundamentele mechanische overgang bij de droge slipsnelheid van 0,1 m/s. Onder deze waarde zijn oppervlakte verhitting en oxidatie relatief niet significant. Het regiem dat wordt gedomineerd door de mechanische slijtage heeft gebieden waarin een lineaire relatie zit tussen de verandering in de slijtagemaat en de verandering in de belasting volgens de formule van Archard. Dit is echter niet in de hele regio want het wordt niet-lineair bij de overgang van milde slijtage naar hevige slijtage. De slijtagemaat is in dat gebied onzeker. Een belangrijke ontwerp handleiding voor de gevolgen van droge wrijving is de energie input per oppervlaktegebied, ofwel het product van de druk en slipsnelheid, de p·V waarde. Wat vaak wordt gezegd in de slijtageleer is dat het belangrijk is niet te kijken naar de slijtage van één enkel materiaal maar de slijtage van de materiaalinteractie. De gebruikelijke categorieën van mechanische slijtage zijn aangegeven in het onderstaande figuur. Mechanisch slijtageproces

Afschuren Twee & drie lichaam - polijsten - slijpen - afbrokkelen

hevigheid

-77- van de 87

Erosie

-

cavitatie vloeistof impact vaste stof impact slurry erosie

Adhesie

-

adhesie inbijten schuiven schaven

Oppervlakte vermoeiing - ratchetting - gelaagdheid - put vorming


Bijlage

figuur 1 De classificatie van de mechanische slijtage processen

Deze gebieden van slijtage zijn aan te geven in een kaart waar de oneffenheid aanloophoek [graden] is uitgezet tegen de grensvlak schuifspanningen τ/k. De ratio τ/k geeft de relatieve sterkte van het grensvlak aan. De logaritme van de ruwheidparameter als θ (of de aanloophoek van een enkele oneffenheid) geeft de gemiddelde helling aan van de oneffenheden op het slijtvaste oppervlak. Ruwe oppervlakten leiden tot hevige slijtage van het zachtere oppervlak door afschuren, wat altijd plastische deformatie geeft en de vorm kan aannemen van slijpen en afbrokkelen. Het actief slijpen van en stoppen kan ook worden gezien als het afschuur proces. Oneffenheid hellingen door slijpen kan een helling geven van enkele graden tot 10° of meer. Als het afgeschaafde oppervlak minder ruw is en de waarde van θ is klein, kan elastische deformatie niet worden uitgesloten. De slijtage die dan meestal in zijdelingse richting doorzet, wordt bepaald door bepaalde vorm van vermoeiing of schade accumulatie mechanismen. De slijtagemaat wordt lager, eerder mild dan hevig. De mechanische slijtage van oppervlaktevermoeiing laat zien dat in situaties van herhaalde slip de modellering vooral gericht moet worden op de plastische deformatie van het materiaal net onder het oppervlak.

IV.1.2 Conclusies slijtage en vermoeiing volgens literatuur De artikelen geven de verschillende parameters en de onderlinge relaties welke een rol spelen bij het slijtage- en vermoeiingsproces in een spoorstaaf. De genoemde parameters zijn onderverdeeld naar spoorstaaf eigenschappen, wiel-rail interactie en overige waaronder aspecten vallen als baanontwerp en voertuigeigenschappen. Spoorstaaf eigenschappen - Chemische samenstelling metaal - Materiaal eigenschappen (Elastische eigenschappen, elastische en plastische shakedown en ratchetting) - Microstructuur (Perliet, Martensiet e.d.) - Initiële spoorstaaf profiel - Initiële hardheid, verharding materiaal, H [Victor] - Initiële scheurvorming - Oppervlakte ruwheid [μm] - Slijtageweerstand van het gebruikte staal in de spoorstaaf -

-

Slijtagemaat K/H [mm3 N-1 m-1] {lineaire relatie met

T ⋅γ [MPa] (veld-laboratorium) en A

⎛ F ⎞ 2 ⎛P⎞ 2 I = kρ ⎜ ⎟λ = kρ ⎜ ⎟λ [mg/mm2/m] (voor laboratorium)} ⎝ ωE ⎠ ⎝E⎠ Ps Slijtage volume Archard: w = K ⋅ (met w [m3], P [N], s [m] en H [Pa]) H Coatingdikte en materiaaleigenschappen coating

Wiel-rail interactie - Wiel contact kracht, Q, contactdruk, P - Contactpositie en belastingverdeling (railkop of loopkant) - Eigenschappen slijtageoppervlak, A - Tangentiële kracht (grenswaarde), T = μ·Q - Relatieve slipsnelheid, λ (is de som van starre slip, s = v + ω·r en elastische slip, u), slip aandeel, slipafstand - Aanloophoek wielen, γ

μ=

T (tussen 0,1 en 0,4) Q

-

Frictiecoëfficiënt

-

Temperatuur van de staal op contactpunt Impact van spoorstaaf smeren en/of regen op spoorstaven

-78- van de 87


Bijlage

-

Spinmomenten,

φ=

ω sin γ v

=

sin γ [1/m] r

Overige - Boogstraal, R - Snelheid, V - Verkanting of helling, D - Cumulatieve tonnage, MGT - Voertuiggegevens (aantal treinen, moment in draaistel (negatief moment geeft extra dwarskrachten op de spoorstaven) e.d.) - Spoorbaangegevens - Operationele condities Er zijn in de artikelen ook diverse relaties vastgesteld tussen deze factoren. De initiële vorm van de railkop is een belangrijke factor voor een goed wiel-rail contact. De railkop van een nieuwe spoorstaaf zal altijd nog enigszins bijvormen naar de gebruikte wielvormen. De slijtage stabiliseert na enige tijd waardoor de hoeveelheid slijtage per gepasseerde tonnages lager wordt (maar niet stopt). De aanloophoek blijkt bij versleten spoorstaven kleiner te zijn dan bij nieuwe spoorstaven. De optredende slijtage is ook een functie van de materiaaleigenschappen; bij hogere staalkwaliteit treedt minder slijtage op waardoor minder vaak vervanging nodig is. Het gericht plaatsen van spoorstaven met verharde railkoppen maakt het mogelijk de voordelen (hogere slijtageweerstand) gericht toe te passen terwijl de nadelen (moeilijker lassen of beperkte reductie haarscheuren) beperkt blijven. De optimalisering van chemische samenstelling van het staal (gevonden evenredigheid tussen koolstofgehalte en slijtage) kan de slijtage in bochten tot een factor drie reduceren. De eigenschappen van de spoorstaaf zijn sterk bepalend voor de interactie met de wielen. De nieuwe spoorstaafprofielen hebben een grotere ruwheid dan het gladde kopprofiel dat wordt verkregen na een korte tijd te zijn bereden. De slijtage aan de loopkant wijkt hiervan af: de optredende tangentiële krachten veroorzaakt door de geleidende functie kunnen de ruwheid en de slijtage doen toenemen tot hevige en catastrofale slijtage. De slijtage treedt bij een aanslaghoek van 0,3º allereerst op aan de loopkant en gaat dan langzaam door naar de railkop. De loopkant is de plaats waar -net onder het oppervlak- de grootste verharding optreedt. Toename van de aanloophoek leidt tot grotere spanningen op het loopvlak en grotere vervormingen en slijtage. De tangentiële kracht bepaalt ook de hoeveelheid en de snelheid van de zijdelingse slip. Het overschrijden van de grenswaarde van de tangentiële kracht betekent dat het contact volledig overgaat in puur glijden. Uitgesleten wielen leiden tot hogere rolweerstand en grotere zijdelingse krachten in de bochten wat kan leiden tot spoorverwijding (met name bij wielen die meer dan 2 mm zijn uitgesleten). De rolweerstand blijkt lineair toe te nemen met de totale aanloophoek. Het wielflens-loopkant contact, het wiel-rail contact op versleten en/of ruwe contactoppervlakten maken dat door de hoge (lokale) piekbelasting de vloeisterkte van het spoorstaafstaal wordt overschreden waardoor plastische vervorming ontstaat. De reactie van het spoorstaafmateriaal op de cyclische belastingen is afhankelijk van de grenswaarden van het materiaal die bepalend zijn voor het optreden van elastische en/of plastische vervormingen wat óf kan leiden breuk bij lage cyclische belastingen (plastische shakedown) óf breuk bij hoge cyclische belastingen (ratchetting). De vermoeiing en de daardoor ontstane scheurvorming wordt grote mate bepaald door de reactie op de cyclische belastingen. De scheurvorming kan door actief en passief slijpen en met de juiste materiaalkeuze worden tegengegaan. De passieve slijtage door het wiel-railcontact neemt bij hogere staalkwaliteit af waardoor meer actief slijpen nodig wordt om het doorzetten van de scheurvorming te voorkomen. Tegelijk wordt de scheurvorming tegengegaan door hogere staalkwaliteit (grotere vloeisterkte) toe te passen én door de ruwheid van het contactvlak onder controle te houden. De initiële scheurvorming treedt eerder op bij droog wiel-railcontact, de grotere scheurvorming treedt alleen op wanneer vloeistof (regen of smeren) aanwezig is. Het smeren van spoorstaven heeft een positief effect op het reduceren van het schuureffect en de optredende slijtage maar doet de cyclische spanningen toenemen. De lagere wrijvingskracht beperkt

-79- van de 87


Bijlage

de slijtagemaat waardoor de slijtage aan de loopkant duidelijk minder is. De niet gesmeerde spoorstaven hebben een grote verharding vergeleken met de gesmeerde spoorstaven.

Het uitvoeren van smeermaatregelen is echter significant minder duurzaam bij toepassing op ruwe oppervlakten. De smeerinstallaties en het onderhoud daarvan zijn erg kostbaar en is nog niet altijd even betrouwbaar. Het toepassen van spoorstaven met grotere slijtageweerstand wordt te niet gedaan door het toepassen van het smeren van de spoorstaven. De groei van de initiële scheurvorming in de railkop wordt ook versterkt door de vloeistoffen. Het toepassen van smeerinstallaties wordt daarom aanbevolen alleen te doen bij situaties waar het effect groter is en de meerwaarde van de smeerinstallatie duidelijk is aangetoond. Meetwaarden die uit de onderzoeken zijn geconcludeerd, zijn sterk bepaald door de uitgangspunten van de proefopstelling, door het grote aantal aannamen en steady-states die daarbij worden gedaan. Het is belangrijk te letten of het optredende slijtagemechanisme overeenkomt met het slijtagemechanisme in praktijksituatie. Het is alleen mogelijk in een orde van grootte verschillen aan te geven. De volgende conclusies zijn daarom ter indicatie. • • • • • • • •

Er is een exponentiele toename in de spoorstaafslijtage bij een wiellast boven de 102 kN. Er is in een 2º boog een niet-lineaire relatie tussen de mate van slijtage en de cumulatief gepasseerde tonnages. Nieuwe, niet-gesmeerde spoorstaven hebben aan de loopkant ongeveer 10 keer meer slijtage dan op de railkop. Gemiddeld is de slijtage aan de loopkant zo’n 6 keer groter dan die op de railkop. De W1, W2 en W3 zijn op de niet-gesmeerde UIC900A spoorstaaf bij de nieuwe spoorstaaf meer dan twee keer groter dan op de oude spoorstaaf. De W1, W2 en W3 zijn op de nieuwe niet-gesmeerde UIC900A spoorstaaf ongeveer drie keer groter dan op een nieuwe UIC1100 niet-gesmeerde spoorstaaf. De slijtage is bij gesmeerde spoorstaven aan de loopkant (W2) ongeveer 8 keer minder dan bij niet-gesmeerde spoorstaven en aan de rand van de railkop (W3) zo’n 6 keer minder. De spanningen aan de loopkant blijken bijna twee keer groter te zijn dan die recht boven de railkop.

Referentie [16] gaat ook in op het slijtagegedrag van een wissel. Het gedrag van het wielflensloopkant contact bij de tongbeweging is een belangrijk aandachtspunt. Het mathematisch model voor de beweging van een wiel over een tong is zeer complex, onder meer door de variatie in de geometrie van de tong, de variatie in de voertuigen en de dynamica zoals de ruk bij het eerste contact van het wiel met de tongpunt. Met de numerieke vergelijkingen van Kalker’s theorie worden de optredende zijdelingse verplaatsingen in relatie met de snelheid en optredende versnellingen bepaald. De optredende krachten bij het contactpunt van de wielflens-loopkant zijn aangegeven bij een zekere snelheid, uitgaande van een boog van 7000 m en een breedte van de tong van 38 mm. De contactkracht is ca. 40 kN bij een snelheid van 110 km/uur en 50 kN bij de snelheid 140 km/uur en ca. 60 kN bij 160 km/uur. Bij de snelheid van 110 km/uur wordt een slipsnelheid van 0,009 m/s als gemiddelde aangegeven en bij 300 km/uur is de slipsnelheid 0,018 m/s. Verder geeft het onderzoek aan dat het flenscontact bij een boog kleiner dan 2000 m niet plaatsvindt, en pas optreedt bij een boogstraal groter dan 5000 m (bij een snelheid van 160 km/uur). Dit geeft aan dat -zelfs als de zijdelingse snelheid veel groter is in een afbuigend spoor met lagere boogstraal- wanneer de bewegingsruimte erg klein is, deze afstand in minder tijd wordt overbrugd dan nodig is voor het spoorspel.

IV.2 Degradatiemodel De faalfactor en daarmee de RA(M) waarden van een wissel worden bepaald door de in bijlage IV.2 genoemde invloedsfactoren. De invloedsfactoren bepalen vervolgens de waarden van de operatoren die leiden tot een zekere slijtage en vermoeiing en dus degradatie van de bekeken component in de loop der tijd of het aantal gepasseerde tonnages. De Reliability en Availability zijn de belangrijkste aspecten voor de degradatie terwijl de Maintainability een vaste waarde is in de loop der tijd of over het aantal gepasseerde tonnages. De faalfactor van een component of van het wissel neemt toe in de tijd/tonnages waardoor de RA(M) waarden afnemen.

-80- van de 87


Bijlage

Het is afhankelijk van de bekeken component(en) hoe de degradatie verloopt en hoe het de degradatie van het totale wissel bepaalt. De in figuur II.12 ‘De 6 faal patronen gedurende de levensloop van het asset’ aangegeven faalmechanismen zijn de mogelijke mechanismen van een component. Er wordt bij het degradatiemodel onderscheid gemaakt in de degradatie van een component waarbij tussen de oplevering en het einde van de levensduur géén onderhoud wordt gepleegd en het degradatieverloop wanneer een zekere onderhoudsfrequentie wordt toegevoegd. Dit onderscheid wordt gemaakt doordat het uitgevoerde onderhoud sterk afhankelijk is van procesbeslissingen die worden genomen door de spoorwegbeheerder en de procesaannemer. De aan te houden onderhoudfrequentie kan op basis van ervaring en/of verleende treinvrije onderhoudsperioden worden vastgesteld. Rijkswaterstaat heeft een spreadsheet opgesteld van een Levensduur Verlegend Onderhoud programma (LVO-model) dat het mogelijk maakt om economische afwegingen te maken tussen verschillende soorten klein en groot onderhoud en het effect dat de ideale onderhoudsfrequentie heeft op de levensduur van de component. Het programma gaat uit van een opgegeven degradatiemodel van de bekeken component. Het degradatiemodel wordt eerst opgesteld op basis van geen onderhoud. Dit model is opgesteld vanuit kennis en verwachtingen dat tijdens gesprekken naar voren kwam, omdat er in praktijk altijd onderhoud wordt gepleegd aan een wissel. Het degradatiemodel wordt opgesteld voor het faalmechanisme van horizontale slijtage aan de tongpunt. De daarvan verwachte levensduur zonder onderhoud ligt gemiddeld op 10 jaar. De RA(M) waarde aan het begin zijn vastgesteld op basis van de te verwachten faalmechanismen van de nieuwe tongbeweging en de afkeurmaat is wanneer mal 2 op 150 mm vanaf de tongspits het bewerkte gedeelte raakt. De braamvorming en rafeling worden niet meegenomen in dit degradatiemodel. RA(M)

1,0 faalkans

RA(M)


0,99 0

Ca. 50-65 MT

figuur IV.3 Degradatiemodel horizontale slijtage tong zonder onderhoud

De lijn van de faalkans is de ontwikkeling van λ(T) in de loop van het gebruik. Deze parameter wordt gebruikt voor het bepalen van de Reliability en Availability waarden volgens de in bijlage II uitgewerkte formules. De waarden van het aantal gepasseerde tonnages zijn afgeleid uit de gepasseerde tonnages van Quo Vadis in combinatie met de verwachte levensduur. De getallen zijn een benadering door de nog beperkte beschikbaarheid van accurate meetgegevens. De braamvorming en rafeling van spoorstaven zal vanuit praktijkervaring voor een veel snellere degradatie zorgen doordat het bijvormen van het initiële tongprofiel met name het eerste jaar gebeurt. Het onderhoud is in die tijd van elementair belang voor de verdere levensduur. Het degradatiemodel van braamvorming is hieronder aangegeven.

-81- van de 87


Bijlage

RA(M)

1,0 faalkans

RA(M)


0,99 0

Ca. 16 MT

figuur IV.4 Degradatiemodel braamvorming tongpunt zonder onderhoud

Beide faalmechanisme zullen nu in de onderstaande figuren worden weergegeven wanneer er wél onderhoud wordt gepleegd. Het toegepaste onderhoud wordt aangegeven zoals het in praktijk plaatsvindt: er worden gemiddeld 1,5 keer per jaar slijpwerkzaamheden uitgevoerd aan de tongpunt die beide faalmechanismen beïnvloeden. De RA(M) waarden gaan door dit onderhoud wat omhoog, maar zullen niet dezelfde nieuwwaarde krijgen. De RA(M) waarden zijn na het onderhoud bij beide faalmechanismen verschillend. RA(M)

1,0

faalkans

RA(M)


0,99 Ca. 110-130 MT

0

figuur IV.5 Degradatiemodel horizontale slijtage tong met onderhoud RA(M)

1,0

RA(M)

faalkans


0,99 0

Ca. 110-130 MT

figuur IV.6 Degradatiemodel braamvorming tongpunt met onderhoud

-82- van de 87


Bijlage

De RA(M) waarden verhoging door het bijslijpen van de tong is beperkt doordat het slijpen een versneld slijtageproces is. Het bijslijpen voor horizontale slijtage geeft echter wel de goede profielvorm waardoor de slijtage wordt vertraagd en de RA(M) waarden wat hoger worden. De RA(M) waarden worden bij het bijslijpen van de bramen weer de oorspronkelijke waarden. Deze waarden worden hoofdzakelijk bepaald door de kans en gevolgen van het optreden van bramen en deze kans is na het bijslijpen weer hetzelfde als voor het ontstaan van de eerste bramen. De degradatie van het wissel wordt -wanneer wordt gekeken naar deze faalmechanismen- bepaald door het verloop van de RA(M) waarden en faalkansen van de aparte faalmechanismen. Het braamvorming mechanisme is maatgevend van het niet onderhouden wissel, terwijl bij onderhoud (slijpwerkzaamheden) het faalmechanisme horizontale slijtage maatgevend wordt. De braamvorming geeft vrij snel problemen voor het goed aansluiten van de tongbeweging, een probleem dat na het bijslijpen geheel weg is. De beide faalmechanisme worden in het onderstaande figuur gebruikt voor het degradatieverloop van het wissel. De gestippelde lijn is bij het niet uitvoeren van onderhoud terwijl de doorgetrokken lijn geldt voor wel uitgevoerd onderhoud. De doorgetrokken lijnen geven de helling van het degradatieproces aan, wat door onderhoud wordt teruggebracht naar een hoger niveau. 9

RA(M)

1,0

faalkans

RA(M)


0,99 Ca. 15-20 MT

Ca. 120 MT

0

figuur IV.7 Degradatiemodel wissel (bepaald door horizontale slijtage en braamvorming tongpunt)

Deze degradatie volgt uit de kwalitatieve ontwikkeling van de faalkans per mechanisme. Indien alle faalmechanismen met bijbehorende faalkansen worden meegenomen, geeft ervaring de volgende degradatiecurve voor een wissel. De kleine onderhoudswerkzaamheden als slijpen en bouten aandraaien zijn niet aangegeven, wel de grote werkzaamheden als het vervangen van een tongbeweging met tussenspoorstaaf en/of het vervangen van een puntstuk. Dit zijn vernieuwingswerkzaamheden waardoor de RA(M) waarden weer omhoog gaan en de faalkans omlaag. € 10.000 afschrijving per jaar Afschrijving € 250.000 RA(M) 1,0

Nieuwe tongbeweging Mogelijke degradatie bij geen onderhoud

Nieuw puntstuk Nieuwe tongbeweging

0,99 ca. 15-20 MT 0

figuur IV.8 Degradatiemodel wissel

-83- van de 87

gem. 275-325 MT



Bijlage

De RA(M) waarden van het wissel gaan ondanks de vervangen tongbeweging, tussenspoorstaaf en puntstuk toch (versneld) achteruit. Dit komt door de achteruitgang van de stabilisatieonderdelen zoals het verbrijzelen van de ballast door het stoppen en de treinbelasting, de achteruitgang van de staat van de wisselliggers e.d.. Het vervangen van de wisselliggers kan merkbaar levensduur verlengend onderhoud zijn. Het uitvoeren van onderhouden vervangingswerkzaamheden is een belangrijke economische afweging. Het vervangen van een onderdeel gebeurt altijd vanuit veiligheidsoogpunt, maar het opgestelde meerjarenplan is hoofdzakelijk gebaseerd op het economische voordeel van de kosten voor het uitgevoerde (levensduur verlengend) onderhoud tegen de jaarlijkse afschrijfkosten van het wissel. Het vervangen van componenten van de wisselconstructie en de stabilisatieconstructie dat economisch wordt afgewogen tegen het vervangen van het hele wissel bepaalt de uiteindelijke levensduur van het wissel. Dit geldt algemeen voor een wissel. Het wissel van het geanalyseerde wisselcomplex wordt frequenter onderhouden, het slijpen gebeurt bij een standaard wissel gemiddeld 1,5 keer per jaar en bij het geanalyseerde wissel bedraagt het 2 tot 3 keer per jaar. De tongbeweging wordt eens in de 3-4 jaar vervangen en het puntstuk eens in de 5-6 jaar. Het degradatiemodel voor het geanalyseerde wissel komt er uit te zien als in het onderstaande figuur. RA(M) Nieuwe tongbeweging

1,0

Nieuw puntstuk Nieuwe tongbeweging

Mogelij ke degradatie bij geen onderhoud

0,99 0

ca. 12-18 MT

ca. 110-130 MT

gem. 275-325 MT


figuur IV.8 Degradatiemodel wissel 4

-84- van de 87

Bijlage

-85- van de 87



Bijlage

V. Ontwerp wisselcomplex

-86- van de 87

Bijlage

-87- van de 87


Wissel ontwerpen op basis van Reliability, Availability, Maintainability en Safety

Recommend Documents