METRÓ LEHORGONYZÓ CSAVAROK TÖRÉSI OKAINAK VIZSGÁLATA ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN MAE 6. SZAKMAI SZEMINÁRIUM, CEGLÉD, 2012. 06. 06-08. CSIZMAZIA FERENCNÉ - HORVÁT FERENC METRÓ LEHORGONYZÓ CSAVAROK TÖRÉSI OKAINAK VIZSGÁLATA SZÉCHENYI ISTVÁN EGYETEM MŰSZAKI TUDOMÁNYI KAR

1. A RÉGI FELÉPÍTMÉNYSZERKEZET KIALAKÍTÁSA A Metró I. típusú sínleerősítés az átépítés előtt A vonal első szakaszán 0,60 m hosszú magánaljakat betonoztak be az alagút fenékbetonjába. A 48,5 r. sínszálak talpa az aljak 30 mm mély csatornájában fekszik és egyedi szorítólemezzel, grower gyűrűkkel felszerelt csavarorsókkal rögzítették a magánaljba. Hibajelenségek, már az üzemeltetési időszak elején is: - a magánaljak kilazulása a fenékbetonból és a környező monolit fenékbeton részek összetörede- zése, - a magánaljak vállrészeinek letörése, - a grower gyűrűk helyenként gyakori törése, - a csavarorsók törése.

Excenteres szabályozhatóság 2. AZ ÚJ SÍNLEERŐSÍTÉS Az átépítést kedvezőtlenül befolyásoló követelmények Metró I. leerősítés: a jelenlegi magánaljakat meg kell hagyni, melynek oka idő- és költségkímélés. Hátrány: sok geometriai és szerkezeti kötöttség, örökölt hibák. Nem volt lehetőség próbaüzemre! Az átépítés gazdaságossága szempontjából előnyösek azok a sínleerősítési megoldások, amelyek oldalirányú szabályozási megoldást is lehetővé tesznek. Ennek megkívánt legkisebb mértéke ± 3 mm. Excenteres szabályozhatóság

2. AZ ÚJ SÍNLEERŐSÍTÉS A beépült ORTEC Deltalager Metró I. sínleerősítés excenter Statikai modell!

3. A LEHORGONYZÓ CSAVAROK TÖRÉSE 2005-ben a jobb vágányban, a 46+40 – 75+98 szelvények között épült át a pálya ORTEC Deltalager Metró I. leerősítésekkel. Üzembe helyezés: 2005. 08. 28. Három és fél hónap üzem után először elszórtan, majd gyorsuló ütemben lehorgonyzó csavar törések léptek fel. Törött lehorgonyzó csavar és az alkatrészek

3. A LEHORGONYZÓ CSAVAROK TÖRÉSE Kisciklusú fáradást mutató töretek (2005. dec.)

3. A LEHORGONYZÓ CSAVAROK TÖRÉSE Törési példa: 56+92 szelvényben, a bal sínszál belső oldalán Konzol, excenter kopásnyomai Excenter, erős belső menetnyom Az excenterek furatpalástján a legtöbb esetben meglátszik a lehorgonyzó csavarok menetének lenyomata. Azonban nem teljesen körben, hanem csak a palást egy részén és nem is a palást teljes magasságában. Ebből arra lehet következtetni, hogy az excenter a lehorgonyzó csavarok tengelyéhez képest ferde helyzetű, azokra az erőket inkább pontszerűen, mint felület mentén adja át.

3. A LEHORGONYZÓ CSAVAROK TÖRÉSE Az összes törések számának alakulása a jobb vágányban 2005. 08. 18. és 2012. 03. 13. között Utolsó rendelkezésre álló adat szerint 2012. 03. 13-ig összesen 360 db csavartörés történt.

3. A LEHORGONYZÓ CSAVAROK TÖRÉSE Az összes törések számának alakulása a jobb vágányban sínszálanként 2005. 08. 18. és 2012. 03. 13. között

3. A LEHORGONYZÓ CSAVAROK TÖRÉSE A leerősítés működését számos körülmény befolyásol(hat)ja, amelyek közül a legfontosabbak az alábbiak: - az alkatrészek gyártási pontatlanságai, - a csavarorsó anyagminősége, - a keresztaljak fekvésének geometriai pontatlanságai: szomszédos aljak közötti magassági lép- cső, keresztalj vágánytengelyre merőleges és/vagy azzal párhuzamos irányú billenése, - a vágány fekvéshibái, - a sínszál (vízszintes, illetve függőleges síkú) ívbe hajlítása, - a magánalj konzoltalp alatti felületének egyenetlenségei, - a rugalmas sínkamra elemek rugalmassági tulajdonságának szórása, - az építési munka pontatlanságai (pl. konzol alátámasztási pontatlanságok, a bebetonozott tőcsa- var előírt hajlástól való eltérése), - a lehorgonyzó csavaranya meghúzási nyomatéka, - az építés közben az excenterek által a konzolgumikban előidézett egyenetlen mértékű előfeszí- tés, - az excenter beállítása (előfeszítés), a róla a csavarorsóra jutó igénybevétel, - az üzem közben történő feszítőerő csökkenés (anyacsavarok fellazulása), - a járműteher és annak dinamikus többletei (pl. fekvéshibák, vágány abszolút geometriája miatt bekövetkező többlet-igénybevételek), - a konzolok kismértékű elmozdulásai.

3. A LEHORGONYZÓ CSAVAROK TÖRÉSE A törések helyeinek statisztikája Törés helyén a pályaszakasz geometriája Törés helye jobb sínszál bal sínszál egyenes íves (ívsugár) külső oldal belső oldal 293 db 67 db 76 db 110 db 87 db 84 db 81,39% 18,61% 21,11 % 30,56 % 24,17 % 23,33 % A vizsgált pályaszakasznak mintegy 82%-a egyenes, 18%-a íves.

4. A LEHORGONYZÓ CSAVAROK VIZSGÁLATA Szelvényszám és sínszál Azonosító jelzés Szelvényszám és sínszál 1. 74+10 B.b 2. 50+10 B.b 3. 53+10 B.b 4. 56+10 B.b 5. 59+10 B.b 6. 62+10 B.b 7. 65+10 B.b 8. 69+20 B/J 9. 71+10 B.b 10. 11. 48+20 B.b 12. 51+20 BJB 13. 54+20 BJB 14. 68+10 B/B 15. 57+20 BJB 16. 63+20 BJB 17. 66+20 B/J 18. 60+20 BJB 19. 72+20 B/J 20. 75+20 B/J A csavarokon végzett vizsgálatok: kémiai összetétel meghatározása, Charpy-féle ütővizsgálat, keménységmérés, mikroszkópos vizsgálat Az MSZ EN ISO 898-1 : 2000 kötőelem szabvány vonatkozó előírása a 8.8 minőség.

4. A LEHORGONYZÓ CSAVAROK VIZSGÁLATA A lehorgonyzó csavarok kémiai összetétele Azonosító jelzés Ötvözők %-ban Anyagminőség C Si Mn P S Cr 1. 0,381 0,306 0,701 <0,01 0,373 C35 2. 0,452 0,293 0,690 0,011 0,033 0,144 C45 3. 0,46 0,288 0,697 0,0123 0,031 0,145 4. 0,398 0,235 0,740 0,117 1,09 Cr3 5. 0,374 0,142 0,841 0,0125 1,07 6. 0,362 0,294 0,696 7. 0,385 0,236 0,771 0,0118 1,10 8. 0,454 0,302 0,687 0,0150 0,0354 0,149 9. 0,377 0,152 0,839 37Cr4 10. 0,340 0,567 0,0104 0,0135 0,0895 11. 0,460 0,330 0,689 0,0213 0,257 12. 0,481 0,253 0,663 0,0430 0,151 13. 0,446 0,358 0,657 0,332 14. 0,339 0,773 0,0384 0,135 15. 0,396 0,244 0,719 0,0137 1,13 16. 0,437 0,300 0,681 0,0166 0,0353 17. 0,458 0,307 0,778 0,0352 0,129 18. 0,431 0,308 0,678 0,0350 19. 0,366 0,320 0,691 0,384 20. 0,459 0,0336 0,127 Az összetétel alapján 5 féle anyagminőség fordult elő 20 db csavarból!

A lehorgonyzó csavarok szívóssága Azonosító jelzés Próbatest jele Próbatest mérete [mm x mm] KU (J) KCU (J/cm2) 1. 9,9x4,7 44 95,7 2. 9,9x4,55 52,5 117,8 10,0x4,6 24,5 53,3 10,0x4,7 23,0 48,9 3. 9,8x4,6 17,5 38,8 9,8x4,85 24,0 50,4 4. 9,9x4,85 6,0 12,0 10,0x5,0 6,2 12,4 5. 9,6x4,65 12,5 28,0 9,6x5,05 25,8 6. 10,0x4,55 42,5 93,4 42,0 92,3 7. 10,0x4,75 7,5 15,8 10,0x4,85 14,5 29,9 8. 10,1x4,6 26,5 57,0 26,0 54,7 9. 9,7x4,7 27,4 9,7x5,0 15,5 10. 9,6x4,9 12,2 25,9 9,6x4,75 11,0 24,1 11. 40,0 84,2 12. 9,7x4,75 17,0 36,9 9,85x4,8 51,8 13. 10,1x5,1 45,0 87,4 10,1x4,65 39,0 83,0 14. 21,9 45,2 10,1x4,5 21,3 47,4 15. 5,8 9,7x4,6 5,5 12,3 16. 10,0x4,45 18,2 40,9 52,1 17. 10,0x4,9 21,8 44,5 9,9x4,9 21,0 43,3 18. 9,8x5,05 48,5 9,7x51 23,5 52,6 19. 100,0 9,8x5,1 49,5 99,0 20. 9,6x5,1 22,0 44,9 9,6x4,85 24,6 52,8 Előírása a 8.8 minőség esetén 5 mm mély U bemetszésű próbatesteken: KCU min. 60 J/cm². A kiemelt csavarok esetében szívósságról nem beszélhetünk!

A lehorgonyzó csavarok hőkezeltsége Előírás: nemesítés KCU=105 KCU=25 KCU=12 KCU=40

4. A LEHORGONYZÓ CSAVAROK VIZSGÁLATA A csavarok vizsgálatából levonható következtetések A kémiai összetétel alapján a vizsgált csavarok négyféle anyagminőségnek felelnek meg az MSZ EN 10083-1 szerint: C 35, C 45, Cr3 és 37Cr4 Ezekből elvileg gyártható 8.8 szilárdsági csoportba tartozó csavar, azonban ilyen átmérőnél ( 24 mm) a C35, C45 összetétele nem biztosítja a megfelelő átedződő méretet. A Charpy-féle ütővizsgálat alapján a csavarok az 1, 6, 11, 13 és 19-es csavarok kivételével nem felelnek meg az MSZ EN 898-1 előírásainak. Tehát a csavarok jelentős többsége ridegtörésre érzékeny az üzemi körülmények között. Meg kell jegyezni, hogy egy szerkezeti anyagnál, ha fárasztó igénybevétel érte, csökkenhet az ütőmunkája. A szövetszerkezet alapján csupán egyetlen csavar, a 11-es esetében nem kifogásolható a nemesítés. Megjegyezzük, hogy a kötőelemekre vonatkozó MSZ EN 898-1 szabvány a 8.8. szilárdsági osztály esetében valamennyi alkalmazható anyagminőségre nemesítést ír elő.

Síntalp helytelen alátámasztása 5. A KIVITELEZÉS HIBÁI Síntalp helytelen alátámasztása

5. A KIVITELEZÉS HIBÁI Nagy oldalirányú síneltolás miatti rossz konzol alátámasztás Csökkent felületű, billenni tudó konzol alátámasztás

5. A KIVITELEZÉS HIBÁI Az új előregyártott magánaljak geometriai minősége

Egymást követő magánaljak rossz fekvése (63+76 szelvény környezetében) 5. A KIVITELEZÉS HIBÁI Egymást követő magánaljak rossz fekvése (63+76 szelvény környezetében) Mindkét oldalon pontatlan az aljak magassági fekvése, az eltérés a megelőző és követő alj vonalától a külső oldalon 9 mm felfelé, a belsőn 17 mm lefelé. Az alj vágánytengelyre merőleges értelemben nagyon erősen „billent” helyzetben van bebetonozva.

6. LABORATÓRIUMI TERHELÉSI VIZSGÁLATOK A laboratóriumi terhelési vizsgálatok céljai: - tisztázni a szerkezet függőleges és ferde statikus erővel történő terhelése alatti viselkedését, - meghatározni, milyen síntalp-alátámasztást kell kialakítani ahhoz, hogy a konzolok közvetíté-sével a lehorgonyzó csavarokra túlzottan nagy igénybevétel ne jusson, - kimérni a lehorgonyzó csavarokban ébredő feszültségeket, kimutatva -- az excenter megfeszítésének, -- a csavaranya lehúzásának illetve fellazulásának, -- a rosszul pozicionált sínnek (oldalirányban elcsúsztatott konzol esete) hatását. A laboratóriumi terhelési vizsgálatok fajtái: - összesen 23 db eltérő terhelési eset - változók: -- terhelő erő: csak függőleges, illetve függőleges (V) és H = 0,4V vízszintes, -- terhelő erő helye: sínfej közép, illetve sínfej belső harmad belső széle, -- síntalp alátámasztása: normál illetve növelt vastagságú, -- konzoltalp alátámasztása: normál illetve növelt vastagságú, -- excenterek helyzete: szimmetrikus illetve eltérő elforgatások, -- csavaranyák meghúzási nyomatéka.

6. LABORATÓRIUMI TERHELÉSI VIZSGÁLATOK Laboratóriumi vizsgálat a lehorgonyzó csavar szárában ébredő feszültségváltozás meghatározására A talperő meghatározására szolgáló mérőegység A felbélyegzett lehorgonyzó csavar A lemélyített síntalpcsatorna A lehorgonyzó csavarok beállítása

6. LABORATÓRIUMI TERHELÉSI VIZSGÁLATOK A terhelési vizsgálatokhoz előkészített 1M magánalj A terheléshez előkészített szerelt szerkezet

6. LABORATÓRIUMI TERHELÉSI VIZSGÁLATOK A rosszabb helyzetű, külső oldali konzol felfekvése szerelt helyzetben A jobb helyzetű, külső oldali konzol felfekvése szerelt helyzetben Terhelés ferde erővel

6. LABORATÓRIUMI TERHELÉSI VIZSGÁLATOK A talp- és a konzolerő nagysága az excenterek állásának függvényében, 60 kN függőleges tehernél Lehorgonyzó csavarok meghúzási nyomatéka 200 Nm. Az elfordítás nagyságának növelésével csökken a talperő, s növekszik a konzolokra jutó erő.

6. LABORATÓRIUMI TERHELÉSI VIZSGÁLATOK A csavarfeszültségek nagysága az excenterek állása függvényében, 0 kN illetve 60 kN függőleges tehernél A csavarfeszültségek nagyságát akár terheletlen, akár terhelt a szerkezet, az excenterek állása határozza meg. A sínfej közepén működő függőleges terhelés ráadása elhanyagolható mértékben módosította a csavarokba szereléskor bevitt feszültségeket.

6. LABORATÓRIUMI TERHELÉSI VIZSGÁLATOK A csavarfeszültségek nagysága eltérő aszimmetrikus excenter állásoknál, 200 Nm illetve 100 Nm csavaranya meghúzási nyomatékoknál, függőleges teher nélkül Nagyon eltérő feszültségi állapotok hozhatók létre a csavarokban már szereléskor.

6. LABORATÓRIUMI TERHELÉSI VIZSGÁLATOK A csavarfeszültségek nagysága a síntalp alatti hézag függvényében, azonos excenter állásoknál, a sín terheletlen állapotában illetve 60 kN függőleges/24 kN vízszintes tehernél Bb = belső csavar belső oldal Bk = belső csavar külső oldal Kb = külső csavar belső oldal Kk = külső csavar külső oldal Már a sínszál terheletlen állapotában is, a 45o-os excenter elfordításból és a 200 Nm-es meghúzási nyomatékból jelentős feszültség ébred a lehorgonyzó csavarban.

6. LABORATÓRIUMI TERHELÉSI VIZSGÁLATOK A csavarfeszültségek nagysága eltérő aszimmetrikus excenter állásoknál, 200 Nm illetve 100 Nm csavaranya meghúzási nyomatékoknál, 60 kN függőleges/24 kN vízszintes tehernél Bb = belső csavar belső oldal Bk = belső csavar külső oldal Kb = külső csavar belső oldal Kk = külső csavar külső oldal Az excenter beállítása döntő hatással van a szereléssel létrehozott (még terheletlen) állapotban a csavarfeszültségekre. Ferde terhelésnél, szabálytalanul szerelt excenter és nagy oldalirányú erőkomponens esetén törésközeli állapotba is kerülhet a csavar.

7. MEGÁLLAPÍTÁSOK ÉS KÖVETKEZTETÉSEK 1.) A kényszerítő körülmények, a kivitelezés pontatlanságai miatt a leerősítés nem az elképzelt statikai modell szerint működik – a lehorgonyzó csavar hajlításnak is ki van téve. 2.) A nem megfelelő minőségű, több csavar esetében ötvözetlen, rosszul vagy egyáltalán nem nemesített csavarok nem rendelkeznek az igénybevételek elviseléséhez megfelelő anyagjellemzőkkel. A nemesítés hiánya az anyagot rideggé teszi. 3.) Az excenter nyomtávolság szabályozásra történő használata miatt járműteher nélkül is jelentős hajlítás érheti a lehorgonyzó csavarokat. 4.) Ferde terhelésnél, szabálytalanul szerelt excenter és a járműteherből származó nagy oldalirányú erőkomponens esetén törésközeli állapotba is kerülhet a csavar. 5.) Az eredeti szerkezeti megoldás az üzemi igénybevételekre alulméretezett szerkezet.