Rolling contact fatigue

Rolling Contact Fatigue (RCF, rollend-contactvermoeiing) is de vermoeiingsschade die ontstaat in het contactvlak tussen wiel en rail (zowel op wiel- als railoppervlak).

Het RCF-onderzoek heeft internationaal een sterke impuls gekregen na het ongeval in Hatfield (UK) in november 2000. RCF is een familienaam welke uit drie schadetypen bestaat:

• Head Checks
• Squats
• Shelling.

De eerste twee schadevormen komen veelvuldig voor in de Nederlandse railinfra, het ontstaan van deze schadevormen is sterk gerelateerd aan de optredende spoorbelasting. De spoorbelasting is vanaf begin jaren 90 sterk toegenomen door enerzijds de nieuwe generatie reizigersmaterieel en anderzijds de kwaliteit van de spoorgeometrie die geleidelijk afgenomen is.

Shelling daarentegen wordt voornamelijk beïnvloed door de spoorstaafproductiekwaliteit. Omdat deze de laatste decennia sterk verbeterd is, komt Shelling nog maar incidenteel voor. Onderzoek naar de bestrijding is onder meer uitgevoerd door de RCF projectgroep (ProRail, Deltarail, LRRE en TU Delft; Daarnaast is er bij elk van de vestigingen van de proces contractaannemers (PCA’s) een RCF aanspreekpunt benoemd.)

Head Checks

Een "Head Check" is een type scheurvorming in spoorstaven die vooral optreedt in bogenen wissels. Het defect behoort tot de familie "Rolling Contact Fatigue" (RCF). Wanneer een boog te lijden heeft van Head Check-schade, komen de scheuren veelal in grote getale en dicht naast elkaar voor. Dit maakt het risico van een ontsporing als gevolg van een meervoudige spoorstaafbreuk erg groot.

Head Check-schade openbaart zich met name vanaf midden jaren 90. Een verklaring daarvoor kan zijn dat industrie zich eind zeventiger jaren heeft toegelegd op de ontwikkeling van meer slijtvaste spoorstaafmaterialen. Men was zich echter onvoldoende bewust van de aanwezige balans tussen scheurgroei en slijtage. Initiërende scheuren krijgen niet de kans uit te groeien wanneer de slijtagesnelheid groter of gelijk is aan de scheurgroeisnelheid. Verstoring van deze balans geeft kleine scheuren de kans om uit te groeien (daar waar zij in het verleden wegsleten).

Wat tevens een belangrijke rol speelt in de opkomst van RCF is het niveau van de huidige wiel-rail contactspanningen. Deze zijn sterk toegenomen met de instroom van nieuw materieel. De moderne draaistellen op grond van comfortwensen zijn zeer ‘stijf’ ontworpen, wat het zelfsturend effect in een boog sterk doet afnemen. Dit resulteert in zeer hoge contactspanningen, welke vermoeiingsschade veroorzaken.

Head Check-schade kan worden beperkt door het verwijderen van reeds ontstane schade. Hiertoe is een tijdige detectie van de schade cruciaal, waarna het verwijderen van beginnende schade door de gerichte inzet van een slijptrein kan plaatsvinden. Daarnaast kan schade worden beperkt door het voorkomen van schade. Dat kan door toepassing van RCF-resistente spoorstaafmaterialen en verlaging van de contactspanningen en door toepassing van speciale rail- en wielprofielen. De veilige bereidbaarheid van de railinfra wordt gegarandeerd door de half jaarlijkse RCF inspecties. Bij deze inspecties wordt alle RCF schade in kaart gebracht en geclassificeerd.

Squats

Een `Squat’ is scheurvorming in spoorstaven die zowel in bogen, wissels als in de rechtstand kan optreden. Een Squat ontstaat veelal als gevolg van een kleine verstoring van het loopvlak van de spoorstaafkop. Deze kan bijvoorbeeld ontstaan zijn na:

• een kleine slipbeschadiging als gevolg van het doorglijden van een treinwiel,
• een onvoldoende glad afgewerkte las,
• de lokale hardheidsverschillen die rond lassen optreden,
• door de geometrische oneffenheden die ontstaan als gevolg van golfslijtage.

Een tweede belangrijke oorzaak zijn verstoringen van de stijfheid van de oplegging van de spoorstaaf, bijvoorbeeld als gevolg van onvoldoende goed onderstopte dwarsliggers.

Typerend voor de Squat is de zogenaamde `ingeslagen kop’. Onder de hamerende werking van ieder passerend treinwiel groeit een kleine oneffenheid snel uit tot een forse "deuk" in de spoorstaafkop. Dit gaat vaak gepaard met een forse geluidstoename. Uiteindelijk treedt spoorstaafbreuk op. Het risico op ontsporing is minder eenduidig dan bij Head Checks omdat Squats veelal geïsoleerd voorkomen. Wanneer deze echter voortkomen uit golfslijtage is er wel degelijk sprake van een grote kans op multiple fracture (een meervoudige breuk). Het risico op ontsporing wordt dan groter.

De bestrijding van Squat schade richt zich met name op het onderhoud van de spoorstaafkop door middel van slijpen, bijvoorbeeld in een cyclisch slijpprogramma.

Shelling

RCF Inspectie

De inventarisatie van RCF defecten zoals beschreven in de ProRail richtlijn RLN00173 omvat halfjaarlijkse visuele inspecties, uitgevoerd door daartoe opgeleide RCF-inspecteurs. Het inspectiegebied beslaat alle baanvakken van de Nederlandse railinfra die tussen de hoofdseinen liggen. Van deze baanvakken worden alle spoorstaven visueel op de aanwezigheid van RCF defecten geïnspecteerd en geclassificeerd.

Na visuele RCF-inspectie wordt afhankelijk van de ernst van de waargenomen RCF schade aktie ondernomen. Dat kan bestaan uit het inschakelen van een een ultrasoon-handploeg die de scheurdiepte bepaalt en een instandhoudingadvies afgeeft. De RCF-inspectie wordt uitgevoerd door de proces contract aannemer (PCA). De RCF-schade wordt vastgelegd via een PDA. Daarna worden de resultaten doorgeseind naar een centrale RCF-database van waaruit overzichten en analyses worden gemaakt. Één keer per maand wordt een rapportage opgesteld met daarin de laatste stand van zaken op het gebied van RCF schadeontwikkeling, termijnoverschrijdingen, vervangingen, etcetera.

De visuele inspectie is in 2001 opgezet omdat de toenmalige ultrasonore techniek, waarmee de US-inspectietrein naar scheurvorming in spoorstaven kijkt, een onvoldoende betrouwbare Head Check detectie bood. De typische vorm en positie van de Head Check scheurvorming is hier debet aan. Inmiddels is een nieuwe detectie methodiek ontwikkeld (wervelstroom principe) waarvan verwacht wordt dat deze voldoende betrouwbaarheid biedt en zodoende de visuele inspectie in de toekomst kan vervangen.

RCF beheerstrategie in Nederland

Samenvatting

RCF (Rolling Contact Fatigue) staat hoog op de agenda van ProRail, de Nederlandse Infrabeheerder. Na het Hatfield treinongeluk in de UK in 2000, wat het resultaat was van een meervoudige breuk als gevolg van Head Checks, werd het RCF onderzoek in Nederland geïntensiveerd. Vanaf 2001 werd een nationaal RCF projectteam ingericht met doel een beheersstrategie vorm te geven die de veilige bereidbaarheid ten aanzien van het RCF probleem borgt tegen aanvaardbare kosten. Binnen dit projectteam, waarin naast ProRail tevens DeltaRail, LRRE en TU Delft deelnemen, is RCF regelgeving ontwikkeld en geïmplementeerd op operationeel niveau in samenwerking met de nationale spelers (ProRail regioâ??s en spooraannemers). Kennis wordt vergaard en gedeeld aan de hand van de uitvoering van onderzoeksprojecten en internationale samenwerking (o.a. met Network Rail en DB). Deze kennis vormt de basis van de huidig ingerichte RCF beheerstrategie.

De borging van de veilige bereidbaarheid is binnen de RCF beheerstrategie gebaseerd op een frequente RCF schade inventarisatie en de daaraan gekoppelde afhandeling van de gevonden defecten. Hiertoe wordt halfjaarlijks de complete Nederlandse railinfra visueel geïnspecteerd. De methode van inspectie en vereiste afhandeling van gevonden gebreken is geborgd in diverse ProRail richtlijnen.

Daarnaast wordt er ook met de Ultrasoon meettrein (Eurailscout) gemeten (minimaal 2x per jaar) in het hele land.

Kostenbeheersing wordt nagestreefd door RCF schade initiatie en groei te voorkomen of vertragen en door het tijdig verwijderen/ slijpen van RCF schade voordat deze tot spoorstaafvervanging noopt. Ook worden RCF beheerprocessen verder geoptimaliseerd. Veel van de uitgevoerde en lopende onderzoeken richten zich hierop. Enkele belangrijke maatregelen zijn reeds door de RCF projectgroep ingevoerd en hebben reeds tot een sterke afname van RCF schade geleid.

1. Introductie van een aangepast rail profiel: het Anti Head Check railprofiel
2. Invoering van een speciale materiaalkwaliteit spoorstaaf: de Head Check vertragende spoorstaaf
3. Invoering van geoptimaliseerde wielprofielen (HIT profiel)
4. Uitvoering van een op RCF gerichte slijpbeleid

RCF Inventarisatie

De visuele RCF inspectie wordt uitgevoerd door de PCA (Proces Contract Aannemer) verantwoordelijk voor de uitvoering van het onderhoud in het betreffende gebied en vormt de basis voor de beheersing van het RCF probleem. Een standaard inspectiemethode is door de projectgroep ontwikkeld aan de hand van visuele classificatie hulpmiddelen (hand-outs). De RCF inspectie data wordt gecombineerd met gegevens over o.a. scheurdiepte, spoorstaaf vervangingen en maandelijks â??gedumptâ?? in de landelijke RCF database van waaruit RCF managementrapportages worden verzorgd. Op deze wijze wordt inzicht geboden in de kwaliteit en de voortgang van proces t.b.v. RCF beheersing. De halfjaarlijkse RCF inspectie biedt inzicht in:

1. Omvang van de RCF schade (Head Checks en Squats) in de vrije baan uitgedrukt in km beschadigd rail
2. Omvang van de RCF schade in wissels uitgedrukt in aantallen wisseldelen
3. Locatie van de RCF schade
4. Ernst van de Head Check schade (Licht (L), Middel (M), Zwaar (Z) of Zeer Ernstig (ZE))
5. Ernst van de Squat schade: licht (A), middel (B) of zwaar (C)
6. Kwaliteit van de vereiste afhandeling van RCF schade

Van Head Checks in de schade klasse Z of ZE en Squats C wordt de scheurdiepte bepaald door uitvoering van extra handmatig ultrasoon onderzoek. De PCA is verantwoordelijk voor een afhandeling overeenkomstig de gecontracteerde eisen gesteld in de ProRail richtlijn.

RCF beheermaatregelen

Kostenbeheersing wordt gerealiseerd door RCF schade initiatie en groei te voorkomen of vertragen en door het tijdig verwijderen/ slijpen van RCF schade voordat deze tot spoorstaafvervanging noopt. De belangrijkste maatregelen inmiddels ingevoerd in het operationele beheerproces zijn de volgende.

Modificatie van het railkopprofiel

In 2002 is een aangepast railprofiel geïntroduceerd in het Nederlandse spoor: het â??anti Head Check (AHC) railprofiel. Het AHC-profiel ontlast de zone waarin Head Checks normaliter initiëren (de rail schouder). Het profiel wordt met de slijptrein in bestaande bogen aangebracht. De speciale Head Check vertragende spoorstaaf wordt reeds vanaf fabricage voorzien van het anti Head Check profiel (symmetrisch ingewalst). De uitgevoerde praktijkbeproevingen tonen het gunstige effect van het anti Head Check profiel aan; de tijd tot scheurinitiatie neemt duidelijk toe en tempo van scheurontwikkeling lijkt vertraagd.

R = Rail kop radii

N = anti Head Check profiel

0 = standaard UIC54E1 proflel

Speciale spoorstaafkwaliteit

Spoorstaafleveranciers doen doorlopend research naar nieuwe staalkwaliteiten die een waardevolle aanvulling kunnen betekenen op het huidige aanbod van spoorstaafkwaliteiten. De specifieke weerstand tegen RCF schade is hierbij een van de onderzoeksterreinen. ProRail heeft een Programma van Eisen opgesteld op grond waarvan een spoorstaafkwaliteit het predikaat Head Check vertragende spoorstaaf verkrijgt en voor toepassing in Head Check gevoelige locaties kan worden vrijgegeven. De beoogde spoorstaafkwaliteit bezit een zeer fijne structuur en een gunstige verdeling van de eigenspanning in de kop die scheurontwikkeling sterk vertraagd. Ook de hardheid van deze spoorstaven zijn hoger.

Wiel profiel optimalisatie

RCF is een rail-wiel interface probleem, daarom is door de RCF projectgroep tevens het toegepaste wielprofiel geëvalueerd. Rond de laatste eeuwwisseling lag de loopvlakprestatie van de wielen van Nederlandse reizigerstreinen gemiddeld rond de 150.000 km, terwijl deze ca. 10 jaar daarvoor nog op het dubbele lag. De reden tot her-profilering was voornamelijk slip- en RCF schade (scheurvorming). Dit heeft tot gevolg dat de voor de rail meer comfortabele wiel-slijtageprofielen geen kans krijgen zich te ontwikkelen.

Op grond van gemeten slijtage profielen en modellering van het loopgedrag van de voertuigen is een geoptimaliseerd wielprofiel ontwikkeld; het zgn. HIT- wielprofiel. Evaluatie van dit profiel laat een significante toename zien van de standtijd van het wiel loopvlak. Het HIT wielprofiel is de nieuwe standaard voor NS op de treintypen ICM en IRM.

RCF Slijpregime

Het correctief slijpen van spoorstaafgebreken was in het verleden voornamelijk gericht op het tegengaan van geluidafstraling (ruwheid / golfslijtage). Sinds 2005 vormt de output van de halfjaarlijkse RCF inspectie de input voor een extra RCF correctieve slijpinzet. Deze inzet heeft tot doel om nog relatief ondiepe RCF schade geheel te verwijderen. Op deze manier wordt de balans tussen slijtage en scheurontwikkeling herstelt.

Naast het correctieve slijpen is er tevens een cyclisch slijpregime ingesteld. Hierbij wordt de slijpinterval gesteld afhankelijk van treinbelasting (gepasseerd tonnage). Het ingezette slijpbeleid zal een aanzienlijke kostenbesparing opleveren daar het naar verwachting tot een halvering van de benodigde spoorstaafvervangingen leidt (niveau 2002).

RCF schadeontwikkeling in Nederland

De RCF schadeontwikkeling op grond van de visuele RCF inspectie geeft aan dat het Head Check probleem onder controle lijkt te zijn gebracht. De omvang en de ernst van de aangetroffen schade is sterk teruggedrongen. Ook het aantal spoedeisende maatregelen, snelheidsbeperkingen of andere verstoringen op grond van RCF zijn drastisch verminderd in vergelijking met de situatie van 2002 (ongeveer een halvering).

Toekomstige activiteiten van ProRail in relatie tot RCF:

Ondanks dat de ingerichte beheersstrategie operationeel is, is het probleem nog niet volledig opgelost. De ernst en omvang van de RCF schade zijn in de laatste jaren duidelijk afgenomen, maar de kosten die gemoeid gaan met de beheersing blijven hoog. Speerpunten die moeten bijdragen aan het terugdringen van de RCF beheerkosten zijn:

• Automatische inspectie van RCF schade vanuit een trein. In 2008 wordt een extra meetsysteem gevalideerd en geïmplementeerd.
• Verbeterde nauwkeurigheid van scheurdiepte bepaling. Dit kan onnodige spoorstaafvervangingen voorkomen en bijdragen tot een afname van ongeplande verstoringen van het vervoersproces.
• RCF schade als evaluatieparameters introduceren in het ontwerp van treinen (met name de uitdraaistijfheid). Desgewenst modificaties doorvoeren in het bestaande materieelpark.
• Squat initiatie verder tegengaan door optimalisatie spoorbaanparameters.

Meer informatie

• Richtlijn Aanpak en beheersing Rolling Contact Fatigue. RLN000173. Prorail, 10 juni 2005.
• Richtlijn Mechanische oppervlaktebewerkingen van bovenbouwconstructies. RLN00065. Prorail, 16 februari 2004.Website projectgroep RCF: http://www.gilgamesh.nl/aeat/