Några noteringar om järnvägssäkerhet
I ett antal inslag i media på senaste tiden har järnvägssäkerheten diskuterats. Ett faktum som sällan (eller aldrig) nämns i detta sammanhang är att järnvägstrafik är i storleksordningen 50 till 100 gånger säkrare än biltrafik.
Om rädslan för att åka tåg ökar kan därför det paradoxala ske att folk tar bilen och utsätter sig för mycket större risker. Detta innebär naturligtvis inte att man inte skall rapportera om och arbeta för att åtgärda säkerhetsrisker inom järnvägen. Däremot bör en seriös rapportering sätta riskerna i sitt sammanhang.
Det innebär ju inte heller att man skall låta bli att sträva mot högre säkerhet inom järnvägen. Dock bör man vara medveten om att lösningar som fördyrar och/eller försvårar järnvägstransporter kan leda till en säkerhetsmässig suboptimering för samhället i stort om trafik flyttar över till väg.
Något paradoxalt innebär det dock att även järnvägsolyckor som inte leder till dödsfall eller personskador kan vara säkerhetsrelaterade i och med att de driver trafik över till väg.
Bland annat utifrån dessa utgångspunkter strävade EU-projektet D-RAIL (där CHARMEC varr inblandade och stod för teknisk/vetenskaplig koordinering) mot att minska mängden urspårningar i Europa.
Solkurvor
En (engelskspråkig) detaljerad beskrivning av fenomenet finns i texten Lateral Buckling of Tracks från 1999.
Sedan dess har vi naturligtvis lärt oss en hel del av den forskning som genomförts bl.a. på CHARMEC. Intresserade kan t.ex. ladda ner en introduktion till ämnet (PDF 12MB), samt en sammanfattande rapport av det arbete som bedrevs i CHARMECs projekt SP7 "Lateral spårstabilitet" (PDF 6MB).
För övriga så följer här en kortfattad (och lite förenklad) introduktion till fenomenet:
Traditionellt ses solkurvor som ett stabilitetsfenomen. Det är liknande vad som händer om du trycker hårt på kortsidorna av en linjal: Trycker du tillräckligt hårt knäcker linjalen ut åt den breda sidan (ta det lite försiktigt så linjalen inte går av eller smätter iväg i ditt öga). Notera att till skillnad från linjalen så har spåret ett ytterligare motstånd mot att knäcka ut genom att det ligger på sliprar som i sin tur ligger nedbäddade i ballast.
I fallen med solkurvor motsvaras den kraft som du trycker på linjalen med av rälens uppvärmning: När rälen värms upp vill den expandera, d.v.s. bli längre. Överslagsmässigt förlänger en temperaturökning på 50 grader (C) en 50 meter lång räl ungefär 3 centimeter. I skarvspår löser man det genom att ha öppna skarvar för att tillåta längdökningen. Problemet är att om förlängningen blir så stor att skarven inte räcker till så bildas en tryckbelastning i rälen. I skarvspår är spårets motstånd mot utknäckning mycket lågt. Det innebär att när skarvarna väl är fyllda är risken för solkurvor hög. Skarvarna kan av naturliga skäl inte göras hur stora som helst. Dessutom kan skarvöppningen minskas om rälen flyttar på sig (till exempel på grund av de krafter i rälens riktning som ett bromsande tåg ger).
I helsvetsade spår (d.v.s de flesta spår i Sverige - du märker om du åker på ett sådant genom att du inte hör ett periodiskt dunkande) så har man inga skarvar. Rälen kan alltså inte expandera. Istället byggs höga krafter upp i rälens längsriktning. Detta innebär att spåret måste dimensioneras för att ha ett tillräckligt motstånd mot utknäckning av rälen. I praktiken innebär detta ordentliga befästningar mellan räl och sliper, betongsliper och rejält med makadam runt sliprarna. Är motståndet för lågt på någon sträcka av spåret kan man få en solkurva.
Den andra bidragande orsaken till solkurvor är att belastningen är för hög. Man kan ju tro att ju varmare det är, desto högre är belastningen. Så enkelt är det dock inte: Nolläget för belastningen bestäms nämligen (något förenklat) av vid vilken temperatur rälen fixeras. Med andra ord: Om rälen läggs vid +10 grader, så kommer belastningen vid denna temperatur att vara noll. Om temperaturen ökar så kommer det bli en tryckande belastning i rälen (precis som när du trycker på linjalen).
Så varför lägger man inte rälen när det är väldigt varmt? Gör man det så kommer man ju inte få tryckbelastning i rälen, vilket gör att man aldrig får solkurvor. Däremot får man dragbelastning i rälen när det blir kallt. Detta kan leda till att rälen spricker. Så att välja en bra temperatur där belastningen är noll är lite som att välja mellan pest och kolera.
Nu är temperaturen inte den enda belastning som påverkar risken för solkurvor. Även belastning från fordon inverkar. Detta gäller både krafter i spårets riktning (som ger ytterligare tryckande kraft) och nedböjningen under hjulen. I det senare fallet är det uppböjningen framför och mellan hjulen som minskar motståndet mot utknäckning (mycket förenklat kan man se det som att med en upplyftande kraft minskar friktionen mellan sliper och ballast).
På senare tid har forskningen nyanserat bilden ytterligare: Ett spår är aldrig perfekt rakt. Det finns alltid kortare och längre "knyckar" på rälen. Dessa ökar den kraft som vill knäcka ut spåret. De gör också att uppkomsten av solkurvor inte är riktigt så abrupt som vårt exempel med knäckning av en linjal. Istället är det mer en process där utböjningen ökar gradvis (men fortfarande väldigt fort).
Om man ser framåt finns det fortfarande luckor i kunskapen. Svårigheter kvarstår både i att bestämma vilken belastning man har i spåret (speciellt i att fastställa den temperatur där rälen är belastningsfri, den kan nämligen förändras på grund av att spåret förskjutits m.m.) och i att bestämma spårets motstånd mot utknäckning. Men i och med att vi lär oss mer och mer så har vi fått bättre och bättre verktyg att motverka uppkomsten av solkurvor.
Att undvika solkurvor
Texten ovan kan ge intrycket att som situationen är när man lägger rälsen, så kommer det vara. Så enkelt är det (som tur är) inte. Både de faktorer som styr belastning (de krafter som gör att spåret vill knäcka ut) och motstånd (de parametrar som verkar för att hålla kvar spåret i sitt läge) kan påverkas.
Om vi börjar med krafterna så är temperaturen den viktigaste parametern. Här var det avvikelsen från den temperatur vid vilken man la rälen i spåret som var viktig. Den temperaturen kallas neutraltemperatur (eftersom temperaturkraften är noll vid denna temperatur -- notera dock att Trafikverket använder definitionen att neutraltemperatur är den fastställda temperaturen då temperaturkraften skall vara noll, medan den verkliga temperaturen då temperaturkraften är noll kallas "spänningsfri temperatur"). I praktiken kan man påverka denna temperatur: Säg att neutraltemperaturen är lägre än vad man vill ha. Då kan man se det som att det "finns för mycket räl" (mer korrekt vill rälen expandera mer än vad som är lämpligt). För att åtgärda det kapar man upp rälsen vid en hyfsat kall temperatur. Eftersom det är kallt drar rälen ihop sig när man kapat den. Sedan drar man ut den "lagom mycket", kapar av överbliven räl och svetsar ihop den. (Den som utför detta har naturligtvis en mer exakt definition av vad "lagom mycket" är.)
När det gäller motståndet så är en mycket viktig aspekt inverkan av spårarbeten. Vid sådana arbeten så gräver man i ballasten (de stenar sliprarna ligger i). Detta minskar ballastens sidomotstånd rejält. När spåret börjar trafikeras igen så kommer ballasten packas och sidomotståndet att öka efter hand (se t.ex. Figur 5 i En introduktion till spårstabilitet (PDF 12MB)). För att snabba på stabiliseringen kan man använda speciella fordon som vibrerar för att ytterligare packa ballasten. Effekten av det är liknande den som barn använder då de packar sand i hinkar för att bygga sandslott.
CHARMEC deltar nu i ett EU-projekt (In2Rail) där vi tittar på såväl krafter och motstånd. När det gäller krafter så förändras spårets neutraltemperatur efterhand. Alla metoder som finns idag för att mäta neutraltemperaturen har stora nackdelar. Vi undersöker i projektet en ny metod som förhoppningsvis förbättrar situationen.
När det gäller motståndet så kommer vi titta på hur man bättre kan uppskatta detta utgående från hur spåret ser ut. Vi kommer även att undersöka effektiviteten av olika metoder för att förbättra motståndet.
Underhållsskuld
I media diskuteras med jämna mellanrum att järnvägen har en "underhållsskuld". Med det menar man att underhållet inte håller jämn takt med järnvägens (och då menar man normalt infrastrukturens) nedbrytning. Sedan brukar man avsluta diskussionen med att ange hur många miljarder denna skuld är. Med andra ord hur mycket skulle det kosta att rusta upp järnvägen så att man kompenserar för nedbrytningen.
Gott så; att veta hur mycket man är skyldig är naturligtvis viktigt. Men verkligheten är mycket mer komplex än så... och oerhört mycket mer intressant.
I ett antal FactFlashar skall vi titta lite närmare på den tekniska bakgrunden till "underhållsskulden". Vi börjar med att titta på hur fort infrastrukturen bryts ned. I del 2 tittar vi på hur nedbrytningen kan accelerera med tiden. I del 3 tittar vi på hur man kan beräkna livslängd och därmed underhållsskuld.
Underhållsskuld del 1: Hur fort bryts infrastrukturen ned?
Ett generellt svar på denna fråga går naturligtvis inte att ge. Livslängden beror på vilken komponent man tittar på, hur denna är belastad, hur den bryts ned m.m. För att ändå ge ett svar som är hyfsat generellt så kan vi titta på hur det ser ut för en struktur som belastas med en mekanisk last och bryts ned genom sprickbildning eller liknande. För den översiktliga diskussionen här är detta en tillräckligt bra approximation för spår, växlar, broar m.m. Däremot gäller den inte alls för t.ex. signalsystem.
En modell för att koppla belastning till livslängd för sådana strukturer togs fram redan under mitten av 1800-talet av August Wöhler. Bakgrunden var en epidemi av axelbrott på järnvägar runt om i Europa. Förenklat kan man säga att det han kom fram till var att
- under en viss belastningsnivå håller en komponent i princip för alltid (detta har till viss del kommit att revideras av senare forskning, men det är en annan fråga)
- över denna belastningsnivå så minskar livslängden exponentiellt med lasten
Detta brukar man illustrera i en så kallad Wöhler eller SN (stress--number) kurva, där σ är ett mått på påkänningen och N är antalet belastningscykler.
För stål och många andra material så gäller i princip att om en komponent håller för en belastning under sisådär en miljon belastningscykler så håller den för alltid. Denna belastningsnivå är ungefär halva den belastning som komponenten klarar då den belastas med en statisk belastning. Med andra ord: Den kraft du behöver för att dra av en ståltråd är ungefär dubbelt så stor som den kraft du behöver för att få av den om du har tålamod nog att dra i den en miljon gånger. (I praktiken är det en mängd ytterligare faktorer som komplicerar det hela, men för denna diskussion spelar det mindre roll.)
Nu förstår man varför de blev förvånade på 1850-talet: Axlarna skulle ju med marginal klara den belastning de utsattes för. Problemet var att när de rullade en miljon varv (vilket blir sisådär tre miljoner meter eller trehundra mil) så klarade de bara halva belastningen.
Och när belastningen ökar över den nivå där komponenten håller för alltid (den så kallade utmattningsgränsen) så minskar livslängden drastiskt. För att se det bättre kan man rita om sambandet i en linjär skala och dessutom byta plats på axlarna.
Exakt hur mycket livslängden minskar beror på förhållandena. I exemplet i figurerna ger en tioprocentig ökning av lasten (från utmattningsgränsen) en minskning av livslängden med 70%. Detta är inte alls någon extrem minskning.
Så vad har detta med underhållsskuld att göra?
Jo, först och främst visar exemplet här hur man kan beräkna en komponents livslängd om man känner lasten. Detta gör att man kan beräkna när man måste laga eller byta ut den. Lägg på kostnaden för reparation / utbyte så har du den beräknade underhållskostnaden. I praktiken är det dock lite mer komplicerat vilket vi skall titta på i del 3 av denna FactFlash.
För det andra så ser man att livslängden minskar drastiskt om belastningen ökar. Detta leder till samma drastiska ökning av underhållskostnaden. Den ökade lasten kan orsakas av att man kör tyngre eller snabbare tåg, men den kan även öka av att underhållet inte skötts. Detta tittar vi på i del 2 av denna FactFlash.
Underhållsskuld del 2: Hur järnvägens nedbrytning kan accelerera med tiden
Liksom tidigare tar vi som exempel en struktur som belastas med en mekanisk last och bryts ned genom sprickbildning eller liknande. Liksom tidigare är detta en hyfsad approximation för spår, växlar, broar m.m. Däremot gäller den inte alls för t.ex. signalsystem.
Vi tar ett enkelt exempel med en hjulaxel som rullar igenom en kurva och tittar på nötning och sprickbildning i rälhuvudet. Beroende på hur skarp kurvan är får man olika typer av nedbrytning: Om kurvan är tillräckligt flack får man ingen nedbrytning alls. Om kurvan är mycket skarp får man nötning. För kurvor däremellan får man sprickbildning[1].
Detta gäller för en "perfekt" kurva. I praktiken kommer kurvans geometri inte vara perfekt. Istället kommer förskjutningar av räl och spår (på grund av sidokrafter), nötning av rälhuvudet m.m. att göra att kurvan blir lite "krokig" med små geometristörningar (i storleksordningen millimetrar[2]).
Detta leder ju till att kurvan i vissa punkter blir lite flackare, medan den i andra punkter blir lite skarpare. Vi antar att kurvan från början var i riskområdet för sprickbildning. När geometrin blir mer krokig kommer kurvan i vissa punkter bli så flack att det inte blir någon skada alls. I andra punkter blir kurvan skarpare och det blir nötning.
Det problematiska är dock inte främst att man får olika typer av nedbrytning utan att påkänningen generellt ökar på de punkter där kurvan blir skarpare. Som vi diskuterade i förra delen så minskar då livslängden dramatiskt. Det innebär att sprickor bildas mycket snabbare (eller att nötningen ökar kraftigt). När profilen blir nött (eller material faller ut på grund av sprickbildning) så ökar ojämnheten i kurvans geometri. Det innebär att lasterna ökar ännu mer. Nedbrytningen ökar då ännu mer. Och vi är inne i en mycket dålig spiral...
Man skulle kunna tro att det kompenseras av att nedbrytningen blir lägre i andra punkter. Men tyvärr är det inte så, främst av skälet att underhållsbehovet styrs av de sämsta punkterna längs en kurva.
Slutsatsen är att om man t.ex. gör underhåll vartannat år istället för varje år så blir det inte dubbelt så mycket underhåll vartannat år (det vill säga samma totalkostnad) utan det kommer att krävas mer. Det är därför det är viktigt att sköta underhåll på ett relativt tidigt stadium. Exakt när detta är beror dock på förhållandena: Om man gör underhåll på ett mycket tidigt stadium får man inte speciellt stora vinster, men det kostar mycket mer och kan även ge mer trafikstörningar då man skall få tid på banan för underhållet.
Nyckeln är att finna en bra balans mellan nedbrytning och underhåll. I nästa del skall vi titta närmare på hur man kan beräkna nedbrytning med olika precision. Detta ger verktyg både för att planera underhållet. Samma verktyg kan man använda för att beräkna spårets livslängd och därmed vilken "underhållsskuld" man har.
[1] I praktiken är det inte säkert att belastningen är så hög att man får nötning och sprickbildning. Dessutom finns det fler nedbrytningsmekanismer som inverkar. Men på det stora hela stämmer resonemanget. Gränsen mellan nötning och sprickbildning går för en "normal" järnväg vid en kurvradie av några hundra meter och mellan sprickbildning och "ingen skada" (vilket inte skall tas bokstavligt; det finns som sagt fler nedbrytningsmekanismer) vid en kurvradie av ett par tusen meter.
[2] Diskussionen ovan behandlar enbart störningar i sidled. I praktiken finns det även störningar i höjdled och skevningsfel mellan rälerna.
Underhållsskuld del 3: Hur kan man uppskatta underhållsskulden?
För att kunna bedöma vilken underhållsskuld ett järnvägsnät har så måste man först veta den tekniska livslängden för de olika komponenterna i nätverket. (Komponent innebär här inte bara att man bryter ner spåret i räl och växlar och sedan vidare i befästning, sliper, räl osv. Det innebär även att man studerar varje spåravsnitt, växel m.m. för sig.) Det finns ett par sätt att uppskatta denna livslängd. Den enklaste är att helt enkelt basera den på åldern: Till exempel skulle man då kunna säga att en räl håller i fyrtio år. En sådan uppskattning fungerar bättre ju mindre belastningen är på komponenten.
En bättre metod när komponenten utsätts för högre belastning är att relatera livslängden till den trafik som passerat. Normalt använder man då den totala vikten som passerat. Men även detta är en ganska grov uppskattning: Till exempel kan nedbrytningen öka med tågens hastighet. Den kan även påverkas av lokala förhållanden. Ett exempel är att växlar med mycket trafikering i avvikande spår håller kortare tid än växlar där den mesta trafiken kör rakt igenom. Sådana effekter kan man ta hänsyn till med mer avancerade analyser, vilka dock kräver mer indata.
Ett kompletterande sätt att uppskatta den tekniska livslängden är att studera antalet (och eventuellt även typen av) fel som rapporterats för en komponent.
I praktiken använder man en kombination av samtliga dessa metoder: Man börjar med att titta på komponentålder (vilket går relativt enkelt) kompletterar denna med en uppskattning av den totala vikten av de tåg som passerat komponenten (vilket kräver lite mer jobb). Utifrån detta kan man sedan gå vidare och detaljstudera de komponenter som har lång livslängd och/eller hög total belastning. Detta kan man göra genom att analysera rapporterade fel, vilka konsekvenser fel i komponenten ger, detaljanalys av belastning m.m. Det hela kan resultera dels i en prioritering av vilka komponenter som skall bytas ut och dels i en lista över vilka komponenter som egentligen borde bytas ut, d.v.s. vilken underhållsskuld man har.
Sprickor i räls
I inslag i TV och tidningar skrivs emellanåt om att svenska tåg kör på räls med sprickor och att mängden sprickor ökar.
För att sätta detta i perspektiv börjar vi med två grundläggande konstateranden:
- Alla konstruktionsmaterial innehåller sprickor.
- I dynamiskt belastade konstruktioner (det vill säga där belastningen varierar över tiden) så växer normalt dessa sprickor.
Detta innebär att till exempel bilen du kör i, flygplanet du flyger i och bron som bilen passerar över alla har sprickor. Det ingenjörerna som designar bilen, flygplanet och bron har sett till är att dessa sprickor inte är så stora att de orsaka (säkerhets)problem. Detta kan man (i princip) göra på två sätt:
Antingen ser man till att påkänningen är så låg att sprickorna inte hinner växa sig stora under konstruktionens livstid. Detta är i stort sett vad man gör för en bil. Alternativet är att man inspekterar tillräckligt ofta så att sprickorna inte hinner växa sig farligt stora mellan inspektionerna. Detta är i stort sett vad man gör för flygplan.
I praktiken brukar man kombinera dessa två metoder. Till exempel så kontrollerar bilbesiktningen till viss del även bilens bärande struktur.
När det gäller räls så inspekteras den med jämna mellanrum för att man skall hitta sprickor (hur ofta beror på typen av bana). Den vanligaste typen av sprickor är då så kallade farkantssprickor. Den spricktyp det handlar om nu är längsgående sprickor i rälhuvudet. Detta är en mycket ovanligare form av spricka.
Eftersom farkantssprickor är den vanligaste typen av sprickor fokuserar den ultraljudskontroll som görs idag på dessa sprickor. Detta får till följd att längsgående sprickor sällan upptäcks med "normal" ultraljudskontroll. Som framgår av Trafikverkets katalog över rälsfel bör man därför göra kompletterande provning (från rälsidan) om man misstänker längsgående sprickor.
Med bakgrund av detta kan man fundera på om den ökade förekomsten av längsgående sprickor beror på att mängden ökat, eller att man ökat mängden kompletterande provningar och därför hittar fler av de existerande sprickorna[3].
Om det är så att mängden sprickor faktiskt ökat dramatiskt så är ju risken att man har fått en skadeepidemi på halsen (jämför diskussionen med underhållsskuld ovan). Skulle detta vara fallet så måste man naturligtvis ta till snabba åtgärder för att minska påkänningen.
Skulle det däremot vara så att man nu hittar fler av de redan existerande sprickorna så har situationen tvärtom blivit bättre: Då har man nu en bättre kartläggning av existerande sprickor och kan införa förtätad inspektion (vilket Trafikverket även gjort enligt reportagen).
Så hur farligt är det nu att åka tåg? Ja, den bästa uppskattningen baserad på verklig statistik är att det fortfarande är ungefär 50 till 100 gånger säkrare än att åka bil (se till exempel noteringarna om järnvägssäkerhet längre upp på sidan).
[3] Det finns även den "psykologiska" effekten att när man börjar diskutera ett visst problem så ser man det tydligare. Denna effekt, vilken emellanåt är förvånansvärt stor, lämnar vi dock utanför denna diskussion.
Hur inverkar hastigheten på järnvägssäkerheten?
En kort sammanfattning av hur hastigheten inverkar på säkerheten[4] på vår järnväg. Bakgrunden är de diskussioner som förs i media om att sänka hastigheten på grund av spårets dåliga status. Mer detaljerad information om urspårningar och hur de kan undvikas finns i sammanfattningen av de viktigaste resultaten från EU-projektet D-RAIL.
För att förstå vilken inverkan en hastighetssänkning ger måste man först komma ihåg att om belastningen på en hjulaxel är 20 ton så kommer den i medeltal att vara det oavsett hur fort man kör tåget. Nyckelorden här är i medeltal: Ju snabbare tåget färdas, desto mer kommer det "studsa" på rälsen ("studsa" är inte helt rätt uttryck eftersom det mycket sällan kommer släppa kontakten helt). Det innebär att vissa ögonblick är belastningen högre än 20 ton och vissa ögonblick är den lägre än 20 ton. Här är det naturligtvis de höga belastningarna som ställer till det. Generellt kan man säga att ju högre hastigheten är, desto större är de högsta belastningarna.
Så då verkar ju en hastighetssänkning lösa allt?
Nja, verkligheten är mer komplicerad än så: Om de höga belastningarna beror på oregelbundenheter på hjulen så kommer de inträffa på olika positioner längs rälsen för olika tåg. Den totala effekten på spåret blir därför liten (däremot kan man få problem med hjul, lagerboxar och annat om hjulets ojämnheter är stora). Beror de stora krafterna däremot på att det är en ojämnhet på spåret, så blir totala effekten på denna position av spåret hög medan effekten på passerande hjul normalt blir liten.
Hur kopplar detta då till säkerheten? Jo, den höga belastningen kan göra att sprickor bildas och växer snabbare och i värsta fall kan rälsen gå av. Ett sådant rälsbrott är naturligtvis inte bra, men normalt orsakar det ingen urspårning. Man kan jämföra med skarvspår där det finns luckor i rälsen med jämna mellanrum. Däremot är risken för urspårning större om det finns flera sprickor inom en begränsad sträcka och/eller en större del av rälsen ramlar av.
Utöver det ger en ökad hastighet även en större risk för att hjulet "klättrar" över ytterrälsen i kurvor. Detta händer bara då hjul och/eller räls har en väldigt sliten profil.
Skall man generalisera är det så att utifrån ett säkerhetsperspektiv är den stora skillnaden med lägre hastighet att konsekvenserna blir mindre om tåget spårar ur. Hur stor är då risken för urspårning? Som beskrivs under Noteringar om järnvägssäkerhet så är risken att dö i en järnvägsolycka ungefär en hundradel till en femtiondedel av risken för att dö i en bilolycka. Så risken är mycket liten. Dessutom minskar den över åren enligt UICs sammanställning. Om en hastighetssänkning leder till att fler tar bilen, ökas alltså risken för personskada.
Med andra ord: Det finns säkert bra anledningar att ta bilen emellanåt, men att man är rädd för säkerheten på järnvägen hör inte till dem.
[4] Normalt sätts hastigheten baserat på komfortkrav för passagerare.