Oor op het spoor?

[king nero]

 
Als we het doorsnedeoppervlak van zo'n rails weten (...)

 
In bijlage de gegevens van de huidige, meest gebruikte spoorstaafprofielen (60 kg/m).
Vroeger waren rails van 50 kg/m standaard, maar elk land had zijn eigen voorkeur voor het exacte profiel. In bijlage ook de doorsnede van de Belgische 50kg-rails.
 
Verder worden de spoorstaven "spanningsloos" aangelegd bij de zogenaamde neutrale temperatuur die 20°C bedraagt. In de zomer kan die oplopen tot 65-70°C (heel wat warmer dan de omgevingstemperatuur), in de winter tot heel wat kouder dan de omgevingstemperatuur (Boltzmann?).
Per graad temperatuursverschil komt er zo'n 2.5 MPa spanning in de spoorstaaf (compressie of trek).
Gezien de laagste staalkwaliteit van spoorstaven een rekgrens heeft van 700 MPa (en de andere 900 en 1100 MPa), zorgen enkele tientallen °C delta T niet direct voor problemen.

[jkien]

Bij de museumtramlijn heb ik 60 voegen opgemeten bij 0 °C (twee weken geleden) en 15 °C (gisteren). Als de twee spoorstaven aan weerszijden van de voeg niet even lang zijn geldt de formule:   voegkrimp = ΔL_gem = α L_gem ΔT,   waarbij L_gem het gemiddelde is van de twee spoorstaaflengtes. De grootste L_gem is dan 155 m, bij een voeg met 300 m aan de ene kant en 10 m aan de andere. Het gemiddelde is nodig omdat de spoorstaaflengte plaatselijk varieert van 10 tot 300 meter.

De grafiek laat de 'voegkrimp' zien, dat is de afname van de voegbreedte als de rails opwarmt van 0 naar 15 °C, als functie van de spoorstaaflengte L_gem. Er zijn in de grafiek twee groepen van meetpunten zichtbaar. De meerderheid van de voegen krimpt niet of nauwelijks ( = minder dan 1 mm), en een minderheid krimpt wel, gemiddeld 4,2 mm. Bij de voegen die niet krimpen is blijkbaar de roestige lasplaat stroever dan de bielsklemmen. Dit jaar rijdt de museumtram niet (wegens werk aan een viaduct), dus een roestige lasplaat wordt ook niet losgetrild door rijverkeer. Uitgaande van een uitzettingscoefficient van 12·10^-6 K^-1 voor staal correspondeert 4,2 mm voegkrimp bij ΔT = 15 °C met een spoorstaaflengte van 23 m.

De simpelste verwachting is dat de voegkrimp evenredig is met de spoorstaaflengte. Echter, in bericht #15 werd al genoemd dat bij een lange spoorstaaf alleen de uiteinden uitzetten, terwijl het middenstuk muurvast zit onder de bielsklemmen. Volgens bericht #15 is de lengte van het uitzetbare uiteinde 50 meter; maar bij de museumtramlijn lijkt de knik in de grafiek bij 23 m te liggen.

rails3a.png (32.47 KiB) 536 keer bekeken

Veel voegen krompen dus niet, en er bleek zelfs een spoorsegment te zijn van 330 meter, bestaande uit 14 spoorstaven waarvan alle 13 voegen niet veranderden tijdens het 15°C opwarmen. Kennelijk zijn de roestige lasplaten binnen die 330 meter stroever dan circa 200 bielsklemmen.

[king nero]

Mooi experiment.
 
Enkele aanvullingen:
- rails werden/worden geleverd in veelvouden van 9m. 27m is een courante maat, het resultaat van jouw metingen is dus heel plausibel.
- railstaal is perlitisch, alpha = 11.5 e-6 m/m.K
- zijn de temperaturen die je vermeldde, omgevings- of spoorstaaftemperaturen? Dit kan namelijk heel wat schelen (zie vorige post).
- zoals gezegd, dienen lasplaten gesmeerd te worden. Ik kan me voorstellen dat de budgetten voor het onderhoud bij een museumlijn dit niet toelaten. Dit kan een mogelijke oorzaak zijn voor de voegen die niet veranderden van opening.

[jkien]

De genoemde temperaturen waren spoorstaaftemperaturen, beide keren met een infraroodthermometer gemeten. ​Het verschilde overigens weinig met de omgevingstemperatuur. In de zomer, als de zon hoog aan de hemel staat, zal het meer uitmaken.

[jkien]

Ik heb de metingen herhaald op twee warmere dagen. Hoe warmer des te groter de voegkrimp, maar de spreiding van de punten is groot. Bij de hoogste temperatuur zijn er veel voegen die eindigen met een voegbreedte van 0 mm, en die dus misschien minder voegkrimp vertonen dan bij de temperatuur past.
 

rails1a.png (62.4 KiB) 538 keer bekeken

Voegkrimp bij  railtemperaturen van 40 °C en 52 °C, ten opzichte van 0 °C. Voegen die eindigen met een voegbreedte van 0 mm, zijn aangegeven met een "min" in het cirkelsymbool.  De hellingen van de drie stippellijnen links (L < 23 m) corresponderen met de uitzettingscoefficient van staal, 12·10^-6 K^-1.
 
 
 
.