Text: Pierre Eklund
Stora delar av den svenska järnvägen är under utveckling och ska omvandlas till höghastighetsjärnväg för att öka kapaciteten och skapa en snabbare, effektivare och mer klimatsmart järnväg. Höga hastigheter medför också stora utmaningar på komfort, nedbrytning och underhåll, vilket gör att Trafikverket ständigt testar nya material och koncept. Med start sommaren 2021 testas ett nytt ballastfritt spår, byggt på moduler, som på sikt kan ersätta dagens ballastspår på särskilda sträckor.
Merparten av den svenska järnvägen har sedan den anlades varit byggd med ballastspår där det översta lagret som järnvägsslipern vilar på består av makadam. Ballasten ska bära spåret och säkra dess längd- och sidostabilitet. I modern tid har järnvägsbranschen utvecklat ballastfria spår, även kallat fixerade spår, där befästningssystemet fästs direkt i längsgående betongplattor. Ballastfria spår ger bättre spårläge och kräver mindre behov av återkommande underhåll som spårriktning. Idag byggs nya höghastighetsbanor över hela världen där hela eller delar av banorna har ballastfritt spår.
Trafikverket, som nu utvecklar höghastighetsjärnväg på flera sträckor i Sverige, utreder vilket av systemen som är mest lämpligt att använda vid olika sträckor i de nya stambanorna. Att bygga ballastfria spår i betong medför högre investeringskostnad och större påverkan på miljön i samband med produktion, vilket i slutändan kan vara avgörande vid ett politiskt beslut. Parallellt med utredningen om spårsystem i stambanorna är Trafikverket involverad i utvecklingen av nästa generations ballastfria spår. I sommar påbörjar det europeiska forskningsprojektet In2Track, som är en del av EU:s järnvägsforskningsprogram Shift2Rail, provdrift av det nya ballastfria 3MB-systemet på Malmbanan i norra Sverige.
– Till skillnad från andra ballastfria spår bygger 3MB-systemet på ett fixerat system med betongmoduler, vilket innebär att man enkelt kan byta ut skadade komponenter. 3MB-systemet är som en hybridlösning mellan ballastfritt och ballastspår, förklarar Matthias Asplund, senior spårspecialist inom teknik, miljö och underhåll vid Trafikverket som deltar i projektet.
I nästa andetag berättar Matthias Asplund - som även är adjungerad universitetslektor vid Luleå tekniska universitet och har ett nationellt tekniskt ansvar för bearbetning av räls- och hjulskador - att det som händer i kontaktytan mellan räl och hjul har stor betydelse för alla järnvägssystem oavsett spårsystem.
– Vad som händer på ett område stort som en enkrona under bråkdelen av en sekund, när tåghjulet möter rälen i hastigheter upp till 200 km/h, är en av de viktigaste faktorerna för att göra tågresan ännu mer komfortabel och hela järnvägssystemet mer robust.
Problem vid Hallandsåsen
Matthias Asplund har själv sett hur minimala felaktigheter kan orsaka stora problem. 2015 rapporterade SJ om obehag i form av vibrationer, ryck och stötar som avvek från vad som kan förväntas vid samverkan mellan hjul och räl vid den då nyöppnade sträckan genom Hallandsåsen.
– Våra undersökningar visade att formen på rälen var felaktig med 0,4 millimeter. I kombination med hjul som använts under längre tid orsakade detta obehagliga vibrationer och stötar inne i tåget.
– Det krävdes ett tätt samarbete mellan Trafikverket, som bygger infrastruktur, och operatören för att identifiera och lösa problemet, och vi insåg att det är precis så här tätt vi måste jobba framöver när vi optimerar hjul- och rälsystemet och bygger infrastruktur.
Samarbetet vid Hallandsåsen resulterade i forskningsprojektet Dålig gång som också drivs inom ramen för EU:s program Shift2Rail. Projektet fick i uppdrag att göra en djupare kartläggning om vad som behöver förbättras för att få en bättre gång för passagerartåg. Eftersom det inte finns några väl fungerande internationella mätetal eller mätsystem över hur räl och järnvägshjul ska anpassas för att minska skakningar och vibrationer utvecklade projektet det egna mätsystemet GIP, Geometrisk Index Profil.
– Om både räl och hjul slipas enligt våra parametrar och i förhållande till varandra uppstår inte dålig gång. Det handlar om små marginaler. Nästa steg är att ta fram en hjulprofil som är anpassad för modern räl.
– Hjulprofilen som används idag slits på ett okontrollerat sätt eftersom de är utvecklade efter hur järnvägen såg ut för 40 år sedan.
Mätsystemet GIP har rönt stor uppmärksamhet i järnvägsbranschen och har blivit antagen som ny europeisk standard för mätningar av förhållandet mellan hjul och räl av den europeiska standardiseringsorganisationen CEN, Comité Européen de Normalisation.
– Det är förstås väldigt hedrande. Med hjälp av den nya parametern kommer det också bli möjligt att skilja de skakningar och vibrationer som är ett rent komfortproblem från de som är säkerhetsrelaterade.
– Tidigare har det inte varit möjligt och därför behandlas alla skakningar och vibrationer över en viss nivå som säkerhetsproblem. Det leder till att hastigheten på banan sänks och att tåget tas ur trafik för underhåll. Att förstå vad som händer mellan hjul och räls blir dessutom allt viktigare desto snabbare tåget kör.
Bättre toleranser med ballastfritt
Alla nya järnvägsprojekt som Trafikverket har byggt de senaste åren klarar hastigheter upp till 250 km/h, och de tåg som SJ nu upphandlar ska kunna köra i 250 km/h. Högre hastigheter medför påfrestningar på traditionella banvallar med ballast som banöverbyggnad. När tågen kör på ballastspår uppstår stora spårkrafter och rörelser i spåret som ökar nedbrytningen av ballast och anläggningen generellt. Ballastfritt spår, där överbyggnaden gjuts i betong, har bättre toleranser och mindre underhållsåtgärder, det vill säga högre tillgänglighet på spåren, men är inte helt riskfritt.
– Det går aldrig utesluta att det uppstår sprickor, skador och sättningar över tid, och när det sker är det mycket svårare att åtgärda än vid ballastspår eftersom man har byggt in problemet i betongplattan. Det är därför det här nya 3MB-systemet är så intressant att följa.
3MB-systemet, som är tänkt att användas för höghastighetsbanor och banor för tung godstrafik, är uppbyggt av fixerade betongmoduler istället för en gjuten platta. Varje sektion är 4,8 meter lång och består av en basplatta, det dämpande gummit elastom, ett modult block, styrpinne och befästning. Blocket väger 300 kg och kan bytas ut eller justeras vid eventuella sättningar. Erik Toller, geoteknisk ingenjör vid Trafikverket och doktorand vid Uppsala universitet, är projektledare för In2Track2 som fas två av In2Track-projektet kallas.
– Trafikverket strävar ständigt efter att optimera befintlig järnvägsinfrastruktur och omsätta forskningspengar till faktiska produkter och lösningar. Genom att åta sig att testa och mäta systemet på vår anläggning får vi större insikt i ballastfria spår, säger Erik Toller.
– Vi är särskilt intresserade av övergångzonen mellan ballasterat och ballastfritt spår som alltid är ett problemområde i järnvägen.
Testas med ordinarie trafik
Spårsystemet, som är utvecklat av spanska företaget Acciona, installeras under sommaren vid Trafikverkets driftplats i Gransjö på Malmbanan, några mil norr om Boden, och provdrift med övervakade mätningar ska pågå fram till hösten 2023. Med tåglaster på upp till 32,5 ton är Malmbanan den järnväg i Sverige där nedbrytningen av banöverbyggnaden går snabbast vilket blir ett ordentligt test för systemet.
– Erfarenhetsdriften sker med ordinarie trafik och påverkar inte den driften. Vi har ett flertal mätapparater som studerar för- och nackdelar med språkkonstruktionen, och noterar allt från förslitning till buller.
– Acciona, Trafikverket och våra forskningspartners, bland annat Chalmers tekniska högskola, tar del av den data som mätningarna ger.
Under testperioden kommer Matthias Asplund, som är teknisk demonstrationsledare i projektet, att rapportera till EU:s järnvägsforskningsprogram Shift2Rail hur testerna fortlöper. Tanken var att även spårtillverkaren Vossloh skulle testa sitt spårsystem MCS, men de har ställt in sin medverkan på grund av pandemin. När testerna är klara avslutas In2Track2 och projektet går då över i tredje och sista fasen, In2Track3, där alla resultat redovisas.