16

Sporveksler og sporkryss

Kort videoforklaring Se video

16.1 Innledning

Sporveksler og sporkryss (internasjonalt ofte omtalt som S&C) er mekaniske innretninger som leder tog fra ett spor til et annet. De er blant de mest komplekse, kostbare og vedlikeholdskrevende komponentene i jernbanesporet. Per lengdeenhet kan én enkel sporveksel kreve 2–10 ganger så stor vedlikeholdsinnsats som en tilsvarende lengde ordinært spor [130].

En enkel sporveksel består av tungeparti, mellomskinner og kryssparti. Inndelingen i figur 16.1 er nyttig fordi hvert parti gir en egen utfordring knyttet til hjulføring.

Figur 16.1 Enkel sporveksel med tungeparti, mellomskinner og kryssparti.

Sporveksler og sporkryss er avgjørende for fleksibel drift. De gjør det mulig for tog å kjøre inn på og ut fra sidespor, passere hverandre i kryssingsspor og nå plattformspor på stasjoner. Den mekaniske kompleksiteten gir feilmodi som ikke finnes i ordinært spor, blant annet brudd i sporvekseltunger, tungeskader og brudd i krysspissen. Geometrien skaper dessuten kontaktforhold mellom hjul og skinne som øker slitasjen og den rullende kontaktutmattelsen [112, 117].

16.2 Sporvekselens oppbygning

En enkel sporveksel kan beskrives ved hjelp av de tre funksjonelle partiene i Figur 16.1. Hvert parti ivaretar en egen del av hjulføringen:

1. Tungepartiet: inneholder stokkskinnene og de bevegelige sporvekseltungene, senere omtalt som tunger. Tungepartiet bestemmer om toget ledes til stamsporet eller avvikesporet.

2. Mellomskinnene: danner overgangen mellom tungepartiet og krysspartiet og leder hjulet fra tungen til skinnekrysset.

3. Krysspartiet: inneholder skinnekrysset, vingeskinnene og ledeskinnene. Her krysser den ene skinnestrengen den andre.

16.3 Tungepartiet: tungtyper

Sporvekseltungen, heretter kalt tungen, er det bevegelige skinneelementet som leder hjulet til ett av de to sporene. Tungene kjennetegnes ved fleksibiliteten og måten de beveger seg på:

16.3.1 Leddtunger

I en leddtunge er tungen et separat, stivt skinneelement som dreier om et ledd ved tungeroten. Tungen er ikke en del av den gjennomgående skinnen, men er forbundet med stokkskinnen ved et dreieledd. Leddtunger er den enkleste utførelsen og var tidligere vanlige. De brukes ikke lenger i nye anlegg fordi avbruddet ved tungeroten skaper et svakt punkt og begrenser mulig tungelengde. Leddutførelsen i Figur 16.2 viser hvorfor løsningen er mindre egnet for lange tunger beregnet for høy hastighet.

Figur 16.2 Leddet tunge i en sporveksel med leddtunge.

16.3.2 Fjærtunger

Fjærtunger er dagens standard. Tungen er en sammenhengende skinne som bøyes elastisk for å gi den nødvendige sidebevegelsen. Den har ikke noe mekanisk ledd; skinnens elastiske bøyestivhet gir den nødvendige fleksibiliteten. En fjærtunge kan være betydelig lengre enn en leddtunge. Dermed blir vinkelen ved tungespissen mindre, og høyere hastighet kan tillates i avvikesporet.

Det brukes to undertyper av fjærtunger:

Fjærskinnetunge: Tungen sveises til mellomskinnen ved tungeroten og danner dermed en helt sammenhengende skinne uten mekanisk skjøt. Dette fjerner støtbelastningen ved skinneenden og reduserer vedlikeholdsbehovet betydelig.

I Figur 16.3 er tungeskinnen sammenhengende ved tungeroten og avsmalner mot tungespissen. Avsmalningen gjør at skinnen kan bøyes elastisk i stedet for å dreie om et ledd.

Figur 16.3 Sammenhengende sveiset fjærtunge med elastisk bøyning ved tungeroten.

Figur 16.4 viser den samme utførelsen i sporet. Tungen ligger mot den maskinerte stokkskinnen uten mekanisk skjøt ved tungeroten.

Figur 16.4 Kontakt mellom tunge og stokkskinne i en sveiset fjærtunge.

Tungespissen maskineres skarp slik at den kan ligge tett mot stokkskinnen i lukket stilling. Hjullasten ved spissen overføres til stokkskinnen. Etter hvert som hjulet beveger seg mot tungeroten, overføres lasten gradvis til tungen.

16.3.3 Glideplater og understøttelse

Tungen hviler på glideplater som danner et glidende underlag med liten friksjon når sporvekselen legges om. Glideplatene skal:

• gi tungen en stabil og jevn glideflate,

• overføre den vertikale lasten fra tungen til svillen,

• motstå slitasjen fra den gjentatte glidebevegelsen.

Glideplatene, opplagringsdetaljene og drivutstyret i Figur 16.5 bærer tungen samtidig som den kan bevege seg. Platene gir en jevn glideflate, og drivstengene forbinder tungen med drivmaskinen.

Figur 16.5 Glideplater, opplagringsdetaljer og drivutstyr for en bevegelig tunge.(a) Understøttelse av sporvekseltunge; (b) Opplagring og glideplate; og (c) Drivutstyr.

16.4 Driv- og kontrollanordning

Driv- og kontrollanordningen, også kalt sporvekseldrivverket, beveger sporvekseltungene mellom de to endestillingene, normalstilling og omlagt stilling, og låser dem. I alle sporveksler på hovedspor registrerer og kontrollerer anordningen også tungestillingen. Informasjonen overføres til signalanlegget og må være bekreftet før signal kan stilles. Moderne innkapslede drivmaskiner samler aktuator, kraftoverføring, låsing og grensesnitt for stillingskontroll i én kompakt enhet. Bane NORs ERTMS-anleggskatalog fører ELS710-drivmaskiner, og gjeldende spesifikasjoner for sporveksler og sporkryss viser til Siemens ITS 710-grensesnitt for sporvekseltunger og bevegelige krysspisser [54, 52]. Figur 16.6 viser monteringsprinsippet: Den innkapslede drivmaskinen står ved siden av sporvekselen og beveger tungene med utvendige drivstenger.

Figur 16.6 Drivmaskin montert ved sporvekseltungene, med sporvekselsvillene og sporet omkring.

Viktige krav til drivmaskiner er:

• Slaglengden, altså tungens forskyvning mellom normalstilling og omlagt stilling, er vanligvis 125–160 mm for sporveksler i hovedspor.

• Låsekraften skal hindre at tungen beveger seg under trafikklast eller dersom et kjøretøy kjører gjennom en feilinnstilt sporveksel.

• Stillingen registreres med sensorer ved både drivpunktet og kontrollstangen. Begge skal bekrefte riktig stilling før signal kan stilles.

• Tungeoppvarming beskytter området mellom tunge og stokkskinne mot snø og is, slik at tungen kan lukkes og stillingen registreres riktig.

16.5 Krysspartiet

Hjulføringen er mest krevende i krysspartiet fordi kjøreflaten er avbrutt, og hjulet skal ledes sikkert over åpningen i skinnekrysset.

16.5.1 Kryssgeometri

Skinnekrysset, også kalt hjertestykket, ligger der de to skinnestrengene krysser hverandre. Geometrisk er kryssvinkelen \(\alpha\) vinkelen mellom de to sportangentene ved det teoretiske krysspunktet. I kryssgeometrien i Figur 16.7 betegnes punktet som teoretisk kryss (TK). Kryssnummeret \(N\) er det tilhørende forholdet mellom lengde og åpning:

\[ \tan\alpha = \frac{1}{N}, \qquad\text{ekvivalent med}\qquad N = \frac{1}{\tan\alpha} \]

(16.1)

Figur 16.7 Kryssgeometri med teoretisk kryss (TK) og kryssvinkel α.

Vanlige kryssnumre i Norge er blant annet \(N = 7\), 9, 12, 14, 15, 18,4 og 26,1 [80, 48]. Et høyere kryssnummer betyr en mindre og slakere kryssvinkel og dermed høyere hastighet i avvikesporet. For eksempel:

• N = 7, \(\alpha \approx 8{,}1^\circ\): standard sporveksel på stasjon, \(v_{\mathrm{avvik}} \leq 40\) km/h

• N = 12, \(\alpha \approx 4{,}8^\circ\): sporveksel i hovedspor, \(v_{\mathrm{avvik}} \leq 60\)–80 km/h

• \(N = 18{,}4\), \(\alpha \approx 3{,}1^\circ\): høyhastighetsveksel, \(v_{\mathrm{avvik}} \leq 100\) km/h

• \(N = 26{,}1\), \(\alpha \approx 2{,}2^\circ\): høyhastighetsveksel, \(v_{\mathrm{avvik}} \leq 140\) km/h

16.5.2 Det føringsløse partiet

Den mest konstruktivt kritiske delen av skinnekrysset er åpningen ved krysspissen. Åpningen er nødvendig for hjulflensen på hjulet som følger den kryssende skinnestrengen. Når hjulet passerer, skal det overføres fra vingeskinnen til krysspissen over en kort avstand uten en sammenhengende kjøreflate. Den synlige åpningen i figur 16.8 danner det føringsløse partiet.

Figur 16.8 Føringsløst parti ved krysspissen i et fast skinnekryss.

Støtet mot krysspissen er hovedårsaken til høye dynamiske krefter i sporvekselområder. Støtkreftene kan være 2–5 ganger den statiske hjullasten og gi rask materialskade på krysspissen, blant annet kjørekantsprekker («head checking»), avskalling og plastisk deformasjon [148].

16.5.3 Typer skinnekryss

Faste skinnekryss bygges enten som maskinerte skinnesammenstillinger eller som støpte enheter i ett stykke. Skissen og feltbildet i Figur 16.9 viser samme prinsipp på to nivåer: geometrien i kjørekanten og det støpte skinnekrysset montert i sporet.

Figur 16.9 Geometri for fast skinnekryss og støpt mangankryss i sporet.(a) Geometri for fast skinnekryss; og (b) Støpt mangankryss montert i sporet.

To hovedtyper skinnekryss brukes på det norske jernbanenettet:

Skinnekryss med smidd krysspiss: Krysspissen består av en smidd, herdet stålblokk som maskineres til riktig geometri. Utførelsen gir et presist profil i ny tilstand, men har begrenset evne til deformasjonsherding.

Støpte mangankryss: fremstilles av austenittisk stål med 13% mangan (Hadfield-stål). Materialet er opprinnelig mykt, men deformasjonsherdes betydelig under støtbelastning. Støpte mangankryss er standard på høyt belastede baner fordi den herdede overflaten får stor motstand mot slitasje og støtskader [107].

16.5.4 Bevegelig skinnekryss

Et bevegelig skinnekryss, stilt for den valgte togveien, fjerner det føringsløse partiet ved hjelp av enten en bevegelig krysspiss eller en bevegelig vingeskinne. Dermed lukkes åpningen i kjørekanten for sporet som brukes. Hjulstøtet mot krysspissen forsvinner, og både de dynamiske kreftene og slitasjen på krysspissen reduseres betydelig. Utførelsen med bevegelig krysspiss i Figur 16.10 er en vanlig måte å oppnå en sammenhengende kjørekant på.

Figur 16.10 Skinnekryss med bevegelig krysspiss i sporet.

Bevegelige skinnekryss krever flere drivmaskiner for bevegelse og kontroll av krysspissen, men bedre dynamiske egenskaper og mindre vedlikehold kan oppveie den økte kompleksiteten. Etter gjeldende teknisk regelverk fra Bane NOR skal sporveksler med grunnradius på 1200 m eller mer ha bevegelig skinnekryss. Det samme gjelder sporveksler med hastighet over 250 km/h. Bevegelige skinnekryss anbefales i støyfølsomme områder, ved aksellast over 22,5 t, stor trafikkbelastning over 10 MBT/år og hastighet i avvikesporet over 130 km/h [48].

16.5.5 Vingeskinner og ledeskinner

Fordi kjørekanten er avbrutt ved krysspissen, må hjulsatsen tvangsstyres gjennom skinnekrysset. Ledeskinnens synlige flate i Figur 16.11 styrer baksiden av den motstående hjulflensen. I det komplette krysspartiet virker ledeskinnen sammen med vingeskinnene ved krysspissen og leder hjulsatsen sikkert gjennom åpningen.

Figur 16.11 Ledeskinnens føring av hjulsatsen gjennom skinnekrysset.

Figur 16.12 viser komponentene samlet i krysspartiet: Vingeskinnene leder fram mot krysspissen, og en ledeskinne ligger ved den motstående skinnen.

Figur 16.12 Kryssparti med ledeskinne, krysspiss og vingeskinne.

Føring fram mot krysspissen: vingeskinnene leder hjulet fra stokkskinnen til krysspissen. De bøyes utover fra krysspissen for å danne en jevn kjørebane.

Sideføring av hjulsatsen: ledeskinnene er korte skinnestykker som monteres ved skinnen på motsatt side av skinnekrysset. De begrenser hjulflensens sidebevegelse og sikrer at hjulbanen går over krysspissen i stedet for inn i åpningen. Ledeskinnen styrer hjulsatsen slik at ledevidden holdes innenfor fastsatte toleranser. Sporrillen ved ledeskinnen skal ha foreskrevet rillebredde og rilledybde.

16.6 Sporvekselgeometri

Sporvekselgeometrien forbinder den bevegelige tungeskinnen, mellomskinnene og skinnekrysset til én sammenhengende togvei. Hovedmålene bestemmer både tillatt hastighet og nødvendig plass i en stasjonssporplan.

16.6.1 Grunnleggende geometriparametere

Geometrien til en enkel sporveksel bestemmes av referansepunkter og lengder som stokkskinneskjøt, teoretisk kryss, sirkelbuens slutt, sporvekselens bakkant, byggelengde, tangentlengder, sporvekselradius og kryssvinkel. Figur 16.13 viser standardnotasjonen for hovedmålene før hastighetsforholdet innføres.

Figur 16.13 Hovedmål for en enkel sporveksel: stokkskinneskjøt (SS), teoretisk kryss (TK), sirkelbuens slutt (R2), bakkant sporveksel (BK), byggelengde (L) og målene A–F [48].

Sporvekselradius \(R_w\): radiusen til avvikesporet gjennom sporvekselen. Hastighetsgrensen i avvikesporet bestemmes først og fremst av denne radiusen og anlagt overhøyde.

Kryssnummer \(N\): bestemmer kryssvinkelen som beskrevet ovenfor.

Innløpslengde \(L_w\): avstanden fra tungespissen til det teoretiske punktet ved krysspissen. En lengre innløpslengde gjør det mulig å bruke større sporvekselradius for et gitt kryssnummer.

16.6.2 Hastighetsgrense i avvikespor

Største tillatte hastighet gjennom en sporveksels avvikespor avhenger av sporvekselradiusen, anlagt overhøyde, som vanligvis er null i standardveksler, og tillatt manglende overhøyde. For norske standardveksler gjelder:

\[ v_{\mathrm{avvik,maks}} = 3{,}6\sqrt{\frac{R_w g(h_a+I_{\max})}{S}} \]

(16.2)

der \(v_{\mathrm{avvik,maks}}\) angis i km/h, \(R_w\) i meter, mens \(h_a\), \(I_{\max}\) og \(S\) settes inn med samme lengdeenhet. Den effektive avstanden mellom rullekontaktene settes vanligvis til \(S = 1500\) mm. \(h_a\) er anlagt overhøyde, vanligvis 0 i standardveksler, og \(I_{\max}\) er største tillatte manglende overhøyde [48].

For de kortere sporvekseltypene er hastighetene i det tekniske regelverket lavere enn det formelen for manglende overhøyde alene tilsier. Den brå krumningsendringen ved tungespissen, og dermed rykket ved innkjøring, samt tungegeometrien begrenser også tillatt hastighet i avvikesporet. Verdiene i tabell 16.1 omfatter derfor disse virkningene.

Sporvekseltype	Hast. i avvik [km/h]	Merknad
1:7 R190	35	Opptil 40 km/h bare i skifteområder eller spor uten persontrafikk
1:9 R190	35	Kort sporveksel
1:9 R300	40	50 km/h bare etter lokal teknisk og driftsmessig vurdering
1:12 R500	60	Standardveksel på stasjon eller i hovedspor
1:14 R760	80	Avvikespor for høyere hastighet
1:15 R760	80	Alternativ geometri med samme grunnradius
1:18,4 R1200	100	Klotoideveksel med bevegelig skinnekryss
1:26,1 R2500	140	Klotoideveksel med bevegelig skinnekryss

Tabell 16.1 Hastighetsgrenser gjennom norske standardveksler uten overhøyde. Hastigheten i stamsporet begrenses vanligvis av banens generelle hastighet [48].

16.6.3 Klotoideveksler

Standard sporvekselgeometri bruker en sirkelbue i avvikesporet. Klotoideprinsippet i en klotoideveksel gir en overgangskurve i form av en klotoide ved tungespissen. Krumningen øker da jevnt fra null til sirkelbuens krumning. Dette reduserer sideveis rykk for passasjerene og sidekraften på sporet og tillater høyere hastighet i avvikesporet for en gitt sporvekselradius [162]. Prinsippet for overgangskurver er behandlet i kapittel 7. I denne sammenhengen er hovedpoenget at sporvekselgeometrien fordeler krumningsendringen over en endelig lengde.

16.6.4 Sporkryss

Et sporkryss gjør det mulig for to spor å krysse i plan uten sporforbindelse mellom dem. Det består av vingeskinner og krysspisser for begge de kryssende sporene. Et sporkryss er ikke det samme som en dobbel kryssveksel (DKV), som har sporvekseltunger slik at tog kan kjøre mellom de kryssende sporene. Eksemplet i Figur 16.19 senere i kapitlet viser hvorfor en dobbel kryssveksel er mer kompleks enn et ordinært sporkryss.

16.7 Sporveksler i stasjonssporplaner

Plasseringen av sporveksler på en stasjon eller i et skifteområde beskrives med en skjematisk sporplan, som viser sporenes topologi uavhengig av den faktiske geometrien, og en geografisk sporplan, som viser den virkelige geometrien [68]. I norsk praksis knyttes sporvekselnummereringen til retningen mot banens kilometer null, som vist i Figur 16.14.

Figur 16.14 Nummerering av sporveksler i forhold til banens kilometer null.

Sporplanlegging på komplekse stasjoner krever nøye vurdering av begrensningene i sporvekselgeometrien, sporavstandene, minste frittrom mellom plattformer og spor, tillatt gradient gjennom tungepartiet og minstelengden på sporfeltene som signalanlegget krever. Sporveksler bør ligge i flatt eller slakt hellende spor innenfor grensene i det tekniske regelverket. Den effektive lengden av et kryssingsspor bestemmes av middel-/fripunktene fremfor av den fysiske skinnelengden alene. Figur 16.15 viser at disse punktene angir hvor kjøretøy kan stå i det ene sporet uten å hindre togveien i nabosporet.

Figur 16.15 Effektiv lengde av kryssingsspor mellom middel/fripunkt.

16.7.1 Kurveveksler

Kurvevekselprinsippet innebærer at en enkel kurveveksel bøyes slik at både stamsporet og avvikesporet ligger i horisontalkurve, som vist i Figur 16.16. Kurveveksler kan løse krevende plassproblemer på stasjoner, men de er spesialkomponenter som er vanskeligere å pakke og vedlikeholde, og de passer ikke for alle sporvekseltyper. Etter gjeldende regler fra Bane NOR skal klotoideveksler og sporveksler med bevegelige skinnekryss ikke bøyes [48].

Figur 16.16 Kurveveksel.

Ved innledende sporplanberegninger kan avviksradiusen i en sporveksel med nominell radius \(r_0\), plassert i en sporkurve med radius \(R_\mathrm{linje}\), beregnes ved å legge sammen eller trekke fra krumningene. Når sporvekselen og sporkurven går samme vei (L/L eller R/R), summeres krumningene. Når de går motsatt vei (L/R eller R/L), trekkes krumningene fra hverandre:

\[ \begin{aligned} r_\mathrm{avvik} &\approx \frac{R_\mathrm{linje}\,r_0}{R_\mathrm{linje}+r_0}\\ r_\mathrm{avvik} &\approx \frac{R_\mathrm{linje}\,r_0}{R_\mathrm{linje}-r_0} \end{aligned} \]

(16.3) (16.4)

Ligning 16.4 er skrevet for \(R_\mathrm{linje}>r_0\). Dersom \(R_\mathrm{linje}=r_0\), er netto krumning lik null. Dersom \(R_\mathrm{linje}<r_0\), skifter avvikssporet kurveretning, og radiusens absoluttverdi beregnes som \(R_\mathrm{linje}r_0/\lvert R_\mathrm{linje}-r_0\rvert\). Den innvendige kurvevekselen får mindre avviksradius enn katalogsporvekselen. Den kan derfor redusere tillatt hastighet i avvikesporet selv om den lengre sporvekselen øker den tilgjengelige kryssingssporlengden.

Regneeksempel.

Betrakt en sporveksel 1:12 R500 med nominell avviksradius \(r_0 = 500\) m. Dersom den bøyes samme vei som en sporkurve med \(R_\mathrm{linje}=1000\) m, blir den effektive avviksradiusen

\[ \begin{aligned} r_\mathrm{avvik,inn} &\approx \frac{(1000\,\mathrm{m})(500\,\mathrm{m})} {1000\,\mathrm{m}+500\,\mathrm{m}}\\ &= 333~\mathrm{m}. \end{aligned} \]

For en kurveveksel som går motsatt vei av den samme sporkurven, blir radiusen

\[ \begin{aligned} r_\mathrm{avvik,ut} &\approx \frac{(1000\,\mathrm{m})(500\,\mathrm{m})} {1000\,\mathrm{m}-500\,\mathrm{m}}\\ &= 1000~\mathrm{m}. \end{aligned} \]

Brukes ligning 16.2 til en innledende kontroll med \(h_a=0\), \(I_{\max}=100\) mm \(=0{,}100\) m, \(S=1500\) mm \(=1{,}500\) m og \(g=9{,}81\,\mathrm{m/s^2}\), gir den nominelle R500-geometrien

\[ \begin{aligned} v_{\mathrm{avvik,maks}} &\approx 3{,}6\sqrt{\frac{500\cdot 9{,}81\cdot 0{,}100}{1{,}500}}\\ &= 65~\mathrm{km/h}, \end{aligned} \]

mens kurvevekselen som går samme vei, gir

\[ \begin{aligned} v_{\mathrm{avvik,maks}} &\approx 3{,}6\sqrt{\frac{333\cdot 9{,}81\cdot 0{,}100}{1{,}500}}\\ &= 53~\mathrm{km/h}. \end{aligned} \]

Den samme katalogsporvekselen kan dermed virke som en betydelig skarpere sporveksel når den bøyes samme vei som stamsporets kurve. Endelig tillatt hastighet skal fortsatt hentes fra det tekniske regelverket og den lokale godkjenningsprosessen, men beregningen viser hvorfor radiusvirkningen må kontrolleres.

16.7.2 Regneeksempel: vurdering av sporplan for Drammen/Nybyen

Studien av midlertidig hensetting ved Drammen/Nybyen fra 2025 er et nyttig eksempel på prosjekteringskontroll. Den skjematiske planen ser enkel ut, mens den geografiske planen avdekker store begrensninger i plass og geometri. Figur 16.17 viser de to planene som må leses sammen.

Skjematisk plan: topologi og planlagte hensettingsspor.

Geografisk plan: de samme funksjonene tilpasset det virkelige området.

Figur 16.17 Planer for midlertidig hensetting ved Drammen/Nybyen (kilde: Bane NOR, 2025).(a) Skjematisk plan: topologi og planlagte hensettingsspor; og (b) Geografisk plan: de samme funksjonene tilpasset det virkelige området.

Prosjekteringsspørsmål. Det trengs en dobbel sporforbindelse foran hensettingsområdet. To konsepter vurderes innledningsvis: fire kurveveksler utenfor stasjonen eller et saksekryss på rettlinjen. Målet er ikke å velge den visuelt minste løsningen, men å finne en utforming som samlet oppfyller kravene til sporvekselgeometri, effektiv plattformlengde, vedlikeholdbarhet, signalanlegg og byggbarhet.

Fire kurveveksler utenfor stasjonen.

Saksekryss på rettlinjen.

Figur 16.18 To vurderte forbindelseskonsepter for det plassbegrensede området ved Drammen/Nybyen (kilde: Bane NOR, 2025).(a) Fire kurveveksler utenfor stasjonen; og (b) Saksekryss på rettlinjen.

Trinn 1: vurder konseptet med kurveveksler. Løsningen med fire sporveksler ivaretar den nødvendige forbindelsesfunksjonen, men den tilgjengelige sporkurvaturen gjør kurvevekslene skarpere enn de tekniske kravene tillater. Løsningen gir dessuten spesialkomponenter med større behov for kontroll, pakking og fornyelse. Konseptet består derfor ikke den innledende vurderingen av geometri og vedlikeholdbarhet.

Trinn 2: vurder konseptet med saksekryss. Når forbindelsen flyttes til rett spor, forbedres den grunnleggende sporvekselgeometrien. Et saksekryss samler imidlertid fire sporveksler og ett sporkryss i et kompakt og vedlikeholdskrevende parti. Viktigere er det at middel-/fripunktene reduserer den effektive plattformlengden til under driftskravet. Konseptet består derfor ikke kontrollen av effektiv lengde, selv før detaljerte kontroller av signalanlegg og byggbarhet.

Kriterium	Fire kurveveksler	Saksekryss
Nødvendige forbindelser	Oppfylt	Oppfylt
Geometri	Ikke oppfylt: kurvene er for skarpe	Forbedret på rett spor
Effektiv plattformlengde	Kan beholdes	Ikke oppfylt: middel-/fripunktene forkorter det brukbare sporet
Vedlikehold	Dårligere: spesialtilpassede kurvepartier	Dårligere: kompakt parti med fire sporveksler og sporkryss
Innledende resultat	Forkast eller omprosjekter	Forkast eller omprosjekter

Tabell 16.2 Innledende gjennomførbarhetsvurdering av alternativene ved Drammen/Nybyen.

Teknisk konklusjon. Ingen av konseptene er klare for godkjenning. Den faglige løsningen er å bearbeide områdets sporplan, driftskravene eller plasseringen av forbindelsen videre og dokumentere ethvert foreslått avvik tydelig. Et alternativ som ikke oppfyller kravene, skal ikke velges som det «minst dårlige» uten en tallfestet risiko- og vedlikeholdsvurdering. En beslutning om stasjonssporplanen skal skille mellom topologi og virkelig geometri og begrunnes ut fra frittrom, effektiv lengde og vedlikeholdbarhet.

16.8 Kryssveksler

Kryssvekselprinsippet i en kryssveksel kombinerer et sporkryss med én eller to sporvekselbevegelser, slik at tog kan kjøre fra det ene sporet til det andre inne i sporkrysset. Kryssveksler brukes der plassen er for begrenset til separate, enkle sporveksler.

Én kryssende togvei finnes i en enkel kryssveksel (EKV): Ett tungesett legges til ved én av de fire kryssvinklene i sporkrysset. Tog kan dermed kjøre fra det ene sporet til det andre i bare én retning. Tog som kommer fra motsatt retning, kjører rett gjennom sporkrysset uten å skifte spor.

To kryssende togveier finnes i en dobbel kryssveksel (DKV): Tungesett legges til ved to motstående vinkler i sporkrysset, slik at tog kan kjøre mellom sporene fra begge innkjøringsretninger. Kinematisk tilsvarer en dobbel kryssveksel to sporveksler i motsatt retning som er plassert rygg mot rygg, men innenfor arealet til ett sporkryss.

Figur 16.19 Dobbel kryssveksel (DKV) med tungesett, sidekryss og endekryss. En enkel kryssveksel (EKV) bygger på det samme sporkryssprinsippet, men har sporvekseltunger bare på én side.

Kryssveksler er særlig vanlige på store bystasjoner, for eksempel Oslo S, der flere plattformspor skal forbindes på liten plass [148, 130]. Ulempen er et stort vedlikeholdsbehov: En dobbel kryssveksel har fire separate tungesett og fire krysspisser i én konstruksjon. Alle krever egen kontroll, smøring og vedlikehold av drivmaskinene.

16.9 Dynamiske krefter i sporveksler og sporkryss

Sporveksler og sporkryss utsettes for større dynamiske krefter enn ordinært spor av to grunner:

1. Geometriske diskontinuiteter: Hjulet skal overføres fra én kjøreflate til en annen ved tungespissen og krysspissen, over en åpning eller et trinn. Støtet som oppstår, kan gi en dynamisk kraft på 2–5 ganger den statiske hjullasten.

2. Redusert understøttelse: Området ved krysspissen og området nær tungespissen har redusert eller diskontinuerlig understøttelse fra ballast og sviller. Dette øker bøyespenningene i skinnen og kontaktspenningene ved hjulet.

16.9.1 Støt ved krysspissen

Når et hjul nærmer seg krysspissen fra vingeskinnesiden, ruller det over vingeskinnen og passerer det føringsløse partiet før det treffer krysspissen eller den andre vingeskinnen. Hjulets vertikalhastighet under overgangen er:

\[ v_z \approx v_x \cdot \frac{\Delta h}{L_\text{åpning}} \]

(16.5)

der \(v_x\) er toghastigheten, \(\Delta h\) er høydeforskjellen ved krysspissen, og \(L_\text{åpning}\) er den effektive lengden på åpningen. Den tilhørende støtkraften er [68]:

\[ \Delta Q \approx \frac{m_u \cdot v_z}{\Delta t} \]

(16.6)

der \(m_u\) er uavfjæret masse per hjulsats, vanligvis 1200–1500 kg, og \(\Delta t\) er støtets varighet (\(\approx 1\)–3 ms). Impulsanslaget er bare veiledende. Den virkelige største kontaktkraften avhenger av stivheten i hjul og skinne, understøttelsen, dempingen, hastigheten og kryssgeometrien. Ved en hjullast på 80 kN kan toppkreftene nå 200–400 kN. Dette forklarer den raske slitasjen og deformasjonen av krysspissene.

Bevegelige skinnekryss fjerner den føringsløse åpningen. Krysspissen eller vingeskinnen beveges slik at kjørekanten lukkes før toget kommer, og hjulet får sammenhengende understøttelse gjennom geometriovergangen. Dette reduserer støtkreftene og slitasjen på krysspissen betydelig. I norsk prosjekteringspraksis er de strengeste kravene og anbefalingene knyttet til sporveksler med stor radius, høy hastighet, høy aksellast, stor årlig tonnasje og støyfølsomme områder [48].

16.9.2 Dynamisk forsterkningsfaktor i sporvekselområder

Den dynamiske forsterkningsfaktoren \(\Phi_{\text{S\&C}}\) for sporvekselområder uttrykkes vanligvis som en faktor på den statiske hjullasten:

\[ Q_{\text{dyn}} = \Phi_{\text{S\&C}} \cdot Q_\text{statisk} \]

(16.7)

For en fast krysspiss er \(\Phi_{\text{S\&C}} \approx 2\)–5, avhengig av toghastighet og kryssgeometri. For en riktig justert bevegelig krysspiss er \(\Phi_{\text{S\&C}} \approx 1{,}2\)–1,5 fordi hjulovergangen er jevnere og støtkreftene mindre.

Element og tilstand	\(\Phi_{\text{S\&C}}\)	Merknad
Ny fast krysspiss (riktig profil)	2,0–3,0	Standard tilstand
Fast krysspiss (slitt, nedsunket)	3,0–5,0	Økt setning
Bevegelig krysspiss (ny, godt justert)	1,2–1,5	Nær nivået i ordinært spor
Overgang ved tungespiss	1,5–2,5	Hastighetsavhengig
Referanse for ordinært spor	1,0–1,3	Eisenmann-formelen

Tabell 16.3 Veiledende dynamiske forsterkningsfaktorer for sporvekselkomponenter under ulike forhold [68, 130].

Regneeksempel.

Et hjul med statisk last \(Q_\mathrm{stat}=80\) kN passerer et fast skinnekryss med 80 km/h, slik at \(v_x=22{,}2\) m/s. Anta en representativ føringsløs åpning på \(L_\text{åpning}=0{,}18\) m, en vertikal høydeforskjell ved landing på \(\Delta h=2{,}5\) mm, en uavfjæret masse per hjulsats på \(m_u=1300\) kg og en støtvarighet på \(\Delta t=2\) ms. Av ligningene 16.5 og 16.6 følger

\[ \begin{aligned} v_{z,\mathrm{fast}} &\approx v_x \cdot \frac{\Delta h}{L_\text{åpning}}\\ &= (22{,}2\,\mathrm{m/s}) \frac{0{,}0025\,\mathrm{m}}{0{,}18\,\mathrm{m}}\\ &= 0{,}31~\mathrm{m/s},\\ \Delta Q_\mathrm{fast} &\approx \frac{m_u \cdot v_z}{\Delta t}\\ &= \frac{(1300\,\mathrm{kg})(0{,}31\,\mathrm{m/s})} {0{,}002\,\mathrm{s}}\\ &\approx 2{,}0\times10^5\,\mathrm{N} = 200~\mathrm{kN}. \end{aligned} \]

Den beregnede største hjul–skinne-kraften er dermed omtrent \((80+200)\,\mathrm{kN}=280\) kN.

I et bevegelig skinnekryss lukkes den samme åpningen i kjørekanten før toget kommer. Hjulet må ikke lenger passere en føringsløs åpning, og bidraget fra støtet i åpningen tas derfor ut av beregningen:

\[ \begin{aligned} L_{\text{åpning,eff}} &= 0,\\ \Delta h_\text{åpning} &= 0,\\ v_{z,\text{åpning,bev}} &= 0,\\ \Delta Q_{\text{åpning,bev}} &= 0. \end{aligned} \]

I den ideelle sammenligningen fjerner det bevegelige skinnekrysset dermed et støttillegg på omtrent 200 kN. Et virkelig skinnekryss kan fortsatt ha et lite restavvik i profilet. Som et konservativt tillegg i en innledende vurdering antas \(\Delta h_\mathrm{rest}=1{,}0\) mm over en karakteristisk overgangslengde \(L_\mathrm{overgang}=0{,}18\) m. Dette er ikke en føringsløs åpning, men et gjenværende geometriavvik etter at kjørekanten er lukket:

\[ \begin{aligned} v_{z,\mathrm{rest}} &\approx v_x \cdot \frac{\Delta h_\mathrm{rest}}{L_\mathrm{overgang}}\\ &= (22{,}2\,\mathrm{m/s}) \frac{0{,}001\,\mathrm{m}}{0{,}18\,\mathrm{m}}\\ &= 0{,}12~\mathrm{m/s},\\ \Delta Q_\mathrm{rest} &\approx \frac{(1300\,\mathrm{kg})(0{,}12\,\mathrm{m/s})} {0{,}002\,\mathrm{s}}\\ &\approx 8{,}0\times10^4\,\mathrm{N} = 80~\mathrm{kN}. \end{aligned} \]

Med dette resttillegget er toppkraften i det bevegelige skinnekrysset omtrent \((80+80)\,\mathrm{kN}=160\) kN i stedet for 280 kN. Hovedpoenget er at bidraget fra den føringsløse åpningen er fjernet. Det gjenværende tillegget representerer avvik i profil og understøttelse som må begrenses gjennom justering og vedlikehold.

De høye dynamiske kreftene i sporvekselområder gir raskere slitasje og utmattingsskader enn i ordinært spor. Infrastrukturforvaltere bruker dynamiske kraftmålinger fra instrumenterte hjulsatser eller sporvekselpartier med tøyningsgivere til å vurdere tilstanden til krysspissene og utløse vedlikehold eller utskifting.

16.10 Vedlikehold av sporveksler og sporkryss

Sporveksler og sporkryss krever omfattende vedlikehold på grunn av den komplekse geometrien, de dynamiske kreftene ved krysspissen og slitasjen på bevegelige deler. De viktigste vedlikeholdsaktivitetene er:

Kontroll og smøring av tunger: Kontaktområdet mellom tungen og stokkskinnen samt glideplatene kontrolleres for slitasje og smøres med faste mellomrom. Den nødvendige kontakten mellom lukket tunge og stokkskinne skal kontrolleres mot gjeldende vedlikeholdstoleranse [167].

Kontroll av krysspiss: Krysspissen og vingeskinnene kontrolleres for plastisk deformasjon, kjørekantsprekker og avskalling. Støpte mangankryss vurderes ved å måle bredden på krysspissen i bestemte tverrsnitt. Korrigerende sliping utføres når det oppstår overflatefeil.

Sliping av krysspiss: Støpte mangankryss krever ofte annen behandling enn ordinære skinner fordi manganstålet deformasjonsherdes og kan tette vanlige slipesteiner. Det brukes spesielle slipemetoder, fresing eller profilgjenoppbygging med påleggsveising [130].

Vedlikehold av drivmaskin: Drivmaskiner kontrolleres og prøves med fastsatte mellomrom for å bekrefte riktig slaglengde, låsekraft og følsomhet i stillingskontrollen. Tungeoppvarmingen funksjonsprøves før vintersesongen.

Pakking og sporjustering: Sporvekselområder pakkes med spesialiserte pakkmaskiner som kan håndtere den komplekse geometrien i krysspartiet og den avvikende svilleavstanden. Det kan være nødvendig med flere gjennomkjøringer.

Figur 16.20 viser tre representative situasjoner. De to første delfigurene viser overflatetilstanden på en krysspiss og et fast skinnekryss under kontroll i sporet. Slike kontroller skal avdekke overflateskader, for eksempel slagmerker, materialflyt og lokale sprekker, før skaden blir kritisk. Den tredje delfiguren viser pakking av tungepartiet. Dette arbeidet går saktere enn pakking av ordinært spor fordi maskinen må løfte og pakke rundt lange sporvekselsviller, drivstenger og drivmaskinen uten å skade dem.

Figur 16.20 Vurdering av overflatetilstand, kontroll av fast skinnekryss og pakking av tungeparti. Bildet i midten dokumenterer kontrollsituasjonen uten å angi en bestemt feiltype.(a) Overflatetilstand på krysspiss; (b) Fast skinnekryss under kontroll i sporet; og (c) Pakking og geometrikorrigering i tungepartiet.

16.11 Oppsummering av kapitlet

Fleksible togveier. Sporveksler og sporkryss gjør det mulig for tog å kjøre mellom spor, nå plattformer og krysse andre togveier. De skaper fleksibel drift, men bryter samtidig den enkle kjøregeometrien i ordinært spor. Hjulene må passere tunger, mellomskinner, ledeskinner, vingeskinner og krysspisser, ofte med varierende understøttelse og kontaktforhold. Sporvekselområdene er derfor blant de mest vedlikeholdskrevende delene av jernbanen.

Geometri. Avvikesporet defineres av tungespissen, lengden fram til krysset, kryssvinkelen, kryssnummeret og sporvekselradiusen. Skarpe sporveksler krever mindre plass, men gir lavere hastighet og større sidekraft. Sporveksler for høyere hastighet krever slakere geometri og større lengde. Prosjekteringen må derfor avveie et kompakt stasjonshode mot tillatt hastighet, kapasitet og byggbarhet.

Kompromisser i sporplanen. Kurveveksler og kryssveksler kan løse vanskelige problemer i et trangt stasjonshode, men begge øker kompleksiteten i vedlikeholdet. Når en sporveksel bøyes, endres den effektive avviksradiusen. En kurveveksel som går samme vei som sporkurven, kan redusere hastigheten i avvikesporet selv om den forbedrer lengden på kryssingssporet. Kryssveksler sparer plass ved å samle flere bevegelser i ett sporkryss, men konsentrerer mange tunger, krysspisser og kontrollpunkter i én konstruksjon.

Krysspiss. I et fast skinnekryss overføres hjulet fra vingeskinnen til krysspissen over en føringsløs åpning som er nødvendig for hjulflensen. Overgangen gir støtbelastning, støy, slitasje og dynamisk forsterkning. Ledeskinnene styrer hjulsatsen slik at hjulet følger riktig bane, mens bevegelige skinnekryss reduserer støtet ved å lukke åpningen i kjørekanten for den valgte togveien.

Understøttelse og funksjon. Glideplater, drivmaskiner, låseinnretninger og kontrollutstyr inngår i samme system som skinnene. Sporvekselen skal beveges, låses og registreres pålitelig før en togvei kan godkjennes, samtidig som sporet skal gi tilstrekkelig vertikal og sideveis understøttelse under trafikk. Utforming av sporvekselanlegg er derfor direkte knyttet til signalanlegg, vedlikeholdstilgang og driftspålitelighet.

Vedlikeholdsbehov. Slitasje, plastisk deformasjon, sprekker, mangelfull understøttelse, nedbrytning av ballast og feil i drivmaskiner forekommer ofte fordi kontaktforholdene endres raskt gjennom sporvekselen. Grundig kontroll, pakking, smøring, sliping og fornyelse til rett tid er derfor nødvendig. Færre unødvendige sporveksler kan bedre både påliteligheten og livsløpskostnadene fordi hver sporvekselenhet medfører mer kontroll og vedlikehold.

Oppgaver

Oppgave 1: Sporvekselkomponenter og funksjon

Bruk figurene 16.1, 16.5 og 16.6 til å forklare hvordan en enkel sporveksel er bygget opp og betjenes.

(a) Del sporvekselen i tungeparti, mellomskinner og kryssparti, og angi hovedfunksjonen i hjulføringen for hvert parti.

(b) Finn stokkskinner, sporvekseltunger, glideplater, mellomskinner, krysspiss, vingeskinner og ledeskinner. Angi én vedlikeholdsfølsom egenskap ved hvert av de tre partiene.

(c) Forklar forskjellen mellom en leddtunge og en fjærtunge, og hvorfor fjærtunger foretrekkes i moderne sporveksler i hovedspor.

(d) Beskriv funksjonene til driv- og kontrollanordningen: bevegelse, låsing, stillingskontroll og grensesnitt mot signalanlegget.

Oppgave 2: Kryssnummer og hastighet i avvikespor

En sporveksel på en stasjon har kryssnummer \(N = 9\) og sporvekselradius \(R_w = 300\) m.

(a) Beregn et anslag for kryssvinkelen \(\alpha\) ut fra kryssnummeret, og forklar hva et større kryssnummer betyr for sporvekselgeometrien.

(b) Bruk ligning 16.2 uten overhøyde, med \(I_{\max}=100\) mm, \(S=1500\) mm og \(g=9{,}81\,\mathrm{m/s^2}\), til å beregne den teoretiske hastigheten i avvikesporet.

(c) Sammenlign resultatet med tabell 16.1. Forklar hvorfor regelverksverdien for en sporveksel 1:9 R300 er lavere enn den enkle beregningen basert på manglende overhøyde.

Oppgave 3: Fornyelse av sporveksel og lengde på kryssingsspor

På en stasjon med ett kryssingsspor skal sporveksel 1 fornyes. Den eksisterende sporvekselen har skinner 49E1 og er av type 1:9 med \(R = 300\) m (SK1800). Hastigheten i avvikesporet er i dag begrenset til 40 km/h. For å øke hastigheten vurderes det å erstatte sporvekselen med type 54E3, 1:12 med \(R = 500\) m.

(a) Hvor mye kan hastigheten i avvikesporet økes ifølge tabell 16.1?

(b) Kryssingssporet blir kortere dersom den nye sporvekselen plasseres med stokkskinneskjøten på samme sted. Anta at middel/fripunktet nås når sporavstanden er 4,25 m. Bruk en forenklet overslagsgeometri der stokkskinneskjøten er origo og avvikssporet er en rett linje med vinkelen \(\alpha\). Mål \(x\) langs stamsporets akse, slik at sporavstanden er \(s=x\tan\alpha\). Beregn et anslag for avstanden fra stokkskinneskjøten til middel/fripunktet for sporvekslene 1:9 og 1:12. Hvor mye reduseres den tilgjengelige lengden på kryssingssporet?

(c) En alternativ plassering av den nye sporvekselen er i en sporkurve med samme kurveretning og \(R_\mathrm{linje}=600\) m. Beregn den effektive avviksradiusen med ligning 16.3. Drøft om dette støtter eller motvirker den planlagte hastighetsøkningen.

Oppgave 4: Stasjonssporplan og spesielle sporveksler

Bane NOR planlegger en kompakt gjennomgangsstasjon med to hovedspor og to plattformspor. Tog som kommer fra den ene enden, skal kunne nå begge plattformsporene.

(a) Skisser et stasjonshode med enkle sporveksler. Angi retningen for sporvekselnummereringen i forhold til banens kilometer null, og marker middel-/fripunktene som bestemmer den effektive lengden på kryssingssporet.

(b) Velg egnede kryssnumre for sporvekslene inn mot plattformene, og begrunn valget ut fra nødvendig hastighet i avvikesporet og tilgjengelig lengde i sporplanen.

(c) Forklar når et sporkryss, en enkel kryssveksel eller en dobbel kryssveksel kan vurderes dersom plassen er for begrenset for løsningen med enkle sporveksler.

(d) Forklar hvorfor kryssveksler og sporkryss normalt gjør kontroll, pakking og feilhåndtering mer komplisert enn enkle sporveksler.

Oppgave 5: Støt i skinnekryss, bevegelige skinnekryss og vedlikehold

Et hjul med statisk last \(Q_\mathrm{stat}=100\) kN passerer et sporvekselområde.

(a) Bruk ligning 16.7 og tabell 16.3 til å beregne et anslag for den dynamiske hjul–skinne-kraften for en fast krysspiss i god tilstand (\(\Phi_{\text{S\&C}}=2{,}5\)), en slitt eller nedsunket fast krysspiss (\(\Phi_{\text{S\&C}}=4{,}0\)) og en godt justert bevegelig krysspiss (\(\Phi_{\text{S\&C}}=1{,}4\)). Beregn krafttillegget over den statiske lasten i hvert tilfelle.

(b) En ny sporveksel i hovedspor har hastighet 140 km/h i avvikesporet, nominell radius 2500 m, aksellast 23 t, årlig trafikkbelastning på omtrent 12 MBT/år og støyfølsomme bygninger i nærheten. Skal et bevegelig skinnekryss være påkrevd, anbefalt eller valgfritt? Begrunn svaret med prosjekteringsveiledningen i kapitlet.

(c) List opp de ekstra kontrollene og vedlikeholdstiltakene som et bevegelig skinnekryss medfører, og forklar hvorfor den økte mekaniske kompleksiteten og kompleksiteten i signalanlegget likevel kan være berettiget.