Global gåde løst af danske forskere: Derfor slår jernbaneskinner revner

For godt 20 år siden skiftede Banedanmark til en særlig hård type stål på jernbaneskinner. Tanken var selvfølgelig, at skinnerne skulle holde længere.

Alligevel har der været tendens til, at skinnerne slår revner og går i stykker. Fejlen har naget danske og internationale sporingeniører i mere end 10 år.

Men ny forskning fra DTU og Banedanmark har nu løst gåden om, hvorfor skinnerne revner. Det skyldes nemlig en særlig form for vedligehold og slibning, der ændrer i strukturen på stålet og skaber revner i skinnerne.

Forskningen er, for at bruge et rammende udtryk i denne sammenhæng, banebrydende og har fået international opmærksomhed. Det dykker vi nærmere ned i herunder.

Men først lidt baggrund om, hvordan vi fandt ud af, hvad der var skyld i fejlen.

Stærkere stål revnede

For godt 20 år siden gik vi i Banedanmark over til anvende skinner af en hårdere og mere slidstærk type stål – såkaldt hovedhærdet stål – på særligt udsatte steder som i kurver, hvor skinnesliddet er stort.

Men omkring 2010 opdagede vi, ligesom mange andre jernbaneoperatører i verden, at der opstod ualmindeligt mange fejl på disse hovedhærdede skinner.

Det undrede os, da det hårde stål jo netop skulle sikre en større slidstyrke. Selvom de hovedhærdede skinner kun udgør seks procent af det samlede antal skinner i Danmark, tegnede de sig alligevel for op mod 15-20 procent af vores vedligeholdelsesudgifter.

I Banedanmark holdt vi derfor op med at bruge den type skinner et par år senere og gik i stedet tilbage til en ældre skinnetype, der er fremstillet af knap så hårdt stål.

Både i Europa og resten af verden oplever man de samme fejl og dermed uforholdsmæssigt store udgifter til vedligeholdelse af de hovedhærdede skinner.

LÆS OGSÅ: Togforsinkelser kan udryddes med algoritmer og logik

Mistanke ved en tilfældighed

Et par år senere, omkring 2014, fik vi ved et tilfælde mistanke om, hvad årsagen til fejlene i de hovedhærdede skinner kunne være.

Det skete i forbindelse en undersøgelse af noget helt andet, hvor skinnerne blev skåret over og analyseret. Det viste sig, at der var dannet såkaldt martensit – en stål mikrostruktur, der er meget sprød og hård – i et område på skinnen, hvor vi ikke havde regnet med at finde det.

I skinnestål dannes der martensit ved en høj varmedannelse på over 700 grader efterfulgt af en relativ hurtig nedkøling. Martensit fører typisk til revnedannelse i skinnerne grundet dets sprødhed.

Internationalt har der været forsket massivt i hjul/skinne kontakt over de sidste årtier. Hvis friktionen mellem toghjul og skinne bliver for stor, kan dette nemlig også danne den hårde martensit og deraf revner.

Men på et område af et stykke skinne, vi undersøgte, havde der slet ikke været hjul/skinne-kontakt. , og derfor fik vi mistanke om, at skaderne kunne hænge sammen med den slibning af skinnerne, der sker som en del af vedligeholdelsen.

Slibning af jernbaneskinner sker præventivt for at forlænge skinnens levetid. Ved slibningen bliver ganske lidt, ca. 1/10 mm, af skinnen slebet af, og man fjerner dermed eventuelle små revner, før de når at vokse sig større.

Det sker med et slibetog, som har monteret runde slibesten under sig. Når toget kører frem, sliber stenene skinnerne.

LÆS OGSÅ: Elon Musks vilde idéer: Fremtidstoget Hyperloop

Vi undersøgte forladte skinner

Efterfølgende pegede stadig mere på, at slibning kunne være årsagen til det øgede antal fejl i hovedhærdede skinner. For at få en større viden indgik Banedanmark et samarbejde med DTU om at gennemføre en række analyser.

Jernbaneskinner er ikke så enkle at undersøge, men det lykkedes os at finde nogle skinner ved en station, der ikke var i brug. Her blev et slibetog sendt forbi, og efterfølgende blev skinnerne skåret ud og sendt til undersøgelser hos DTU.

På DTU analyserede vi skinnerne med både 3D-scanning og mikroskopi. Vi konstaterede, at der var dybere mærker på tværs af skinnerne, som blev gentaget med jævne mellemrum – for eksempel præcis 29 mm.

De runde slibesten på slibetoget er fremstillet af hårde keramiske materialer, der består af mange slibekorn. Når et slibekorn er større end de andre, dannes der et dybere varmepåvirket mærke i skinnen, som vil gentage sig periodisk, alt efter hvor hurtigt slibetoget kører.

Løsningen skabte problemet

Igennem undersøgelserne konstaterede vi, at der ved slibemærkerne blev dannet sprød martensit på overfladen af skinnen, hvilket fører til begyndende små revner i skinneoverfladen – specielt i de dybere slibemærker.

Den slibning, der hidtil havde været anset for at være en fordel og øge skinnens levetid ved at fjerne eventuelle små revner, viste sig altså at være for aggressiv og i stedet bidrage til at skabe revner.

Dansk viden er efterspurgt i hele verden

Problemet med de mange fejl i specielt de hårde jernbaneskinner findes i hele Europa og også i lande udenfor Europa, og det har store økonomiske og driftsmæssige konsekvenser.

Der er derfor også stor interesse for vores resultater, både hos de aktører, der har ansvar for jernbaneskinnerne i de øvrige lande, og hos de virksomheder, der hjælper med at vedligeholde skinnerne, eksempelvis med slibning.

Der er således allerede nu udviklet mindre aggressive slibesten til brug ved vedligeholdelsen (som Banedanmark nu bruger), og samtidig er der stor fokus på alternative metoder som eksempelvis fræsning af skinner (læs mere om og se en video af den metode her).

Dermed blev det altså Danmark, der løste gåden om de revnede skinner, selvom det har optaget forskere verden over.

Den nye viden er offentliggjort i en videnskabelig artikel og præsenteret ved flere konferencer og møder.

LÆS OGSÅ: Damptoget satte fart på den moderne verden

LÆS OGSÅ: Hvorfor fik vi ikke magnettog?