Sporveksel
En sporveksel, veksel eller pens er den innretningen i et jernbanespor der man kan veksle fra en sporgren til en annen. "Sporveksel" sier hva som skjer, men er nok yngre enn "pens". Det ordet kommer av det engelske ordet "points", et ord som kom til Norge på 1850-tallet i og med byggingen av Norges første jernbane, Hovedbanen, der engelske ingeniører brakte med seg ordene for denne nye teknologien til Norge. "Points" ble så fornorsket til "pens". Flertall av "sporveksel" er "sporveksler". Av og til ser man flertallsordet "sporvekslere", men dette er feil som betegnelse på denne sporinnretningen, for det må være flertall av "sporveksler", som da må bety en person som betjener en sporveksel. En slik person betegnes helst "sporskifter", et ord man også av og til kan se brukt om selve sporinnretningen, så her er det mange fallgruver.
Innhold
Sporvekselens oppbygging og terminologi
Sporvekselens ulike deler framgår av denne tegningen:
Tungeanordningen
En standard sporveksel består av et rettlinjet spor og et avvikende krumt spor. Der de to sporene grener fra hverandre er det to bevegelige skinnestykker som kalles tunger. Tungene er tilslipt slik at de ligger helt inntil den ubevegelige skinnen, stokkskinnen. De to tungeskinnene er forbundet med en tungestang av en slik lengde at kun én av tungene ligger an mot en stokkskinne om gangen. Det sikrer at en sporveksel, såfremt den ikke står i midtstilling, alltid fører toget enten til det ene sporet eller det andre.
I 1:1 flyttes tungestangen enten av en håndbetjent loddstol, gjerne med bevegelig lodd som sikrer at tungen trykker godt mot en av stokkskinnene, eller ved en motorisert eller mekanisert omleggingsanordning. I eldre tider, og i andre land, kunne slik mekanisk omlegging skje ved wirer eller stag fra et stillverk på stasjonen. Fra 1920-tallet er det bare montert elektriske eller trykkluftstyrte sporvekselmotorer i Norge. Trykkluftstyrte sporvekselmotorer brukes kun på steder der omleggingen må skje raskt, gjerne på store skiftestasjoner, som Alnabru. I nyere tid er krumningsradien på det avvikende sporet blitt store for at togene skal kunne ha høy hastighet også i avvikende spor. Da blir tungene ganske lange og/eller stive fordi det tradisjonelle leddet mellom tungeskinne og neste skinnstykke erstattes en sammenhengende skinne med innsnevret skinnefot over en viss avstand som gjør skinnen bøybar i horisontalplanet i dette området. Dette medfører behov for flere (2-3) sporvekselmotorer som griper an i tungen på flere steder.
Mellomskinner
Dette er ordinær skinnestykker mellom tunge og kryss som i MJ normalt bare vil være en forlengelse av tungeanordningen og/eller krysset.
Skinnekrysset
Skinnekrysset består av selve krysset (den indre krysspissen og to tilhørende vingeskinner) og de to ledeskinnene ved hver av ytterskinnene.
Ledeskinner
Ledeskinnene sørger for at hjulet når akselen passerer krysset ikke sporer av mot krysspissen ved å tvinge hjulakselen så langt ut mot ytterskinnen at hjulflensen ikke når bort til krysspissen.
Krysset
Der den indre avvikende skinnen skal krysse den rettlinjede skinnen fra det motsatte siden, ligger selve krysset. Dette består av en krysspiss og to vingeskinner. Ved et korrekt utformet kryss skal hjulet passere uten å falle ned i det åpne partiet rett foran krysspissen. Det skjer ved at hjulringen skal være så bred, og avstanden mellom vingeskinne og krysspiss så liten, at hjulet løper på vingeskinnen helt fram til krysspissen der denne "overtar" hjulet. Når man i MJ av og til har problemer med å blande skinner som er laget etter en norm, men rullende materiell med hjul etter en annen norm, skyldes det oftest at det ikke er korrekt samsvar mellom hjulbredde, flensdybde og utforming av skinnekrysset.
Krysset kalles ofte for "hjertestykke", men det er en betegnelse som er i svært liten bruk blant jernbanefolk. Antagelig er det en direkte oversettelse av det tyske "Herzstück". På engelsk er betegnelsen "frog".
Standardsporvekselens geometriske utforming
Den mest vanlige og enkleste sporvekselen i 1:1 har et avvikspor som krummer med en fast radius fram til skinnekrysset, men ikke lenger. Dermed blir skinnedelene i skinnekrysset rette, hvilket gjør den enklere å bygge korrekt. Det er en sammenheng mellom krumningsradius og hvilken vinkel som da oppstår i krysset, og som da blir vekselens avviksvinkel. I 1:1 er det vanlig å oppgi denne vinkelen indirekte som stigningsforholdet, altså tangens til vinkelen. Jo større radius på avviksporet, jo slakere vinkel i krysset og jo større stigningsforhold. NSB hadde inntil for noen tiår siden sporveksler med stigning 1:7, 1:8 og 1:9, der den siste etterhvert ble standardsporvekselen. Med større krav til hastighet i avvik, måtte man også øke radien og dermed stigningsforholdet.
Dersom man fortsetter kurven også gjennom skinnekrysset vil man kunne oppnå større avviksvinkel med samme radius, men sporkrysset man da konstrueres delvis av krumme skinnedeler, hvilket setter større krav til konstruksjonsmåten. Det gjelder både i 1:1 og MJ. Selvbyggere i MJ foretrekker derfor gjerne rette skinnekryss, mens de fleste europeiske MJ-produsenter lager nesten utelukkende veksler med krumt skinnekryss. For det amerikanske markedet er imidlertid rette skinnekryss mye mer vanlig, og der betegnes også sporvekslene direkte med stigningsforholdets nevner: veksel #6 er en 1:6-veksel osv.
På modelljernbanen
I MJ har man både håndbetjente sporveksler og motoriserte omleggingsmekanismer. Tradisjonelt har man brukt dobbeltspolereleer som i funksjon på mange måter har tilsvart trykkluftstyrt omlegging i 1:1 ut fra hastigheten på omleggingen. I tillegg til en urealistisk omleggingshastighet, har dobbelsporeleene flere ulemper, særlig faren for at en av spolene brenner opp som følge av utilsiktet langvarig strømgjennomgang enten ved at en trykknapp henger seg opp eller ved at et tog stopper over en mekanisk kontaktskinne. I senere tid har det derfor kommet flere reelle sporvekselmotorer på markedet som i funksjon tilsvarer helt en elektrisk sporvekselmotor i 1:1. De har den fordelen at de bruker strøm akkurat i det sekundet det tar å legge om vekselen. Ulempen med disse er at de tar mye mer plass enn dobbeltspolereleene og derfor må monteres under anlegget, dvs. at dette er bare mulig ved permanente anlegg og krever en viss nøyaktighet og teknisk kunnen for å fungere.
Radius og stigningsforhold
Jo større radiene i avvikende spor er, jo bedre ter toget seg gjennom avvikende spor, men jo større plass tar også vekselen i lengden. På standardsporveksel stopper som nevnt over den krumme delen av avviksporet rett før skinnekrysset. Antagelig pga plasshensyn produserer MJ-produsentene derfor nesten bare sporveksler med krumme skinnekryss slik at avviksradien holdes konstant gjennom hele vekselen. Den krumme skinnen i en sporveksel vil som oftest da tilsvare en krum seksjonsskinne med samme radius. Slik er det lett å sette inn en sproveksel i stedet for en krum skinne. På MJ er den effektive avviket for de fleste fabrikkproduserte sporveksler fra 1:6 og nedover, faktisk helt ned til 1:1,73 for Märklin 5137 sin del. Det britiske Peco sitt system code 83 er først og fremst rettet mot det amerikanske markedet, og der lages det veksler med rett skinnekryss 1:5, 1:6 og 1:8.
Andre varianter
En vanlig sporveksel har ett rett spor og ett krumt spor, enten fram til skinnekrysset eller også helt gjennom. Men det er mulig både i 1:1 og MJ og konstruere andre typer sporveksler for å imøtekomme særskilte behov, enten på grunn av dårlig plass eller for å få en bedre geometri som sikrer jevnere bevegelse for toget. Her er noen av variantene:
- Kurveveksel der begge spor krummer samme vei, men da med stor forskjell i radiene.
- Kurveveksel der sporene krummer hver sin vei, også kalt Y-veksel
- Treveisveksel, som egentlig er to veksler som avviker hver sin vei som er bygget inni hverandre
- Kryssveksel eller "engelskmann", som består av et sporkryss men med mulighet for å avvike til det kryssende sporet. Hvis dette avviket kan skje på begge sider av krysset snakker vi om en dobbel kryssveksel. Skjer det bare på den ene siden kalles det en enkel kryssveksel. I realiteten består en kryssveksel av spordelene fra et sporkryss og to/fire sporveksler bygget sammen.
Det finnes mange forskjellige typer av disse sporvekslene med og uten motor. Alle MJ-produsenter har et eller flere systemer med et utvalg forskjellige veksler. Som regel korte og lange, buede veksler og kryssveksler. Produsenter som har spesialisert seg på skinnegang tilbyr gjerne større utvalg med div. spesialiteter. Noen tilbyr også materialer og verktøy for egenframstilling av skinnegangen.
Produsenter av sporveksler:
Strømtilkobling på 2R-veksler
I utgangspunktet bør skinnene på veksel være tilkoblet de to lederene (rød og blå) slik:
Siden to motsatte poler krysser hverandre og dermed kortslutter rød og blå leder, vil denne ikke fungere. Den første som må gjøres er å isolere krysset fra resten av skinendelene:
Hvis den isolerte strekning er kort (1,5 - 2 cm) ville denne anordningen fungere så lenge lokene har strømopptak på flere akseler slik at minst én aksel berører skinnedeler i vekselen som er strømførende. De fleste eldre kommersielle sporveksler bygges på denne måten, inklusive Pecos Insulfrog. Fordelen er at de krever ingen særskilt strømopplegg for å virke. Det vanskelig punktet (krysset) omgås rett og slett.
Håndlagte veksler er imidlertid vanskelig å bygge med kort isolert kryss, samt at det gir bedre strømtilførsel dersom krysset også leder strøm. Det har derfor lenge vært standard for håndbygde vekseler å isolere krysset, men samtidig mate det med strøm avhengig av vekselens stilling. Med innføring av digitaldrift er behovet for kontinuerlig strømtilførsel blitt enda viktigere slik at også de som ikke håndbygger veksler (og spor), har fått behov for stillingsavhengig strømtilførsel til krysset. De to skissene nedenfor viser hvordan polariteten på strømmen skal være ved to to stillingene en veksel kan innta:
Pecos Electrofrog er i utgangspunktet koblet på ovenstående måte. Tungene brukes som elektriske kontakter. Det er to ulemper med Pecos konstruktsjon: 1) De elektriske kontaktene er vanskelig å holde rene etter at vekselen er motert på et anlegg, og særlig straks det bygges landskap og skinnene males for eksempel. 2) Ved avsporinger eller litt feiljusterte hjul med kort back-to-back-avstand, vil det lett kunne bli en kortslutning mellom den tunge og stokkskinne. Ved digitalkjøring er det særskilt ugunstig.
Krysset må derfor isoleres på begge sider. Pecos Electrofrog er forberedt for dette, ved at to jumpere på undersiden må fjernes. Bildet nedenfor viser plasseringen av jumperen. Når krysset er isolert, kan man også koble stokkskinne og skinnene mellom tungen og kryssets vingeskinne sammen elektrisk for å sikre stabilt strømtilgang til disse to skinnene. Pecos veksler er allerede forberedt for dette ved at det er gjort utsparinger i svillematta på undersiden. Ledninger loddes til begge skinnene bildet viser. De sorte ringene angir loddepunktene.
Man kan gjøre dette enda sikrere ved å lodde til ledninger til tungene på undersiden av selve leddet.
Ved slik isolering av krysset fra tungeskinnene, kan tunge og stokkskinne ha samme polaritet uansett vekselstilling. Da kan tungene heller ikke brukes som elektriske kontakter mer, og man må finne andre måter å sende riktig polaritet til krysset:
Den vanligste måten å gi riktig polaritet til krysset, er å anordne en elektrisk vippe som stilles om samtidig som vekselen legges om. I Tortois-vekselmotoren skjer dette ved at ligger to elektriske vipper i motoren som vipper parallelt med vekselstillingen. De to vippene er frie, dvs. at de ligger der uten å være tilkoblet til noe som helst. Den ene kan brukes til å polarisere krysset. Ved bruk av servo-motorer som vekselomlegger, kan man plassere en ekstern vippebryter slik at servomotorens omleggingsarm samtidig legger vippebryteren i den ene eller motsatte stilling. Man kan også bruke et relé som styrer vekselmotorene med ett kontaktsett, og som polariserer krysset med den andre. Alle disse metodene kan felles framstilles skjematisk slik: