A cikk szerzője:

Csépke Róbert infrastruktúra-mérnök
BKV Zrt.

Vasúti sín-kerék kap­cso­lat elemzése a kis sugarú ívekben (2. rész) – Javaslat futástechnikai előírások bevezetésére

Ahogyan az első részben [1] bemutattam, nemzetközi és országos közforgalmi vasúti pályákra érvényben van a TSI (ÁME), mely a futástechnikai paramétereket szabályozza. Azonban – a többi között – a közúti vasutakra nem érvényes ez a szabályozás. Elemzésem során javaslatot teszek egy sín-kerék érintkezés mechanikai megfelelőségen alapuló (futástechnikai) előírásrendszer bevezetésére. Ez azért is indokolt, mert az Európában is mértékadó, több európai üzemeltető által is átvett, német városi vasutakra vonatkozó szabályozás (BOStrab, [2]) is csupán a kerék és a sínvályú geometriai méreteit, valamint ezek határér­tékeit írja elő.

A városi vasutak kis sugarú íveinek új geometriai kialakítása és egy új vizsgálati paraméter bevezetése is szükséges, amely az infrastruktúra oldaláról mutatja meg az adott ív és jármű futástechnikai összehangoltságának mértékét a jármű forgóvázának minden kerékpárja esetében. Ez a CI (Creepage Index) paraméter, az optimális futókörsugár-különbség eltéréseiből (+, –) fakadó és kialakuló valamennyi kerékkúszási értéket figyelembe vesz. Ez magával hozza a járművek forgóvázszerkesztési elveinek szigorítását, és futástechnikai megfontolásból igényli a nyomkarimán történő folyamatos futás lehetőségének alapos vizsgálatát is a kis sugarú ívekben.

1. Elméleti alapok

Az MSZ EN 15302 szabvány [3] precíz matematikai metódust ad közre az egyenértékű kúposság meghatározására nem­lineáris kúposságú kerekekre. (A jól ismert Klingel-formula „lineárisan” kúpos kerékprofilra vonatkozik.)
A kígyózás hullámhossza (L) független a menetsebességtől (v) és a kígyózási amplitúdótól (y), csak a nyomtávolság (e0), a kerék fél kúpszöge (tany) és a kerék sugara (r0) befolyásolja a nagyságát (Klingel-formula).

A frekvencia (f) a sebesség (v) ismeretében számolható az alábbiak szerint:

A nemlineáris kúposságú kerékpár mozgása nem szinuszos, de „hasonló” ahhoz, ami az említett egyenértékű kúpossággal jellemezhető.
Az egyenértékű kúposság függ a keresztkitérés amplitúdójától, és ez egy olyan képzeletbeli kúpos kerékpár fél kúpszögének tangense, amelynek kígyózási hullámhossza egy elméleti, élszerű kialakítással modellezett sínpáron azonos a valós hullámhosszal.
A kialakuló (egyenértékű) kúpossági érték és az abból adódó futás közbeni hullámhossz, illetve ferekvencia a sínek és a kerekek kopási jellemzőit (Wear Index) is befolyásolja. Az ezekből adódó három alapvető, befolyásoló összetevő a hosszirányú, a keresztirányú és a fúrókúszás jelensége. Ezt egy későbbi fejezetben világítom meg.

2. A hazai pálya-jármű rendszerek elemzése

A magyarországi közúti vasutak tervezési irányelveinek hiányosságai

A bevezetőben már leszögeztem, hogy a közúti vagy városi vasutak üzemeltetői­nek kezében nincsenek olyan betartandó előírások, melyek alapján például az egyenesfutásra inkább vonatkozó egyenértékű kúposság és ívekben a futókörök sugarai közötti különbség futástechnikailag optimális kialakítását szabályoznák.
Az elhasználódás mértéke ezekben az igen kis sugarú ívekben a sínek nyom­élé­nek kopása és a hullámos kopások nagymértékű előfordulása a fenntartási költségeket növeli. A keletkező zaj a környezetvédelmi (zaj és rezgés) előírások szigorodása miatt rendszerint jóval túllépi a határértékeket. Ezen akut problémák tüneti kezelésére többnyire például sínkenő berendezéseket telepítenek.

Kis sugarú ívek sín-kerék érintkezés mechanikai (futástechnikai) elemzése

Az EU által támogatott közúti vasúti vonalak építése és az új, korszerű járművek beszerzése időszerűvé teszik a pálya-jármű együttműködés optimalizálását, hogy ezeken az újonnan épített infrastruktúra-elemek vasúti pályáiban ne okozzanak idő előtti tönkremenetelt.
A kis sugarú ívek tartományában a mai, horizontálisan „merev” csapágyvezetésű villamos forgóvázak, az alkalmazott sínek és „kopási” kerékprofilok (Budapesten a CAF és Siemens gyártmányoknál, 1. és 2. ábra) miatt elégtelen futókörsugár-különbségek alakulnak ki, emiatt a pályában extrém hatásokat generálnak, a sínkopások (oldalkopás és hullámos kopás) jelentős mértékűek (3. ábra).

1. ábra. CAF Urbos kerékprofil2. ábra. Siemens Combino kerékprofil

Használatban volt még az 1 : 20-as lineáris kúposságú járatos kerékprofil is az említetteken kívül, ez futástechnikailag még kedvezőtlenebb. A BKV Zrt.-nél mára a Siemens Combino „kopási” kerékprofil általános használata került előtérbe.  Egyszerű elemzések alapján bizonyítható, hogy R = 100 m ívsugár alatt a közúti vasutak kerékpárjaiban elméletileg létrejönni képes futókörsugár-különbség, a sín-kerék érintkezés mechanikai szempontból [4] elégtelen! A kopási folyamatokról, az ebben a témában zajló kutatásokról például Sebastian Stichel [4] is több konferenciaanyagban közölt eredményeket.
Szintén rendellenes és a szabályozás hiányossága – mely a bizonytalanság meglétét érzékelteti –, hogy Magyarországon (különösen Budapesten) igen sok síntípus épült be a közúti vasutak pályáiba, ráadásul különböző síndőlésekkel (mostanáig az 1 : 20 síndőlés volt „járatos”).

3. ábra. Vegyes típusú sínkopások 63 m sugarú ívben
Ilyen Vignol-sínek: 49E1, 54E1 (és a MÁV48) 1 : ∞, 1 : 40, 1 : 20 síndőléssel, vályús vagy Phoenix-sínek: 51R1, 59R2, 60R2 (újabban 67R1 is, bár ezek legtöbbje már a gyártás során 1 : 40 dőlésű sínfej-geometriával készül). Igen elterjedtek még a budapesti előregyártott, beton nagypaneles vágányokban alkalmazott, nem szabványos tömbsínek is: B3 (régi nevén Ts52) és B1, mindkettő 1 : ∞ síndőléssel.
A kis sugarú ívekben és kitérőkben futástechnikailag káros geometriai paraméterek a jellemzőek. Ezek jelentős anyagi kárt okoznak, mivel például Budapesten ~15 km-nyi, R = 200 m-nél kisebb sugarú ív fekszik, és e helyek hosszából adódóan számottevő a kopásokból származó karbantartási többletköltség.

3. Megoldás keresése

A felismert rendellenességekre szakmailag megalapozott megoldást kell keresni. Figyelembe kell venni, hogy a közúti vasutakon alkalmazandó kisebb sebességek alacsonyabb követelményeket támasztanak futásbiztonsági szemponból. A TSI/ÁME által megfogalmazott határértékek csupán iránymutatóak lehetnek. A magyarországi közúti vasutakon távlatban bevezetendő 70 km/h-s maximális tervezési sebesség veendő figyelembe. Az erre a sebességre történő jár­műengedélyezési eljárások során a Vmax +10%, azaz a 70+7 = 77 km/h (~80 km/h) a sebesség. A nagyvasúti járművek üzem közbeni futásjóságának ellenőrzésére az MSZ EN 14363 [5] a tanγe értékére 0,4-et ad meg határértéknek a járművek vizsgálatakor 60–140 km/h közötti sebességre. Az instabil futás kialakulásának valószínűsége a 0,5 értéknél növekedhet kritikus szintre a szabvány megállapítása szerint.
Az 50–60 km/h sebességre tervezett vasúti pályák esetében ez a futási stabilitási határciklus nem alakulhat ki. Ellenben ennél a tanγe értéknél és főként e felett a futási kígyózási frekvencia oly mértékű lehet, ami a kopási folyamatok sebességét extrém mértékben növelheti.

A cikk folytatódik, lapozás:12345Következő »

Irodalomjegyzék

  • [1] Csépke, R.: Vasúti sín-kerék kapcsolat elemzése a kis sugarú ívekben. Sínek Világa, 2016/2, 24–28. o.
  • [2] BOStrab, Technische Regeln für die Spurführung von Schienenbahnen nach der Verordnung über den Bau und Betrieb der Strassenbahnen (TR Sp), Ausgabe Mai 2006..
  • [3] MSZ EN 15302: Railway applications. Method for determining the equivalent conicity.
  • [4] Stichel, S.: Principles of wheel-rail interaction. WRI Principles course, KTH Royal Institute of Technology. May 7, 2013, 18–28. o.
  • [5] MSZ EN 14363: Railway applications. – Testing for the acceptance of runningcharacteristics of railway vehicles – Test¬ing of running behaviourand stationary tests.
  • [6] Csépke, R.: Sín/kerék kapcsolat a kis sugarú ívekben. A X. Nemzetközi Vasúti Forgóváz és Futómű Konferencia elő¬adásai, (BOGIE ’16), (szerk. Prof. Zobory István), BME, Vasúti Jármű, Repülőgép és Hajózási Tanszék, Budapest, 2016. szeptember 12–15.
  • [7] Shevtsov, I. Y. (2008): Wheel/Rail Interface Optimisation, PhD Dissertation, Delft University of Technology, The Netherlands.
  • [8] Fendrich. L., Fengler. W.: Handbuch Eisenbahninfrastruktur. 2. Auflage, Sprin¬ger Vieweg, 2013. Teil 1.: Dr. Riessberger, K.: Das Zusammenwirken von Rad und Schiene
  • [9] Brandau, J. (1999): Einsatz unsymmetrischer Schienenkopfprofile im Nahverkehr, Doktor-Ingenieur Dissertation, Fachbereich Maschinenbau der Universität Hannover, Deutschland
  • [10] NYTRAM: TCRP RPT 57-Track Design Handbook for Light Ral Transit (Part C) Chapter 4, 7–10. o.
  • [11] Kaplan, A., Hasselman, T. and Short, S.: Independently Rotating Wheels for High Speed Trains, SAE Technical Paper 700841, 1970-10-05, doi: 10.4271/700841.
  • [12] Meyer, A.: Wheelsets or independently rotating wheels – from theory to practice, https://www.mobility.siemens.com, published by Siemens AG, 2016., Article No. MOUT-T10029-00-7600.
  • [13 Zobory, I., Gáti, B., Kádár, L., Hadházi, D. (2012): Járművek és mobil gépek I. Egyetemi tananyag. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Közle¬kedésmérnöki és Járműmérnöki Kar.
  • [14] Zobory, I.: Prediction of Wheel/Rail Profile Wear: Vehicle System Dynamics, Vol. 28, (1997), 221–259. o., Swets and Zeitlinger.
A teljes cikket megtalálja a folyóirat 2019 / 2. számában.
Ha szeretne rendszeresen hozzájutni a legfrisebb számokhoz, fizessen elő a folyóiratra.
A hozzászólások megtekintéséhez vagy új hozzászólás írásához be kell jelentkeznie!
Sínek Világa A Magyar Államvasútak Zrt. pálya és hídszakmai folyóirata
http://www.sinekvilaga.hu | ©