A vasúti pálya diagnosztikájának egyik legfontosabb feladata a vágány közlekedésbiztonságot veszélyeztető helyi tor­zulásainak felderítése. A hagyományos vá­gány­geometriai mérési grafikonok a sín­szálak térbeli, valamint egymáshoz viszonyított pozícióját képezik le. Az alapvető vágánymérési jellemzők a következők: a hosszfekszint (más néven süppedés), az irány, a nyomtávolság és a keresztfekszint (más néven túlemelés). A keresztfekszintből származtatott fontos megítélési jellemző a síktorzulás.

A fent említett jellemzőknek – különösen az irány és hosszfekszint tekintetében – több definíciója is létezik a gyakorlatban, azonban a kívánt szabályrendszer kiválasztásával a vágánygeometriai jellemzők felvétele (mérése) egyértelmű feladat. A hagyományos, illetve a szabványos kiértékelési módszerekkel (a vágánygeometriai jellemzők lokális szélsőértékeinek vizsgálatán alapuló eljárásokkal) az úgynevezett lokális hibák könnyen minősíthetők. Ám az ilyen minősítő rendszer leegyszerűsített információt ad a torzulásokról: egy-egy szabálytalan alakú görbeszakaszt (lokális hibát) egyetlen számmal ír le.
Itt vissza kell utalnom a cikk első mondatára: a cél a közlekedésbiztonságot veszélyeztető hibák felkutatása – a „közlekedést” pedig a pályán haladó jármű valósítja meg. A balesetveszély ezért a pálya-jármű rendszer egészében értelmezhető, és a járművek kisiklását vagy pályán maradását végső soron a pálya és jármű között fellépő erőkapcsolatok milyensége befolyásolja. Ez az erőkapcsolat azonban a hagyományos vágánygeometriai jellemzők alapján csak közelítőleg becsülhető. A 2010. január 29-én Mitterndorf-Moosbrunn és Wampersdorf állomások között bekövetkezett siklásos balesetben például – az esetet vizsgáló bizottság zárójelentése alapján [1] – egyik vágánygeometriai jellemző sem lépte túl az akkor hatályos előírások szerinti beavatkozási határértéket, ám a kisebb hibák egymásutánisága mégis sikláshoz vezetett. Egy pálya-jármű erőkapcsolatra fókuszáló járműdinamikai mérőrendszer feltehetően jelezte volna a kisiklás kockázatát a balesetet megelőzően.
A vasúti pálya geometriai állapotának minősítésére tehát a járművek haladása közben fellépő pálya-jármű erők, illetve a jármű szabálytalan mozgásainak értékelése kifejezetten alkalmas. A szakirodalom az ilyen módszereket, számításokat a többi között „járműválasz elemzése”-ként (vehicle response analysis, VRA) vagy a vá­­gány­geometria „teljesítőképességén” ala­­pu­ló (performance-based track geo­met­ry, PBTG) megközelítésként em­líti [2]. (Ezeket azonban nem szabad összekeverni az inerciális elvű vágánygeometriai mérőrendszerekkel, melyek a mért gyorsulások kétszeres integrálásával végső soron milliméterben vett vágánygeometriai jellemzőket határoznak meg.) A vágánygeometria minősítéséről szóló MSZ EN 13848 szabványcsalád közelmúltban megjelent 6. kötetének 5.5.2. pontja [3] tárgyalja a kocsiszekrény és a forgóvázak gyorsulásai mérésének, valamint a kerék-sín erők meghatározásának körülményeit, felhasználási lehetőségeit. Ezt az eljárást alkalmazza a MÁV KFV Kft. FMK–007 jelű mérőkocsijának (1. ábra) járműdinamikai mérőrendszere.

Az FMK–007 mérőkocsi két független mérőrendszere

A bevezetőben felvázoltam a pályaállapot-megítélés két különböző megközelítését, a geometriai és dinamikai szemléletűt. Ennek megfelelően a 2001-ben üzembe helyezett FMK–007 jelű mérőkocsin jelenleg két, egymástól független mérőrendszer működik:

• vágánygeometriai mérőrendszer,
• járműdinamikai mérőrendszer.

Az e két mérőrendszer közötti főbb különbségeket az 1. táblázat foglalja össze. A vágánygeometriai mérőrendszer jelenlegi formájában 2010 óta üzemel a mérőkocsin. A pálya-jármű rendszer a pálya alrendszerére koncentrál, és a jármű terhét is viselő pálya alakváltozásait – a hagyományos vágánygeometriai jellemzők alapján – milliméterben határozza meg. Az így születő mérési eredmények szinte teljesen függetlenek a mérőkocsi pillanatnyi haladási sebességétől.

Ezzel szemben a járműdinamikai mérőrendszer – mely 2018-ban megújult – a pálya-jármű rendszer alrendszerhatárára (kerékpár és sínpár erőkapcsolata) és a jármű alrendszerére (utaskényelem) fókuszál. A mérési eredmények csak akkor tekinthetők reprezentatívnak, ha a mérőkocsi a pályára engedélyezett legnagyobb sebességet megközelítően haladt a mérés közben. Fontos megjegyezni, hogy a járműdinamikai mérési eredmények erősen függnek a mérőjármű tulajdonságaitól. Mivel az FMK–007 mérőkocsit egy személykocsiból alakították át, ezért jól reprezentálja a hozzá hasonló kialakítású vasúti járművek dinamikai reakcióit.
Más országokban is alkalmaznak multifunkciós mérővonatokat, amelyek egyszerre több, különféle fizikai elven működő mérőrendszert szállítanak. Az ilyen járművek – például az Egyesült Királyságban működő NMT (New Measurement Train) jelű diagnosztikai szerelvény – a napi pályafelügyeleti tevékenység támogatása mellett kutatási-fejlesztési célokat is szolgálnak [4]. A magyar FMK–007 mérőkocsi eredményei alapján is folyik egy kutatás, mely a vasúti pálya-jármű rendszer vágánygeometriai érzékenységét helyezi a középpontba [5].

Az FMK–007 mérőkocsi új jármű­dinamikai mérési elrendezése

Az FMK–007 mérési elrendezésének alapvető célja, hogy biztosítsa a kerékpár és a vágány között mindenkor fellépő keresztirányú és függőleges erők kiszámítását a jármű egyes pontjain végzett mérések alapján. A mérőkocsit méréstechnikai-számítási szempontból hét merev testre bontjuk fel a következőképpen: 1 db kocsiszekrény, 2 db forgóváz, 4 db kerékpár (2. ábra).

A feladat a hét, egymással kölcsönhatásban lévő merev testből álló, zárt rendszerre ható külső erőrendszer (vagyis a pálya felől ható erők) meghatározása. A feladatot az említett szabványban található ajánlás úgy egyszerűsíti, hogy csak a menetirány szerint elöl haladó kerékpárnál ébredő erőket kell számítani. Mivel a modellben szereplő merev testek (vagyis a kocsi fő részei) tömege és tehetetlenségi nyomatéka ismert, elegendő a merev testek kapcsolati erőinek vagy gyorsulásainak mérése, így a kívánt ismeretlen erők számíthatók.
2001-től 2018-ig az FMK–007 mérő­kocsi járműdinamikai rendszere tíz erő­mé­rő­ből és tíz gyorsulásmérőből állt. Ebben az időszakban a kocsiszekrény és a forgóvázkeret megtámasztásához szükséges mindenkori erőket közvetlenül, a hordrugóerő-mérőtárcsa és csillapítóerő-mérőkonzol segítségével határozta meg a rendszer, és csak a kerékpár gyorsulásainak mérésére volt szükség gyorsulásmérő szenzorokra. Az erőmérők karbantartási-üzemeltetési erőforrás-igényessége, illetve elavulása miatt döntés született azok kiváltására gyorsulásmérőkkel. Ám ehhez teljesen más elvi alapokra kellett helyezni a kerékpár és vágány között ható erők számítását. Az FMK–007 gyorsulásmérői­nek elhelyezése és a mérési adatokat feldolgozó algoritmusok kialakítása a Pálfi és társai által kidolgozott WRIM-eljárás [6] szerint történt 2018-ban. Értelemszerűen a kocsiszekrényen, a forgóvázkereteken, valamint az első és hátsó kerékpárok csapágytokjain összesen 24 gyorsulásmérőt kellett elhelyezni a fent említett erők meghatározásához. A függőleges értelmű gyorsulásmérő szenzorok elhelyezkedését a 3., a keresztirányúakét a 4. ábra szemlélteti.
A következőkben részletesen bemutatom – a kiszámításukhoz használt algoritmusok közlésének mellőzésével – az FMK–007 mérővonattal szolgáltatott járműdinamikai megítélési jellemzőket, melyeket a mérőrendszer grafikonok formájában jelenít meg, illetve az érvényben lévő határértékek (2. táblázat) alapján kiértékel.

Biztonsági jellemzők

A biztonsági jellemzők a járműdinamikai mérések legfontosabb, forgalombiztonsággal közvetlenül összefüggésbe hozható paramétercsoportját alkotják. A jármű­dinamikai mérések kiértékelésének szemléletmódja a balesetveszélyt az FMK–007 mérőkocsin – mivel a pálya-jármű rendszer két alrendszerből áll – kétféleképpen közelíti meg.

Egyrészt amikor a pálya lényegében a helyén marad, és a jármű hagyja azt el, akkor kisiklásról beszélünk: az ennek megfelelő erőviszonyokat számszerűsítik – az ORE (Nemzetközi Vasútegylet Kísérleti és Kutatóintézete) által kidolgozott módszer [7] alapján – az alább részletezett siklásbiztonsági jellemzők. Ugyanakkor a másik irányból is meg kell vizsgálni a rendszert: előfordulhat olyan eset, amikor a „pálya hagyja el a járművet”, vagyis a jármű nem siklik ki, ám a vasúti kocsi az áthaladása során olyan mértékben megnöveli a vágányban lévő torzulást, ami a később arra haladó vonatokat már veszélyezteti. Ez utóbbi, veszélyes mértékű maradó keresztirányú lokális pályaeltolódást okozó hatást számszerűsíti a Prud’homme-formulán alapuló pályabiztonsági jellemző. A biztonsági paraméterekben közös, hogy a menetirány szerinti első kerékpár és a sínpár között mért függőleges és vízszintes erők viszonya alapján számítja ki őket a mérőrendszer. A grafikonon megjelenő paraméterek szemléletes definíciója a következő.

• Siklásbiztonsági jellemző (Bs): a kisiklás kockázatát mérő mennyiség, százalékban kifejezve; 100% esetén a siklás bekövetkezhet. A mérőkocsi kerékpárjára ható keresztirányú és függőleges erők viszonyából képződik. Értéke attól függ, hogy a pillanatnyilag ható erők a mérőkocsi kerékpárját milyen mértékben kényszerítik arra, hogy valamelyik sínszálra felkússzon.

• Kiegészítő siklásbiztonsági jellemző (Bks): a kerék elemelkedésének kockázatát mérő mennyiség, százalékban kifejezve; +100% esetén az egyik kerék elemelkedik a sínről, így siklás következhet be. A mérőkocsi kerekeire ható függőleges erőkből képződik. Értéke attól függ, hogy valamely kerék és sín között mennyire csökken le az őket összenyomó erő (kerék-tehermentesülés). Határértékei pozitívak, negatív értékek esetén nincs ilyen jellegű veszély.

• Pályabiztonsági jellemző (Bp): a vágány maradó oldalirányú eltolódásának kockázatát mérő mennyiség, százalékban kifejezve; 100% esetén a vágányban azonnali, jelentős irányhiba keletkezhet. A mérőkocsi haladása során fellépő, vágány­ra ható keresztirányú és függőleges erők viszonyából képződik. Értéke attól függ, hogy a keresztirányú erő (ívekben a terelőerő) mennyire képes eltolni a vágányt a függőleges irányú (leszorító) erőből származó súrlódás, illetve a felépítmény ezt akadályozó erőinek ellenében.

Pálya-igénybevételi jellemzők

A pálya-igénybevételi paraméterek a pálya-jármű rendszerben fellépő dinamikus többleterőket a pálya szempontjából mutatják meg. Az e paraméterekkel jellemzett hatások a pálya geometriai jellegű avulását közvetlenül befolyásolják, mivel a pályára ható többleterők az ágyazatban, illetve az alépítményben a rugalmas behajlások mellett kismértékű maradó alakváltozásokat is okoznak. A kicsiny maradó alakváltozások összegződnek, és idővel egyre nagyobb vágánygeometriai hibákként jelentkezhetnek (fekszint- és irányhibák stb.). A pálya-többletterhelések a sínhibák kialakulásával is összefüggésbe hozhatók, hiszen a sínhibákat is a kerék-sín között ébredő erők hozzák létre, illetve növelik a már meglévő anyagszerkezeti folytonossági inhomogenitásokat. A pálya-többletterhelési jellemzők a menetirány szerinti első kerékpárnál kialakuló függőleges és keresztirányú erőkapcsolatot értékelik az alább vázolt szemléletes definíciók szerint.

• Függőleges vágány-többletterhelési jel­lemző (PTvá), függőleges sínszál-többlet­terhelési jellemzők (PTb, PTj): a vágányt, illetve a menetirány szerinti bal és jobb sínszálakat érő függőleges többletterhelést mérő mennyiségek, százalékban kifejezve; 100% esetén az álló helyzetben mérhető súly kétszerese adódik át a pályára, illetve az adott sínszálra. A mérőkocsi kerékpárjáról, illetve adott kerekéről a vágányra átadódó függőleges dinamikus többleterők és az álló helyzetben mérhető függőleges terhelés arányából képződnek. Értékük attól függ, hogy a pillanatnyi, vágányra vagy adott sínszálra egyszerre átadódó függőleges többleterő hányszorosa a nyugalmi állapotban mérhetőnek. Negatív érté­kek (tehermentesülés) esetén a grafikonon 0 szerepel.
• Vágányra ható keresztirányú erő (SumY): a vágányra ható keresztirányú erő, kilonewton [kN] mértékegységben. Ez a jellemző a mérőkocsi kerekeiről a két sínszálra átadódó pillanatnyi keresztirányú erők összegének valós nagyságát mutatja. Előjeles mennyiség, tehát a menetirány szerint jobbra és balra ható erő ellentétes előjellel szerepel a grafikonon. 50 kN-t megközelítő értékek már jelentősnek számítanak.

Komfortjellemzők

Az előző két alfejezetben (biztonsági és pálya-igénybevételi paraméterek) a jármű haladásának veszélytelenségéről, illetve a pálya avulását befolyásoló hatásokról volt szó. A vasúti szolgáltatások folyamatos fejlődésével összhangban azonban kívánatos a személyszállító vonatokon utazók komfortérzetének növelése, illetve a tehervonatokon a rakományt érő nemkívánatos ütések-rezgések mérséklése is. Ezért a megítélési jellemzők harmadik csoportját a mérőkocsi utasterében (a menetirány szerinti hátsó forgócsap felett) tapasztalható viszonyokat számszerűsítő jellemzők alkotják az alábbiak szerint.

• Keresztirányú dinamikus lengéskomfort (Kk): az utasra ható keresztirányú lökéseket (szitálás) mérő mennyiség, m/s2 mértékegységben. A mérőkocsi kocsiszekrényén mérhető keresztirányú gyorsulás alapján képződik, a 2 s és 0,2 s közötti időtartamú lengések figyelembevételével. Azt mutatja meg, hogy mekkora gyorsulások (szitálás) érik keresztirányban az utasokat, leszámítva az ívekben tapasztalható folyamatos, centrifugális vagy centripetális gyorsulást. A diagramon a jobbra és balra irányuló gyorsulás is pozitív értékként jelenik meg.
• Függőleges dinamikus lengéskomfort (Kf): az utasra ható függőleges lökéseket (rázás) mérő mennyiség, m/s2 mértékegységben. A mérőkocsi kocsiszekrényében mérhető függőleges gyorsulás alapján képződik, a 2 s és 0,2 s közötti időtartamú lengések figyelembevételé­vel. Azt mutatja meg, hogy mekkora gyorsulások (rázás) érik függőleges irányban az utasokat. A diagramon a felfelé és lefelé irányuló gyorsulás is pozitív értékként jelenik meg.
• Kvázistatikus keresztirányú komfort (Kqk): az utasra ívekben folyamatosan ható keresztirányú gyorsulást mérő mennyiség, m/s2 mértékegységben. Ez a jellemző a mérőkocsi kocsiszekrényén mérhető keresztirányú gyorsulás alapján képződik, a 2 s feletti időtartamú hatások figyelembevételével. Azt mutatja meg, hogy mekkora, állandó jellegű (kvázistatikus) gyorsulás éri keresztirányban az utasokat az ívekben, a padló síkjával párhuzamos irányban. A diagramon a jobbra és balra irányuló gyorsulás is pozitív értékként jelenik meg.
• Kiegyenlítetlen szabad oldalgyorsulás (a0): az utasokra ívekben folyamatosan ható keresztirányú gyorsulást mérő mennyiség, m/s2 mértékegységben. Ez a jellemző a mérőkocsi kocsiszekrényén mérhető keresztirányú gyorsulás alapján képződik, a 2 s feletti időtartamú hatások figyelembevételével. Azt mutatja meg, hogy mekkora, állandó jellegű gyorsulás éri keresztirányban az utasokat az ívekben, a túlemelt vágány síkjával párhuzamos irányban. A diagramon a jobbra és balra irányuló gyorsulás is pozitív értékként jelenik meg.

A jellemzők kiértékelése

A kiértékelés jelenleg a D54. számú MÁV-utasítás 51.1. fejezetének 18. táblázata szerint történik (2. táblázat) [8].
Felmerül a kérdés, hogy mi a teendő, ha a mért járműdinamikai értékek meghaladják a határértékeket. Előfordul ugyanis, hogy ezeken a járműdinamikailag kritikus helyeken a vágánygeometriai értékelés nem mutat határértéket meghaladó pályahibát. Az ilyen látszólagos ellentmondások természetesek, mivel a vágánygeometriai hibáknál kialakuló járműreakció a vágánygeometriai eltéréseknek rendkívül bonyolult függvénye. A jármű viselkedése a többi között a sebességtől, az egymás után következő geometriai hibák hatásainak összegződésétől (pl. a szakirodalomban lásd a „cyclic top” jelenséget), illetve a jelenlegi irány- és hosszfekszint-kiértékelési rendszerben figyelembe nem vett hullámhossz-tartományú (D1-en kívüli) pályahibáktól is függ. Lehetnek olyan jellegű vágánygeometriai hibák is, melyekre a hagyományos vágánygeometriai mérési jellemzékek nem érzékenyek, bár hatásuk a pálya-jármű rendszerben jelentős: ilyen a keresztfekszint (túlemelés) II. deriváltja [5]. A pálya fenntartója a dinamikai problémákat okozó helyeken, illetve szakaszon általában a vágánygeometria további javításával tud enyhíteni a járműdinamikai problémákon. Ideiglenes megoldásként természetesen sebességkorlátozás is szóba jöhet, mivel a dinamikus igénybevételek a jármű haladási sebességével szorosan összefüggnek.
A vágánygeometriai és járműdinamikai jellemzők együttes megítélését és összefüggéseit példán keresztül illusztrálom (5. ábra) egy 120 km/h sebességgel végzett mérés eredményeivel:

• A 244 725 szelvénynél található, mindkét sínszálat érintő süppedések vágánygeometriai szempontból határértéken belül maradnak, de határértéket meghaladó függőleges lengést (Kf görbéje) okoznak az utastérben.
• A 244 471 és 244 277 szelvényeknél látható síktorzulások A jelű bázison vett értéke egyaránt 17 mm, azonban for­galomveszélyességük eltérő. Előbbinél a pályabiztonsági jellemző meghaladja a határértéket, utóbbinál a járműdinamikai reakció csekélyebb marad. Vagyis a kettő közül az első hiba – az alakjából következően – veszélyesebb.
• A 244 000 szelvény környezetében avult hegesztésekre utaló, kb. 21 m-enként periodikus ütéseket mutatnak a függőleges vágány- és sínszál-többletterhelési jellemzők, ám ezek a függőleges komfortot kevésbé zavarják.

Összefoglalás

A fentiekben bemutattam a geometriai és dinamikai szemléleten alapuló kettős pályaállapot-megítélés szempontjait, és az FMK–007 mérőkocsi ebbe illeszkedő mérőrendszereit. A 2018-ban üzembe he­lyezett új járműdinamikai mérőrendszer méréstechnikai szempontból teljesen megújult, azonban az eredményeket tartalmazó paraméterek – a járműdinamikai megítélési jellemzők – változatlanok. Az egyes jellemzők szemléletes jelentésének közlésével és a gyakorlati példával a MÁV Zrt. pályafenntartási szakemberei számára újra szolgáltatott járműdinamikai mérési eredmények megértéséhez, felhasználásához és továbbgondolásához kívántam hozzájárulni.