Bevezetés

Napjainkban a közúti vasúti pályák fenntartása és fejlesztése kiemelt jelentőséggel bír a városi közlekedési rendszerek hatékonyságának és biztonságának biztosítása érdekében. A Budapesti Közlekedési Zártkörűen Működő Részvénytársaság (BKV Zrt.) felelős a több mint 300 kilométer hosszú városi vasúti pályahálózat üzemeltetéséért és karbantartásáért, amely 27 vonalon különböző típusú felépítményrendszereket tartalmaz. Ezek állapotát rendszeresen helyszíni bejárásokkal, vágánygeometriai mérésekkel és járműdinamikai mérésekkel ellenőrzik.
A szerkezeti romlás – például a sínek, sínleerősítések, alátámasztások és burkolatok állapotának romlása – szabad szemmel is jól észrevehető. Ezzel szemben a geometriai romlás mértékének meghatározása speciális műszereket igényel. A Metalelektro Méréstechnika Kft. által gyártott TrackScan 4.01 műszerrel történik a geometriai romlás mérése, míg a járműdinamikai méréseket egy szintén a Metalelektro Méréstechnika Kft. által kifejlesztett mérővillamos végzi. A járműdinamikai mérőrendszer egy Ganz nyolctengelyű ipari csuklós villamos motorkocsin található, amely 25 km/h maximális sebességgel képes méréseket végezni.
Azonban a menetrend szerinti, általában 50 km/h sebességgel közlekedő járművek dinamikájának pontos megismerése érdekében szükség van egy olyan mérőrendszerre, amely valós időben képes adatokat gyűjteni a normálüzem közben. Kutatásunk során kifejlesztettünk egy gyorsulásmérőkből és GPS-ből álló hordozható műszert, amely lehetővé teszi bármilyen típusú és bármikor közlekedő villamoson a járműdinamikai mérések végrehajtását.
Ez az új mérőrendszer lehetőséget biztosít arra, hogy pontosabb és relevánsabb adatokat gyűjtsünk a városi vasúti pályák állapotáról, hozzájárulva ezzel a karbantartási munkák hatékonyságának és a közlekedés biztonságának növeléséhez. A valós idejű járműdinamikai adatok elemzése segíthet a pálya geometriai hibáinak korai felismerésében és a szükséges beavatkozások időben történő elvégzésében. Ezáltal a városi vasúti rendszer megbízhatósága és utazási komfortja is javul, ami közvetlenül hozzájárul a közösségi közlekedés népszerűségének növeléséhez és a városi közlekedési hálózat fenntartható fejlődéséhez.

Irodalomkutatás

A vasúti pályageometriai és a járműdinamikai mérések közötti kapcsolat figyelembevétele elengedhetetlen lesz a jövőben mind a nagyvasúti, mind a közúti vasúti (villamos), mind pedig a közúttól elkülönített vasúti (például metró) rendszerek biztonságának, megbízhatóságának és hatékonyságának biztosításához. Jelenleg sok pályavasúti üzemeltető és vasúttársaság csak egyenként végzi el ezeket a méréseket, az egymás közti összhangot, illetve az egyes okokat nem keresi és elemzi. Sok esetben előfordul, hogy járműdinamikai méréseket egyáltalán nem végeznek, vagy ha végeznek is, akkor nem a menetrend szerinti járműveknek megfelelő mérési sebességgel. (A BKV esetében a mérővillamos például ezen utóbbi kategóriába esik, bár évek óta tervben van a mérési sebesség növelése.) Az irodalomkutatásunkban azt a célt tűztük ki, hogy nemzetközi példákon keresztül bemutassuk, mi a jelentősége és hogyan lehet ezeket a méréseket integrálni és esetlegesen felhasználni a pályageometriai hibák előrejelzésére és kezelésére.
A vasúti pálya geometriai jellemzőinek és a járműdinamikai mérések összefüggéseinek vizsgálata kulcsfontosságú a vasúti közlekedés biztonságának és hatékonyságának szempontjából. A pálya geometriai hibái közvetlenül befolyásolják a járművek dinamikai viselkedését, amelyeket különféle érzékelők segítségével mérhetünk [1, 2]. A pálya geometriája, beleértve a hosszfekszintet (süppedés), az irányt, a keresztfekszintet (túlemelést) és a nyomtávolságot, mind befolyásolja a biztonságos és hatékony vasúti járműközlekedést [3]. Az egyenetlenségek különböző típusai eltérő dinamikai válaszokat generálnak a járműveknél [4], és ezek hatással vannak a jármű-pálya rendszerben fellépő erőkre [1].
A járműdinamikai mérések célja a járművek rezgéseinek és gyorsulásainak mérése és rögzítése, amelyekből következtetni lehet a pálya geometriájának hibáira [5]. A mérésekhez gyorsulásmérőket és giroszkópokat használnak, amelyek lehetővé teszik a dinamikus kerék-sín érintkezési erők pontos mérését [6]. A speciális „yaw-rate” giroszkópok különösen hasznosak a pályageometria hibáinak detektálásában [7].
A geometriai hibák, például a hosszfekszint és keresztfekszint eltérései, jelentősen befolyásolják a jármű dinamikai viselkedését. A dinamikai mérések segítségével azonosíthatók ezek a hibák, és előre jelezhető a pálya állapotának romlása [6]. Például a kerékpár függőleges gyorsulásai és a hosszfekszint közötti korreláció magas, különösen a torzításmentes adatsorok esetében (az FMK-007-es mérőkocsi süppedésadatsorairól, a már torzításmentesített adatokra értendően) [1]. Az oldalgyorsulásokat leginkább a keresztfekszint-változások befolyásolják, különösen annak második deriváltja [1].
A hagyományos amplitúdóalapú hibaértékelés helyett a pálya hosszfekszintjének második deriváltja felhasználásával pontosabb kép adható a jármű-pálya rendszerben fellépő erőkről [1]. A hosszfekszint második deriváltja jelentősen befolyásolja a függőleges gyorsulásokat és ezáltal a függőleges jármű-pálya erőket, és jobb becslést ad, mint az MSZ EN 13848-6 harmonizált európai szabvány [8] szerinti referencia-TQI-k (track quality index) használata [6]. A járműdinamikai mérések során kiderült, hogy a kerékcsapágy oldalirányú (vízszintes) gyorsulása és a kereszt­fekszinthibák második térbeli deriváltja között erős, 0,8 körüli korrelációs együttható található egyenes pályaszakaszokon, 80–130 km/h sebességtartományban [6].
A geometriai hibák dinamikai mérésekből történő előrejelzésére különböző módszereket alkalmaznak. Például a térbeli eltolódások korrekciójával biztosítható az egymást időben követő mérések pontos összehangolása [5]. Az algoritmusok, mint például a keresztkorrelációs technikák, segítenek azonosítani és korrigálni a mérések közötti eltéréseket, ami lehetővé teszi a geometriai hibák pontos előrejelzését [5]. A hierarchikus Bayes-modellek rugalmasságot biztosítanak a korábbi adatok és szakértői megállapítások kombinálására az új adatokkal, lehetővé téve a pályageometriai degradáció előrejelzését [9].
A geometriai hibák alapján a dinamikai válaszok előre jelzése is fontos szerepet játszik a vasúti pálya karbantartásában. Regressziós modellek és sztochasztikus módszerek segítségével modellezhetők a pályageometria statisztikai tulajdonságai és dinamikai hatásai [10]. A tanulmányok kimutatták, hogy a generált pályageometriák frekvencia- és statisztikai tartalma hasonló a mért geometriákhoz, ami biztosítja, hogy a dinamikai mérések során kapott eredmények megbízhatók és pontosak [10]. Az olyan eszközök, mint a SIMPACK és Abaqus szoftverek integrálása lehetővé teszi finomított jármű-pálya dinamikai modellek létrehozását, amelyek figyelembe veszik a véletlenszerű dinamikai válaszokat [4].
Franciaországban az IRIS 320 mérővonat segítségével a vasúti pálya geometriáját rendszeresen és precízen mérik, ami lehetővé teszi a pálya geometriai hibái időbeli fejlődésének követését [11]. A geometriai hibák és a dinamikai válaszok közötti összefüggések vizsgálata során sztochasztikus modellezéssel szimulálták a vonat dinamikáját, amely segíti a karbantartási döntések optimalizálását [11]. A VTI (virtual track inspection) -modell szimulációi alapján kimutatták, hogy a dinamikus hossz-szintek periodikus jelleget mutatnak, ahol a ciklushossz megegyezik a híd fesztávjával [12].
A kutatás során kifejlesztett teljesítményalapú pályageometria (performance-­based track geometry – PBTG) ellenőrzési technológia valós időben köti össze a pályageometriát és a jármű teljesítményét, neurális hálózatok segítségével felismerve a komplex mintázatokat és a nemlineáris összefüggéseket [13]. A PBTG-technológia képes a pályaszakaszok azonosítására, amelyek rossz járműteljesítményt vagy kisiklásveszélyt okozhatnak, valamint karbantartási javaslatokat generál az észlelt hibákra vonatkozóan [13].
A [4] tanulmány szerint a figyelembe vett kínai nagy sebességű vasútvonalakon mért járműdinamikai válaszok kissé magasabbak voltak, mint a németországiak esetében mért értékek, és a dinamikai válasz amplitúdója lineárisan nőtt a vonat sebességével. Az EM120 gépi mérései a teherán–karaji vasútvonalon megállapították, hogy a vasúti pálya geometriai paraméterei közül az irány- és a nyomtávolság-paraméterek mutatják a legnagyobb korrelációt a megtámasztási merevséggel (support stiffness) [14].
Az új pályageometriai index (improved track geometry index – ITGI) alkalmazása során a síndőlés figyelembevételével jelentősen javítható a pályageometriai indexek pontossága, amelyek a pálya általános állapotát jelzik [15]. A GNSS (Global Navigation Satellite Systems) technológia fejlődése lehetővé tette a vasúti pálya pontos geometriai felmérését, amely alapvető adatokkal szolgál a járműdinamikai viselkedés előrejelzéséhez és elemzéséhez [16].
Az okostelefonok beépített gyorsulásmérői és giroszkópjai képesek megbízható adatokat szolgáltatni a járműdinamika terén, és az okostelefonos mérések korrelációja a VDMS (Vehicle Dynamic Measuring System) adataival meghaladja a 90%-ot [17]. Az adatvezérelt modellek, például a gépi tanulási algoritmusok, hatékonyan alkalmazhatók a pályageometriai hibák és a járműteljesítmény közötti kapcsolatok feltárására és előrejelzésére [18].
A [19] kutatása során kifejlesztett vizuális mérőrendszer segítségével a kerék és sín közötti távolság mérése lehetővé tette a nyomtáv pontos értékelését. A fraktál analízis hatékony eszköz a geometriai adatmintázatok számszerűsítésére és a karbantartási trendek elemzésére [3].
A közúti vasúti területre koncentráló kutatások kimutatták, hogy a pálya geometriájának szabálytalanságai jelentősen befolyásolják a közúti vasúti járművek dinamikus viselkedését, ami fokozott kopáshoz, zajhoz és potenciális biztonsági kockázatokhoz vezethet [20]. Az ilyen szabálytalanságok átfogó megértése elengedhetetlen a hatékony pályakarbantartás és a járműteljesítmény optimalizálása szempontjából [20].
A [21] publikált eredményei szerint a villamosok járműdinamikáját a villamos kerekei és a pálya közötti kölcsönhatás befolyásolja. Az olyan tényezők, mint a kerék-sín érintkezési erők, a felfüggesztés jellemzői és a jármű sebessége kritikus szerepet játszanak a villamosok dinamikai válaszának meghatározásában [21]. A pálya geometriájának változásai befolyásolják ezeket a dinamikus válaszokat, amelyek mérésével következtetni lehet a pálya állapotára [21].
A dinamikus mérések során a villamos járművek reakcióit rögzítik haladás közben [22], a rezgések, gyorsulások és erők adatainak rögzítésére gyorsulásmérőket, giroszkópokat és elmozdulásérzékelőket használnak [22]. Például a keréktárcsákról és a forgóvázakról rögzített gyorsulások feldolgozhatók a pálya szabálytalanságainak és a szükséges karbantartási műveletek meghatározására [22]. A pálya geometriájának szabálytalanságai jelentős változásokat okozhatnak a villamos járművek dinamikus viselkedésében [23]. Például a rövid hullámhosszúságú hibák megnövekedett dinamikus terhelésekhez vezethetnek, ami nagyobb kopási arányt és potenciális biztonsági kockázatokat eredményezhet [23]. Tanulmányok kimutatták, hogy a pályageometria hibái, mint például az irány- és a nyomtávváltozások, közvetlenül befolyásolják a járművek gyorsulását és a kerék-sín érintkezési erőit [23].
Budapesten egy újszerű járműdinamikai mérési elrendezést valósítottak meg, amely a forgalomban lévő villamosokra szerelt gyorsulásmérőket használ [22]. Ez a rendszer a pálya állapotának folyamatos nyomon követését biztosítja, lehetővé téve az időben történő karbantartást és a szolgáltatás minőségének javítását [22]. Az összegyűjtött adatokat a hagyományos geometriai mérésekkel és a vizuális ellen­őr­zésekkel validálták, bizonyítva a dinamikai mérési megközelítés hatékonyságát [22].
Az ismert pályageometriai adatok felhasználhatók a villamos járművek dinamikus válaszainak előrejelzésére [24]. A multibody-dinamikai modellekkel végzett szimulációk előre jelezhetik, hogy a pályageometria változásai hogyan befolyásolják a jármű viselkedését, lehetővé téve a megelőző karbantartást és a tervezési kiigazításokat a kedvezőtlen hatások mérséklése érdekében [24].
Összegzésként megállapítható, hogy a vasúti pálya geometriai hibái és a járműdinamikai mérések közötti szoros kapcsolat lehetővé teszi a pálya állapotának pontos felmérését és a karbantartási igények előrejelzését. A dinamikai mérések segítségével azonosíthatók a geometriai hibák, és ezek alapján meghatározhatók a szükséges karbantartási intézkedések. A geometriai hibák és dinamikai válaszok közötti összefüggések figyelembevételével javítható a pálya biztonsága és a járművek üzemi teljesítménye.
A vasúti pályageometria és a járműdinamika kölcsönhatásának alapos megértése létfontosságú a közlekedési rendszerek biztonságának és hatékonyságának javítása érdekében. Ahogy fent részletesen bemutattuk, számos tanulmány vizsgálta már a vasúti pályák geometriai eltérései és a járműdinamikai reakciók közötti kapcsolatot. A közúti vasútra vonatkozó tanulmányok száma korlátozott. Kutatásunk újszerűsége abban rejlik, hogy egy új, kalibrálható, hordozható mérőrendszert fejlesztettünk ki és használtunk, amely lehetővé teszi a dinamikai mérések végrehajtását bármilyen típusú villamoson – akár valós időben – a napi üzemeltetés során, a menetrend szerinti villamosokon. Az okostelefonokhoz képest a jelenlegi rendszer előnye, hogy egyszerre három „kis számítógépen” (mérő-adatgyűjtőn) fut, de tetszés szerint bővíthető. Ezekhez a kis számítógépekhez akár többféle szenzor is csatlakoztatható, parallel-szinkrón mérésekre képes a járművek különböző pontjaira elhelyezve. A mérőrendszer relatíve olcsón összeállítható, a rendszer lényege a kompakt kialakítása. A rendszer „agya” a kifejlesztett program, amely egyrészt a kis számítógépeken folyamatosan fut mérés közben, másrészt azon programok, amelyek az adatkinyerést és -elemzést lehetővé teszik. A teljes összeállítás tesztfázisban működik, de a jövőben kalibrált-validált módon akár nagy mennyiségű adatgyűjtésre és -elemzésre is alkalmazható lehet a kötöttpályás hálózatokon.

A mérőműszer

A kifejlesztett, komplex mérőműszer több eszközkomponensből áll össze:

• Arduino MKR Zero,
• DS3231 RTC modul,
• ADXL345 gyorsulásmérő,
• Arduino MKR GPS Shield.

A komplex műszer két, különálló műszerként is működik.
Az első műszer egy nagyobb egység, amelyet a mérések során rendszerint a menetrend szerint közlekedő járművek padlójára rögzítünk (1. ábra). Az Arduino MKR Zero a mérőeszköz központi eleme, amely egy SAMD21 Cortex-M0+ mikrovezérlőn alapul. Ideális alap, mivel teljesíti az adatgyűjtésre megadott kezdeti követelményeket. Ebben a műszerben található az Arduino MKR GPS Shield, amely kifejezetten az Arduino MKR sorozathoz készült és lehetővé teszi a GPS-adatok pontos rögzítését. A GPS-modul képes a globális pozicionálási rendszerek (például GPS, GLONASS, Galileo) által sugárzott jeleket fogadni és feldolgozni. A későbbi elemzésekhez a földrajzi szélesség, hosszúság, magasság és sebesség adatai kerülnek rögzítésre. Szintén az első műszer komponense egy ADXL345 gyorsulásmérő, egy kis, alacsony energiafogyasztású, háromtengelyű MEMS gyorsulásmérő, amely képes akár ±16 g-ig mérni a gyorsulást. Található még az egységben két darab valós idejű DS3231 óramodul, amely hőmérséklet-kompenzált kristályoszcillátorral (TCXO) rendelkezik a megfelelő pontosság érdekében.

A második műszer egy kisebb egység, amely a mérések során könnyen rögzíthető a menetrend szerint közlekedő járművek ablakára (2. ábra). Ez szintén tartalmaz egy Arduino MKR Zerót, egy DS3231 RTC modult és egy ADXL345 gyorsulásmérőt.
A műszerek használhatóságának szempontjából kulcsfontosságú volt, hogy a folyamatos hordozás és működés biztosítva legyen. Az eszközök energiaellátása egy külső powerbankról történik, amely garantálja a rendszer mobilitását és lehetővé teszi, hogy akár mozgó járművön is korlátozások nélkül működőképes legyen. A powerbank mikro-USB-kábel segítségével energiával látja el az Arduino MKR Zerót és ezt követően a mikrovezérlő felel a csatlakoztatott modulok energiaellátásáért (ADXL345, DS3231 RTC, MKR GPS Shield). Ez a konfiguráció elősegíti a rendszer egyszerűségét és a komponensek közötti zökkenőmentes energiaellátást.
A mérőeszközök az adatokat 32 GB-os SD-kártyára rögzítik, ami biztosítja az adatok nagy mennyiségű és hosszú távú tárolásának lehetőségét. A gyorsulásmérők által generált adatokat byte kód formában mentjük az SD-kártyára. Ez a módszer lehetővé teszi az adatok kompakt tárolását, miközben optimalizálja az írási sebességet, ami különösen fontos a valós idejű adatgyűjtés során. A gyűjtött adatok a mérések után külön program segítségével konvertálásra kerülnek a megfelelő formátumba.
A műszerek megépítése után fontos feladat volt a tesztelés, amelyet több módon végeztünk el. Az alapvető működési pontosság ellenőrzése céljából nyugalmi állapotban teszteltük az eszközt és ezzel együtt végeztük el a szükséges kalibrálást. Ezt a fázist egy kocka és kétpontos kalibrálás segítségével hajtottuk végre, ahol két darab tengelyen 0 g értéket, míg a harmadik tengelyen 1 g értéket vártunk el a gravitációs erő hatása miatt. Ez biztosította az eszköz helyesen kalibrált működését. (A jövőben természetesen hitelesített gyorsulásmérőkkel szükséges majd a kalibrációt elvégezni.) Az egyik fő tesztelési módszer személygépkocsi segítségével történt, ahol az eszközt különböző sebességeknél és manővereknél (például gyorsítás, fékezés, ívben haladás – kanyarodás) használtuk. Ez a tesztelési fázis lehetővé tette, hogy valós körülmények között értékeljük az eszköz teljesítményét. A megbízhatóság és pontosság további ellenőrzése érdekében összehasonlító teszteket végeztünk egy GoPro Hero Black 11 kamerába beépített gyorsulásmérővel. Az autóval végzett tesztelés során párhuzamosan rögzítettük az adatokat mindkét eszközzel, ami lehetővé tette az eredmények összevetését és a pontosság kiértékelését. A tesztek többszöri elvégzése után bebizonyosodott, hogy a műszerek megfelelően működnek és képesek menetrend szerint közlekedő villamosokon is méréseket végezni, adatokat menteni mérés közben.

A vizsgált szakasz bemutatása

A kutatás során Budapest városi vasúti pályahálózatán összesen 16 darab mintaszakasz került kiválasztásra, amelyek a szelvényezés szerinti jobb vágányok. Ezeket rendszeresen szemrevételezéssel vizsgáltuk, illetve vágánygeometriai méréseket végeztünk a BKV Zrt. szakmai segítségével. Ezen szakaszok különböző élettartamú burkolt és nyitott (zúzottkő ágyazatos) vágányok. Az évek során megfigyelhettük szabad szemmel és a mért adatok elemzésével is geometriai romlásukat, illetve megismerhettük a mérővillamos által mért dinamikai jellemzők kiértékelését.
Jelen cikkben vizsgált szakasz egy közel 1000 méter hosszú, 2002-ben épült zúzottkő ágyazatos pályaszakasz. Az alkalmazott sínprofil 49E1, az alátámasztás zúzottkő ágyazatban vasbeton keresztalj, amelyekre a sínszálak SKL típusú sínleerősítéssel vannak rögzítve. A vízszintes vonalvezetés meghatározóan egyenes, egy 14 méter hosszú (R=278 m) bal irányú ív és egy 34 méter hosszú (R=250 m) jobb irányú ív található a szakaszon, amelyeknek átmeneti íve és túlemelése nincsen. A vasúti pálya magassági vonalvezetése a szakasz első felében átlagosan 4,4‰-kel emelkedik, a második felében 2,4‰, majd 3,6‰ az emelkedő értéke. A szakaszon öt csoport szintbeni útátjáró és két megállóhely van, kitérő pedig nem található.
A szakasz 2018–2023 évek közötti időszakban vizsgált forgalmi terhelése évente alig változott, átlagosan 3,92 millió elegytonna/év. A városi vasúti villamosvonalak forgalmi terhelés szerinti osztályozása alapján közepes terhelésű vonal [25]. A villamosvonalon TW600 motorkocsi és alacsony padlós CAF5 villamosok közlekednek, csúcsidőben átlagosan 4 perces időközönként.
A helyszíni bejárás során tapasztaltak alapján elmondható, hogy a betonaljak, alátámasztások nem sérültek vagy hiányosak. A sínszálak felülete kopott, a sínfejhibák szabad szemmel is jól láthatók (3. ábra). A zúzottkő ágyazat szennyezett, különösen a megállóhelyek környezetében, ahol homokkal (valószínűsíthetően fékezőhomokkal) telített.
A vizsgált szakaszon több vízzsák is fellelhető (4. ábra).

Geometriai mérések

A vágánygeometriai mérések elvégzése 2021 júniusa óta a Metalelektro Méréstechnika Kft. által gyártott és karbantartott TrackScan 4.01 műszerrel történik, amelyet a BKV Zrt. biztosít a megfelelő szakmai felügyelettel együtt. A mérések rendszerint éjszakai üzemszünetben történtek, összesen nyolc alkalommal.
A TrackScan 4.01 műszer egy összetett, kézi vágánymérő készülék, amely vasúti vágányok és kitérők folyamatos mérésére alkalmas. A mérések során különböző paramétereket képes egy időben mérni és az adatokat 25 centiméterenként rögzíteni (így egy sínméter esetében négyszer rögzít adatot) [26]:

• nyomtávolság [mm],
• irány [mm],
• süppedés [mm],
• vezetéstávolság [mm],
• túlemelés [mm],
• síktorzulás [mm/m],
• pályahossz [m].

Az évek során elvégzett mérések és mérési eredmények kiértékelésének tapasztalata alapján a mért vágánygeometriai jellemzők közül a nyomtávolság [mm], irány [mm] és süppedés [mm] paraméterek kiértékelését végezzük el, majd hasonlítjuk össze a dinamikai mérések eredményeivel.
A nyomtávolság-paraméter esetében a Közúti vasúti pályaépítés és fenntartási műszaki utasítás (P.1.I. kötet) [27] mérethatárokként különböző eltéréseket enged meg a normálnyomtávolság (1435 mm) névleges értékétől. Jelen elemzésben a nyomtávolság-paraméter mérethatár-kategóriába való csoportosítása nem releváns, hiszen a kiugró értékek fontosak az összehasonlítás szempontjából. A nyomtávolság-paraméter mérési eredményeinek kiértékelése alapján látható (5. ábra), hogy a nyomtávolság értékének időbeli növekedése jellemző a vizsgált szakaszra, amelyet a mérési eredmények éves átlag­értékeinek trendvonala is alátámaszt. A legutóbbi, 2023. októberi mérési eredmények hasonlók a 2022. áprilisi és 2023. májusi eredményekhez. Ebből arra lehet következtetni, hogy az őszi/téli időszakban általában jellemző nyomtávszűkülés már nem jelentkezik akkora mértékben, azaz az idő előrehaladtával a melegebb időjárási viszonyokban jellemző értékek a hidegebb időszakokban válnak általánossá (pontosítva: időbeli bővülő nyomtávolság tapasztalható a vizsgált szakaszon). A rögzített értékek megfelelők, három esetben fordul elő kiugró érték, mindhárom csoport útátjáróban található. Az adott szakaszon – csak a nyomtávolság-paraméter értékeit figyelembe véve – a forgalombiztonság megfelelő.

Az irányparaméter a két sínszál vízszintes értelmű eltéréseit mutatja, a Track­Scan 4.01 műszer mindkét sínszálra külön rögzít adatokat negatív vagy pozitív értelemben. A rögzített értékek átlaga mérésenként a 0,5 millimétert sem éri el, így a szemléletesebb ábrázolás céljából a nyolc mérés esetében a 25 centiméterenként rögzített adatokat átlagoltuk és így sínszálanként egy vonaldiagramot kaptunk. A 6. ábrán látható, hogy a két sínszál jellemzően azonos helyeken mutat kiugró adatokat, azaz ezekben az esetekben mindkét sínszál egy irányba mozdult el, valószínűsíthető, hogy a vasbeton keresztalj vagy az alépítmény mozgása (deformációja) van hatással a sínszálak irányára. A rögzített értékek igen kismértékűek, így az adott szakaszon – csak az irányparaméter értékeit figyelembe véve – a forgalombiztonság megfelelő.

A süppedésparaméter a két sínszál függőleges értelmű eltéréseit adja meg az ideálishoz képest, a TrackScan 4.01 műszer mindkét sínszálra külön rögzít adatokat negatív vagy pozitív értelemben. Az irányparaméterhez hasonlóan, a szemléletesebb ábrázolás céljából, a nyolc mérés esetében a 25 centiméterenként rögzített adatokat átlagoltuk és így sínszálanként egy vonaldiagramot kaptunk. A 7. ábrán látható, hogy a jobb sínszál a bal sínszálhoz képest alacsonyabban van, a süppedés mértéke átlagosan 1,0 centiméter.

A jobb sínszál a vasúti pálya mellett futó közúthoz és a megállóhelyekhez közelebb eső, így feltételezhető, hogy ezen körülmények is befolyásolják a süppedés mértékét. Habár a rögzített értékek a jobb sínszál esetében jelentősebbek, az adott szakaszon – csak a süppedésparaméter értékeit figyelembe véve – a forgalombiztonság megfelelő.
A szakaszról a vágánygeometriai paramétereket vizsgálva elmondható, hogy bár minden paraméter esetében vannak kiugró értékek, a pálya állapota megfelelő és forgalombiztos.

Dinamikai mérések menetrend szerint közlekedő járművön

A korábban bemutatott, menetrend szerint közlekedő járművön használható műszerekkel hétvégén, napközben végeztük a mérést. A CAF5 URBOS egy alacsony padlós jármű, amely csuklókkal összekapcsolt modulokból áll. A mérés során a műszerek a jármű közepén, a szabadon futó forgóváz fölé lettek elhelyezve (8. ábra). Az első műszer a jármű menetiránynak megfelelő jobb oldalán a padlón, a második műszer a menetiránynak megfelelő bal oldalon, az ablakon került elhelyezésre. Mindkét műszer esetében az ADXL345 gyorsulásmérő ax tengelye a menetiránynak megfelelő, a tengelyek állása és iránya a mérések során azonos.
A mérési eredményekkel kapcsolatban fontos megjegyezni, hogy kiértékelésük még kezdeti fázisban van, a megfelelő következtetések és összefüggések megállapításához számos további mérés és kiértékelés elvégzése szükséges. A kezdetleges mérési eredményekből képesek vagyunk következtetéseket levonni, azonban ezek későbbi, minél több méréssel való alátámasztása elengedhetetlen.

A műszerek ax rögzített adatai alapján képesek vagyunk következtetni a jármű gyorsítására, lassítására, illetve a szabálytalan hosszirányú járműrezgésekre, gyorsulásokra. A 9. ábra alapján elmondható, hogy a második műszer mért gyorsulás­értékei nagyobb intervallumban „mozogtak”. (Valószínűsíthetően a második műszer ablakon elhelyezett pozíciójából kifolyólag kaphattunk nagyobb gyorsulás­értékeket.)
A gyorsulásmérő ay tengelyének rögzített adatai alapján következtethetünk az oldalirányú pályaegyenletlenségekre, például irányhibákra, valamint részben a keresztsüppedés/túlemelés jellemzők változására is. A mért és rögzített értékeket az ívekben fellépő centrifugális gyorsulás is befolyásolja. A 10. ábra alapján látható, hogy a két műszer értékei közel azonosan változnak, azonban nagyságukban van eltérés. (Ez szintén a második műszer magasabban lévő elhelyezési pozíciója miatt adódik.) Amikor az értékek közel nullára csökkennek, az a jármű megállóhelyre történő érkezését és a megállását jelenti, a sebesség csökkenésével az ay értékei is csökkennek. A mért eredmények kiugró értékei jelzik a pályahibákat, azonban nem pontosan ugyanazokon a helyeken, ahol a TrackScan 4.01 műszer rögzített pályahibákat (6. és 10. ábra). Ennek oka lehet, hogy a járműdinamikai mérések terhelt mérésnek, a geometriai mérések terheletlen mérésnek számítanak.
A gyorsulásmérő az tengelyének rögzített adatai alapján következtethetünk a függőleges pályaegyenetlenségekre, például süppedésre, hegesztési/sínillesztési hibák helyeire. A 11. ábrán az első és a második műszer esetében a diagramok közel egyezést mutatnak. Az első műszer a jelentősebb süppedést mutató jobb sínszál felett került elhelyezésre, a járműdinamikai mérés eredményei alapján azonban feltételezhető, hogy a süppedés a két sínszál esetében hasonló mértékű a terhelés hatására. A 7. ábrán a 23+39,50, illetve a végszelvényben a kiugró süppedésparaméter-értékek a dinamikai mérések eredményeiben is kiugró értékeket mutatnak (7. és 11. ábra).

A nyomtávolság-paraméter szűkülésére, illetve bővülésére nem lehet egyértelműen következtetni a dinamikai mérésekből, ezért mindkét járműdinamikai műszer összes tengelyének mért értékeit egyben kell vizsgálnunk és megállapítani, hogy találunk-e egyértelmű kapcsolatot. Az 5. ábra alapján az 1. táblázatban három kiugró értéksort vizsgálunk. Ezen értékek nem pontszerű hibák, hiszen a maximális érték elérése fokozatosan történik és minden mérés során mutatkozott. (A nyomtávolság 1 méteres változását tekintve is kiugró értékeket mutat ezek környezete, a TrackScan-mérések alapján fokozatosan szűkül/nő a nyomtáv, majd újra bővül/szűkül.)

A mérési eredmények összehasonlítása alapján egyelőre nem állapítható meg egyértelmű kapcsolat a nyomtávolság-paraméter változása és a járműdinamikai mérések eredményei között, csak bizonyos esetekben találunk összefüggést. A jövőben kiemelten fontos, hogy a nyomtávolság-paraméter kiugró értékeinek beazonosítása lehetségessé váljon a menetrend szerint közlekedő járművek dinamikai mérései alapján, az egyértelműsítés érdekében további mérések és megfelelő statisztikai elemzések szükségesek.

Konklúzió

A kutatás keretében kifejlesztett hordozható járműdinamikai mérőrendszer jelentős előrelépést képvisel a budapesti közúti vasúti pályák állapotának folyamatos ellen­őrzésében. Napjaink egyik legnagyobb kihívása, hogy a közúti vasúti pályák állapotát és romlását pontosan megállapítsuk annak érdekében, hogy a forgalombiztonság és az utazáskomfort szempontjából szükséges beavatkozások időben elvégezhetők legyenek. A pályák állapotát hagyományosan helyszíni bejárással, vágánygeometriai mérésekkel, valamint járműdinamikai mérésekkel vizsgálják. A BKV Zrt. jelenlegi járműdinamikai mérőrendszere egy Ganz típusú, nyolctengelyű, ipari csuklós villamos motorkocsin található, amely 25 km/h sebességgel végzi a méréseket.
Fontosnak tartottuk, hogy a menetrend szerinti, általában 50 km/h sebességgel közlekedő járművek dinamikájáról is részletes információkat szerezzünk. Ennek érdekében kifejlesztettünk egy gyorsulásmérőkből és GPS-ből álló hordozható műszert, amely bármilyen típusú és bármikor közlekedő villamoson alkalmazható. Ez a rendszer lehetővé teszi a villamosok valós idejű dinamikai viselkedésének elemzését, bármilyen típusú járművön, ezzel biztosítva a pálya állapotának folyamatos és pontos nyomon követését.
A műszerek rögzített adatai alapján képet kapunk a jármű gyorsításáról, lassításáról, illetve a szabálytalan hosszirányú járműrezgésekről és -gyorsulásokról. A gyorsulásmérő ay tengelyének adatai alapján következtethetünk az oldalirányú pályaegyenletlenségekre, például irányhibákra, valamint a keresztsüppedés és túl­emelés változásaira. Az az tengely adatai alapján pedig a függőleges pályaegyenletlenségeket, például süppedést és hegesztési/sínillesztési hibákat lehet kimutatni.
A nyomtávszűkülésre és nyomtávbővülésre ugyanakkor nem lehet egyértelműen következtetni a dinamikai mérésekből, ezért a jövőben kiemelten fontos a nyomtávolság-paraméter kiugró értékeinek pontos beazonosítása a menetrend szerint közlekedő járművek dinamikai mérései alapján. A jelenlegi mérési eredmények kiértékelése még kezdeti fázisban van, a megfelelő következtetések és összefüggések megállapításához további mérések szükségesek. Bár a kezdetleges mérési eredményekből már most is vonhatók le bizonyos következtetések, ezek alátámasztása további adatgyűjtést igényel.
Összegzésként megállapítható, hogy az új mérőrendszer jelentős mértékben hozzájárulhat a vasúti pályageometria és járműdinamika közötti kapcsolat alaposabb megértéséhez. Az új mérőrendszer és a kutatás eredményei nemcsak a budapesti közlekedési hálózat számára, hanem általánosan is értékes eszközként szolgálhatnak a városi vasúti rendszerek fenntartható és biztonságos üzemeltetéséhez.

Köszönetnyilvánítás

A BKV Zrt. szakmai támogatásával készült.
A Kulturális és Innovációs Minisztérium ÚNKP-23-3-II kódszámú Új Nemzeti Kiválóság Programjának a Nemzeti, Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Alapból finanszírozott szakmai támogatásával készült.
A szerzők köszönik a SZE-RAIL kutatócsoport szakmai támogatását is.