A villamos vontatás tárgyalásakor is előtérbe kerül az a szempont, hogy a kialakult pályahibák és azok kijavításának elmaradása miatt vasútbiztonsági okokból bevezetésre kerülő sebességkorlátozások (ún. lassújelek) nagymértékben megnövelik a vontatáshoz szükséges energiafogyasztást.* A dízelüzemű vontatójárműveknél és motorvonatoknál ez a többlet a gázolajfogyasztásban jelentkezik.

* A Széchenyi István Egyetem kutatócsoportja 2008-ban kapott először megbízást a vasúti sebességkorlátozások okozta többlet gyorsítási energia meghatározásának egzakt kidolgozására (Universitas-Győr Nonprofit Kft., 2009; Kiss, 2009a; Kiss, 2009b), majd a téma folytatásaként a lassújelek okozta vontatási energiatöbblet költségeinek és a lassújelet okozó pályahiba kijavítási költségeinek összevetése témával foglalkoztunk (Universitas-Győr Nonprofit Kft., 2010).
 
A korábbi cikkekben és tanulmányokban publikált számításaink során megbízható adatokkal akkor dolgozhattunk, amikor villamos mozdonyon, illetve villamos motorvonatokon végzett saját energiafogyasztási méréseink eredményeire tá­masz­kodhattunk, ám ezek további pontosításra szorultak.
A MÁV Zrt. PLÜ PLF 2011-ben megbízta a Széchenyi István Egyetemet, hogy a villamos vontatással üzemeltetett vasúti pályákon a sebességkorlátozások okozta többletköltségek csökkentési lehetőségeinek komplex vizsgálata téma kidolgozásával folytassa a 2008–2010-ben elvégzett kutatási munkáját, amelyet 2012-ben ku­tatási zárójelentésünkben publikáltunk. Ebben a kutatási jelentésben összefoglaltuk a VMMSZK segítségével végzett vontatási mérőkocsis méréseket három típusú vontatójármű és egy motorvonat esetén.
Írásunk a 2011–2012-es kutatási munkánk során végzett új mérési és számítási eredményeket ismerteti a villamos vontatójárművek és motorvonatok vontatási energiafogyasztásával kapcsolatban.

A vontatási mérőkocsis mérések szükségessége és bemutatása

A korábbi kutatásainkban a sebességkorlátozások miatti többlet gyorsítási energiák meghatározásával kapcsolatos kalkulációknál kizárólag azokra az adatokra tá­maszkodhattunk, amelyekhez méréseket végeztünk a villamos vontatójárművek és motorvonatok vezetőfülkéjében.
Ezek az alábbiak voltak:

• 1116-os sorozatú Siemens Taurus mozdony vontatta Railjet vonatok,
• 1047-es és 1116-os sorozatú Taurus mozdony vontatta személyszállító vo­natok,
• 1047-es és 1116-os sorozatú Taurus mozdony vontatta teherszállító vonatok,
• 5341-es sorozatú Stadler Flirt személyszállító motorvonatok,
• 5342-es sorozatú Bombardier Talent személyszállító motorvonatok.

Amennyiben egy vasútvonalra a teljes villamos vontatási energiafogyasztást kí­vánjuk meghatározni, akkor egyéb vontatójárművek esetében is korrekt adatokra van szükségünk. Ehhez futási kísérleteket kellett elvégezni. Ezek célja az volt, hogy meg lehessen határozni mozdonysorozatonként azokat az ? szorzótényezőket, amelyek kapcsolatot létesítenek a járművön mért, lassújelek utáni gyorsítás miatti energiafogyasztás és az általunk számított gyorsítási energiafogyasztási értékek között.

Az egyszerű összefüggések:

ahol

• m a teljes szerelvény (moz­dony + ko­csik) tömege kg-ban;
• v és v₀ a gyorsítási sebességlépcső értékei m/s dimenzióban;
• E a vontatójármű és/vagy motorvonat által a gyorsításkor elhasznált (mért) villamos energia kWh dimenzióban;
• α a vontató mozdonytól függő szorzóállandó;
• E_sz a mozgási energia képletével számított gyorsítási energia az (1) képlet szerint.

Mivel csak a Taurus villamos mozdony vontatta Railjet, személyszállító, illetve tehervonatok, valamint a Flirt és Talent motorvonatok esetén végeztünk konkrét méréseket (1. táblázat értékei), így a többi villamos vontatójármű esetén energetikus-vasútgépész segítőink kalkuláltak szor­zószámokat a mért gyorsítási ­ener­­giák becsléséhez. Ezekhez az alábbi értékeket használtuk korábbi számításaink során:

• V63-1 (1163) személyvonat esetén: 1,166
• V63-1 (1163) tehervonat esetén: 1,280
• V43 (1043, 1143, 1243, 1343) személyvonat esetén: 1,266
• V43 (1043, 1143, 1243, 1343) tehervonat esetén: 1,313
• M41 (2241, 2341) személyvonat esetén: 1,884
• M41 (2241, 2341) tehervonat esetén: 2,000
• M62-0 (2062) személyvonat esetén: 1,639
• M62-0 (2062) tehervonat esetén: 1,927
• 5429 és 6312 személyvonat esetén: 1,570

A méréssorozat célja az volt, hogy meghatározzuk mozdonysorozatonként, személy- és teherszállító vonatokra kü­lön-külön az ? szorzótényezők pontosabb ér­tékeit.
A VMMSZK 2011 októberében dolgozta ki a mérési tervet, amelyet azután – bizonyos nehézségeket leküzdve – 2012 áprilisában tudott végrehajtani. A mérőszerelvény elrendezése az 1. ábrán látható.

A 2. ábra a mérőszerelvény összeállítását mutatja. Elöl a vizsgált villamos vonómozdony, mögötte a VMK 002 pályaszámú vontatási mérőkocsi haladt, majd a harmadik tag a 1047-es sorozatú Siemens Taurus villamos mozdony volt.
A vontatást az alábbi vonómozdonyokkal, illetve motorvonattal végezték:

• V43-as sorozatú 1338-as villamos mozdony (Szili),
• 1047-es sorozatú Siemens Taurus villamos mozdony (a továbbiakban Tau­rus),
• V63-as sorozatú 151-es villamos mozdony (Gigant),
• 5341-es sorozatú 044-es Stadler Flirt motorvonat (a továbbiakban Flirt).

A mérőkocsi adatai:

• pályaszám: 60 55 99-80 002-2
• max. sebesség: 160 km/h
• hossz: 24,5 m
• önsúly: 41 t
• féksúly: 61 t

A fékezési szimulációt minden esetben ugyanaz az 1047-es sorozatú Taurus villamos mozdony látta el. A mozdony 240 kN fékerő kifejtésére volt képes.
A mérésekre Öttevény és Hegyes­­halom állomások között került sor. Itt a vo­nalvezetés V = 160 km/h sebességű fu­tást is lehetővé tett. Az egyenes és közel vízszintes vonalvezetés nem torzította az energiafogyasztási eredményeket, s a vá­gányok geometriai állapota is jó volt.

A mérési program a következők szerint valósult meg:

• 2012. április 16. és 17.: mérések V43-as sorozatú 1338-as mozdonnyal, 40-60-80-100-120 km/h állandó sebességgel, illetve 40…120 km/h között különböző sebességlépcsőket megvalósítva;
• 2012. április 18. és 19.: mérések Taurus 1047-es sorozatú mozdonnyal, 40-60-80-100-120-140-160 km/h állandó se­bességgel, illetve 40…160 km/h között különböző sebességlépcsőket megvalósítva;
• 2012. április 23. és 24.: mérések V63-as sorozatú 151-es mozdonnyal, 40-60-80-100-120 km/h állandó sebesség-
• gel, illetve 40…120 km/h között különböző sebességlépcsőket megvalósítva;
• 2012. április 25. és 26.: mérések 5341-es sorozatú 044-es Flirt motorvonattal, 40-60-80-100-120-140-160 km/h állandó sebességgel, illetve 40…160 km/h között különböző sebességlépcsőket megvalósítva.

A mérések a V43-as és V63-as sorozatú mozdonyok esetében a növekvő szelvényszám irányában, azaz a jobb vágányon, míg az 1047-es vonómozdonnyal és a Flirt motorvonattal végzett vizsgálatok mindkét menetirányban, a helyes vágányon történtek.
A VMMSZK korábbi mérései, illetve egyéb adatbázisai alapján meghatározta a különböző vontatómozdonyok esetére jellemző vonóerőigényt, adott lépcsőjű gyorsítások, illetve állandó sebességű vontatások eseteire. A lebonyolított futások során az előre meghatározott ­vonó­erő-sebesség munkapontokat állították be, meghatározták a vontatáshoz szükséges teljesítményeket (pl. 2000 t tömegű tehervonat 100 km/h sebességgel történő vontatása), majd a nyílt pályán szimulálták a különböző sebességű lassújeleket. A lassújel miatti fékezés, a lassan bejárandó pályarészen történő áthaladás, majd az adott vonóerejű visszagyorsítás során mérték a felvett villamos energiát. Így a többlet-energiafogyasztás ­meghatároz­ható volt. A különböző, nagyszámú esetet jelentő sebességlépcsőkön végzett mérések, valamint a fékezőerővel szimulált továbbított vonattömeg eltérő három értéke segítségével olyan nagy adathalmaz volt előállítható, amely a gyakorlati esetekre elegendő mintát szolgáltatott.

A futások során a fedélzeti számítógépben regisztrált jelek az alábbiak voltak:

• V a futási sebesség [km/h],
• s a megtett út (aktuális szelvény),
• Up a primer vonali feszültség [kV],
• Ip a primer vonali áramerősség [A],
• cosf az áram és a feszültség közötti fáziseltolódás értéke,
• P a villamos teljesítmény [kW],
• E a felvett villamos energia a teljesítmény idő szerinti integráltjaként [kWh],
• Fv a vonóhorgon mérhető vonóerő [kN],
• valamint a kombinált sebesség és útjel + szelvénymarkerek.

A 3. ábra a VMK 002 vontatási mérőkocsi képernyőjén leolvasható jellemzőket mutatja.

A vonatnemenkénti mérési adatokat terjedelmi okok miatt nem tudjuk ­kö­zölni.

A vontatási mérőkocsis mérések adatfeldolgozása és eredményei

A VMMSZK által átadott mérési adatokat úgy dolgoztuk fel, hogy a sebesség függvényében fajlagos adatokat képeztünk. Vontatómozdonyonként megállapítottuk az úthossz 100 m-es egységére és a szerelvény tömegére eső fajlagos vontatási energia értékét, melynek dimenziója kWh/100 m/kN. A beállított fékerő a Taurus, a V43-as, illetve a V63-as sorozatú vonómozdonyok esetében 10…150 kN között változott. (Az 50 kN személyszállító vonat, a 100 kN könnyűtehervonat a 150 kN pedig nehéztehervonati tömeget szimulált.) A Flirt motorvonat esetében külön fékezés nem történt.
A számítás során azzal a feltételezéssel éltünk, hogy az elhasznált teljes villamos energia a szerelvény továbbítását ­szol­gálja. Állandó sebességű futásnál ez az energia fedezte a vonatellenállással szemben végzett munkát. A számítási összefüggés:

(3)

ahol

• E_felh. a menet során felhasznált villamos energia [kWh],
• Q_teljes a fékezőerő hatásával növelt vonat tömegereje [kN],
• μ_v a vonatellenállás [N/kN],
• s az azonos sebességgel megtett út hossza [m].

A μ_v kifejezés a MÁV 1983. évi ajánlása szerint:

• személyszállító vonatra:

 (4)

• tehervonatra:

  (5)

ahol V: a vonatsebesség [km/h].

Az állandó sebességű futás adataiból számított szerelvény tömegtonnában ki­fejezve:

(6)

A sebességlépcsőben végrehajtott, egyenletesnek feltételezett gyorsításkor az elhasznált teljes villamos energia a vo­nat­ellenállással szemben végzett munka és a gyorsítási munka összegét jelentette. A számított szerelvény tömegtonnában ki­fejezve (Gajári, 1983):

(7)
 

ahol

• μ_vátl a v1 és a v2 sebességekhez tartozó vonatellenállás értékek számtani átlaga [N/kN],
• a_átl a menet során az átlagos gyorsulás [m/s2].

Vontatómozdonyonként feldolgoztuk a beállított fékezőerőhöz számított vonattömegeket, s ahol kellő számú érték (legalább 5) volt, azokat diagramokban dolgoztuk fel (4–6. ábra). A determináltsági koefficiens (R2) értékei kevés esetben mérsékelten erős (0,5…0,75), illetve többségükben igen erős (0,75…1,00) korrelációt mutatnak.

                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
A sebesség függvényében kiadódott fajlagos vontatási energiaszükséglet diagramokat a 7–10. ábra mutatja. V43-as so­rorozatú mozdonyfutásokból ­teher­vonati vontatásra diagramot szerkeszteni nem tudtunk, mert a mérések során 60 kN volt a legnagyobb beállított fékező­erő.

         
Amint azt korábban ismertettük, összefüggést kerestünk a gyorsításkor elhasznált villamos energia mért és az energia módszerrel számított értékei között (1) és (2) képlet. A 11–14. ábra a számított gyorsítási energia függvényében mutatja a VMMSZK által mért gyorsítási energiát.

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                
A 15. ábra a Stadler Flirt motorvonatnál mutatja a mért és a számított rekuperált energia közötti összefüggést.

                                                                                                                                                           
Az 1. táblázatban hasonlítottuk össze a korábbi méréseink során, illetve az új VMMSZK mérések során adódott a korrekciós tényezőket.

A vontatási mérőkocsis mérések eredményeinek kiértékelése

Az a korrekciós tényező elméletileg levezetett értéke és a VMMSZK által végzett mérések eredményeként kiadódott gyakorlati értéke között a Taurus mozdony vontatta személy- és teherszállító szerelvény, valamint a Flirt motorvonat esetében kicsiny a különbség. Nagyon nagy az eltérés azonban a V43-as villamos mozdony és jelentős a V63-as villamos mozdony által végzett vontatásoknál, s ez magyarázatot igényel. Az elméleti értékeket a 2008–2009. évi munkánk során ha­tároztuk meg. Akkor technikai okok miatt nem tudtunk a szóban forgó mozdonyokon méréseket végezni, ezért spekulatív úton, az új mozdonyokra vonatkozó adatok és diagramok alapján számítottuk a korrekciós tényezőket. A VMMSZK 2012. áprilisi mérése a V0431 338-as psz. mozdonnyal történt. Ennek a mozdonynak az életkora meghaladja a 30 évet, és ezért több, az eredményt erősen befolyásoló tényezőre kell tekintettel lenni:

• a V43-as sorozatú, szilícium egyenirányítójú villamos mozdony menetszabályozása lényegesen korszerűtlenebb, kevesebb visszacsatolása nem szolgálja a minél jobb hatásfokú vontatást;
• a villamos mozdonyban már nem az eredeti fődarabok, segédüzemi berendezések vannak;
• a félvezető egyenirányítós mozdonyok javítási ciklusai az 1960-as évektől az alábbiak: futóműjavítás (szükség szerinti javítások), forgóvázcsere, nagyjavítás a meghatározott lefutott km után (teljes szétszerelés, fődarabok és segédüzemi berendezések cseréje).

A mérésnél használt V0431 338-as psz. mozdony fődarabjai és segédüzemi be­rendezései különböző élettartamúak, állapotúak és hatásfokúak. A fődarabok 1%-os hatásfokromlása a jármű összhatásfokának kb. 3-5%-os romlását okozza.
Az első V63-as típusú villamos mozdonyok kb. 18-20 évvel fiatalabbak V43-as típusú társaiknál. Fenntartási rendszerük hasonló a V43-as mozdonyokéhoz. Emiatt itt is feltételezhetünk jelentős összhatásfokromlást, ami az elméleti és gyakorlati értékek közötti különbséget magyarázza.
A számítások során a jövőben a VMMSZK mérések eredményeiből levezetett korrekciós tényezőket kell használni. Csak a Railjet szerelvények és a Talent motorvonat esetében vagyunk kénytelenek az elméletileg meghatározott értékekre hagyatkozni. Mivel a Taurus mozdonyra futtatásból megállapított gyakorlati érték nagyon kicsit tér el az elméletitől (1. táblázat), joggal feltételezhetjük, hogy a Taurus mozdony vontatta Railjet szerelvény esetében is igen jól egyezhet egymással az elméleti és a (meg nem határozott) gyakorlati érték. Hasonló lehet a helyzet a Talent villamos motorvonatok esetében is.

Összefoglalás

Írásunkban a Villamos vontatással üzemeltetett vasúti pályákon a ­sebességkor­látozások okozta többletköltségek csökkentési lehetőségeinek komplex vizsgálata tárgyú kutatás-fejlesztési munka VMMSZK segítségével elvégzett vontatási mérőkocsis méréseinek eredményét ismertettük. Megállapíthatjuk, hogy a 2008–2010 közötti kutatási jelentésekben publikált mérési eredményeket ­pon­tosí­tani lehetett, s ezeket majd alkalmazni is lehet a sebességkorlátozások utáni többlet gyorsítási energiák meghatározásához.

Köszönetnyilvánítás

Kiemelt köszönettel tartozunk a MÁV Zrt. PLF PLK fejlesztőmérnökének, Szekeres Dénesnek és a MÁV Zrt. PLF mérnökének, Csonka Zsoltnak, akik szakmailag támogatták a K+F munkáinkat és lelkiismeretesen konzultáltak velünk. Hálával tartozunk Vitéz Attila és Simányi Miklós ny. főiskolai tanár vasútgépész kollégáinknak is a szakmai támogatásért. Köszönjüka MÁV-Trakció Zrt., a MÁV-Start Zrt., valamint a VMMSZK munkatársainak és mindazoknak a segítségét, akik a munkában részt vettek.

Irodalomjegyzék
Fischer, Sz.: Lassújel miatti többletköltségek és a megszüntetés költségeinek összehasonlítása. Sínek Világa, LIII. évfolyam, 5. szám, 2011, 21–29. o.
Fischer, Sz.: A vasúti zúzottkő ágyazat alá beépített georácsok vágánygeometriát stabilizáló hatásának vizsgálata. PhD-értekezés, Széchenyi István Egyetem Műszaki Tudományi Kar, 2012, 148 o.
Gajári, J.: Vasútépítéstan I. Tankönyvkiadó, Budapest, 1983, 434 o.
Kiss, F.: A vasúti pálya lassújelei okozta vontatási többletenergiák és költségeik. XIII. Nemzetközi Építéstudományi Konferencia (ÉPKO), Erdélyi Magyar Tudományos Társaság (EMT), Csíksomlyó, Románia, 2009. június
11–14., 237–245. o.
Kiss, F.: A vasúti pálya lassújelei okozta vontatási többletenergiák és költségeik. Közlekedésépítési Szemle,
59. évfolyam, 6. szám, 10–16. o.
MÁV: Országos Közforgalmú Vasutak Pályatervezési Szabályzata. KÖZDOK, Budapest, 1983, 185 o.
Universitas-Győr Nonprofit Kft.: A vasúti pályán a lassújelek után szükséges gyorsítások energiaigényének vizsgálata. Kutatási zárójelentés. (Készítette:
Dr. Kiss Ferenc, Fischer Szabolcs, Vitéz Attila, Simányi Miklós), Győr, 2009.07.20., 152 o.
Universitas-Győr Nonprofit Kft.: Lassújelek okozta vontatási energiatöbblet költségeinek és a lassújelet okozó pályahiba kijavítási költségeinek összevetése. Kutatási zárójelentés. (Készítette: Dr. Kiss Ferenc, Fischer Szabolcs, Simányi Miklós), Győr, 2010.12.10., 199 o.
Széchenyi István Egyetem: Villamos
vontatással üzemeltetett vasúti pályákon a sebességkorlátozások okozta többletköltségek csökkentési lehetőségeinek komplex vizsgálata. Kutatási ­záró­jelentés. (Készítette: Dr. Fischer Szabolcs, dr. Horvát Ferenc, dr. Kiss Ferenc), Győr, 2012.10.31., 97 o.