A vasút biztonsága mindig is az egyik legfontosabb kérdés volt és marad a vasúti pálya tervezéséről, építéséről és karbantartásáról folytatott eszmecserékben. Bár az infrastruktúra tulajdonosai Európa-szerte megfelelő állapotban tartják a vágányokat a baleseti kockázat minimalizálása érdekében, nagy tengelyterhelésű vagy nem optimálisan karbantartott járművek is közlekedhetnek e vágányokon.
Számos országban építettek ki vágány melletti mérőrendszereket, amelyek követni tudják a túlterhelt kocsikat, azokat, amelyek kerekei nem tökéletes formájúak, a kopott kerékpárokat és az olyan kocsikat, amelyek futási viselkedése kisikláshoz vezethet. A mérőállomások autonóm lokális létesítmények, amelyek az elhaladó vonat futási viselkedéséről (pl. erőkről, terhelésekről, deformálódott kerekekről stb.), valamint zajkibocsátásáról adnak információt. A kerék és sín közötti kölcsönkapcsolat fizikai hatásait a vágányba épített szenzorok mérik.
Számos európai országban alkalmaznak tengelyterhelés-ellenőrző pontokat annak érdekében, hogy információt kapjanak a hálózatban megjelenő valós terhelésmegoszlásról. Vannak olyan rendszerek is, amelyek a vasúti járművek zajkibocsátását határozzák meg. Amerikában ezek a mérőállomások nagyon modernek. Az összes teherkocsi fel van szerelve RFID (rádiófrekvenciás azonosítás) rendszerrel, így a mérési eredmények könnyen hozzárendelhetők a járműhöz. A pályavasút, a gördülőállomány tulajdonosa és a vállalkozó vasút egyaránt mindig nagy érdeklődéssel várja a mérési eredményeket.
1. Gazdasági előnyök a vasúti hálózat szempontjából
A vállalkozó vasutak számára:
• Nyilvánvalóvá válik a szállítási szerződésben meghatározott hasznos teher és a valódi terhelés közötti különbség.
A pályavasutak számára:
• A kerekek jobb állapota a pálya romlásának csökkenéséhez vezet (pl. pálya-és hídkárosodás).
• A vágányhasználati díj automatikusan kiszámítható, beleértve a túlterhelés, illetve a vágánybarát és az alacsony zajkibocsátású járművek miatt alkalmazott korrekciókat is.
A gördülőállomány kezelői számára:
• A kerékhibák felderítése meghosszabbítja a járművek hasznos élettartamát és csökkenti az életciklusköltséget.
• Elkerülhetők az olyan váratlan meghibásodások, amelyek leállásra kényszerítik a járművet.
• Az időszakos helyett a valós állapotot figyelembe vevő karbantartással javítható a karbantartási folyamat.
• A kézi vizsgálatok (kerékszögletesség mérése) lecserélhetők automata tengelyterhelés-ellenőrző ponti mérésekkel.
• Adott gördülőállomány figyelemmel kísérésénél meg lehet figyelni a kopási trendeket és tendenciákat.
• A zajkibocsátás mérése a járműhibák korai felderítésére használható.
Az átjárható mérőállomások kategóriái (aszerint, mire irányulnak a mérések):
• Instabilitás kockázata egyenes vonalon
• Kisiklás kockázata, sín- és kerékpárterhelés (feszültség) ívekben, oldalirányú kerékerők
• Függőleges kerékerők (állandó és dinamikus), túlterhelés
A mérőállomások pontos eredményeket adnak. Ezek azonban csak akkor bírnak valós értékkel, ha hozzárendelhetők egy adott járműhöz, tengelyhez vagy kerékhez, és az adatokat megfelelő módon lehet továbbítani és cserélni a rendszer érintett szereplői között. Ma már számos országban alkalmaznak hazai alapon kidolgozott „járműazonosító rendszert”. A jelen projekt célja az igények meghatározása és azok európai szinten történő harmonizálása. Egy folyamatban lévő pilot-projektben Ausztria és Svájc megosztják egymással a határ előtt közvetlenül telepített mérőállomások adatait azért, hogy a másik ország pályavasútját már azelőtt értesíthessék a vonatok műszaki állapotáról, mielőtt azok belépnek az országba.
2. A HRMS – Az átjárható mérőállomások kategorizálása
2.1. Jelenleg a legjobb
Az egyes európai vasutak eltérő mérési és értékelési alapelveket használnak a kerékerők mérésére és az azoknak megfelelő mennyiségek számítására. Számos ilyen rendszert helyi vagy országos igények kielégítésére fejlesztettek ki. Az ezekből nyert eredmények nem teljeskörűen összehasonlíthatók egymással. A vonatkozó, érvényben lévő szabványok nem felelnek meg mindenben az átjárhatóság követelményeinek. A cél egyetértés kialakítása a mérőállomások és a mért eredmények kategorizálása tekintetében (amint az az ALC-projekt eredményeiből is látszik) a szabványoknak, valamint az egyes adat-ügyfelek, pl. pályavasutak, mozdonyvezetők, kocsitulajdonosok és mások igényeinek megfelelően. (ALC: tengelyterhelés-ellenőrző pont)
2.2. Kategorizálás (táblázat)
A mérőállomásokat az alábbiak szerint kell kategorizálni:
• Kockázat kategóriája
• Ügyfelek típusa
• Mért paraméterek, mennyiségek és mértékegységek
• Mérések megkívánt pontossága
3. Határértékek és az értékelési koncepció
A cél közös határérték- és mértékegység-készlet kialakítása. Ezen közös határértékek alapján közös szabálykészletet, beavatkozásokat és eljárásokat kell kidolgozni. A korábbi kutatások azt mutatták, hogy az európai vasutak különböző karbantartási és biztonsági határértékeket, alapelveket és mértékegységeket használnak. A határon átlépő vonatok mérési eredményeit különbözőképpen kezelik. Eltérő értékelési mennyiségek és határértékek kerültek meghatározásra, és ezen határértékek alapján különböző szabályokat, beavatkozásokat és eljárásokat dolgoztak ki. A fő cél a túlterhelt járművek és a kerékhibák esetében használt értékelési mennyiségek és határértékek harmonizálása. A projekt az INNOTRACK eredményeire és az UIC-nél végzett munkára épít.
A határérték-meghatározási tevékenység a függőleges (ütő) terhelésekre fog összpontosítani (1. és 2. kép).Emellett a figyelem középpontjában lesz még a biztonság/kockázat értékelés is. Az eredmények műszaki-tudományos alapot képeznek a határértékek meghatározásához, melyekből kísérleti jelleggel határértékeket definiálunk, és utána értékeljük ezeknek az üzemeltetésre gyakorolt hatását. Mindemellett ajánlás kerül megfogalmazásra a riasztási határértékek kereteire is. Jelenleg az ALC és INNOTRACK eredményeit vizsgáljuk, és következtetéseket fogalmazunk meg a jelenlegi gyakorlat és az állagromlási mechanizmusok vonatkozásában.
1. kép Függőleges kerékütés által okozott fejrepedés (head check) és a nyomtávsarokról kiinduló repedés
2. kép Függőleges ütőterhelés által okozott fejrepedés
Az INNOTRACK eredményeit további elvonatkoztatásnak vetjük alá, hogy „legrosszabb eset” és „súlyos eset” típusú határértékeket tudjunk belőlük kinyerni. Megbecsüljük a jelenség súlyosságát, a súlyosságot befolyásoló paramétereket, a jelenlegi mérési eredményeket, valamint ezen paraméterek határértékeit. Információt gyűjtünk egyéb releváns kutatásokból is (nevezetesen a D-RAIL projektből). A középpontban a függőleges ütőterhelés, valamint a biztonság/kockázat értékelése áll. A cél a túlterhelt járművek és a kerékhibák (3. és 4. kép) esetében használt értékelési mennyiségek és határértékek harmonizálása.
3. kép Kerékhibák által okozott fejrepedezés
4. kép Vontatás által okozott fejrepedés és head check
A határértékeken és értékelési alapelveken dolgozó munkacsoport műszaki és tudományos alapot fog teremteni a határértékek számításához, ami által a középpontba a függőleges terhelés, valamint a síntörés kockázata kerül, és ezt kiterjesztjük az oldalirányú dinamikára és a sínre felfutás kockázatára is.
3.1. Törési kritérium
Ahhoz, hogy a törést adott hőmérsékleten hozzá lehessen rendelni a hajlítófeszültséghez, a törési kritériumot az alábbiak szerint határozzuk meg:
Ahol KIt a ΔT által meghatározott hőterhelésből számított feszültségintenzitás, melyet így számítunk ki:
mikor is T a jelenlegi, és Tn a semleges hőmérséklet és KIc a töréssel szembeni ellenállás (beleértve a biztonsági tényezőt, a ridegség befolyását stb.).
3.2. A prediktív modell összefoglalása
A három járműves modell legrosszabb esetben érvényesülő forgatókönyve esetében (az érintkezéses terhelés időbeni lefutása vonatkozásában) a hajlítónyomatékot adott ütési terhelési nagyságrendre és ágyazati merevségre számítjuk ki. A hajlítófeszültségeket és vonatkozó feszültségintenzitásokat adott repedéshosszokra (síntalp esetében 5, 10, 15 és 20 mm, sínfej esetében 25, 30, 35 és 40 mm) értelmezzük. A hőfeszültségeket és vonatkozó feszültségintenzitásokat két hőmérsékletre (jelen esetben ΔT = 20 °C és ΔT =40 °C) és adott repedéshosszokra értékeljük. A töréssel szembeni ellenállást becsüljük (itt 40 MPa√m értékre vettük fel), és csökkentjük a hőfeszültség intenzitásával (1. és 2. ábra).
1. ábra Síntalprepedések normál vágány esetében – alacsony hőmérsékletek (40 C fokkal a feszültségmentes érték alatt) és 350 kN ütőterhelés esetén akkor valószínűsíthető a törés 5 mm-es síntalprepedéseknél, ha a töréssel szembeni ellenállás 40 MPa/v
2. ábra Síntalprepedések alá nem támasztott aljak esetében – alacsony hőmérsékletek (40 °C-kal a
feszültségmentes érték alatt) és 290 kN ütőterhelés esetén akkor valószínűsíthető a törés 5 mm-es
síntalprepedésnél, ha a töréssel szembeni ellenállás 40 MPa√m
4. A zajmérések reprodukálhatósága
A vasút megítéléséhez nagyban hozzájárul az általa keltett zaj. A jelenleg használatos zajfigyelő rendszerek különféle módszerekkel határozzák meg a vasúti zajt. A határon áthaladó vasúti járművekre figyelemmel erősen ajánlott ezen módszerek európai szinten történő harmonizálása. A vasúti járművek tanúsítására meghatározott szabályok vannak érvényben. A járműveket egy ÁME-nek (átjárhatósági műszaki előírás) megfelelő tesztszakaszon kell mérni, vagyis az akusztikai sínegyenetlenség, a függőleges és oldalirányú vágányromlási sebesség (track decay rate, TDR) és az időjárási feltételek egyaránt meg kell feleljenek az ÁME-határértékeknek. Az automata infrastruktúra zajmegfigyelő rendszerek esetében nem léteznek még általánosan elfogadott szabályok vagy szabványok. A zajmérések reprodukálhatóságának garantálásához pontosan meg kell határozni a mérőfej előtt lévő pálya és talaj feltételeit (akusztikus impedancia) a sínegyenetlenség és vágányromlási sebesség szempontjából. Következésképpen meg kell erősíteni, hogy a pályához képest hová kerüljenek a mérőfejek és a szenzorok (5a és 5b kép).
5a kép Az ARGOS rendszer szabályozó állványa
5b kép Acramos mérőfej zajméréshez
Értékelni kell továbbá az időjárási feltételeknek (víz a sínen, hó, szél) a zajmérés hitelességére gyakorolt hatását is. A cél a jelenleg használt típus tesztmérések reprodukálhatóságának vizsgálata, valamint az, hogy a mérőállomás mérje az elhaladó vonat minden egyes kocsijának zajállapotát. Ezen eredményekből lehet aztán általánosan elfogadott módszertant kialakítani a zajalapú pályahasználati díj meghatározásához.
5. Járműazonosítási szabvány, átjárható adatállomány és adattovábbítás
A mérőállomások által mért eredmények csak akkor bírnak valós értékkel, ha hozzárendelhetők egy adott járműhöz, tengelyhez vagy kerékhez, és az adatokat megfelelő módon lehet továbbítani és cserélni a rendszer érintett szereplői között. Ma nem léteznek még átjárható szabályok a forgalmi szakemberek, a mozdonyvezetők, a járműtulajdonosok és mindenekelőtt a pályavasutak között a mérési eredmények cseréjére. A jövő valószínűleg a paszszív vagy aktív RFID technológiáé lesz. A kamerás rendszereknek vannak gyengeségei, de különleges körülmények között jó eredményeket tudnak adni. Az osztrák vasúthálózatban mindkettőt tesztelik próba-mérőállomásokon.
6. HRMS – a jövő
A projekt végén a vasúti mérőállomásokat Európában (a HRMS projekt résztvevőinél) egy HRMS kérdőív segítségével fogjuk összesíteni. Az eredményeket zárójelentés formájában fogjuk közzétenni. Ezután a feladat az lesz, hogy találjunk szabványosított megoldást az adatok mentésére és cseréjére a saját vasúti hálózatban, sőt a határon túl is.
Felhasznált irodalom:
Elena Kabo, Anders Ekberg, Jens Nielsen & Björn Paulsson: HRMS WorkPackage 2: Limit values,
assessment concepts, In preparation.
CHARMEC/Chalmers University of Technology – http://www.charmec.chalmers.se
1. kép Anders Ekberg, Bengt Åkesson & Elena Kabo, Wheel/rail rolling contact fatigue — probe, predict, prevent, Proceedings of the 9th International Conference on Contact Mechanics and Wear of Rail/Wheel Systems (CM2012), August 27 – 30, Chengdu, China, pp 29–41, 2012
1. és 2. ábra Elena Kabo, Anders Ekberg, Jens Nielsen & Björn Paulsson: HRMS WorkPackage 2:
Limit values, assessment concepts, In preparation. Florian Saliger, ÖBB, ALC – Report, ÖBB Documents,
HRMS Project Documents
Laurent Schmitt, UIC, HRMS-questionnaire, HRMS Project Documents
