A vasútüzemeltető cégek feladata, hogy a lehető legköltséghatékonyabb módon biztosítsák a pálya-infrastruktúra és a járműpark megfelelő műszaki állapotát, kielégítve a biztonsági követelményeket, illetve a napjainkban a vasút felé támasztott magas utazásikomfort-igényeket is. Ehhez pedig a pálya és a jármű műszaki állapotának naprakész ismerete szükséges, amely megköveteli a legkorszerűbb pálya- és járműdiagnosztikai módszerek alkalmazását.
A nagyvasúti, többek között a MÁV-nál alkalmazott korszerű diagnosztikai eszközök egy az egyben nem alkalmazhatóak a közúti vasutakon, egyrészt az eltérő pályaszerkezeti és geometriai adottságok, másrészt a járműtechnika erős diverzifikáltsága és az igénybevételek erősen eltérő sajátosságai miatt. A kidolgozott új mérési és minősítési módszer a közúti vasúti üzemben alkalmazott sebességtartományban alkalmas a pálya egyenetlenségeinek azonosítására, és a mérési eredmények szerint megbízhatóan reprezentálja a pályaállapot változását is. A pályaállapot minősítésének egyértelmű feladata annak objektív megítélése, hogy valamely vonal (vonalszakasz) egy adott időben az engedélyezett vagy engedélyezni szándékozott sebességű közlekedésre alkalmas-e, illetve ehhez mely konkrét pályahelyeken vagy egybefüggő pályarészeken kell beavatkozást, fenntartási munkát végezni [1]. A hazai gyakorlatban a közúti vasutat üzemeltető cégek pályaállapotminősítése főként a kritikus forgalombiztonságot veszélyeztető hibák kiszűrésére koncentrál, amelynek alapja a gyalogos vonalbejárás vagy a villamossal történő beutazás során vizuálisan megfigyelt hibák azonosítása és kézi nyilvántartása. Ez a szubjektív értékelés egy jól kidolgozott értékelési séma (keretrendszer) esetén is nagyban függ az értékelést végző személytől, és rendkívül munkaigényes is. A megelőző karbantartási munkák hatékony tervezéséhez azonban elengedhetetlen a gépi, terhelt állapotfelmérési módszerek alkalmazása.
Az ideális vágánygeometria hatására a pályán közlekedő jármű szerkezeti elemei (kerékpár, forgóváz, kocsiszekrény) szabályos térbeli mozgást végeznek a pályán, követve annak függőleges és keresztirányú geometriai változásait, vonalvezetését. Az ideálistól eltérő pályageometria esetén az előzőekben említett szabályos mozgásra szuperponálódik a pályahibák által keltett szabálytalan járműmozgás (bólintó, támolygó, kígyózó mozgás), amely mind a pályában, mind pedig a járműben káros lengéseket és rezgéseket generál. A járműdinamikai méréssel behatárolhatók azok a pályaszakaszok, amelyek a jármű futása szempontjából beavatkozást igényelnek, és a kifejlesztett jelfeldolgozó eljárásokkal meghatározható a hibák jellege is, amit egyébként csak több mérőrendszer (vágánygeometriai és síndiagnosztikai) együttes alkalmazásával lehetne vizsgálni.
A mérőrendszer bemutatása
A fentiekkel összhangban a BKV Zrt. egy olyan komplex mérőrendszer kiépítését tűzte ki célul, amely alkalmas a pályaállapot optimális megítélésére. A fejlesztés első ütemében egy inerciális szenzor alapú járműdinamikai mérőrendszer került kiépítésre, amely a kerék-sín kapcsolat rezgésdiagnosztikai vizsgálatán alapul. A pályahibák pontos lokalizálása a műholdas helyazonosítás (GPS), a jármű útjeladója által szolgáltatott pozícióinformáció alapján és a kezelő által rögzített markerek segítségével történik, megítélésüket pedig képrögzítő rendszer is segíti, szükség esetén reflektorokkal világítva meg a pályát. Vannak olyan viszonylatok, ahol a sűrű villamosforgalom vagy a pályát használó jelentős közúti forgalom miatt a vonalbejárás balesetvédelmi okokból nem hajtható végre. Ezeken a helyeken a képrögzítő rendszer által készített felvételek kifejezetten értékesek. A kiértékelőprogram lehetőséget biztosít a mért szakaszokon a mérési eredmények ábrázolása mellett a határérték-átlépések jelölésére és az infrastruktúra-adatok megjelenítésére (ívadat és felépítmény), illetve lehetősége van a kezelőnek a felmért pályaszakasz eredményeinek TrackScan kézi vágánygeometria-mérő készülékkel végzett méréssel való összehasonlítására is. A kifejlesztett mérőrendszer az erre a célra forgalomból kivont, üzemképes Ganz gyártmányú ipari csuklós villamoson került kialakításra. A mérőrendszer kiépítését a Metalelektro Méréstechnika Kft. végezte, a BKV Zrt. Villamos Infrastruktúra Főmérnökség és a Villamos Járműműszaki Főmérnökség szakembereivel egyeztetve.
Az alkalmazott mérési elrendezés jelentősen eltér a hagyományos megoldásoktól, hiszen a gyorsulásmérő szenzorok a forgó kerékre kerültek rögzítésre a hozzáférhetőség és a kerék-sín kapcsolat igénybevételeinek minél közvetlenebb mérése miatt. A felműszerezett jármű „A” vége felőli szabadonfutó forgóvázára hat háromtengelyű gyorsulásmérő szenzor került rögzítésre: négy a kerekeken (WA: Wheel Acceleration) rádiós adattovábbítással (lokális áramforrással), kettő pedig a forgóvázhossztartókon (BA: Bogie Acceleration). Egy további háromtengelyű gyorsulásmérő szenzor került felhelyezésre a jármű padlójára, a forgócsap közvetlen közelében a C kocsiszekrényrészen (CBA: Car Body Acceleration). Az 1. ábra a felműszerezett szabadonfutó forgóváz kialakítását szemlélteti.
1. ábra a) Mérővillamos jellegrajza b) Mérési elrendezés: kerékre (WA) és a forgóvázhossztartóra (BA) rögzített gyorsulásmérő szenzorok
A kerék síkjában mért érintő és centrifugális irányú gyorsulás komponensek felhasználásához kidolgoztuk a kvázi-függőleges kerékgyorsulás számítási módszerét, amely bemenő adata a pályaállapot-minősítő algoritmusoknak.
Szolgáltatott paraméterek
A kifejlesztett mérési elrendezésre vonatkozóan kidolgoztuk a pályaállapot minősítésére szolgáló paraméterek sínszálakra (függőleges irányú ütés; függőleges irányú többletterhelés; keresztirányú ütés, keresztirányú többletterhelés, hullámos kopás intenzitása), illetve a vágányra vonatkozó algoritmusait (siklásbiztonsági pályajellemző; oldalgyorsulás-változás, függőleges pályatöbbletterhelési jellemző). A kocsiszekrényre szerelt szenzor mérési adataiból pedig a függőleges és a keresztirányú utazásikomfort-jellemző kerül meghatározásra a vonatkozó előírások [3] [4] alapelveivel összhangban. Minthogy a pályahibák azonosítása a kerék és sín között kialakuló többlet-igénybevételek, rezgések detektálásán alapszik, a kidolgozott algoritmusok a jelfeldolgozás eszközeinek alkalmazásával lehetővé teszik a pályahibák által gerjesztett rezgések és a jármű szerkezeti tulajdonságaiból adódó egyéb rezgések szétválasztását, valamint a különböző típusú pályahibák azonosítását. A módszerben alkalmazott algoritmusok kidolgozásakor fontos szempont volt, hogy a jelenleg széleskörűen használt vágánygeometriai pályajellemzők mindegyikéhez tartozzon egy, a kerék-sín kapcsolat rezgésdiagnosztikai vizsgálatán alapuló pályaállapot-minősítő paraméter annak érdekében, hogy a más mérési módszerekkel elvégzett vágánygeometriai mérésekkel a járműdinamikai mérések összehasonlíthatók legyenek. Fontos kiemelni azonban, hogy a kidolgozott állapotfelmérési módszer célja nem a milliméterpontos pályageometria meghatározása, hanem a vágánygeometriai paramétereknek megfeleltethető megítélési szempontok alapján problémás helyek kimutatása, a hibák jellegének meghatározása és azok relatív súlyosságának megítélése felépítménytípustól függetlenül.
A pályaállapot megítélése
A pályaállapot-felmérés során a felműszerezett jármű közel állandó sebességgel (25 km/h) halad, így a vizsgált pályaszakaszok összehasonlíthatóak, és a mérés a forgalmat sem akadályozza. A pályahibák azonosítása a szolgáltatott paraméterek lokális határérték-túllépése alapján, míg a pályaállapot általános minősítése az ezekből képzett additív minősítő szám alapján történik. A mérőrendszer által szolgáltatott paraméterek előzetes határértékeit gyalogos vonalbejárás és statisztikai kiértékelés alapján határoztuk meg. A helyszíni bejárások során a pályahibákat forgalombiztonsági szempontból szubjektíven súlyoztuk. Az egyes járműdinamikai paraméterek értékhatárai úgy lettek megállapítva, hogy a legkevésbé súlyos pályahibatípus által keltett gerjesztő hatás már kimutatható legyen. Az értékhatárok meghatározása jelenleg csak kis mérési adathalmazból történt meg, viszont ezek pontosítása feltétlenül szükséges nagyobb mérési sokaság statisztikai kiértékelésével.
A közúti vasúti pálya általános műszaki állapotát egy egyszerűsített jellemzővel, a járműfutás-tulajdonságok alapján, minősítési szakaszonként meghatározott DMSZ dinamikai minősítő számmal jellemezhetjük. A DMSZ minősítő számot a függőleges pálya-többletterhelési jellemző (Fptj), a siklásbiztonsági pályajellemző (SiklB), a hullámos kopás intenzitását jellemző paraméter (Hkop) és a keresztirányú utazási komfort (Kuk) értékéből képezzük, amelyeket szintén minősítési szakaszonként állítunk elő az egyes mérési paraméterek értékeiből az alábbi összefüggés szerint:
A jelenleg alkalmazott kiértékelési elv a területi elv, amely a mérési grafikon vonala és a dinamikus alapvonal között bezárt terület nagysága. Az alkalmazott minősítési szakasz hossza a felműszerezett jármű mozgásérzékelő hosszának többszöröse, minimális értéke 6 m.
Mérési eredmények
A mérési eredmények tekintetében bemutatunk egy-egy példát a lokális hibák kiértékelésére és a pályaállapot általános minősítésére is. Az általános minősítés során egy felújítás előtti és utáni mérés összehasonlítását is ismertetjük. A 2. ábra a 41- es villamos Újbudaközpont megállóhelyénél azonosított lokális hibát szemlélteti, ahol többek között a függőleges pálya-többletterhelési jellemző is meghaladta a megadott határértéket.
2. ábra Lokális hiba kiértékelési példa: A vizsgált paraméterre vonatkozó határérték-átlépés a görbe alatti terület kitöltésével kerül jelzésre. (A megjelenített ábra a kiértékelőprogram kiemelt részeit tartalmazza.)
A hibahelyen rögzített képen egyértelműen beazonosítható a sínszál melletti hiányzó burkolat, az aszfaltszél kiemelkedése, a kilátszó ágyazó gumiprofil, amely tényezők egyértelműen magyarázzák a kiértékelt jellemző magas értékét. A 3. ábra Rózsavölgy alsó és Budafok kocsiszín közötti felmért szakaszának DMSZ szerinti általános kiértékelését térképen megjelenítve szemlélteti.
3. ábra Az általános minősítés térképi ábrázolása: 41-es villamos, Rózsavölgy alsó–Budafok kocsiszín (Jelenleg a mérővillamos kiértékelési szoftverének nem része, forrás [2]) (1) Elszennyeződött zúzottkő ágyazat és alépítmény; (2) Korhadt fa kitérőaljak, laza leerősítések (3) Fekszinthiba; (4) Elverődött kitérő keresztezés és átszelés; (5) Mozgó vágány ívben; (6) Vízzsák és elverődött sínillesztés; (7) Hullámosan kopott a 48 100/60-as kitérő egyenes iránya. A szakaszon megtalálható ívek adatai: R1 = 145 m; R2 = 99 m; R3 = 82 m; R4 = 210 m; R5 = 600 m; (Az általános minősítés térképi ábrázolásánál megjelenített színskálák csak a szemléltetést szolgálják, jelenleg még méretkategóriák nem kerültek kijelölésre)
4. ábra Felújítás előtti és utáni mérés általános minősítés szerinti összehasonlítása az 51-es villamos pesterzsébeti nagypaneles szakaszán [2] (h = 6 m-es minősítési szakaszhossz; V = 25 km/h; * kiváló műszaki állapotú ellenív és csatlakozó egyenes) „A” szakasz: Török Flóris utca a Bíró Mihály utcai elhúzásig (800–1000 m és 1400–1980 m); „B” szakasz: Kossuth Lajos utca–Nagysándor József utca (1000–1350 m); „C” (felújított) szakasz: Nagysándor József utca–Vörösmarty utca (300–800 m)
Az új mérőrendszerrel a teljes hálózat felmérése mindössze hat részletben történt meg. A kidolgozott új mérési elrendezés tekintetében bebizonyosodott, hogy a forgó kerékre szerelt szenzorok alkalmasak a pálya egyenetlenségeinek azonosítására a közúti vasúti üzemben alkalmazott 15–30 km/h sebességtartományban. Igazolódott továbbá az is, hogy a mérések – hasonló sebesség alkalmazása mellett – megismételhetőek, és megbízhatóan reprezentálják a pálya műszaki állapotát és annak változását is. A mérőrendszer által szolgáltatott információk segíteni fogják a beruházások tervezését, ütemezését és ellenőrzését, ezzel is hozzájárulva az üzemeltetés költségeinek csökkentéséhez. Kisebb városi vasutak számára költséghatékonyabb megoldást jelenthet a mérőrendszernek egy átszerelhető változata, időszakos mérések végzéséhez.
Felhasznált irodalom
[1] Varga Jenő: „A MÁV új koncepciójú felépítményi mérőkocsija (FMK 007)”. In MÁV Rt. Fejlesztési és Kísérleti Intézet Évkönyve (297–300 o.). 2002.
[2] Vinkó Ákos: „A közúti vasúti pálya állapotfelmérésének rezgésdiagnosztikán alapuló módszere és a rendszer függőségeinek vizsgálata”. Doktori értekezés, BME Építőmérnöki Kar, Út- és Vasútépítési Tanszék. 2018.
[3] UIC Code 513: Guidelines for evaluating passenger comfort in relation to vibration in railway vehicles. Paris, France: International Union of Railway (UIC). 1994.
[4] EN 12299: Railway applications. Ride comfort for passengers. Measurement and evaluation. Brussels, Holland: European Committee for Standardization. 2009.
