KURZUS: Közlekedésépítés

MODUL: I. modul

2. lecke: A kötöttpályás közlekedés jellegzetességei

| A lecke célja: a hallgató ismerje a kötöttpályás közlekedés jellemzőit, a vasútvonalak osztályozásának szempontjait és az azokra jellemző értékeket (nyomtáv, sebesség).
2.1. Vasútvonalak osztályozása
A vasútvonalak jellegük szerint osztályozhatók:
A terepviszonyok szerint: síkvidéki vonalak, dombvidéki vonalak, hegyvidéki vonalak. Műszaki szempontból: nyomtávolság alapján: normál (1435 mm), széles (1520 mm), (760, 1000 mm). vágányok száma alapján: egyvágányú-, kétvágányú-, többvágányú vonalak. a vágányok elhelyezkedése tekintetében: nyíltvonali-, állomási-, egyéb vágányok. a vontatás neme szerint: villamosított-, dízel vontatású vonalak. műszaki fejlesztési szempontból: kiemelt jelentőségű európai nemzetközi vonalak ("A" kategória), hazai fővonalak ("B" kategória), regionális vonalak ("C" kategória).
A pálya vízszintes vonalvezetésének tervezésekor a műszaki fejlesztési kategória szerinti fejlesztési sebességgel kell számolni:
"A" kategória: 120-160 km/h, "B" kategória: 80-140 km/h, "C" kategória: 60-80 km/h.
A túlemelés kialakításánál a kiépítési sebességet kell figyelembe venni.
Normál nyomtávú "A" és "B" kategóriájú pályát 225 kN tengelyteherre, míg a "C" kategóriájú pályát 210 kN tengelyteherre kell méretezni. A széles nyomtávolságú vonalakat 250 kN tengelyteherre, míg a keskeny nyomtávolságú vonalakat 125 kN tengelyteherre kell méretezni.
Hagyományos kötöttpályás közlekedés
Vasutak | Helyi közforgalmú vasutak | Hegyi vasutak
országos közforgalmú | közúti vasút | fogaskerekű vasút
saját használatú | közúttól elkülönített vasút | siklóvasút
iparvasutak | helyiérdekű vasút (HÉV) | kötélpályák
A nyomkarimás kényszerpályás közlekedés előnyei
kicsiny fajlagos menetellenállás (3...4 N/kN) alacsony vonóerő-szükséglet és energiafelhasználás, szükségtelen a kormányzás hosszú szerelvények közlekedtethetők, elzárt pályán nagytömegű járművek közlekedtethetők, az elzárt pályán biztonságosan nagy és egyenletes sebesség érhető el, nagy vonóerőt kifejteni képes mozdonyok alkalmazhatók, időjárástól többnyire független, relatíve kis helyigény, a legkevésbé környezetszennyező, más közlekedési alágyazati megoldásoknál könnyebben és jobban automatizálható, fejlesztésével arányosan nő a teljesítménye.
2.1. A vasúti kerékpár
Feladata:
tovagördülés biztosítása kis ellenállás ( μ) mellett, a reá támaszkodó járműszerkezet biztonságos hordása, vezető szerkezeti elem: nagy biztonsággal "tereli" a járművet a sínszálak által meghatározott kényszerpályán.
2.1. ábra
A vasúti kerékprofil jellemző méretei
2.2. ábra
t = nyomszélesség, a két kerékprofil "B" pontjainak távolsága (kerékabroncs belső síkjától 70 mm-re adódik a névleges futókör sík, az kijelöli az "A" pontot, ettől 10 mm-rel nagyobb sugár adja a "B" pontot).
m = nyomkarima magassága, az "A" és "C" ponthoz tartozó keréksugarak különbsége.
n = nyomkarima vastagsága,
vontató jármű: V < 100 km/h: n≥24 mm, V ≥ 100 km/h: n≥27 mm, személy- és teherkocsik n≥20 mm, RIV teherkocsik n ≥ 22 mm, ha n < 20 mm, akkor a jármű saját kerékpárján nem közlekedhet.
q R = kritikus érintőpont-távolság
A jármű kisiklással szembeni biztonságát alapvetően befolyásolja az ún. "nyomkarima felfutási szög". Ennek nagyságát közvetve a qR értékkel lehet ellenőrizni. A tapasztalatok szerint ez a távolság nem csökkenhet 6,5 mm alá.
Balra: kerékprofil- és síngeometria, jobbra: a kerékváz, az abroncs és a sín metszete
2.3. ábra
A kerék- és a sínprofil csak azokban a pontokban érintkezhet egymással,amelyekben mindkét görbéhez közös érintő húzható. A kerék / sín (és a kerékpár/vágány) érintkezésének geometriája erős hatással van:
a futásbiztonságra, a futásstabilitásra, a járműlengésekre, a körívben történő haladásra.
2.2. Egy- és kétpontos érintkezés
Egypontos érintkezés: a függőleges és az oldalirányú kerékteher azonos pontban támadja a sínt. Ez akkor fordul elő, ha növekszik az Y erő vagy csökken a Q erő. Ezzel a feltételezéssel élünk, ha a sínszál teherbírását ellenőrizzük. Kétpontos érintkezés: a támadáspontok nem esnek egybe. Az Y+fQ erő jelentősen nagyobb lehet, mint a mért Y erő.
2.4. ábra
2.2.1. Egypontos érintkezés geometriája
A kerék és a sín érintkezési pontja a kerékpár pálya-keresztirányú helyzetétől függően az A és az A' pontok között alakul ki. Az egypontos érintkezésű kerékprofil alkalmazásának előnye, hogy a nyomkarima érintkezési pontja nem távolodhat el a a kerék feltámaszkodási pontjától, hanem mindig azzal azonos marad. Kisiklás szempontjából hasonlóan viselkedik, mint a kétpontos érintkezésű kerék α=0° nekifutási szögnél, amikor a kisiklással szembeni biztonság a legnagyobb értéket éri el.
2.5. ábra
A vasúti kerékpár és a vágány méretei
2.6. ábra
A vasúti kerékpár és a vágány méretei
2.7. ábra
2.8. ábra
A kúpos kerékprofil miatt a középhelyzetéből keresztirányban kitérített kerékpár esetén r 1 < r 2 és v 1 < v 2 . A két kerék szögsebessége ( ω) a merev tengelyre szerelésből adódóan azonos, de a kerekek v=r⋅ω kerületi sebessége az r 1 < r 2 viszony miatt különbözik.
Kerék-sín helyzet
2.9. ábra
Kígyózó mozgás (szinuszos futás) egyenes pályán
2.10. ábra
2.11. ábra
Az egy tengelyre erősített két kúpos kerékből kialakított kerékpár bal és jobb oldali futókörei csak akkor azonos átmérőjűek, ha a kerékpár szimmetriasíkja egybeesik a vágány szimmetriasíkjával. A középhelyzetből kimozdítva a kerékpár az egyik oldalon nagyobb, a másikon kisebb átmérőjű futókörön gördül. Így a szimmetrikus helyzet felé visszaindul, majd ezen tehetetlensége miatt túllendül és ún. kígyózó mozgásba kezd.
2.12. ábra
r 0 = kerékpár gördülő sugara középhelyzetben y = kerékpár kimozdítási mértéke a középhelyzettől r 0 +Δ r = egyik kerék gördülő sugara r 0 −Δ r = másik kerék gördülő sugara λ = kerékkúposság tangense ( tg γ )
Futókörök sugarainak különbsége:
Δ r=2 λ⋅y
A kígyózás hullámhossza:
L=2 π b⋅ r 0 λ
Minél nagyobb a kúposság, a kialakuló kígyózási hullámhossz annál kisebb. A frekvencia a v sebességgel kifejezve:
f 0 = v 2 π λ b⋅ r 0
Ez a Klingel által 1883-ban leírt jelenség a kerék-sín kapcsolat erőhatásait nem veszi figyelembe. Ebből az következik, hogy a tiszta gördülésből eredő harmonikus mozgás állandósul.
2.3. Az egyenértékű kúposság
A vasúti "őskerék" állandó kúpos hajlással készült. Kúpossága a kúpnyílás-szög fél értékének a tangense volt. Az idők folyamán ebből a profilból sokféle különböző kerékprofilt fejlesztettek ki, amelyek nem lineáris hajlású profillal rendelkeznek, azaz már nem kúposak. A kerékprofil alakját a kopások is befolyásolják.
2.13. ábra
Az egyenes és nagysugarú vonalvezetésű vasúti vágány esetében a kerék - sín érintkezési geometria meghatározó paramétere az egyenértékű kúposság. Az egyenértékű kúposságot a nem kúpos (azaz nem lineáris hajlású) kerékre vonatkozóan kell számítani. Az egyenértékű kúposság a nem kúpos kerékre ad meg egy olyan közelítő helyettesítő (egyenértékű) kúphajlást (a középhelyzetből 3 mm-re oldalt kimozdult kerékpár esetében), amelynél az egyenértékű kúposságnak megfelelő hajlású képzeletbeli, kúpos profilú kerék nagyon hasonló kinematikus hullámhosszat produkálna.
Az új állapotú kúpos kerékprofil futókörei sugarainak különbsége az oldalirányú kitérés függvénye.
A szabályos kúpos kerékprofil előnye a magas fokú futásstabilitás. Hátránya, hogy a kerék futófelülete mindig azonos helyen érinti a sínt, azaz szűk futásjáték adódik a sínen. Ezért erőteljes a kerék és a sín kopása.
Definíció szerint: Az egyenértékű kúposság megegyezik egy olyan képzeletbeli, tökéletesen kúpos kerekekkel ellátott (szimmetrikus) kerékpár kúpszögének tangensével, mely egy képzeletbeli, ideális vágányon ugyanazzal a kinematikushullámhosszal kígyózna (egyenesben és nagy sugarú ívekben), mint a vizsgált valós kerékpár a vizsgált valós vágányon.
A futókör sugarak különbségének változása az oldalirányú eltolódás mértékének függvényében
2.14. ábra
2.3.1. Az egyenértékű kúposság számítása
Az üzem közben kifejlődő kopások következtében az eredetileg kúpos futófelület valamilyen görbével leírható felületté alakul. Ekkor módosul az összefüggés is a futókörök sugarainak különbsége és az oldalirányú kitérés között:
( r 1 – r 2 )=f( y ) .
Ez az érintkezési geometriában bekövetkező változás csökkenti a jármű futási minőségét. Ezért szükséges, hogy a kopott profilú jármű futási stabilitását javítsuk, pl. lengéscsillapító alkalmazásával.
2.15. ábra
Az előzőleg bevezetett f( y ) függvény leírható az egyenértékű kúpossággal, mintha az egy képzeletbeli kúpos kerék lenne:
tan⁡ γ e = r 1 − r 2 2 y
2.3.2. A Δ r= r 1 – r 2 függvény és az egyenértékű kúposság
r1 = a jobb kerék futókör-sugara, r2 = a bal kerék futókör-sugara, (balra mozdulva r 1 − r 2 negatív)
2.16. ábra
Minél nagyobb az egyenértékű kúposság értéke, annál rosszabb a futási viselkedés. A befolyásoló paraméterek:
nyomtáv: minél szűkebb a nyomtáv, annál nagyobb az egyenértékű kúposság értéke, síndőlés: 1:20 síndőlés mellett alacsonyabb az egyenértékű kúposság értéke, mint 1:40 síndőlésnél, sínprofil geometria, kerékprofil geometria.
Növekvő egyenértékű kúposság érték mellett nő a futási frekvencia, a kerékpár szinusz-futása következtében a jármű magas rezgési frekvenciának lesz kitéve. A kritikus sebesség értéke, amelynél a jármű még éppen stabil futást végez, csökken. Nagy sebesség esetén a sín-kerék érintkezés geometriát úgy kialakítani, hogy az egyenértékű kúposság értéke alacsony legyen.
Az egyenes pályán történő futás jósága illetve az ívben futási képesség között különbséget kell tenni. Egyenesben a stabil futás érdekében a kerékpár szinusz-futásának frekvenciájának alacsonynak kell lennie, amely alacsony egyenértékű kúposságot követel. Ívben a stabil futás érdekében olyan kerékprofilokat kell választani, amelyek a járatos sínprofilokon lehetőség szerint nagy futókör-sugár különbséggel gördüljenek. Azaz a külső kerék nagy, a belső pedig kis sugarú futókörön lehetőleg csúszás és rezgésmentes módon haladjon. Ezért ívben futásnál a nagy egyenértékű kúposság az előnyös.
2.17. ábra
Az ábra alapján 1:20 síndőlésnél különösen alacsony az egyenértékű kúposság, s az a nyomtáv értéktől szinte függetlenül alacsony marad. (Ezt a síndőlést alkalmazzák a francia nagysebességű vonalakon.) Az 1:20 síndőlés hátránya, hogy a kedvezőtlenebb kerék-sín érintkezési geometria miatt a kerekeknek nagyobb a kopása.
2.18. ábra
Az egyenértékű kúposság értékét a nyomtávolság erősen befolyásolja, főleg 1432 mm alatt. Ezért a nyomszűkítést kerülni kell!
2.19. ábra
Az egyenértékű kúposság határértékeit a kerékpár oldalsó kitérésének amplitúdója (y) függvényében kell ellenőrizni:
y = 3 mm, ha (TG - SR) ≥ 7mm, y = TG-SR-12, ha 5 mm ≤ (TG - SR) < 7 mm, y = 2 mm, ha (TG - SR) < 5 mm,
ahol: TG a nyomtávolság SR a kerékpár futókörei közötti távolság.
A sínprofil, síndőlés és nyomtáv adatoknak biztosítania kell az előírt értékeket az alábbi kerékprofilokra:
S 1002 az EN 13715 meghatározása szerint, ahol SR = 1420 mm, S 1002 az EN 13715 meghatározása szerint, ahol SR = 1426 mm, GV 1/40 az EN 13715 meghatározása szerint, ahol SR = 1420 mm, GV 1/40 az EN 13715 meghatározása szerint, ahol SR = 1426 mm, EPS az EN 13715 meghatározása szerint, ahol SR = 1420 mm.
Tervezési érték: 60 km/h < V ≤ 200 km/h sebességtartományban: 0,25.
2.4. Irodalomjegyzék
A tananyag elsajátítását megkönnyítik Gajári József Vasútépítéstan I-II. tankönyveinek alábbi fejezetei. Javasoljuk a további ajánlott irodalmak mellett ezek gondos tanulmányozását.
Fejezet | Tankönyv | Oldal
Kötöttpályás közlekedés jellegzetességei | Gajári József: Vasútépítéstan I. | 15-26., 28-31., 46-70.
Helyszínrajz | Gajári József: Vasútépítéstan I. | 70-134.
Hossz-szelvény | Gajári József: Vasútépítéstan I. | 141-157.
Mintakeresztszelvény, túlemelés | Gajári József: Vasútépítéstan I. | 43-45. 73-86.
Tervfajták | - | -
További ajánlott irodalom:
Dr. Fischer Szabolcs - Eller Balázs - Kada Zoltán - Németh Attila: Vasútépítés. Országos Közforgalmú Vasutak Pályaszerkezeti Szabályzata (OKVPSZ). Országos Vasúti Szabályzat (OVSZ). MSZ EN 13803-1: Vasúti alkalmazások. Vágány. Vágány-vonalvezetés tervezési paraméterei. 1435 mm-es és nagyobb nyomtávolságú vágányok. 1. rész: Folyóvágány.

| Önellenőrző feladatok
1. Műszaki fejlesztési szempontból mit jelent az "A" műszaki fejlesztési kategória?
| kiemelt jelentőségű európai nemzetközi vonalak
| hazai fővonalak
| regionális vonalak
| egyéb
2. Műszaki fejlesztési szempontból mit jelent az "A" műszaki fejlesztési kategória?
| kiemelt jelentőségű európai nemzetközi vonalak
| hazai fővonalak
| regionális vonalak
| egyéb
3. Műszaki fejlesztési szempontból mit jelent az "A" műszaki fejlesztési kategória?
| kiemelt jelentőségű európai nemzetközi vonalak
| hazai fővonalak
| regionális vonalak
| egyéb
4. Mekkora a tengely terhelésre kell méretezni az "A" fejlesztési kategóriájú vonalat?
| 180 kN
| 210 kN
| 225 kN
| 250 kN
5. Mekkora a normál nyomtáv?
| 1435 mm
| 1520 mm
| 1000 mm
| 760 mm
6. Mekkora a széles nyomtáv?
| 1435 mm
| 1520 mm
| 1000 mm
| 760 mm
7. Mekkora a keskeny nyomtáv?
| 1435 mm
| 1520 mm
| 1000 mm
| 760 mm
8. Mekkora a fejlesztési sebesség "A" fejlesztési kategória esetén?
| >160 km/h
| 120-160 km/h
| 80-140 km/h
| 60-80 km/h
9. Mekkora a fejlesztési sebesség "B" fejlesztési kategória esetén?
| >160 km/h
| 120-160 km/h
| 80-140 km/h
| 60-80 km/h
10. Mekkora a fejlesztési sebesség "C" fejlesztési kategória esetén?
| >160 km/h
| 120-160 km/h
| 80-140 km/h
| 60-80 km/h