A pálya állapotromlási sebességét befolyásoló speciálisan a közúti vasúthoz kötődő tényezők vizsgálata VINKÓ Ákos Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Út és Vasútépítési Tanszék telefon: +36 1 463 1458, fax: +36 1 463 3799 e-mail: vinko.akos@epito.bme.hu Kivonat: A városi közlekedés-szabályozási kötöttségekből adódóan a közúti vasúti pályaszerkezetet jelentős többlet-igénybevétel érheti a járművezetői stílus és a környezeti, időjárási körülmények együttes hatásából adódóan. A járművezetői fegyelem hiánya, például az előírt üzemi sebesség figyelmen kívül hagyása, vagy a hirtelen elindulás és intenzív fékezés a pálya idő előtti fokozott tönkremenetelét eredményezheti. Kocsiszíni és nyíltvonali mérések során megvizsgálásra kerültek a hirtelen, intenzív elindulás és fékezés okozta káros hatások, száraz és esős időjárási körülmények között is. A különféle mérési elrendezések során a kerékre szerelt inerciális szenzorok mérési adatainak rezgés-analízise alapján becsülni lehetett a sín és a kerék között keletkező többlet-igénybevételek nagyságát. A fentiek szerint meghatározott többletigénybevételek összehasonlításra kerültek a normál üzemi szabályozásnak megfelelő esetben mért alapértékekkel. Kulcsszavak: közúti vasút, kerékre szerelt gyorsulásmérő, járműdinamikai mérések, inerciális szenzorok, pálya-jármű rendszer, rezgés-analízis, GANZ ipari csuklós villamos Bevezetés A kötöttpályás közlekedési módok esetén a pálya-jármű rendszerben kölcsönösen fellépő igénybevételek a pálya és a jármű típusától, illetve műszaki állapotától függően széles tartományban mozoghatnak. Az egyes szerkezeti elemek és a pályageometria mérettűréseit az országos közforgalmú vasutaknál (nagyvasútnál) különféle vizsgálatok alapján már régen meghatározták, míg a közúti vasutak esetében ez nem történt meg, csupán a nagyvasúti tapasztalatokat adoptálták, s ma is a saját üzemeltetési tapasztalataik alapján dolgoznak. Ezt motiválja az a tény is, hogy a közúti vasutak esetén alkalmazott alacsonyabb üzemi sebességnek és kisebb tengelyterhelésnek köszönhetően a fellépő igénybevételek is kisebbek, mint a hagyományos vasutak esetén, mégis a városi kötöttségek biztosította rövid karbantartási időszakok és az intenzív forgalmi terhelések miatt az alkalmazott pályaszerkezetek sok esetben a tervezett élettartam előtt tönkremennek. Az életciklusra való tervezéshez azonban ismernünk kell a pálya-jármű rendszerben fellépő igénybevételek lehetséges szélsőértékeit, amelyek hosszabb távú ciklikus jelenléte a pálya idő előtti tönkremenetelét okozhatják.
1. Pálya-jármű rendszer, járműdinamikai mérések Ahhoz, hogy a fellépő igénybevételeket meghatározhassuk, a pályát és a járművet együtt kell kezelnünk, hiszen a pálya-jármű rendszer elemeinek (jármű felépítmény alépítmény) kölcsönös egymásra hatása egy öngerjesztő körfolyamat. Így a pálya állapotromlási sebességét befolyásoló tényezők vizsgálatakor fontos a járművek menetdinamikai jellemzőinek, futásstabilitásának, gépészeti berendezéseinek figyelembevétele is. Adott pályahibán való áthaladás esetén a különböző járművek dinamikai válasza más és más lesz [1]. Jelen kutatómunka csak egy régebbi villamos típus esetén elemzi a pálya-jármű rendszerben keletkező káros igénybevételeket, de a jövőben szükséges lehet az egyes járműtípusok összehasonlítása is. A vizsgált közúti vasúti villamos motorkocsi bemutatása a következő fejezetben olvasható. 1.1 A vizsgált jármű A vizsgálatba bevont jármű GANZ nyolctengelyű, csuklós villamos motorkocsi (továbbiakban: ICS ). A jármű vezetőállás felöli végein egy-egy hajtott forgóváz, míg a csukló alátámasztási helyein egy-egy futó forgóváz található. A hajtott kerekek fékezése dobfékkel történik, míg a szabadonfutó tengelyek esetén tárcsafékkel. A hajtott tengelyeket külön-külön motor hajtja, melyek forgóvázon belül állandóan sorba, míg a motorpárok egymással lehetnek sorba illetve párhuzamosan is kapcsolva. A jármű egyik legfontosabb jellemzője, hogy nincs nyomatékszabályozás, kerékmegcsúszás elleni védelem, azonban a kontrollerben van egy fél-automatikus indítómű, ami menetre kapcsolásnál csillapítja a hírtelen indulás káros következményeit. [2] [3] [4] [5] 1.2 A vizsgált pálya A nyíltvonali mérések végrehajtására Budapesten a 49-es villamos vonalán került sor, amely az egyik legfrekventáltabb belvárosi villamos vonal. A vizsgált viszonylaton a pályaszerkezet jelentős részét vályús sínnel kialakított RAFS felépítmény alkotja, de a kissugarú ívekben, hídszerkezeten és a kitérők esetén speciális pályaszerkezeti megoldások kerültek alkalmazásra. A kocsiszíni mérések nyitott, zúzottkő ágyazatú keresztaljas felépítményen kerültek végrehajtására. 2. Járműdinamikai mérőrendszer, mérési elrendezés A járműdinamikai mérések során kerékre (K), forgóváz keretre és járműszekrényre (F) szerelt digitális 3 tengelyű gyorsulásmérők kerülnek alkalmazásra. Jelenleg két gyorsulásmérő eszköz áll rendelkezésemre, így első körben a kerékre kerültek felhelyezésre, a jövőben azonban szeretném kiépíteni a teljes rendszert. A továbbiakban az ICS villamosra tervezett járműdinamikai mérőrendszer kerül részletes bemutatásra (1. ábra).
1. ábra: Járműdinamikai mérőrendszer Ganz ICS villamoson:(k): kerékre szerelt gyorsulásmérő; (F): forgóváz hossztartóra szerelt gyorsulásmérő A jármű vezetőállás felöli végein egy-egy hajtott forgóváz, míg a csukló alátámasztási helyein egy-egy futó forgóváz található. Szerkezeti kialakításuk hasonlósága ellenére jelentős különbségek vannak a forgóvázak között, így a szenzorok rögzítési módja is eltér az egyes típusok esetében. Forgóvázanként hat gyorsulásmérő kerül rögzítésre: négy a kerekeken, kettő pedig a forgóvázhossztartón. A szenzorok mérési elrendezését és elhelyezési lehetőségeiket a következő fejezetek mutatják be. A rendszer lehetővé teszi a többszintű dinamikai hatások érzékelését. A jármű hajtásrendszerében jelentős csillapítást biztosító elemek találhatók, mint a gumirugózott kerekek, rugalmas csapágykapcsolatok és lengéscsillapítók (energiaemésztő gumirugók). A közvetlen sín-kerék kapcsolat dinamikus hatásait a kerékre rögzített szenzorok, míg a járműszekrényre átadott, már csillapított hatásokat a forgóváz-hossztartón elhelyezett szenzorok mérik. A felhelyezett szenzorok a pályán való haladáskor mintegy letapogatják a pályageometriát, így lehetővé válik a meghibásodott szakaszok detektálása. Fontos megemlíteni, hogy a járműdinamikai mérések közvetlenül nem alkalmasak egzakt, méretekkel jellemzett vágányparaméterek meghatározására, éppen ezért a kapott eredményeket a validálás érdekében helyszíni mérésekkel kell kiegészíteni. 2.1 Kerékre szerelt gyorsulásmérők A keréken a Gulf Coast Data Concepts által gyártott 3 tengelyű gyorsulásmérők kerülnek alkalmazásra. A gyorsulásmérők a hajtott és futó forgóvázak, külső és belső oldali kerekeire kerülnek felhelyezésre. A gyorsulásmérők mérési elrendezését a 2. ábra szemlélteti. A gyorsulásmérők kerékre történő rögzítését egy fémlemez biztosítja, mely két távtartóval (2. ábra B-B metszet) illeszkedik a keréktárcsán lévő két furatba. A két távtartó keréktárcsán való stabil rögzítését egy-egy kúpos kialakítású feszítődió teszi lehetővé. A fent említett rögzítés mellett a tengelyek porvédő sapkájának felhelyezése is csak a rögzítés biztonságát növeli. A lemezen a gyorsulásmérő rögzítése kábelkötegelővel és kétoldali ragasztóval történik. A gyorsulásmérő hossztengelye a sugárra merőleges (2. ábra), így a mérési tengelyek az a x érintőirányú-, az a y sugárirányú és a z keréktengely irányú gyorsulást mérik.
2. ábra: A kerékre rögzített gyorsulásmérők helyzete és mérési irányaik. 2.2 Forgóváz keretre és járműszekrényre szerelt gyorsulásmérők Az ICS villamos forgóvázának úgynevezett terepjáró tulajdonsága miatt a gyorsulásmérőt a két hosszgerendát összekötő terepjáró szerkezet tengelyvonalában érdemes rögzíteni. A szenzorok mindkét forgóváz-hossztartón elhelyezésre kerülnek annak érdekében, hogy a sínszálak geometriai egyenlőtlenségeit külön-külön is meg lehessen határozni. A hajtott forgóváz kereszttartócsonkjain, a négy munkaemésztő gumirugó közötti térrészben a gyorsulásmérő mágneses rögzítéssel könnyen elhelyezhető (3. ábra). A futó forgóváz esetén a hossztartó felületén azonban nem áll rendelkezésre elegendő hely, így a gyorsulásmérő a hossztartó oldalsó részén kerül rögzítésre. 3. ábra: Gyorsulásmérők rögzítése az ICS hajtott forgóvázának hosszgerendáján: (1) hosszgerenda, (2) terepjáró szerkezet tengelye, (3) energiaemésztő gumirugók, (4) gyorsulásmérő, (5) kerékcsapágy, (6) kereszttartócsonk, (7) Hajtómű. Forrás: [4] alapján saját szerkesztés
3. Módszertan Egy járműdinamikai mérőrendszer a pálya-jármű rendszerben kialakuló dinamikus többlet-igénybevételeket képes mérni erő és gyorsulásmérők segítésével. A jármű mozgása során fellépő gyorsulások járulékos dinamikai erőket ébresztenek, melyek a pálya és a jármű alkatrészeinek káros rezgéseit okozzák. Rezonancia esetén átlagon felöli erők is felléphetnek, melyek ciklikusan ismétlődve a sín és a kerék kopását, meghibásodását idézik elő. A sín futófelületének meghibásodásai (hullámos és kagylós kopások, hámlások kipördülési helyek) komoly hatással vannak az alépítmény állapotára a pálya-jármű rendszer kölcsönös egymásra hatása miatt. A mai modern közúti vasút szerelvényekben van megcsúszásvédelem, de ennek ellenére egy hirtelen indulás vagy vészfékezés komoly többlet-igénybevételt jelent a pálya számára, így a többlet-igénybevételek detektálása fontos feladat. A kerékre szerelt gyorsulásmérők mérésim eredményeiből következtetni lehet a kerék és a sín között fellépő igénybevételek nagyságára, intenzitására. 3.1 A gördülő kerék kinematikai modellje: A kerék forgásából adódóan a gyorsulásmérő szenzorok mérési eredményei több összetevőből állnak [6]. Egyrészt a haladó mozgásból eredő gyorsulás és a nehézségi gyorsulás járulékos komponensei, másrészt a forgómozgásból adódóan a sugárirányú-, és a tengelyirányú gyorsulások alkotják a mért jelet (4. ábra). 4. ábra: Gördülő kerék kinematikai modellje: a.) nehézségi gyorsulás komponensei; b.) haladó mozgás gyorsulásának komponensei; c.) Sugár-, és érintőirányú gyorsulások komponensei A g nehézségi gyorsulás, p haladó mozgás gyorsulása és forgómozgás hatására az alábbi gyorsulás komponensek jelennek meg a mérési tengelyeken: rs ax g sin p cos p wx, r r a g p p w y s 2 cos sin, 2 y rw ahol p [m/s 2 ] a haladó mozgás gyorsulása; p [m/s] járműsebesség; Θ [rad] a szenzor szögpozíciója a keréken; g [m/s 2 ] nehézségi gyorsulás; a x [m/s 2 ] tengelyirányú gyorsulás, a y [m/s 2 ] sugárirányú gyorsulás; w x és w y a mérési tengelyeken mért rezgésgyorsulások ( zaj ). A fenti komponenseket az 5. ábra szemlélteti. w (1)
5. ábra: A mért sugárirányú gyorsulás komponensei: b.) centrifugális gyorsulás a nehézségi gyorsulás hatása nélkül; c.) a nehézségi gyorsuláskomponens; d.) zaj (rezgésgyorsulás) A szokásos szűrési módszerektől eltérően csak az ismert komponensek kerültek leválasztásra, s ezáltal a maradó rezgésgyorsulások kiugró értékeinek vizsgálata vezethet el a sín és a kerék között fellépő többlet-igénybevételek detektálásához. Így a továbbiakban ezen rezgésgyorsulások vizsgálata kerül bemutatásra. 3.2 Kerék rezgés analízise A mért gyorsulásadatokból leválasztva az ismert komponenseket, megkaptuk a maradó (w x, w y) rezgésgyorsulásokat. Ezek tartalmazzák a sín és a kerék közötti rezgéseket és a kialakuló többlet-igénybevételek hatásait is (6. ábra). A rezgésgyorsulásokat komponensekre bontva elkülöníthetőek a többlet-igénybevételek a pálya-jármű rendszer elemeinek együttes rezgéseitől. Amennyiben a rezgésgyorsulásban detektált kiugró érték az összes frekvenciakomponensben megjelenik (6c. ábra), akkor a jármű által okozott többlet-igénybevételről beszélhetünk, míg ellenkező esetben csak alacsony vagy magas frekvenciás rezgésről van szó (6a. ábra és 6b. ábra). A sokskálás felbontás (MRA: Multi-Resolution Analysis) [7] [8] lehetővé teszi a mért jelek frekvenciakomponensekre bontását a diszkrét Wavelet transzformáció alkalmazásával. Az eljárás során meghatározásra kerülnek a magas frekvenciás komponensek, viszont az alacsony frekvenciájú komponensek csak becsülhetők.
6. ábra: A w y leválasztott zaj komponens rezgés analízise: a.) 150-200 Hz; b.) 0-50 Hz; c.) 0-200 Hz domináns frekvencia a kiugró értékeknél 3.3 Helyazonosítás A többlet-igénybevételek szelvényszintű beazonosítása a keréken mért gyorsulásadatok Kálmán-szűrésével valósítható meg. A Kálmán-szűrő [9] egy megfelelő fizikai modell [10] megválasztása mellett alkalmas a keréken mért gyorsulásadatokból (a x, a y), a nem mért járműparaméterek kiszámítására, mint például a jármű által megtett út, pillanatnyi sebesség és horizontális gyorsulás. Állapot egyenletek: 1 2 p pt 2 pt f ( x, w) p pt p w ahol Δt [s]: eltelt idő, w [m/s 2 ] zaj (rezgésgyorsulás), p megtett út, p járműsebesség és p haladó mozgás gyorsulása. 4. Elvégzett vizsgálatok 4.1 Szabálytalan járműmozgások vizsgálata Kocsiszíni és nyíltvonali próbamérések során került sor a járműdinamikai mérések előzetes tesztelésére. Mindkét mérés során felhasználásra kerültek GPS helyzetinformációk és a jármű menetrögzítőjének adatai is, különösképpen a járműsebesség és a megtett út. A kocsiszíni mérések során a jármű tetejére kihelyezésre került egy GPS vevőkészülék, melynek mérési adatait számítógép rögzítette. A GPS helyzetinformációkból (NMEA formátum) a megtett út és sebesség szintén kinyerhető, bár ezen adatok pontosságát a műholdellátottság jelentősen befolyásolja. A kocsiszíni mérés főként a hirtelen indulás és intenzív fékezés káros hatásainak detektálására koncentrált, de a különféle intenzitású indulások között szignifikáns különbség nem volt tapasztalható a fél-automatikus indítómű leszabályozása miatt. (2)
A vonalmérések esetén az adott típusú meghibásodáson való áthaladáskor a mért gyorsulásadatok hasonló jellegzetes alakot mutattak. A 7. ábra néhány hibatípus esetén mutatja be a mért jelalakot. 7. ábra: Adott pályahiba típusok esetén mérhető jellegzetes gyorsulás jelalakok. [6] Amennyiben ezek a jellegzetességek több frekvenciatartományban is megjelennek, akkor pályahibáról beszélünk. 4.2 Időjárási körülmények hatásának vizsgálata A sín és a kerék közötti súrlódási együttható hatását is vizsgáltam, száraz és nedves időjárási körülmények között, közel azonos intenzitású gyorsítás és fékezés esetén. A 8. ábrán látható két görbe a globális teljesítményszintjét ábrázolja a száraz és a nedves tapadási viszonyok mellett mért sugárirányú gyorsulásoknak. 8. ábra: Száraz és nedves tapadási viszonyok összehasonlítása hasonló intenzitású gyorsítás és fékezés esetén A 8. ábra alapján megállapítható, hogy 30-60 Hz közötti frekvenciatartományban alig észlelhető különbség a két vizsgált jel rezgésteljesítményében, míg az ettől eltérő tartományokban szignifikáns az eltérés. Mindezekből arra lehet következtetni, hogy a nedves időjárási körülmények esetén a sín és a kerék között kialakuló rezgések intenzitása kisebb, mint száraz időjárási körülmények esetén.
Konklúzió A bemutatott mérőrendszer alkalmas a járművek okozta többlet-igénybevételek detektálására. Az azonosított többlet-igénybevételek pedig potenciális pályahibákra utalhatnak, amelyeknek két alapvető csoportját különböztethetjük meg. Vannak szabad szemmel látható, már kialakult meghibásodások és vannak, amelyek még közvetlenül nem érzékelhetők. Az első kategóriába tartoznak a sínkopások, felületi meghibásodások, törések, amelyek egy ciklikus fárasztó igénybevétel eredményei. A közvetlenül nem érzékelhető hibahelyek a pálya-jármű (sín-kerék) között kialakuló hirtelen ciklikus igény-bevételeknek köszönhetően a jövőben tényleges hibahelyekké válhatnak. Így lehetőség nyílik a pályahibák detektálására is. Irodalomjegyzék [1] Hitoshi T., Yasukuni N., Akira M., Takeshi M., Hirotaka M: Condition monitoring of railway track using in-service vehicle, Journal of Mechanical Systems for Transportation and Logistics, 2010/1, 154 165. [2] Gábor Péter: A nyolctengelyű GANZ csuklós közuti villamos motorkocsi mérési eredményei. Városi Közlekedés, 1968/4, 313 341. [3] Gintl József: A BKV tapasztalatai a GANZ csuklós motorkocsikkal. Városi Közlekedés, 1968/4, 342 348. [4] Danka Miklós: Városi villamosvasutak diagnosztikai és karbantartási rendszerei, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1983. [5] http://www.ganzdata.hu/download/gvm_vjdvm.pdf. Ganz Villamossági Művek. Villamos járművek és diesel- villamos mozdonyok, Ganz Közlemények. (2016.01.25) [6] Ji-De Huang and Tong-Wen Wang: Accelerometer based wireless wheel rotating sensor for navigation usage, 5. International Conference on Sensing Technology (ICST), Palmerston North, Új-Zéland, 2011 november 28- december 1, 565 568. [7] Daubechies, I: Ten Lectures on Wavelets, CBMS-NSF Regional Conference Series in Applied Mathematics, Society for Industrial and Applied Mathematics, 1992. [8] G. De Roeck, G. Degrande, G. Lombaert, G. M uller: Experimental investigation on squeal noise in tramway sharp curves, 8. International Conference on Structural Dynamics, EURODYN 2011, Leuven, Belgium, 2011 július 4-6, 3214 3221. [9] Kalman R. E: A new approach to linear filtering and prediction problems, ASME, Journal of Basic Engineering, 1960(1), 35 45. [10] Bernd G., Udo F: A Kalman-filter for odometry using a wheel mounted inertial sensor, 10. International Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics, Reykjavík, Izland, 2013 július 29-31, 388 395.