TDK dolgozat
Billenő kocsiszekrényes vasúti közlekedés alkalmazásának körülményei Európában
Készítette: Bokory Gábor Konzulens: Dr. Kazinczy László
Tartalomjegyzék
1. 1.1 1.2
Bevezetés Kötődásem a vasúthoz A billenő kocsiszekrényes rövid ismertetése
2. 2.1 2.2
Alkalmazási területek áttekintése Alkalmazási területek Európában Magyarországi lehetőségek
3. 3.1 3.2
A billenő kocsiszekrényes rendszer ismertetése Kialakulása, előnyei A rendszer részletesebb ismertetése
4. Járművek 4.1 A német vasút ITC motorvonatának ismertetése 4.1.1 Az ICE-T technikai adatai 4.1.2 Az ICE-T BR 411 jellegrajza 4.2 Egyéb típusú szerelvények 5. 5.1
Számítások Ívben megengedhető sebességek számítása
6.
Egyéb előnyök
7.
Konklúzió Felhasznált irodalom
1. Bevezetés A világban egyre inkább növekszik az igény a minél gyorsabb és kényelmesebb helyváltoztatásra. Az utóbbi időben a környezetvédelem jelentősége is felértékelődött. A gyors, városközpontok közötti környezetbarát közlekedést csak a magas szolgáltatásokat felvonultató, korszerű vasút tudja nyújtani. Nyugat-Európában az 1980-as években kezdték kiépíteni a nagysebességű hálózatokat. Jelenleg Franciaország és Németország rendelkezik a legnagyobb sűrűségű korszerű emelt- és nagysebességű vasúti infrastruktúrával. Magyarországra nézve is születtek tervek nagysebességű pályákra, mi több, 1999-ben felvetődött a gondolat, hogy a német mágnesvasút (Transrapid) 2015-re érje el Budapestet a Berlin – Prága – Bécs – Bp. útvonalon. Azonban a nagysebességű pályák építése igen költséges, ezért az csak a hosszú távú fejlesztési tervekben szerepel. Más megoldást kell keresni, aminek biztosítania kell a költségtakarékosságot és egyben az eljutási idő csökkentését. 1.1. Kötődésem a vasúthoz A Kelenföldi pályaudvar mellett nőttem fel, ott laktam több mint tíz évig. Nagyapám vasutat épített Tunéziában. Talán már ezért is, kiskorom óta érdekel a vasút. Később sokat modelleztem, de sajnos hely- és anyagiak híján fel kellett vele hagynom. Idővel felismertem a vasút fontosságát, kényelmét és környezetbarát voltát. A természet szépsége, védelme és a technikai haladás mindig is „megmozgatta a fantáziámat”. Mindezeket számos itthoni, ausztriai és svájci élményem is megerősítette (1998 és 2000 nyara). 1.2. A billenő kocsiszekrényes rendszer rövid ismertetése A billenő kocsiszekrényes rendszer lényege – ahogy a megnevezésből is sejthető – az, hogy a vasúti járműszerelvény minden egyes kocsiját az ívnek megfelelő mértékben egy hidraulikarendszer megdönti, ezáltal nagyobb ívsebességeket tesz lehetővé. Ilyen jellegű járműveket jelenleg Európában például Olaszországban, Svájcban, Németországban, Franciaországban, Finnországban és Svédországban alkalmaznak. A rendszer bevezetését tervezi Csehország, Szlovénia, Horvátország, a későbbiekben Lengyelország és Románia is, ezért a motorvonatok kétáramnemű (15kV, 16 2/3 Hz és 25kV, 50 Hz) változatai is léteznek, illetve kifejlesztés alatt állnak. 2. Alkalmazási területek áttekintése 2.1. Alkalmazási területek Európában Európa számos országában – mint fentebb említettem – közlekednek billenő kocsiszekrényes vasúti járművek. Úttörőnek említhető Olaszország, ahol a billenőtechnika fejlesztése magas fokon áll, az országot pedig teljesen behálózzák az „Pendolino” vonatok (1. ábra). A rendszer fejlesztése az 1970-es évek elejére nyúlnak vissza. Igen sűrű hálózattal rendelkezik Spanyolország és Svájc (2. ábra) is. A svájci hálózat igazi különlegesség, mivel itt több típusú jármű használatos: a svájci Talgo, az új fejlesztésű ICN, az olasz Cisalpino és a német ICE-T. Csak érdekességképpen jegyzem meg, hogy a fentieken kívül az alpesi országba a
német ICE1 és a francia TGV is bejár. Alkalmazási területük főként a domb- és hegyvidéki jellegű pályák azon változatai, ahol költséges műtárgyépítés és ívkorrekciók nélkül szeretnék az utazási időt csökkenteni.
1.ábra – Menetrend szerinti billenőszekrényes vasúti közlekedés Olaszországban
2. ábra* – Menetrend szerinti billenőszekrényes vasúti közlekedés Svájcban
(* A 2000. évben az ICN szolgáltatás már próbaüzem alatt áll, utasokat szállít Lausanne és St. Gallen között, továbbá Zürich és Stuttgart között az ICE-T BR 415-ös szerelvényei járnak.) 2.2 Magyarországi lehetőségek A Magyar Államvasutak Rt-nek nem áll rendelkezésére elegendő pénzügyi forrás, hogy jelenleg ilyen járműveket vásároljon, ezért vagy bérelnie kellene (pl ETR 480 kétáramnemű gépeket), vagy a német vasút kifejlesztés alatt álló kétáramnemű ICE-T Budapestig történő közlekedtetését szükséges megszervezni. Véleményem szerint a Budapest-Déli pályaudvar – Hegyeshalom vonalon lehetne leghamarabb bevezetni a rendszert a következők miatt: Az 1-es vonal Kelenföld – Komárom közötti szakaszán így mindenhol el lehetne érni a 160km/h sebességet (Jelenlegi állapotban Komárom állomásig, mert ott 80km/h állandó lassújel van érvényben). Továbbá Németország felé van a legnagyobb fizetőképes kereslet magas színvonalat nyújtó szolgáltatások iránt, így a vonal nyújtotta sebességi lehetőségeket is hatékonyan lehetne kihasználni. A jelenlegi pályaminőségek (lassújelek) és pályasebességek miatt nem kifizetődő a rendszer bevezetése más területeken. Ennek ellenére érdemes a vizsgálatokat kiterjeszteni arra az esetre, ha a pályák megfelelő minőségben rendelkezésre állnának, hol lenne alkalmazhatóak a motorvonatok. Elsősorban olyan vonalakon, ahol a pályasebesség emelését helyenként kis sugarú ívek akadályozzák, amelyek korrekciózása a pálya jellege miatt igen költséges lenne, például nagyméretű műtárgyépítésre lenne szükség (híd, alagút), vagy költséges kisajátítást kellene véghezvinni (beépített terület). A számításba jöhető vonalak az esetleges külföldi kapcsolatokkal: -
Budapest – Hegyeshalom – Bécs Budapest – Dombóvár – Pécs/Kapsvár – Zágráb – Fiume Budapest – Székesfehérvár – Szombathely – Graz Budapest – Székesfehérvár –Zalaegerszeg – Hódos – Ljubljana – Trieszt – Velence Budapest – Szob – Pozsony Budapest – Miskolc Budapest – Székesfehérvár – Tapolca – Szombathely Hegyeshalom – Nagykanizsa
Az említett vonalak jellemzői: A jelenlegi forgalom vegyes összetételű. Megtalálható benne az ingázást biztosító személyvonatoktól az EuroCity vonatokig minden, beleértve a teherszerelvények széles skáláját is. A szerelvények sebessége a pályára és az adott vonatra engedélyezett sebességtől függően 80-160 km/h, de ezt a lassújelek még csökkentik. A sínrendszer tekintetében megállapítható, hogy a legtöbb helyen 54km/fm-es sínszálakat alkalmaznak, de örömteli, hogy egyre több helyen jelenik meg a 60-as sínrendszer is (hegyeshalmi, váci vonal). A fővonalakon nagyobb kapacitású, Pendolino vagy ICE-T jellegű, a mellékvonalakon olcsóbb sínbusz jellegű (BR 612 RegioSwinger) vonatok közlekedtetése lenne kedvező. A hazai viszonyokat figyelembe véve az alacsonyabb tengelyterhelés miatt ezek a szerelvények az alacsonyabb tengelyterhelés miatt eleve gyorsabban közlekedhetnének (MÁV F1 utasítás, 186a), ami kb 10km/h többletet jelentene. Ehhez adódik, hogy a járművek ívben akár nyolc fokot is bedőlhet, ami elvileg akár 40%-os sebességemelést is jelenthet. Ezzel
lehetővé válna például a 160km/h-ás sebesség alkalmazása a teljes hegyeshalmi vonalon. Ebben az esetben a lehetőségek nincsenek maradéktalanul kiaknázva, mert költséges beavatkozások miatt a további emelésről le kell mondani (pl. szintbeni útátjárók). A külföldi vasúttársaságok nagysebességű vonatait csak az egységes európai vonatbefolyásoló rendszer segítségével fogadhatók, ennek kiépítése a hegyeshalmi vonalon hamarosan elkezdődik. 3. A billenő kocsiszekrényes rendszer ismertetése 3.1 Kialakulása, előnyei A kocsiszekrény-vezérléses rendszer fejlesztésében úttörő szerepet játszott az olasz Fiat cég, amely az 1970-es évek elején megépítette az első szerelvényét. Svájc már az első szériából rendelt, hogy a Genf-Zürich fővonalon járassa azokat. Azonban az ötlet már az 1940-es években felmerült, és Franciaországban 1957-ben olyan járművet készítettek, amely 18 fokot volt képes bedőlni. A németek pedig 1964-ben megépítették az első sorozatérett darabot. 1976-ban a spanyol CAF gyár elkészítette – Fiat alapokra – a saját változatukat. Maximálisan nyolc fok volt a dőlésszög, és a 300m-es ívben 105km/h-s sebességgel haladhattak a hagyományos vonatok 78km/h-s tempójával szemben, ami 35%-os sebességnövekedést jelentett! Mindenhol jellemző, hogy a kezdeti kis befogadóképességű vonatokat hamarosan nagyobb kapacitásúak követték. 1988-ban Japánban is megjelent a rendszer, de ott keskeny nyomtávon (1067mm) alkalmazták. A menetrendi szolgálatba állított vonatokkal jelentős (10-25%-os) menetidő-csökkentést lehetett elérni azáltal, hogy ívben nagyobb sebesség érhető el, mint hagyományos vonatokkal (2. táblázat). Természetesen ez a pálya geometriájától jelentősen függ (ti, hogy menyire kanyargós), mert kevés ívvel rendelkező vonalon a rendszer üzemeletetése gazdaságtalan, mivel időnyereség nincs, vagy csak minimális. 3.2 A rendszer részletesebb ismertetése Az rendszer lényege az, hogy a forgóvázaktól függetlenített és rugózott kocsiszekrényt az átmeneti ív alatt egy – többnyire – hidraulikarendszer bedönti a kívánt mértékben. A dőlési szög az esetek többségében nyolc fok (ez vált be általánosságban), de létezik tíz fokos változat is. A legnagyobb bedöntési sebesség öt fok/mp. Ezt az értéket két jelentős dolog befolyásolja: a billentő mechanizmus teljesítőképessége, és az emberek korántsem elhanyagolható komfortérzete. Tapasztalataim (svájci utazásaim) alapján elmondhatom, hogy bizonyos estekben (pl. menetiránynak háttal ülve, „technikás pályán” haladva) korántsem szükséges a legnagyobb érték használata ahhoz, hogy az ember rosszul érezze magát. Ellenben az ICE-T lehetőséget kínál arra, hogy az ember a „pilóta” mögött foglaljon helyet, rálátást biztosítva a pályára, így az utazás különösen nagy élmény. A legújabb FiatSIG RDF forgóvázaknak köszönhetően (ilyen található abban a 24 szerelvényben is, amit az SBB rendelt) külön oldalgyorsulás-csökkentő rendszer alkalmazása nem szükséges és a hidraulikus vezérlés helyett elektromos található. Ennek a forgóváznak az is különlegessége, hogy a két tengely ívbe áll, tehát nem párhuzamos – ezzel történik a billentés vezérlése.
Létezik egy kényes pontja is a rendszer kialakításánál, nevezetesen, hogy amíg a kocsiszekrényt bedöntik, addig a felsővezetékről továbbra is folyamatosan táplálni kell a vontatómotorokat, tehát az áramszedőt a hagyományos túlemeléshez kell „visszaigazítani”. Felmerül a kérdés, hogy ívben a jármű nem lóg-e ki az űrszelvényből. A probléma megoldott, hiszen ezeknek a járműveknek a kocsiszekrényeit úgy alakították, hogy azok a maximális bedőlés esetén sem nyúljanak túl az űrszelvényen. Tehát űrszelvényproblémák miatt nem szükséges költséges pályakorrekciókat végrehajtani. 4. Járművek 4.1.A Német Vasút (Detsche Bahn) ICT (ICE-T) billenőszekrényes motorvonatának ismertetése (2000. márciusi adatok alapján) A billenőszekrényes vonatok formatervezése az ICE3-as sorozatéval rokon, alumínium felépítményű (kép: lsd boritón). Jelenleg három típus van gyártásban, ebből kettő villamos, egy pedig dízel hajtású. A villamos változatok engedélyezett legnagyobb sebessége 230km/h, de a próbafutásokon elérte a 255km/h-t is. A dízel változatoké 200km/h. Itt kell megemlíteni, hogy létezik alacsonyabb szolgáltatási színvonalat nyújtó billenőszekrényes motorvonat is, amelyek kis forgalmú mellékvonalak kiszolgálására alkalmasak, és általában iker sínbuszokból állnak (BR611, 612). A villamos hajtásúak öt illetve hét kocsisak, a dízel pedig négy. Mindre jellemző, hogy a gépészeti berendezéseket a szerelvény teljes hosszában a padló alatt helyezték el, rendelkeznek egy első osztályú kocsival, ahol bőrülések és lcd képernyők várják az utasokat. Természetesen a maximális komfortot biztosítja az elektronikus utastájékoztatás, a zajmentes légkondicionálás, az étteremkocsi, a minőségi anyagok és a kifogástalan kidolgozás mellett a megnyerő külső forma. A maximális tengelynyomás 15t. 4.1.1. Az ICE-T technikai adatai megnevezés üres tömeg max. tömeg teljesítmény teljes hossz max. sebesség ülőhely 1.o. ülőhely 2.o. ülőhely összes ülőhely bisztró tömeg/hossz tömeg/ülőhely teljesítmény/tömeg teljesítmény/ülőhely összeállítás (kocsi/vonat)
ICT 415 ICT 411 ICT-VT 605 ~250t ~350t n.a. ~280t ~390t n.a. 3 MW 4 MW 1,7 MW 132,6 m 184,4 m 106,7 m 230 km/h 230 km/h 200 km/h 41 53 41 212 307 148 253 360 189 5 28 n.a. ~1,9t/m ~1,9t/m n.a. ~0,99t/ülés ~0,97t/ülés n.a. ~12kW/t ~11,4kW/t n.a. 11,86kW/ü.h. 11,11kW/ü.h. 8,99kW/ü.h. 5 7 4
1. táblázat – az ICE-T technikai adatai
4.1.2 Az ICE-T BR 411 jellegrajza
1.o nemdohányzó, vezérlőkocsi
1o. / 2.o. dohányzó
étkezőkocsi (étterem&büfé), családi fülkék
2.o. kocsi
2.o. kocsi
2.o. kocsi
2.o vezérlőkocsi, kerékpár tároló
4.2 Egyéb típusú szerelvények -
Olaszországban: Pendolino ETR 460-500, (15kV, 16 2/3 Hz és 25kV, 50 Hz – ETR 480) Svájcban: Cisalpino ETR 470, ITC BR 411, ITC BR 415, Talgo Németországban: ITC BR 411, ITC BR 415, dízel: ITC-VT 605, BR 611, 612 (2. kép) Svédországban: X2000 – Több jármű kétáram-nemüsítését 2000-ben végzik el és többféle kocsi-összeállítás létezik. (1. kép) Franciaországban: TGV Pendaulire Horvátországban öt, míg Csehországban tíz új beszerzésű billenőszekrényes motorvonat vásárlásáról döntöttek. Ezeken kívül más országok is használnak billenő rendszert: Portugália (Talgo), USA (X2000), valamint a Távol-Kelet több országa.
1. kép – X2000
2. kép – BR 612 RegioSwinger
5. Számítások 5.1 Ívben megengedhető sebességek számítása
Kiinduló adatok
V g
9.81
R a0 2
m
V 11.8. R
α
asin
153.a0
Az épített túlemelés számítása A pálya dõlése
m 1500 2
an
V
V
A gyorsulás sugárirányú összetevõje
2 3.6 .R
3.6. R .( a0
g .tan ( α
β))
A megengedett sebesség számítása
Alapeset V= R= a0= m=
80 400 0,52 109,24
[km/h] [m] [m/s2] [mm]
90 500 0,52 111,6
[km/h] [m] [m/s2] [mm]
100 550 0,52 134,99
[km/h] [m] [m/s2] [mm]
Megengedhető sebességek a kocsiszekrény-vezérlés esetében a0= 0,4 [m/s2] 0,4 [m/s2] 0,4 [m/s2] β= β= β= β= β= β= β= β= β= β= β=
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
fok fok fok fok fok fok fok fok fok fok fok
80,00 81,67 86,99 92,02 96,80 101,38 105,79 110,05 114,18 118,19 122,10
0,00% 2,10% 8,74% 15,03% 21,01% 26,74% 32,25% 37,57% 42,73% 47,75% 52,64%
90,00 91,86 97,77 103,37 108,70 113,80 118,71 123,46 128,06 132,54 136,90
0,00% 2,07% 8,64% 14,86% 20,78% 26,45% 31,91% 37,19% 42,30% 47,27% 52,12%
100,00 101,86 107,76 113,38 118,76 123,94 128,93 133,78 138,48 143,07 147,56
0,00% 1,87% 7,77% 13,39% 18,77% 23,94% 28,94% 33,78% 38,49% 43,08% 47,57%
110 650 0,52 140,102
[km/h] [m] [m/s2] [mm]
0,4 [m/s2] 110,00 112,01 118,36 124,41 130,21 135,80 141,20 146,43 151,52 156,49 161,35
2. táblázat – Ívben megengedhető sebességek számítása
0,00% 1,83% 7,60% 13,11% 18,38% 23,46% 28,37% 33,12% 37,75% 42,27% 46,69%
120 800 0,52 132,84
[km/h] [m] [m/s2] [mm]
0,4 [m/s2] 120,00 122,26 129,40 136,21 142,71 148,97 155,02 160,87 166,56 172,11 177,53
0,00% 1,88% 7,84% 13,51% 18,93% 24,15% 29,19% 34,06% 38,81% 43,43% 47,95%
Az egyes dőlési szögekben az átlagos sebességnövekmény (3. táblázat) β= β= β= β= β= β= β= β= β= β= β=
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
fok fok fok fok fok fok fok fok fok fok fok
0,00 1,95 8,12 13,98 19,57 24,95 30,13 35,15 40,02 44,76 49,39
% % % % % % % % % % %
3. táblázat – Átlagos sebességnövekmények a dőlési szög függvényében
6. Egyéb előnyök -
Nincs szükség költséges pályaépítésre, ívkorrekciókra Eljutási idők csökkenése Kényelmi szolgáltatások növekedése A hagyományos ic vonatokhoz képes akár 5-dB-es zajcsökkenés, halkabb működés A vasúti pálya „kímélése” a kisebb tengelyterhelések miatt Környezetbarát (4.táblázat) Fentiek miatt utaslétszám növekedés várható, ami a közutakat tehermentesíti a gépjárműforgalom alól, csökken azok zsúfoltsága, és így a balesetek száma is Presztízs káosanyag CO2 (kg/100 utaskm) CO (kg/100 utaskm) HC (kg/100 utaskm) NOx (kg/100 utaskm) SO2 (kg/100 utaskm)
szgk. 14,1 552 81 121 7
4. táblázat
repülőgép ICE vonat 17,1 4,2 53 1 14 0 72 5 8 6
7. Konklúzió A felvázolt lehetőségek kétség kívül nem olcsó beruházások. Elég ha csak a járművekre és azok kiszolgáló háttérszervizére gondolunk, de jóval olcsóbb nagysebességű pályák építésénél. Nem szabad azonban szűklátókörűen csak a tényleges költségeket szemügyre venni, mert a minőségi szolgáltatást nyújtó vasút a gazdasági és a társadalmi folyamatokat is bizonyítottan pozitívan befolyásolja. Európában egyre több azon vonalak száma, ahol kocsiszekrény-vezérelt vonatok járnak, és ezek a vonalak már bizonyították létjogosultságukat Európa leggazdagabb országaiban is. Tehát nem szabad arra gondolni, hogy az utazási idő csökkentése csak új, költséges vonalak építésével oldható meg. A Német Vasút tervei szerint a mozdony vontatta intercity vonatokat ICE-T szerelvények váltják föl. Ezzel menetidő és fordaidő csökkentés is elérhető, amellett, hogy a vasúti pálya is kevésbé van kitéve a nagy igénybevételeknek. A Svájci Államvasutak is hasonlókat tervez a jelenleg is folyamatban lévő nagyszabású vasúti project (Bahn 2000) keretén belül.
Ezúton szeretném köszönetemet kifejezni azoknak, akik áldozatos segítségükkel hozzájárultak munkámhoz.
Bokory Gábor Budapest, 2000 november
Felhasznált irodalom
www.sbb.ch www.db.de www.uic.asso.fr Railway Gazette Vasútgépészet Frang Zoltán – A vasút Pályaőr
