Szoftveres szimuláció

A MÁV KFV Kft. által kifejlesztett szoftver (a neve „Kúposság”) áll rendelkezésre az analízisek lefolytatásához.
A korábban vázolt keréktípusok, valamint nagyvasúti kerekek (8 db), különböző sínprofilok (19 db), síndőlések (5 db) és nyomtávadatok (8 db) ~6000 db variációjának futtatásával lehet közel teljes a vizsgálati program. A geometriai és egyéb korlátok miatt ez a szám ~3000 lesz.
Ennek folyamatáról, részeredményeiről már beszámoltam, a többi között a nemzetközi BOGIE ’16 konferencián [6]. Ebben a témában például Ivan Shevtsov is tett közzé hasonló elemzéseket [7].
Röviden összefoglalva: a működés minden szempontból elégtelen (tanγe, egyenértékű kúposság, érintkezési felületek, futókörök sugarainak különbsége [RRD: Rolling Radii Difference]), különösen a kis sugarú ívekben haladáskor.

A szimulációk során levont következtetések

Mint szakmai (vasúti járműgépészeti és építőmérnöki) evidencia, jól ismert, hogy egyenesben alacsony egyenértékű kúposság a kedvező, míg az ívekben, különösen a kisebb sugarú ívekben haladáskor csak az adott ívsugárra jellemző mértékű, elegendően nagy futókörsugár-különbség lenne a kedvező. Ez viszont sok esetben csak egy igen magas egyenértékű kúpossági értékkel érhető el. Ezek egymásnak ellentmondó követelmények, feloldásuk az egyik megfogalmazódó cél.
A kis sugarú ívekben a járhatóság (és az RRD) szempontjából a nyomtáv­bővítés hasznos (a külső kerék a nyomkarima melletti legnagyobb futókörön, a belső sínszálnál a belső kerék elvileg a siklásbiztonság szempontjából még megengedhető legkisebb futókörén futhat), de a nagyobb nyomtávolság esetén például a merev csapágyvezetésű forgóvázak is jobban keresztbefordulnak, nő a kerék és a sín közötti nekifutási szög. Ekkor a hátsó tengelyen kialakuló futókörsugár-különbség akár negatív is lehet (lásd pl. 5. ábra) [8].

Ez is egymásnak ellentmondó feltételrendszer, tehát egy másik elérendő cél a nyomtávbővítés különben kedvező hatásának biztosítása, az ellenhatásokat kizáró megoldások megtalásával együtt.
Ahogy azt már korábban [1] bemutattam, R <~80-100 m alatt a legtöbb esetben nem lehetséges a szükséges futó­körsugár-különbség elérése.
A legnagyobb futókörsugár-különbség (∆r) ≈ 24 mm (a magyarországi közúti vasúti járműveken) úgy lenne elérhető, ha a külső kerék a nyomkarimán futna. Hasonló a megoldás a felfutós (lapos vályús) keresztezésű közúti vasúti kitérők esetében, így attól jelentősen eltérő kialakítások nem szükségesek. A működés bemutatására a tárgyalt szoftverrel végzett egyszerű kerék-oldalkitérési vizsgálat is alkalmas (6. ábra).
Az elemző munka, az elvégzett szoftveres analízisek még azt is megmutatják, hogy a közúti vasutak kis sugarú íveiben a legelőnyösebb a nyomtávbővítés alkalmazása, de ez csakis a nekifutási szög csökkentését szolgáló (a jármű keresztbefordulását megakadályozó) beavatkozásokkal együtt engedhető meg. A nekifutási szög csökkentése a Vignol-sínes vágányoknál külső vezetősín alkalmazásával, vályús sínnel épített vágányokban az eltérő vályúszélességű (kívül keskenyebb) sínek beépítésével érhető el (7. ábra). A belső sín melletti vezetősín káros, mivel a szűk vályúméret akadályozza a maximális oldalkitérés létrejöttét, így a szükséges és elégséges RRD funkció kialakulását.

Ahogyan azt például Jochen Brandau [9] disszertációjában kifejtette, az aszimmetrikus sínfej-geometria kedvező az ívben haladáskor, melyet a nagyvasúti gyakorlatban nagymértékű, aszimmetrikus sínprofil-átköszörüléssel hoznak létre.
Az aszimmetria pályában történő kiala­kítása gazdaságossági szempontból jár­hatóbb útnak látszik. Például sínleerősí­té­sek­ben aszimmetrikus síndőlést adó köz­betétek beépítésével a keresztaljak ki­lakítása is megegyezhet a folyópályában, egyenesben lefektetettekével. (Az új építésű pálya ilyen kialakítása, majd a távlatban bekövetkező síncsere esetén már a rendszer adottsága az aszimmetria, nem kell újra költséges, átprofilozó sínköszörülést végezni, így a pályában az építés és a karbantartási síncsere során is 10-20 Eur/m többletköltség takarítható meg.) Az aszimmetria segítségével a külső oldali függőleges (1 : ∞), valamint a belső oldali 1 : 20-as síndőléssel a legkedvezőbb futókörsugár-különbség (∆r, RRD) kialakulhat! (Budapesten létesültek ilyen kialakítással közúti vasúti tesztszakaszok, és kedvezőek a tapasztalatok.)
A legkisebb ívtartományban, R = ~40 m alatt, lapos vályú alkalmazása szükséges, hogy a külső nyomkarimán történő futást biztosítsa. Ekkor keletkezik a legnagyobb futókörsugár-különbség, ami a legkedvezőbb paramétereket adja. (Ilyen aszimmetrikus vályúmélységű tesztkitérő [R = 25 m] már üzemel a BKV Zrt. vonalán, és előkészítés alatt van Budapesten kis sugarú ívek [R = 21 m] kialakítása is.)
A vasúti járművekkel foglalkozó szakemberek már régóta kutatják a hullámos sínkopási folyamatokat, melyeket dinamikus hatások generálnak. Az adhézió csakis a keréknek a sínhez képest igen kicsiny, ún. mikrocsúszási tartományba eső útkülönbségének kialakulása során jöhet létre [10]. A sín magassági és oldalkopása, valamint a járműkerék kopása a vasúti közlekedés természetes velejárója. Ennek a folyamatnak a befolyásoló tényezőit azonban összehangolhatjuk, optimalizálhat­juk. Ehhez elemeznünk kell az egyes vasútüzemek ez irányú sajátosságait.