Az energiatakarékos vasút



Olvasónk, Kovács Márton, a győri Széchenyi István Egyetem negyedik féléves járműmérnök hallgatója elküldte számunkra egy egyetemi munkáját. A vasúti közlekedést energetikai szempontból elemzi a mozdonytól a pályáig, bemutatva, hogy a vasút a legzöldebb közlekedési ágazat a szárazföldön. A téma és a műfaj miatt az átlagos iho-cikknél hosszabb és szakmaibb az írás, de úgy véljük közérthető és közérdekű áttekintés.

A közlekedés energetikája

A hatékony energiafelhasználás a kezdetektől fontos szempont volt a közlekedésben, a fenntartható üzemeltetés, később pedig a kibocsátási normák miatt. Napjainkban ez egyre inkább aktuális, a lehetőségek pedig ígéretesek. A túl nagy üvegházhatáson kívül a környezetterhelés és a mobilitási kérdések kerülnek előtérbe. A környezettudatosság és a minél olcsóbb üzemeltetés eleinte ritkán találkoztak a járműiparban, sőt a kommunális felhasználásban egyáltalán nem. Azonban az utóbbi évtizedekben a szénhidrogénárak emelkedése és a klímakérdés változásra kényszeríti az ipart – amire a korszerű technológiák és a modern gépészet megoldást kínál.

Közlekedési módok környezetterhelése az Európai Unióban

Az európai közlekedési rendszereket alapul véve egyértelműen a vasút a szárazföldi távolsági áruszállítás leghatékonyabb módja. A megfelelő közlekedési mód kiválasztása összetett feladat, és olykor az energiahatékonyság helyett a pontos menetidő, gyors közlekedés kerül előtérbe. Ez egyáltalán nem gond, egészen amíg a racionalitás vezérli a döntéshozókat. A tehergépjárművek mobilitása, és a repülőgépek sebessége mind érthető és objektív szempont. Ez a dokumentum arra keresi a választ, hogy a fajlagos energiafelhasználás és a környezetterhelés szempontjai mentén mik teszik a vasutat versenyképes ágazattá.

Közlekedési módok környezetterhelése az Európai Unióban

A vasúti közlekedésről

Jó üzemtani tulajdonságaik ellenére a közúti járművek hajtásláncaiban (néhány erőgépet leszámítva) csak az utóbbi 10–15 évben jelentek meg a villamos gépek. A vasút kötöttpályás jellegéből adódóan már a XIX. században megjelent a felsővezeték, eleinte csak városi vasutaknál. A hatalmas fajlagos teljesítmény, az energia-visszatáplálás és a széles skálán jó hatásfokkal terhelhető berendezések miatt képes a felsővezetékről táplált villamos vontatás az olcsó, gyors és energetikailag fenntartható közlekedés szerves része lenni.

Gabonaszállító szerelvény Tiszafüreden

A dízelvontatás szintén meghatározó. Mivel a mozdonyok igénybevétele többnyire kiszámítható, és ritkán ingadozik, ezért az erőátviteli rendszereket (hidraulikus, villamos) lehetséges ideális állapotra méretezni, jó hatásfokot elérve ezzel.

Járműszerkezetek tekintetében a legfontosabb, hogy a vasúti vagonok kapacitása méretükhöz és tömegükhöz képest nagy. A pályaellenállás egyharmada a közúti járművek esetén fellépőnek – ez a gördülési súrlódásra vezethető vissza. Ebből azonban az is adódik, hogy a pályák vonalvezetése speciális hajtás nélkül nem enged nagy emelkedőket, ami megépítéskor és a műtárgyak karbantartásakor (alagutak, hidak, felüljárók) hátrány, az üzemeltetésben viszont egyértelmű előny.

Járműhajtás
Dízel erőforrások

A vasúti vontatásban használt dízelmotorok a jó hatásfokú belsőégésű motorok közé tartoznak. A személyvonatok és kisebb tehervonatok továbbítására való vonali mozdony motorjainak teljesítményre vetített fogyasztása 190–210 g/kWh (MTU V16), illetve 198–200 g/kWh (CAT V12) értékek körüli. A GE gyártmányú, nehéz tehervonati, 3170 kW teljesítményű mozdonyok 7FDL-16 erőforrása 203–209 g/kWh fogyasztást produkál. A hazai vasúti gyakorlat egy példája szerint korszerűsített 418-as sorozatú mozdony (1250 kW) tüzelőanyag-fogyasztása (V12 CAT 3512B erőforrás) teljes terhelés alatt (15–18 rakott tehervagon, 90 kilométer/óra) 329 liter 100 kilométeren.

Korszerű dízelmotor kagylódiagramja, https://www.researchgate.net/figure/BSFC-of-the-diesel-engine_fig2_276036649

MÁV 418 sorozat fogyasztása V12 CAT 3512B jelű motorral – 100 kilométeren, tehervonattal

teljesítmény teljes terhelésen: P=1250 kW
szerelvény tömege: m=1000 t (~15 vagon)
fajlagos tüzelőanyag fogyasztás: b=193 g/kW

Az utóbbi években főként az MTU fejlesztései a közös nyomócsöves befecskendezőrendszer, a többfokozatú turbófeltöltés, és az igen magas nyomású befecskendezés terén elősegítik a jó égéslefutást, így hatékony a gázolajfelhasználás. Említésre méltó típus az MTU 4000 R84 jelű motor, ezt többek között a lengyel Pesa mozdonygyár 2400 kW-os tehervonati dízelmozdonyaiba is építik. A fent említett közös nyomásterű (common rail) befecskendezés mellett kétfokozatú turbófeltöltés segíti az alacsony tüzelőanyag-fogyasztást. Ezek mellett a kipufogógáz-visszavezetés és a részecsekeszűrő segítségével a károsanyag-kibocsátás is megfelel a jelenlegi európai határértéknek.

A nagynyomású befecskendezés felhasználástól függetlenül jellemző a korszerű dízelmotorokra. Mozdonyok esetében akár 2200-2500 bar nyomást alkalmaznak. Ennek oka, hogy jó keverékképzés érhető el, és a cél, hogy minél több szénhidrogén-molekula érintkezzen levegővel. Így tökéletesebb égés érhető el, ami a hatékonyságnövelésen kívül a károsanyag-kibocsátásra gyakorol jelentékeny hatást. Egy adott motorblokk élettartamával szorosan összefügg a dugattyú-középsebesség. Nagy dízelmotorok esetén a hosszú löket miatt általában alacsony a fordulatszám, és a motor méretének növekedésével csökken. Egy korszerű vasúti dízelmotornál 10 méter/másodperc a jellemző érték, modern szerkezeti anyagokkal és kenéstechnikával 12,5 méter/másodpercig növelhető az idő előtti tönkremenetel kockázata nélkül. (Versenyautóknál 25 méter/másodperc az elméleti maximum.) A zajszintre vonatkozó elvárások miatt újabb konstrukcióknál szükséges zajcsillapító alátámasztásokat alkalmazni. A rugalmas bakok rezgéselnyelő hatása miatt a motort tartó felépítmény dinamikus és fárasztó-igénybevétele kisebb, így a jármű élettartamát is megnövelheti.

Dízel erőátvitel

Teherszállításban és nagy volumenű személyszállításban általában a tisztán hidraulikus vagy a villamos erőátvitelt alkalmazzák. Tolatószolgálati járművekben, vagy mellékvonali motorkocsikban találkozni tisztán mechanikus nyomatékváltóval, ami egy fogaskerékhajtómű. Hátránya, hogy csak kis teljesítményátvitelt tesz lehetővé. A fogaskerékhajtómű hidraulikus tengelykapcsolóval kiegészítve hidrodinamikus közlőmű. Működési elve megegyezik a gépjárművekben alkalmazott ún. bolygóműves automata váltóval. E hajtás hátránya, hogy a tengelykapcsoló áramlástechnikai gép, így harmadfokú a változó veszteség kitevője. Hatásfoka akkor a legjobb, ha a változó (aktuális teljesítménytől függő) veszteségei feleakkorák, mint az állandó veszteségek. Emiatt a hidraulikus hajtóművek ideális munkapontja többnyire ~60–80 százalékos terheltség közé esik és a hatásfokgörbéjük csúcsos. Ideális munkaponttól (fordulatszám, teljesítmény) eltérve jelentősen megnőnek a veszteségek. A fogaskerékhajtómű lehetővé teszi, hogy változó sebességű üzemben is közel azonos maradjon a motorfordulatszám, így nem csökken jelentősen a hatásfok. A viszonylag korszerű Siemens Desiro motorvonat ilyen erőátvitelt alkalmaz.

Nagyobb teljesítmény átvitelére a fogaskerékhajtómű nem alkalmas, ezért a fővonali mozdonyokban eleinte a tisztán hidraulikus nyomatékmódosítás terjedt el. A hidrodinamikus erőátvitel az áramló közeg mozgási energiájának felhasználásával szállít teljesítményt a dízelmotortól a forgóvázon található tengelyhajóművekig. Ezek legtöbbször kétfokozatú hajtóművek. A Föttinger-elv szerint működő hajtóművekben egy szivattyúkerék és egy turbinakerék forog egymással szemben, a kettő között vezetőkerék kap helyet. A magyar vaspályák jellegzetes mozdonya a 418-as sorozat is ilyen kivitelben készült a 70-80-as években, és a felújított, rendszeresen karbantartott járművek hajtáslánc terén ma sem számítanak elavultnak. Ebbe a mozdonyba a Voith cég által fejlesztett L720 jelölésű hajtóművet építettek, ami két fokozatban képes nyomatékot átadni. A dízelmotortól érkező behajtó tengellyel van mechanikus kapcsolatban a szivattyúkerék. Az ennek lapátait elhagyó hidraulikafolyadék irányt változtat az álló lapátsoron, amit vezetőkeréknek hívnak. A folyadék más szögben érkezik a kihajtáshoz csatlakozó turbinakerék lapátaira, mint ahogyan a szivattyúkereket elhagyta, ezért a kihajtás és a behajtás nyomatéka eltérő.

Az első fokozat az álló helyzetből induláskor használatos, a második a menet-nyomatékmódosító. A hidrodinamikus erőátvitel fő hátránya, hogy mindkét fokozat csak bizonyos fordulatszám-tartományban üzemel jó hatásfokkal, ezért napjainkban már csak közepes teljesítményű, egyenletes terhelésű fővonali mozdonyokban célszerű használni. Az olaj hőmérsékletét a hosszú csereciklusok érdekében 105 °C alatt kell tartani, ezért a túlterhelést mindenképpen kerülni kell. A túlmelegedés a tűzveszélyességen kívül azért is probléma, mert a munkaközeg egyben a mechanikus alkatrészek (csapágyak, fogaskerekek, tolóhüvely) kenőolajaként is funkcionál; túl nagy hőmérsékleten fokozódnak a kopások.


Különböző felhasználású dízelmozdonyok paraméterei

A legnagyobb teljesítményű dízelmozdonyok villamos erőátvitelűek. A dízel-villamos erőátvitelt azért nem érdemes kisebb mozdonyokban alkalmazni, mert a beépítendő főgépcsoport viszonylag nagy tömegű és költséges. Összehasonlításul: a MÁV 418-as sorozatú mozdonya hasonló teljesítményű, mint a 628-as sorozat, azonban utóbbi indító vonóereje lényegesen nagyobb. A villamos vontatómotor nagy előnye, hogy 0 fordulatszám mellett (=elinduláskor) is képes nagy nyomatékot leadni. Az ilyen dízelmozdonyok nagyrészt egyenáramúak, mert a dízelmotor főtengelyével közvetlen kapcsolatban álló generátor által termelt áram frekvenciája és feszültsége nem mindig állandó. A kiegyensúlyozott vontatási teljesítmény céljából a főgenerátor váltakozó feszültségét egyenirányítón vezetik át, állandó feszültséget nyerve ezzel. Sok ma is működő mozdony alkalmazza ezt a technológiát, például a NoHAB gyár mozdonyai, a szovjet 2TЭ10M, TЭ109, M62, valamint a hazai gyártású M63 és M44 sorozat. A korszerű dízel-villamos mozdonyokon azonban váltakozó áramú aszinkron gépek biztosítják a tengelyek meghajtását. Ez esetben az egyenfeszültséget egy inverter visszaalakítja váltóárammá, azonban ennek frekvenciája és feszültsége mindig a kívánt értéken tartható. Ilyenek a világ legerősebb dízelmozdonyai, pl. az ezredforduló idején gyártott amerikai GE AC6000CW 4500 kW teljesítményű mozdony és a szintén amerikai gyártmányú, de Kínában üzemelő 4700 kW-os CR HXN3.

Az európai dízelállományra inkább a remotorizálás jellemző, kisebb az igény új konstrukciókra, mert a fővonalak túlnyomó része villamosított. A korszerű európai típusok közé tartozik a Siemens ER20 jelű gépe, aminek legerősebb változata 6 tengelyes (ER20CF) kivitelben készült a litván vasút számára. Litvániában páros üzemben (2×2000 kW) 6000 tonnás szerelvények vonatására képes. Teljes terhelésen a villamos gépcsoport hatásfoka 82,6 százalék, 120 kilométer/óra sebességnél ez 50 kN vonóerőt jelent. Egy mozdony ereje maximális sebességgel egy 1020 tonnás szerelvény (16–18 vagon) vontatására elég. További előny a villamos fékezés. A vasúti vonatásban régóta alkalmaznak ellenállásos fékeket, villanymozdony esetén lehetőség van a felsővezetékbe visszatáplálni. Dízel erőforrás esetén a fejlesztési irány az akkumulátorok beépítése, akár hibrid szerelvények formájában. Az akkumulátoros és egyúttal a hibrid üzem fő hátránya a kicsi energiasűrűség. A Li-ion akkumulátoroknak van tömegükhöz képest a legnagyobb kapacitásuk, azonban folyékony tüzelőanyaggal összehasonlítva egységnyi energia tárolása ~70-szeres tömeg, illetve térfogat mellett oldható meg. Ez nemcsak a mozdony méreteit, hanem a tengelyterhelését is megnöveli, ami kiszoríthatja a gépet a mellékvonati közlekedésből. Elektródától függően 100–170 Wh/kg között változhat a fajlagos energia. Ilyen szempontból a nikkel-kobalt-alumínium kombináció a legjobb választás, azonban ez a technológia még drága, tűzveszélyes, és az élettartama is alacsony. Az alacsonyabb (~130 Wh/kg) kapacitású nikkel-mangán-kobalt jobb megoldás, viszont az ára ezen celláknak is magas.

Hibrid járművekben alkalmazható akkumulátorok, https://tud.qucosa.de/api/qucosa%3A26924/attachment/ATT-0/

Villamos hajtás

Ma Európában a vasútvonalak hatvanhárom százaléka villamosított, és ezeken zajlik a teherforgalom nyolcvan százaléka. Ennek fő oka az, hogy a felsővezeték-hálózat nagy kihasználtsága mellett az elektromos hajtás sokkal olcsóbb, emellett nagyobb sebességet és vonóerőt tesz lehetővé. Eleinte az egyenáramú vontatómotorok terjedtek el, viszont a modern villanymozdonyok aszinkron gépeket, vagy állandó mágnesű szinkron gépeket használnak. Ezek fő előnye a kis tömeg és méret, viszont az az állandó mágnesű szinkron gép ígéretes tulajdonsága, hogy viszonylag kis fordulatszámon üzemelve képes nagy forgatónyomaték leadására. Ez nemcsak az indító vonóerőnek kedvez, hanem ezen gépek a tengelymotoros hajtásra is alkalmasak, amivel az áttételezés vesztesége kiküszöbölhető. Az 1980-as évektől fokozatosan fejlődő félvezető-technika lehetővé tette a kétirányú energiaáramlást, ami a regeneratív fékezés alapja. A félvezetők olyan kémiai anyagok (vegyületek vagy elemek), amik alapvetően villamos szigetelők, de környezeti hatásra (pl. elektromos feszültség) képesek vezetőkké válni. A pneumatikus és villamos fék kombinált használata villanymozdonyoknál és dízel-villamos mozdonyoknál lehetővé teszi fékezéskor a mozgási energia egy részének átalakítását. A digitális szabályozástechnika fontos eleme a szaggató. Egyenáramot impulzusokra bontva képes fokozatmentesen és nagyon kevés veszteséggel szabályozni a mozdony teljesítményét. 1,5 kV és 3 kV DC hálózatok esetén igen fontos elem.

Az aszinkron motorok alkalmazását a nagy hatékonyság indokolja. Jó példa a Softronic gyár Transmontana nevű hattengelyes mozdonya, esetében az aszinkron hajtással 8–10 százalékos energiamegtakarítást értek el a korábbi modellhez képest. Napjaink egyik legjelentősebb mozdonya a Siemens gyár ES64U típusa, a Taurus. A 86 tonna össztömegű, 6400 kW teljesítményű típus sikerét jól mutatja, hogy csak a kétáramnemű változatból 437 készült. Az IGBT (Insluated Gate Bipolar Transistor) technológia képes nagy áramokat kapcsolni kis veszteséggel, így hatásfoka mellett a dinamikai tulajdonságok is javulnak. Korábban erre a célra tirisztorokat használtak, ezeknek nagyobbak a veszteségeik. Említésre méltó az Alstom KZ8A típusa, ez egy Kazahsztán számára készült kétszekciós tehervonati mozdony; 8800 kW teljesítménye révén 5350 tonnát képes vonatni 120 kilométer/órás végsebességével. Maximális teherbírása 9000 tonna.

Az utóbbi évek nagy fejlesztései a hibrid mozdonyok. Az egyik változat a vonali, nagy teljesítményű dízel erőforrású mozdony, ezekbe a villamos hajtáslánc mellé 12–16 hengeres dízelmotort és generátort építenek. Ezek segítségével lehetőség van gépcsere nélkül nehéz tehervonatot továbbítani villamosítatlan szakaszokon, mivel ezek a mozdonyok teljes értékű dízel-villamos mozdonyként is képesek működni. Ezeknek elsődleges hátránya a nagyobb tömeg. Bár a szerelvény méretéhez képest nem jelentős a többlet, a tengelyterhelést befolyásolja. Ez egyébként az akkumulátoros dízelmozdonyoknál is probléma, mivel az energia tárolásához szükséges akkumulátor és berendezései 10–15 tonnával is növelhetik a mozdony össztömegét, ami ~2,5 tonna többlet-tengelyterhelésben mutatkozik.

Ennél ígéretesebb azonban a Bombardier Traxx 3 F140AC típusú mozdony „Last mile” megoldása. Ennek a lényege, hogy az iparvágányokon, kisebb szárnyvonalakon felsővezeték híján egy Deutz TCD 7,8 literes, soros 6 hathengeres dízelmotor generátoron és egyenirányítón keresztül táplálja az egyenáramú ún. közbenső kört. 230 kW teljesítményt tesz lehetővé, így egy könnyebb (pl. üres) szerelvényt 70–80 kilométer/órás sebességgel is képes vonatni; ez nagyban köszönhető annak, hogy a vonató gépcsoport hatásfoka 90–96 százalék között mozog. Nehéz tehervonat indításához egy akkumulátortelep is segíti a dízelmotort, de mivel erre csak indításkor vagy emelkedőn van szükség, nem indokolt nagy akkumulátor beépítése. A hibrid mozdonyok másik példája a CAF Bitrac CC35600 jelölésű, 21,7 tonna tengelyterhelésű hattengelyes gép. Ez teljes értékű dízel villamos mozdonyként is működtethető, ugyanis ebben két dízelmotor van, amik együttesen 3600 kW-ot lépesek leadni. A dízelmotoroktól a genrátoron, IGBT vezérlésen és invertereken keresztül 2900 kW teljesítmény jut el a háromfázisú vontatómotorokig, így a villamos erőátviteli rendszer hatásfoka 80,5 százalékra tehető. Spanyolországban 3kV DC hajtással 4450 kW vontatási teljesítményt képes leadni, indító vonóereje 440 kN.

A világ legmeredekebb ipari használatú vasútvonala brazíliai vasércbányákat köt össze a santosi kikötővel. A 104 ezrelékes emelkedőn a Stadler He 4/4 típusú mozdonyaival akár 850 tonna vonatása is megoldható. A hegyi útvonalon nagy jelentősége van az energia-visszatáplálásnak, mivel a vezérlés villamos fékezés segítségével lejtmenetben 25 kilométer/órára fékezi a szerelvényt, így az energia nagy részét a 3 kV-os egyenáramú hálózat hat másik mozdonyának valamelyike képes használni. Stadler szerelvények kapcsán nem érdemes kihagyni a FLIRT motorvonatokat. Ezek (és visszatáplálásra képes mozdonyai) segítségével a MÁV 76 GWh áramot képes megtakarítani évente, ami a Paksi Atomerőmű egy blokkja által termelt energia 1,76 százaléka.

Villamos fékezéssel megspórolt energia

MÁV-Start villamos járművei villamos fékezés segítségével 76 GWh elektromos energiát mentenek meg évente.

Paksi Atomerőmű 1 blokkja 500 MW teljesítményű.

Mechanikai felépítés
Vasúti járműszerkezetek

A vasúti teherszállítás hatékonysága a hajtáslánc mellett nagyban múlik a járműszerkezet kínálta lehetőségeken. A tehervagonok fejlesztését főként a futásjóság és a teherbírás határozzák meg, elsősorban gazdasági szempontokból. Szerencsés eset, hogy ezen a területen nagy az átfedés a gazdasági és az energetikai-környezetvédelmi eredmények között. A hatékony teherszállítás három pillére az űrszelvény, a vagonok kihasználtsága és a megfelelő tengelyterhelés. Egy vagon legfontosabb része a forgóváz. Az Y25 típus terjedt el széles körben. Eredetileg francia fejlesztés négytengelyes teherkocsikhoz, lényegi újítása a csavarrugók alkalmazása volt laprugók helyett. Létezik tuskó- és tárcsafékes változata, utóbbi megengedi a 120 kilométer/óra sebességet 22,5 tonna tengelyterhelés mellett. A zajterhelés mérséklése hívta életre a LEILA projektet, aminek eredménye egy nagy teherbírású, de könnyű forgóvázkonstrukció. Konténervagonokon (Sgnss) alkalmazták kísérleti céllal, ezek maximális zajterhelése 96 dB-ről 23 dB-re esett! Mivel a decibelskála logaritmikus, így lehetséges, hogy nyolc korszerű vagon zajterhelése nem haladja meg egy régiét. A hagyományos fémrugós csillapítás mellett gumirugók is be vannak építve, illetve minden csapágytokon két függőleges hidraulikus csillapító kap helyet. A rezgéscsillapítás javítja a futásjóságot is, ezáltal a sínszálak és a kerék dinamikus igénybevétele is csökken, ami a pálya romlását lassítja. Érdekesség, hogy a LEILA forgóvázak csapágya a kereten belül helyezkedik el, ami keresztrudas merevítést tett szükségessé, hogy a kellő űrszelvényszélesség elérhető legyen. A belső csapágyazás nagyobb szögelfordulást tesz lehetővé a forgócsapon, így a fordulókör kisebb. Ennek tolatáskor/kocsirendezéskor lehet jelentősége, mivel a vonali mozdonyok többnyire 80–100 méter sugarú ívben közlekedhetnek.

Y25 forgóváz, https://somitomi.blog.hu/2017/02/26/forgovazakrol_roviden

Az európai fővasútvonalakon 20–22,5 tonna a legnagyobb megengedhető tengelyterhelés, kivételes esetekben engednek 25 tonnát. A nem ömlesztett, porózus vagy folyékony áruk szállítása a modern világban konténerekkel történik. Ez egy moduláris szállítási mód, szabványoknak köszönhetően egységesített, így az árukat könnyű kezelni, egyszerű a váltás a járművek között. A vasúti konténervagonokra különösen jellemző, hogy teherbírásukhoz képes tárasúlyuk alacsony, igaz az össztömegbe a konténer tömegét is bele kell számolni. Érdemes összehasonlítani a vasúti járműszerkezeteket a közútiakkal, mivel ez a két szállítási mód gyakran helyettesíthető (lenne) egymással. A szállított anyagtól függően változhat a tárasúly/teherbírás arány, azonban általánosan elmondható, hogy vasúti szerelvényekkel több hasznos tömeget lehet szállítani a közúti szállítási módokhoz képest. 22,5 tonna tengelyterheléssel számolva egy négytengelyes vagon maximális tömege 90 tonna lehet, ezzel szemben a kamionok Európában külön engedély nélkül nem haladhatják meg a 40 tonnás tömeget, és tárasúlyuk a jellemző össztömeg 25–30 százaléka.


Teherszállító vagonok különböző célra

Az űrszelvény kihasználtsága és az aerodinamika szintén fontos. Triviálisnak tűnhet, ám kulcsfontosságú, hogy a vasúton szorosan egymás mögé kapcsolt vagonok légellenállása kisebb, mint a szerelvénynek megfelelő kamionok légellenállása összeadva, mivel a követési távolságot betartó kamionok összegzett homlokfelülete nagyobb. A modern mozdonyok tervezési szempontjai között szerepel az alacsony alaki tényező, mivel nagy sebességnél (100–140 kilométer/óra felett) a torlónyomásból származó légellenállás a legjelentősebb hátráltató erő. Jó példa a Siemens Taurus, Vectron és Hercules mozdonya, illetve a Bombardier Traxx mozdonycsalád. Motorvonatok és nagysebességű szerelvényeknél ez fokozottan érzékelhető (Sinkanzen, ICE, TGV, AVE stb.).

Gördülési ellenállás gumi–aszfalt és acél–acél esetén

Az eddig tárgyalt hajtáslánc és a járműszerkezeti adottságok mellett fontos kitérni az alacsony pályaellenállás hatására. Az acélkerék és acél sínfej kapcsolata miatt a gördülési súrlódási tényező ~0,005 értékű, ami óriási előnyt jelent a közúti járművekkel szemben, mivel ez az érték megközelítőleg egyharmada a gumi–aszfalt-kapcsolat esetén tapasztalható értéknek. Emiatt lehetséges, hogy egy tehervonati szerelvényt tömegre vetítve egyszerűbb megmozdítani, mint egy kamiont.

Gördülési ellenállás

MÁV 630 sorozatú villanymozdony: 116 t

vasút:

közút:

Ugyanakkora erővel acél síneken háromszoros tömeget lehet mozgatni mint aszfalton.

A szerkezeti acélok (amelyekből a vasúti kerekek is készülnek) közepes keménysége 260-280 HV körüli értéket vesz fel. (A Vickers-keménység egy empírikus mérőszám, jele a HV.) Alakadás utáni hőkezeléssel ez az érték akár 440 HV-ig növelhető. A kerekek keménysége felhasználási területtől függ, tehervonatok esetén 280–310 HV, nagysebességű szerelvények esetén meghaladhatja a 320 HV értéket is. Definíció szerint adott anyag keménysége jelenti az ellenállás mértékét, amit más anyagok behatolásával szemben kifejt. Minél keményebb egy anyag annál kevésbé hajlamos az alakváltozásra és felülete nehezebben roncsolódik. A járművek kereke terhelés hatására elveszíti tökéletes kör alakját, és a gumikerekű gépeknél gyakran szabad szemmel érzékelhető, acélkerék esetén minimális alakváltozás következik be. A jármű gyorsítása során a kerék gördítésére szolgáló energia (hajtott tengelyen ébredő nyomaték) egy része elnyelődik az alakváltozásban; egyenletes haladásnál a hajtott tengely nyomatéka teljes egészében a deformációra (ellenállás legyőzésére) fordítódik.

Vasúti pályák

A pálya állapota és kialakítása nem kapcsolódik szorosan a vasúti közlekedés energetikai oldalához, viszont az üzemeltetésen és a fenntartáson keresztül hatása van rá. A karbantartási munkálatok összefüggnek a pálya kihasználtságával, így a szállítás hatékonyságával, emiatt érdemes minél tartósabbra tervezni a pályát. A pálya egyik fontos része a vasúti sín, amiknek anyaga nagy szilárdságú, viszont dinamikus igénybevételnek ellenálló mangánnal gyengén ötvözött acél. A kopásállóság alapvető szempont, ezért kemény felületű anyagra van szükség, azonban a rezgéscsillapítás szintén kulcskérdés. A keresztaljak között alátámasztás híján minimálisan képes behajlani a sínszál, ami nagy sebességnél (például gyorsvasutaknál) vagy tehervonatok esetén nagy tengelyterhelésnél jelentős lüktető terhelésként hat a kerékre, illetve a felerősödő, és hosszú távon kumulálódó rezgések kárt tehetnek a járműszerkezetben és elősegítik a kifáradást.

Sínszál gyártásai adatainak jelölése 160 kilométer/órás sebességre alkalmas pályán

A sínszál anyagának megválasztásánál figyelembe kell venni a pálya igénybevételét, a közlekedő vonatok típusát. A nagysebességű szakaszokon hőkezelt, gyengén ötvözött, viszont magasabb széntartalmú acélokat alkalmaznak, hogy nagyobb legyen a keménység (~320–390 HV), ezáltal a pálya merevsége. Olyan szakaszokon, ahol változó az igénybevétel, ezáltal a tengelyterhelés, a sebesség vagy akár a kerékprofil, nem előnyös mindenáron a nagyszilárdságú acélok alkalmazása. Az ötvözetlen sínszálak keménysége 220–300 HV. Alapvetően az anyagok keménységével nő a ridegség is, ami azt jelenti, hogy tönkremenetelükig viszonylag kevés energiát képesek elnyelni, és a már említett kifáradás kockázata is nő. Ennélfogva a sínszál anyaga esetén is érvényes a kerék anyagánál alkalmazott elv, hogy a fokozott keménység csak a nagysebességű pályáknál indokolt.

Az ívben haladáson kívül, amit többnyire a domborzat tesz indokolttá, a váltókon történő áthaladás miatt szükséges a sebességet csökkenteni. A hirtelen irányváltoztatás miatt megnő a kisiklás veszélye, illetve a nyomkarima a váltónyelvnek ütközik, ami nagy sebességnél roncsolást eredményez. Ennek megelőzésére a vasúti váltókat úgynevezett Hadfield-acélból készítik. Ez egy olyan, mangánnal erősen ötvözött acél (12–14 százalék mangán), aminek ausztenites a szövetszerkezete, ennélfogva rugalmas, viszont magas széntartalma (1,2–1,4 százalék szén) miatt kellően kemény. További fejlesztés a hosszú váltók alkalmazása, mivel így a nyomkarimát a sínfejhez nyomó erő lecsökken, ezért mérséklődik a kopás vagy emelhető a sebesség. A sebesség azért fontos, mert ha kizárólag a kitérő miatt kell lelassítani, akkor nagy a mozgásienergia-veszteség. Modern vasútvonalakon a kitérőkön nincsen sebességkorlátozás, ez a váltók geometriájával és a kitérők lényegesen nagyobb görbületi sugarával és hosszával érik el. Egy nem túl messzi példa: egy csehországi pályarekonstrukció során, Prosenice közelében az elődjénél kétszer hosszabb, 307 méteres kitérőt építettek, így azon 160 kilométer/óra sebességgel haladhatnak át a vonatok. A nagysebességű hálózatokon (TGV, ICE, CRH) alkalmazott megoldások lehetővé teszik, hogy a szerelvények akár 300 kilométer/órát meghaladó sebességgel haladjanak át kitérőkön.

A gördülési ellenállás a vasúton alacsony, azonban a fém-fém kapcsolat miatt a tapadási súrlódás is alacsony. Ez a vasútvonalak kivitelezése során hátrány, mert több műtárgyat kell építeni, mint az utak esetében. A közlekedés során viszont előny, mivel a járműveknek kevés szintemelkedést kell leküzdeniük. Hazai viszonylatban kifejezetten extrémnek számít a 11-es számú Győr–Veszprém vasútvonal, aminek egyes szakaszai 20 ezrelékes emelkedőkből állnak. Az ezzel párhuzamosan futó 82. számú főúton például Zirc külterületén 33 ezrelékes emelkedő is van, sőt a Mecsekben olyan hajtűkanyar is van, ahol 50 ezrelék a 6-os főút emelkedése. A 82-es főút és a 11-es vasútvonal párhuzamánál maradva, a 10 ezrelékkel nagyobb emelkedés az jelenti, hogy kilométerenként 10 méterrel magasabbra kell feljuttatni az árukat. Ez annyi többletenergiát igényel, amit tonnánként ~0,0101 liter gázolajból lehet fedezni.

Győr–Veszprém szállítási útvonal emelkedői (kiragadott példa)

Az egyik legnagyobb emelkedésű szakasz Zirc közelében található:

vasút: 20 ezrelék
82-es főút: 33 ezrelék

többlet gázolajszükséglet 1 tonna vontatmányra vetítve, ha egy nyerges vontató és a mozdony hajtáslánca is ~40 százalékos hatásfokú:

gázolaj sűrűsége: ρ=800 g/l
gázolaj fűtőértéke: Ha=40 MJ/kg

Ha nyolc-kilenc Eas-vagon 16,5 tonna tengelyterhelésű pályán 320–340 tonna, akkor hozzávetőlegesen 320∙’V’ mennyiség takarítható meg egy emelkedő alatt, pusztán a helyzeti energia különbségből. (3,22 l)

Elsőre nem tűnik jelentős mennyiségnek, viszont a 79 kilométeres vasútvonal három völgyhídja és négy alagútja jelentős szintemelkedést spórol meg, ami már egy 300-400 tonnás rönkfavonat esetén is számottevő. Még a bakonyinál is nehezebb terepnek számított az Alsó-Ausztriában és Stájerországban kanyargó Semmeringbahn megépítése, viszont a több mint száz híddal és tizennégy alagúttal el tudták érni, hogy 460 méter lett a szintkülönbség, és 25 ezrelék a maximális emelkedés. Természetesen helyzetienergia-változásra szükség van, de a bakonyi példa is mutatja, hogy vasúton korlátozottak a lehetőségek, éppen ezért kisebb a meredekség. Általánosan elmondható, hogy a közúthoz képest kisebb meredekség miatt egységnyi távolságon kevesebb az emelkedés, ennélfogva a helyzetienergia-változás is.

Összegzés

Nyilvánvaló, hogy semelyik műszaki-energetikai területeken nem létezik olyan opció, aminek kizárólag előnye van. A kulcskérdés, a károkozás és az újratermelődés egyensúlyban tartása, megfelelő hosszú távú haszon mellett. Az ember által okozott ökológiai hatás (Impact) mértékére találták ki az „I=P×A×T” összefüggést, ami a lélekszám (Population), a fogyasztás/életmód (Affluence) és az aktuálisan elérhető Technológia között teremt összefüggést. A vasutat alapul véve belátható, hogy szállítási volumennel arányba állítva biztatóak a körülmények. A vasút egyik fő hátránya a nagy áram-, illetve gázolajszükséglet, aminek orvoslása egyedül az energiaigény-csökkentéssel lehetséges. A vasúti járműszerkezetek, valamint a pálya adottságai miatt az áruszállítást (és a személyszállítást is) kevesebb nettó energia (affluence) felhasználásával lehet megoldani. Ezen kívül a hajtáslánc miatt adott mennyiségű (energia)forrásból származó energia felhasználása és átalakítása (technology) is hatékonyabb, vagyis az ökológiai hatással szorosan összefüggő energetikai fenntarthatóság két tényezőjét kielégíti. A vasút legfontosabb hátránya éppen a kötöttpálya.

Források

IRODA: 1066 Budapest, Teréz Krt. 38. II/235. SZÁMLÁZÁSI- ÉS LEVELEZÉSI CÍM: 1066 Budapest, Teréz Krt. 38. (2014. február 4-től) NYITVATARTÁS:  AZ AKTULÁSIRÓL TÁJÉKOZÓDJON A FŐOLDALON 
TELEFONSZÁM: +36 1 353 2005 MOBIL: +36 30 512 1911, +36 30 209 5049, +36 30 567 9879 TELEFON/FAX: +36 1 353 0562 E-MAIL: info@ktenet.hu
ADÓSZÁM:
19815709-2-42 CÉGJEGYZÉKSZÁM: 403 SZÁMLASZÁM: 10200823-22212474-00000000