Sporets trasé/Krengetogstilpasning

__NUMBEREDHEADINGS__

INNLEDNING

Til nå i Sporets trasé har vi betraktet sporets geometri og samspillet mellom en rekke elementer basert først og fremst på fysiske betingelser. Vi har så vidt vært innom det faktum at grenseverdiene som gis i det gjeldende regelverket for Jernbaneverket (såvel som ved andre forvaltninger) har sitt utspring i de reisendes oppfatning av hvor komfortabel togfremføringen er.

I dette kapitlet skal vi i hovedsak se på optimaliseringen av sporet på grunnlag av de reisendes subjektive komfortoppfatning. I så måte skal særlig én av flere fremgangsmåter beskrives nærmere: Modellering av komfort på grunnlag av statistisk testing - utledning av den såkalte PCT-funksjonen.

Prosjekt med VTI

Gjennom 1998 gjennomførte Jernbaneverket sammen med VTI (Väg- og transportforskningsinstitutet i Linköping) et prosjekt som har hatt som utgangspunkt å forbedre komforten for de reisende. Til grunn for dette studiet er nettopp PCT-funksjonen blitt benyttet . I samarbeid med VTI er analysen blitt benyttet for vurdering av komforten relatert til sporgeometrien ved Jernbaneverket og hvordan komforten kan forbedres ved endring av sporgeometriske parametre. Konklusjoner fra prosjektet er blitt implementert i Jernbaneverkets tekniske regelverk.

Ulike togtyper

I samme prosjekt er mulige konflikter mht. optimal fremføring av de ulike togtyper analysert. Dette har vært nødvendig da infrastrukturen ved Jernbaneverket vil bli benyttet til blandingstrafikk. I denne sammenhengen er det særlig innføringen av nye ekspresstog med krengeanordning, eller krengetog, som har gjort at vi må analysere linjeføringen nærmere.

I det følgende vil vi aller først gjennomgå noe av bakgrunnen for ovennevnte prosjekt, samt litt generelt om komfort i tog, før vi går nærmere inn på detaljerte betraktninger rundt sporgeometri- og linjeoptimalisering relatert til komfortbetraktninger fra ovennevnte prosjekt.

Traseringselementene fra Kap.1 - Sporgeometri vil heretter forutsettes kjent, samt de grunnleggende sammenhengene mellom dem.

Innføring av krengetog i Norge

Det norske jernbanenettet består for en stor del av kurver. Interessen for å kunne kjøre fortere med tog i disse kurvene er derfor ikke her til lands. Muligheten til å benytte krengetog ble da også undersøkt allerede i 1973. I 1981 ble spesielle ekspresstog satt i drift. Disse togene består av B7-vogner og ble trukket av det lette lokomotivet El17 (aksellast 16 tonn). På grunn av vognenes lave rullvinkelkoeffisient (fr = 1,2) samt lavt tyngdepunkt og stiv fjæring, kunne hastigheten være ca. 10 % høyere ved fremføring i kurver enn for konvensjonelt materiell. B7- vognene ble forberedt for krenging (teknologi mht. aktiv krenging), men teknologien ble ikke implementert.

I 1993 ble det utført forsøk med krengetogene X2000 og PENDOLINO VT 610 på spor i Norge hvor sporkrefter ble målt med instrumentert målehjulsats. Forsøkene med X2000 ble gjennomført om vinteren, hovedsaklig på Dovrebanen. Forsøkene med PENDOLINO VT 610 fant sted om sommeren på Rørosbanen. I tillegg ble det foretatt målinger med høy hastighet på den kurverike Randsfjordbanen mellom Vikersund og Åmot med begge togsettene. De målte sporkreftene ble funnet å være akseptable.

Prøveperiode

I en prøveperiode høsten 1996 ble et innleid X2000-togsett fra SJ satt i kommersiell drift på Sørlandsbanen mellom Oslo og Kristiansand. Dette ble gjort for å samle erfaringer mht. fremføring av togsett utstyrt med aktiv krengeteknikk. I den forbindelse ble det i forkant av prøveperioden gjennomført forsøk for å teste komforten. Akselerometre ble plassert på gulvet i vognkasse over ledende boggi i første mellomvogn (som krenger i motsetning til motorvognen). Hastigheten i enkelte kurver var opp til 30 % høyere enn for konvensjonelle tog. De tilhørende beregnede komforttallene WZ var akseptable. Verdiene lå i intervallet 2 til 3 som betegnes som god til tilfredsstillende. Et WZ-tall lik 1 uttrykker meget god komfort og WZ lik 5 betyr at fremføring er driftsfarlig.

Prud'hommes stabilitetskrav

Videre ble det ved forsøk i sporet verifisert med belastningsvogn at motstand mot sideforskyvning av sporet tilfredsstiller Prud’ hommes’ krav til stabilitet der hvor ballastprofilet samt kornfraksjonering av pukken er iht. regelverket. Tilfredsstillende stabilitet er absolutt nødvendig ved fremføring i høyere hastigheter.

EMU/DMU

Med grunnlag i ovennevnte erfaringer ble det besluttet å gå til innkjøp av togsett med aktiv krengeteknikk. Et av togsettene som er levert til NSB Gardermobanen AS, er utstyrt med denne teknikken og er blitt prøvekjørt på banestrekninger i Norge. Bl.a. er sporkreftene funnet å være tilfredsstillende. En flåte på 16 elektriske motorvognsett (EMU) basert på konstruksjonen til flytogene og 11 dieselmotorvognsett (DMU) er bestilt av NSB BA. Disse vil trafikkere fjernstrekningene.

Ekspresstogene framføres i dag med maksimal hastighet 130 km/h. Innføring av krengetog vil medføre økning av hastigheten opp til 160 km/h. Flytogene på den nye Gardermobanen framføres med maksimal hastighet 210 km/h.

De første krengetogene skal begynne å gå i kommersiell drift fra høsten 1999 på Sørlandsbanen mellom Oslo og Kristiansand. I løpet av det etterfølgende år vil togsettene bli satt i drift på de øvrige hovedbaner.

Metoder for måling av komfort

Opplevelsen av en togtur påvirkes av en rekke fysiske størrelser: høyfrekvente vibrasjoner, rullvinkelhastighet i overhøyderamper og lavfrekvent rykk pga. kombinasjonen overgangskurve og overhøyderampe. Utover dette blir eventuelle komfortavvik forsterket ytterligere pga. ujevnheter i sporet. En foretrukket komfortfunksjon modellerer derfor alle relevante fysiske størrelser.

Mangel på komfort assosieres ofte med de laterale akselerasjonene som oppstår i kurveoverganger. En del måleteknikker går derfor ut på å måle disse direkte med et akselerometer i vogngulvet. På denne måten fremkommer målestørrelser som WZ-tall og RI (Ride Index), ISO 2631 og ERRIs komfortindeks NMV.

Absolutte og relative metoder

Men her skal vi fokusere på statistisk grunnlag fra de reisendes egne opplevelser. Denne fremgangsmåten deles gjerne i to undergrupper:

• absolutte/skaleringsmetoder
• relative metoder

Ved absolutte metoder oppgir testobjektene den komforten som oppfattes på en gradert skala. Metoden kan benyttes på et virkelig spor like gjerne som i et laboratorium.

Ved relative metoder kjøres en ren laboratorieundersøkelse, hvor testobjektene regulerer én fysisk størrelse i det de eksponeres for varierende styrke av en annen.

Et særtilfelle av de absolutte metodene er trykknapp-metoden: Når de reisende merker en form for mangel på komfort, trykker de på et såkalt mentometer.

Betraktninger fra absolutte tester

Det kan rapporteres om komforttester ombord i togsett helt tilbake på begynnelsen av 50-tallet, og særlig britene har over tid lagt ned et betydelig arbeid i denne prosessen, som bl.a. har gitt opphav til PCT-funksjonen.

Akselerasjoner

Det er særlig to aspekter ved toggangen som er interessante å undersøke: de ulike akselerasjonene i vogna og dens laterale rullebevegelser. For akselerasjonene gjelder i noen tilfeller at de bør vektes utfra hvilket frekvensområde de tilhører. Ved lave frekvenser (under 1-2 Hz) kan menneskekroppen oppfattes som et stivt legeme, direkte utsatt for akselerasjoner, mens mer høyfrekvente akselerasjoner i varierende grad absorberes.

Frekvensvekting

Uten frekvensvekting kan ulike akselerasjonsforløp gi inntrykk av å være ekvivalente mht. komfort. I tillegg vil varigheten av akselerasjonene påvirke komfortfølelsen.

Rulling

Når det gjelder rulling på tvers av sporet, betrakter vi både rullvinkel-hastigheten og rullvinkelakselerasjonen. For krengetog, der denne faktoren er mest signifikant, har det blitt empirisk bevist at rullbevegelser under hhv. 5º/s og 15º/s2 ikke skaper ubehag.

Forventning

Utover de fysiske påkjenningene har også forventning til toggangen underveis påvirket de reisendes komfortopplevelser. Dvs. der en kurveovergang kommer uventet og brått på, oppleves det som en komfortforstyrrelse, som ved inngangen til en sirkelkurve eller overgangen mellom to motsatt rettede kurver. Ved utgangen av en sirkelkurve derimot forventes sideakselerasjonen snart å ta slutt, og den reisende blir ikke overrasket av overgangskurven.

PCT-FUNKSJONEN

Definisjon

PCT står for “passenger comfort - curve transition”, passasjerkomforten i overgangskurver, og er et prosenttall for dem av passasjerene som følte ubehag i kurven.

PCT -tallet har fremkommet utelukkende ved empiriske forsøk med påfølgende statistiske tester. Gjennom deretter å bli modellert som en sum av både lateral akselerasjon, lateralt rykk og rullvinkelhastighet, blir PCT-tallet en funksjon av traséparametrene, vognas hastighet og den effektive rullfaktoren.

PCT-tallets matematiske utledning

Stående passasjerer

Gjennom statistisk analyse ble følgende uttrykk utledet for stående passasjerer:

(4.1)

der

Ӱ = maksimalverdi for lateral akselerasjon i vogngulvet, over tiden mellom OB og 1.6 sek. etter OE, målt i % av g.

= maksimalverdi for lateralt rykk, over tiden 1 sek. før OB til OE, målt i % av g/sek.
= maksimalverdi for rullvinkelhastigheten, over tiden mellom OB og OE, målt i grader/sek.

Sittende passasjerer

Tilsvarende for sittende passasjerer ble det utledet:

(4.2)

Figurene 4.1 og 4.2 viser rullvinkelhastighetens, sideakselerasjonens og rykkets måleområder:

Figur 4.1 Grafisk definisjon av rullvinkelhastigheten i PCT-formlene.

Figur 4.2 Grafiske definisjoner av sideakselerasjon og rykk i PCT-formlene.