A vasúti kapacitás-elosztó

A vasútüzemben a fékezés kérdésköre mindig is meghatározó volt. Túlzás nélkül állítható, hogy élet-halál kérdése. A műszaki megoldások fejlődéstörténetét mellőzve, a megfékezettség számítását, és annak megjelenítési felületét mutatjuk be a VPE Kft. igénykezelő rendszerében.
Ha lassítani szeretnénk egy tárgy mozgását, ezt legtöbbször a súrlódásra visszavezethető ellenerő használatával érjük el. A villamos fékezés viszonylag új fejlemény és jellemzően ma is inkább csak a személyvonatok alkalmazzák, de hagyományosan és a tehervonatoknál jellemzően ma is súrlódó felületeket alkalmaznak, féktuskók és féktárcsák, ritkábban mágneses sínfékek képében. E felületeknek és a felületeket összeszorító erőnek a nagysága döntő fontosságú a fékezőerő kiszámításához, a kocsi fékteljesítményének meghatározásához. Ezek a számítások általában bonyolultak, a hétköznapi ember számára átláthatatlanok, de szerencsére a mindennapokban nem is kell alkalmazni őket, mert a vasúti kocsik forgalomba helyezése előtt a gyártó ezt már megtette, a műszaki dokumentációban a fékberendezés teljesítményét ez alapján megadta. A vasúti fékszámítás szempontjából ezt, a tonnákban kifejezett fékteljesítményt vesszük figyelembe, amit minden esetben fel kell tüntetni a kocsi feliratai között, azaz ezt bárki leolvashatja. A lenti ábra bemutat ezek közül egyet:

Talán sokan nem tudják, de amikor egy vonat lassít, akkor annak minden kocsija – feltéve, ha valamilyen okból (pl. műszaki hiba miatt) éppen nincs a fékezésből valamelyik kiiktatva – önállóan fékez, így a kocsik saját fékteljesítménye összeadódik, hogy ez legyen végül a vonat teljes fékteljesítménye. A vonat fékteljesítményére utaló képzetes értéket (un. féksúly) a vonatba sorozott kocsik felirataiból, összeadással kell képezni, ami egy tonnában kifejezett érték.
Mivel a vonat tömegét már eleve ismerjük, ami ugyancsak egy tonnában kifejezett szám és ismerjük a féksúlyt is, e két szám hányadosaként a fékezettség arányszámát kapjuk, amit a vasúti gyakorlat %-os formában használ; és ez nem más, mit a fékszázalék.
A fékszázalék, vagy röviden a fék% minden kocsira és kocsinként együtt a teljes vonatra megmutatja, hogy a vonat teljes tömegének hány százalékára van féksúly fedezetünk. Fontos leszögezni, hogy nem elvárás a 100%, azaz 100-nál jóval alacsonyabb fék% esetén is biztonsággal meg lehet állítani egy vonatot, de persze nem mindegy milyen sebességről, milyen meredek lejtőn, és milyen távolságon belül.
Ha e három paramétert; a sebességet, a lejtőt és a fékutat vizsgáljuk, könnyű belátni, hogy ezek egy háromdimenziós tömböt alkotnak, azaz a tömb minden egyes pontján más és más fék% értéket találunk. Tehát ha meghatároztuk, hogy mi az a távolság, amin belül mindenképpen meg kell állítani a vonatot, ismerjük a lejtő szögét és a vonat sebességét, akkor a tömbből kinyerhető az a fék% érték, amit mindenképpen teljesítenie kell a vonatnak, hogy a vázolt feltételek esetén biztosan meg tudjon állni.

A vasúti fékszámításban alkalmazott alapfogalmak:
A sebesség
A vonatok sebessége a részükre kiadott menetrend alapján, útszakaszonként, akár állomásközönként eltérő lehet. Ezeket a sebesség értékeket a vonat menetvonalának szerkesztésekor határozzák meg, a vonat az adott szakaszon a jelzett értéknél gyorsabban nem haladhat. Hazai gyakorlatban km/h mértékegységben, 10-es lépcsőkben tüntetik fel.
A lejtő
A vasúthálózat építése során a műszaki tervek méterenként tartalmazzák a pálya lejtviszonyait. A vasúti fékezés szempontjából ilyen pontos adatokra nincs szükség, ezért a vasútvonalakat szakaszokra bontják és a szakasz legnagyobb lejtőjét – mivel a vasúti közlekedésben a közútinál sokkal enyhébbek a lejtők – ‰-ben tüntetik fel, egy tizedes pontossággal. A 45°-os lejtő a 100%, azaz 1000‰-nek felel meg, tehát a 2,7‰-es emelkedő 1000 méter úton 2,7 métert emelkedik. A fékezési követelmények meghatározása során nem közvetlenül ezzel, hanem az úgynevezett mértékadó lejtővel kell a fékezést számítani, ami egyéb, itt nem részletezett okból már megnövelt és egész értékre felkerekített érték.
A fékút
A magyar vasúthálózaton a fékutakat szabványosították. Erre azért volt szükség, mert a biztonsági berendezések, helyhezkötött jelzők telepítése nagyban függ a fékutaktól és a szabványosítás nélkül zűrzavar támadt volna ezek építése során. Így hát háromféle szabványos fékutat határoztak meg, melyek elnevezése „általános fékúttávolság”. Az általános szó arra utal, hogy az alkalmazott sebesség, az adott lejtő és a rendelkezésre álló fékteljesítmény (fék%) mellett ezen a távolságon a vonat biztosan meg tud állni. Az általános fékúttávolságok; 400, 700 és 1000 méter.

Hogyan számítjuk ki az elvárt értéket?
Az alapfogalmak ismertetése után ideje bemutatni a vasúti fékszámítás gyakorlatát:
A vonat összeállítása előtt már ismert adat a vonat sebessége és a bejárandó útvonal. Különböző táblázatok alapján – régen ezek rongyosra forgatott, papír táblázatok voltak – ki kell nyerni, hogy a bejárandó útvonalon mekkora az általános fékúttávolság és mekkora a mértékadó lejtő. E két paraméter és a vonatra szakaszonként előírt sebesség ismeretében egy másik táblázatból kideríthető, hogy milyen fékteljesítményre van szükség, azaz a vonatnak legalább milyen magas fék% értéket kell teljesítenie. A munka első fele megvan hát, tudjuk milyen elvárásoknak kell megfelelni. Azonban a vonat összeállítása, felvétele (felírása) és a fékpróba után derül csak ki, hogy a vonat tömege és a féksúly feliratok alapján kiszámolt fék% milyen kapcsolatban áll a táblázatokból meghatározott, elvárható fék%-kal.
Itt tehát egy fontos döntési ponthoz érkeztünk: vajon a tényleges fék%, amire a vonat képes, elegendő-e a táblázatokból kinyert, elvárható minimumnak? Ha a tényleges érték nagyobb vagy egyenlő a táblázati elvárással, akkor minden rendben, a vonat közlekedésének fékezés szempontjából nincs akadálya. De ha netán kisebb?

Mit tegyünk, ha nincs elegendő fékezésbe bevonható kocsink?
Erre valójában három, a gyakorlatban azonban csak két megoldás kínálkozott:
Egyik megoldás, amely valójában csak elméleti, és nagyon ritkán vagy talán sosem alkalmazták – a más útvonalon közlekedés. Mert talán lankásabb a pálya, a kisebb mértékadó lejtők nem kívánnak olyan nagy fékteljesítményt és alacsonyabb fék% is elegendő lehet – esetleg olyan útvonalak választása, ahol az általános fékúttávolság hosszabb, azaz nem kell 400 méteren belül megállni, jó lesz 1000 méteren belül is, tehát ebben az esetben is alacsonyabb az elvárt fék%. Ez a megoldás azonban új menetrendet, teljes átszervezést, külön odafigyelést kívánna, nagy a kockázata.
Másik, gyakrabban alkalmazott megoldás, hogy a vonat tényleges fék%-át növelik, vagy úgy, hogy az esetleg nem fékező kocsikat kisorozzák, hiszen azok csak a vonat tömegét növelik, a fékteljesítményükkel nem járulnak hozzá az egészhez csak „lehúzzák az átlagot”, vagy úgy, hogy magas fékteljesítményű, alacsony tömegű plusz kocsikat soroznak a vonatba. Mivel a vasút alapvető feladata a szállítás, nem cél, hogy kocsik maradjanak vissza a vonatból, így inkább újabb kocsik besorozása a kedvezőbb.
Végül a harmadik, legnépszerűbb megoldás a vonat sebességének csökkentése. Ez mindig jótékony hatással van az adott útvonalon közlekedő vonat elvárt fék%-ának csökkenésére. Mivel a menetrend elválaszthatatlan része a hozzá szerkesztett sebesség, ezért a sebességet csökkenteni csak új menetrend kiadásával lehetséges.
A vonat sebességének változtatása magában hordozza annak lehetőségét, hogy a módszer fordítva is működjön, azaz, ha megvan az útvonalunk és ismerjük a vonatunk tényleges fék%-át, akkor az útvonalra érvényes elvárt fék% értékek közül a táblázatból kiválaszthatjuk az ennél még éppen alacsonyabbhoz tartozó sebességet. Tehát a vonatunk fékteljesítménye meghatározza a legmagasabb sebességet. Sajnálatos módon ezt a módszert a vasútüzemben nem alkalmazzák.

Amit a légfékezésről tudni kell
Mielőtt bemutatnánk a fék% számítás menetét a VPE Kft. igénykezelő rendszerében, mindenképpen szólni kell néhány műszaki dologról, hogy a lassú- és gyorsműködésű fék közötti különbség érthető legyen.
A vasútüzemben döntően levegős fékezést használnak. A fékezéshez használt levegőt minden esetben magán a vasúti kocsin tároljuk, tehát minden egyes kocsi önállóan fékez a saját levegő készletével. Ezt a levegőt a vontatójárműről biztosítjuk a vonat túlnyomásos levegővezetékén, az úgynevezett fővezetéken keresztül. A fékezésnél a kulcsszerep a minden egyes kocsin megtalálható kormányszelepé. A kormányszelep nem más, mint a fővezeték nyomásváltozását figyelő és ennek függvényében különböző tereket egymással összekapcsoló-szétválasztó berendezés. Röviden szólva, ha a kormányszelep nyomáscsökkenést érzékel a fővezetékben, akkor ez számára fékezési parancs és a kocsin tárolt készletlevegő tartályt a fékhengerekkel kapcsolja össze, így a helyben tárolt levegővel megvalósítja a fékezést. Ha a kormányszelep a fővezetékben emelkedő nyomást érzékel, akkor ez számára oldási parancs és a fővezetéken áramló levegővel egyrészt feltölti a kocsi készletlevegő tartályát, másrészt a fékhengerek levegőjét a szabadba engedi, azaz tölti a tartályt és oldja a féket. A fővezeték nyomását a mozdonyvezető a vezetőálláson levő fékezőszeleppel tudja növelni vagy csökkenteni; ő fékez vagy old.
Természetesen időbe telik mire a kormányszelep működésbe lép, és hiába azonos a felépítésük, mégis egyik előbb, másik később reagál a fővezeték nyomásával közvetített parancsra, ugyanakkor a fővezeték nyomásváltozásának is van terjedési sebessége. Ebből az következik, hogy a fékhatás egy hosszú tehervonatban nem egyszerre és nem is egy helyen kezd kialakulni, hanem elszórtan, különböző pillanatokban. Könnyű belátni, hogy ez mennyire káros egy 7-800 méteres vonatnál, hiszen rángatásokhoz, torlódásokhoz, szélsőséges esetben vonatszakadáshoz vezethet. Évszázados megfigyelés, hogy ezt a káros jelenséget legjobban úgy lehet enyhíteni, ha a fékteljesítményt csökkentik és a fékhatást fokozatosan, lassabban építik fel, elnyújtják. Erre az a megoldás született, hogy a kormányszelepeket át lehessen állítani erre a működésmódra, amit hosszútehervonati vagy más néven lassúműködésű fékezésnek nevezünk. A váltást a kocsi mellett állva egy kar átállításával lehet megtenni.
A lassúműködésű fék alkalmazási feltételeit a hatályos vasúti utasítások szabályozzák, de azt fontos tudni, hogy ennek csak bizonyos hosszat elérő és bizonyos sebesség érték alatt van létjogosultsága. Személyszállító vonatoknál például kizárt az alkalmazása, egyrész azért, mert azok kormányszelepét át sem lehet állítani erre, másrészt mert a csökkentett és késve kialakuló fékhatás balesetveszélyes lehet. A lassúműködésű fékek használatakor tehát adott vonalon, adott sebesség mellett mindig magasabb fék% elvárással kell számolnunk, magyarán az így csökkentett fékteljesítményből több kell a vonat megállításához.

Fék% számítás a K2-ben és az eHÜSZ felületen
Ennyi tudás birtokában már gyerekjátéknak tűnik egy olyan támogató funkció kialakítása, ami a fent felsorolt számításokban a felhasználókat segíti.
Az alkalmazás a K2 rendszerben és az eHÜSZ felületen is elérhető, a kezelése egyszerű és kétféle üzemmódban működik.

Az egyik a hagyományos, amikor megadjuk a vonat útvonalát és a vonat sebességét, majd a rendszer kiszámítja az elvárt fék%-ot lassú- és gyorsműködésű bontásban, attól függően, hogy milyen paraméterekkel tervezzük a vonatunkat. (A K2 felületén egy már korábban rögzített menetvonal azonosító megadásával a megadandó adatok előtölthetők.)

Amennyiben nem tehervonatról van szó, vagy a sebesség túl magas, akkor a fentebb vázolt okok miatt nem kapunk fék% értéket a lassúműködésű fékre. A másik számítási módszer pedig, ha a felhasználó a tervezett útvonal mellett megadja az összeállított vonatának fékezési képességét fék% értékben, és a rendszer kiszámítja a vonat legmagasabb alkalmazható sebességét.
Ez a megoldás nagy segítség azoknak, akik a fékteljesítményük ismeretében minél magasabbra szeretnék emelni a vonat sebességét, vagy egyszerűen csak szeretnék megtervezni a közlekedési lehetőségeiket.