3. Futástechnikai mérések
3.3. A futásminősítő mérések
A vasúti járművek futásának minősítésével foglalkozó mérések azt vizsgálják, hogy az uta-sok kényelemérzete milyen fokú, miközben a vizsgált járműben ülve egy meghatározott pálya-szakaszon haladnak végig. Kezdettől fogva vizsgálták, hogy az utasok a mozgások milyen jel-lemzőjére érzékenyek, melyik okoz gyorsabb fáradást, kimerülést. A vizsgálatok egyik iránya a jármű különféle mozgásjellemzőinek (sebesség, gyorsulás, stb.) az emberi komfortérzetre kifejtett hatását vizsgálta, és úgy találta, hogy az utasok a jármű vízszintes keresztirányú, va-lamint függőleges irányú gyorsulásaira érzékenyek leginkább. Ezek a vizsgálatok Sperling nevéhez fűződnek. Vizsgálatainak legfontosabb eredménye az volt, hogy az utasok a járművet érő sokféle x1(t), x2(t),…..,xn(t) gerjesztő hatás mozgásválaszai közül az ay(t) vízszintes ke-resztirányú, valamint az az(t) függőleges gyorsulást tekintik a kényelemérzetük
meghatározó-jának, így a kényelem-érzetüket egy Iy keresztirányú és egy Iz függőleges minősítő index felál-lításával lehet bemutatni (3.13. ábra).
A járm ü dinam ikai m odellje x (t)n
x (t)1
x (t)2
x (t)1
A z utas dinam -biológiai m odellje
a (t)z Iz
a (t)y Iy
3.13. ábra. A futásminőség jellemzése.
Sperling számítási és értékelési módszert dolgozott ki e két indexszám, az Iy keresztirányú, és az Iz függőleges index meghatározására.
Megjegyezzük, hogy Európában és a tengerentúlon a vasutak más alapokon működő futás-minősítő módszereket is alkalmaznak. Ezekről bővebbet [1]-3.3. fejezetében és [9].-371-379 oldalán találhatunk.
3.3.1. A Sperling-féle futásminősítő index eredeti számítási módszere
A Sperling-féle futásminősítő index volt az első minősítési eljárás Európában, amely az át-lagos utas szubjektív észlelését objektíven mérhető mennyiséggel, a vasúti jármű kereszt- és függőleges irányú gyorsulásával kapcsolta össze matematikailag. A Sperling-féle minősítő in-dex a német szakirodalomban Wertezahl (Wertungszahl) névvel és Wy, valamint Wz jelöléssel terjedt el, a magyar szakirodalomban a futásjósági szám elnevezést használják leggyakrabban.
A Sperling-féle futásminősítés számításának eredeti formája a kézzel végrehajtott értéke-lésre épült. A jelenleg használt értékelési módszer a korszerű számítástechnika alkalmazására épült, és csak ebben különbözik az eredeti értékelési módszertől. Amint látni fogjuk, a jelenle-gi módszer minden fontos összetevőt átvett az eredeti módszerből.
Sperling összefüggést keresett az átlagos utas kényelemérzete, valamint az utasra rákény-szerített gyorsulás frekvenciája és amplitúdója között. Sok önkéntes jelentkezőt ültetett rázó-padra és rázott különféle gyorsulás-frekvenciával és –amplitúdóval. A kísérleti személyeknek 1-től 5-ig terjedő skálán kellett osztályozniuk a kényelemérzetüket. A rázókísérletek eredmé-nyei alapján a következő képleteket vezette le a keresztirányú és függőleges irányú gyorsulá-sok amplitúdója és frekvenciája, valamint a kísérleti személyek által megadott indexszámok között:
a) vízszintes
keresztirányban: 10
3
) ( . . 896 ,
0 F f
f a
Wy y y b) függőleges
irányban: 10
3
) ( . . 896 ,
0 F f
f
Wz az z
ahol: ay, illetve az: a keresztirányú, illetve függőleges gyorsulások mértékadó amplitúdója, cm/s2 -ben mérve;
Fy(f), illetve Fz(f): tapasztalati függvények keresztirányban és függőleges irányban, ame-lyek az átlagos utas frekvencia-érzékenységét fejezik ki;
f: a gyorsulás frekvenciája Hz-ben.
Az átlagos utas frekvencia-érzékenységére jellemző függvényeket a 3.14. ábrán láthatjuk.
10
3.14. ábra. Az átlagos utas frekvencia-érzékenységére jellemző függvényei
Az Fy(f) és Fz(f) görbéket nem aritmetikai függvény alakjában adták meg, hanem grafiku-san. A kereszt- és függőleges irányú mértékadó ay, illetve az gyorsulásokat, valamint a hozzá-juk tartozó f frekvenciát kézzel értékelve, becslés alapján határozták meg a papírszalagra ké-szített oszcillogrammokból. Az így kapott Wy és Wz indexszámok alapján a vizsgált jármű fu-tását a következő módon minősítették:
1. nagyon jó futás, a jármű rezgése még éppen érzékelhető;
2. jó futás, érzékelhető a rezgés;
3. kielégítő futás, erősen érzékelhető, kissé kellemetlen, de még elviselhető a jármű rezgése;
4. még üzemképes futás, de rendkívül kellemetlen a rezgés, hosszú idő után már káros;
5. a jármű futása már üzemveszélyes.
Az előadottakból látható, hogy a közvetlenül regisztrált oszcillogrammból a leírt értékelési mód körülményes, nehézkes és sok szubjektív elemet tartalmaz, ezeket a jelenleg használt ér-tékelési mód kiküszöbölte. Ezt a következő fejezetben ismertetjük.
3.3.2. A Sperling-féle futásjósági mérőszám jelenleg alkalmazott képlete és értékelési módszere
A Sperling-féle futásjósági szám eredeti képletének használata során a legtöbb bizonytalan-ságot az okozta, hogy többféle becsült (a, f) értékpárt is lehetett meghatározni, majd ezekből kellett egy egyenértékű W futásjósági indexet meghatározni. Ezt a nehézséget úgy hidalták át, hogy mindenekelőtt az eredeti Fy(f) és Fz(f) frekvencia-érzékenységi görbéket olyan By(f) és Bz(f) szűrőkarakterisztika-görbékké alakították át, amelyek egyrészt már meghatározott arit-metikai függvénnyel megadhatók voltak, másrészt a szerkezetükből kifolyólag kiküszöbölték a frekvenciával való osztást, amelyet az eredeti képletben alkalmaztak. Ez a két szűrő-karakte-risztika az következő:
Ez a két szűrő-karakterisztika a 3.15. ábrán látható lineárisan skálázott frekvencia- és szű-rő-karakterisztika tengellyel. A 3.16. ábrán pedig ugyanez a két görbe látható, a sokszor al-kalmazott logaritmikus skálázással, mind a frekvencia-, mind a karakterisztika tengelyen.
B (f)
0 0 0 ,5 1 ,0
B (f)
2 0
1 0 3 0 4 0
f [H z]
5 0
z
B (f)
y
3.15. ábra, Szűrő-karakterisztikák a futásjósági mérőszámhoz lineáris skálával.
1 ,0
0 ,5
0 ,1 0 ,7
0 ,3
0 ,2 0 ,1 5
B (f)
0 ,1 0 ,2 0 ,3 0 ,5 1 ,0 2 1 0
B
3 5 Bz(f)
y(f)
2 0 3 0 5 0 1 0 0 [H z]
f
3.16. ábra, Szűrő-karakterisztikák a futásjósági mérőszámhoz logaritmikus skálával.
Így az értékelés első lépése a mért ay(t) és az(t) gyorsulásjelek szűrése, ennek eredménye két szűrt ay,szű(t) és az,szű(t) gyorsulás-idő függvény:
) ( ) ( )
, (t a t B f
aysz ű y y és az,sz ű(t) az(t) Bz(f)
ahol a szimbólummal a szűrés műveletét jelképeztük. A [9]-ben a 18. ábra háromféle le-hetséges szűrőkapcsolást is bemutat a By(f) és Bz(f) szűrőkarakterisztikákat megvalósító szű-rőkre.
A következő lépés a mértékadó gyorsulás-amplitúdók meghatározása mind a kereszt-, mind a függőleges irányban. Kihasználva azt a tapasztalati tényt, hogy a mért gyorsulásjelek csak egy számottevő harmonikus összetevőt tartalmaznak, mert a magasabb rendszámú összetevőik amplitúdói már elhanyagolhatók, meghatározhatjuk a jelek effektív (RMS) értékét, majd az amplitúdókat ebből kaphatjuk meg. Az RMS-értékek:
Tjel sz ű y jel RMS
y a t dt
T a
0
2 ,
, 1 . ( ) .
és
Tjel sz ű z jel RMS
z a t dt
T a
0
2 ,
, 1 . ( ) .
Ezekből az amplitúdók számértéke: aˆy 2.ay,RMS és aˆz 2.az,RMS . Végül a futásminőségi indexszámok értékeinek képlete így egyszerűsül le:
10 3
ˆy
y a
W , valamint Wz 10aˆ3z
Ez az értékelési módszer már kiküszöböli az eredeti módszer szubjektív elemeit, emellett számítógépet alkalmazva (akár analóg, akár digitális számítógépet), jelentősen meggyorsítja az értékelést.
Végeredményben látható, hogy a gyorsulásjelek értékelésében a By(f) és Bz(f) karakteriszti-kájú szűrések analóg áramkörökkel hajthatók végre, az effektív értékek és belőlük az amplitú-dók meghatározása akár analóg, akár digitális számítástechnikával is történhet.
3.3.3. Egyéb futásminősítő eljárások
A Sperling-féle futásminősítő eljáráson kívül használatos még az ISO 2631 szerinti eljárás, a VDI-Richtlinien 2057/1974 szerinti eljárás, az SNCFT által alkalmazott újabb eljárás, a Leichtbau 2/80-ban javasolt eljárás, az UIC/ORE C116/RP. No 8. szerint javasolt eljárás, vé-gül a JNR által alkalmazott eljárás. Ezekről az eljárásokról további részleteket [9]-ben találha-tunk.