Siirtymäkaaren optimointi suurnopeusradalla

Abstract

Suurnopeusradalla ajattaessa siirtymäkaaren ja kallistusviisteen muodon merkitys kasvavat entisestään. Liikennöinnin tulee olla ennen kaikkea turvallista, mutta samanaikaisesti matkustusmukavuuden tulee olla mahdollisimman hyvä ja rataan ja kalustoon koskevien voimien mahdollisimman pieniä. Siirtymäkaaren muotoa on optimoitu jo varhain, mutta eri maissa on edelleen käytössä lukuisia eri siirtymäkaaren muotoja.

Työn lähtökohtana oli löytää suomalaiseen rataverkkoon ja kalustoon sopiva suurnopeusradan siirtymäkaaren muoto. Tarkastelua suoritettiin niin matemaattisesti kuin simuloimalla erilaisia tilanteita Vampire PRO -ohjelmistoa hyödyntäen. Matemaattisessa tarkastelussa tutkittiin pääasiassa siirtymäkaaren muotoa, kallistusviistettä ja näistä seuraavia poikittaiskiihtyvyyksiä. Simuloinnissa pystyttiin huomiomaan myös kaluston ja kiskon välinen kulkudynamiikka ja kisko- ja pyöräprofiilin kuluneisuus.

Tutkittavaksi valittiin kaksi maailmalla suurnopeusradalla käytettävää siirtymäkaarityyppiä; Saksassa laajalti käytössä oleva Blossin siirtymäkaari ja Japanissa esimerkiksi Shinkansen -radalla käytettävä kosinikaari. Tutkittavat kaaret valittiin käyttökokemusten ja melko yksinkertaisten määrittely-yhtälöiden vuoksi. Radanrakennuksen ja kunnossapidon kannalta moniosainen ja paloittain määritelty siirtymäkaaren muoto voisi olla turhan monimutkainen.

Tutkimuksen tukena oli Meeri -radantarkastusvaunun aineistoa. Mittaukset suoritettiin Rantaradalla noin 100 km/h nopeudella, joten suurnopeusratoja tarkastellessa ei mittausaineisto tarjonnut vertailukohtaa esimerkiksi simulointiajojen tuloksiin. Mittausaineistoa voitiin kuitenkin verrata laskennallisiin siirtymäkaariin ja niissä tapahtuviin kiihtyvyyksiin ja todentaa nämä mallit paikkansapitäviksi. Tarkoitus oli myös hyödyntää samalla rataosalla tapahtuneen nopeuden nostoon liittyvien koeajojen tuloksia, mutta tätä aineistoa ei ollut saatavilla numeerisena, eikä graafisen aineiston vertaileminen tuntunut työn luonteen vuoksi mielekkäältä.

Matemaattisia malleja hyödyntämällä pystyttiin myös määrittelemään Blossin siirtymäkaarelle ja kosinikaarelle siirtymäkaarien pituudet 250 ja 300 km/h nopeuksille. Suomalaisista suunnitteluohjeista löytyy jo ohjeelliset pituudet siirtymäkaarille näillä nopeuksilla, jolloin poikittaiskiihtyvyyden ja sen muutoksen arvoja vertaamalla pystyttiin määrittämään suunnitteluohjeiden puitteissa sopivat arvot myös Suomessa vieraille siirtymäkaarille.

Siirtymäkaarien välillä suurimmat erot ovat havaittavissa matemaattisessa tarkastelussa. Merkittävimpiä tekijöitä olivat poikittaiskiihtyvyyden muutosnopeus ja kaarevuuden kuvaajan jatkuvuus. Simulointiohjelmisto osoittautui hyvinkin haastavaksi käyttää, ja työn aikana ilmeni, että Ed-vaunun kalustomalli tulisi korvata suurnopeusradalle suunnittelulla kalustomallilla.

Työn lopputulemana oli, että klotoidin käyttäminen siirtymäkaarena suurnopeusradalla ei välttämättä ole paras mahdollinen vaihtoehto sen päissä esiintyvän kaarevuuden ja kallistusviisteen epäjatkuvuuden vuoksi. Työn keskeisenä tavoitteena oli kuitenkin myös muodostaa suositukset siirtymäkaaren muodolle ja parametreille eri nopeuksilla, mutta tämä tavoite vaatii vielä lisätutkimuksia etenkin simuloinnin saralla.