Ero sivun ”Kallistuvakorinen juna” versioiden välillä

pieniä korjailuja
pEi muokkausyhteenvetoa
(pieniä korjailuja)
[[Tiedosto:DC283 hokuto 001.jpg|thumb|300px|[[Hokkaido Railway Company|JR Hokkaido]] -rautatieyhtiön KiHa 283 -sarjan kallistuvakorinen dieseljuna voi kallistua jopa 8°.]]
'''Kallistuvakorinen juna''' on [[juna]], jonka runko kallistuu [[rautatie|radan]] kaarteessa. Tämä mahdollistaa suuremmat ajonopeudet. Kallistuvakorisia junia käytetään perinteisillä ja suurnopeusradoilla. Vaikka suurnopeusradoilla raiteita onkin kallistettu normaaleja rautateitä enemmän, junien kallistus mahdollistaa vielä suuremmat nopeudet kaarteissa. Kallistuvia suurnopeusjunia ovat esimerkiksi Saksan [[ICE 3|ICE3]]-juna ja Japanin [[Shinkansen]].
 
Rungon kallistamisella pyritään kumoamaan kaarteessa junaan kohdistuvaa poikittaiskiihtyvyyttä, joka rajoittaa kaarteessa sallittavaa enimmäisnopeutta. Myös itse rataa kallistetaan kaarteissa, mutta sekaliikenneradoilla kallistuksen määrää joudutaan sopeuttamaan myös hitaan liikenteen tarpeisiin, ja siksi junaan rakennetulla kallistuksella voidaan kasvattaa kallistuskulmaa ja mahdollistaa korkeammat nopeudet poikittaiskiihtyvyyden kasvamatta liikaa.
Ensimmäisiä koeajoja kallistuvakorisilla junilla tehtiin 1930-luvulta lähtien passiivisilla kallistusjärjestelmillä, joissa kallistusliikkeen vapaasti riippuvaan koriin saa aikaan painovoima. Kaupallisessa liikenteessä näitä käytettiin 1970-luvulla. Aktiiviset kallistusjärjestelmät ovat pääosin syrjäyttäneet passiiviset 1990-luvulta lähtien kaupallisessa liikenteessä, sillä niillä koria voidaan kallistaa enemmän ja siten hyödyntää kallistuksen tuomia etuja täysimääräisesti.
 
Kallistuvakorisuuden arvioitu matka-aikasäästö vaihtelee, mutta esimerkiksi Ruotsissa sen on arvioitu olevan 15–25  %. Toisaalta kallistusjärjestelmä on sekä investointi- että huoltokustannuksiltaan kallis, verrattain vikaherkkä ja aiheuttaa joillekin matkustajille matkapahoinvointia. Lisäksi matka-aikasäästö on käytännössä jäänyt joissakin tapauksissa vähäiseksi.
 
== Historia ==
Sivukiihtyvyyden ongelma on tunnistettu rata- ja kalustosuunnittelussa jo varhain. Vuonna 1937 [[Saksa|Saksassa]] tehtiin ensimmäisiä kokeiluja sivukiihtyvyyden vähentämiseksi. Seuraavana vuonna [[Yhdysvallat|Yhdysvalloissa]] koeajettiin yksinkertaisella passiivisella kallistusmekanismilla varustettua junaa. Kaupallisessa liikenteessä passiivisten kallistuvakoristen läpimurto tapahtui kuitenkin vasta 1970-luvulla [[Japani|Japanissa]] ja 1980-luvulla [[Espanja|Espanjassa]].
 
Aktiivisia kallistusjärjestelmiä testattiin ensimmäistä kertaa Saksassa vuonna 1965, minkä jälkeen koeajoihin edettiin 1970-luvulla [[Ruotsi|Ruotsissa]] ja [[Italia|Italiassa]]. Ensimmäistä kertaa kaupallisessa liikenteessä järjestelmiä päästiin käyttämään näissä maissa 1990-luvulla. Suomessa ensimmäinen kallistuvakorinen VR:n [[Sm3]]- eli Pendolino-juna aloitti liikennöinnin [[Rantarata|Rantaradalla]] vuonna 1995. Vuonna 2007 Japanissa otettiin liikenteeseen ensimmäinen kallistuvakorinen [[suurnopeusjuna]]. Ensimmäinen kaksikerroksinen, passiivisella järjestelmällä varustettu kallistuvakorinen, [[Bombardier|Bombardierin]] valmistama juna juna aloitti liikennöinnin puolestaan Sveitsissä vuonna 2018.
 
== Taustaa ==
Junaan kohdistuu kaarteessa poikittaiskiihtyvyyttä eli sivukiihtyvyyttä radan tasossa. Rataverkon olevien kaarteiden jyrkkyyttä ilmaistaan usein kaarresäteellä; mitä pienempi kaarresäde, sitä jyrkempi kaarre ja pienempi sallittu nopeus. Liian korkea poikittaiskiihtyvyys heikentää matkustusmukavuutta, lisää kiskojen ja renkaiden kulumista ja pahimmillaan voi saada junan suistumaan kiskoilta. Jos junaan ei kohdistu lainkaan poikittaiskiihtyvyyttä, sen etenemisnopeutta kutsutaan tasapainonopeudeksi. Jotta juna voi saavuttaa tasapainonopeuden kaarteesta huolimatta, tulee toisen kiskon korkeutta muuttaa toiseen kiskoon korkeusasemaan nähden. Vastaavasti kaarretta, jossa kiskojen välinen korkeusero on optimaalinen tietyllä etenemisnopeudella kulkevan junan poikittaiskiihtyvyyden poistamiseksi, kutsutaan tasapainokallistetuksi.
 
Kallistuksen määrä voi olla joko liian pieni tai suuri. Ensimmäisessä tapauksessa kallistusta tulee lisätä, jotta juna voi ajaa tavoitenopeudellaan ilman poikittaiskiihtyvyyttä. Tätä tasapainokallistuksen ja todellisen kallistuksen eroa kutsutaan radan kallistusvajaukseksi. Se on yleensä enintään 160  millimetriä, esimerkiksi EN13803-standardin mukaan 153  millimetriä. Jälkimmäisessä tapauksessa kallistusta tulee vähentää, eli kiskojen välistä korkeuseroa pienentää. Tilannetta kutsutaan radan kallistusylimääräksi. Tällöin junan nopeus on pienempi kuin tasapainonopeus. Saman EN-standardin mukaan kallistusylimäärä saa enintään olla 110  millimetriä. Sopivan kallistuksen määrä riippuu siis kaarresäteestä ja junan tavoitenopeudesta. Sekaliikenneradoilla joudutaan tekemään kompromisseja, sillä niillä kaluston nopeudet vaihtelevat paljon ja siten radan optimaalisen kallistuskulmankin tulisi olla eri.
 
Ajonopeuden nostamisen kannalta vanhojen ratojen kaarresäteet ovat usein liian pieniä. Jos ajonopeutta nostettaisiin, sivusuuntaiset voimat radan tasossa ja junan sivukiihtyvyys kasvavat liikaa. Ensimmäinen ongelma johtaa kiskojen ennenaikaiseen kulumiseen, mihin ratkaisu on kiskoa myötäilevät [[Teli|telit]]. Jälkimmäinen ongelma heikentää matkustusmukavuutta, ja siihen ratkaisu on kallistuvakorinen juna, jolloin junan koria kallistetaan sisäkaarteen suuntaan matkustajien kokeman sivukiihtyvyyden vähentämiseksi.
 
Suurin sallittu kallistusvajaus määritetään junatyyppikohtaisesti. Jäykkien telien suurin sallittu kallistusvajaus on tyypillisesti 100  millimetriä, edistyksellisimpien perinteisten eli kallistumattomien junien 180  millimetriä ja esimerkiksi kallistuvakorisen ruotsalaisen [[X2000]]-junan 245  millimetriä. Mitä suuremmalle kallistusvajaukselle juna on hyväksytty, sitä suuremmalla nopeudella junalla voi ajaa kaarteeseen. Kallistuvakorisella junalla tämä kallistusvajauksen sietokyky on parempi, sillä juna voi kompensoida radan liian pientä kallistuskulmaa omalla kallistusjärjestelmällään. Tämä tarve korostuu erityisesti mutkaisilla sekaliikenneradoilla, sillä niillä kaarresäteet ovat pieniä ja kallistuskulmia joudutaan optimoimaan myös matalamman nopeuden kaluston tarpeisiin.
 
Aina kallistusvajautta ei voida ehkä täysimääräisesti hyödyntää: esimerkiksi voimakkaan sivutuulen aiheuttaman kaatumisriskin takia, junan poikkileikkauksen enimmäisrajojen ylittymisten vuoksi tai matkustusmukavuuden vuoksi.
 
Kallistusjärjestelmällä voidaan saavuttaa merkittäviä matka-aikahyötyjä muiden olosuhteiden mahdollistaessa sen täysimääräinen käyttö. Ruotsissa on arvioitu, että saman matka-ajan saavuttamiseksi [[Göteborg|Göteborgin]] ja [[Tukholma|Tukholman]] välillä tulisi ajaa 250  km/h nopeudella perinteisellä junalla, kun taas 200  km/h riittää kallistuvakorisella. Tyypillisesti kaarteeseen voidaan ajaa jopa 25 &nbsp% nopeammin kallistuvakorisuuden ansiosta. Itse kaarteessa käytettävän korkeamman etenemisnopeuden lisäksi aikahyötyjä saadaan kaarteeseen liittyvien kiihdytysten ja hidastusten jäädessä pois.
 
== Tekniikka ==
 
=== Passiivinen kallistusjärjestelmä ===
Passiivisessa järjestelmässä matkustamon sisältävä kori on asennettu jousien päälle roikkumaan. Jousien kiinnittymiskohta, rotaatiopiste, on selvästi junan [[Painopiste|painopistettä]] korkeammalla, jolloin kaarteessa paino- ja rotaatiopisteen välinen asema vaakasuunnassa muuttuu painovoiman ansiosta. Koria tuetaan alaosasta rullilla. Kallistuskulmaksi rajoitetaan yleensä enintään 3–4  astetta. Huojumis- ja keinumisliikkeen estämiseksi kallistusliikettä on vaiennettava jotenkin, esimerkiksi [[Jousi|jousilla]].
 
Passiivinen järjestelmä on mekaanisesti yksinkertainen, varmatoiminen ja suhteellisen halpa. Siihen liittyy kuitenkin korkeampi kaatumisriski, ja lisäksi junan rungosta on tehtävä kapeampi kaupallisesti tärkeimmällä penkkien käsinojien korkeudella.
Aktiivisessa järjestelmässä matkustamon sisältävä kori tuetaan passiivisesta järjestelmästä poiketen pelkästään alapuolelta telien suunnasta perinteisen kallistumattoman junakorin tapaan, sillä kallistusliikkeen aikaansaamiseksi ei tarvitse hyödyntää painovoimaa. Järjestelmä koostuu kallistusmekanismista, kallistusmoottorista ja ohjausjärjestelmästä. Kallistusmekanismi voidaan rakentaa toisiojousituksen päälle, ympärille tai alle, joista jälkimmäisin on muodostunut yleisimmäksi toteutustavaksi. Tosin esimerkiksi Bombardierin kaksikerroksisessa kallistuvakorisessa kallistusjärjestelmä on toteutettu toisiojousituksen ympärille.
 
Aktiivinen järjestelmä mahdollistaa leveämmän korin ja siten matkustamon. Järjestelmän toimintaviive on pienempi kuin passiivisessa, ja lisäksi se voidaan ohjelmoida ennakoivaksi. Kallistuskulma voi olla jopa 8  astetta. Toisaalta aktiivinen järjestelmä on passiivista selvästi monimutkaisempi, mikä nostaa hintaa, vikaherkkyyttä ja huoltotarvetta.
 
==== Kallistusmoottori ====
[[Tiedosto:Shinkansen N700 z15.jpg|pienoiskuva|[[Shinkansen]] N700-junan aktiivinen kallistusjärjestelmä on toteutettu paineilmajousin.]]
Ensimmäiset kallistusmoottorit olivat [[Hydraulimoottori|hydraulisia]]: halpoja ja luotettavia mutta myös monimutkaisia ja laajoja. Japanissa ilmajousijärjestelmiä on yhä laajalti käytössä, mutta tällöin kallistuskulma on rajallinen. Yksinkertaisimmillaan kallistusliikkeen tuottaa toisiojousitus, mutta tällöin kallistuskulma voi olla enintään 2  astetta. Esimerkiksi [[Shinkansen]] N700 -sarjan junissa aktiivinen kallistusjärjestelmä perustuu toisiojousituksena käytettäviin paineilmajousiin.
 
Moderneissa junissa kallistus saadaan kuitenkin yleensä aikaan aikaan joko hydraulisella tai sähkömekaanisella laitteistolla, joka voi olla sijoitettuna joko toisiojousituksen ja korin väliin tai suoraan kallistusmekanismin yhteyteen. Näistä kahdesta vielä yleisempi on jälkimmäisenä mainittu, joka on käytössä esimerkiksi X2000- ja [[Intercity-Express|ICE-T]]-junissa. Koska toisiojousitus sijaitsee tällöin kallistusmekanismin päällä, ei järjestelmä ole yhtä häiriöaltis ja radan epätasaisuuden välity yhtä vahvasti koriin asti. Toisiojousituksen ja korin väliin asennettu laitteisto on käytössä esimerkiksi [[Pendolino]]-junissa, ja siinä toisiojousitus ottaa vastaan kaikki sivuttaisvoimat. Tämän vuoksi toisiojousituksessa joudutaan käyttämään aktiivista sivuttaisjousitusta.
Kolmas vaihtoehto on tietojen tallentaminen junaan: tällöin ohjausjärjestelmän muistiin tallennetaan tietyn rataosuuden kaarteiden geometriat ja sijainnit. Lisäksi ohjausjärjestelmään tarvitaan junan sijaintia mittaava anturi, mikä toteutetaan yleisimmin [[GPS]]-sirulla. Esimerkiksi [[Rautatietunneli|tunneleissa]] ja muilla katvealueilla järjestelmää täydennetään sijainnin arvioinnilla oletetun nopeuden perusteella tai määrittämällä junan sijainti [[Baliisi|baliisien]] avulla.
 
Ruotsissa X2000-junalla tehtyjen testien mukaan junaan tallennetut tiedot johtavat ennakoitavampaan kallistusjärjestelmän toimintaan. Kallistus voidaan ajoittaa tarkemmin ja ennakoivammin, radanpinnan epätasaisuudet eivät vaikuta järjestelmän toimintaan ja tarpeettomaksi katsotut kallistukset voidaan jättää kokonaan tekemättä. Junaan tallennetulla saavutettiin testeissä pienempi sivukiihtyvyys kuin reaaliaikaisella mittauksella erityisesti suhteellisen korkeilla 160–180  km/h nopeuksilla.
 
== Matkapahoinvointi ==
 
==Joitakin kallistuvakorisia junia==
 
* ''[[Pendolino]]'' käytössä muun muassa [[Yhdistynyt kuningaskunta|Britanniassa]] (liikennöitsijänä [[Virgin Trains]]), [[Espanja]]ssa, [[Italia]]ssa, [[Portugali]]ssa (”Alfa Pendular”), [[Slovenia]]ssa (''InterCitySlovenija''), [[Suomi|Suomessa]], [[Venäjä]]llä, [[Sveitsi]]ssä ja [[Tšekki|Tšekissä]].
* [[X2000]], [[Linx]] ([[Ruotsi]])
 
== Lähteet ==
 
* Andersson, Evert – Berg, Mats – Stichel, Sebastian – Casanueva, Carlos 2018. Rail Systems and Rail Vehicles. Tukholma: Centre for Research and education in Railway Engineering. Kuninkaallinen teknillinen korkeakoulu.
 
2 582

muokkausta