Magyar Tudomány • 2014 3 • Kazinczy László

Bevezetés

A vasúti üzemek műszaki újdonságait áttekintve és elemezve arra a következtetésre juthatunk, hogy a kötöttpályás közlekedés a 20-21. sz. fordulóján ismét forradalmi változásokat eredményez az emberi helyváltoztatás körülményeiben. Ez a vasút második forradalmának tekinthető. Egy fejlődési spirál mentén ugyanis olyan új megoldások létrejöttének lehetünk tanúi, amelyek minőségileg és mennyiségileg egyaránt az első forradalom jellemzői voltak (új energiák felhasználása, soha nem látott méretű műtárgyak megjelenése, minden korábbinál nagyobb sebességek elérése stb.).
A napjainkban zajló forradalmi változások talán egyik legmarkánsabb eleme a mágnesvasút üzemszerű megjelenése. A mágneses lebegtetés és továbbítás a közlekedésben merőben új távlatokat nyit az energiafelhasználás, a környezetvédelem, az eljutási idők stb. tekintetében.
A mágnesvasúti közlekedés legkifejlettebb formája a Németországban kifejlesztett Transrapid rendszer, amely az üzemi próbákon túljutva ma már menetrendszerű tömegközlekedési feladatokat is ellát Kínában.

A Transrapid rendszer előzményei
és fejlődésének rövid története

A mágneses lebegtetés és hajtás elvét 1934-ben Hermann Kemper szabadalmaztatta Németországban. A megvalósítás gondolata először az 1960-as években Németországban, az Amerikai Egyesült Államokban és Japánban vetődött fel.

A II. világháborút követően a kutatásokat és fejlesztéseket a legdinamikusabban Németországban végezték. Az MBB-konszern már 1971-ben egy 660 m hosszú kísérleti pályán a gyakorlatban is megvalósította a mágneses járműmeghajtás elvét. A fejlesztési tevékenységbe számos német nagyvállalat (Deutsche Bundesbahn, ThyssenKrupp, Siemens stb.) bekapcsolódott. Mindezek eredményeként 1979-ben engedélyezték a személyszállításra alkalmas első jármű üzemét is (a hamburgi világkiállításon a Transrapid 05 sorozatú jármű több ezer látogatót szállított).

A Transrapid járművek fejlesztésére ezt követően 1983-ban Észak-Németországban létesült egy kutatóbázis, próbapályával együtt (Emsland). Az itt végzett tevékenység eredményeként jelentek meg a Transrapid 06, 07, 08 sorozatú járművek. A kutatási tevékenység egyik legkézzelfoghatóbb eredménye a Kína számára leszállított 08 sorozatú szerelvények, amelyek 2002 óta Sanghajban közlekednek, menetrendszerű forgalomban.

A rendszer környezeti hatásai

Közismert, hogy a vasúti üzem a zaj- és rezgéshatások, az energiafelhasználás, a károsanyag-kibocsátás tekintetében – a fajlagos mutatókat tekintve – egy-két nagyságrenddel kedvezőbb, mint a közúti, illetve a légi közlekedés. A mágnesvasút azonban még a kerék-sín rendszerű vasutaknál is pozitívabb képet mutat. Kiemelendő ugyanakkor, hogy az üzem alapjául szolgáló mágneses erőtér tekintetében is veszélytelen a mágnesvasút (a Transrapid jármű belsejében észlelt mágneses térerő egytizede a hajszárító és egyötöde a televízió által sugárzott értéknek). A betonoszlopokkal alátámasztott gerendákon vezetett mágnesvasúti forgalom területigénye a szárazföldi közlekedési ágak között a legkisebb (Transrapid: 2 m²/m, nagy sebességű adhéziós vasút töltésen vezetve: 14 m²/m, közúti közlekedés autópályán: 37 m²/m).

A rendszer működésének alapelvei

A mágnesvasúti járművek lebegtetésének és mozgatásának körülményei a villanymotorok működésének fizikai alapelvéből vezethetők le. A villanymotoroknál a mágneses kölcsönhatás forgatja az állórészben (stator) elhelyezkedő rotort. Ha a hengeres villanymotort a palást mentén gondolatban felvágjuk és kiterítjük, akkor két hosszú elemet kapunk, amelyek a tekercsekbe vezetett áram mágneses terének hatására egymás felett elmozdulnak (lineáris motor).

A Transrapid mágnesvasúti rendszerben a stator a pályán (a pálya teljes hossza mentén), a rotor pedig a járművön van elhelyezve (1-2. ábra). A jármű alsó szerkezete nyeregvasútszerűen körbeöleli a pályaszerkezet vízszintes gerendáit (így a pályaelhagyás is kizárt). A kocsiszekrény haladásra merőleges (keresztirányú) pozicionálását az ún. vezető mágnesek végzik. A járművön és a pályán lévő mágnesek közötti távolság üzem közben kb. 10 mm, ennek állandóságára szenzorok ügyelnek. A pályára szerelt vezetékek (pályamágnesek) csak a szerelvények hosszát éppen meghaladó szakaszon kerülnek áram alá, így csökkentve az energiaveszteséget.

1. ábra • A Transrapid mágnesvasút lebegtetésének és mozgatásának körülményei a villanymotor működésének fizikai alapelve alapján

2. ábra • Az elektromágnesek elhelyezkedésének körülményei a pályán, illetve a járművön

A járművek műszaki jellemzői

A Transrapid járművek a szállítási kapacitás és a maximális sebesség tekintetében a TR 05 sorozattól kezdődően váltak az üzemi (menetrendszerű) körülmények számára alkalmassá (1. táblázat). A kocsiszekrény külső megjelenése a TR 05 sorozat után már lényeges módon nem változott. A TR 05 sorozatú kétegységes szerelvény a Hamburgban 1979-ben megrendezett közlekedési kiállítás látogatóit szállította a vásár területén. A TR 06 – TR 07 sorozatú járművek csak az emslandi próbapályán futottak. A TR 08 sorozatú, három egységből álló szerelvények Sanghajban közlekednek. A sorozat legújabb tagját, a TR 09 sorozatú járművet pedig a müncheni üzem számára fejlesztették ki (3. ábra).

3. ábra • A müncheni üzem számára kifejlesztett

TR 09 sorozatú szerelvény vezérlőkocsija

A Transrapid rendszerben nemcsak a személyszállításra, hanem az árutovábbításra is felkészültek a tervezők. Elgondolásuk szerint az áruk szállítása konténerekben történne. Megjegyzendő ugyanakkor, hogy a személyszállításra tervezett járművek keresztmetszeti szelvényénél (járműszerkesztési szelvény) éppen a légi közlekedésben szabványosított konténerek méreteit vették alapul.

A pálya jellemzői

Kétvágányú pálya esetén a vágánytengely távolságértéke a sebesség függvényében változik: V ≤ 300 km/h-nál 4,40 m, V ≤ 400 km/h-nál 4,80 m, V ≤ 500 km/h-nál 5,10 m. A pálya űrszelvényének szélessége és magassága is a járművek tervezett sebességétől függ. A kétvágányú mágnesvasúti pályatestet övező zajvédő falak távolságát, illetve védősávok szélességét az űrszelvény szélességének, illetve a vágánytengely távolságának összege adja.

Mágnesvasutak helyszínrajzi íveinek túlemelése (a) alatt a pályasík keresztirányú (sugárirányú) döntését értjük fokban kifejezve. A kerék-sín rendszerű üzemekkel összehasonlítva a Transrapidnál a pálya keresztirányú döntésének mértékét kizárólag kényelmi szempontok határozzák meg. Így a pálya keresztirányú dőlése körívekben akár 12°, különleges esetben 16° is lehet (a Köln–Frankfurt közti nagy sebességű vasútvonalon a túlemelés legnagyobb értéke 170 mm, ami a = 6,5° keresztirányú hajlásnak felel meg). A jelentős mértékű pályadöntés azzal magyarázható, hogy a járművek nyíltvonali megállása nem valószínű, mert a rendszert úgy tervezték, hogy azok vészhelyzetben is el tudnak jutni az előre kiépített megállóhelyre.

A körívek sugarait a szerelvények sebességének (V [km/h]), a megengedett szabad oldalgyorsulás legnagyobb értékének (a0[m/s²]), valamint a pálya keresztirányú legnagyobb döntésének (a [°]) figyelembevételével kell meghatározni. A 2. táblázat a különböző járműsebességek esetén alkalmazható legkisebb körívsugár (R_min [m]) értékeit tartalmazza a = 12° és a = 16° keresztirányú pályadöntések esetén, a₀ = 1,5 m/s² megengedett szabad oldalgyorsulás figyelembevételével.

A Transrapid üzemeknél az egyenes és a köríves pályaszakaszok között általában hullámos görbületfüggvényű átmenetiíveket alkalmaznak (szinuszoid átmenetíív), amelyek hosszánál egyrészről 0,5 m/s³ értékű oldalgyorsulás-változást, másrészről 0,08 °/m nagyságú túlemelésváltozást vesznek figyelembe.

A Transrapid rendszernél alkalmazható legnagyobb emelkedő emax = 10%, amely tulajdonképpen egy nagyságrenddel nagyobb érték, mint a kerék-sín rendszerű vasutak hasonló jellemzője.

A mágnesvasút nyomvonalát úgy kell kijelölni, hogy lehetőleg a már meglévő nyomvonalas létesítményekkel párhuzamosan, azokhoz közel haladjon. A Berlin–Hamburg között tervezett Transrapid üzem esetén például a 292 km hosszú vonal 192 km-es hosszán (a teljes vonal 65%-a) sikerült ún. létesítményi folyosóban elhelyezni a pályát. A 192 km-es hosszból 77 km-en (26%) az autópályával, 80 km-en (27%) a vasúti pályával 35 km-en (12%) pedig a nagyfeszültségű távvezetékkel haladnak párhuzamosan a vágányok.

A tervezési előírások szerint a kétvágányú Transrapid pálya tengelye a 2×2 sávos autópálya tengelyétől (1–1 leállósávval) 30–40 m-es, a kétvágányú vasúti pálya tengelyétől 15 m-es, a nagyfeszültségű elektromos távvezeték tengelyétől 21 m-es minimális távolságra helyezhető el.

A Transrapid közlekedési rendszernél a mágneses lebegtetés és továbbítás fizikai körülményei, valamint az üzem biztonsága a környezettől történő teljes elválasztást igényel. Ennek következtében (a műtárgyakat kivéve) a járművek ún. magasvezetésű pályán közlekednek. A pálya szerkezete az alapozásokból, az oszlopokból és az oszlopokon nyugvó gerendákból áll. A

gerendák anyaga kezdetben még acél volt. Az acélszerkezetek kivitelezése azonban rendkívül munka- és időigényes volt, a gyártási pontosság betartása pedig igen jelentős erőfeszítésekbe került. Így a továbbiakban szinte csak betonból készítettek pályagerendákat.

A Transrapid rendszer kitérői lényegében egyetlen fő elemből, egy acél alapanyagú váltórészből állnak. Az acéltartók szerkezetileg úgy vannak kialakítva, hogy azok a pálya síkjában jelentős mértékben hajlékonyak. Így amíg a váltó eleje befogott, rögzített helyzetű, addig a váltó többi keresztmetszete az állítóerők hatására oldalirányban a tervezett mértékben elmozdul. A váltó végén már olyan mértékű az oldalirányú elmozdulás, hogy az a tervezett ívsugárban közvetlenül csatlakozik az eltérítő ágat követő vágányhoz. A kitérők alaprajzát szemlélteti a 4. ábra egyenes és eltérítő állásban.

4. ábra • A kitérők vázlatos alaprajza egyenes

és íves (eltérítő) állásban

Az emslandi próbapályán (TVE) három kitérőt építettek be. Ezek mindegyike ún. kétutas szerkezet, amely egy egyenes és egy íves ágból áll. Sanghajban a járműtelepet kivéve ugyancsak kétutas kitérőkön zajlik a forgalom. A járműtelepen azonban a három csarnoki szerelővágányhoz történő közvetlen behaladást egyetlen ún. háromutas kitérő biztosítja (5. ábra).

5. ábra • Háromutas kitérő Sanghajban a járműtelep tároló- és szerelővágányainak bejáratánál

Az emslandi próbapálya két nyíltvonali, nagy sebességű kitérőjének eltérítő ágaiban a pálya összetett geometriájú. Lényegében egy átmenetiíves körívben fekszik a váltórész, amennyiben az eltérítő irányban áll. A Transrapid rendszerű kitérőkben – a többi vasúti ágazattal megegyező módon – természetesen nem alkalmaznak túlemelést.

A kitérőket a járműterhelés, a szélnyomás, valamint a váltórész önsúlya miatt – tekintettel az acélszerkezet szükséges hajlékonyságára – a folyópályához képest sűrűbben kell alátámasztani. A kitérők váltórészének mozgatása a jelentős (70–150 m) szerkezeti hosszak és a megkívánt pontos irány- és fekszint-geometriák miatt egyidejűleg több keresztmetszetben az előbb említett támaszokon történik. Az állítóművek munkájának vezérlését, összehangolt működését, továbbá ellenőrzését számítógép végzi. A kitérők állítása a gyakorlatban elektromechanikus vagy hidraulikus módon történik. Az állítási idő kb. 18 másodperc. A kitérő oldásától a szabad jelzés kiadásáig kb. 30 másodperc telik el.

6. ábra • Kettős vágánykapcsolat Sanghajban

a Longyang Road állomás előtt

A kerék-sín rendszerű vasutakhoz hasonlóan a mágnesvasutaknál is alkalmazható a tolópad a járművek járműtelepi vágányok közti mozgatásánál.

A Transrapid vonalakon az adhéziós vasutaknál leggyakrabban alkalmazott vágánykapcsolatok fordulnak elő, így a vágányelágazás, az egyszerű vágánykapcsolat és a kettős vágánykapcsolat (6. ábra). A kétvágányú pályát összekötő egyszerű vágánykapcsolatban – mint az a 6. ábrán is jól látható – egy mozdulatlan, egyenes tartószakasz fekszik a vágányok között, amelyhez mindkét oldalról a kitérők mozgó szárai csatlakoznak a vágányok között beállított vágányút esetén.

Az alagutak kialakításának jellemzői

Az alagutak tervezésekor biztosítandó legkisebb belső keresztmetszeti felületet a járművek üzemi sebessége befolyásolja. A különböző sebességtartományokhoz tartozó minimális keresztmetszeti területeket (m²-ben) egy- és kétvágányú alagutak esetében a 3. táblázat tartalmazza.

A működő és a tervezett üzemek jellemzői

Működő üzemek • Az emslandi próbapálya. 1969 és 1979 között a Transrapid rendszer fejlesztését – a TR 01-től a TR 05 sorozatú járművekig bezárólag – különböző helyszíneken végezték. A további hatékony kutatások azonban egy állandó helyszínű kutatóközpontot igényeltek, amelyhez kapcsolódó próbapályán már 300–500 km/h sebességű futamok is elvégezhetőek.

Ilyen előzmények alapján épült ki két ütemben (1. ütem: 1980–1983, 2. ütem: 1984– 1987) az észak-németországi Emslandnál a 31,5 km hosszú próbapálya. A magas vezetésű, oszlopokra fektetett gerendákkal (acél- és betonszerkezetek egyaránt épültek) kialakított pálya egyvágányú (7. ábra) mintegy 12 km hosszon egyenesben fekszik, amelynek végein egy-egy fordulóhurok található 1690 m és 1000 m nagyságú ívsugarakkal (a hurkok teljes hossza 19,5 km). Az egyenes pályaszakasz közepén ágazik ki a kutatóközpont épületéhez, illetve a tárolócsarnokhoz vezető vágány. A pálya mentén három kitérő fekszik (67, 132 és 149 m sugarakkal). A kísérleti pályán ez idáig elért legnagyobb sebesség 450 km/h (TR 07: 1993).

7. ábra • A Transrapid emslandi próbapályájának északi hurokfordulója

A sanghaji üzem • A mágnesvasút első és máig egyetlen menetrendszerű üzeme Sanghajban valósult meg. A 2012. december 31-én megnyitott 30 km hosszú, kétvágányú vonal a városközpontot (Longyang Road) köti össze a Puddong nemzetközi repülőtérrel. Az egyik forgalmi vágányról pedig nyíltvonali kiágazással egy 3 km hosszú, egyvágányú pálya vezet a járműtelepre. Az 1999-re kifejlesztett, ötkocsis Transrapid 08 sorozatú szerelvények 7–8 perc alatt teszik meg az utat. Az első vonatok 6:45 / 7:02-kor, az utolsók 21:40 / 21:42-kor indulnak a végállomásokról (2013). A gyakorlatban megvalósítható legrövidebb követési idő 10 perc. Délelőtt 9:00 és 10:45, illetve délután 15:00 és 15:45 óra között a szerelvények maximális sebessége 430 km/h, egyébként 300 km/h.

Minthogy az üzemmód iránt igen nagy az érdeklődés (2005-ben ötmillióan, 2010-ben tízmillióan utaztak, 2020-ban pedig mintegy harmincmillió utas prognosztizálható a városban), ezért néhány évvel ezelőtt elhatározás született a vonal belvárosi végétől való meghosszabbításáról, amely egy városhatáron belüli elágazással egyrészt a városban található másik repülőteret (Hungcsiao [Hong Qiao] repülőtér), másrészt a Sanghajtól mintegy 180 km-re fekvő Hangzsut kapcsolja a meglévő pályaszakaszhoz.

Tervezett üzemek • A Transrapid első tervezett üzeme Berlint kötötte volna össze Hamburggal (a 284 km-es távolságot 53 perc alatt tették volna meg a szerelvények 400 km/h maximális sebesség mellett). Az elképzelésbe azonban beleszólt a politika, ugyanis a német parlament a magas (kb. 2,9 milliárd EUR) beruházási költség miatt a kilencvenes évek közepén nem adta meg a hozzájárulását a munkálatok elkezdéséhez.

Ezután több kisebb, elsősorban városi jellegű üzem tervei láttak napvilágot (Berlinben, Münchenben, Frankfurtban, Dortmundban terveztek Transrapid vonalakat). E tervek közül a legkidolgozottabb a müncheni, ahol a főpályaudvart és a repülőteret kötnék össze egy 37,4 km hosszú, kétvágányú vonallal. Az 1,8 milliárd EUR építési költségű vasút pályája 23,3%-a (8,7 km) alagútban, 60,1%-a (22,5 km) terepszinten, 16,6%-a (6,2 km) terepszint felett haladna. 350 km/h maximális sebesség mellett kb. 10 perc lenne a menetidő. A szerelvények tízpercenként követnék egymást.

Az Európában tervezett további vonalak közül elsősorban a Berlin–Varsó–Moszkva, a Berlin–Krakkó–Kiev és a Berlin–Budapest–Thesszaloniki viszonylatok említendők meg. A kontinensen még Hollandiában (Amszterdamból kiinduló körvasút: 230 km 45 perc menetidővel) és az Egyesült Királyságban (London–Glasgow: 800 km 160 perc menetidővel) vetődött fel a mágnesvasút létesítésének gondolata. Európán kívül pedig még az Amerikai Egyesült Államokban, valamint az Egyesült Arab Emírségben foglalkoznak a Transrapid üzem esetleges megvalósításával.

A Transrapid építési költségei

Minthogy ezidáig csak egyetlen üzemszerűen működő pálya épült a világon (Sanghaj), ezért az építési költségek csak a becslések szintjén határozhatók meg. A 4. táblázat 2002-es árszinten a tervezett müncheni üzem költségtételeit tartalmazza. A 37,4 km hosszúságú kétvágányú vonal összköltsége 1391,5 millió EUR, fajlagos költsége 37,21 millió EUR/pálya-km. Ezen összeg mintegy 1,5-2,0 szerese az adhéziós vasutak építési költségének. A 4. táblázat nem tartalmazza a járművek beszerzési költségét. A háromkocsis TR 09 járművek beszerzési ára 41,1 millió EUR/szerelvény (2002-es áron).

Kulcsszavak: mágneses lebegtetés, magasvasút, különleges vasút, nagy sebességű vasút

IRODALOM

Heinrich, Klaus – Kretzschmar Rolf (1989): Magnetbahn Transrapid – Die neue Dimension des Reisens. Hestra-Verlag, Darmstadt

Schach, Rainer – Jehle, P. – Naumann, R. (2006): Transrapid und Rad-Schiene-Hochgeschwindigkeitsbahn. Springer-Verlag, Berlin • WEBCÍM