Kallistuvakorinen juna

JR Hokkaido -rautatieyhtiön KiHa 283 -sarjan kallistuvakorinen dieseljuna voi kallistua jopa 8°.

Kallistuvakorinen juna on juna, jonka runko kallistuu 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 -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

Yksi ensimmäistä kallistuvakorisista prototyypeistä Yhdysvalloissa vuonna 1937

Sivukiihtyvyyden ongelma on tunnistettu rata- ja kalustosuunnittelussa jo varhain. Vuonna 1937 Saksassa tehtiin ensimmäisiä kokeiluja sivukiihtyvyyden vähentämiseksi. Seuraavana vuonna Yhdysvalloissa koeajettiin yksinkertaisella passiivisella kallistusmekanismilla varustettua junaa. Kaupallisessa liikenteessä passiivisten kallistuvakoristen läpimurto tapahtui kuitenkin vasta 1970-luvulla Japanissa ja 1980-luvulla Espanjassa.

Aktiivisia kallistusjärjestelmiä testattiin ensimmäistä kertaa Saksassa vuonna 1965, minkä jälkeen koeajoihin edettiin 1970-luvulla Ruotsissa ja Italiassa. Ensimmäistä kertaa kaupallisessa liikenteessä järjestelmiä päästiin käyttämään näissä maissa 1990-luvulla. Suomessa ensimmäinen kallistuvakorinen VR:n Sm3- eli Pendolino-juna aloitti liikennöinnin rantaradalla vuonna 1995. Vuonna 2007 Japanissa otettiin liikenteeseen ensimmäinen kallistuvakorinen suurnopeusjuna. Ensimmäinen kaksikerroksinen, passiivisella järjestelmällä varustettu kallistuvakorinen, Bombardierin valmistama juna aloitti liikennöinnin puolestaan Sveitsissä vuonna 2018.

Taustaa

Deutsche Bahnin juna kallistamassa kaarteeseen

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 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 Göteborgin ja Tukholman välillä tulisi ajaa 250 km/h nopeudella perinteisellä junalla, kun taas 200 km/h riittää kallistuvakorisella. Tyypillisesti kaarteeseen voidaan ajaa jopa 25 % nopeammin kallistuvakorisuuden ansiosta. Itse kaarteessa käytettävän korkeamman etenemisnopeuden lisäksi aikahyötyjä saadaan kaarteeseen liittyvien kiihdytysten ja hidastusten jäädessä pois.

Tekniikka

Allegro- eli Sm6-junassa on aktiivinen kallistusjärjestelmä asennettuna toisiojousituksen ja korin väliin.

Kallistusjärjestelmät jaetaan toimintaperiaatteensa perusteella kahteen eri ryhmään: aktiivisiin ja passiivisiin kallistusjärjestelmiin. Passiivisessa järjestelmässä kallistusliikkeen saa aikaan painovoima korin levätessä tukipisteiden varassa rullien päällä. Aktiivisessa järjestelmässä kallistusliikkeen suuruutta ohjataan suunnitellusti esimerkiksi moottoreiden tai paineilman avulla.

Sähkövetoisissa kallistuvakorisissa junissa virroitin on saatava osumaan virtajohtoon myös kallistettaessa mutta kuitenkaan ylittämättä kalustolle varattua kuormaulottumaa. Tähän on kolme pääasiallista tapaa: virroitin voidaan asentaa vaunuun joka ei kallistu, virroitinta voidaan kallistaa mekaanisesti telin ja korin liikkeiden mukaan tai erillinen ohjausjärjestelmä voi siirtää virroitinta sivusuunnassa.

Kallistusjärjestelmät ovat teknisesti haastavia ja häiriöherkkiä. Kallistusjärjestelmän tulisi vikatilanteissa pyrkiä palautumaan normaaliasentoon ja ehdottomasti estää väärään suuntaan (eli ulkokaarteen suuntaan) kallistaminen. Ulkokaarteen suuntaan kallistuminen on erittäin harvinaista, mutta johtaa herkästi kiskoiltasuistumiseen.

Passiivinen kallistusjärjestelmä

Passiivisessa järjestelmässä matkustamon sisältävä kori on asennettu jousien päälle roikkumaan. Jousien kiinnittymiskohta, rotaatiopiste, on selvästi junan 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 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.

Aktiivinen kallistusjärjestelmä

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

Shinkansen N700-junan aktiivinen kallistusjärjestelmä on toteutettu paineilmajousin.

Ensimmäiset kallistusmoottorit olivat 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 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.

Ohjausjärjestelmä

Ohjausjärjestelmän tehtävä on päättää, kuinka paljon ja millä hetkellä junaa kallistetaan sekä välittää nämä tiedot kallistusmoottorille. Ohjaus voidaan toteuttaa kolmella periaatteella: reaaliaikaisella mittaamisella, kulunvalvonnan välittämän geometriatiedon mukaan tai tallentamalla ratageometria junan ohjausjärjestelmän muistiin koordinaattitiedoin.

Reaaliaikainen mittaus voidaan toteuttaa mittaamalla sivukiihtyvyyttä telissä, mutta tämä menetelmä häiriöherkkä esimerkiksi radan epätasaisuuksien aiheuttamien poikkeamien vuoksi. Tasalaatuisempi tapa on mitata muutoksia junan pituussuuntaisen akselin (yaw-nopeus) ja rullaamisnopeuden välisessä suhteessa. Eräs tapa on myös mitata kallistusvajauksen tai -ylimäärän suuruutta kahden eri telin välillä.

Kulunvalvonnan välittämän geometriatiedon hyödyntämisen perusperiaate on radan varressa olevan infrastruktuurin käyttäminen tarvittavan datan siirtämiseen junan kallistuksen ohjausjärjestelmän tietokoneelle. Radan varressa oleva lähetin, mahdollisesti kulunvalvonnan osa, ilmoittaa ohjausjärjestelmälle junassa etäisyyden kaarteen alkamiseen ja sen geometrian. Ohjausjärjestelmän tietokone laskee tämän perusteella tarvittavan kallistuksen etenemisnopeuden mukaisesti.

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 tunneleissa ja muilla katvealueilla järjestelmää täydennetään sijainnin arvioinnilla oletetun nopeuden perusteella tai määrittämällä junan sijainti 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

Kallistusjärjestelmän testailua paikallaan olevalla junalla

Muutama prosentti ihmisistä kärsii matkapahoinvoinnista kallistuvakorisissa junissa, vaikkeivat he saisi oireita perinteisissä junissa. Tyypillisiä oireita ovat pahoinvointi, mahan vääntäminen, huimaus ja väsymys. Kallistus aiheuttaa konfliktin ihmisen havaitsemassa ja kokemassa liikkeessä, mutta suurimmalla osalla keho kykenee sopeutumaan tähän kallistuksen aiheuttamaan konfliktiin. Noin viidellä prosentilla aivojen sopeutuminen jää rajalliseksi, joka ilmenee matkapahoinvointioireina.

Koettua matkapahoinvointia voidaan vähentää usein eri keinoin. Keskeisintä on rajoittaa sivukiihtyvyyden suuruutta ja vaihtelevuutta, jota aiheuttaa erityisesti reaaliaikaiseen mittaukseen perustuva järjestelmä epätasaisena toimintana ja huonoina ajoituksina. Infrastruktuurin osalta oireilua voidaan pienentää suosimalla laajoja kaarresäteitä ja paikallisilla nopeusrajoituksilla. Sen sijaan kallistuskulman suuruudella ei juurikaan ole merkitystä koettuun matkustusmukavuuteen tai matkapahoinvointiin.

Joitakin kallistuvakorisia junia

• Pendolino käytössä muun muassa Britanniassa (liikennöitsijänä Virgin Trains), Espanjassa, Italiassa, Portugalissa (”Alfa Pendular”), Sloveniassa (InterCitySlovenija), Suomessa, Venäjällä, Sveitsissä ja Tšekissä.
• X2000, Linx (Ruotsi)
• Le Frecce (Italia)
• Signatur (Norja)

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.