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Eine Technologiesperre durchbrechen, um Schienenverkehrssysteme effizienter zu machen
Einführung
Jeder erwartet und wünscht sich eine höhere Effizienz im Schienenverkehr, aber aufgrund der städtischen Konzentration und mangelnder Finanzierung scheint es sehr unwahrscheinlich, dass die Infrastruktur erweitert wird. Die einzige Möglichkeit, die Leistung des Schienenverkehrs zu verbessern, besteht daher darin, mehr Züge pro Stunde auf bestehenden Gleisen zu fahren. Um dies zu erreichen, müssen wir die Herausforderung bewältigen, dass die Bremsleistung aufgrund der Haftung zwischen Rädern und Schienen eingeschränkt wird.
Das Wheel Slide Protection (WSP) -System ist der Schlüssel zur optimalen Nutzung der verfügbaren Haftung und damit zur Verbesserung der garantierten Bremsleistung.
In normalen Situationen wird die Leistung durch die Haftung zwischen der Schiene und dem Rad physisch begrenzt, aber äußere Faktoren wie Witterungseinflüsse und Umweltverschmutzung können zu einer Verringerung der tatsächlich verfügbaren Haftung führen. Die erste Folge davon ist eine Änderung der Leistung, kann aber auch zu kostspieligen Leistungseinbußen führen. Die Hauptfunktion eines WSP besteht darin, die verfügbare Haftung unter allen äußeren Bedingungen optimal zu nutzen und gleichzeitig das schlimmste Szenario einer Achsenblockierung zu vermeiden. Sie dient auch dazu, Schäden zu vermeiden, die sich entweder auf Fahrzeuge oder Infrastruktur auswirken könnten.
Im folgenden Artikel werden die jüngsten Errungenschaften von Wabtec in diesem Bereich vorgestellt, die das Ergebnis kontinuierlicher Arbeit sowohl im Labor mit leistungsstarken Simulations- und Testwerkzeugen als auch vor Ort sind.
Die Herausforderungen
Ungünstige Witterungsbedingungen und Umweltverschmutzung wirken sich negativ auf die Haftung der Schienenverkehrssysteme zwischen Rad und Schiene aus und verlängern den Bremsweg der Züge. Um dies zu begrenzen, benötigen die Betreiber bessere Gleitschutzsysteme.
Aktuelle WSP-Systeme werden unter Berücksichtigung der in den Normen definierten typischen Bedingungen mit verminderter Haftung entwickelt, die manchmal erheblich von den tatsächlichen Bedingungen abweichen. Liegt die Haftung unter diesem Normwert, kann dies dazu führen, dass sich die Bremswege im Vergleich zu trockenen Schienen um mehr als 50% verlängern und dass sich die Räder verschlechtern (die Räder platzen), sodass die Fahrer sie neu profilieren müssen. Dieses Verfahren reduziert die Verfügbarkeit der Züge und verkürzt die Lebensdauer der Räder, was zusätzliche Wartungskosten verursacht. Wenn die Haftung noch weiter beeinträchtigt wird, müssen restriktive Betriebsvorschriften in Betracht gezogen werden, wie etwa die Reduzierung der zulässigen Geschwindigkeiten oder die Verwaltung der Schienenreinigung.
Die derzeit verwendeten WSP-Systeme sind auf der Grundlage der in der Norm EN15595 (oder UIC 541-05) definierten Haftungsmodelle qualifiziert und getestet. Es ist ein langer und teurer Prozess, der zuerst an Prüfständen und dann in Feldtests durchgeführt wird. Der Prozess dauert mehrere Wochen für jede Implementierung eines neuen Fahrzeugs.
Eine feste Einstellung kann das breite Spektrum an Bedingungen, die durch Umgebungsbedingungen oder das Bremssystem selbst verursacht werden, nicht abdecken:
- Die tatsächliche Haftung auf der Schiene kann zwischen 0,01 (z. B. bei altem Laub auf dem Gleis) und 0,17 liegen. Die Normen gehen davon aus, dass ein typischer Einstellbereich für verschlechterte Haftungsbedingungen zwischen 0,05 und 0,08 liegt.
- Die Verbesserung der Haftung entlang des Zuges aufgrund des aufeinanderfolgenden Verlaufs der Achsen.
- Massenstatus (AW0 bis AW3) und dessen dynamische Änderung aufgrund von Massentransfers.
- Leistung der Reibungspaare (Belag zu Scheibe oder Block zu Rad), deren Reibungskoeffizient sich aufgrund von Geschwindigkeit, Temperatur und Feuchtigkeit ändert.
Im Jahr 2014 beschloss die Eisenbahnindustrie — Hersteller und Betreiber — im Rahmen des europäischen Shift2Rail-Projekts, an diesem Problem zu arbeiten, und Wabtec reagierte auf die Shift2Rail-Herausforderung (PINTA1- und PINTA2-Projekte).
Der erste Schritt bestand darin, die Verschlechterung der Haftung zwischen Rad und Schiene unter realen Einsatzbedingungen und Umgebungen besser zu verstehen, insbesondere den „Reinigungseffekt“, der während des Betriebs entlang des Zuges auftreten kann, wenn die Räder nacheinander durchfahren werden. Dies wurde dank einer sorgfältigen Analyse zahlreicher Testergebnisse und umfangreicher Arbeiten an einem speziellen Prüfstand erreicht.
Dieser als Roller bekannte Prüfstand wurde entwickelt, um die Wirkung von Verunreinigungen, die die Haftung zwischen den einzelnen Rädern und der Schiene beeinträchtigen, genau zu simulieren. Es ist ein einzigartiges Tool, das von Wabtec entwickelt wurde. Bei diesem Prüfstand handelt es sich um ein kleineres Gerät, das es den Testern ermöglicht, mehrere Achsen zu bremsen, die auf derselben Strecke laufen. Auf der Strecke entsteht eine verminderte Haftung, und an jeder Achse ist es möglich, die Bremsleistung zu modulieren und die daraus resultierende Haftung zu beurteilen.
Auf dieser Grundlage wurde ein neues adaptives WSP-System entworfen und implementiert. Für jedes Fahrzeug integriert die digitale elektronische Ausrüstung in Kombination mit einer Reihe von Sensoren und Aktuatoren eine Software, die auf einem adaptiven Algorithmus basiert, der die Methode der kleinsten Quadrate (LMS) verwendet. Es beinhaltet eine dynamische Selbstanpassung des WSP-Algorithmus unter Berücksichtigung der tatsächlichen Haftungsbedingungen.
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Außerhalb des Labors von Wabtec wurde dieses neue System auf dem WSPER-Prüfstand in Großbritannien, auf dem EN15595-akkreditierten Prüfstand von DBST und bei Feldtests mit einem EuskoTren-Fahrzeug in Bilbao, Spanien, getestet.
DistanceMaster™ Adaptives WSP
Die Ergebnisse
Die Untersuchung der Auswirkungen des adaptiven DistanceMaster™ WSP-Geräts auf den Bremsweg, einen wesentlichen Sicherheitsparameter, ergab eine deutliche Verbesserung im Vergleich zu Standard-WSP-Systemen, die EN 15595:2011 und 2018 entsprechen. Mit Adaptive WSP beobachteten wir eine Verbesserung der Verlängerung des Bremswegs unter standardmäßigen EN/UIC-Bedingungen mit schlechter Haftung. Im Vergleich zu den Bremswegen bei trockenen Bedingungen beträgt die Verlängerung etwa 8%, verglichen mit 12% bei der vorherigen Generation von Wabtec WSP, und ein akzeptables Maximum von 20%, das in den Normen festgelegt ist.
Eine Bewertung wurde auf dem WSPER-Prüfstand vorgenommen. Dieses WSP-Evaluiergerät wurde von DB-ESG, einem Unternehmen der DB System Technik, in Derby, Großbritannien, entwickelt.
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[Vergleich der Bremswege des Adaptive WSP bei 90 km/h mit denen der Vorgängergeneration]
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[Vergleich der Bremsleistung des Adaptive WSP mit der vorherigen Generation von WSP bei anhaltend niedriger Haftung.]
Darüber hinaus ist der Druckluftverbrauch (und damit der Energieverbrauch, der zur Aufrechterhaltung des Hauptleitungsdrucks erforderlich ist) im Vergleich zu WSPs der vorherigen Generation bei allen Tests mit dem optimierten adaptiven Algorithmus deutlich reduziert.
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[Vergleich des Luftverbrauchs der adaptiven WSP mit denen der Vorgängergeneration unter dauerhaft niedrigen Haftbedingungen.]
Eine weitere Bewertung wurde auf dem EN-akkreditierten Prüfstand von DBST in Minden, Deutschland, vorgenommen.
Bei der Validierung des A-WSP auf dem Prüfstand von DBST wurde der Algorithmus mehr als 1.000 Tests unterzogen, darunter Funktions- und Typentests unter Verwendung verschiedener Haftungsprofile und Bremsverfahren.
Die Validierung wurde an einem Anhängerfahrzeug mit einer Höchstgeschwindigkeit von 400 km/h durchgeführt.
Die nächste Tabelle zeigt die durchschnittliche Verlängerung des Bremswegs und den Luftverbrauch je nach Bremsgeschwindigkeit und WSP-Algorithmus. Der Bremsweg des A-WSP ist in beiden Fällen kürzer als der des WSP der vorherigen Generation; dank des adaptiven Algorithmus ist auch der Luftverbrauch niedriger.
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[Durchschnittliche Verlängerung des Bremswegs und des Luftverbrauchs auf dem Prüfstand von DBST, WSP der vorherigen Generation und A-WSP.]
In der nächsten Tabelle sind die Tests aufgeführt, die im Labor von DBST mit dem A-WSP und dem WSP der vorherigen Generation durchgeführt wurden. Das A-WSP und das AEF-91 entsprechen EN 15595:2011. Das A-WSP erfüllt außerdem alle obligatorischen und optionalen Prüfungen gemäß EN 15595:2018.
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[EN15595: Testprogramm 2011 und 2018 auf dem Prüfstand von DBST, WSP der vorherigen Generation und A-WSP.]
Eine weitere Verbesserung
Die Entschleunigungskompensation
Der nächste Schritt, der erforderlich ist, um dies noch weiter zu verbessern, ist die Berücksichtigung der unterschiedlichen Adhäsion beim Durchfahren aufeinanderfolgender Achsen. Zu diesem Zweck wurde ein System zum Ausgleich der Verzögerung entworfen und implementiert. Dieses System (verfügbar in den integrierten Bremssteuersystemen der von Wabtec entwickelten Typen Metroflexx und Regioflexx) zielt darauf ab, den Bremsweg bei verminderter Haftung weiter zu verkürzen, da die im Zug vorhandene Haftung besser genutzt wird.
Das System zielt darauf ab, die Bremskraft entlang des Zuges neu zu verteilen, um die Zielverzögerung auf Zugebene zu erreichen. Jedes lokale Bremssteuergerät prüft die verfügbare Haftung und kann die Bremsleistung bis zum Grenzwert erhöhen und gleichzeitig für maximalen Fahrgastkomfort sorgen. Diese Funktion zur Kompensation der Verzögerung kann aufgrund des hohen Sicherheitsniveaus (SIL4) der Wabtec-Bremssysteme Metroflexx und Regioflexx (Bremssysteme für U-Bahnen bzw. Triebzüge) auch bei Notbremsungen verwendet werden.
Diese Funktion wird lokal (von der Bremssteuereinrichtung jedes Drehgestells oder Fahrzeugs) verwaltet und erfordert keine Kommunikation zwischen den verschiedenen Bremssteuergeräten des Zuges. Wenn der Bediener beschließt, sie zu implementieren, ist diese Funktion vollständig konfigurierbar (maximale Haftung erforderlich, maximaler Bremszylinderdruck usw.).
Ein entscheidender Schritt vorwärts für die adaptive WSP- und Verzögerungskompensation
Das Zusammenspiel dieser beiden Funktionen wurde von DB-ESG auf dem WSPER-Prüfstand getestet, wobei die folgenden Ergebnisse erzielt wurden (unter Berücksichtigung des Referenzfalls des Euskotren).
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Die Verzögerungskompensation, die in Verbindung mit dem oben beschriebenen adaptiven WSP-System arbeitet, reduziert die Verlängerung des Bremswegs unter den Referenzbedingungen mit verminderter Haftung auf etwa 6% über dem Bremsweg im trockenen Zustand. Im Vergleich zur Intervention eines WSP-Systems, das alleine wirkt, ermöglicht die Kombination der beiden Systeme eine Verbesserung der Bremsleistung um 50% [Verlängerung um 6% statt 12%] bei schlechtem Haftungsvermögen. Dies stellt eine erhebliche Verbesserung der Sicherheit dar, insbesondere da der Variabilität der Haftungsbedingungen zwischen Schienenrädern und Rädern besser Rechnung getragen wird.
Die relativen Vorteile dieser beiden innovativen Systeme sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst.
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Die Verringerung der Bremsleistung im Vergleich zur Leistung von WSP der vorherigen Generation unter den Referenzbedingungen mit verminderter Haftung reicht von 34% (nur adaptives WSP) bis zu 50% (adaptives WSP plus Verzögerungskompensation).
Dies ist eine deutliche Verbesserung der Kontrolle der garantierten Notbremsrate, eines der wichtigsten Kriterien für die Sicherheit von Schienenverkehrssystemen.
- Die Testergebnisse zeigen eine deutliche Verbesserung der Bremsleistung und ihrer Kontrolle bei verschlechterten und/oder schwankenden Haftbedingungen. Dadurch sollten die Betreiber in die Lage versetzt werden, klimatische und/oder saisonale Bedingungen (Laub, Herbst-/Winterbedingungen usw.) besser zu bewältigen und gleichzeitig die Fahrzeuge zu schützen (Vermeidung von Radpannen). Unabhängig vom vorhandenen Abstandssystem für Züge ist die Verkürzung des Notbremsweges in verschlechtertem Zustand ein entscheidender Punkt für den Betrieb auf solchen Strecken, da dadurch die Sicherheit bei erwarteter Bremsleistung erhöht wird. Es gibt dem Fahrer mehr Selbstvertrauen und könnte die Notwendigkeit betrieblicher Einschränkungen wie Geschwindigkeitsreduzierungen vermeiden (oder einschränken).
- Bei fahrenden Blocksignalisierungssystemen (wie ETCS L3 und CBTC), die hauptsächlich auf neuen Strecken eingesetzt werden, kann die Berücksichtigung dieser besser garantierten Bremsleistungen die Tür zu verringerten Vorwärtsbewegungen und zur Verbesserung der Streckenkapazität öffnen.
- Geringere Wartungskosten: Standard-WSP-Systeme verfügen über eine feste Einstellung, die für eine standardmäßige Verschlechterung der Haftung optimiert ist. Adaptive WSP passt sich permanent von selbst an, sodass die verfügbare Haftung auch bei extrem geringer Haftung optimal genutzt werden kann. Dadurch wird das Risiko von Radschäden erheblich reduziert. Testergebnissen zufolge kann die Häufigkeit des Auftretens von Radpannen um ~ 50% reduziert werden. Pannen an den Rädern haben erhebliche wirtschaftliche Folgen: Eine Neuprofilierung der Räder reduziert die Lebensdauer der Räder und die Verfügbarkeit der Züge aufgrund von Wartungsarbeiten. Zahlreiche Flachstellen können zu übermäßiger Belastung der Gleise führen, was zusätzliche Wartungsarbeiten und manchmal auch Schäden nach sich ziehen kann.
- Die Inbetriebnahme neuer Fahrzeuge könnte vereinfacht werden: Adaptive WSP benötigt keine lange Testkampagne, um die Einstellungen anzupassen. Das System passt sich von selbst an und optimiert das Bremsen entsprechend der verfügbaren Haftung ab der ersten Bremsung.
Implementierung dieser Systeme
Eine adaptive WSP-Einheit wurde von Amtrak ein Jahr lang auf dem nordamerikanischen Markt im Einsatz getestet, was spürbare Vorteile in Bezug auf den Radverschleiß hat. Mit Adaptive WSP und der Entschleunigungskompensation sollen komplette Züge für vier Saisontests der Betreiber in NYCT (NewYork) und Euskotren (Bilbao) ausgerüstet werden. Diese Initiativen werden im vierten Quartal 2021 und im ersten Quartal 2022 ihren Betrieb aufnehmen.
Adaptive WSP durchläuft derzeit die EN-Zertifizierung. Eine Kombination mit dem System zur Kompensation von Verzögerungen kann bei der Konstruktion neuer Fahrzeuge in Betracht gezogen werden. Dieses komplette System wird Betreibern zur Verfügung stehen, die die Effizienz ihrer Flotte verbessern möchten.
Es sei darauf hingewiesen, dass die alleinige Implementierung von Adaptive WSP auch bei bestehenden Fahrzeugen möglich ist, die bereits mit Wabtec WSP ausgestattet sind, ohne dass umfangreiche Hardwareänderungen erforderlich sind.
Zusammenfassung
Zwar müssen noch Maßnahmen ergriffen werden, um den Zugverkehr zu verringern, wie etwa der Einsatz variabler Blocksignalsysteme und eine angemessene garantierte Notbremsrate (GEBR), die beide zur kompletten Planung des Schienensystems beitragen, aber das oben beschriebene innovative Haftklebepaket von Wabtec bietet sehr solide Bausteine und meistert eine große technologische Herausforderung.