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テクノロジーロックを解消して鉄道輸送システムをより効率的にする
はじめに
誰もが鉄道輸送の効率化を期待し、望んでいますが、都市部の集中と資金不足のため、インフラが拡張される可能性は非常に低いようです。したがって、鉄道輸送のパフォーマンスを向上させる唯一の方法は、既存の線路で1時間あたりの列車数を増やすことです。そのためには、車輪とレールの接着によるブレーキ性能の制限という課題を克服する必要があります。
ホイールスライド保護 (WSP) システムは、利用可能な接着力を最大限に活用し、それによって保証されたブレーキ性能を向上させる鍵となります。
通常の状況では、レールとホイールの接着力によって性能が物理的に制限されますが、気象条件や汚染などの外部の問題により、実際の接着力が低下する可能性があります。これによる最初の結果は性能の変化ですが、コストのかかる劣化につながる可能性もあります。WSPの主な機能は、アクスルロックという最悪のシナリオを回避しながら、どのような外部条件でも利用可能な接着力を最大限に活用することです。また、鉄道車両やインフラに影響を及ぼす可能性のある劣化を抑えるためにも使用されます。
以下の論文では、この分野におけるワブテックの最新の成果を紹介しています。これは、高性能のシミュレーションツールとテストツールを使用した研究室と現場の両方での継続的な作業の成果です。
課題とは
悪天候と汚染は、鉄道輸送システムのホイールレールの接着に悪影響を及ぼし、列車の制動距離が長くなります。これを抑えるため、オペレーターはより優れたホイールスライド保護システムを必要としています。
現在のWSPシステムは、規格内で定義されている典型的な劣化した接着条件を考慮して設計されていますが、実際の条件から大幅に逸脱する場合もあります。接着力がこの標準レベルを下回ると、ドライレールと比較して制動距離が 50% 以上伸びたり、ホイール (ホイールフラット) が劣化したりして、オペレーターは再プロファイルする必要に迫られます。このプロセスにより、列車の可用性が低下し、車輪の寿命が短くなり、追加のメンテナンスコストが発生します。接着力がさらに低下した場合は、許容速度を下げたり、レールの清掃を管理したりするなど、厳しい運用ルールを考慮する必要があります。
現在使用されているWSPシステムは、EN15595規格 (またはUIC 541-05) で定義されている接着モデルに基づいて認定および試験されています。これは、最初にテストベンチを経て、次にフィールドテストを経て、長くて費用のかかるプロセスです。このプロセスには、新しい車両が実装されるたびに数週間かかります。
固定設定では、環境条件やブレーキシステム自体によって生じる幅広い条件に対応することはできません。
- レール上の実際の接着力は、0.01 (線路に古い葉が付着している場合など) から 0.17 までの範囲です。規格では、接着力が低下した状態の一般的な設定範囲は 0.05 ～ 0.08 とされています。
- 車軸の連続走行による列車沿いの接着力の向上。
- 質量状態（AW0～AW3）と物質移動による動的変化
- 摩擦ペア性能（パッド対ディスクまたはブロック対ホイール）。摩擦係数は速度、温度、湿度によって変化します。
2014年、ヨーロッパのShift2Railプロジェクトの一環として、鉄道業界（製造業者と事業者）がこの問題に取り組むことを決定し、WabtecはShift2Railの課題（PINTA1およびPINTA2プロジェクト）に対応しました。
最初のステップは、実際の使用条件や環境における車輪とレールの密着性の低下について、特に車輪が連続して通過することで走行中に列車沿線に現れる「洗浄」効果について理解を深めることでした。これは、多数のテスト結果を注意深く分析し、専用のテストベンチで広範囲に及ぶ作業を行ったおかげで達成されました。
ローラーと呼ばれるこのテストベンチは、各ホイールとレールの間の接着力を低下させる汚染物質の作用を正確にシミュレートするために開発されました。これはワブテックが開発したユニークなツールです。このテストベンチは、テスターが同じトラックを走る複数の車軸にブレーキをかけることができる小型デバイスです。トラックの接着力が低下し、各車軸でブレーキ力を調節し、その結果生じる接着力を評価することができます。
これに基づいて、新しいアダプティブWSPシステムが設計され、実装されました。各車両について、デジタル電子機器とセンサーおよびアクチュエータのセットを組み合わせることで、最小平均二乗法 (LMS) を使用する適応アルゴリズムに基づくソフトウェアが統合されます。これには、実際の接着条件を考慮した WSP アルゴリズムの動的な自動調整が含まれます。
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Wabtecの研究室以外では、この新しいシステムは英国のWSPERテストベンチ、DBSTのEN15595認定テストベンチ、スペインのビルバオにあるEusKotren車両でのフィールドテストでテストされています。
ディスタンスマスター™ アダプティブ WSP
ザ・リザルトとは
DistanceMaster™ Adaptive WSPデバイスが重要な安全パラメータである制動距離に与える影響を調べたところ、EN 15595:2011 および 2018 に準拠した標準の WSP システムと比較して大幅な改善が見られました。アダプティブWSPでは、標準のEN/UICの密着状態が悪い場合でも停止距離の延長に改善が見られました。乾燥状態での停止距離と比較すると、前世代のWabtec WSPでは 12% だったのに対し、約 8% 伸び、規格で規定されている最大許容値は 20% です。
WSPERテストベンチで評価が行われました。このWSP評価リグは、英国のダービーにあるDB System Technikの一部であるDB-ESGによって開発されました。
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[アダプティブWSPの90km/hでの制動距離と前世代のWSPの制動距離の比較]
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[アダプティブWSPと前世代のWSPのブレーキ性能の低密着状態が持続した場合の比較]
さらに、最適化されたアダプティブアルゴリズムを使用したすべてのテストで、圧縮空気消費量 (したがってメインラインの圧力を維持するために必要なエネルギー消費量) が前世代のWSPと比較して大幅に削減されました。
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[低密着状態を維持した状態での適応型WSPと前世代のWSPの空気消費量の比較。]
ドイツのミンデンにあるDBSTのEN認定テストベンチでもう一つの評価が行われました。
DBSTのテストベンチでA-WSPを検証するにあたり、このアルゴリズムは、さまざまな接着プロファイルとブレーキ方式を用いた機能テストやタイプテストを含む1,000件以上のテストを受けました。
検証は最高速度400 km/hのトレーラーカーで行われました。
次の表は、制動速度と WSP アルゴリズムによる停止距離と空気消費量の平均延長を示しています。A-WSP の制動距離は、いずれの場合も、前世代の WSP よりも短くなっています。アダプティブアルゴリズムを使用すると空気消費量も低くなります。
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[DBSTのテストベンチ、前世代のWSP、A-WSPでの停止距離と空気消費量の平均延長。]
次の表は、DBSTの研究室でA-WSPと前世代のWSPを使用して実施されたテストを示しています。A-WSP と AEF-91 は欧州連合 15595:2011 に準拠しています。A-WSP は、EN 15595:2018 に含まれるすべての必須テストとオプションテストにも準拠しています。
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[EN15595: DBST のテストベンチ、前世代の WSP、および A-WSP での 2011 年および 2018 年のテストプログラム。]
さらなる改善
減速補償
これをさらに改善するために必要な次のステップは、連続する車軸が通過するときの接着力のばらつきを考慮に入れることです。そのために、減速補償システムが設計され、実装されました。このシステム（Wabtecが開発したMetroflexxおよびRegioflexxタイプの統合ブレーキ制御システムで使用可能）は、列車沿いで利用できる接着力をより有効に活用することで、接着力が低下した状態での制動距離をさらに短縮することを目的としています。
このシステムは、ブレーキの力を列車に沿って再配分し、列車レベルで目標とする減速を実現することを目的としています。各地域のブレーキ制御ユニットが接着力をチェックし、乗客の快適性を最大限まで確保しながら、制動力を限界まで高めることができます。この減速補正機能は、WabtecのMetroflexおよびRegioflexxブレーキシステム（それぞれメトロとマルチユニットトレインのブレーキシステム）に採用されている高い安全性（SIL4）により、緊急ブレーキ時にも使用できます。
この機能はローカルで (各台車または車両のブレーキ制御装置によって) 管理され、列車のさまざまなブレーキ制御ユニット間の通信は不要です。この機能は、オペレータの希望に応じて自由に構成できます (必要な接着力の最大化、ブレーキシリンダの最大圧力など)。
アダプティブWSPと減速補正の決定的な前進
DB-ESG は、これら 2 つの機能を連携して使用する方法を WSPER テストベンチでテストし、以下の結果が得られました (Euskotren のリファレンス・ケースを考察します)。
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減速補正は、前述のAdaptive WSPシステムと連動して機能し、基準となる接着力が低下した状態での制動距離の延長を、ドライコンディションの制動距離より約 6% 上回る程度まで減少させます。単独で作用するWSPシステムの場合と比較して、2つのシステムを組み合わせると、接着力が低下した状態でのブレーキ性能が 50% 向上（12% ではなく 6% 延長）できます。これは、特にレールと車輪の接着条件のばらつきをよりよく考慮に入れることで、安全性が大幅に向上します。
これら 2 つの革新的なシステムの相対的な利点は次の表にまとめられています。
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基準となる接着力が低下した状態で前世代のWSPの性能と比較した場合のブレーキ性能低下の低減は、34% (アダプティブWSPのみ) から 50% (アダプティブWSP+減速補正) の範囲です。
これにより、鉄道輸送システムの安全性に関する主要な基準の 1 つである、緊急ブレーキ保証率の制御が大幅に改善されました。
- テストの結果から、接着力が低下した状態や変動する条件下でのブレーキとその制御が明らかに改善されたことが分かりました。これにより、オペレーターは、車両を保護しながら（ホイールフラットを回避しながら）、気候条件や季節条件（落ち葉、秋/冬など）により適切に対処できるようになるはずです。設置されている列車の間隔システムにかかわらず、劣化した状態での緊急ブレーキ距離を確実に短縮することは、期待されるブレーキ性能に対する安全性を高めるため、このような路線の運行にとって重要なポイントです。これにより、ドライバーの自信が高まり、速度低下などの操作上の制限を回避（または制限）できます。
- 主に新しいラインで使用されるムービングブロック信号システム（ETCS L3やCBTCなど）では、これらのより優れた保証ブレーキ性能を検討することで、ヘッドウェイの削減とライン容量の改善への扉が開かれます。
- メンテナンスコストの削減:標準WSPシステムでは、標準の劣化タイプの接着力に最適化された固定設定になっています。Adaptive WSPは恒久的に自動調整機能を備えているため、接着力が極端に低い場合でも利用可能な接着力を最大限に活用できます。これにより、ホイールが損傷するリスクが大幅に軽減されます。テスト結果によると、ホイールフラットの発生頻度を約50％減らすことができます。ホイールフラット不良は経済的に重大な影響を及ぼします。ホイールの再プロファイリングを行うと、ホイールの耐用年数が短くなり、メンテナンス作業による列車の利用可能性が低下します。また、フラットが多数発生すると、線路に過剰なストレスがかかり、追加のメンテナンス作業が発生したり、場合によっては損傷したりする可能性があります。
- 新しい車両の試運転は簡素化できる可能性があります。Adaptive WSPでは、設定を調整するために長時間のテストを行う必要がありません。システムは自動調整機能を備え、最初にブレーキをかけたときから得られる接着力に応じてブレーキを最適化します。
これらのシステムの実装
アダプティブWSPユニットは、北米市場でアムトラックによって1年間使用テストされており、ホイールの摩耗という点で顕著なメリットがあります。アダプティブWSPと減速補正装置は、NYCT（ニューヨーク）とEuskotren（ビルバオ）の事業者向けの4シーズン試験に向けて全列車を装備する予定です。これらの取り組みは、2021年第4四半期と2022年第1四半期にサービスを開始する予定です。
アダプティブWSPは現在、EN認証を受けています。新しい鉄道車両の設計では、これを減速補償システムと組み合わせることが検討できます。このシステム一式は、保有する車両の効率性を向上させたいと考えている事業者が利用できるようになります。
Wabtec WSPをすでに装備している既存の車両には、ハードウェアを大幅に変更することなく、Adaptive WSPのみを実装することも可能であることに注意してください。
まとめ
可変ブロック信号システムや適切な緊急ブレーキ速度保証（GEBR）の導入など、列車の走行速度を短縮するために取るべき措置はまだあり、どちらも鉄道システム設計全体に貢献しますが、上記のWabtecの革新的な接着パッケージは、非常に強固なビルディングブロックを提供し、大きな技術的課題を克服します。