Afbeelding
Een technologieslot doorbreken om spoorwegsystemen efficiënter te maken
Introductie
Iedereen verwacht en wil meer efficiëntie in het spoorvervoer, maar door de stedelijke concentratie en een gebrek aan financiering lijkt het zeer onwaarschijnlijk dat de infrastructuur zal worden uitgebreid. De enige manier om de prestaties van het spoorvervoer te verbeteren is daarom door meer treinen per uur op bestaande sporen te laten rijden. Om dit te kunnen doen, moeten we de uitdaging overwinnen van beperkingen op het gebied van remprestaties als gevolg van de hechting tussen wielen en rails.
Het Wheel Slide Protection-systeem (WSP) is essentieel om het gebruik van de beschikbare grip te optimaliseren en zo de gegarandeerde remprestaties te verbeteren.
In normale situaties worden de prestaties fysiek beperkt door de hechting tussen de rail en het wiel, maar externe problemen zoals weersomstandigheden en vervuiling kunnen leiden tot een vermindering van de werkelijk beschikbare hechting. Het eerste gevolg hiervan is een wijziging in de prestaties, maar dit kan ook leiden tot een kostbare verslechtering. De belangrijkste functie van een WSP is om de beschikbare grip onder alle externe omstandigheden optimaal te benutten en tegelijkertijd het ergste scenario van asblokkering te vermijden. Het wordt ook gebruikt om verslechtering te beperken die gevolgen kan hebben voor rollend materieel of infrastructuur.
Het volgende artikel introduceert de meest recente prestaties van Wabtec op dit gebied, het resultaat van continu werk in het lab met behulp van hoogwaardige simulatie- en testtools, en in het veld.
De uitdagingen
Ongunstige weersomstandigheden en vervuiling hebben een negatieve invloed op de hechting van de wielen en de spoorrails van spoorwegvervoerssystemen, waardoor de remafstanden van treinen worden verlengd. Om dit te beperken hebben machinisten betere wielschuifbeveiligingssystemen nodig.
De huidige WSP-systemen zijn ontworpen door rekening te houden met typische verslechterde hechtingsomstandigheden zoals gedefinieerd in normen, die soms aanzienlijk afwijken van de werkelijke omstandigheden. Als de hechting onder dit standaardniveau ligt, kan dit leiden tot een verlenging van de remafstanden met meer dan 50% in vergelijking met een droog spoor, en tot een verslechtering van de wielen (wielvlakken), waardoor machinisten deze opnieuw moeten profileren. Dit proces vermindert de beschikbaarheid van treinen en verkort de levensduur van de wielen, wat extra onderhoudskosten met zich meebrengt. Als de hechting nog verder verslechtert, moeten restrictieve operationele regels worden overwogen, zoals het verlagen van de toegestane snelheden of het beheren van de reiniging van het spoor.
De WSP-systemen die momenteel in gebruik zijn, zijn gekwalificeerd en getest op basis van de hechtingsmodellen die zijn gedefinieerd in de EN15595-norm (of UIC 541-05). Het is een lang en duur proces dat eerst via testbanken en vervolgens via veldtests wordt uitgevoerd; het proces duurt enkele weken voor elke implementatie van een nieuw voertuig.
Een vaste instelling kan niet het brede scala aan omstandigheden dekken die worden veroorzaakt door omgevingsomstandigheden of het remsysteem zelf:
- De werkelijke hechting op de rail kan variëren van 0,01 (bijvoorbeeld bij oude bladeren op het spoor) tot 0,17; volgens de normen ligt een typisch instelbereik voor verslechterde hechtingsomstandigheden tussen 0,05 en 0,08.
- De verbetering van de hechting langs de trein dankzij de opeenvolgende loop van de assen.
- Massastatus (AW0 tot AW3) en de dynamische verandering ervan als gevolg van massaoverdrachten.
- Prestaties van het wrijvingspaar (van blok tot schijf of van blok tot wiel), waarvan de wrijvingscoëfficiënt verandert als gevolg van snelheid, temperatuur en vochtigheid.
In 2014 besloot de spoorwegindustrie - fabrikanten en exploitanten - als onderdeel van het Europese Shift2Rail-project om aan dit probleem te werken, en Wabtec reageerde op de Shift2Rail-uitdaging (PINTA1- en PINTA2-projecten).
De eerste stap was om een beter inzicht te krijgen in de verslechtering van de hechting van wielrails in reële gebruiksomstandigheden en omgevingen, met name het „reinigende” effect dat tijdens het gebruik langs de trein kan optreden als gevolg van de opeenvolgende bewegingen van de wielen. Dit werd bereikt dankzij een zorgvuldige analyse van talrijke testresultaten en uitgebreid werk op een speciale testbank.
Deze testbank, bekend als Roller, is ontwikkeld om nauwkeurig de werking te simuleren van verontreinigingen die de hechting tussen elk wiel en de rail verminderen. Het is een unieke tool ontwikkeld door Wabtec. Deze testbank is een kleinschalig apparaat waarmee testers kunnen remmen op meerdere assen die op hetzelfde circuit rijden. Er ontstaat een verminderde hechting voor het spoor en op elke as is het mogelijk om de remkracht te moduleren en de resulterende hechting te beoordelen.
Op basis hiervan werd een nieuw Adaptive WSP-systeem ontworpen en geïmplementeerd. Voor elk voertuig integreert digitale elektronische apparatuur, gecombineerd met een set sensoren en actuatoren, software op basis van een adaptief algoritme dat gebruikmaakt van de methode met de kleinste gemiddelde kwadraten (LMS). Het omvat dynamische zelfaanpassing van het WSP-algoritme, waarbij rekening wordt gehouden met de werkelijke adhesieomstandigheden.
Afbeelding
Afbeelding
Buiten het laboratorium van Wabtec is dit nieuwe systeem getest op de WSPER-testbank in het VK, op de EN15595-geaccrediteerde testbank van DBST en tijdens veldtests met een EuskoTren-voertuig in Bilbao, Spanje.
DistanceMaster™ adaptieve WSP
De resultaten
Onderzoek naar de impact van het DistanceMaster™ Adaptive WSP-apparaat op de remafstanden, een essentiële veiligheidsparameter, toont een aanzienlijke verbetering aan ten opzichte van standaard WSP-systemen die voldoen aan EN 15595:2011 en 2018. Met Adaptive WSP zagen we een verbetering in de verlenging van de remafstand bij standaard EN/UIC slechte adhesieomstandigheden. In vergelijking met de remafstanden in droge omstandigheden bedraagt de verlenging ongeveer 8%, vergeleken met 12% bij de vorige generatie Wabtec WSP, en een acceptabel maximum van 20%, zoals gespecificeerd in de normen.
Er is een beoordeling gemaakt op de WSPER-testbank; deze WSP-evaluatie-installatie is ontwikkeld door DB-ESG, onderdeel van DB System Technik, in Derby, VK.
Afbeelding
[Vergelijking van de remafstanden bij 90 km/u van de Adaptive WSP versus de WSP van de vorige generatie]
Afbeelding
[Vergelijking van de remprestaties van de Adaptive WSP met de WSP van de vorige generatie bij aanhoudend lage adhesie.]
Bovendien is het persluchtverbruik (en dus het energieverbruik dat nodig is om de hoofddruk op peil te houden) aanzienlijk verminderd in vergelijking met WSP's van de vorige generatie tijdens alle tests met behulp van het geoptimaliseerde adaptieve algoritme.
Afbeelding
[Vergelijking van het luchtverbruik van de adaptieve WSP versus WSP van de vorige generatie bij aanhoudend lage adhesieomstandigheden.]
Een andere beoordeling werd uitgevoerd op de EN-geaccrediteerde testbank van DBST in Minden, Duitsland.
Tijdens de validatie van de A-WSP op de testbank van DBST werd het algoritme aan meer dan 1.000 tests onderworpen, waaronder functionele tests en typetests waarbij verschillende adhesieprofielen en remregimes werden gebruikt.
De validatie werd uitgevoerd op een aanhangwagen met een maximumsnelheid van 400 km/u.
De volgende tabel geeft de gemiddelde verlenging van de remafstand en het luchtverbruik weer op basis van de remsnelheid en het WSP-algoritme. De remafstand van de A-WSP is in beide gevallen korter dan bij de WSP van de vorige generatie; het luchtverbruik is ook lager met het adaptieve algoritme.
Afbeelding
[Gemiddelde verlenging van de remafstand en het luchtverbruik op de testbank van DBST, WSP en A-WSP van de vorige generatie.]
De volgende tabel bevat de tests die zijn uitgevoerd in het laboratorium van DBST met de A-WSP en de WSP van de vorige generatie. De A-WSP en AEF-91 voldoen aan EN 15595:2011. De A-WSP voldoet ook aan alle verplichte en optionele tests binnen EN 15595:2018.
Afbeelding
[EN15595: testprogramma 2011 en 2018 op de testbank van DBST, WSP van de vorige generatie en A-WSP.]
Een verdere verbetering
De vertragingscompensatie
De volgende stap die nodig is om dit nog verder te verbeteren, is rekening te houden met de variatie in adhesie bij het passeren van opeenvolgende assen; hiervoor werd een vertragingscompensatiesysteem ontworpen en geïmplementeerd. Dit systeem (beschikbaar in de geïntegreerde remcontrolesystemen van de typen Metroflexx en Regioflexx, ontwikkeld door Wabtec) heeft tot doel de remafstand verder te verminderen in omstandigheden met verminderde hechting dankzij een beter gebruik van de beschikbare grip langs de trein.
Het systeem heeft tot doel de remkracht over de trein te verdelen om de gewenste vertraging op treinniveau te bereiken. Elke lokale remregeleenheid controleert de beschikbare grip en kan de remkracht tot het uiterste verhogen, terwijl tegelijkertijd maximaal passagierscomfort wordt gegarandeerd. Deze vertragingscompensatiefunctie kan zelfs bij noodremming worden gebruikt vanwege het hoge veiligheidsniveau (SIL4) dat aanwezig is in de Metroflexx- en Regioflexx-remsystemen van Wabtec (remsystemen voor respectievelijk metro's en treinen met meerdere eenheden).
Deze functie wordt lokaal beheerd (door de remregelapparatuur van elk draaistel of voertuig) en vereist geen communicatie tussen de verschillende remregeleenheden van de trein. Wanneer de bestuurder ervoor kiest om deze functie te implementeren, is deze functie volledig configureerbaar (maximale grip vereist, maximale remcilinderdruk, enz.).
Een beslissende stap voorwaarts voor adaptieve WSP en vertragingscompensatie
Het gebruik van deze twee functies in samenwerking is getest door DB-ESG op de WSPER-testbank met de volgende resultaten (rekening houdend met het referentiecase van de Euskotren).
Afbeelding
De vertragingscompensatie, die in combinatie met het hierboven beschreven adaptieve WSP-systeem werkt, beperkt de verlenging van de remafstand, onder de referentieomstandigheden met verminderde grip, tot ongeveer 6% boven de remafstand in droge toestand. Vergeleken met de interventie van een WSP-systeem dat alleen werkt, zorgt de combinatie van de twee systemen voor een verbetering van de remprestaties met 50% [6% in plaats van 12%] bij verminderde grip. Dit betekent een belangrijke verbetering van de veiligheid, met name door beter rekening te houden met de variabiliteit van de hechtingsomstandigheden tussen spoorwielen.
De relatieve voordelen van deze twee innovatieve systemen zijn samengevat in de volgende tabel.
Afbeelding
De vermindering van de remprestatievermindering in vergelijking met de prestaties van de vorige generatie WSP in de referentiecondities met verminderde grip varieert van 34% (alleen adaptieve remvertraging) tot 50% (adaptieve WSP plus vertragingscompensatie).
Dit is een aanzienlijke verbetering in de beheersing van de gegarandeerde noodremsnelheid, een van de belangrijkste criteria voor de veiligheid van spoorwegvervoerssystemen.
- De testresultaten laten een duidelijke verbetering zien in het remmen en de controle ervan bij verminderde en/of variabele adhesieomstandigheden. Dit moet de exploitanten in staat stellen beter om te gaan met klimatologische en/of seizoensomstandigheden (gevallen bladeren, herfst-/winterse omstandigheden, enz.) en tegelijkertijd rollend materieel te beschermen (om wielvlakken te vermijden). Ongeacht het aanwezige treinafstandssysteem is het waarborgen van een verkorting van de noodremafstand in slechte toestand van cruciaal belang voor werkzaamheden op dergelijke lijnen, aangezien dit de veiligheid verhoogt voor de verwachte remprestaties. Het biedt de bestuurder meer vertrouwen en kan de noodzaak van operationele beperkingen, zoals snelheidsverlagingen, vermijden (of beperken).
- Voor signaleringssystemen met bewegende blokken (zoals ETCS L3 en CBTC) die voornamelijk op nieuwe lijnen worden gebruikt, kan het overwegen van deze beter gegarandeerde remprestaties de deur openen naar minder vooruitgang en de verbetering van de lijncapaciteiten.
- Lagere onderhoudskosten: standaard WSP-systemen hebben een vaste instelling die is geoptimaliseerd voor een standaard verslechterde hechting. Adaptive WSP past zich permanent aan, zodat het de beschikbare hechting optimaal kan benutten, zelfs in het geval van extreem lage hechting. Dit verkleint de kans op wielschade aanzienlijk. Volgens de testresultaten kan de frequentie van het voorkomen van wielvlakken met ~ 50% worden verminderd. Wieldefecten hebben aanzienlijke economische gevolgen: een herprofilering van de wielen verkort de levensduur van de wielen en de beschikbaarheid van treinen als gevolg van onderhoudswerkzaamheden; talrijke lekke banden kunnen leiden tot overmatige belasting van het spoor, wat kan leiden tot extra onderhoudswerkzaamheden en soms tot schade.
- De inbedrijfstelling van nieuwe voertuigen kan worden vereenvoudigd: Adaptive WSP vereist geen lange testcampagne om de instellingen aan te passen. Het systeem past zich automatisch aan en optimaliseert het remmen op basis van de beschikbare grip vanaf de eerste keer remmen.
Implementatie van deze systemen
Een adaptieve WSP-eenheid is gedurende een jaar getest tijdens gebruik door Amtrak op de Noord-Amerikaanse markt, met merkbare voordelen op het gebied van wielslijtage. Adaptieve WSP en de vertragingscompensatie zijn bedoeld om volledige treinen uit te rusten voor vier seizoenstests voor exploitanten van NYCT (NewYork) en Euskotren (Bilbao); deze initiatieven zullen in het vierde kwartaal van 2021 en het eerste kwartaal van 2022 in gebruik worden genomen.
Adaptive WSP ondergaat momenteel EN-certificeringen. De combinatie met het vertragingscompensatiesysteem kan worden overwogen voor het ontwerp van nieuw rollend materieel. Dit complete systeem zal beschikbaar zijn voor exploitanten die de efficiëntie van hun vloot willen verbeteren.
Opgemerkt moet worden dat de implementatie van Adaptive WSP alleen ook mogelijk is, zonder dat er zware hardwarewijzigingen nodig zijn, op bestaande voertuigen die al zijn uitgerust met Wabtec WSP.
Samenvatting
Hoewel er nog stappen moeten worden ondernomen om de treinvooruitgang te verminderen, zoals de invoering van systemen voor variabele bloksignalering en een adequate gegarandeerde noodremsnelheid (GEBR), die beide bijdragen aan het complete ontwerp van het spoorwegsysteem, biedt het hierboven beschreven innovatieve hechtingspakket van Wabtec zeer solide bouwstenen en gaat het een grote technologische uitdaging aan.