Obraz
Przełamanie blokady technologicznej w celu zwiększenia wydajności systemów transportu kolejowego
Wprowadzenie
Wszyscy oczekują i chcą większej efektywności transportu kolejowego, ale ze względu na koncentrację miast i brak finansowania wydaje się bardzo mało prawdopodobne, że infrastruktura zostanie rozbudowana. Jedynym sposobem na poprawę wydajności transportu kolejowego jest zatem przejazd większej liczby pociągów na godzinę na istniejących torach. Aby to zrobić, musimy pokonać wyzwanie związane z ograniczeniami skuteczności hamowania wynikającymi z przyczepności między kołami i szynami.
System WSP (WSP) jest kluczem do optymalizacji wykorzystania dostępnej przyczepności, poprawiając tym samym gwarantowaną skuteczność hamowania.
W normalnych sytuacjach osiągi są fizycznie ograniczone przez przyczepność między szyną a kołem, ale problemy zewnętrzne, takie jak warunki atmosferyczne i zanieczyszczenia, mogą spowodować zmniejszenie rzeczywistej dostępnej przyczepności. Pierwszą konsekwencją tego jest zmiana wydajności, ale może również prowadzić do kosztownego pogorszenia. Główną funkcją WSP jest jak najlepsze wykorzystanie dostępnej przyczepności w każdych warunkach zewnętrznych, przy jednoczesnym unikaniu najgorszego scenariusza blokowania osi. Służy również do ograniczenia pogorszenia, które może mieć wpływ na tabor lub infrastrukturę.
Poniższy artykuł przedstawia najnowsze osiągnięcia firmy Wabtec w tej dziedzinie, będące wynikiem ciągłej pracy zarówno w laboratorium przy użyciu wysokowydajnych narzędzi symulacyjnych i testowych, jak i w terenie.
Wyzwania
Niekorzystne warunki pogodowe i zanieczyszczenia mają negatywny wpływ na przyczepność koło-szyna systemów transportu kolejowego, wydłużając drogę hamowania pociągu. Aby to ograniczyć, operatorzy wymagają lepszych systemów ochrony przed ślizgiem kół.
Obecne systemy WSP są projektowane z uwzględnieniem typowych warunków zdegradowanej przyczepności określonych w normach, które czasami znacznie odbiegają od rzeczywistych warunków. Jeśli przyczepność jest poniżej tego standardowego poziomu, może to prowadzić do wydłużenia drogi hamowania o ponad 50% w porównaniu z szyną suchą oraz do pogorszenia się kół (płaskich kół), co zobowiązuje operatorów do ich ponownego profilowania. Proces ten zmniejsza dostępność pociągów i skraca żywotność kół, generując dodatkowe koszty konserwacji. Jeśli przyczepność ulega jeszcze większej degradacji, należy wziąć pod uwagę restrykcyjne zasady eksploatacyjne, takie jak zmniejszenie dozwolonych prędkości lub zarządzanie czyszczeniem szyn.
Obecnie stosowane systemy WSP są kwalifikowane i testowane w oparciu o modele przyczepności zdefiniowane w normie EN15595 (lub UIC 541-05). Jest to długi i kosztowny proces osiągany najpierw za pomocą stanowisk testowych, a następnie w testach terenowych; proces ten trwa kilka tygodni dla każdego nowego pojazdu.
Ustawienie stałe nie może obejmować szerokiego zakresu warunków stworzonych przez warunki środowiskowe lub sam układ hamulcowy:
- Rzeczywista przyczepność do szyny może wynosić od 0,01 (na przykład przy starych skrzydłach na torze) do 0,17; normy uważają, że typowy zakres ustawień dla zdegradowanych warunków przyczepności wynosi od 0,05 do 0,08.
- Poprawa przyczepności wzdłuż pociągu dzięki kolejnemu przebiegowi osi.
- Stan masy (AW0 do AW3) i jego dynamiczna zmiana w wyniku transferów masy.
- Wydajność pary tarcia (pad do tarczy lub blok do koła), której współczynnik tarcia zmienia się w zależności od prędkości, temperatury i wilgoci.
W 2014 roku, w ramach europejskiego projektu Shift2Rail, przemysł kolejowy - producenci i operatorzy - zdecydował się pracować nad tym problemem, a Wabtec odpowiedział na wyzwanie Shift2Rail (projekty PINTA1 i PINTA2).
Pierwszym krokiem było lepsze zrozumienie degradacji przyczepności koła do szyny w rzeczywistych warunkach użytkowania i środowiskach, w szczególności efektu „czyszczenia”, który może pojawić się wzdłuż pociągu podczas eksploatacji z powodu kolejnego przejścia kół. Osiągnięto to dzięki starannej analizie licznych wyników testów i obszernej pracy na dedykowanym stanowisku testowym.
To stanowisko testowe, znane jako Roller, zostało opracowane w celu dokładnej symulacji działania zanieczyszczeń, które obniżają przyczepność między każdym kołem a szyną. Jest to unikalne narzędzie opracowane przez Wabtec. To stanowisko testowe jest urządzeniem o zmniejszonej skali, które umożliwia testerom hamowanie na kilku osiach poruszających się na tym samym torze. Dla toru powstaje obniżona przyczepność, a na każdej osi możliwe jest modulowanie wysiłku hamulca i ocena wynikającej z tego przyczepności.
Na tej podstawie zaprojektowano i wdrożono nowy system adaptacyjny WSP. Dla każdego pojazdu cyfrowy sprzęt elektroniczny w połączeniu z zestawem czujników i siłowników integruje oprogramowanie oparte na algorytmie adaptacyjnym wykorzystującym metodę najmniejszych średnich kwadratów (LMS). Obejmuje dynamiczną samoregulację algorytmu WSP z uwzględnieniem rzeczywistych warunków przyczepności.
Obraz
Obraz
Poza laboratorium Wabtec ten nowy system został przetestowany na stanowisku testowym WSPER w Wielkiej Brytanii, na stanowisku badawczym DBST w EN15595 oraz podczas testów terenowych z pojazdem EUSKOtren w Bilbao w Hiszpanii.
Adaptacyjny WSP DistanceMaster™
Wyniki
Badanie wpływu urządzenia DistanceMaster™ Adaptive WSP na drogę hamowania, będącego istotnym parametrem bezpieczeństwa, wykazuje znaczną poprawę w porównaniu ze standardowymi systemami WSP zgodnymi z normami EN 15595:2011 i 2018. Dzięki Adaptive WSP zaobserwowaliśmy poprawę wydłużenia drogi hamowania w standardowych warunkach złej przyczepności EN/UIC. W porównaniu z drogami zatrzymania w suchych warunkach przedłużenie wynosi około 8%, w porównaniu do 12% w przypadku poprzedniej generacji Wabtec WSP i dopuszczalne maksymalne 20% określone w normach.
Ocena została dokonana na stanowisku testowym WSPER; ta platforma ewaluacyjna WSP została opracowana przez DB-ESG część DB System Technik w Derby w Wielkiej Brytanii.
Obraz
[Porównanie drogi hamowania z prędkością 90 km/h adaptacyjnego WSP w porównaniu z WSP poprzedniej generacji]
Obraz
[Porównanie wydajności hamulcowej adaptacyjnego WSP w porównaniu z WSP poprzedniej generacji w warunkach trwałej niskiej przyczepności.]
Ponadto zużycie sprężonego powietrza (a tym samym zużycie energii wymagane do utrzymania ciśnienia w linii głównej) jest znacznie zmniejszone w porównaniu z WSP poprzedniej generacji podczas wszystkich testów wykorzystujących zoptymalizowany algorytm adaptacyjny.
Obraz
[Porównanie zużycia powietrza adaptacyjnego WSP w porównaniu z WSP poprzedniej generacji w warunkach trwałej niskiej przyczepności.]
Kolejną ocenę dokonano na stanowisku testowym DBST akredytowanym przez EN w Minden w Niemczech.
Podczas walidacji A-WSP na stanowisku badawczym DBST algorytm został poddany ponad 1000 testom, w tym testom funkcjonalnym i typowym z wykorzystaniem różnych profili przyczepności i reżimów hamowania.
Walidację przeprowadzono na przyczepie o maksymalnej prędkości 400 km/h.
W następnej tabeli przedstawiono średnie wydłużenie drogi hamowania i zużycia powietrza zgodnie z prędkością hamowania i algorytmem WSP. W obu przypadkach droga hamowania A-WSP jest krótsza niż WSP poprzedniej generacji; zużycie powietrza jest również niższe dzięki algorytmowi adaptacyjnemu.
Obraz
[Średnie wydłużenie drogi hamowania i zużycia powietrza na stanowisku testowym DBST, poprzedniej generacji WSP i A-WSP.]
W następnej tabeli przedstawiono testy przeprowadzone w laboratorium DBST z A-WSP i WSP poprzedniej generacji. A-WSP i AEF-91 są zgodne z normą EN 15595:2011. A-WSP jest również zgodny ze wszystkimi obowiązkowymi i opcjonalnymi testami zgodnie z EN 15595:2018.
Obraz
[EN15595: Program testowy 2011 i 2018 na stanowisku testowym DBST, poprzedniej generacji WSP i A-WSP.]
Dalsza poprawa
Kompensacja opóźnienia
Kolejnym krokiem wymaganym do dalszej poprawy tej sytuacji jest uwzględnienie zmienności przyczepności podczas przechodzenia kolejnych osi; w tym celu zaprojektowano i wdrożono system kompensacji opóźnienia. System ten (dostępny w zintegrowanych układach sterowania hamulcami typów Metroflexx i Regioflexx opracowanych przez Wabtec) ma na celu dalsze zmniejszenie drogi hamowania w warunkach obniżonej przyczepności dzięki lepszemu wykorzystaniu przyczepności dostępnej wzdłuż pociągu.
System ma na celu redystrybucję siły hamowania wzdłuż pociągu w celu osiągnięcia docelowego opóźnienia na poziomie pociągu. Każda lokalna jednostka sterująca hamulcem sprawdza dostępną przyczepność i może zwiększyć siłę hamowania do granic możliwości, zapewniając jednocześnie maksymalny komfort pasażerów. Ta funkcja kompensacji hamowania może być stosowana nawet w przypadku hamowania awaryjnego ze względu na wysoki poziom bezpieczeństwa (SIL4) obecny w układach hamulcowych Metroflexx i Regioflexx firmy Wabtec (odpowiednio układy hamulcowe dla pociągów metra i pociągów wielojednostkowych).
Funkcja ta jest zarządzana lokalnie (przez urządzenia sterujące hamulcami każdego wózka lub pojazdu) i nie wymaga komunikacji między różnymi jednostkami sterującymi hamulcami pociągu. Gdy operator zdecyduje się ją wdrożyć, funkcja ta jest w pełni konfigurowalna (wymagana maksymalna przyczepność, maksymalne ciśnienie cylindra hamulcowego itp.).
Zdecydowany krok naprzód w zakresie adaptacyjnego WSP i kompensacji opóźnienia
Zastosowanie tych dwóch funkcji współpracujących ze sobą zostało przetestowane przez DB-ESG na stanowisku testowym WSPER z następującymi wynikami (biorąc pod uwagę przypadek referencyjny Euskotren).
Obraz
Kompensacja opóźnienia, działająca w połączeniu z opisanym powyżej systemem Adaptive WSP, zmniejsza wydłużenie drogi hamowania w warunkach obniżonej przyczepności do około 6% powyżej drogi hamowania w stanie suchym. W porównaniu z interwencją systemu WSP działającego samodzielnie, połączenie tych dwóch układów pozwala na 50% poprawę skuteczności hamowania w obniżonej przyczepności [6% przedłużenie zamiast 12%]. Stanowi to znaczną poprawę bezpieczeństwa, zwłaszcza dzięki lepszemu uwzględnieniu zmienności warunków przyczepności kół kolejowych.
Względne zalety tych dwóch innowacyjnych systemów podsumowano na poniższym wykresie.
Obraz
Zmniejszenie spadku skuteczności hamowania w porównaniu z wydajnością WSP poprzedniej generacji w referencyjnych warunkach obniżonej przyczepności wynosi od 34% (tylko adaptacyjne WSP) do 50% (Adaptive WSP plus Deceleration Compensation).
Jest to znacząca poprawa kontroli gwarantowanej szybkości hamowania awaryjnego, jednego z głównych kryteriów bezpieczeństwa systemów transportu kolejowego.
- Wyniki badań wskazują na wyraźną poprawę hamowania i jego kontroli w warunkach obniżonej i/lub zmiennej przyczepności. Powinno to umożliwić operatorom lepsze radzenie sobie z warunkami klimatycznymi i/lub sezonowymi (opadłe liście, warunki jesienne/zimowe itp.), przy jednoczesnym ochronie taboru kolejowego (unikając wyrównania kół). Niezależnie od istniejącego układu rozstaw pociągów zapewnienie zmniejszenia drogi hamowania awaryjnego w stanie degradacji jest kluczowym punktem dla operacji na takich liniach, ponieważ zwiększa bezpieczeństwo oczekiwanych osiągów hamulców. Zapewnia kierowcy większą pewność siebie i może uniknąć (lub ograniczyć) potrzebę stosowania ograniczeń operacyjnych, takich jak redukcja prędkości.
- W przypadku systemów sygnalizacji ruchomych bloków (takich jak ETCS L3 i CBTC) stosowanych głównie na nowych liniach, uwzględnienie tych lepszych gwarantowanych właściwości hamulców może otworzyć drzwi do zmniejszenia przejazdów i poprawy przepustowości linii.
- Niższe koszty konserwacji: Standardowe systemy WSP mają stałe ustawienie zoptymalizowane pod kątem standardowego zdegradowanego rodzaju przyczepności. Adaptive WSP jest trwale samoregulujący, dzięki czemu może najlepiej wykorzystać dostępną przyczepność nawet w przypadku wyjątkowo niskiej przyczepności. To znacznie zmniejsza ryzyko uszkodzenia kół. Zgodnie z wynikami badań częstotliwość występowania płaskich kół może zostać zmniejszona o ~ 50%. Wady płaskich kół mają znaczące konsekwencje ekonomiczne: przeprofilowanie kół skraca żywotność kół i dostępność pociągów ze względu na czynności konserwacyjne; liczne mieszkania mogą prowadzić do nadmiernego obciążenia toru, co skutkuje dodatkowymi operacjami konserwacyjnymi, a czasem uszkodzeniami.
- Uruchomienie nowych pojazdów można uprościć: Adaptive WSP nie wymaga długiej kampanii testowej w celu dostosowania ustawień. System jest samoregulujący i optymalizuje hamowanie zgodnie z dostępną przyczepnością od pierwszego hamowania.
Wdrożenie tych systemów
Adaptive WSP został przetestowany przez rok przez Amtrak na rynku północnoamerykańskim z zauważalnymi korzyściami pod względem zużycia kół. Adaptacyjne WSP i kompensacja opóźnienia mają wyposażyć pełne pociągi do czterech sezonowych testów dla operatorów NYCT (NewYork) i Euskotren (Bilbao); inicjatywy te rozpoczną obsługę w IV kwartale 2021 r. i I kwartale 2022 r.
Adaptive WSP przechodzi obecnie certyfikaty EN. Połączenie go z systemem kompensacji opóźnienia można rozważyć przy projektowaniu nowych taborów kolejowych. Ten kompletny system będzie dostępny dla operatorów, którzy chcą poprawić wydajność swojej floty.
Należy zauważyć, że sama implementacja Adaptive WSP jest również możliwa, bez konieczności poważnych zmian sprzętowych, w istniejących pojazdach już wyposażonych w Wabtec WSP.
Podsumowanie
Chociaż istnieją jeszcze kroki, które należy podjąć w celu zmniejszenia postępu pociągu, takie jak wdrożenie systemów sygnalizacji zmiennej blokowej i odpowiedni gwarantowany wskaźnik hamowania awaryjnego (GEBR), które przyczyniają się do kompletnego projektu układu kolejowego, opisany powyżej innowacyjny pakiet przyczepności firmy Wabtec zapewnia bardzo solidne elementy konstrukcyjne i pokonuje poważne wyzwanie technologiczne.