图像
打破技术锁定，提高轨道交通系统的效率
导言
每个人都期望并希望提高铁路运输的效率，但是由于城市集中和缺乏资金，基础设施扩建的可能性似乎很小。因此，提高轨道运输性能的唯一方法是在现有轨道上每小时运行更多列车。为此，我们需要克服由于车轮和轨道之间的附着力而导致制动性能限制的挑战。
车轮滑动保护 (WSP) 系统是优化可用附着力的使用，从而提高有保障的制动性能的关键。
在正常情况下，性能会受到轨道和车轮之间附着力的物理限制，但是天气条件和污染等外部问题可能会导致实际可用附着力降低。其第一个后果是性能改变，但也可能导致代价高昂的恶化。WSP 的主要功能是在任何外部条件下充分利用可用附着力，同时避免出现车轴锁定的最坏情况。它还用于限制可能影响机车车辆或基础设施的恶化。
以下文章介绍了 Wabtec 在这一领域的最新成就，这是在实验室中使用高性能仿真和测试工具以及在现场持续工作的结果。
挑战
恶劣的天气条件和污染会对铁路运输系统的轮轨附着力产生负面影响，从而延长了列车的制动距离。为了限制这种情况，操作员需要更好的车轮滑动保护系统。
当前的 WSP 系统在设计时考虑了标准中定义的典型附着力降解条件，这些条件有时与实际条件存在显著差异。如果附着力低于该标准水平，则与干式轨道相比，它可能导致制动距离延长50％以上，并导致车轮（车轮平整）变质，迫使操作员重新调整轮廓。该过程降低了列车可用性并缩短了车轮寿命，从而产生了额外的维护成本。如果附着力进一步降低，则必须考虑限制性的操作规则，例如降低允许的速度或管理轨道清洁。
目前使用的 WSP 系统是根据 EN15595 标准（或 UIC 541-05）中定义的附着力模型进行认证和测试的。这是一个漫长而昂贵的过程，首先是通过测试台来实现，然后是现场测试；每辆新车的实施过程需要几周的时间。
固定设置无法涵盖环境条件或制动系统本身产生的各种条件：
- 轨道上的实际附着力介于 0.01（例如，轨道上有老树叶）到 0.17 之间；标准认为附着力降解条件的典型设定范围在 0.05 到 0.08 之间。
- 由于车轴的连续运行，列车沿线的附着力得到改善。
- 质量状态（AW0 到 AW3）及其因批量转移而产生的动态变化。
- 摩擦副性能（垫到盘或块对轮），其摩擦系数会随着速度、温度和湿度而变化。
2014年，作为欧洲Shift2Rail项目的一部分，铁路行业——制造商和运营商——决定努力解决这个问题，Wabtec回应了Shift2Rail的挑战赛（PINTA1 和 PINTA2 项目）。
第一步是更好地了解实际使用条件和环境中轮轨附着力的降解，特别是由于车轮连续通过而在列车运行期间可能出现的 “清洁” 效应。这要归功于对大量测试结果的仔细分析以及在专用测试台上的大量工作。
该测试台名为 Roller，旨在精确模拟污染物的作用，这些污染物会降低每个车轮与轨道之间的附着力。它是由 Wabtec 开发的独特工具。该测试台是一种缩小比例的设备，使测试人员能够对在同一条轨道上运行的多个车轴进行制动。赛道附着力会降低，在每个车轴上都可以调节制动力度并评估由此产生的附着力。
在此基础上，设计并实现了新的自适应WSP系统。对于每辆车，数字电子设备与一组传感器和执行器相结合，基于使用最小均方法 (LMS) 的自适应算法集成软件。它包括在考虑实际粘附条件的情况下对WSP算法进行动态自调整。
图像
图像
在Wabtec实验室外，该新系统已在英国的WSPER测试台、DBST的EN15595认证测试台上以及在西班牙毕尔巴鄂使用Euskotren车辆进行现场测试时进行了测试。
DistanceMaster™ 自适应 WSP
结果
对DistanceMaster™ 自适应WSP设备对制动距离（一项基本安全参数）的影响的研究表明，与符合EN 15595:2011 和 2018 标准的 WSP 系统相比，制动距离有了显著改善。使用自适应 WSP，我们观察到标准 EN/UIC 不良附着条件下停止距离的延长有所改善。与干燥条件下的停车距离相比，延长距离约为8％，而上一代Wabtec WSP的停车距离为12％，标准规定的最大可接受的最大值为20％。
已经在WSPER测试台上进行了评估；该WSP评估设备由位于英国德比的DB System Technik旗下的DB-ESG开发。
图像
[自适应 WSP 与 WSP 在 90 km/h 时的制动距离与上一代 WSP 的制动距离的比较]
图像
[自适应 WSP 与上一代 WSP 在持续低附着力条件下的制动性能比较。]
此外，在所有使用优化的自适应算法的测试中，与上一代 WSP 相比，压缩空气消耗（以及维持主线压力所需的能耗）显著降低。
图像
[自适应 WSP 与上一代 WSP 在持续低附着力条件下的空气消耗量的比较。]
另一项评估是在位于德国明登的DBST经过EN认证的测试台上进行的。
在DBST的测试台上验证A-WSP期间，该算法经过了1,000多次测试，包括使用各种附着力曲线和制动机制的功能和类型测试。
对最大时速为 400 km/h 的拖车进行了验证。
下表根据制动速度和 WSP 算法显示了停车距离和空气消耗量的平均延长。在这两种情况下，A-WSP 的制动距离都比上一代 WSP 短；自适应算法的空气消耗量也更低。
图像
[DBST 测试台、上一代 WSP 和 A-WSP 的平均停止距离和空气消耗量。]
下表列出了在DBST实验室使用A-WSP和上一代WSP进行的测试。A-WSP 和 AEF-91 符合 EN 15595:2011 标准。A-WSP 还符合 EN 15595:2018 中的所有强制性和可选测试。
图像
[EN15595：在 DBST 的测试台、上一代 WSP 和 A-WSP 上的 2011 年和 2018 年测试计划。]
进一步改进
减速补偿
进一步改善这一点所需的下一步是考虑连续车轴通过时附着力的变化；为此，设计并实施了减速补偿系统。该系统（在Wabtec开发的Metroflex和Regioflexx类型的集成制动控制系统中可用）旨在通过更好地利用列车沿线的附着力，在附着力下降的条件下进一步缩短制动距离。
该系统旨在重新分配列车沿线的制动力，以实现列车级别的目标减速。每个本地制动控制单元都会检查可用的附着力，可以将制动力度增加到极限，同时确保最大的乘客舒适度。由于Wabtec的Metroflexx和Regioflexx制动系统（分别用于地铁和多单元列车的制动系统）具有很高的安全等级（SIL4），因此这种减速补偿功能甚至可用于紧急制动。
该功能由本地（由每台转向架或车辆的制动控制设备）管理，不需要列车的不同制动控制单元之间进行通信。当操作员选择实现该功能时，该功能是完全可配置的（所需的最大附着力、最大制动缸压力等）。
自适应 WSP 和减速补偿向前迈出的决定性一步
DB-ESG已在WSPER测试台上对这两个功能协同工作的使用进行了测试，结果如下（考虑Euskotren的参考案例）。
图像
减速补偿与上述自适应WSP系统配合使用，在参考附着力下降条件下，将制动距离的延伸缩缩至比干式制动距离高出约6％。与单独运行的WSP系统的干预相比，这两个系统的组合可以使附着力下降条件下的制动性能提高50％（延长6％而不是12％）。这在安全性方面取得了重大改进，特别是更好地考虑了轨道车轮粘附条件的可变性。
下图总结了这两个创新系统的相对优势。
图像
与上一代WSP相比，在参考粘附力降解条件下，制动性能下降幅度从34％（仅限自适应WSP）到50％（自适应WSP加减速补偿）不等。
这是对有保障的紧急制动速率控制的重大改进，这是铁路运输系统安全的主要标准之一。
- 测试结果显示，在降解和/或可变粘附条件下，制动及其控制有了明显改善。这将使操作员能够更好地应对气候和/或季节性条件（落叶、秋季/冬季条件等），同时保护机车车辆（避免车轮漏气）。无论采用何种列车间隔系统，确保在退化状态下缩短紧急制动距离都是此类线路上运行的关键点，因为它可以提高预期制动性能的安全性。它为驾驶员提供了更大的信心，可以避免（或限制）减速等操作限制的需求。
- 对于主要用于新线路的移动方块信号系统（例如ETCS L3和CBTC），考虑这些更有保障的制动性能可以为减少行驶距离和提高线路容量打开大门。
- 降低维护成本：标准 WSP 系统具有针对标准降解型附着力进行了优化的固定设置。Adaptive WSP 具有永久自调节功能，因此即使在附着力极低的情况下，它也可以充分利用可用附着力。这大大降低了车轮损坏的风险。根据测试结果，车轮漏气的发生频率可以减少约50％。车轮平整缺陷会产生重大的经济后果：车轮翻新会缩短车轮的使用寿命，并因维护操作而降低列车的可用性；大量的漏气会导致过大的轨道应力，从而导致额外的维护操作，有时还会造成损坏。
- 新车的调试可以简化：自适应WSP不需要长时间的测试即可调整其设置。该系统具有自调节功能，可根据第一次制动时的可用附着力优化制动。
这些系统的实施
Amtrak已在北美市场对自适应WSP装置进行了为期一年的试验，在车轮磨损方面具有明显的优势。自适应WSP和减速补偿将为NYCT（纽约）和Euskotren（毕尔巴鄂）运营商的四季测试装备整列车；这些计划将于2021年第四季度和2022年第一季度开始服务。
自适应 WSP 目前正在接受 EN 认证。在设计新的机车车辆时，可以考虑将其与减速补偿系统相结合。这个完整的系统将可供希望提高机队效率的运营商使用。
应该注意的是，在已经配备Wabtec WSP的现有车辆上，也可以单独实施自适应WSP，而无需进行大量的硬件更改。
摘要
尽管仍有措施需要采取措施来减少列车间隔，例如部署可变方块信号系统和充足的紧急制动率（GEBR），这两者都有助于完整的轨道系统设计，但Wabtec的上述创新粘合剂包提供了非常坚实的构件并克服了重大的技术挑战。