打破技术锁，提高铁路运输系统的效率

介绍

每个人都期望并希望铁路运输提高效率, 但由于城市集中和缺乏资金, 基础设施似乎不太可能扩大. The only way to improve rail transportation performance is therefore by running more trains per hour on existing tracks. 要做到这一点, 我们需要克服由于车轮和轨道之间的粘连而造成的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使用的关键, 从而提高保证的制动性能.

在正常情况下, 性能受到钢轨和车轮之间的附着力的物理限制, 但外部因素，如天气条件和污染会导致实际可用附着力的降低. 这样做的第一个后果是性能的改变, 但它也可能导致代价高昂的变质. WSP的主要功能是在任何外部条件下充分利用可用的附着力, 同时避免了轴锁紧的最坏情况. 它还用于限制可能影响铁路车辆或基础设施的劣化.

下面的文章介绍了Wabtec在这一领域的最新成就, 在实验室中使用高性能仿真和测试工具连续工作的结果, 在战场上.

的挑战

Adverse weather conditions 和 pollution have a negative impact on the wheel-rail adhesion of railway transport systems, 延长列车制动距离. 为了限制这种情况，操作员需要更好的车轮滑动保护系统.

目前的WSP系统是通过考虑标准中定义的典型的降解附着力条件来设计的, 有时会严重偏离实际情况. 如果附着力低于此标准水平, 与干轨相比，它可以使制动距离延长50%以上, 和车轮的退化(车轮扁), 迫使运营商重新配置他们. 这一过程降低了列车的可用性，缩短了车轮的寿命, 产生额外的维护成本. 如果附着力进一步下降, 必须考虑限制性操作规则, 例如降低允许的速度或管理铁路清洁.

The WSP systems currently in use are qualified 和 tested on the basis of the adhesion models defined in the EN15595 st和ard (or UIC 541-05). 这是一个漫长而昂贵的过程，首先通过试验台实现, then in field tests; the process takes several weeks for each new vehicle implementation.

A fixed setting cannot cover the wide range of conditions created by environmental conditions or the brake system itself:

  • 钢轨上的实际附着力可以从0.01(例如，轨道上有旧树叶)到0.17; the st和ards consider a typical setting range for degraded adhesion conditions to be between 0.05和0.08.
  • 由于轴的连续运行而提高了沿列车的附着力.
  • 质量状态(AW0 ~ AW3)及其在传质过程中的动态变化.
  • 摩擦副性能(摩擦垫到摩擦盘或摩擦块到摩擦轮), 摩擦系数随速度变化, 温度和湿度.

In 2014, 作为欧洲Shift2Rail项目的一部分, 铁路行业——制造商和运营商——决定解决这个问题, Wabtec应对Shift2Rail挑战(PINTA1和PINTA2项目).

The first step was to gain a better underst和ing of the degradation of wheel-rail adhesion in real use conditions 和 environments, in particular the "cleaning" effect that can appear along the train while in service due to the successive passage of the wheels. 这要归功于对大量测试结果的仔细分析, 在专门的测试台上进行了大量的工作.

这个试验台, 被称为滚筒, 是为了准确地模拟污染物的作用，降低每个车轮和轨道之间的附着力. 这是Wabtec开发的独特工具. 这个试验台 is a reduced-scale device that enables testers to apply braking on several axles running on the same track. 轨道的附着力降低, 在每个车轴上，它可以调节制动力度并评估由此产生的附着力.

Wabtec交通轨道制动系统-滚轮试验台

在此基础上，设计并实现了一种新的自适应WSP系统. 每辆车, 数字电子设备, 结合了一组传感器和执行器, 基于最小均二乘法(LMS)自适应算法的集成软件. 它包括考虑实际粘附条件的WSP算法的动态自调整.

Wabtec DistanceMaster™-图1
Wabtec DistanceMaster™-图2

在瓦台克实验室外面, 这个新系统已经在英国的WSPER测试台上进行了测试, 在DBST的en15595认可的测试台上, 以及在毕尔巴鄂的EuskoTren车辆的现场测试中, 西班牙.

DistanceMaster™自适应WSP

结果

测试DistanceMaster™自适应WSP装置对制动距离的影响, 基本安全参数, 与符合EN15595:2011和2018的标准WSP系统相比，显示出显着改进. 使用自适应WSP, 我们观察到在标准EN/UIC不良粘附条件下，停止距离的延长有所改善. 与干燥条件下的停车距离相比, 延期大约是8%, 与上一代Wabtec WSP相比，这一比例为12%, 以及标准规定的可接受的20%的最大值.

An assessment has been made on the WSPER test bench; this WSP evaluation rig was developed by DB-ESG part of DB System Technik, 在Derby中, UK.

Wabtec DistanceMaster™-图3

[90km/h时自适应WSP与WSP的制动距离比较。. 代WSP]

Wabtec DistanceMaster™-图4

自适应WSP与WSP制动性能比较. 上一代WSP在持续低粘附条件下.]

除了, compressed air consumption (和 hence the energy consumption required to maintain mainline pressure) is significantly reduced compared to previous-generation WSPs during all tests using the optimized adaptive algorithm.

Wabtec DistanceMaster™-图5

[自适应WSP与. 上一代WSP在持续低附着条件下.]

另一项评估是在DBST位于德国明登的en认证测试台上进行的.

在DBST的测试台验证A-WSP期间, 该算法受到了1次以上的约束,000测试, 包括使用各种附着力和制动机制的功能和类型测试.

在一辆最高时速为400公里的拖车上进行了验证.

The next table presents the average extension of stopping distance 和 air consumption according to braking speed 和 WSP algorithm. The A-WSP’s braking distance is shorter than the previous-generation WSP in both cases; air consumption is also lower with the adaptive algorithm.

Wabtec DistanceMaster™-图6

[DBST试验台停车距离和耗气量的平均延长], 上一代WSP和A-WSP.]

下表给出了在DBST实验室中使用A-WSP和上一代WSP进行的测试. A-WSP和AEF-91符合EN15595:2011标准. A-WSP也符合EN15595:2018中的所有强制性和可选性测试.

Wabtec DistanceMaster™-图7

[EN15595: 2011年和2018年在DBST试验台，上一代WSP和A-WSP上的测试程序。.]

进一步的改进

减速补偿

The next step required to improve this even further is to take into account the variation in adhesion when successive axles pass through; to this end, 设计并实现了减速补偿系统. This system (available in the integrated brake control systems of the Metroflexx 和 Regioflexx types developed by Wabtec) aims to reduce further the braking distance in conditions of degraded adhesion thanks to better use of adhesion available along the train.

该系统旨在沿列车重新分配制动力，以达到列车水平的目标减速. 每个本地制动控制单元检查可用的附着力，并可以增加制动努力到极限, 同时确保乘客的最大舒适度. This deceleration compensation function can be used even in emergency braking due to the high level of safety (SIL4) present in Wabtec's Metroflexx 和 Regioflexx brake systems (brake systems for metros 和 multiple-unit trains respectively).

This function is managed locally (by the brake control equipment of each bogie or vehicle) 和 does not require communication between the train’s different brake control units. 当操作符选择实现它时, 这个功能是完全可配置的(需要最大的附着力), 最大制动缸压力, 等.).

自适应WSP与减速补偿的决定性一步

The use of these two functions working together has been tested by DB-ESG on the WSPER test bench with the following results (considering the reference case of the Euskotren).

Wabtec DistanceMaster™-图8

减速补偿, 与上面描述的自适应WSP系统一起工作, 减少制动距离的延长, 在参考条件下降解附着力, 至干工况制动距离以上约6%. 与单独干预WSP系统相比, the combination of the two systems allows a 50% improvement [6% extension instead of 12%] in braking performance in degraded adhesion conditions. 这构成了安全方面的重大改进, 特别是通过更好地考虑轨道-车轮附着条件的可变性.

这两种创新制度的相对优势总结如下图所示.

Wabtec DistanceMaster™-图9

Reduction of braking performance degradation compared to the performance of previous-generation WSP in the reference degraded adhesion conditions ranges from 34% (Adaptive WSP only) to 50% (Adaptive WSP plus Deceleration Compensation).

这在保证紧急制动速率的控制方面是一个显著的改进, 铁路运输系统安全的主要标准之一.

  • The results of tests show a clear improvement in braking 和 its control in degraded 和/or variable adhesion conditions. 这将使操作员能够更好地应对气候和/或季节条件(落叶), 秋冬的条件, 等.)，同时保护迪士尼3彩乐园车辆(避免车轮扁平). 不管列车间隔系统是否到位, ensuring a reduction in the emergency braking distance in degraded condition is a key point for operations on such lines as it increases safety for expected brake performances. It offers the driver greater confidence 和 could avoid (or limit) the need for operational restrictions such as speed reductions.
  • 主要用于新线路的移动块信号系统(如ETCS L3和CBTC), the consideration of these better guaranteed brake performances can open the door to reduced headways 和 the improvement of line capacities.
  • 降低维护成本:标准科进系统具有针对标准退化类型的粘附进行优化的固定设置. 自适应WSP是永久自调节的, 因此，即使在极低附着力的情况下，它也能充分利用可用的附着力. 这大大降低了车轮损坏的风险. 根据试验结果，车轮扁的发生频率可降低~50%. Wheel flat defects have significant economic consequences: wheel reprofiling reduces the service life of the wheels 和 the availability of trains due to maintenance operations; numerous flats can lead to excessive track stress resulting in additional maintenance operations 和 sometimes damage.
  • The commissioning of new vehicles could be simplified: Adaptive WSP does not require a long test campaign to adjust its settings. 该系统是自调整和优化制动根据可用的附着力从第一次制动.
这些系统的实施

An Adaptive WSP unit has been tested in service for one year by Amtrak on the North American market with noticeable benefits in terms of wheel wear. Adaptive WSP 和 the deceleration compensation are set to equip full trains for four season tests for NYCT (NewYork) 和 Euskotren (Bilbao) operators; these initiatives will begin service in Q4 2021 和 Q1 2022.

适应性科进目前正在进行EN认证. 将其与减速补偿系统相结合，可用于新型迪士尼3彩乐园车辆的设计. 这个完整的系统将提供给希望提高其机队效率的运营商.

应该注意的是，单独实现自适应WSP也是可能的, 不需要对硬件进行重大更改, 安装在已配备Wabtec WSP的现有车辆上.

Summary

尽管仍需采取措施来减少列车的行驶速度, 例如部署可变阻塞信号系统和足够保证的紧急制动速率(GEBR), 这两者都有助于完整的轨道系统设计, Wabtec’s innovative adhesion package described above provides very solid building blocks 和 overcomes a major technological challenge.

迪士尼3彩乐园

Wabtec轨道交通