图像
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. 因此，提高铁路运输性能的唯一途径是在现有轨道上每小时运行更多的列车. 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
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, 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.
目前使用的科进系统是根据EN15595标准（或UIC 541-05）中定义的粘附模型进行认证和测试的。. 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.
固定的设置不能涵盖环境条件或制动系统本身造成的各种情况：
- 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）.
第一步是更好地了解在实际使用条件和环境下轮轨附着力的退化情况, 特别是在列车运行时，由于车轮的连续通过而出现的“清洁”效果. 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. 这个试验台是一个缩小的装置，使测试人员能够在同一轨道上运行的几个轴上应用制动. 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.
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.
图像
图像
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.
图像
[90km/h时自适应WSP与WSP的制动距离比较。. 代WSP]
图像
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, 在使用优化的自适应算法进行的所有测试中，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源消耗）显著降低.
图像
[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.
下表给出了根据制动速度和WSP算法的平均停车距离延长和空气消耗. 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.
图像
[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.
图像
[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. 该系统（可用于Wabtec开发的Metroflexx和Regioflexx类型的集成制动控制系统）旨在通过更好地利用列车沿线可用的附着力，进一步缩短附着力下降的情况下的制动距离.
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. 由于Wabtec的Metroflexx和Regioflexx制动系统（分别适用于地铁和多单元列车的制动系统）具有高安全性（SIL4），因此即使在紧急制动时也可以使用这种减速补偿功能。.
该功能由本地管理（由每个转向架或车辆的制动控制设备），并且不需要在列车的不同制动控制单元之间进行通信. 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
DB-ESG在WSPER测试台上测试了这两个功能一起工作的使用情况，结果如下（考虑到Euskotren的参考案例）.
图像
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, 两种系统的结合可以在附着性能下降的情况下将制动性能提高50%（延长6%而不是12%）. 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.
图像
与上一代WSP相比，在参考附着力下降条件下，制动性能下降幅度从34%（仅自适应WSP）到50%（自适应WSP加减速补偿）。.
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.
- 测试结果表明，在退化和/或可变粘附条件下，制动及其控制有明显改善. 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, 确保在退化工况下减小紧急制动距离是此类线路运行的关键，因为它可以提高预期制动性能的安全性. 它给司机更大的信心，可以避免（或限制）操作限制，如减速的需要.
- 主要用于新线路的移动块信号系统（如ETCS L3和CBTC）, 考虑这些更好地保证制动性能，可以为减少车头距和提高线路容量打开大门.
- 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.
- 新车的调试可以简化：自适应WSP不需要长时间的测试活动来调整其设置. 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
美国铁路公司（Amtrak）已经在北美市场上对自适应WSP装置进行了一年的测试，在车轮磨损方面有明显的好处. 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, 上述Wabtec创新的附着力包提供了非常坚实的构建模块，克服了主要的技术挑战.