Ett spårvänligt tåg (A track friendly train). KTH, 2012
Transcription
Ett spårvänligt tåg (A track friendly train). KTH, 2012
Ett spårvänligt tåg (A track friendly train) Evert Andersson, Kungliga Tekniska Högskolan (KTH) Rickard Persson, KTH och Bombardier Transportation What is track friendliness? 1. Vehicles produce low or moderate forces on the track in order to minimize track wear and fatigue - i.e. track deterioration - and thus minimize track maintenance with its associated cost. Different vehicles deteriorate the track very differently. In the future the marginal cost for track deterioration will most likely be part of track access charges. 2. Vehicles are able to run on non-perfect track with low track deterioration and good ride quality. Note: Low track deterioration is usually associated with low maintenance cost of vehicles themselves. 2 DeCAyS Deterioration Cost Associated with railway Superstructure • System and software developed by Trafikverket (formerly Banverket) for estimation of track deterioration cost as result of vehicle characterisitics and operational parameters (speed, cant deficiency). • Estimates (1) the relative deterioration for different vehicles and (2) the distribution the total track deterioration cost between different vehicles in proportion to running distance and relative deterioration. • 99% of total tonnage in Sweden is classified, from heavy freight, over ordinary freight and passenger trains up to high-speed trains. • Can also be used for proposed trains with their intended operations. 3 Types of track deterioration (deterioration mechanisms) Track settlement – 25% of cost Proportional to Q3 (Q = vertical dyn force) 1 Component fatigue – 35% of cost Proportional to Q3 2 - Rails & rail pads - Sleepers & ballast - Switches and crossings Abrasive wear Related to friction energy Rolling contact fatigue (RCF) 3 High rail 40% of cost Low rail 4 4 Track deterioration studies for Gröna Tåget (1) • Track deterioration cost is determined per seat-km • Two reference trains - IC: loco + 7 pass cars; 160 km/h, 399 tonnes, ”stiff” bogies, 388 seats - X2: loco + 6 tilting cars; 200 km/h, 245 mm cant def, 370 tonnes, ”extra soft” bogies, 310 seats • Gröna Tåget - Baseline: 4-car wide-body EMU; 250 km/h, 275 mm cant def, 230 tonnes, 15.9 t average axle load, ”soft” bogies, 310 seats - Variation of cant def, top speed, axle load, number of seats, bogies 5 Track deterioration studies for Gröna Tåget (2) Deterioration cost (SEK) per seat-km Worst case = Relative to baseline: - 1 tonne higher axle load - 20% less seats - ”Stiff” bogies 250 km/h, 275 mm cant def 6 Track friendliness – most important for Gröna Tåget • ”Soft” bogies * • Space efficient – large number of seats per metre train - preferrably 2.6–2.8 seats/m in long-distance; 10% more in fast regional • Low axle load - preferrably 14.4 tonne (empty); 15.9 tonne (operational average) • Cant deficiency no higher than 275 mm (1.8 m/s2), except occasionally. * Guidance stiffness in bogies x 1 4 Extra soft x 8 Soft 10 x x 15 50 Medium Stiff 100 Longitudinal Stiffness (MN/m) 7 Spårvänliga boggier Icke-styrande (styv) boggi ↓ - Flexibel i längsriktningen Hjulet strävar mot ytterrälen på ledande hjulpar Slitage på hjul och räl Stora lateral krafter mellan hjul och räl Risk för kurvljud 8 Spårvänliga boggier för 30 år sedan Boggier som själva kunde ställa in sig radialt var en önskan av SJ som ett medel att minska hjul och spårslitage. Flänsslitage för två boggityper under April-September STD = standard Asea = radialstyrande 9 Spårvänliga boggier idag Regina 250 Bombardiers exempelfordon Två mjuka hjulparsstyrningar provade 2006 – 07 10 Spårförskjutningskraft Track shift force [kN] [kN] 60 Provresultat från Regina 250 Spårförskjutningskraft, ∑Y2m 50 40 30 Axle 2 2 Axel 20 Axle 11 Axel 10 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Curve radii [m][m] Kurvradie ∑Y2m lim = 61 kN, 0.9 < ays < 1.35 m/s2, ledande boggi torrt spår 11 Provresultat från Regina 250 Stabiliet, ∑Y100m 20kN ∑Yax1 -20kN 20kN ∑Yax2 -20kN ∑Y100m = 12 kN ∑Y100m lim = 31 kN, v = 275 km/h, konicitet ~ 0.3 torrt spår 12 Energiomsättning i kontaktpunkten [Nm/m] Medel Medel mjuk Mjuk Simuleringar av hjul- och rälsslitage Stort slitage Märkbart slitage Milt slitage Axel 1, yttre hjul, torrt spår OBS! Endast 0,5% av svenska spår för passagerartrafik har kurvor med radier i intervallet 250 – 400 meter. 13 Spårvänliga boggier sammanfattning Potential finns för högre hastighet och/eller högre spårplansacceleration då Regina 250 bara har 60 – 70% av tillåtna spårkrafter Det är möjligt att konstruera en boggi -För hastigheter upp till 250 km/h i trafik -För spårplansaccelerationer upp till 1.2 m/s2 i trafik -Som är spårvänlig 500.000km i trafik utan en enda hjulsvavning för slitage! 14 Aktiv lateralfjädring (ALS) • • • Två funktioner i en hårdvara 1) Hålla korgen centrerad över boggin i kurvor Flytta lateralstoppen → Bredare korg möjlig → Bättre sidvindsstabilitet Bättre åkkomfort genom undvikande av stoppkontakt Möjlighet att köra fortare i kurvor Mindre krängning 2) Bättre åkkomfort Samma åkkomfort i 250 km/h med ALS som 200 km/h utan +25% 0.1 m bredare korg kan göra 2 + 3 sittning möjlig även i IC-tåg i Sverige 15 Provresultat från Regina 250, Förskjutning korg - boggi Lateral displacement bogie-carbody [mm] Prov 119 (Stöde –(Stöde-Vattjom), Vattjom), DMB passiv test: 119 leading vagn först 50 0 med ALS -50 538 538.5 539 539.5 540 540.5 541 538.5 539 539.5 540 540.5 541 538.5 539 539.5 540 540.5 541 538.5 539 539.5 Position (km) 540 540.5 541 50 0 -50 538 50 0 utan ALS -50 538 50 0 -50 538 16 Provresultat från Regina 250, Åkkomfort (lateral) ISO lateral DMAvagn first,först, outer ends Aktiv yttre ändar Rakspår (-39%) 0,25 Stora radier (-46%) 0,2 ISO [-] Mellan radier (-47%) 0,15 Små radier (-34%) Active Aktiv Passiv Passive 0,1 0,05 0 6) 3) 9) 1) 6) 4) 0) 9) 9) 3) 6) 3) 2 4 7 5 7 9 1 4 5 5 4 6 1 2 2 2 2 1 1 2 2 2 2 ( ( v1 (v (v (v (v (v (v (v (v (v (v (v ( d l m t k U N N N k V , N T, U ,U ,U -S ,N , , , , ,U H -N t t T T T dh h K å n m t k k c L J Ö Ö V S T T tp tp tp tp Jn ttTSu hhk k m m m m Ö Ö T T R R R R 5) 8 v 5) 8 v 17 Vå – Ep (nedspår) 250 km/h Vagn utan ALS först Rollmod Lateral acc (PSD) [(m/s2)2] Att kontrollera rörelsemoder 0,10 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00 Girmod 0 2 0,10 0,10 0,10 0,09 0,09 0,09 0,08 0,08 0,08 0,07 0,07 0,07 0,06 0,06 0,06 0,05 0,05 0,05 0,04 0,04 0,04 0,03 0,03 0,03 0,02 0,02 0,02 0,01 0,01 0,00 0,00 Lateral Lateralacc acc(PSD) (PSD)[(m/s2)2] [(m/s2)2] Kontakt med lateralstopp Enbart kvasistatisk kraft 4 6 Frequency[Hz] [Hz] Frekvens 8 22 44 66 Frequency [Hz] Frequency [Hz] Frekvens [Hz] 10 DMA A DMB DMA B A DMA B DMB DMA A B + gir Passiv Fullt aktiv 00 DMA A DMA B 8 8 10 10 18 Aktiv lateralfjädring sammanfattning Det är möjligt att konstruera en aktiv fjädring -Som eliminerar den kvasi-statiska förskjutningen mellan korg och boggi -Som förbättrar den objektiva komforten -Som är uppbyggd av enkla komponenter 500.000km i trafik Sålt av Bombardier till SBB 436 vagnar Sålt av Bombardier till Trenitalia 400 vagnar 2544 aktuatorer! 19 Korglutande tåg Korglutning = Transformation av koordinatsystem ay < ah ah g ah g az > g 20 Korglutande tåg rörelser Minskad lateralacceleration på bekostnad av ökad vertikal och rollaccelerationer i åksjukeframkallande frekvenser Med Tilt lutning 10.000 22 Roll acceleration PSD [(deg/s ) /Hz] 100.000 1.000 0.100 Utan Non-tilt lutning 0.010 0.001 0.01 0.1 1 10 Frequency [Hz] Frekvens [Hz] 21 Korglutning på lagrad bandata Bandata lagrad i tåget Lutningsvinkel WGS latitud WGS longitudDistans [m]Hastighet Längd [m] Typ Radie [m]Rälsf. [mm] k [grad/(km/h)] v0 59.063521 15.632811 30026 239 1 0 0 0.000 0 GPS 59.063458 15.636852 30265 180 4 0 0Position 0.000 0 59.063383 15.640004 30445Satelliter 222 2 -1754 100 -0.126 158 59.063111 15.643854 30668 223 2 -1754 100 -0.126 158 räkning 100 om GPSinfo saknas 59.062605 15.647640 30891Position 223 genom2 död-1754 -0.126 158 59.061842 59.061148 59.060090 59.059027 59.057951 59.056895 59.055823 59.054757 59.053910 59.053519 59.053239 59.053002 59.052797 59.052584 59.052470 59.052382 59.052279 59.051932 15.651243 15.653813 15.657592 15.661439 15.665272 15.669136 15.673042 15.676812 15.680121 15.682144 15.684303 15.687581 15.691010 15.694586 15.696340 15.697477 15.698779 15.702647 31114 31279 31527 31777 32027 32277 32527 32777 32987 33114 33242 33432 33631 33831 33931 33996 34072 34308 165 249 250 250 250 250 250 210 127 128 190 199 200 100 65 76 236 238 3 1 1 1 1 1 1 4 2 2 3 1 1 4 2 3 1 1 0 0 0 0 0 0 0 GPS 0 1133 1133 0 0 0 0 -2940 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 150 150 0 0 0 0 50 0 0 0 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.186 0.186 0.000 0.000 0.000 0.000 -0.091 0.000 0.000 0.000 0 0 0 0 0 0 0 0 147 147 0 0 0 0 156 0 0 022 Lutningsreferens [grader] Korglutning på lagrad bandata exempel Notera skillnaden i tid och kvalité Mätt lateralacceration Från bandata skapad lateralacceleration Kmp från Stockholm [km] 23 METRO 21 juni 2010 Försökspersoner söker försökspersoner till en fältstudie 13–15 juli 2010. Ta möjligheten att påverka framtidens tåg och samtidigt tjäna lite extra pengar. Anmäl dig på www.gronataget.se 24 Fältstudie 13 till 15 juli gjords en fältstudie på X 2000 mellan Stockholm och Hallsberg. Mer än 100 försökspersoner bedömde tågets komfort, dess hastighet och sin egen grad av åksjuka. Fyra provfall: 1) Original (som tåget går i trafik) 2) Nya komfortkriteria 3) Lagrad bandata 4) Lagrad bandata och nya komfort kriteria. 25 Skillnad mellan provfall En prick = en övergångskurva Fall 1 Fall 4 Lateralt ryck Gräns för provfall 4 Gräns för provfall 1 26 Objektiv åkkomfort som funktion av hastigheten Vägd lateralacceleration (W d) [m/s2] 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 Fall 1 Fall 2 Fall 3 Fall 4 0.04 0.02 0.00 100 110 120 130 140 150 160 Hastighet [km/h] 170 180 190 200 27 Fall 3 Bättre Fall 1 Bättre Upplevd åkkomoft på en 1 – 7 skala Upplevd åkkomfort som funktion av upplevd åksjuka Fall 2 Fall 4 Upplevd åksjuka på en 0 – 6 skala 28 Korglutning sammanfattning Det är möjligt att styra korglutningen - För bättre objektiv komfort - Det går att påverka risken för åksjuka och den subjektiva komforten, men optimum är ännu inte funnet Offereras av Bombardier, men ännu inget kontrakt 29