1. No category

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