结合履带友好技术:FLEXX Tronic WAKO和庞巴迪的ARS

运输能力的需求在所有运输领域都在增加。由于其作为大众交通系统的灵活性和环保性能，铁路运输尤其受到重视。因此，许多国家正在进行重大投资，以满足未来的需求，并使系统变得并保持竞争力。然而，尽管这一发展似乎对该行业非常积极，但它也带来了严重的问题，特别是在人口密集的欧洲国家，新线路不容易建造，现有线路的运力限制已经被严重利用。

瑞士联邦铁路公司(SBB)今天正面临着这样的挑战。由于已提供的服务范围广泛，以及该网络以高质量著称，预计需求将大幅增加。与此同时，未来发展铁路网的新立法(Zukünftige Entwicklung der Bahninfrastruktur - ZEB)将产生额外的需求。在这方面，某些路线将特别重要，需要综合和创新的解决办法。ZEB概念的原则是通过采用每小时或半小时服务来提高服务的吸引力(瑞士铁路概念)。预计将通过引进双层列车来增加运力，这种列车由于性能和转弯速度提高而缩短了行程时间。这可以通过实施滚转补偿系统来实现。然而，这种运输能力的增长通常会使基础设施的维护成本增加60%，这加强了在未来25年使用轨道友好型列车将是必不可少的经济理由。庞巴迪公司在轨道兼容电子系统和主动悬架系统方面进行了多年的持续和系统开发，在经过充分验证和可靠的子系统和组件的基础上提供了满足这些要求的产品。的FLEXX庞巴迪的Tronic技术，包括滚转补偿(WAKO)和主动方向盘转向(农业研究所)的特点是高可靠性和众多的性能和经济效益。此外，投资庞巴迪机车车辆配备农业研究所系统只用两年就能收回成本。

主动系统的要求

尽管现在几乎每个人都依赖电子系统(例如，在汽车、飞机、公共汽车或在医生那里)，但在轨道交通工具中引入这种系统之前，就会出现担忧和预订。尽管存在这些问题，但开发这种系统并可靠地运行它们远非不可能。但是，电子和主动系统可能会影响车辆的安全、操作和操纵特性，因此需要更高的性能和质量标准。8年来，庞巴迪一直在实现这些高标准，这是其所有电子和机电一体化开发的基本要求。因此，这些系统现在已经可以投入生产，并且具有框1中描述的性能特征。

运输能力的增加FLEXX定速WAKO

以瑞士伯尔尼-洛桑路线为例，图1显示了速度、行驶时间、车辆和运输能力的优化。为了满足ZEB的要求，旅程时间需要从目前的66分钟缩短到59分钟，同时增加运力以满足日益增长的需求。这一目标不能仅靠一项措施来实现。如果有了强大的倾斜列车，在改变一些基础设施的情况下，可以达到旅行时间，但如果将现有的双层列车替换为单层倾斜列车，将大大降低运力。另一种选择是重新调整穿过丘陵景观的路线，不仅会产生巨大的成本，而且由于环境原因，这类项目也不可行。在这种情况下，最具吸引力的解决方案是引入一个强大的双层车辆与滚转补偿。对于各种交通选择，缩短旅行时间和运输能力之间的关系如图1所示。

图1:ZEB需求和需求增长

为了评估潜在的结果，对IC-2000双层跨区域列车和单层EW-IV客车进行了比较。在倾斜角度小于0.5°的情况下，弯道速度提高约13%，行驶时间减少约8.5%。理论上最大可能的速度提高是27.8%，在倾斜角度约7°的情况下，旅行时间减少约13%。考虑到SBB规定的弯曲速度，这在双层车辆和简单的侧倾补偿系统而不是复杂的传统倾斜系统上是可行的。与目前相比，该车的行驶时间减少了约8.5%，容量增加了约30%，为实现ZEB概念提供了一个有吸引力的解决方案。通过综合考虑车辆、基础设施和时间表的概念，所需的旅行时间可以减少到58分钟，而基础设施的投资最少。

虽然滚转补偿的原理并不新鲜，但它在双层车辆上的应用却是罕见的。庞巴迪对各种倾斜系统都有特殊的经验。该公司的滚动补偿系统，命名FLEXX定速WAKO，是基于经过试验和测试的组件，并制定了转向架开发的新标准。的基本原理FLEXX定速WAKO(见图2)，是在Winterthur开发的，是通过在次要阶段向内倾斜车身来补偿主要和次要的向外滚转运动，从而减少作用在乘客身上的离心力。

滚转补偿系统被集成到第二阶段，这种方式既不需要额外的中间支撑架，也不需要额外的倾斜机构，就像倾斜列车的转向架上使用的那样。所有横向和垂直偏转引入的滚补偿系统被空气悬挂系统吸收。机械,FLEXX定速WAKO通过产生一个虚构的身体滚动运动中心来实现。这个名义上的滚转中心是通过防滚转连杆的位置和位置来实现的。这些是向内倾斜的，这导致了细长轴的理论交点在上层甲板的水平附近。由于身体的重心位于这个假想的枢轴点以下，由于离心力的作用，它有向外摆动的趋势，从而向内倾斜。与WAKO系统，这个运动是由一个电动液压支持WAKO致动器。图3显示了本体和受电弓相对于接触线的位置。

图2 (FLEXX Tronic WAKO的图像)和图3显示了身体和受电弓相对于接触线的位置

为了达到冗余和横向舒适性，每个转向架上都安装了两个执行机构，在转向架框架和支撑架之间施加可控的横向力。一个执行器(“补偿执行器”)在低频范围内工作-它提供所需的力和位移为滚转补偿(补偿角向曲线中心)。第二个致动器(“横向舒适性致动器”或“ALS-致动器”，ALS =主动横向悬架)在更高的频率范围内工作，并调节车身的横向舒适性。执行器很容易接近，因为它们安装在外部转向架上。

关于选择FLEXX定速农业研究所，同一执行器可在同一外壳(双执行器)中设置第二力输出(气缸)。第二个输出用来转向轮对。由于数字电子架构，这不需要额外的输入;所有的功能FLEXX定速WAKO而且农业研究所通过一个CAN总线控制。控制滚转补偿和舒适性所需的信号由转向架和车体上的传感器提供。执行器被设计为故障安全，然而，如果其中一个补偿执行器发生故障，舒适执行器将切换到补偿模式并承担该角色。

此外，在致动器控制和传感器层面，采用了冗余概念，其可靠性是传统倾斜系统的15倍以上，因此提供了卓越的可用性。的WAKO系统也是故障安全的。因此，通过选择确定车体和转向架之间横向刚度的参数，可以确保即使在系统停机或完全故障的情况下，在所有条件下都观察到量规包络线和接触网接触。因此，失效的执行器充当液压阻尼器。

基础设施的解决方案

运输能力和性能要求的增加也导致了更高的轴负荷，从而等于增加了基础设施成本和维护。车辆制造商往往无法获得这些数据，而且除了少数例外，显示轨道友好型车辆的好处的轨道通行收费模型也不容易获得。在英国，一个模型已经应用了好几年，但应用程序还不能免费访问。然而，近年来，瑞典开发并验证了一个类似的系统，如下所示。为了后续的检查，EPFL(洛桑联邦理工学院)也进行了一项研究，其中瑞典的验证模型根据瑞士bb的情况进行了调整。

瑞典模式考虑到表1所示的关于对轨道维护至关重要的损坏机制的信息。

表1:瑞典模型考虑到这些损伤机制对轨道维护至关重要

轨道损伤的关键变量是垂直力和水平力以及轮轨之间的摩擦能。后者以磨损数的形式表示。横向力仅包括准静态分量，竖向力包括静态分量、准静态分量和动态分量的组合。在准静力中，通过横向加速度和车身横向位移在曲线上增加的车轮负载被包括在内。

该模型(参见图4)根据最新的思想包含了损伤机制的最佳表示。

图4

该公式表示在曲线半径Rj的特定范围内，每总吨公里和车辆类型“v”的轨道损伤。个别参数为:

• k₁轨道疲劳成本系数
• k₂零件疲劳成本系数
• k₃₄磨损成本系数和RCF
• 问_合计垂直轮载荷
• Y_qst准静态侧向力
• n_z每辆车的车轴数
• n_b每个转向架的轴数函数，它决定了滚动接触磨损的能量耗散和RCF
• 米_z培训质量

对于轨道和部件的疲劳，以下参考文献是有效的:

a) UIC / ORE D161

b)新开发并验证的Andersson & Öberg模型(动态竖向荷载)

c) Jenkins等人:未悬浮质量和速度的影响

对于弯曲行为，即本质上的磨损和RCF，使用了由英国RSSB / AEA开发的轨道表面损伤模型(RSD)(见图5)。

图5:钢轨表面损伤模型(RSD)

成本系数根据瑞典的条件进行了校准。铁路网络总长11904公里。客货网络曲线半径分布如图6所示，交通性能对比如图7所示。根据国际比较(见图8)，瑞士客运服务的轨道通行费用大约是瑞典的2.4倍。瑞士的货运费用大约是瑞士的五倍。这表明，与瑞典模式相比，瑞士的成本节省可能高于预期。

图6:瑞典网络

图7:瑞典的交通分布

图8:欧洲轨道通行费用概况(ECMT 2005)

由此也可以得出车辆设计的要求。Banverket进行了敏感性分析(见图9)，从中得出以下对轨道友好性至关重要的结论:

• 较低的轴负载
• 短轴距
• 径向转向轮对(柔性轮对联动或主动转向控制)
• 低unsuspended质量
• 低速
• 车身重心低

因此，径向转向轮对的能力对磨损和滚动接触疲劳是决定性的。具有弹性或主动导向轮对的转向架比具有刚性轴导向的转向架产生的轨损低10倍。最佳的径向转向，使用主动径向转向和稳定系统作为由庞巴迪公司提供，将导致在双层客车上应用时，轨道损坏的大幅减少。为了量化这种影响，对从伯尔尼到洛桑的单列列车进行了相对比较(见图10)，IC/IR服务与IC-2000和EW1V和TWINDEXX瑞士快递，含或不含农业研究所根据瑞典模式。

图9:转向架参数的成本敏感性

图10:轨道维护成本，伯尔尼-洛桑

TWINDEXX瑞士快车

由于高于平均轴载所创造的能力和性能的增加，双层列车没有农业研究所与今天的IC/IR相比，其价值增加了约65%。在曲线的帮助下增加速度WAKO它本身造成几乎没有，或只有轻微的额外损害的轨道。在传统转向架中，横向加速度的增加首先导致轮轨横向力在车轴上的分布更加均匀;与传统倾斜列车的情况一样，力的绝对增加在相当高的横向加速度的影响之前是不会产生的。与农业研究所在美国，长途双层列车在曲线线路上的轨道损坏可以减少70%。与目前的IC服务相比，长途双层列车具有农业研究所在伯尔尼到洛桑的线路上，可减少约50%的费用。

然而，决定整体经济观点的一个因素是各自运营线路上不同列车之间的比较。为说明结果，进行了下列指示性计算:

• 各线路的轨道使用费计算方法:
  • Lausanne-Berne
  • Berne-Zurich
  • 圣Gallen-Geneva
• 以下列车配置的计算:
  • IC-2000组合(圣加仑-日内瓦)与
    • 10 ic - 2000
    • 4 EW-IV作为加固
    • 1号路460号
  • EW-IV有10节车厢和火车头(卢塞恩-日内瓦)
  • 有16节车厢的长途双层巴士
• 列车运行周期如下:
  • 9台EW-IV，每天2.2次循环
  • 8台IC-2000，每天2.5次循环
  • 17辆长途双层巴士，每天行驶2.4次

洛桑至伯尔尼的曲线线路占比，伯尔尼至苏黎世的直线高速线路占比，圣加仑至日内瓦是主要应用区域。轨道通行费用按EW-IV/IC-2000列车的现行IC标准正常化;结果如图11所示。

图11:轨道维护成本IC:洛桑-苏黎世(根据SE模型)

结果表明，采用长途双层列车，轨道冲击较小农业研究所增加约35%，但将减少到约70%的今天的价值，包括农业研究所．减少了对轨道的影响农业研究所不出所料，伯尔尼至苏黎世航线的票价低于曲线美的洛桑至伯尔尼航线。作为一个附加的比较，可以模拟不同曲线半径下钢轨的寿命。如果每个单独的曲线半径的钢轨寿命已知，假设使用轨道友好转向架，只需考虑相对较大的曲线半径的较低的力和较低的磨损，就可以推导出新的钢轨寿命。根据这样的表格，铁路寿命可以延长2.7倍农业研究所，这相当于在直道上的表现，但在600米的弯道上。除了延长维修周期节省成本外，这也大大减少了维护基础设施质量所需的成本。

FLEXX定速农业研究所: 200公里/小时的测试和认证

的基本原理农业研究所系统是轮对的纵向软制导，这使得轮对可以在没有高反作用力的情况下与轨道曲率对齐，并配合高动态主动转向装置和电液执行器(见图12和图13)。

图12和图13:一个高动态主动操舵装置和一个电液执行器

舵机的控制是实时的，取决于由横向轨道偏差引起的轮对运动的干扰。这种控制方案的核心是将其分离为两个具有非常不同性能的频带。而在低频范围-适应于曲线的入口和相应的出口段-系统产生轮对的径向调整-即，车轮遵循轨道的过渡弧和圆曲线-在一个更高的频率每个轨道偏差的范围将补偿反转向受影响的轮对，这修改轮对运动。这保证了转向架的谐波运动不能发展，而谐波运动会导致不稳定。在过弯时，两种控制方法是互补的，即弯曲性能不受不完美轨迹位置的干扰。

第一个系列准备版本(见图14)在瑞典Gröna Taget项目的框架下为Regina列车进行了测试，并根据UIC认证了200公里/小时。当时使用的是一种电动机械执行器，它通过钢板弹簧向轴箱施加力和运动。在FLEXX定速WAKO＆农业研究所(见图15)采用了电液双致动器，它提供了一种最佳的驱动功能与WAKO．该执行机构纵向安装在转向架框架上。在组合的情况下农业研究所而且WAKO,WAKO执行器扩展使用第二输出农业研究所形成双致动器。一个转向杆连接到第二个输出，它将执行器的输出力作为纵向力传递到各自的轴箱，从而使轮对绕垂直轴转动。每个轮对在同一转向架内独立控制。

图14

图15

的好处FLEXX定速农业研究所

采用主动稳定轮对，就不需要可切换或不可切换的偏航阻尼器或转向架和车体之间各自的摩擦偏航阻尼系统，在传统转向架的情况下，需要这些系统来稳定转向架的正弦运动。这样就消除了转向架和车体之间的噪声和振动桥梁。此外，由于可能取消车间减震器，车身结构加固或隔音所需的材料更少，重量更轻的设计也成为可能。

与传统底盘相比，轮对的主动转向减少甚至消除了轮轨之间的蠕变，从而解决了钢轨表面损伤(滚动接触疲劳RCF)和钢轨磨损的主要原因。此外，曲线的尖叫声几乎被消除。由于传统转向架的轴导向相对刚性，转向架的前轴和后轴之间的轮轨力相差很大。通过轮对在曲线上的自由调节，主动径向转向显著降低了这种影响，两个轮对的轮轨力变得更均等。通过可选控制算法，可以消除两个轮对之间横向力的差异，特别是对于具有特别高蠕变特性的应用，如机车。

轮轨之间产生磨损的蠕变减少了滚动阻力，这也有助于降低列车的能耗。由于减少了胎面磨损和RCF，车轮寿命也增加了-减少了维护成本。这些都是导致车辆操作者生命周期成本可持续降低的影响。此外，显著减少轨道表面磨损和RCF对轨道维护有有利的影响，因此对网络所有者来说是一个显著的奖励。

车辆操作和维护的好处

综上所述，……的原则好处农业研究所车辆方面，操作和维护有:

• 大约占列车总节能的1.5%
• 车身降噪高达4分贝(A)(视乎车型而定)
• 延长约25%的车轮寿命
• 列车重量减少约3吨

个别因素简要概述如下:

能源

滚动阻力的降低使长途双层列车的总能耗降低了约1.5%。在曲线百分比较高的线路上，能耗可减少2-3%。

轮的生活

车轮磨损的减少分别增加了车轮的转动间隔。使用计算机方法预先确定数量是昂贵的，也需要轨道几何的具体知识。因此，车轮寿命的延长只是基于估计。假设保守估计，车轮寿命可以延长约25%，车轮更换减少约两倍。为了进一步增加车轮寿命和防止车轮上的局部磨损迹象，可以实施一个可选的磨损管理程序。该软件系统使用主动转向功能来创造均匀的车轮磨损，防止例如局部磨损和材料硬化。

汽车设计

通过取消偏航阻尼器，转向架和车体之间的一个非常僵硬的联动装置被删除了。偏航阻尼器负责车体结构的振动以及结构上的噪声传播;因此，通过移除减振器，车身的舒适度将因此得到改善，具体如下:

• 较低的振动
• 噪音更小

图16显示了在测试情况下，有偏航阻尼器和没有偏航阻尼器的车身噪音水平。农业研究所可以使车身的噪音降低高达4分贝(A)。或者，通过将车身的噪音水平保持在相同的水平，可以减少噪音隔离材料的使用，从而相应减少约19公斤/米的重量²．此外，取消偏航减振器还使长途双层客车的重量减少了约3吨，因为不需要沉重的偏航减振器支架，而且车身结构设计也变得可行。

图16:“激振器”激励引起的内部噪声

机电一体化的建筑FLEXX定速转向架系统

机电一体化的基本原理是引入多功能、主动系统，降低了机械的复杂性，并在信息网络中集成部件。与FLEXX定速WAKO而且农业研究所在美国，庞巴迪公司在转向架内引入了一种非常简单、易于维护的系统。该设计基于致动器的概念，在一个双致动器中结合了四种不同的功能，即滚转补偿、舒适控制、弯道径向转向和最高速度稳定性控制。

电子系统是该系统的重要组成部分，这是庞巴迪公司在八年多的时间里密集和持续开发符合轨道、可靠和维护友好的电子系统的结果。出于成本和可用性的原因，主要使用商用电子元件，并由庞巴迪专门委托用于转向架和轴箱的苛刻环境。系统自动配置自己，传感器自动校准，配置管理不断更新和记录。通过额外的冗余功能和自诊断功能，可以实现顺畅的操作和维护。这种电子架构和功能被庞巴迪称为“即插即用”电子产品。

系统可分为三个功能级别(见图17):

• 顶层由转向架控制器组成，控制和监控整个系统(系统管理、控制算法和诊断)
• 中间层包括传感器控制盒和致动器控制器，后者已经集成在致动器中
• 下层包含传感器和执行器

图17:简化的电子架构示意图

系统的每一部分都是用冗余的方式设计的。传感器控制盒是一个数据采集系统，它读取传感器数据并通过数字CAN盒传输到转向架控制器。执行器控制器也通过数字CAN总线直接连接到转向架控制器。使用数字CAN总线，需要最少的电缆连接，因此数据传输的可靠性比模拟连接高得多。转向架控制器进一步连接到车辆总线，以接收列车特定数据(如速度等)和传输诊断数据。

图18

为可靠性设计

具有故障安全功能的一致机电一体化设计意味着组件被保持到最小，导致良好的基础可靠性。再加上这种系统特有的冗余概念——甚至延伸到执行机构——意味着与传统倾斜系统相比，该系统的可靠性提高了约15倍。这几乎不会因为个别组件的故障而造成操作上的限制，而且总是可以遵守时间表。不言而喻，这导致了非常高的可用性，因为所有的纠正性维护都可以在预定的车辆停机期间完成一个操作周期后进行。为了达到这些结果，需要一种不同的维护和可靠性设计方法。主动系统需要一个智能架构(诊断、TEDS传感器等)，这样驾驶员和维护团队就可以随时了解系统的状况，维护活动和操作状态也可以根据系统的状况而改变。在出现安全风险的情况下，系统自动关闭，进入安全运行状态。该体系结构允许系统自动配置自己(在“即插即用”模式中)，因此不需要熟练的专家进行任何相关组件的日常维护;因此，所需的专门知识仅限于部件更换。所有关键部件，如执行机构、阀门、传感器、电子元件、连接器等都很容易接近，确保它们可以在必要时进行检查和更换。 WithWAKO而且农业研究所在这种情况下，执行器是完全初级悬挂的，因此不会暴露在轴的高加速度和振动中，而高加速度和振动往往会显著降低这些组件的寿命和可靠性。由于转向架液压管路及配件的可靠性较差，操作和维护工作非常复杂。紧凑的设计WAKO而且农业研究所双工执行机构完全避免了这些问题，在日常维护期间，执行机构可以在维修站以最小的努力进行更换。

盈利能力

尽管车辆制造商不知道SBB的轨道维护费用的细节，但已经根据一般可获得的信息，如出版的SBB基础设施年度报告，以及根据瑞士条件调整的瑞典模型，进行了经济评估。为此，使用瑞典模型，根据具体线路和车辆计算轨道维护成本，并与年度报告中的相关数据进行比较。一个所谓的NPV计算(净现值)已经被做了，它确定了收益农业研究所在车辆层面。如图19所示，这将导致不到两年的ROI。

图19:带ARS的8节车厢列车25年净现值计算

为了对运输性能进行总体经济评估，需要进一步评估成本因素。城际列车的票价大约是48000瑞士法郎(假设IC-2000/ w - iv)，倾斜列车的票价大约是87000瑞士法郎，长途双层列车的票价大约是50000瑞士法郎。为了获得真实的对比，本次评估仅使用了现有车辆的公开数据。因此，ÖBB Railjet和奥地利西部铁路双层列车被用作今天城际交通的参考，ETR 610被用作倾斜列车服务的参考。计算还假设每支舰队都将以今天的价格购买。总共设置了17列列车，这将实现东西轴线上半小时的循环。就目前水平的运输服务而言，需要投资约1.06亿瑞士法郎，保持车辆类型，但实现ZEB概念。在运输性能相同的情况下，长途双层列车的成本约为1.09亿瑞士法郎，运输能力增加约130%的情况下，成本约为1.15亿瑞士法郎，相当于所有城际列车全部被长途双层列车取代。包括农业研究所,还需要1.5%的额外投资。与倾斜的列车相比，这种差异是显著的。长途双层列车的票价仅为倾斜式列车的57%，也就是说，运输能力增加约74%，却减少约1.23亿瑞士法郎。如果这些节省加上基础设施投资约2亿瑞士法郎，那么这些投资已经超过了补偿，该服务的座位价格下降，净投资约9.5亿瑞士法郎至约4.1万瑞士法郎(见图20)。人们可以清楚地得出结论，这种车辆和运输概念可以最经济地实现运输性能。加上每年在基础设施维护上的节省，多亏了农业研究所，就能实现盈利能力的持续改善。

图20:经济状况-运输能力

结论

如果不转向宏观经济的考虑，不将其一贯地纳入经营者和基础设施所有者的商业模式，铁路市场的普遍发展在某些领域将不可避免地导致基础设施的解体。然而，对性能的要求决定了能力水平将继续提高，导致更高的轴负荷和延长的工作时间。反过来，这意味着用于基础设施维护的时间将更少，尽管需要更多的时间。此外，这种维护的资金不一定是可用的。的FLEXX定速WAKO而且农业研究所庞巴迪提供的系统提供了一个可行的解决方案，同时为保护基础设施提供了可持续的贡献。与双层车辆配合使用，WAKO运输能力提高30%左右，并且农业研究所结果是，远距离双层巴士自身的轨道维护成本减少了50%，比目前的状态减少了约30%，此外，导致轨道的维护周期延长了约2.7倍。另一种方案是增加轨道损坏，在未来30-50年里，轨道维护成本将增加35%左右，而维护间隔时间将相应缩短。考虑到所有的成本因素农业研究所，投资回报率可达2-3年左右，对于公司的长期战略规划来说，这是一个非常有吸引力的选择。然而，有系统地采购适合轨道的车辆将需要大规模改变政策，并对这项技术带来的好处进行充分的商业和金钱评价。这将进一步鼓励发展适合轨道的车辆，从而可持续地解决长期基础设施维护的问题。

关于作者

该企业。荷兰国际集团(Ing)。理查德·施耐德

在作为学徒和学习机械工程并获得文凭后，Schneider先生的职业生涯见证了他担任过许多职位，包括SIG Schweizerische industrial - gesellschaft铁路部门的开发经理、Adtranz Bogies业务单元的工程总监和庞巴迪运输业务单元Bogies的工程副总裁。在他的职业生涯中，Schneider先生取得了许多里程碑式的成就，其中包括为SBB的ICN列车开发转向架和倾斜系统，以及第一台机电转向架的开发。