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Reproducible Braking Distance: ATLAS.
Entwicklung und Validierung von Bremssystemen mit dem Rad-Schiene-PrĂŒfstand âATLASâ.
Die Reproduzierbarkeit von Anhaltewegen bietet Potential fĂŒr die weitere Verbesserung von BetriebsqualitĂ€t sowie Nutzungsgrad der Schieneninfrastruktur, welches es durch Innovationen der Bremssteuerung zu heben gilt. Das Knorr-Bremse Konzept der âReproducible Braking Distanceâ (RBD) beruht auf der Integration des Rad-Schiene-Kraftschlusses und der Verzögerung in das geregelte Bremssystem. Auf dem Rad-Schiene-PrĂŒfstand wurde in Machbarkeitstests nachgewiesen, dass auch bei extrem ungĂŒnstigen Umweltbedingungen mit diesem Konzept erhebliche Vorteile fĂŒr die Anhaltewege erzielt werden können, ohne die installierte Abbremsung zu erhöhen. Der PrĂŒfstand hat sich dabei als Werkzeug fĂŒr Entwicklung und Validierung unter Bedingungen bewĂ€hrt, die in Feldversuchen aufgrund von Aufwand und Risiken nur schwer realisierbar sind. Dabei werden Tests der Original-Brems- und Laufwerksteile mit einer mathematischen Simulation von Schienenfahrzeugen und mit Datenbanken aus Feldtests kombiniert.
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Carina Smid Marketing Rail
Integration des Rad-Schiene-Kontakts in die Bremssteuerung
Ausgehend von einer Bremsanforderung und der Information ĂŒber die Beladung des Fahrzeugs regelt eine konventionelle Steuerung der Druckluftbremse den Bremszylinderdruck am Drehgestell. Die Gleitschutzregelung hĂ€lt dabei den Radschlupf in den vorgegebenen Grenzen. Die Brems- bzw. Anhaltewege werden jedoch auch von Toleranzen (der Druckregelkreise und Reibwerte) und StörgröĂen (Umweltbedingungen wie WitterungseinflĂŒsse und Schienenverschmutzungen) beeinflusst, die nicht in den Regelkreis der Bremssteuerung eingehen. Bei elektrodynamischer Bremsung bestehen prinzipiell die gleichen Problemstellungen.
Eine groĂ angelegte Simulationsstudie im Rahmen des europĂ€ischen Förderprogramms Shift2Rail mit dem Institut fĂŒr Bahntechnik GmbH mit Sitz in Berlin beschrieb teilweise deutliche Potenziale einer verbesserten InfrastrukturausrĂŒstung bei besser reproduzierbareren Anhaltewegen [1] (RBD). Bei trockenen Schienen ergaben sich folgende Spannen fĂŒr verkĂŒrzte theoretische Zugfolgezeiten: U-Bahn: 9 bis 19%, S-Bahn: 9 bis 16%, Regionalverkehr mit TriebzĂŒgen: 1,5 bis 4% und Hochgeschwindigkeitsverkehr: bis zu 20%. Bei nassen Schienen ergaben sich: U-Bahn: 10 bis 13%, S-Bahn: 10 bis 12%, Regionaltriebverkehr mit TriebzĂŒgen: 4 bis 7%, Hochgeschwindigkeitsverkehr: bis zu 20%. Die Schwankungen der theoretischen Zugfolgezeiten resultieren aus den unterschiedlichen Betriebs- und Streckenparametern sowie dem Unterschied zwischen Fixed (Level 2) oder Moving Blocks (Level 3) des Zugbeeinflussungssystems ETCS.
Der Ansatz des integrierten Zusammenwirkens einer jeweils neuartigen Verzögerungsregelung (Deceleration Control), Gleitschutz (Wheel Slide Protection, WSP) sowie Kraftschlussbeeinflussung (Adhesion Management) zielt dabei nicht auf eine stĂ€rkere Bremsung der Fahrzeuge ab. Stattdessen will er ĂŒber eine reduzierte Bremswegstreuung den âEmergency Brake Confidence Levelâ erhöhen, um so den Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden ZĂŒgen ohne Abstriche bei der Sicherheit verkĂŒrzen zu können.
Dem Adhesion Management kommt dabei eine besondere Bedeutung zu, da sich ein sehr schlechter (momentan verfĂŒgbarer) Rad-Schiene-Kraftschluss insbesondere durch Schienenbremsen durch keine andere Technologie ausreichend verbessern lĂ€sst. FĂŒr die Entwicklung von Bremssystemen geht damit jedoch eine Erschwernis einher: Geeignete Feldversuche sind durch die nötige PrĂ€parierung ganzer Streckenabschnitte aufwĂ€ndig, riskant oder gar unmöglich.
Umso gröĂer ist bei der Entwicklung und Validierung von âFirst-time-rightâ-Prototypen die Bedeutung von PrĂŒfstĂ€nden wie dem Knorr-Bremse Rad-Schiene-PrĂŒfstand ATLAS (Advanced Test Laboratory for Adhesion based Systems) (Bild 1). Auf ihm sind Geschwindigkeiten bis zu 350 Stundenkilometern unter verschiedensten gut reproduzierbaren Umgebungsbedingungen mit OriginalausrĂŒstungen möglich. Entsprechend einem V-förmigen Entwicklungsmodell beginnen die PrĂŒfstandversuche mit Grundsatzversuchen, an die sich â noch losgelöst von konkreter Rechner-Hardware â Machbarkeitsstudien anschlieĂen. SchlieĂlich folgen Versuche mit Mustern von Produkten, um deren ersten Feldversuch bereits mit einem hohen Konfidenzniveau starten zu können.
Zusammenfassung
Die Reproduzierbarkeit von Anhaltewegen bietet Potential fĂŒr die weitere Verbesserung von BetriebsqualitĂ€t sowie Nutzungsgrad der Schieneninfrastruktur, welches es durch Innovationen der Bremssteuerung zu heben gilt. Das Knorr-Bremse Konzept der âReproducible Braking Distanceâ (RBD) beruht auf der Integration des Rad-Schiene-Kraftschlusses und der Verzögerung in das geregelte Bremssystem. Auf dem Rad-Schiene-PrĂŒfstand wurde in Machbarkeitstests nachgewiesen, dass auch bei extrem ungĂŒnstigen Umweltbedingungen mit diesem Konzept erhebliche Vorteile fĂŒr die Anhaltewege erzielt werden können, ohne die installierte Abbremsung zu erhöhen. Der PrĂŒfstand hat sich dabei als Werkzeug fĂŒr Entwicklung und Validierung unter Bedingungen bewĂ€hrt, die in Feldversuchen aufgrund von Aufwand und Risiken nur schwer realisierbar sind. Dabei werden Tests der Original-Brems- und Laufwerksteile mit einer mathematischen Simulation von Schienenfahrzeugen und mit Datenbanken aus Feldtests kombiniert.
Anwendungsbeispiele und Versuchsbedingungen
Am Anfang von Versuchsserien steht die Gewinnung grundlegender Erkenntnisse, etwa hinsichtlich der Wirkung des Schlupfs und der Kraftschlussbeeinflussung bei unterschiedlichen Verschmutzungen von Rad und Schiene. Weitere Anwendungsbeispiele sind Machbarkeitstests und Potenzialermittlungen von Algorithmen fĂŒr innovative Verfahren der Bremssteuerung, die vorlĂ€ufige Validierung technischer Lösungen im Vorfeld der ersten Fahrzeugversuche sowie die ĂberprĂŒfung von Einstellungen und Anhaltewegen fĂŒr spezifische Projekte.
Da die Materialeigenschaften von Rad, Schiene und Zwischenschicht nicht skalierbar sind, ist die OriginalgröĂe der Abmessungen und KrĂ€fte fĂŒr alle Versuchsarten wesentlich. Deshalb werden Original-BremsgerĂ€te verwendet. Die Bewegungsenergie des Fahrzeuges wird durch einen Antrieb mit 1,4 MW Leistung dargestellt. Die Ăhnlichkeit der Ergebnisse zwischen PrĂŒfstands- und Feldversuch wurde durch Gutachten und Berechnungen nachgewiesen und ist immer wieder Gegenstand von ĂberprĂŒfungen. Als Ergebnisse stehen u.a. Anhalteweg, Radschlupf, Reibwerte, Rad-Schiene-Kraftschluss und Temperaturen zur VerfĂŒgung.
Der gesamte PrĂŒfstand befindet sich dabei in einer Klimakammer, in der â unter Laborbedingungen exakt reproduzierbar â Fahrtwind, Regen, Luftfeuchtigkeit sowie WĂ€rme oder KĂ€lte erzeugt werden können. Verunreinigte SchienenoberflĂ€chen zur Simulation von Morgentau, Nebel, SprĂŒhregen, Starkregen, Seifenlösung, Ăl bis hin zu festgefahrenen Schichten von Herbstlaub generieren zusĂ€tzliche RealitĂ€tsnĂ€he.
Da die Bremsung eines Fahrzeuges meist vom Zusammenwirken von mindestens vier RadsĂ€tzen abhĂ€ngt, wird der reale Radsatz in die Simulationsrechnung eines kompletten Fahrzeugs oder Zugs integriert (Bild 2). Von den Messwerten der fĂŒhrenden realen Achse geleitet, bezieht die Rechnung auĂerdem zusĂ€tzliche Daten aus Feldversuchen, beispielweise ĂŒber die Kraftschlussentwicklung von Radsatz zu Radsatz ein. Ein Gleitschutzsystem regelt den Bremszylinderdruck der RadsĂ€tze ohne Unterschied, ob diese Hardware am PrĂŒfstand oder virtueller Teil der Simulationsrechnung darstellen.
Beispiele fĂŒr Test-Ergebnisse der Verzögerungsregelung
Anhaltewege von Schienenfahrzeugen ergeben sich rechnerisch durch die zweifache Integration der Verzögerung. Je genauer die Verzögerung geregelt werden kann, desto besser ist der Anhalteweg determiniert. Auch eine zweite ZielgröĂe der Bremssteuerung, die limitierte Ausnutzung des Kraftschlusses, lĂ€sst sich unmittelbar durch die Verzögerungsregelung (DCC) erreichen. Soll der ausgenutzte Rad-Schiene-Kraftschluss zum Beispiel bei 15 % liegen, betrĂ€gt die Verzögerung 15 % der Erdbeschleunigung, folglich rund 1,5 m/s2. Die Verzögerungsregelung gleicht nun Abweichungen in den momentanen Reibwerten der BremsbelĂ€ge aus, in gewissen Grenzen auch solche, die aus Aquaplaning, Schnee und Eis resultieren.
Die GegenĂŒberstellung (Bild 3) einer druckgeregelten und verzögerungsgeregelten Bremsung auf trockenem Gleis zeigt das Prinzip und den Mehrwert der geregelten Verzögerung: Bei der Versuchsfahrt mit konstantem Bremszylinderdruck variiert die Verzögerung mit dem wĂ€hrend der Bremsung sich verĂ€ndernden Belagreibwert. Kurz vor dem Halt ist der Reibwert am gröĂten. Dies fĂŒhrt in der Praxis zu einem Halteruck, der mit KomforteinbuĂen und erhöhter Blockiergefahr verbunden und daher unerwĂŒnscht ist. In TriebzĂŒgen versucht die Bremssteuerung oft, den Ruck in der Betriebsbremse âwegzuregelnâ. Ein erfahrener TriebfahrzeugfĂŒhrer kann ihn auch durch eine Lösestufe kompensieren.
Bei Bremsung mit geregelter Verzögerung werden die charakteristische KrĂŒmmung in der Verzögerungskurve und der Halteruck nivelliert, und der Anhalteweg wird unabhĂ€ngig von begrenzten Abweichungen der Belagreibwerte.
FĂŒr ein Extrembeispiel (Bild 4) aus einem Grundlagenversuch wurde ein Aquaplaning auf den Bremsscheiben provoziert, wie es kurzzeitig bei starkem Regen und Aufwirbelungen unter dem Zug auftreten könnte. Die Verzögerungsregelung detektiert das Aquaplaning ohne Zeitverzug. Durch einen Impuls des Bremszylinderdrucks wird es in Sekundenbruchteilen âweggebremstâ. Bei ungeregelter Bremsung können dagegen mehrere Sekunden verlorengehen, ehe das Wasser von den BremsbelĂ€gen verdrĂ€ngt ist.
Extrem schlechter Kraftschluss â das Problem Herbstlaub
âNormalâ schlechte AdhĂ€sionsbedingungen werden durch die Gleitschutzanlage beherrscht. Dabei gibt es innovative Lösungen, die die Verbesserung des Kraftschlusses durch Fahren in einem optimalen Schlupfbereich beinhalten. Die Praxis kennt jedoch FĂ€lle extrem schlechter SchienenzustĂ€nde, zum Beispiel durch eine Schicht festgefahrenes Laub (Bild 5) in Verbindung mit einer bestimmten Feuchtigkeit.
Mit Hilfe eines speziellen Verfahrens und einer Apparatur gelang es am Rad-Schiene-PrĂŒfstand diesen Zustand reproduzierbar zu machen. Insbesondere bei Nebel oder leichtem SprĂŒhregen widersteht diese Schicht mehreren Ăberfahrten, wobei der Rad-Schiene-Kraftschluss â bei nicht ausreichender Sandung â nur 20 % des notwendigen Werts erreicht.
Zwar verhindert das Gleitschutzsystem auch unter diesen Bedingungen das Blockieren der RĂ€der, die Einhaltung bestimmter Anhaltewege ist jedoch durch die reine Physik erschwert. Innovative Gleitschutzsysteme können dabei erkennen, in welchem Bereich des Radschlupfes noch die beste KraftĂŒbertragung erfolgt und so das Maximum des Erreichbaren sichern [2].
Motivation und Ergebnis des Adhesion-Managements
Die bewĂ€hrte Urform des Adhesion-Managements ist das Sanden durch den LokfĂŒhrer. DafĂŒr stehen mit Druckluft oder elektromechanisch gut dosierbare AusrĂŒstungen zur VerfĂŒgung. Ein erfahrener und vorausschauender LokfĂŒhrer kann so bei einer ausreichenden Anzahl vorhandener und betriebsbereiter Sandungsanlagen im Zug gute Ergebnisse erzielen.
Nicht nur fĂŒr die automatische Fahr- und Bremssteuerung ist es jedoch wĂŒnschenswert, die Sandung durch eine bedarfsgerechte und ohne Zeitverzögerung arbeitende Automatik zu steuern, wodurch die Reproduzierbarkeit der Anhaltewege wesentlich gesteigert werden kann: So verliert ein mit 50 m/s (180 km/h) fahrender Zug durch einen Zeitverzug von drei Sekunden beim manuellen Auslösen fast 150 m Anhalteweg. Zudem ist die fĂŒr den notwendigen Kraftschluss erforderliche Sandmenge bei einer Geschwindigkeit von 50 m/s mindestens fĂŒnfmal so groĂ wie bei 10 m/s. Zu wenig verwendeter Sand kostet Anhalteweg. Zu groĂe Mengen fĂŒhren zur Bildung isolierender Schichten auf der Schiene, aus denen Störungen der Gleisfreimeldungen resultieren können, sowie unnötiger Verunreinigung des Gleisbetts.
Die Aufzeichnung des Rad-Schiene-PrĂŒfstandes zeigt, wie Automatik diese komplexen Anforderungen erfĂŒllt (Bild 6): Sie bewertet den Kraftschluss aller RadsĂ€tze in Echtzeit und löst bei Bedarf in Sekundenbruchteilen eine dem Kraftschlussdefizit sowie der Geschwindigkeit entsprechende Sandung aus.
Bei nicht zugeschalteter Automatik (links in Bild 6) werden alle RadsĂ€tze vom Gleitschutzsystem im gewĂŒnschten Bereich des Makroschlupfs gehalten. Dazu muss allerdings der Bremszylinderdruck signifikant abgesenkt werden. Folglich ist der geforderte Anhalteweg nicht mehr einzuhalten. Anstelle der in diesem Beispiel projektierten 529 m liegt er nun bei fast zwei Kilometern.
Bei zugeschalteter Automatik (rechts in Bild 6) â der erste von vier RadsĂ€tzen wird gesandet â rollen die ersten beiden RadsĂ€tze bereits nach wenigen Sekunden ohne Makroschlupf, die nachfolgenden RadsĂ€tze stabilisieren sich in einem fĂŒr sie optimalen Bereich.
Weitere Anwendungsgebiete des Rad-Schiene-PrĂŒfstands
Die Optimierung des Rad-Schiene-Kraftschlusses und des Gleitschutzsystems sind naturgemÀà die Hauptanwendungsgebiete des Rad-Schiene-PrĂŒfstands. DarĂŒber hinaus gestattet er jedoch eine Vielzahl weiterer Testarten, die fĂŒr die technologische Weiterentwicklung des Schienenverkehrs gleichfalls groĂe Bedeutung haben. Hierzu gehören beispielsweise der durch die Schienenfahrzeuge verursachte VerkehrslĂ€rm, die Interaktion von Bremsklötzen und RĂ€dern, die thermische und mechanische Wechselbeanspruchung des Kontaktpunkts beim Bremsen, das Verhalten von Bremskrafterzeugern bei der Bewegung des Radsatzes im Fahrbetrieb oder die Wirkung von Schienenbremsen und Putzklötzen.
Autoren: Martin Heller, Jörg Koch, Christian Burger, Andreas Festel
Literaturverzeichnis
[1] Englbrecht, Linke, Hohmann, Gremmel. Höhere TransportkapazitĂ€ten auf der Schiene: Simulation zeigt Potenziale fĂŒr optimierte Auslastung bestehender Infrastruktur. ZEVRail, 08/2020
[2] Meyer, Rasel. Höhere Zugtaktung: Neuartiger Gleitschutz fĂŒr eine verbesserte Auslastung der Schieneninfrastruktur. ZEVRail, 11-12/2020
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