200km/h mit 30t Achslast

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1 200km/h mit 30t Achslast Christof Schieber Dr. Werner Breuer MO RS CRC ISR MO RS LM EN SC siemens.com/mo RS Eisenbahnwesen Seminar Berlin, 23. April 2018

2 Inhaltsverzeichnis Schienen-Personenfernverkehr in Nordamerika Die Siemens-Fahrzeuge Infrastrukturelle Randbedingungen Struktur der fahrtechnischen Regelwerke Fahrtechnische Beurteilungskriterien Der praktische Ablauf der Zulassung Zusammenfassung Seite 2

3 Schienen-Personenfernverkehr in Nordamerika Schienen-Personenfernverkehr in Nordamerika Die Siemens-Fahrzeuge Infrastrukturelle Randbedingungen Struktur der fahrtechnischen Regelwerke Fahrtechnische Beurteilungskriterien Der praktische Ablauf der Zulassung Zusammenfassung Seite 3

4 Schienen-Personenfernverkehr in Nordamerika Betreiber (Auswahl) Ort Route Miles Amtrak Long Distance, Commuter, NEC and Keystone MTA Long Island Rail Road New York 321 New Jersey Transit Rail New York / Philadelphia MTA Metro-North Railroad New York 385 Metra Chicago SEPTA Regional Rail Philadelphia 280 MBTA Commuter Rail Boston / Providence 368 Caltrain San Francisco / San José 77.4 Metrolink Los Angeles / San Bernardino 388 MARC Train Baltimore / Washington, D.C. 187 Großraum New York in 2014 >270 Millionen Passagiere (ohne Metro!) Betreiber Ort Route km VIA Rail Long Distance Services Metrolinx / GO Transit Toronto, Ontario 452 Agence métropolitaine de transport Montreal, Québec 214 West Coast Express Vancouver, BC 69 Seite 4

5 Die Siemens-Fahrzeuge Schienen-Personenfernverkehr in Nordamerika Die Siemens-Fahrzeuge Infrastrukturelle Randbedingungen Struktur der fahrtechnischen Regelwerke Fahrtechnische Beurteilungskriterien Der praktische Ablauf der Zulassung Zusammenfassung Seite 5

6 Charger SC-44 ACS-64 The American Way Aktuelle Siemens-Aufträge für Lokomotiven in Nordamerika Amtrak 70 locomotives in 2010 SEPTA (Southeast Pennsylvania Transportation Authority) 13 locomotives in locomotives in 2016 IDOT (Illinois Department of Transportation) 21 locomotives in locomotives in 2015 WSDOT (Washington Department of Transportation) 5 locomotives in locomotives in 2014 Caltrans (California Department of Transportation) 6 locomotives in locomotives in locomotives in 2016 MTA MARC (Maryland Area Regional Commuter) 8 locomotives in 2015 Brightline 10 locomotives in 2014 (20 coaches in 2014) S 162 Lokomotiven Sowie Optionen über mehr als 200 weitere Lokomotiven Seite 6

7 SC-44 Charger Dieselelektrische Lokomotive Source: U.S. DOT and FRA ( ) Seite 7

8 SC-44 Charger Dieselelektrische Lokomotive 2008 Erlass des Passenger Rail Investment and Improvement Act (PRIIA) durch die U.S.-Bundesregierung zur Förderung und Stärkung des Verkehrs auf dem Northeast Corridor, des Amtrak Fernverkehrs und der von den Bundesstaaten betriebenen oder unterstützen Regional- und Korridorverkehre Gründung des Next Generation Equipment Committee (NGEC) unter Beteiligung von Amtrak (Federführung), der Behörden und der Hersteller. Ziel ist die Erstellung einheitlicher Spezifikationen für moderne Fahrzeuge für den Passagierverkehr (z.b. PRIIA für dieselelektrische Lokomotiven) Zusammenschluss der U.S.-Bundesstaaten Illinois, Michigan, Missouri, Kalifornien und Washington zu einer Einkaufsgemeinschaft Joint Purchasing Entity (JPE) zur gemeinschaftlichen Ausschreibung und Beschaffung von bis zu 257 dieselelektrischen Lokomotiven gemäß PRIIA im Jahr 2013 (Multistate Ausschreibung) heute Vergabe an Siemens mit einer ersten Festbestellung von 32 Lokomotiven. Inzwischen wurden bereits 69 Lokomotiven aus diesem Vertrag abgerufen. Seite 8

9 SC-44 Charger Dieselelektrische Lokomotive Streamlined nose for push-pull trainsets Seite 9

10 SC-44 Charger Dieselelektrische Lokomotive Achsfolge Leistung Motor Max. Geschwindigkeit BoBo kw (4.400 hp) Cummins QSK95 16 Zylinder / EPA Tier IV 201 km/h (125 mph) Masse 120 t ( lbs ) Zugkraft Länge HEP Kraftstofftank 290 kn ( lbf) mm (71,5 ft) 3AC 480 V 600 kw l / gal Seite 10

11 SC-44 Charger Dieselelektrische Lokomotive Technical Characteristics Well within FRA specified Stability Limits Seite 11

12 SC-44 Charger Dieselelektrische Lokomotive Seite 12

13 SC-44 Charger Dieselelektrische Lokomotive Batteriekästen Drehgestell 2 HEP Transformator Integrierter Kraftstofftank DEF Tank Drehgestell 1 Seite 13

14 SC-44 Charger Dieselelektrische Lokomotive 16-Zylinder Hochleistungs-Dieselmotor 4 Turbolader NOx-Minimierung durch SCR-Abgasnachbehandlung 4 Turbolader Doppelwandige Hochdruck- Kraftstoffleitungen Kraftstoff-Filter 6 Motorlager Elektrische Kraftstoffpumpen Seite 14

15 SC-44 Charger Dieselelektrische Lokomotive Abgasnachbehandlung (DRP) Decomposition Reactor Pipe Abgasnachbehandlung (SCR) Selective Catalytic Reduction Dieselmotor -Kühlanlage Kraftstofftank Generator Dieselmotor Seite 15 DEF-Tank

16 SC-44 Charger Dieselelektrische Lokomotive Der Charger bietet im Rahmen des Plattformkonzeptes eine Vielzahl möglicher Varianten, um die Lokomotive ideal an die Bedürfnisse unserer Kunden zu adaptieren. Beispiele hierfür sind unter anderem: Frontnase (klassisches Design mit Standardkupplung oder aerodynamischeres Design für Zugkonzepte) Dach mit aerodynamischer Anpassung an Doppelstockwagen Unterschiedliche Zugsicherungssysteme V/T-I (Vehicle-Track Interaction Monitoring System) Strobe Lights (Warnlichter) auf dem Dach Zugzielanzeige in der Front Rückspiegel und/oder Rückschaukamera Toilette Zusätzliche Wartungsklappe in der Seitenwand Seite 16

17 SC-44 Charger Dieselelektrische Lokomotive Klassisches Design (Multistate Lokomotiven) Gemeinsame Schnittstelle für alle Varianten Aerodynamischeres Design (Brightline) Seite 17

18 Amtrak Cities Sprinter ACS-64 Elektrische Lokomotive Achsfolge Leistung Max. Geschwindigkeit Gewicht Max. Zugkraft Kunden BoBo 6,4 MW (8.600hp) 201 km/h (125mph) 97,8 t ( lb) 320 kn ( lbf) Amtrak SEPTA (Pennsylvania) Seite 18

19 Drehgestell-Entwicklung auf Basis SF4 Lokomotiven mit teilgefedertem Antrieb v Max 140 km/h Das Konzept des SF4 Drehgestells basiert auf dem SF3 Drehgestell Rh2016 der ÖBB mit SF3 SF3 Drehgestell Entkopplung zwischen Fahrmotor und Getriebe durch Stahl-Lamellen Kupplung: SF3 Dreieckslenker in der Radsatzführung: SF1, SF2, SF3 Evolution statt Revolution Seite 19

20 Antrieb mit teilgefedertem Getriebe und vollgefedertem Motor Dreipunkt Motor-Lagerung: Einstellbare Querelastizität durch vertikal vorgespannte Gummischichtfedern Pendelstütze des Getriebes stützt sich am Fahrmotorgehäuse ab Verschleißfreie Stahl-Lamellen-Kupplung zwischen Fahrmotor und Getriebe. Seite 20

21 Drehgestell Radsatzführung Quersteifigkeit Längssteifigkeit Seite 21 Entkopplung der Quer- und Längssteifigkeit des Dreieckslenkers: hohe Fahrstabilität gutes Verhalten im Bogen

22 Infrastrukturelle Randbedingungen Schienen-Personenfernverkehr in Nordamerika Die Siemens-Fahrzeuge Infrastrukturelle Randbedingungen Struktur der fahrtechnischen Regelwerke Fahrtechnische Beurteilungskriterien Der praktische Ablauf der Zulassung Zusammenfassung Seite 22

23 Infrastrukturelle Randbedingungen Geschwindigkeitsklassen Streckenklasse Frachtverkehr Personenverkehr Class 1 10 mph (16 km/h) 15 mph (24 km/h) Class 2 25 mph (40 km/h) 30 mph (48 km/h) Class 3 40 mph (64 km/h) 60 mph (97 km/h) Class 4 60 mph (97 km/h) 80 mph (129 km/h) Class 5 80 mph (129 km/h) 90 mph (145 km/h) Class 6 Class 7 Class 8 Class mph (177 km/h) 125 mph (201 km/h) 160 mph (257 km/h) 220 mph (354 km/h) In diesem Klassifizierungsschema werden Grenzwerte definiert für Gleislagefehler (lateral, vertikal und cross-level) Spurweitenfehler Es ist von vorneherein nicht klar, welche Klasse den worst case repräsentiert Seite 23

24 Infrastrukturelle Randbedingungen Klassifizierung der Gleislagefehler Laterale Störungen Vertikale Störungen Periodische Gleislagefehler in unterschiedlichen Wellenlängen in unterschiedlichen Wellenlängen 31ft (9.45m), 62ft (18.90m), 124ft (37.80m) in unterschiedlichen Phasenlagen in unterschiedlichen geometrischen Richtungen Seite 24

25 Infrastrukturelle Randbedingungen Kurzwellige Vertikalstörungen P1 und P2 Kräfte P1 Kraft: Hochfrequenter Anteil der dynamischer Belastung durch kurzwellige Vertikalstörungen. Wird als Maß der Schwellen-Schädigung interpretiert 1). Seite 25 P2 Kraft: Niederfrequenter Anteil dynamischer der Belastung durch kurzwellige Vertikalstörungen. Wird als Maß der Schotter-Schädigung interpretiert 1). 1) Allan M. Zarembski, Joseph W. Palese, John G. Bell: Limiting High Speed Dynamic Forces on the Track Structure The Amtrak Acela Case

26 Infrastrukturelle Randbedingungen Fahrweg-Beanspruchung Vertragsbedingungen ACS-64 Vertrag: Listen mit Achslagerbeschleunigungen am NEC Trigger: 50g vertikal, 30g lateral SC-44 Vertrag (PRIIA): Vehicle/Track-Interaction (V/T-I) Monitor Messsystem, das auf Basis von Beschleunigungssensoren die Fahrzeugreaktion erfasst. Die SC-44 ist dazu mit Beschleunigungssensoren an Achslagern, am Drehgestell und im Wagenkasten ausgerüstet Definition eines Grenzwertes für die P2 Kraft Seite 26

27 Infrastrukturelle Randbedingungen Elemente der fahrtechnischen Zulassung Simulation Modellvalidierung Streckenversuch Static Lean Equalization Lean Test 12,0 10,0 Carbody Roll Angle (Test) Carbody Roll Angle (Simulation) 8,0 Roll Angle 6,0 4,0 2,0 0, Lean (inches) Virtuelle Strecke Keiltest Reale Strecke Reale Strecke VTI Sicherheitskriterien Rad-Schiene Kräfte Beschleunigungen VTI: Vehicle Track Interaction Static Lean: Neigeversuch Equalization: Radentlastungsversuch Zusammenspiel von statischen Tests, dynamischen Tests, Simulation und Validierung Seite 27

28 Struktur der fahrtechnischen Regelwerke Schienen-Personenfernverkehr in Nordamerika Die Siemens-Fahrzeuge Infrastrukturelle Randbedingungen Struktur der fahrtechnischen Regelwerke Fahrtechnische Beurteilungskriterien Der praktische Ablauf der Zulassung Zusammenfassung Seite 28

29 Struktur der fahrtechnischen Regelwerke Regelwerke auf Bundes- und Verbandsebene bestimmen die fahrtechnische Zulassung: Bundesgesetz: Verbandsregeln: 49 CFR 213 (CFR = Code of Federal Regulations) M1001 Chapter (AAR=Association of American Railroads) APTA-PR-M-S Wheel Load Equalization (APTA = American Public Transport Association) Zusammenspiel der Regelwerke 49 CFR 213 hat USA-weit Gesetzescharakter (neue Fassung 2013 in Kraft getreten) Verbandsregeln sind wichtig, da die Schieneninfrastruktur in der Regel EVUs gehört Seite 29

30 Struktur der fahrtechnischen Regelwerke Das Zulassungsschema nach 49 CFR Überhöhungs fehlbetrag Eu [inch],cx Eu 3 Neues Fahrzeug Qualifiziertes Fahrzeug Maximal zulässige Geschwindigkeit [mph] Streckenklasse WK + Keine Versuche oder Simulationen DG + (RS/ WK + DG + RS + SIM Keine Versuche oder Simulationen WK + DG SIM) 3 < Eu 4 4 < Eu 5 SL SL + WK + DG + (RS/ SIM) SL + WK + DG + RS + SIM 5 < Eu 6 SL + WK NO + WK Eu > 6 SL + WK + RS + SIM NO + WK + (RS/SIM) NO NO + WK + DG NO + WK + DG + (RS/SIM) SL Static Lean Test Überhöhungsfehlbetrag inch mm WK Beschleunigungen im Wagenkasten 3 76,2 DG Beschleunigungen am Drehgestell 4 101,6 RS Rad-Schiene Kräfte 5 127,0 SIM Simulation (MCAT & Streckenabschnitte) 6 152,4 NO Notifikation FRA Umfang der Versuche hängt von Geschwindigkeit und Überhöhungsfehlbetrag ab Seite 30

31 Fahrtechnische Beurteilungskriterien Schienen-Personenfernverkehr in Nordamerika Die Siemens-Fahrzeuge Infrastrukturelle Randbedingungen Struktur der fahrtechnischen Regelwerke Fahrtechnische Beurteilungskriterien Der praktische Ablauf der Zulassung Zusammenfassung Seite 31

32 Beschleunigungen R/S Kräfte Fahrtechnische Beurteilungskriterien 49 CFR Phänomen Parameter Grenzwert Fenster Radentlastung Single Wheel Vertical Load Ratio V/V Entgleisungssicherheit Single Wheel L/V 1.02 Gleisverschiebung Net Axle L/V ft 1.52m L Y V Q Schienenverkippung Truck Side L/V Carbody Lateral Transient 0.75g p2p 1 s Fahrsicherheit/Fahrverhalten Carbody Lateral Sustained 0.12g rms 4 s Carbody Vertical Transient 1.25g p2p 1 s Carbody Vertical Sustained 0.25g rms 4 s Laufstabilität Truck Lateral Sustained 0.30g rms 2 s p2p : Peak to Peak Grenzwerte Gilt für alle Geschwindigkeiten und Klassen Es wird keine Statistik angewendet Kräfte werden immer auf die vertikale Radaufstandskraft bezogen (kein Y qst oder Q qst ) Limits für Beschleunigungen sind großzügig im WK und restriktiv am DG (Vergleich EN14363) Seite 32

33 Fahrtechnische Beurteilungskriterien AAR M Chapter XI AAR Kriterium (hauptsächlich für Güterwagen) Künstliche Szenarien, die spezielle Eigenformen anregen - am TTCI in Pueblo, CO gebaut Bis maximal 90mph, aber speziell auf Resonanzen abzielend, keine Statistik Seite 33

34 Fahrtechnische Beurteilungskriterien Periodische Gleisstörungen Minimal Compliant Analytic Track Curving < 1 degree: Classes 6-8 for CD>5, Class 9 all CD Curving 1 degree: Classes 6-8 for CD>5, Classes 1-5 for CD>6 Curving < 1 degree: Classes 6-8 for CD>5, Class 9 all CD Curving 1 degree: Classes 6-8 for CD>5, Classes 1-5 for CD>6 Tangent: Classes 6-9 Class 9 only Hunting Gage Gage Repeated Repeated Single Single Short Combination Perturbation Narrowing Widening 10 l l Surface l l l l Alinement l Surface l Alinement l Warp Perturbation l Laterale Störungen Left Alinement Right Alinement Vertikale Störungen Left Surface Right Surface Künstliche Strecke mit maximal zulässigen Fehlern für verschiedene Situationen Durch Simulation mit validiertem Modell nachzuweisen Seite 34

35 Fahrtechnische Beurteilungskriterien CFR vs. EN Vergleich der Bewertungskriterien.. 49 CFR EN Y/Q 1,02 0,80 SY 0,50 Q 0 (2/3 Q kN)@90to 0,75 Q 0 y + RMS 0,30g 2,94m/s² (12m/s² - m + /5t)/2@15t 4,50m/s² y * m,s,max 0,75g (p2p) 3,68m/s² 2,60m/s² 3,00m/s².... z * m,s,max 1,25g (p2p) 6,13m/s² 3,00m/s².. y * RMS 0,12g 1,18m/s² 0,50m/s².. z * RMS 0,25g 2,45m/s² 1,00m/s² p2p : Peak to Peak der jeweilige Wert ist konservativ Kastenbeschleunigungen werden nach EN konservativer als nach CFR bewertet SY wird nach CFR konservativer als nach EN bewertet.. Y/Q wird nach EN konservativer als nach CFR bewertet y + RMS wird nach CFR konservativer als nach EN bewertet Seite 35

36 Der praktische Ablauf der Zulassung Schienen-Personenfernverkehr in Nordamerika Die Siemens-Fahrzeuge Infrastrukturelle Randbedingungen Struktur der fahrtechnischen Regelwerke Fahrtechnische Beurteilungskriterien Der praktische Ablauf der Zulassung Zusammenfassung Seite 36

37 Zulassung Der praktische Ablauf der Zulassung von ACS-64 und SC-44 1 Statische Versuche & Validierung Static Lean Test Equalization Test Wedge Test 2 Streckenversuche High Speed Cant Deficiency Representative Track 3 MCAT Simulationen 4 Dynamische Modellvalidierung Seite 37

38 Roll Angle [deg] Zulassung Statische Versuche Static Lean Test 2013: ACS : SC-44 9,00 10,0% 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 9,0% 8,0% 7,0% 6,0% 5,0% 4,0% 3,0% 2,0% 1,0% Test Simulation Deviation 0, Cant deficiency [inches] 0,0% Durchführung und Kriterien Neigen des Fahrzeugs bis zum angestrebten Überhöhungsfehlbetrag Radlast an allen Rädern >60% der statischen Radlast Wankwinkel < 8.6 Grad (bis 7 ) Seite 38

39 Wheel Unloading Zulassung Statische Versuche Equalization Test 100,00% Aufbau des Radentlastungsversuchs 90,00% 80,00% 70,00% 60,00% 50,00% 40,00% 30,00% Simulation L1 L2 R1 R2 Limit Deviation 20,00% 10,00% 0,00% 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Wheel Lift / Drop Durchführung und Kriterien Heben und Senken jedes Rades am leichteren DG um 3 inch (76 mm) Radentlastung aller Räder unter 65% bei 2.5 inch (51 mm) Kein Abheben bei 3 inch (76 mm) Seite 39

40 Zulassung Modellvalidierung Wegde Test Anregung verschiedener Eigenformen Bestimmung der Eigenfrequenzen aus FFT Schiene Radsatz Beschreibung Eigenform Links Rechts Keile an allen Rädern rechts Wanken WK und DG Links Rechts Keile an allen Rädern Tauchen WK und DG Links Rechts Keile unter DG 1 Nicken WK Links Rechts Keile unter RS 1 Nicken DG Durchführung und Kriterien Anregung bestimmter Eigenformen durch Überfahren von Keilen Instrumentiertes Fahrzeug (Beschleunigungsmessung), Vertikaldämpfer demontiert Bestimmung der Frequenzen aus den Zeitsignalen, Vergleich mit linearem MKS-Modell Seite 40

41 Zulassung Dynamische Versuche Test Location Milepost High Speed Stability Ham - County 32 to 57 Cant Deficiency Representative Segment Testing Grundy - Holmes Philadelphia Perryville Providence - Westerly 65 to 77 2 to to 190 Durchführung und Kriterien High speed stability: Hochtastfahrten auf Geraden des North-East-Corridor (NEC) Cant deficiency: Bogenfahrt bis zum betrieblichen a q + 1 inch Representative track: Befahren von zwei Abschnitten (je etwa 50 Meilen) mit betrieblichem a q Seite 41

42 Zulassung Simulationen am MCAT Varianten der Simulation 9 Geschwindigkeiten ( mph), 3 Störungswellenlängen (32,64 & 124 ft) 4 Überhöhungsfehlbeträge (3inch 6inch), 2 Spurweiten, zwei Radprofile, Gerade und Bögen In Summe 270 Einzelsimulationen! Seite 42

43 Zulassung Modellvalidierung Dynamische Versuche NEC Vergleich Messung Simulation durch optischen Vergleich Vergleich Messung Simulation durch optischen Vergleich Ergänzt durch minimale statistische Bewertung ACS-64: Validierung auf NEC Optischer Vergleich Simulation vs. Messung auf ausgewählten kurzen Abschnitten Simulation mit gemessenen Gleislagen und Geschwindigkeiten Schwierigkeiten: Synchronisierung, Signal/Noise, Subjektivität der Bewertung Seite 43

44 Zulassung Modellvalidierung Dynamische Versuche Pueblo Gemessene Gleislage Fahrzeugreaktion SC-44: Validierung mit Chapter XI Optischer Vergleich Simulation vs. Messung Simulation mit gemessenen Gleislagen und Geschwindigkeiten Gute Vergleichbarkeit bei gewissen Szenarien Seite 44

45 Zusammenfassung Schienen-Personenfernverkehr in Nordamerika Die Siemens-Fahrzeuge Infrastrukturelle Randbedingungen Struktur der fahrtechnischen Regelwerke Fahrtechnische Beurteilungskriterien Der praktische Ablauf der Zulassung Zusammenfassung Seite 45

46 Zusammenfassung Die ACS-64 wurde 2013 als erstes Fahrzeug nach dem neuen FRA-Regelwerk zugelassen. Dasselbe Zulassungsverfahren wurde für die SC-44 angewandt SC-44 & ACS-64: Well within FRA specified limits Hohe Radlast ist ein Vorteil bei der Zulassung: Bei der fahrtechnischen Bewertung werden die Querkräfte auf die statische Radlast normiert Beurteilung der Wechselwirkung zwischen Infrastruktur und Radlast über P1- und P2-Kräfte Vehicle/Track-Interaction (V/T-I) Monitoring Die SC-44 entspricht der neuesten Abgas-Emissionsnorm Tier IV Die SC-44 ist auffallend leise im Vergleich zu amerikanischen Diesel-Lokomotiven Seite 46

47 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dipl.-Ing. Christof Schieber Siemens AG Project Manager Desiro HC Israel MO RS CRC ISR Werner-von-Siemens-Str. 69 D Erlangen Dr. Werner Breuer Siemens AG Leiter Berechnung Lokomotiven MO RS LM EN SC Krauss-Maffei-Straße 2 D München werner.breuer@siemens.com Seite 47