過去20年間にわたる台車と車輪セットの開発

投稿日: 2023 年 5 月 24 日 | カート・ストローマー、マーティン・ローゼンバーガー、トーマス・モシャマー | コメントはまだありません

シーメンス モビリティ オーストリアの同僚、クルト シュトローマー、トーマス モシャマー、マーティン ローゼンバーガーが、安全性、騒音、摩耗、軽量化に関する最も重要な問題のいくつかに焦点を当てながら、台車と車輪セットの設計が過去 20 年間でどのように変化したかを説明し、展望を示します。今後数年間にこれらのコンポーネントをさらに改善するための課題と機会は何なのかについて説明します。

クレジット: シーメンス モビリティ

オーストリアのグラーツにあるシーメンス モビリティ鉄道車両台車ユニットは、レール コンポーネントのファミリーであり、シーメンス モビリティ内の台車の世界コンピテンス センターである MoComp の一部です。つまり、すべての台車開発 (ヨーロッパおよび国際プロジェクト向け) がグラーツで完了します。衛星生産ユニットにおけるすべての台車活動はグラーツによって管理されます。

もちろん、製品設計は依然として主要なパラメータに対する顧客の要求によって主に推進されていますが、最新の台車と車輪セットの設計に大きな影響を与えたいくつかの変更と開発があります。

ここ数年、強度設計の精度に関する要件が高まっていることに加えて、生産における自動化の度合いに関する課題も増加しています。 すでに開発の初期段階で、高度に自動化されたロボットラインでフレームを溶接できるかどうかが分析されています。 この目的のために、溶接継ぎ目のアクセス可能性に関する調査を開発の初期段階で実行する必要があります。 これは、台車枠を高品質で効率的に製造するための基礎です。

軽量化は現代の台車にとって最も重要な要件の 1 つであるため、台車フレームの新しい材料がここ数年研究されました。 競合他社の一部は、さまざまな用途向けに炭素繊維強化プラスチック (CFRP) で作られたいくつかの設計を発表しました。 Siemens Mobility Graz 内の戦略は、高張力鋼を使用して軽量の台車フレームを構築することです (図 1 を参照)。 伝えられている軽量化は、CFRP と高張力鋼の両方で 40 ～ 50% の範囲です。

疲労強度計算のプロセスを図2に示します。

新しい疲労評価方法 (高度な荷重仮定法、より詳細な FEA モデル、および高度な疲労評価方法 (ノッチ応力など)) によってサポートされる軽量設計により、構造の軽量化が可能になると同時に、堅牢性を最優先事項として維持することができます。

ここでの FEA モデリングの精度は長年にわたって向上しています。 現在、有限要素モデルは約 700,000 ～ 1,400,000 の要素で構成されています。 マルチボディ システムのシミュレーションでは、操作の正しい動作を表現できるように、構造コンポーネントの弾性体を考慮する必要があります。

つまり、戦略的な軽量設計は、エネルギー効率、資源の効率的利用、線路利用料金の削減など、さまざまな側面から非常に重要になっています。

鉄道台車の開発では、30 年以上にわたり、車両動力学シミュレーションにマルチボディ システム シミュレーション (MBS シミュレーション) の方法論が使用され、脱線や走行挙動に対する安全性に関する要件を評価して満たしています。 しかし、ゴム製金属部品などのさまざまなコンポーネント用のより詳細なサブモデルとモジュールの開発、または MBS シミュレーションに弾性構造を組み込む高度なプロセスのおかげで、予測の品質が向上しただけでなく、負荷に対するアプリケーション領域も拡大しました。乗り心地と音響だけでなく、前提条件も考慮します。 これが可能となったのは、過去 20 年間、コンポーネント、サブシステム、車両のシミュレーションとテストをより緊密に行うために多大な努力が払われてきたからです。

現在、シミュレーション モデルは検証に関して最高の要件をすでに満たしているため、脱線安全性や走行挙動などの安全上重要なパラメータの仮想認証にすでに使用されています。

鉄道輸送の開始以来、車輪とレールの摩耗は鉄道システムにおける大きなコスト要因となっています。 高忠実度の MBS シミュレーション モデルと、摩耗や損傷現象の現場運用データを組み合わせることで、車輪とレールのより正確な摩耗と劣化モデルの開発が可能になりました。 これらのアプローチは現在、インテリジェントな摩擦管理システムなどを使用して、ホイール プロファイルとホイールとレールのインターフェース全般を最適化するためにすでに使用されています。 その結果、信頼性と可用性が確保され、鉄道システムのライフサイクルコストが削減されます。

ホイールセット

ホイール、車軸、ベアリングの開発では、これらのコンポーネントがホイールレールシステムの安全性とライフサイクルコストの両方に最も大きな影響を与えるため、標準化は製品設計に大きな影響を与えます。 設計、製造、使用中のメンテナンスを含む安全のトライアングルは厳しく規制されています。 以下では、規格と手順の変更の例と、それらがホイールセットの設計に与える影響について説明します。

ホイール、車軸、ベアリングの開発では、これらのコンポーネントがホイールレールシステムの安全性とライフサイクルコストの両方に最も大きな影響を与えるため、標準化は製品設計に大きな影響を与えます。

アクスルの規格は、フレッチングの影響を考慮して、高張力鋼 34CrNoMo6 などの新しいアクスル材料を適用するための新しい手順により、さらに承認を得ています。 追加の定義は、運用時の問題によって動機付けられ、ModBogie、Euraxles、および Widem などのヨーロッパの研究プロジェクトの結果に基づいています。既存のコンポーネントの検証には運用の経験が重要な役割を果たすため、インシデント調査の公表により、問題が解決される可能性が高まりました。過去 20 年間にノウハウが現場から新しい設計に移転されました。

強度設計と音の放射に関する計算手順におけるホイール設計基準により、軽量化と騒音低減という相反する要件に関してホイールを最適化する機会が得られます。 設計がシミュレーションで受け入れられるのに適さない場合、規格では実験による強度テストの結果とノイズ測定に基づいた第 2 段階が提供されます。

現在、トレッドブレーキ付きホイールの熱機械的許容手順は、ダイナモメーターのテストベンチでのテストに限定されていますが、近い将来、熱伝達計算だけでなく、多軸強度や低サイクル疲労評価のシミュレーションも可能になる予定です。 ここ数年でトレッドブレーキが復活しつつあったため、これは非常に重要です。

走行動作

ランニング動作の分野では、EN14363 などの規格が大幅に拡張されました。 欧州連合が資金提供した部門全体の取り組みに基づいて、ランニング動作評価のさまざまな応用分野に対するモデルの妥当性を評価できる評価指標とともに方法とプロセスが確立されました。 MBS シミュレーション モデルの予測品質の向上に伴い、仮想認証の使用の可能性も結果的に増加しています。 さまざまなアプリケーション領域に対するモデルの妥当性を評価できるメトリクスが開発されています。

新しい規格、方法、プロセスに基づく改良に加えて、機械システムの台車は、台車と鉄道車両のメンテナンスを最適化するためにいくつかの鉄道車両群ですでに使用されている新しい電子診断および監視ソリューションの開発によって根本的に拡張されました。 鉄道台車と車体のセンサーと、エッジ コンピューティング デバイス、および単純な信号処理アプローチから機械学習や人工知能に至るまでのインテリジェント アルゴリズムに基づいて、台車コンポーネントと台車サブシステムの健康状態と残りの耐用年数情報が提供されます。 この情報はメンテナンス デポで使用されて状態ベースのメンテナンス プロセスが確立されるため、ライフサイクル コストが削減され、可用性が向上します。

将来のさらなる改善に役立つ可能性がいくつかあります。

台車の設計と性能は、いくつかの問題によって過去 20 年間に劇的に変化しました。 それにもかかわらず、特にデジタル手法の使用の強化により、今後 20 年間でさらなる改善が促進されるでしょう。

学士号カート・ストローマー 2009 年からは、グラーツの Siemens Mobility Austria GmbH で製品ポートフォリオ管理および台車の先行開発の責任者を務めています。Montanuniversität Leoben で機械工学を学びました。 彼はシーメンス モビリティに 26 年間勤務しています。 Kurt は、ライト レールおよび地下鉄車両の台車のプロジェクト マネージャーとしてスタートし、2009 年から現在の役職に就いています。

博士。 トーマス・モシャマー 2016 年からグラーツのシーメンス モビリティ オーストリア GmbH で台車の構造シミュレーション検証責任者を務めています。ウィーン工科大学で機械工学を学び、グラーツ工科大学で博士論文を学びました。 彼は AVL に 6 年間、MAGNA STEYR に 8 年間、そして Siemens Mobility に 16 年間勤務しています。 彼は Siemens Mobility でシミュレーションおよびテスト部門の責任者として入社しました。 さらに、トーマスは、高度なメソッド、デジタル ツイン、EN‑データ分析、リーン開発のイノベーション領域リーダーの役割を担っています。

AT博士。 技術。 マーティン・ローゼンバーガーグラーツ工科大学で機械工学のメカトロニクスを学び、その後車両力学、ホイールレール摩耗、アクティブホイールレールガイドで博士号を取得しました。 彼は研究開発に 13 年間勤務し、2016 年にシーメンス モビリティに入社しました。現在の役職は、グラーツにあるシーメンス モビリティ オーストリア GmbH の台車エンジニアリング部門の車両動力学、音響および分析部門の責任者です。

2023 年 1 号

台車と車輪セット

シーメンスのモビリティ

カート・ストローマー、マーティン・ローゼンバーガー、トーマス・モシャマー