原作者: 伯明翰大学, Saikat Dutta

1.道岔(包括转辙机)

 

道岔或道岔故障造成了英国铁路乘客总延误的近20%。当列车经过道岔时,就会发生这种情况。尽管问题频发,但自近200年前首次设计以来,这些机构中使用的技术几乎没有改变。
但一个合作研究项目尝试实质性的替代技术。例如,名为Repoint的创新设计有三个独立的电机,可以抬升和移动道岔活动轨,依靠重力将轨道锁定到原位。该设计提供冗余功能,保证在一/两个电机发生故障时也能够正常工作。
这与现有的道岔形成了鲜明的对比,现有的道岔只能横向转动,并可能在中途卡住,因此需要昂贵的额外传感器和流程来降低风险。 “下一代道岔系统”旨在通过备用电机使得道岔转动时间更少,同时也提高道岔系统维护方便性,降低故障风险。

 

1. Mechatronic switches

Switch or points failure is responsible for nearly 20% of the total delay experienced by passengers on UK railways. This occurs when there’s a problem with the mechanism that enables trains to move from one track to another at a junction. Despite the frequency of the problem, the technology used in these mechanisms has hardly changed since the first design nearly 200 years ago.

But a collaborative research project has explored radical alternative technologies. For example, one innovative design called Repoint has three independent motors that can lift and shift the rails, relying on gravity to lock them back into place and providing redundancy in case one or two of the motors fail.

This contrasts with existing switches that slide the rails sideways and can get stuck midway, so have costly additional layers of sensors and protocols to mitigate the risk. The next-generation “mechatronic” switches aim to work faster, improve ease of maintenance and reduce the risk of failure through their backup motors.

2.主动转向架

传统的转向架限制了列车在曲线轨道上行驶的速度,这限制了一条进路上可以行驶的列车数量。转向架系统基本上像大弹簧一样工作,当列车在不平顺的地面上行驶时,自动改变车轮和车厢之间的距离,使乘坐感觉平稳。
目前正在研发的主动转向架,采用新传感器技术、执行器和控制器技术,达到更精确地改变车轮和车厢之间的距离。这提高乘客舒适性,同时也能够使列车以更高的速度和稳定性在曲线段运行。这样可以与整个系统相结合,在过曲线段时列车主动倾斜,提高各方面性能。
与传统的转向相比,主动倾斜、转向和悬挂。

 

2. Active suspension

Conventional suspension systems restrict a train’s speed as it travels on curved track, limiting how many trains you can run on a route. These suspension systems essentially work like large springs, automatically changing the distance between the wheels and the carriage as the train travels over uneven ground to make the ride feel smoother.

Active suspension systems are now being developed which introduce new sensors, actuators and controllers to more precisely alter the distance between wheels and carriage. This offers improved ride comfort and enables the train to travel round curves with greater speed and stability. This can be combined with systems to actively tilt the train as it rounds the corner, offering increased benefits.

Active tilting, steering and suspension compared to traditional tilting train.

 

3.主动转向车轮

在传统轮对中,两个车轮都与固定轴连接,防止它们之间发生任何相对旋转。当列车在岔区进入弯道时,必须减速以确保车轮在轨道上被引导,并防止车轮产生不必要的振动。

铁路研发人员现在正在开发一种独立旋转的车轮,包括一个单独的驱动机械装置以帮助列车在过曲线段时高效通过。

3. Actively steering

In a conventional wheelset, both wheels are interlocked and connected with a fixed axle, preventing any relative rotation between them. When a train enters a curve or a divergent route at a junction, it must slow down to ensure the wheels are guided over the track and to prevent unwanted vibration of the wheels.

Railway researchers are now developing independently rotating wheels to include a separate actuation mechanism that can help steer the wheelsets on the curved route.

4.主动受电弓

高速列车需要通过位于车辆顶部的受电弓与架空电力线保持良好接触。在英国铁路上,受电弓高度通常约2m,以确保不同区域(如隧道、平交道口和桥梁)的连接。

研究人员正在开发主动受电弓,这种受电弓的高度和感应振动与致动器控制的功率传递有关。这样主动受电弓可以提高接触力,消除由于架空线高度的快速变化和其他环境干扰(如风)造成的接触损耗问题。

 

4. Active pantograph

High-peed electric trains need to maintain good contact with the overhead powerlines via the pantograph that sits on top of the vehicle. On the UK mainline, pantograph height usually varies by about 2m to secure the connection in different areas such as in tunnels, level crossings and bridges.

Researchers are starting to develop active pantographs that have their height and the induced vibration involved in power transfer controlled by an actuator. These active pantographs can improve the contact force and eliminate contact loss problems due to rapid changes in the overhead line height and other environmental disturbances (such as wind).

5.虚拟连挂

一条线路上可同时运行的列车数部分取决于信号系统。大多数铁路采用固定闭塞系统,将轨道分成若干区段。每个区段只能有一列列车,因此列车之间必须有明显的安全间隔。
但一些铁路开始使用移动闭塞系统。该系统根据列车在紧急情况下停车所需的距离来确定列车之间的安全间隔。但是,如果基于前后车的实时通信,那么这个安全距离可能可以进一步缩小,这些信息包括前车的位置和速度,以及前车的牵引制动指令信息。
虚拟连接系统和移动闭塞系统之间的比较, 图片由作者Saikat Dutta提供。

 

这就是“虚拟连挂”,涉及前后两列车直接交互相关的变化信息,以便将它们之间的安全间隔实时达到所需的最小值。随着它们之间的追踪间隔缩短,更多的列车可以在正线追踪运行,从而提高整个线路的通过能力。

 

5. Virtual coupling

The number of trains that can run on a route (and so the capacity of the line) depends in part on the signalling system. Most railways use a fixed-lock system, which divides the tracks into sections. Only one train at a time can be in each section so there has to be a significant gap between the trains.

But some railways are now starting to use a moving-block signalling system, which determines the necessary gap between trains based on the distance it takes for them to come to a stop in an emergency. But this gap could be reduced further if it’s based on real time information about what the train in front is doing and where it will stop if it hits the brakes.

This is known as “virtual coupling” and involves the two trains communicating information about their changing speed and brake activity so that they can decrease or increase the gap between them to the minimum necessary. With shorter gaps between them, more trains could run safely on a route, increasing overall network capacity.

Virtual coupling system compared to moving block system. Saikat Dutta, Author provided

有了这些创新,我们可以引进能够适应线路变化的列车,以便在大部分旅程中保持高速,避免那些恼人的停顿旅行期。以这种方式拓宽和打破目前轨道交通设计的界限,将使我们能够创建一个下一代的铁路网络,其性能有一个阶梯式的提高,适合21世纪–不需要任何昂贵的悬浮列车或真空隧道。

With such innovations, we could introduce trains that are able to adapt to the changing characteristics of the line in order to maintain high speeds throughout most of the journey and avoid those annoying stop-start periods of travel. Widening and disrupting the boundaries of current railway designs in this way would enable us to create a next-generation network with a step-change in performance that is fit for the 21st century – without any need for expensive levitating trains or vaccum tubes.

原文链接:https://www.econotimes.com/Five-innovations-that-could-shape-the-future-of-rail-travel-1594485

发表回复

您的电子邮箱地址不会被公开。