Yüksek Hızlı Tren Teknolojisindeki Son Gelişmeler

    Yüksek hızlı trenler Japonya'yı ve Avrupa'nın büyük bölümünü çapraz bir şekilde katediyor ve Çin'de yayılmaya başlıyor. İki büyük tren üreticisi, Kanada'daki Bombardier ve bir Alman firması olan Siemens tarafından yüksek hızlı seyahatte sağlanan bazı teknolojik ilerlemelere bir göz atın.

Tren setleri ve lokomotifler

    Son teknoloji ürünü yüksek hızlı ( HS ) trenler - YHT -, rayların geleneksel kurallarına uymaz. Daha eski trenler hala, çekiş kuvvetlerini daha iyi dağıtmak için tüm çekiş motorlarını içeren bir veya iki lokomotif kullanıyor ve lokomotifler ön tarafa çift olarak veya ön ve arkaya yerleştirilmiş.

    Bununla birlikte, modern HS trenleri, daha iyi güç dağılımı ve daha konforlu bir sürüş için hemen hemen her arabaya çekiş motorları yerleştirmiştir. Gücü daha fazla aksa dağıtmak, trenlerin daha hızlı hızlanmasını ve yavaşlamasını da sağlar. Bunun nedeni, motorlu tekerleklerin gücü iletmek için tekerlekler ve ray arasındaki sürtünmeye dayanmasıdır. Tüm gücü yalnızca iki veya üç aksa göndermek, özellikle tam bir duruştan yola çıkarken, gücün sürtünmeyi aşma ve tekerlekleri döndürme olasılığını artırır. Ayrıca, dağıtılmış güçte bile, büyük bir trenin yuvarlanması veya bir yokuş yukarı çıkması için yeterli sürtünmenin olmadığı koşullar vardır. Örneğin buz veya ıslak yapraklar, sürtünme kuvvetini ciddi şekilde sınırlayabilir ve tekerleklerin kaymasına neden olabilir. Bunun üstesinden gelmek için HS trenleri, tıpkı daha yavaş kuzenleri gibi kuru kum taşırlar.

    Siemens'e göre çekiş kuvvetini akslar arasında yaymak, çekiş motorlarını zeminin altına monte etmek ve lokomotifi ortadan kaldırmak, modern HS trenlerine aynı uzunluktaki trenlerdeki yolcular için % 20 daha fazla alan sağlayabilir.

    Tüm binek vagonların yer aldığı tren setinde şoför vagon bulunuyor. Önde gelen vagon ve eğimli, aerodinamik bir burun ve ön camı, kumandaları ve iletişim ekipmanını barındırmak için önünde nispeten küçük bir bölme ve treni sürmek için gerçekten gereken tek kişi olan sürücü. Sürüş arabasının geri kalanı yolcular için donatılmıştır.

    Çoğu tren seti, önde giden bir sürüş arabası ile birbirine bağlanmış sekiz ila 10 arabadan oluşur. Ancak hem Bombardier hem de Siemens, yaklaşık 1.400 fit uzunluğunda veya çeyrek milin üzerinde olan 16 arabalık tren setlerinin bir parçası olabilecek arabalar üretiyor. 1.200 yolcu ve bagajları dahil olmak üzere böyle bir trenin ağırlığı 1.000 ton civarındadır.

    Bombardier'in 16 arabalık bir tren seti olarak yapılandırılan Zefiro'unda normalde 32 çekiş motoru vardır, bu nedenle aksların yarısı çalıştırılır. ( Her araba bir çift iki akslı boji üzerinde hareket eder ). Ve her motor 600 kW veya 800 hp katkıda bulunarak tüm tren setine 19 MW'ın üzerinde kurulu güç sağlar. Çalışma koşullarına göre değişen enerji tüketimi ortalama 0,08 kW-sa / mil / koltuktur.

   Siemens, Velaro tren setlerinin 100 km'de koltuk başına 0,33 litre eşdeğer benzin ( bir kutu sodadaki sıvı miktarı hakkında ) tükettiğini söyleyerek enerji verimliliğini başka bir şekilde özetliyor. Ve çevre açısından, yaklaşık 14 gr CO₂ / yolcu / mil yayarlar .

    Bombardier'in HS trenleri, enerji kullanımını azaltmak için asenkron motorlardan % 4 daha az enerjiye ihtiyaç duyan kalıcı mıknatıslı motorlara güveniyor.

    HS trenleri yeni yeni yuvarlanmaya başladığında, yaklaşık 1,6 fps2 ile hızlanıyorlar, bu da sonunda yolcu konforu açısından üst sınır olan yaklaşık 3 fps2'ye yükseliyor. Frenleme yavaşlaması da yaklaşık 3 fps2'dir. Bu, Siemens'e göre saatte 200 mil giden bir trenin durmasının yaklaşık 3,4 mil sürdüğü anlamına geliyor.

Güç ve frenleme

    Çoğu HS trenleri, pantograf kullanarak havai tellerden veya katenerlerden elektrik alır. Bugünün pilleri, ihtiyaç duyulan gücü sağlamak için asla boyutlandırılamaz ve yine de trene sığar. Jeneratörleri çeviren dizel motorlar çevre dostu olarak kabul edilmez ve dizel yakıtın ağırlığı ve depolanması, yangın güvenliği ile birlikte başka sorunlar yaratır. Hafif raylı sisteme çok benzer şekilde üçüncü bir raydan elektrik almak için bir pabuç kullanmak, yüksek hızlarda pabuç ile ray arasında çok fazla sürtünme yaratır.

    Katenerden güç almak için pantografların kullanılmasındaki en büyük zorluk, ikisi arasındaki temas kuvvetlerini belirli bir aralıkta tutmaktır - çok fazla sürtünme değil, ancak sağlam bir elektrik bağlantısı yapmak için yeterli temas. Ve Siemens'e göre, katener / pantograf alt sistemleri teknolojisi on yıllardır geliştirme aşamasındadır ve olgun kabul edilebilir.

    Katenerlerle ortaya çıkan bir başka sorun da, doğru hava koşullarının havai kablolarda buzla sonuçlanmasıdır. Bu durumda, tren iki pantograf yerleştirir ( bir tren setinde genellikle birkaç tane vardır ) ve öncü buzu dağıtır. Siemens, bu manevranın maksimum hızda yapılmadığını söylüyor. Her iki yönde de seyahatin üstesinden gelmek için, tren üreticileri genellikle aynı baş üstü kaportaya bir çift pantografı paketleyerek onları yüz yüze monte eder.

    Çoğu elektrikli otomobil gibi, HS trenleri rejeneratif frenleme özelliğine sahiptir, yani çekiş motorlarını fren olarak kullanarak elektrik üretir. Ve genellikle bu elektrik, başka bir yolda hızlanan bir trene güç verebilmesi veya başka bir tren tarafından kullanılmadan önce kısa bir süre depolanabilmesi için havai hatlardan geri beslenir. Geri alınan elektriği trende verimli bir şekilde depolamak için yeterli yer yok ve nadiren ulusal şebekeye geri besleniyor. Elektriği depolayacak veya kullanacak yer olmadığında, tavana monte edilmiş fren dirençlerinde ( reostatik frenleme ) yanar veya tren sürtünme frenine geçer.

    Rejeneratif frenleme, aşınma ve yıpranmayı en aza indirdiği ve enerji tasarrufu sağladığı için tercih edilirken, trenler ayrıca yüksek yükler için tasarlanmış çelik diskler ve sinter balatalarla donatılmış elektropnömatik sürtünme frenleri de taşıyor.

    Siemens'in Velaro treninde doğrusal girdap akımı frenleri bulunur. Raylar boyunca konumlandırılmış ve üzerlerinden yaklaşık 7 mm yukarıda tutulan elektrik bobinlerinden oluşurlar. Bobinler mıknatıs görevi görür, ancak kuzey ve güney kutupları sürekli olarak değiştirilir. Mıknatıslar ray boyunca hareket ettiğinde, değişen manyetik alanları metal rayda başka bir alan yaratır ve bu da elektriksel gerilim ve girdap akımları oluşturur. Bobinlerin manyetik alanları ile tekerleklerde oluşturdukları girdap akımları arasındaki etkileşim, treni yavaşlatmak için yeterli direnç sağlar. Girdap akımı frenleri yüksek hızlarda iyi çalışır ancak düşük hızlarda uygun değildir.

    HS trenlerinde iki seviyeli acil durum freni bulunur. İlki, gemide her tür fren kullanır. Güvenlik frenleri adı verilen ikincisinde, elektrik yoktur, bu nedenle yalnızca sürtünme freni devreye girer.

Aerodinamik ve verimlilik

    Tren tasarımcıları her zaman trenlerini daha aerodinamik hale getirmek için çabalarlar. Bunun nedeni, çekme kuvvetinin % 60'a varan kısmının sürükleme ve sürtünme nedeniyle kaybedilebilmesidir. Aerodinamik ayrıca treni stabil hale getirmelidir, çünkü hızlar arttıkça çapraz rüzgar stabilitesi azalır.

    Bombardier mühendisleri, 60 tasarım parametresini modellemek için CAD ve CFD kullanır. Dört temel alan üzerinde yoğunlaşıyorlar: aerodinamik burnu ile öndeki araba; arabaların üstünde ve altında spoiler; pantografın istiflenmesi ve yerleştirilmesi; ve vagonlar arasında, arabaların etrafında ve trenin altını kaplayan kaportalar. Araçların etrafındaki kaplamalar ayrıca palet balastının ve döküntülerinin tekerleklere ve akslara zarar vermesini önler. Bombardier, tekrarlanan çabalarla sürüklemeyi % 25 azalttı, bu da enerji kullanımında % 15'lik bir düşüş sağladı ve öncü vagon üzerindeki rüzgar kuvvetini, trenlerin balast için taşıdığı 5 ila 7 ton ölü ağırlıktan kurtulmalarına yetecek kadar azalttı.

    Tavana monteli ekipmanı aerodinamik kaportalarla kaplamak da sürtünmeyi azaltır ve ayrıca trenler bir tünele girdiğinde açıkta kalan ekipmanın neden olabileceği "sonik patlamaları" sınırlar. Daha yumuşak çatı, genel dış gürültüyü de azaltır. Örneğin, başka bir treni 186 mil hızla geçerken, Siemens'in Velaro'su 91 dB ( A ) gürültü üretir. İçeride, otomobilin iç yüzeyindeki ses sönümleyici kaplamalar ve klimanın giriş kanallarındaki ses sönümleme sayesinde yolcular yalnızca 72 dB ( A ) değerine maruz kalıyor. Ayrıca tekerleklerde gürültü emiciler ve boji ile araba gövdesi arasında hava yaylı körükler vardır.

    Tren tasarımcılarının üzerinde yoğunlaştığı bir diğer alan ise HVAC. Aşırı sıcaklıklarda çalışan, sıcak veya soğuk trenler, HVAC'de kullanılan toplam elektriğin % 30'unu ayırır. Bombardier, HVAC ünitelerinden en iyi şekilde yararlanmak için hava girişini yolcu doluluğuna göre değiştirerek ısıtma ve soğutma ihtiyaçlarını en aza indirir. Ayrıca klimayı soğuk iklimlerde verimli bir ısı pompası olarak çalışacak şekilde modifiye ettiler. Ve kabin içindeki havayı taze tutmak için dışarıdaki havayı dışarı atmadan önce, gelen havayı önceden ısıtmak veya önceden soğutmak için ısı eşanjörlerinden geçirilir. Bu, HVAC ekipmanının kabin havasını soğutmak veya ısıtmak için harcadığı enerjinin % 80'ini yeniden kullanmasını sağlar. Genel olarak, Bombardier çabaları, HVAC'de yıllık olarak kullanılan enerjide % 25'lik bir düşüşe yol açtı.

Birlikte çalışabilirlik

    Avrupa'nın HS demiryolunun bu kadar elverişli kılan özelliklerinden biri, birçoğunun zahmetsizce sınırları aşıyor gibi görünmesidir. Ancak perde arkasında mühendisler ve tasarımcılar bunu mümkün kılmak için çok çalıştılar. Örneğin Bombardier'in İspanya'daki AVE S-130 treni, iki set transformatör, dönüştürücü, pantograf ve diğer elektrikli donanımlar sayesinde 3 kVdc veya 25 kVac güçle çalıştırılabilir. Trenin değişken ölçülü bojileri, 1.435 mm aralıklı raylar ( standart açıklık ) ve 1.668 mm aralıklı ( İber mastarı ) raylar üzerinde hareket etmesini sağlar. Ve Zefiro treni, diğerlerinin yanı sıra, dört farklı güç şebekesi için yapılandırılabilir: 1,5 ve 3 kVdc ve 15 ve 25 kVac.

    Bu, trenlerin farklı ölçü hatları ve farklı elektrik şebekeleri arasında kolayca hareket etmesini sağlar.

    Trenler ayrıca farklı güvenlik sinyallerini kullanabilmeli ve yol yüksekliği, genişliği ve ağırlık sınırlarını karşılayabilmelidir. Mühendisler henüz boyutları değiştirebilen trenler yapmadılar, bu nedenle trenin göreceği en katı boyut sınırlamalarına göre tasarlıyorlar. Ancak güvenlik ve sinyal standartları arasında geçiş yapabilen versiyonlar yaptılar. Şu anda, tren üreticilerinin altı farklı ulusal tren kontrol sistemi ve Avrupa Tren Kontrol Sistemiyle uğraşması gerekiyor. ( ETCS, sinyalizasyon, kontrol ve tren korumasını standartlaştırır. Avrupa demiryolları tarafından özellikle yüksek hızlı hatlarda kullanılan çeşitli uyumsuz güvenlik sistemlerinin yerini alması gerekiyordu. ) Bir Avrupalı ​​grup şu anda tüm katılanlar için standartlaştırılmış bir tren kontrol sistemi geliştirmek için çalışıyor.

Yüksek hızlı trenler için hatlar     Yüksek hızlı trenler, yüksek hızlarda gitmedikleri sürece, geleneksel demiryolu hatlarında seyahat edebilirler. Yüksek hızlı seyahat için, paletler son derece yumuşak bir sürüş sağlarken daha yüksek yükleri kaldırabilmelidir. Örneğin, yüksek hızlı paletler sürekli olarak kaynaklı raylar kullanır. Bu, titreşimleri ve çoğu tren yolculuğuna eşlik eden tanıdık tıkırtı sesini ortadan kaldırdı.     Diğer bir sınırlama, HS trenlerinin dar dönüşler yapamaması ve yolcuları rahat ettirememesidir. Bu nedenle, saatte 125 mil ve daha hızlı çalışan trenler genellikle 2,8 mil veya daha büyük eğri yarıçapına sahip raylarda hareket eder. HS trenleri 4,3 mil veya daha büyük eğri yarıçapına sahip raylarda 217 mph hızla ilerliyor. Bombardier'e göre, HS dönüşlerinde, 1:10 yatış açısı oluşturmak için dış ray iç raydan genellikle 150 mm daha yüksektedir. Doğru bankacılık, daha konforlu bir sürüş sağlar.     HS trenleri, kolaylıkla üstesinden gelebilecekleri sınıflar açısından da sınırlıdır. Genel olarak, notların % 3,5 veya daha az olması gerekir. Daha yükseğe ve tren yavaşlar ve verimsiz hale gelir.     ABD Hükümeti Sorumluluk Bürosu tarafından, trenlerin aynı anda her iki yönde de en yüksek hızda seyahat etmesine izin verecek iki hatlı bir yüksek hızlı tren hattı inşa etmenin maliyeti 50 milyon $ / mil olarak tahmin edildi. Bu, trene, rayların kentsel alanlardan, yer altından veya boş kırsal alanlardan geçip geçmeyeceğine ve HS raylarının üzerinden veya altından kaç tane başka yol ve rayın geçmesi gerektiğine bağlı olarak değişebilir. Evrensel olarak kabul edilmiş bir güvenlik önlemi olan 125 mil / saatin üzerinde tren taşıyan HS raylarında hemzemin geçit yoktur. Saatte 110 ila 125 mil hızla giden HS trenleri için FRA, ABD'de geçişlere yalnızca bir tren yaklaştığında "aşılmaz bir bariyer" karayolu trafiğini bloke ettiğinde izin verir. HS raylarının yapımındaki diğer bir maliyet, trenlerin güç çektiği havai hatlardır.     Diğer bir maliyet değişkeni, tasarımcıların çakıl ( balast ) ile yerinde tutulan çapraz bağlara sahip geleneksel raylar olan balastlı yolu veya döşeme izlerini kullanıp kullanmamasıdır. Döşeme rayları, balast kullanmak yerine rayları beton raya monte eder. Döşeme yolunun yapımı daha fazla maliyetlidir ancak bakımı daha ucuzdur.     HS rayları için yıllık bakım maliyetleri tahminleri net değildir. Bir Avrupa çalışması, bakım maliyetini 140.000 $ / yıl / mil olarak belirlerken, İngiliz HS demiryolu çalışması yıllık maliyeti 493.000 $ / mil olarak belirledi. Bakım çok yüksektir çünkü hızlar arttıkça, paletlerin daha sık incelenmesi ve hizalama toleranslarının daha sıkı olması gerekir.