Благодаря внедрению решения Simcenter Amesim немецкий производитель комплектующих железнодорожной техники сократил сроки и стоимость разработки гибридных трансмиссий

Дизельные поезда по-прежнему популярны

Хотя первые электропоезда появились еще в 1880-е годы, на сегодня электрифицировано всего лишь 35 % всемирной сети железных дорог. Во многих европейских странах порядка половины железнодорожных путей не электрифицировано, и перевозить людей и грузы по ним способны только поезда с традиционной дизельной системой привода. Уровень электрификации железных дорог еще ниже в Африке и Северной Америке: 20% и 1 %, соответственно. На малозагруженных участках железных дорог электрификация оказывается экономически невыгодной из-за высокой стоимости работ. Поэтому дизельные локомотивы будут эксплуатироваться еще многие десятилетия.

Для повышения качества жизни в городских районах и обеспечения возможности движения электрифицированных локомотивов также и на не электрифицированных участках нужны альтернативные конструкции приводов локомотивов. В этой связи, разработка инновационных гибридных приводов – одна из основных задач железнодорожного подразделения компании Voith Turbo.

Головной офис компании находится в городе Хайденхайм (Германия). Voith Turbo выпускает продукцию мирового уровня: дизельные двигатели, трансмиссии, системы охлаждения, сцепки, редукторы и колесные тележки для высокоскоростных поездов, поездные секции, монорельсовые поезда локомотивы, специальный подвижной состав, трамваи и вагоны метро. Среди заказчиков компании Voith Turbo такие крупнейшие игроки рынка железнодорожной техники, как Siemens, Bom Sinal, Pesa, ZOS Vrutky, Gleisbaumechanik Brandenburg и Matisa.

Гибридные приводы локомотивов

Чтобы побеждать в конкурентной борьбе и соответствовать рыночному спросу на экологически безопасные и экономичные системы привода дизельных поездов, компания Voith Turbo в настоящее время исследует различные варианты конструкции.

Разработка гибридных приводов — еще более сложное дело, чем проектирование чисто электрических поездов. Существует множество вариантов хранения энергии: аккумуляторы, маховики, двухслойные электрохимические конденсаторы... Возможно использование и двух источников энергии с переключение между ними по оптимальной программе, обеспечивающей достижение заданных технико-экономических параметров. Инженерам необходимо оценить вклад гибридных технологий в снижение расхода энергии и выбросов углекислого газа (СО2), а также приспособить систему хранения энергии к длительному сроку эксплуатации, характерному для железнодорожного транспорта. Кроме того, нужно выбрать методики зарядки и заправки, соответствующие накладываемым железнодорожным расписанием ограничениям.

Гибридные технологии являются междисциплинарными по самой своей природе. Именно здесь на сцену выходит решение Simcenter Amesim из пакета Simcenter, разработанного компанией Siemens PLM Software.

Как справиться с высокой сложностью междисциплинарных систем

Компания Voith Turbo начала применять Simcenter Amesim в 2007 г. Решение для численного моделирования от компании Siemens PLM Software успешно применяется в самых различных проектах, выполняемых подразделениями железнодорожного и коммерческого транспорта. В нем разрабатываются трансмиссии автобусов, система рекуперации тепла, системы охлаждения и приводы поездов.

При помощи решения Simcenter Amesim инженеры железнодорожного подразделения выполняют численное мультифизическое моделирование взаимодействий между элементами поезда, среди которых — система охлаждения, двигатель внутреннего сгорания, гидросистемы, гидромеханические коробки передач и бортовые гидростатические генераторы. Имеющиеся в Simcenter Amesim обширные библиотеки компонентов позволяют специалистам компании Voith Turbo проектировать отличные мехатронные системы и конструировать системы управления уже на ранних этапах создания изделия. В средстве редактирования подмоделей Simcenter Amesim создаются особые пользовательские компоненты, функциональность которых программируется на языке С. Кроме того, инженеры компании Voith Turbo модифицируют стандартные компоненты из библиотеки Simcenter Amesim, используя функции редактирования моделей.

“Мне очень нравится применяемый в Simcenter Amesim подход к моделированию на основе графов связей, – рассказывает Себастьян Шмид (Sebastian Schmid), инженер по исследованиям и разработкам железнодорожного подразделения компании Voith Turbo. По сравнению с ранее использовавшимся решением для численного моделирования система Simcenter Amesim экономит мое время: создание полностью основанной на сигналах модели сложной гидросистемы поезда стало гораздо менее трудоемкой задачей. Пользовательский интерфейс Simcenter Amesim интуитивно понятен, а в библиотеке представлены проверенные элементы гидросистем, систем охлаждения и хранения энергии, которые исключительно важны для компании Voith Turbo”.

“Раньше нам приходилось выполнять множество испытаний с целью оптимизации изделий, изменяя различные параметры деталей и узлов, – поясняет Шмид. Теперь же точная физическая модель в Simcenter Amesim помогает нам понять реакцию системы на изменение того или иного параметра еще до изготовления реального оборудования. Более того, в ряде случаев мы можем обходиться без испытаний вообще. В результате мы сократили сроки и затраты на разработку новых и оптимизацию уже выпускающихся изделий”.

Компания Voith Turbo высоко оценивает широчайшие возможности и удобство использования Simcenter Amesim. «Я считаю, что среди основных преимуществ Simcenter Amesim - великолепные функции пре- и постпроцессирования. К ним, например относятся анализатор технических характеристик или инструмент анализа планов эксперимента, поддержка программирования на языке Python и впечатляющий набор библиотек, – говорит Шмид. Причем библиотеки за последние годы суще-ственно расширились, что облегчает нашу работу над инновационными проектами. В Simcenter Amesim можно смоделировать практически любую систему или компонент».

Проектирование систем на основе моделей в компании Voith Turbo обеспечивается системой Simcenter Sysdm. Это решение для управления моделями и поддержки совместной работы, помогающее специалистам эффективно создавать различные варианты моделей.

“Simcenter Amesim и Simcenter Sysdm от Siemens PLM Software – это мощная платформа для проектирования мехатронных систем, – отмечает Шмид. К тому же мы очень довольны поддержкой, оказываемой компанией Siemens PLM Software при работе над нашими инновационными проектами. Мы получаем отличные рекомендации по выполнению тех или иных задач проектирования изделий”.

Анализ инновационных решений

Решение Simcenter Amesim не только помогло железнодорожному подразделению компании повысить качество выпускаемых традиционных многосекционных дизельных локомотивов, но и сократило сроки разработки инновационных гибридных приводов. «При проектировании гибридных приводов в Simcenter Amesim очень удобно проводить анализ эффективности таких систем хранения энергии, как аккумуляторы или двухслойные электрохимические конденсаторы», – говорит Шмид.

Инженеры компании Voith Turbo разрабатывают в Simcenter Amesim междисциплинарные модели подвижного состава, добавляя гибридные элементы к традиционным конструкциям, и проводят численное моделирование привода. Подобный подход позволяет выбирать элементы гибридного привода на основе различных целевых функций (срок службы аккумулятора, расход топлива, характеристики локомотива), а также прогнозировать экономию, достигаемую за весь срок службы конкретного поезда, эксплуатируемого на конкретной линии. При этом учитываются мощность двигателя, масса и длина поезда, ограничение по скорости, уклоны и радиусы кривизны железнодорожных путей и график движения.

«Применяя имеющиеся в Simcenter Amesim библиотеки электродвигателей, электроприводов и систем хранения электроэнергии, а также программы на языке Python для расчета срока службы таких систем хранения, мы пришли к заключению, что современные аккумуляторы все еще несовершенны, а их срок службы недостаточен для эффективного применения в гибридных локомотивах», – поясняет Шмид.