200km/h mit 30t Achslast · Aktuelle Siemens-Aufträge für Lokomotiven in Nordamerika WSDOT (Washington Department of Transportation) 5 locomotives in 2014 3 locomotives in 2014

200km/h mit 30t AchslastChristof Schieber Dr. Werner BreuerMO RS CRC ISR MO RS LM EN SC

siemens.com/MO RS© Siemens AG 2018

Eisenbahnwesen SeminarBerlin, 23. April 2018

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23.04.2018Seite 2 Schieber, Breuer / MO RS

The American Way Inhaltsverzeichnis

• Schienen-Personenfernverkehr in Nordamerika

• Die Siemens-Fahrzeuge

• Infrastrukturelle Randbedingungen

• Struktur der fahrtechnischen Regelwerke

• Fahrtechnische Beurteilungskriterien

• Der praktische Ablauf der Zulassung

• Zusammenfassung

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The American Way Schienen-Personenfernverkehr in Nordamerika







• Zusammenfassung

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The American Way Schienen-Personenfernverkehr in Nordamerika

Betreiber (Auswahl) Ort Route Miles

Amtrak Long Distance, Commuter, NEC and Keystone 21.300

MTA Long Island Rail Road New York 321

New Jersey Transit Rail New York / Philadelphia 398.2

MTA Metro-North Railroad New York 385

Metra Chicago 487.7

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

Betreiber Ort Route km

VIA Rail Long Distance Services 12.500

Metrolinx / GO Transit Toronto, Ontario 452

Agence métropolitaine de transport Montreal, Québec 214

West Coast Express Vancouver, BC 69

Großraum New York in 2014

>270 Millionen Passagiere

(ohne Metro!)

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The American Way Die Siemens-Fahrzeuge







• Zusammenfassung

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The American Way Aktuelle Siemens-Aufträge für Lokomotiven in Nordamerika

WSDOT (Washington Department of Transportation)

5 locomotives in 2014


IDOT (Illinois Department of Transportation)



Caltrans (California Department of Transportation)




MTA MARC (Maryland Area Regional Commuter)


Brightline


(20 coaches in 2014)

SEPTA (Southeast Pennsylvania Transportation Authority)



Amtrak


Ch

arg

er

SC

-44

AC

S-6

4S 162 Lokomotiven

Sowie Optionen über mehr als 200 weitere Lokomotiven

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The American Way SC-44 Charger – Dieselelektrische Lokomotive

Source: U.S. DOT and FRA (04-2009)

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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.

2010

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 305-005 für dieselelektrische Lokomotiven).

2012 - 2013

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 305-005 im Jahr 2013 (Multistate Ausschreibung).

2014 - heute

Vergabe an Siemens mit einer ersten Festbestellung von 32 Lokomotiven. Inzwischen wurden bereits 69 Lokomotiven aus diesem Vertrag abgerufen.

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Streamlined nose for

push-pull trainsets

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Achsfolge BoBo

Leistung 3.300 kW (4.400 hp)

Motor Cummins QSK95 16 Zylinder / EPA Tier IV

Max. Geschwindigkeit 201 km/h (125 mph)

Masse 120 t (264.556 lbs )

Zugkraft 290 kN (65.000 lbf)

Länge 21.793 mm (71,5 ft)

HEP 3AC 480 V 600 kW

Kraftstofftank 6.800 l / 1.800 gal

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Technical Characteristics –

Well within FRA specified

Stability Limits

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HEP Transformator

DEF TankIntegrierter

KraftstofftankDreh-

gestell 1

Dreh-gestell 2

Batterie-kästen

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• 16-Zylinder Hochleistungs-Dieselmotor

• 4 Turbolader

• NOx-Minimierung durch SCR-Abgasnachbehandlung

4 Turbolader

Kraftstoff-Filter

ElektrischeKraftstoffpumpen

6 Motorlager

DoppelwandigeHochdruck-

Kraftstoffleitungen

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Generator

Dieselmotor-Kühlanlage

Dieselmotor

DEF-Tank

Kraftstofftank

Abgasnachbehandlung (DRP)

Abgasnachbehandlung (SCR)

Decomposition Reactor Pipe

Selective Catalytic Reduction

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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

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Aerodynamischeres Design

(Brightline)

Klassisches Design

(Multistate Lokomotiven)

Gemeinsame

Schnittstelle für

alle Varianten

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The American Way Amtrak Cities Sprinter ACS-64 – Elektrische Lokomotive

Achsfolge BoBo

Leistung 6,4 MW (8.600hp)

Max. Geschwindigkeit 201 km/h (125mph)

Gewicht 97,8 t (215.537 lb)

Max. Zugkraft 320 kN (72.000 lbf)

Kunden Amtrak

SEPTA (Pennsylvania)

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Lokomotiven mit teilgefedertem AntriebvMax 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

Evolution statt Revolution

Dreieckslenker in der Radsatzführung: SF1, SF2, SF3

The American Way Drehgestell-Entwicklung auf Basis SF4

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Verschleißfreie Stahl-Lamellen-Kupplung zwischen Fahrmotor und Getriebe.

Dreipunkt Motor-Lagerung: Einstellbare Querelastizität durch vertikal vorgespannte Gummischichtfedern

The American Way Antrieb mit teilgefedertem Getriebe und vollgefedertem Motor

Pendelstütze des Getriebesstützt sich am Fahrmotorgehäuse ab

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Entkopplung der Quer- und Längssteifigkeit des Dreieckslenkers:

hohe Fahrstabilität

gutes Verhalten im Bogen

Quersteifigkeit

Längssteifigkeit

The American Way Drehgestell – Radsatzführung

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The American Way Infrastrukturelle Randbedingungen







• Zusammenfassung

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Infrastrukturelle Randbedingungen Geschwindigkeitsklassen

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

Streckenklasse Frachtverkehr Personenverkehr

Class 1 10 mph (16 km/h) 15 mph (24 km/h)





Class 6 110 mph (177 km/h)




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Infrastrukturelle Randbedingungen Klassifizierung der Gleislagefehler

Periodische Gleislagefehler in unterschiedlichen Wellenlängen

in unterschiedlichen Wellenlängen 31ft (9.45m), 62ft (18.90m), 124ft (37.80m)

in unterschiedlichen Phasenlagen

in unterschiedlichen geometrischen Richtungen

Laterale

Störungen

Vertikale

Störungen

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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).

• 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

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Infrastrukturelle RandbedingungenFahrweg-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 Beschleunigungs-

sensoren an Achslagern, am Drehgestell

und im Wagenkasten ausgerüstet

• Definition eines Grenzwertes

für die P2 Kraft

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Infrastrukturelle RandbedingungenElemente der fahrtechnischen Zulassung

ModellvalidierungSimulation Streckenversuch

Virtuelle Strecke Reale Strecke

VTI Sicherheitskriterien

Rad-Schiene Kräfte

Beschleunigungen

Static Lean Equalization

Keiltest Reale Strecke

Lean Test

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Lean (inches)

Ro

ll A

ng

le

Carbody Roll Angle (Test)

Carbody Roll Angle (Simulation)

Zusammenspiel von statischen Tests, dynamischen Tests, Simulation und Validierung

VTI: Vehicle Track InteractionStatic Lean: NeigeversuchEqualization: Radentlastungsversuch

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The American Way Struktur der fahrtechnischen Regelwerke







• Zusammenfassung

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Struktur der fahrtechnischen Regelwerke

Regelwerke auf Bundes- und Verbandsebene bestimmen die fahrtechnische Zulassung:

• Bundesgesetz: 49 CFR 213 (CFR = Code of Federal Regulations)

• Verbandsregeln: M1001 Chapter 11.5. (AAR=Association of American Railroads)

APTA-PR-M-S-041-06 – 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

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Struktur der fahrtechnischen Regelwerke Das Zulassungsschema nach 49 CFR 213.345

Überhöhungs

fehlbetrag

Eu [inch],cx

Neues Fahrzeug Qualifiziertes Fahrzeug

Maximal zulässige Geschwindigkeit [mph]

15 30 60 80 90 110 125 160 220 15 30 60 80 90 110 125 160 220

Streckenklasse

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Eu ≤ 3 Keine Versuche oder Simulationen

WK +

DG +

(RS/

SIM)

WK + DG + RS + SIM Keine Versuche oder Simulationen WK + DG

3 < Eu ≤ 4

SL SL +

WK +

DG +

(RS/

SIM)

SL + WK + DG

+ RS + SIM

NO NO + WK + DG

4 < Eu ≤ 5

5 < Eu ≤ 6 SL + WK NO + WK

NO + WK + DG +

(RS/SIM)

Eu > 6 SL + WK + RS + SIM NO + WK + (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

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The American Way Fahrtechnische Beurteilungskriterien







• Zusammenfassung

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Fahrtechnische Beurteilungskriterien49 CFR 213.333

Grenzwerte

Gilt für alle Geschwindigkeiten und Klassen

Es wird keine Statistik angewendet

Kräfte werden immer auf die vertikale Radaufstandskraft bezogen (kein Yqst oder Qqst)

Limits für Beschleunigungen sind großzügig im WK und restriktiv am DG (Vergleich EN14363)

Phänomen Parameter Grenzwert FensterR

/S

Kräft

e Radentlastung Single Wheel Vertical Load Ratio V/V0 ≥ 0.15

5 ft 1.52m

Entgleisungssicherheit Single Wheel L/V ≤ 1.02

Gleisverschiebung Net Axle L/V0 ≤ 0.50

Schienenverkippung Truck Side L/V0 ≤ 0.60

Besch

leu

nig

un

gen

Fahrsicherheit/Fahrverhalten

Carbody Lateral Transient ≤ 0.75g p2p 1 s

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

L Y

V Q

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Fahrtechnische Beurteilungskriterien AAR M 1001 11.5

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

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Fahrtechnische Beurteilungskriterien Periodische Gleisstörungen – Minimal Compliant Analytic Track

Künstliche Strecke mit maximal zulässigen Fehlern für verschiedene Situationen

Durch Simulation mit validiertem Modell nachzuweisen

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

Hunting

Perturbation

10’ l l

Gage

Narrowing

Gage

Widening

l l l l

Repeated

Alinement

l l

Single

Surface

l

Single

Alinement

Short

Warp10’ l

Combination

Perturbation10’ 10’

Class 9 only

Left

Alinement

Right

Alinement

Left

Surface

Right

Surface

Repeated

Surface

Laterale

Störungen

Vertikale

Störungen

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Fahrtechnische Beurteilungskriterien CFR vs. EN – Vergleich der Bewertungskriterien

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

49 CFR 213.333 EN 14363

Y/Q 1,02 0,80

SY 0,50 Q0 (2/3 Q0 + 10kN)@90to 0,75 Q0

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

..

..

..

..

..

der jeweilige Wert ist konservativ

..

p2p : Peak to Peak

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ZulassungDer 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

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ZulassungStatische Versuche – Static Lean Test

Durchführung und Kriterien

Neigen des Fahrzeugs bis zum angestrebten Überhöhungsfehlbetrag

Radlast an allen Rädern >60% der statischen Radlast

Wankwinkel < 8.6 Grad (bis 7“)

0,0%

1,0%

2,0%

3,0%

4,0%

5,0%

6,0%

7,0%

8,0%

9,0%

10,0%

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9,00

0 1 2 3 4 5 6 7

Ro

ll A

ngl

e [d

eg]

Cant deficiency [inches]

Test

Simulation

Deviation

2013: ACS-64 2016: SC-44

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ZulassungStatische Versuche – Equalization Test


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)

0,00%

10,00%

20,00%

30,00%

40,00%

50,00%

60,00%

70,00%

80,00%

90,00%

100,00%

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Wh

ee

l Un

load

ing

Wheel Lift / Drop

Simulation

L1

L2

R1

R2

Limit

Deviation

Aufbau des Radentlastungsversuchs

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ZulassungModellvalidierung – Wegde Test


Anregung bestimmter Eigenformen durch Überfahren von Keilen

Instrumentiertes Fahrzeug (Beschleunigungsmessung), Vertikaldämpfer demontiert

Bestimmung der Frequenzen aus den Zeitsignalen, Vergleich mit linearem MKS-Modell

Schiene Radsatz

Beschreibung Eigenform 1 2 3 4

Links Keile an allen Rädern rechts

Wanken

WK und DG Rechts

Links Keile an allen Rädern

Tauchen

WK und DG Rechts

Links Keile unter DG 1

Nicken

WK Rechts

Links Keile unter RS 1

Nicken

DG Rechts

Bestimmung der Eigenfrequenzen aus FFTAnregung verschiedener Eigenformen

file:///D:/Breuer/Oeffentlichkeit/TU Berlin/Eisenbahnwesen-Seminar/charger_bounce.mp4file:///D:/Breuer/Oeffentlichkeit/TU Berlin/Eisenbahnwesen-Seminar/charger_roll.mp4file:///D:/Breuer/Oeffentlichkeit/TU Berlin/Eisenbahnwesen-Seminar/roll_sim.wmv

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ZulassungDynamische Versuche


High speed stability: Hochtastfahrten auf Geraden des North-East-Corridor (NEC)

Cant deficiency: Bogenfahrt bis zum betrieblichen aq + 1 inch

Representative track: Befahren von zwei Abschnitten (je etwa 50 Meilen) mit betrieblichem aq

Test Location Milepost

High Speed

Stability Ham - County 32 to 57

Cant Deficiency Grundy -

Holmes 65 to 77

Representative

Segment

Testing

Philadelphia –

Perryville 2 to 58

Providence -

Westerly 141 to 190

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ZulassungSimulationen am MCAT

Varianten der Simulation

9 Geschwindigkeiten (90 – 130 mph), 3 Störungswellenlängen (32,64 & 124 ft)

4 Überhöhungsfehlbeträge (3inch – 6inch), 2 Spurweiten, zwei Radprofile, Gerade und Bögen

In Summe 270 Einzelsimulationen!

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ZulassungModellvalidierung – Dynamische Versuche NEC

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

Vergleich Messung – Simulation durch optischen Vergleich

Ergänzt durch minimale statistische Bewertung

Vergleich Messung – Simulation durch optischen Vergleich

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ZulassungModellvalidierung – Dynamische Versuche Pueblo

SC-44: Validierung mit Chapter XI

Optischer Vergleich Simulation vs. Messung

Simulation mit gemessenen Gleislagen und Geschwindigkeiten

Gute Vergleichbarkeit bei gewissen Szenarien

Gemessene

Gleislage

Fahrzeug-

reaktion

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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

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The American Way

Dipl.-Ing. Christof Schieber

Siemens AG

Project Manager Desiro HC Israel

MO RS CRC ISR

Werner-von-Siemens-Str. 69

D-91052 Erlangen

E-Mail: [email protected]

Dr. Werner Breuer

Siemens AG

Leiter Berechnung Lokomotiven

MO RS LM EN SC

Krauss-Maffei-Straße 2

D-89997 München

E-Mail: [email protected]

Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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200km/h mit 30t Achslast · Aktuelle Siemens-Aufträge für Lokomotiven in Nordamerika WSDOT (Washington Department of Transportation) 5 locomotives in 2014 3 locomotives in 2014