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

Дизельные поезда по­прежнему популярны

Хотя первые электропоезда появились еще в 1880­е годы, в настоящее время электрифицировано всего 35% мировой 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. В Африке и Северной Америке уровень электрификации железных дорог еще ниже: 20 и 1% соответственно. На малозагруженных участках железных дорог электрификация оказывается экономически невыгодной из­за высокой стоимости работ, поэтому дизельные локомотивы будут эксплуатироваться еще многие десятилетия.

Для повышения качества жизни в городских районах и обеспечения возможности движения электрифицированных локомотивов и на неэлектрифицированных участках также необходимы альтернативные конструкции приводов локомотивов. В связи с этим разработка инновационных гибридных приводов стала одной 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.

Лишь 35% мировой сети железных дорог электрифицировано,
поэтому так важно повышать экологичность дизельных локомотивов

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, конденсаторы с двойным электрическим слоем... Возможно использование и двух источников энергии с переключением между ними по оптимальной программе, обеспечивающей достижение заданных технико­экономических 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 налагаемым 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.

Краткое описание проекта

Продукт

Simcenter.

Задачи

• Повышение экологичности дизельных локомотивов.
• Снижение эксплуатационных расходов подвижного состава.
• Разработка эффективных гибридных приводов.

Ключи к успеху

• Численное моделирование многодисциплинарного взаимодействия различных систем.
• Анализ эффективности и срока службы систем хранения энергии.
• Технико­экономический анализ проектов гибридных приводов.
• Совместный доступ к моделям и результатам расчетов.

Результаты

• Эффективное проектирование приводов высокой сложности.
• Прогнозирование снижения эксплуатационных затрат за весь срок службы.
• Сокращение времени и расходов на проектирование и оптимизацию.

Основной вид деятельности клиента

Компания Voith Turbo, входящая в группу Voith GmbH, изготавливает интеллектуальные приводы для неф­тегазовой и горнодобывающей промышленности, энергетики, машиностроения, судостроения, автомобильного и железнодорожного транспорта. Компания Voith основана в 1867 году. Число ее сотрудников превышает 39 тыс. человек, а объем продаж составляет 5,3 млрд евро. Компания представлена в более чем 50 странах и является одним из крупнейших семейных бизнесов в Европе. www.voith.com

Местонахождение заказчика

Хайденхайм, Германия

Как справиться с высокой сложностью многодисциплинарных систем

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

Гибридные приводы сокращают энергопотребление и выбросы CO2
в странах с низким уровнем электрификации железных дорог

При помощи решения Simcenter Amesim инженеры железнодорожного подразделения выполняют численное многодисциплинарное моделирование взаимодействий между системами локомотива, среди которых — система охлаждения, двигатель внутреннего сгорания, гидросистемы, гидромеханические коробки передач и бортовые гидростатические генераторы. Имеющиеся в Simcenter Amesim обширные библиотеки компонентов также обеспечивают бесшовную разработку мехатронных систем с интегрированными системами управления уже на ранних этапах создания изделия. Некоторые специфические компоненты специально создаются на языке «Си» с использованием встроенного в Amesim графического интерфейса разработки подмоделей. Кроме того, инженеры компании Voith Turbo имеют возможность модифицировать стандартные компоненты из библиотек Simcenter Amesim, используя предоставляемые инструменты редактирования моделей.

«Мне очень нравится применяемый в Simcenter Amesim подход к моделированию на основе баланса мощности (Bond graph), — рассказывает Себастьян Шмид (Sebastian Schmid), инженер по исследованиям и разработкам железнодорожного подразделения компании Voith Turbo. По сравнению с ранее применявшимся решением для численного моделирования, в котором сложная гидросистема локомотива моделировалась с использованием чисто сигнальных элементов, Simcenter Amesim экономит мое время. Моделирование стало гораздо менее трудоемкой задачей. Пользовательский интерфейс Simcenter Amesim интуитивно понятен, а в библиотеках 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 г­н 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 выпускаемых изделий».

Применяя Simcenter Amesim, инженеры компании Voith Turbo прогнозируют снижение расхода топлива и эксплуатационных затрат за весь срок службы локомотива с учетом характеристик конкретного состава и рельсового пути

Компания Voith Turbo высоко оценивает широчайшие возможности и удобство применения Simcenter Amesim. «Я считаю, что среди основных преимуществ Simcenter Amesim — великолепные функции пре­ и постпроцессирования. К ним, например, относятся анализатор функциональных характеристик или инструменты планирования эксперимента, поддержка программирования на языке Python и впечатляющий набор библиотек, — отмечает Себастьян Шмид. — Причем библиотеки за последние годы существенно расширились, что облегчает нашу работу над инновационными проектами. В Simcenter Amesim можно смоделировать практически любую систему или компонент».

Разработанная в Simcenter Amesim междисциплинарная модель подвижного состава позволяет инженерам компании Voith Turbo добавлять гибридные элементы к традиционным конструкциям привода и анализировать эффективность систем хранения энергии

Помимо численного моделирования характеристик локомотивов с гибридными двигателями, решение Simcenter Amesim в компании Voith Turbo служит для оптимизации подсистем подвижного состава — в частности систем охлаждения

Применяя Simcenter Amesim, специалисты анализируют работу
и взаимное влияние многоступенчатых охладителей

Инжиниринг систем, базирующийся на виртуальном моделировании, в компании Voith Turbo обеспечивается системой Simcenter Sysdm. Это решение для управления расчетными моделями, контроля версий и эффективной организации совместной работы коллектива специалистов.

«Simcenter Amesim и Simcenter Sysdm от Siemens PLM Software — это мощная платформа для проектирования мехатронных систем, — заявляет г­н 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», — отмечает Себастьян 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 состава, 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 всё еще несовершенны, а их срок службы недостаточен для глобального прорыва в их использовании в гибридных локомотивах», — поясняет г­н Шмид.