Dynamic Modeling and Open Loop Simulation of a Train Consisting of Locomotive and Wagons

Öz

The dynamics of train sets consisting of locomotive and wagons have some differences compared to multiple unit sets. For this reason, the commands given by the train driver result in different cases. In order to show the effect of this fact on the cruise of a currently operating train, dynamic system modeling is performed in the MATLAB Simulink and open loop simulations of various cases have been made for phases selected from cruise of the block train numbered 23256 operated by TCDD Transport, which is consisting of 14 Rgns type freight wagons hauled by a DE 22000 type diesel electric locomotive. Mathematical models are explained in order to understand the effects of the parameters that cause these different cases. Afterwards, the vehicles in the train consist and initial conditions are explained, as well as the braking and traction phases selected from the cruise and the simulation results are shown. According to these results, brake applying and releasing time and friction coefficient between brake shoe and wheel, which are the parameters compared in the braking phase cause serious differences in the cruise. It has been observed that the running resistance and especially the mass factor, which are the parameters compared in the traction phase cause a relatively small amount of difference in the cruise.

Anahtar Kelimeler

• Dynamic system modeling
• Open loop simulation
• Train dynamics
• Traction
• Braking
• Rolling stock

Lokomotif ve Vagonlardan Müteşekkil Bir Trenin Dinamik Modellenmesi ve Açık Çevrim Simülasyonu

Öz

Lokomotif ve vagonlardan teşekkül eden tren dizilerinin dinamiğinde çoklu ünite setlerinin dinamiğine nazaran bazı farklar mevcuttur. Bu sebeple trenin idaresinde makinist tarafından verilen kumandalar farklı durumlar ile neticelenmektedir. Bu vakıanın halihazırda işleyen bir trenin seyrindeki tesirini göstermek maksadı ile MATLAB Simulink ortamında dinamik sistem modellemesi yapılmış ve TCDD Taşımacılık A.Ş. tarafından halihazırda işletilen, DE 22000 tipi dizel elektrik lokomotif teminatındaki 14 adet Rgns tipi vagondan müteşekkil 23256 numaralı blok yük treninin seyrinden seçilen safhalardaki muhtelif durumlar açık çevrim simülasyona tabi tutulmuştur. Bu durumlara sebep olan parametrelerin tesirlerinin anlaşılması için matematik modelleri ile izahatı müteakiben tren teşkilatındaki araçlar ve başlangıç koşulları ile birlikte seyirden seçilen fren ve cer safahatı izah edilip simülasyon sonuçları gösterilmiştir. Bu sonuçlarda, fren safhasında kıyaslanan parametreler olan fren tutma ve çözme süresi ve sabo ile tekerlek arasındaki sürtünme katsayısının trenin seyrinde ciddi seviyede farka sebep oldukları; cer safhasında kıyaslanan parametreler olan seyir direnci ve kütle faktörünün ise nispeten düşük seviyede farka sebep oldukları görülmüştür.

Anahtar Kelimeler

• Dinamik sistem modelleme
• Açık çevrim simülasyonu
• Tren dinamiği
• Cer
• Fren
• Demiryolu araçları

Kaynakça

1. [1] TCDD Taşımacılık A.Ş., “2021 İstatistikleri” [Online]. Available: https://adminapi.tcddtasimacilik.gov.tr/files/pdfs/TCDD-Tasimacilik-2021-istatistikleri.pdf [Accessed June 28, 2023]
2. [2] S. Karayanık, “Marmaray sinyalizasyon sistemleri ve anklaşman sisteminin SCADA ile simülasyonu,” M.S. thesis, Dept. Elect. Eng, Marmara University, İstanbul, Türkiye, 2017.
3. [3] Knorr-Bremse AG, “Self-driving trains: the world’s heaviest robot.,” 2023. [Online]. Available: https://www.knorr-bremse.com/en/magazine/self-driving-trains-the-worlds-heaviest-robot.json [Accessed June 28, 2023]
4. [4] B. Erkin, Hâtırat 1876-1958. Ankara, Türkiye: Türk Tarih Kurumu Yayınları, 2010.
5. [5] C. Urlu, Demiryolu araçlarının ileri dinamiği. Ankara, Türkiye: TCDD Yayınları, 1999.
6. [6] General Motors Electro-Motive Division, “G26CW-2 Locomotive Tractive Effort Curve”.
7. [7] Türkiye Cumhuriyeti Devlet Demiryolları İşletmesi, “DE 22000 Lokomotif Servis Kataloğu,” 1987.
8. [8] G. Westinghouse, “Fluid-pressure automatic brake mechanism,” U.S. Patent 425059, April 8 1890.

9. [9] Brakes - Air brakes for freight trains and passenger trains, UIC Code 540, 2005.
10. [10] Brakes - Disc brakes and their application - General conditions for the approval of brake pads, UIC Code 541-3, 2010.
11. [11] P. Ivanov, A. Khudonogov, E. Dulskiy, N. Manuilov, A. Khamnaeva, A. Korsun, and S. Treskin, “Study of the influence of the brake shoe temperature and wheel tread on braking effectiveness,” Journal of Physics: Conference Series, vol. 1614, no. 1, pp. 012086, 2020, doi: 10.1088/1742-6596/1614/1/012086
12. [12] Brakes - Brakes with composite brake blocks - General conditions for certification of composite brake blocks, UIC Code 541-4, 2010.
13. [13] Knorr-Bremse Systeme für Schienenfahrzeuge GmbH, “Physical Brake Calculation 4-Axle Rgns CFCB S-Traffic / Tülomsas,” 2017.
14. [14] Rules for the consist and braking of international freight trains, UIC Code 421, 2012.
15. [15] W. J. Davis, “The tractive resistance of electric locomotives and cars,” General Electric, 1926.
16. [16] G. Strahl, “Verfahren zur bestimmung der belastungsgrenzen der dampflokomotiven,” Z. Des. Vereins Dtsch. Ing, vol. 57, pp. 251, 1913.
17. [17] Škoda Transportation a.s., “Cer Eğrileri ve Seyir Simülasyonları TCDD Elektrikli Lokomotifler,” 2011.
18. [18] Ö. Akbayır and B. Başeğmez, “Türkiye şartlarına uygun vagon seyir direnci formülünün enerji verimliliği açısından deneysel olarak belirlenmesi,” Demiryolu Mühendisliği, no. 13, pp. 65-75, Jan. 2021, doi: 10.47072/demiryolu.796392
19. [19] TCDD Taşımacılık A.Ş., “Vagon Evsaf Formu,” 2017.