Повышение энергоэффективности процесса управления электровозом посредством оперативного уточнения сил тяги и электрического торможения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат наук Елисеев, Игорь Александрович

• Елисеев, Игорь Александрович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Елисеев, Игорь Александрович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ СИЛЫ ТЯГИ ИЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОРМОЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОВОЗА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ работ, направленных на определение силы тяги или электрического торможения электровоза постоянного тока

1.2. Обзор автоматических систем управления тяговым подвижным составом и тенденции их развития

1.3. Постановка задачи исследования и обоснование выбора метода ее решения

1.4. Выводы по 1 главе

ГЛАВА 2. СТОХАСТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИЛ ТЯГИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОРМОЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОВОЗА ПОСТОЯННОГО ТОКА

2.1. Построение стохастической модели сил тяги и электрического торможения электровоза постоянного тока

2.2. Анализ стохастической модели сил тяги и электрического торможения электровоза постоянного тока

2.3. Выводы по 2 главе

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ОПЕРАТИВНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СИЛ ТЯГИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОРМОЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОВОЗА В ПРОЦЕССЕ ДВИЖЕНИЯ БЕЗ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЫ

3.1. Предварительная подготовка априорных данных для определения сил тяги и электрического торможения электровоза

3.2. Анализ потенциальной точности оценок вектора состояния и определения силы тяги или электрического торможения электровоза

3.3. Анализ допустимости линеаризации уравнений измерений и проверка наблюдаемости оцениваемых координат вектора состояния

3.4. Построение алгоритма оценивания координат вектора состояния и силы тяги или электрического торможения электровоза

3.5. Выводы по 3 главе

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

4.1. Применение методики определения силы тяги в процессе движения для грузового электровоза постоянного тока 2ЭС6

4.1.1. Разработка алгоритма оценивания фактической силы тяги электровоза постоянного тока 2ЭС6

4.1.2. Реализация и исследование алгоритма оценивания силы тяги грузового электровоза 2ЭС6

4.2. Экспериментальное исследование методики оперативного определения сил тяги и электрического торможения электровоза и СМСТЭ

4.2.1. Проверка адекватности СМСТЭ и работоспособности методики оперативного определения сил тяги и электрического торможения электровоза

4.2.2. Проверка устойчивости стохастической модели сил тяги и электрического торможения электровоза

4.3. Эффективность применения СМСТЭ и методики оперативного определения сил тяги и электрического торможения электровоза в процессе движения

4.4. Выводы по 4 главе

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

Приложение 1. Протокол совместного заседания секций локомотивного хозяйства и топливно-энергетической научно технического совета ОАО "РЖД" от 13.10.2010 г

Приложение 2. Частные производные динамических и электрических параметров по оцениваемым компонентам вектора состояния системы

Приложение 3. Характеристики намагничивания тягового электродвигателя ЭДП-810

Приложение 4. Рабочие характеристики магистрального грузового электровоза серии 2ЭС6 полученные на заводе изготовителе

Приложение 5. Письмо ООО "Научно-производственного объединения САУТ" (ООО "НПО САУТ") об использовании научных результатов

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение энергоэффективности процесса управления электровозом посредством оперативного уточнения сил тяги и электрического торможения»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Одним из ключевых направлений модернизации экономики современного государства, в том числе и России, является энергоэффективность. ОАО «РЖД» приняло и реализует энергетическую стратегию энергосбережения в перевозочном процессе, одним из направлений которой, является обновление локомотивного парка более эффективным тяговым подвижным составом (ТПС), оборудованным микропроцессорными системами управления локомотивом (МСУЛ).

Применение МСУЛ позволяет улучшить технические характеристики и потребительские свойства ТПС, в частности, экономичность. Кроме того, появляется возможность формулировать задачи, решение которых требует обработки больших объемов измерительной информации непосредственно на борту ТПС.

Переход на современные информационные технологии позволяет разработчикам создавать системы автоматического управления (САУ) ТПС, в том числе и системы автоведения, которые позволяют посредством автоматизации процесса управления ТПС повысить его энергоэффективность.

Повышение энергетической эффективности процесса управления ТПС, его автоматизация и оптимизация на железнодорожном транспорте - сложная и многогранная проблема. В разное время ее решению посвящены результаты работ видных ученых: В.М. Бабича, Л. А. Баранова, Ю.В. Бушненко, Я.М. Головичера, Е.В. Ерофеева, Я.Б. Кудрявцева, A.M. Костромина, Л.А. Мугинштейна, В.А. Нехаева, Б.Д. Никифорова, Ю.П. Петрова, A.B. Плакса, В.Е. Розенфельда, А.Н. Савоськина, Г.В. Фаминского, В.П. Феоктистова, И.А. Ябко и др.

Однако в отношении энергосбережения эффективность работы систем автоведения еще не достигла потенциально возможного уровня. Опыт эксплуатации Московской железной дорогой парка ТПС, оборудованного системой автоведения, показал, что высококвалифицированные машинисты

превосходят эту систему по энергоэффективности. Это связано с тем, что опытный машинист «чувствует» поезд и на основе этого ощущения управляет им. В современных системах автоведения, при построении законов управления, используются среднестатистические характеристики тягового оборудования. Эффективность, в том числе и энергетическая эффективность, процесса управления в значительной степени зависит от точности знания параметров, характеризующих состояние ТПС, как объект управления (ОУ). Неточное знание параметров ОУ, в частности, сил тяги и электрического торможения, снижает энергоэффективность процесса управления ТПС и систем автоведения.

Проявление силы тяги или электрического торможения электровоза обуславливается характеристиками тягового оборудования, которые меняются случайным образом в ходе эксплуатации ТПС и отличаются от номинальных характеристик, полученных при выпуске ТПС с завода.

Расхождение характеристик колесно-моторных блоков приводит к ухудшению тягово-энергетических показателей, характеризующих работу ТПС.

Исследования в области теории тяги, направленные на уточнение и стабилизацию характеристик, выполнены известными учеными И.П. Исаевым, Д.К. Миновым, В.А. Раковым, В.Е. Розенфельдом, Н.И. Ливенцевым, Д.Р. Какабадзе и др.

В 2010 г на совместном заседании секции локомотивного хозяйства и топливно-энергетической секции Научно-технического совета ОАО «РЖД» были определены пути повышение энергоэффективности ТПС, одним из которых является совершенствование систем автоведения посредством оперативного уточнения на борту локомотива основного сопротивления движению, тяговых и тормозных характеристик, являющихся фактическими характеристиками ТПС.

Дальнейшее повышение энергоэффективности как САУ в общем, так и систем автоведения в частности, должно основываться на их адаптации к характеристикам ТПС и среде его функционирования.

Таким образом, определение сил тяги и электрического торможения электровоза в процессе движения является актуальной научной задачей для железнодорожного транспорта. Ее решение позволит повысить энергоэффективность процесса управления электровозом.

Целью диссертационной работы является повышение энергоэффективности процесса управления электровозом.

Для достижения поставленной цели необходимо в процессе движения поезда уточнять силу тяги или электрического торможения электровоза.

Научная новизна работы.

Предложенная автором методика отличается от ранее известных методик определения сил тяги или электрического торможения электровоза тем, что для повышения точности и скорости сходимости определения фактической силы тяги или электрического торможения впервые предложено использовать результаты накапливаемых измерений электрических и динамических параметров в процессе движения электровоза, а также уточняемую априорную информацию об оцениваемых параметрах магнитной характеристики тягового двигателя.

Подтверждено, что применение разработанных автором методики оперативного определения сил тяги и электрического торможения электровоза и стохастической модели его сил тяги и электрического торможения дает возможность экономить электроэнергию на тягу поездов.

На защиту выносятся следующие результаты:

• стохастическая модель силы тяги и электрического торможения электровоза (СМСТЭ), отличающаяся тем, что фактическая сила тяги или электрического торможения функционально зависит от результатов измерений динамических и электрических параметров, содержащих погрешности, а также параметров, характеризующих ее проявление, случайным образом изменяющихся во времени;

• методика оперативного определения сил тяги или электрического торможения электровоза в процессе движения поезда на основе

измерительной информации МСУЛ без использования дополнительных аппаратных средств.

Методы исследования. При выполнении исследований использованы методы теории электрической тяги, автоматического управления, теории вероятностей, математической статистики, идентификации, оценивания, а также средства математического моделирования движения поезда.

Объектом исследования являются силы тяги и электрического торможения электровоза постоянного тока с независимым возбуждением коллекторных тяговых электродвигателей (ТЭД) и цифровой системой управления.

Предметом исследования являются способы определения фактической силы тяги или электрического торможения в процессе движения электровоза.

Достоверность полученных результатов подтверждена корректностью и обоснованностью применения апробированного математического аппарата и удовлетворительной сходимостью результатов имитационного моделирования с экспериментальными данными эксплуатации электровозов серии 2ЭС6 на Свердловской и ЗападноСибирской ж.д.

Практическая значимость результатов исследования состоит в том, что использование СМСТЭ и методики оперативного определения сил тяги и электрического торможения электровоза в процессе движения позволяет снизить энергетические затраты на тягу поездов до 9%, что подтверждено результатами математического моделирования.

Реализация результатов работы. Результаты работы будут использованы при совершенствовании подсистемы автоведения МПСУиД электровоза 2ЭС6, что письменно подтверждено разработчиком МПСУиД 2ЭС6 ООО "Научно-производственным объединением САУТ" (ООО "НПО САУТ") (см. Приложение 5).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее результаты докладывались:

1. На научных конференциях молодых ученых и аспирантов ОАО «ВНИИЖТ» в 2010 и 2011 гг.;

2. На конкурсах диссертационных работ ОАО «ВНИИЖТ» в 2009 и 2010 гг.;

3. На научно-практической конференции «Неделя науки-2010 «Наука МИИТа-транспорту», Москва, МИИТ, 2010 г.;

4. На Ш-й Традиционной всероссийской летней школе «Управление, информация и оптимизация» (п. Ярополец, 2011);

5. На научно-практической конференции молодых ученых, посвященной 95-летия ОАО «ВНИИЖТ» (г. Щербинка, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе в 3-х рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников и приложений.

Во введении обосновывается актуальность и научная новизна решаемой задачи, приводятся выносимые на защиту новые научные результаты. Глава 1 содержит анализ результатов работ, направленных на определение силы тяги электровоза, обзор систем автоматического управления и тенденции их развития, обосновывается выбор методов исследования. Глава 2 посвящена разработке стохастической модели сил тяги и электрического торможения электровоза и ее анализу. В Главе 3 представлена методика оперативного определения сил тяги и электрического торможения электровоза в процессе движения без использования дополнительной измерительной аппаратуры. Глава 4 посвящена исследованию полученных в работе новых научных результатов.

Работа изложена на 138 страницах, в том числе 85 страниц основного текста, 19 рисунков, 21 таблица и 26 страниц приложений.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ СИЛЫ ТЯГИ ИЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОРМОЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОВОЗА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Определение сил тяги и электрического торможения электровоза постоянного тока является одним из этапов проведения тяговых расчетов [59]. Проявление сил тяги и электрического торможения электровоза зависит от характеристик колесно-моторных блоков (КМБ), неопределенность которых обуславливается различными факторами. Неточное знание характеристик приводит к погрешностям в расчетах силы тяги (электрического торможения) электровоза и как следствие снижает энергоэффективность процесса управления им.

В данной главе исследуются способы определения силы тяги (электрического торможения) электровоза и показывается влияние неопределенностей в параметрах, используемых при вычислении силы тяги Е или электрического торможения В, на ее точность. По своей природе силы тяги и электрического торможения развиваемые электровозом одинаковы, поэтому в тексте работы для удобства используется единое обозначение ^ как для силы тяги, так и силы электрического торможения.

1.1. Анализ работ направленных на определение силы тяги или электрического торможения электровоза постоянного тока

В теории электрической тяги различают силу тяги в точке касания колеса с рельсом и силу тяги, полученную на сцепном устройстве [61]. Определение значения силы F на автосцепке традиционно связано с регистрацией показаний динамометра в ходе испытаний ТПС. Используя

силу тяги на автосцепке, определяют силу тяги на ободе колеса из

»

следующего уравнения: = Етн + Р, где ^дин - сила тяги на

автосцепке, регистрируемая динамометром, Н; - основное удельное сопротивление движению поезда на выбеге, Н/кН; Р - вес прицепной нагрузки, Н. При этом способе определения тяговых характеристик (ТХ) ТПС необходимо, чтобы железнодорожный состав двигался с постоянной скоростью на участке с постоянной кривизной и уклоном пути с прицепной нагрузкой. Для этого необходима соответствующая экспериментальная и материально-техническая база. Такой в России является экспериментальное кольцо ОАО "ВНИИЖТ" г. Щербинка. Несмотря на то, что при условии соблюдения указанных выше требований, в ходе проведения экспериментов удается получить необходимые результаты, расходы, связанные с их проведением достаточно высоки.

Специалистами ОАО "ВНИИЖТ" был предложен способ определения ТХ автономного подвижного состава без использования прицепной нагрузки [13] и способ определения ТХ по значению разгонного ускорения [34]. Особенность описанного способа в [13] заключается в том, что сила тяги в точке касания колеса с рельсом требуется только для преодоления сил сопротивления движению и на разгон. Точность определения ТХ по способам [34] и [13] ограничена погрешностью используемых средств измерений и точностью знания сопротивления движению, которое, как известно [67], в процессе эксплуатации может отличаться от расчетного значения до 20%. В совокупности это влияет на результаты тяговых расчетов (снижает их точность). Повышение точности определения сил тяги и электрического торможения, используемых в САУ электровозом позволит снизить энергозатраты на тягу поездов. Это следует из теории автоматического управления (ТАУ): чем точнее САУ известны параметры ОУ, тем эффективнее такая система.

Таким образом, для повышения энергоэффективности ТПС целесообразно более точно определять ТХ.

Кроме экспериментальных способов силу тяги и электрического торможения можно определять, используя следующие способы.

и

Сила тяги электровоза, рассчитанная через уравнение движения. При движении на ТПС оказывают влияние различные внешние силы, а равнодействующая сил, действующих на поезд, равна:

Ма = (Ек -Ш-В)-^—, (1.1)

1 + у

где М- масса поезда, т; а - ускорение м/с ; ¡V - общее сопротивление движению, кН; В - тормозная сила, кН; С, -1 - переводной коэффициент, зависящий от единиц измерений, принятых в расчетах; у— коэффициент, учитывающий инерцию вращающихся масс.

Выражение (1.1) называют уравнением движения [61]. Согласно (1.1) сила тяги в точке касания колеса с рельсом определяется как:

Г1+ГЛ

а + Ж + В. (1.2)

С

Составляющая тормозной силы локомотива в режиме тяги равна нулю, за исключение случаев пневматического подтормаживания, поэтому сила В=0.

В связи с тем, что параметры, используемые при расчете силы тяги по выражению (1.2) известны не точно, ее значение будет отличаться от фактического, а степень несоответствия будет зависеть от величины отклонения в значениях этих параметров.

Для оценки влияния точности знания параметров выражения (1.2) на точность в определении силы тяги электровоза использовалось разложение в ряд Тейлора функции (1.2).

После разложения в ряд, величина отклонения АГК определялась так:

ДК, + + + Л(г + 1), (1-3)

к дМ да дЖ Э(1 + у)

где частные производные по каждому из параметров уравнения (1.2)

соответственно равны:

дМ

(\ + уЛ дЕк ,/1 + зЛ —- а-, —— = М —-

£ ) да У С

, Ма

дЖ 3(1 + у) С

Данные для расчета Л/^ взяты из эксплуатационной поездки

элеткровоза 2ЭС6 массой 192 т и с поездом массой 2942 т. Ускорение движения определялось на участке длинной 104 м, скорость движения менялась с 34,04 км/ч до 33,16 км/ч.

Таблица 1.1

Исходные данные и значения частных производных выражения (1.3)

Исходные данные

М, т 1 +у 2 а, м/с С

3134 1,0494 0,0219 1

Результаты расчета

д Рк/дМ дГк/да д Рк/дШ дРк/д(1 + у)

0,023 3288819,6 1 68634,6

Из выражения (1.3) и результатов (см. табл. 1.1) следует, что отклонение силы тяги в значительной степени определяется неточностью знания сопротивления движению и массы поезда. В связи с тем, что расчетное сопротивление движению, может отличаться от фактического более 20%, а масса поезда более 10% [61], то отклонение силы тяги может составить более 10%. Кроме того, поскольку ускорение движения поезда определяется по результатам измерений динамических параметров, неизбежно содержащих погрешности, ошибка в определении силы тяги электровоза возрастет.

Во введении было сказано, что неточное знание сил тяги и электрического торможения электровоза снижает энергоэффективность процесса управления. Способ определения сил тяги и электрического торможения на основе уравнения движения не позволяет достичь потенциально возможного уровня энергоэффективности, поскольку отклонение силы тяги более 10% может привести к нерациональным режимам ведения поезда посредством СУ, в частности, системой автоведения.

Сила тяги электровоза, рассчитанная через силу тяги коллекторного ТЭД. Силу тяги электровоза в соответствии со схемой соединения коллекторных ТЭД определяют через силу тяги на ободах колесной пары FKд одиночного электродвигателя:

^к =^кд«ТЭД77п' О-4)

где «тэд~~ число ТЭД, 77п - КПД зубчатой передачи, принятое равным Л п=0,98.

Используя характеристику КПД, силу тяги на ободах колесной пары рассчитывают по следующему выражению:

* 3'ШД7Я П сч

где £Уд - напряжение на тяговом двигателе, В; /я - ток якоря тягового двигателя, А, 77д - КПД двигателя.

Расчетное значение силы тяги электровоза Гк (1.4) с учетом (1.5) определяется согласно уравнения:

^к = 3,6яТЭдСФ/я77д77п, (1.6)

где С - конструктивная постоянная тяговой электрической машины (безразмерная величина); Ф - магнитный поток, Вб; - суммарное сопротивление якорной цепи двигателя, Ом.

Для оценки влияния параметров на точность в определении значения рассчитывалось приращение силы тяги локомотива ограничиваясь линейными членами разложения в ряд Тейлора по переменным функции (1.6):

АГк=^АФ + ^Мя+^Аг?11, (1.7)

к ЭФ 81 я дг/д

где частные производные в уравнении (1.7) равны:

ЭФ

81я

эк.

дг]

= 3,6иХЭдС/я/7д/7п, = 3,6иТЭдСФ^д7п,

= 3,6ихэдСФ/я^п.

(1.8)

д

Численно решим уравнения (1.8), с исходными данными, представленными в таблице 1.2 для продолжительного (оо) и часового (ч) режимов работы электровоза.

Таблица. 1.2

Исходные данные для расчетов отклонений по формуле (1.6)

Исходные данные. Параллельное соединение ТЭД ходовая позиция.

№ п/п Fк,кЯ "ТЭД Ф,Вб 1Я,А 2У ,Ом и, км/ч С

1 464 8 0.1138 580 0,1 49,2 0,93 257 600

2 418 8 0.1121 550 0,1 51 0,93 257 575

В табл. 1.2 приняты следующие обозначения /в- ток возбуждения ТЭД, А. Результаты расчета представлены в табл. 1.3.

Таблица 1.3

Результаты расчета отклонений по выражению (1.6)

№ п/п дГк/дФ Э^к/Э/я

1.(4) 3 710 447,2 0,7562

2. (оо) 3 912 478,8 0,7677

Используя результаты расчета (см. табл. 1.3), отклонения в силе тяги (1.7) ДРК в [кН] для сю и ч режимов работы электровоза могут быть определены так:

(ДРк)ч = 3710АФ + 0,7562Д/Я + 447,2Д/7д, (1.9)

' (Д^к)^ =3912ДФ + 0,7677Д/Я +478,8А^Д.

Предельные отклонения параметров выражения (1.7), определялись следующим образом. Величина предельного отклонения измеряемого тока якоря обусловлена погрешностью измерения /я, т.е. А/я = 81 я.

Согласно [28] в условиях реальной эксплуатации величина предельного отклонения магнитного потока от номинальной величины при часовом режиме может достигать до ±3%. Это связано с влиянием износа деталей на магнитную систему тяговой машины, а допустимая величина отклонения КПД электродвигателя от номинального значения составляет около ± 1%.

Указанные отклонения сказываются на точности определения силы тяги электровоза. Так, например, результаты, полученные по выражению (1.9) показали, что при ошибке в определении магнитного потока в 3% отклонение в силе тяги при прочих равных условиях, в соответствие с выражением (1.9), составляет от 3% и более в зависимости от токовой нагрузки. Исследования И.П. Исаева доказывают, что расхождения потока до 3% может приводить к отклонению в силе тяги до 10% и более.

В связи с тем, что при проведении тяговых расчетов используются номинальные характеристики КМБ электровоза их результаты, включая силу тяги, будут являться усредненными. Кроме того, в расчетах используются наблюдения тока якоря и обмоток возбуждения ТЭД, ограниченные точностью, что в совокупности влияет на погрешность в определении электровоза.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что величина отклонения силы тяги существенно зависит от степени соответствия номинальной характеристики магнитного потока фактической. В связи с тем, что энергоэффективность процесса управления определяется тем, насколько точно известны параметры ОУ, то неточное знание характеристики магнитного потока может привести к нерациональному режиму ведения поезда.

Для того чтобы уменьшить разброс характеристик КМБ электровозов относительно среднего, их предлагали стабилизировать.Общие положения о расхождении характеристик локомотивов и КМБ содержатся в ряде работ отечественных ученых [28, 29, 46, 55, 61, 63]. В работе профессора Д.К.Минова [46] описаны основные причины, вызывающие отклонения

характеристик, рассмотрено влияние основных факторов (расхождение диаметров бандажей колесных пар, отличие магнитных потоков разных тяговых двигателей) на отклонения характеристик.

Большой вклад в решение проблемы стабилизации характеристик тягового привода локомотивов внес выдающийся ученый в области теории электрической тяги И.П. Исаев. В его работе [28] было исследовано влияние поля технологических допусков на стабильность характеристик серийных ТЭД [28] на основе статистического материала, накопленного при производстве и эксплуатации локомотивов. Им изучены факторы, приводящие к отклонению характеристик ТПС от их фактического значения и показано, как неточность знания характеристик влияет на силу тяги локомотива: например, отклонение скоростных характеристик ТЭД на 3% приводит к отклонению силы тяги локомотива при последовательном соединении на 15-16%, а при параллельном соединении - на 10-11%. Разработанный профессором И.П. Исаевым метод обоснования и оценки технологических и эксплуатационных допусков на характеристики электровозов в основном связан с мероприятиями конструктивно-технологического характера при изготовлении, ремонте и эксплуатации. В результате его применения снижается разброс характеристик, однако, для поддержания полученного эффекта требуются существенные материальные затраты, связанные с проведением инженерно-технических работ, что усложняет его использование в реальных условиях функционирования ТПС. Кроме того, стабилизация ТХ локомотивов не позволяет в процессе движения уточнять силу тяги локомотива по непрерывно-поступающей измерительной информации с учетом ее погрешностей.

1.2. Обзор автоматических систем управления тяговым подвижным составом и тенденции их развития

В настоящее время одной из основных мировых тенденций развития железнодорожного транспорта является разработка и внедрение цифровых

систем управления ТПС, в частности, систем автоведения. Такие системы позволяют более быстро и точно, чем ранее, рассчитывать и реализовывать требуемую силу тяги на основе характеристик ТПС. Кроме того, системы автоведения позволяют повысить безопасность движения на сети железных дорог, снизить нагрузку на локомотивную бригаду и энергетические затраты.

Первая система автоведения была разработана в СССР в 1957 году в Научно-исследовательском институте управляющих вычислительных машин (НИИ УВМ). Она предназначалась для управления движением пригородного электропоезда. В дальнейшем были созданы системы автоведения пассажирских поездов с электрической тягой Московским государственным университетом путей сообщения (МИИТ), разработаны и внедрены Всесоюзным научно-исследовательским институтом железнодорожного транспорта (ныне ОАО "ВНИИЖТ") системы автоматического управления пригородными поездами, Ленинградским институтом инженеров железнодорожного транспорта (ныне ПГУПС) разрабатывались системы автоведения грузовых поездов с тепловозной тягой. В начале 80-х опытная эксплуатация систем автоведения пассажирских поездов с электрической тягой (МИИТ) и электропоездов (ОАО "ВНИИЖТ") показала перспективность их использования на сети железных дорог пост Советского пространства. С тех пор, благодаря развитию информационных технологий, внедрение систем автоведения получило массовый характер.

Одновременно с системами автоведения на пригородных и магистральных линиях развивались системы автоматического управления движением поездов метрополитена. Важную роль в этом развитии сыграли: ученые МИИТа, ОАО "ВНИИЖТ", ОАО «НИИАС» (Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте), проектного института Гипротранссигналсвязь, ОАО "НИИ Точной механики" при тесном сотрудничестве со специалистами метрополитенов России и стран СНГ [45].

За рубежом производством систем автоматического управления движением и ресурсосбережением на железнодорожном транспорте[60, 65, 68] занимаются такие компании как: Knorr-Bremse, General Electric Transportation Systems (GETS), Siemens, Toshiba и ряд других.

Система LEADER (Locomotive Engineer Assist/Display & Event Recorder) разработка компании Knorr-Bremse является системой, которая выдает рекомендации машинисту по управлению поездом. Несмотря на то, что данная система не осуществляет непосредственное управление движением поезда, экономия топлива на дизельных тепловозах от их применения по данным разработчика достигает 5-7%.

Широко используются системы автоматического управления движением поезда на магистральных линиях Чехии, особенность которых заключается в том, что машинист выбирает требуемую скорость движения, а последующее управление поездом до его остановки на станции осуществляет система управления. Такие системы разрабатывались и испытывались в 90-х, а с 2000 года широко используются на железных дорогах Чехии. Основным отличием таких систем от систем автоведения заключается в том, что требуемые параметры движения задает машинист.

В высокоскоростном движении также есть системы близкие по свойствам к системам автоведения. Примером являются высокоскоростные поезда железных дорог Испании (RENFE). Особенностью такой системы является то, что она отслеживает допустимую по приборам безопасности скорость движения и с учетом этого реализует ее максимальное значение на каждом перегоне. При этом поезд не получает никакой дополнительной управляющей информации, связанной с остановкой на конкретной станции.

Первым примером иностранной системы автоведения в грузовом движении [72] является немецкая система Cargo-Mover, в которой для определения маршрута движения и прибытия в заданную точку в автоматическом режиме в кратчайшее время использовались системы

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Елисеев, Игорь Александрович, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ источников

1. Автоматическое управление движением поезда для пригородных и магистральных линий// Железные дороги мира// 2011,№ 4с. 54-59.

2. Баранов. Л.А., Савоськин А.Н., Пудовиков O.E. Новая структура системы автоматического управления скоростью движения грузового электровоза. // Наука и техника транспорту, 2009, №4, с 70 - 78.

3. Баранов. Л.А., Савоськин А.Н., Пудовиков O.E. Адаптивная система автоматического управления скоростью движения грузового электровоза. Электроника и электрооборудование транспорта, 2010, №2-3 с. 6 - 9.

4. Баранов JI.A. Модели и методы синтеза микропроцессорных систем автоматического управления скоростью электроподвижного состава с непрерывным управлением тягой. // Вестник МИИТа, 10, 2004.с. 3-16.

5. Баранов Л.А., Ершов A.B., Сидоренко В.Г. Автоматизированная система в перевозочном процессе метрополитена // Мир транспорта. -2005. - № 3.

6. Баранов Л. А., Ерофеев Е.В. Экономия электроэнергии путем внедрения систем автоведения поездов. // Пути экономии и повышения эффективности использования электроэнергии в системах электроснабжения промышленности и транспорта: тезисы докл. II Всесоюз. науч. конф. М. 1987. с. 107.

7. Баранов Л.А., Головичер Я.М., Эпштейн Г.П., Расчет экономичных режимов управления поездом в микропроцессорных системах автоведения.//Вестник ВНИИЖТ. 1987. №6. С. 12-17.

8. Брамер К., Зиффлинг Г. Фильтр Калмана-Бьюси. М.: Наука, 1982.

9. Бушненко Ю.В., Никифорова Н.Б. Устройство автоведения как часть комплексной системы управления движением поездов. // Труды ВНИИЖТа, вып. 650, М., 1982 г.

10. Бушненко Ю.В., Никифорова Н.Б. Принципы построения универсальной системы управления поездами и ее реализация с помощью микропроцессора. Труды ВНИИЖТа , вып. 650, М., 1982 г.

11. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. - М.: Наука, 1969 - 552 с.

12. Вентцель Е.С. Методологические особенности прикладной математики на современном этапе. // Математики о математике. М., 1982. С. 40.

13. ВольпертА.Г. Способ экспериментального определения тяговых характеристик автономного подвижного состава без использования прицепной нагрузки// Вестник ВНИИЖТ, 2000, № 3. с 26-30

14. Воронов А. А. Устойчивость, управляемость, наблюдаемость. М.: Наука, 1979-335 с.

15. Головичер Я.М. Аналитический расчет оптимальной кривой движения поезда с учетом переменного КПД тягового подвижного состава// Изв. ВУЗов. Электромеханика, №2, 1989. с. 72-81.

16. Головичер Я.М. Оптимальное управление тяговым подвижным составом в системах автоведения магистральных железных дорог. Автореферат дисс. на соиск. ученой степени д.т.н. - М.:МГУПС, 1994.48 с.

17. Дьяконов В.П., Круглов В.В. МАТЬАВ 6.5 вР 1/7/7 БР1/7 8Р2+8шш1тк 5/6. Инструменты искусственного интеллекта и биоинформатики. / -М.СОЛОН-ПРЕСС, 2006. с. 456.

18. Егоров А.И. Основы теории управления.//М.: ФИЗМАТЛИТ. 2004 -504 с.

19. Елисеев И.А. Стохастическая модель силы тяги локомотива // Вестник ВНИИЖТ. 2010, №4, с. 30-33.

20. Елисеев И.А., Жебрак Л.М. Методика оперативного уточнения действующей силы тяги локомотива на поезд. // Вестник ВНИИЖТ. 2012. №4, с. 38-^2.

21. Ерофеев Е.В. Автоматизированное отправление со станций поездов метрополитена и определение времени их хода по перегону. // Вестник ВНИИЖТ,//Вестник ВНИИЖТ, №16, 1983, с. 17-19.

22. Ерофеев E.B. Алгоритмы централизованного управления поездами метрополитена для системы автоведения. // Автоматическое управление технологическими процессами на транспорте// Юбилейный сб. науч. тр. Вып.892. -М.:МИИТ, 1996, с. 22-26.

23. Ерофеев Е.В. Упреждающие модели при автоведении метропоездов// Мир транспорта, №4, 2008, с. 86-89.

24. Ерофеев Е.В., Мостов И.С. Оптимизация программ движения поездов//Тр. МИИТа.-М., Вып.550, 1977, с. 121-125.

25. Жебрак JI.M. Повышение энергоэффективности управления тяговым . подвижным составом. // Совершенствование электрооборудования

тягового подвижного состава: сб. науч. тр. ОАО "ВНИИЖТ7. Под ред. В.А. Кучумова, Н.Б. Никифоровой. М.:Интекст, 2011, с. 141-149.

26. Жербак JI.M., Елисеев И.А., Худорожко М.В. Метод оценки переменных с минимальной дисперсией. // Мир транспорта, 1, 2009, с. 28-34.

27. Захарченко Д.Д., Плакс A.B., Савоськин А.Н., Некрасов В.И., Феоктистов В.П. Автоматизация электрического подвижного состава / М.: Транспорт, 1978. 280 с.

28. Исаев И. П. Допуски и характеристики электрических локомотивов// М.:Трансжелдориздат. 1958-371 с.

29. Какабадзе Д.Р. Влияние разности диаметров колес на работу тяговых двигателей электровоза BJ1 и Сс. Журнал «Электрификация ж.д. транспорта» №9, 1935.

30. Ким Д.П. Теория автоматического управления. Т.1. Линейные системы: учеб. пособие. //М.:ФИЗМАТЛИТ. 2003 - 288 с.

31. Ким Д.П. Теория автоматического управления. Т.2. Многомерные, нелинейные, оптимальные и адаптивные системы: учеб. пособие. //М.:ФИЗМАТЛИТ. 2004 - 464 с.

32. Климович A.B. Оптимизация управления движением поезда по минимуму затрат энергоресурсов на тягу поездов: Монография. -М.: Спутник+, 2008 - 263 с.

33. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. - М.: Наука, 1984 - 832 с.

34. Корнев А. Н., Комарицкий М. М., Носков М. Ю. Определение тяговых характеристик автономного подвижного состава по его ускорению. // Вестник ВНИИЖТ, 2006, №6, с 27-30.

35. Костромин А.И. Расчет оптимальных траекторий движения поезда методом локальных вариаций// Тр.БелИИЖТ, 1975. №5, с. 23-28.

36. Костромин А.И. Оптимизация управления локомотивом. М.: Транспорт, 1979 - 119 с.

37. Кудрявцев Я.Б. Принцип максимума и оптимальное управление движением поезда // Вестник ВНИИЖТ, 1977. №1. С.57-60.

38. Кузовков Н.Т., Салычев О.С. Инерциальная навигация и оптимальная фильтрация. - М.: Машиностроение, 1982 - 216 с.

39. Леондес К.Т. Фильтрация и стохастическое управление в динамических системах. / Пер. с англ. к.т.н. В.А. Васильева, Э.И. Митрошина и Ю.А. Николаева. М.: Мир, 1980 - 407 с.

40. Ллойд Э., Ледерман У. Справочник по прикладной статистике в 2 т. Пер. с англ. Под ред. С. А. Айвазяна Ю. Н. Тюрина.//М.: Финансы и статистика. 1990. т. 1,2.

41. Лурье БЛ., Энрайт П.Дж. Классические методы автоматического управления/ под ред. A.A. Ланнэ. Спб.: БХВ - Санкт-Петербург, 2004 - 640 с.

42. Льюнг Л. «Идентификация систем. Теория для пользователя»: Пер. с англ./ Под ред. ЯЗ. Цыпкина. - М.: Наука, 1991 - 432 с.

43. Максимов В.М. Оптимальное управление при автоматическом ведении поезда метрополитена // Науч. тр. /МИИТ. Вып.388. М., 1971. С.91-98.

44. Мелёшин И.С. Оценка основного сопротивления поезда метрополитена на основе фильтра Калмана// Мехатроника, автоматизация, управление, №1, 2011, с. 31-36.

45. Микропроцессорные системы автоведения электроподвижного состава / Баранов JI.A., Головичер Я.М., Ерофеев Е.В., Максимов В.М.; под ред JI.A. Баранова.-М.: Транспорт, 1990 -272 с.

46. Минов Д.К. «Роль скольжения колес при реализации тягового усилия и структура коэффициента сцепления при электрической тяге». Изд. АН СССР ОТН,№4, 1947.

47. Мугинштейн JI.A., Виноградов С. А., Ябко И.А. Энергооптимальный тяговый расчет движения поездов. // Железнодорожный транспорт, 2, 2010, с. 24-29.

48. Мугинштейн JI.A., Ябко И.А., Адаптация программы расчета энергооптимального режима управления движением пассажирского поезда в системе автоведения. // Сб. тр. 3-й науч.-практ. конф. "Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте". МИИТ. 2001. С. Ш-30/

49. Мугинштейн Л.А., Аршавский A.B., Пясик М.С., Ябко И.А. Управляющая бортовая программа автоведения поездов, реализующая энергооптимальную траекторию движения (УСАВПП).// Авт. свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2003611102. Май. 2003.

50. Мугинштейн Л.А., Рахманинов В.И., Ябко И.А. Пути снижения удельных расходов топлива и электроэнергии на тягу поездов// Локомотив. 2001. №2. С. 2-7.

51. Мышкис А.Д. Элементы теории математических моделей 4-е изд.:// М.: Книжный дом "ЛИБРОКОМ". 2009 -192 с.

52. Нехаев В.А., Юраш Ю.В. Выбор оптимального режима ведения поезда методом динамического программирования // Динамика

подвижного состава и тяга поездов: тезисы докл. / Иркутский ин-т инж. ж.-д. трансп. Иркутск, 1998. С. 42-43.

53. Никифоров Б.Д., Головин В.И., Кутыев. Ю.Г. Автоматизация управлением торможением поездов. М.: Транспорт, 1985. 263 с.

54. Никифоров Б.Д. Пыров А.Е., Фомин А.Ф., Бахарев В.А., Малышев И.Н.,Кутьин А.Г., Тимохин Ю.А. Устройство для дистанционного управления электровозом. Авторское свидетельство 1418113.

55. Осипов С.И. Испытания локомотивов и выбор рациональных режимов вождения поездов. М.: «Транспорт», 1975 - 272 с.

56. Осипов С.И., Осипов С.С. Основы тяги поездов. Учебник для студентов техникумов и колледжей ж/д тр-та - М.: УМК МПС России, 2000. -592 с.

57. Плакс A.B. Системы управления электрическим подвижным составом М.: Маршрут, 2005. 360 с.

58. Плакс A.B., Лянда A.A. Оптимизация режимов движения поездов метрополитена. //Вестник ВНИИЖТ, 1981. №6. С.23-27.

59. Правила тяговых расчетов для поездной работы //- М.'Транспорт, 1985 -287 с.

60. Проект Energie Sparen на железных дорогах Германии - экономия энергоресурсов и экология// Железные дороги мира, №9,2006. с. 63-65.

61. Розенфельд В.Е., Исаев И.П., Сидоров H.H. Теория электрической тяги: учебник для вузов ж.-д. трансп. 2-е изд. перераб. и доп.// М.: Транспорт. 1983 - 328 с.

62. Сейдж Э., Меле Дж. Теория оценивания и ее применение в связи и управлении. М.: Связь, 1976 -496 с.

63. Сидоров H.H. «Расхождение характеристик совместно работающих тяговых двигателей постоянного тока и его влияние на их нагрев». Журнал «Электрификация ж.д. транспорта» №1, 1932.

64. Степанов О.А. Основы теории оценивания с приложениями к задачам обработки навигационной информации. Ч. 1. Введение в теорию оценивания / Издание 2-е, исправленное и дополненное. - СПб.: ГНЦ РФ ОАО "Концерн "ЦНИИ "Электроприбор", 2010 - 509 с.

65. Технологии оптимального управления поездом // Железные дороги мира, №5, 2013. с. 42-44.

66. Фаминский Г.В., Бушненко Ю.В., Никифорова Н.Б. Устройство для автоматического управления движением поезда. Авторское свидетельство №742185.

67. Худорожко М.В., Повышение эффективности использования электровоза с микропроцессорной системой управления за счет оперативного уточнения тепловых параметров тягового электродвигателя и сопротивления движению поезда. Дисс. канд. тех. наук. М. 2009. С. 127.

68. Энергоэффективность высокоскоростного движения// Железные дороги мира, 2010, № 12. с. 61-65.

69. Ябко И.А. Численный метод определения энергооптимального управления движением поезда// Сб. науч. тр. "Железнодорожный транспорт на новом этапе развития", 2003.с. 129-135.

70. Ябко И.А. Метод расчета энергооптимальных траекторий движения поезда. Автореферат на соискание ученой степени кандидата технически наук. Москва 2007 г.

71. An Introduction to the Kalman Filter / Greg Welch, Gary Bishop.-University of North Carolina at Chapel Hill, 200l.c. 81.

72. Careo-Mover - автоматизированный моторный вагон для грузовых перевозок Железные дороги мира, 2004, № 2, с. 27 - 33

73. Dan Simón Kalman Filtering// Embedded Systems Programming, 2001 June, pp. 72-79.

74. Eric A. Wan, Rudolph van der Merwe. The Unscented Kalman Filter for Nonlinear Estimation. Электронный ресурс.,

http://www.lara.unb.br/~gaborges/disciplinas/efe/papers/wan2000.pdf, (дата обращения: 20.08.2013).

75. Howlett P. G., Pudney P., Vu X. The 30th Conference of Australian Institutes of Transport Research (CAITR), Freight miser: an energy-efficient application of the train control problem. //, 2008. c. 1-7.

76. Howlett P. G., Cheng J. Optimal driving strategies for a train on a track with continuously varying gradient// The Journal of the Australian Mathematical Society. Series B. Applied Mathematics, 1995, pp. 388-410.

77. Nelder, J.A. and R. Mead, "A Simplex Method for Function Minimization, Computer J., Vol. 7, pp 308-313, 1965.

78. R.E. Kalman. A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems// Journal of Basic Engineering, 82 (Series D): pp 35-45, 1960.

79. Toshiba электронный ресурс компании http://www.toshiba.co.jp/sis/railwaysystem/en/products/index.htm (дата обращения: 20.08.2013).

Приложение 1. Протокол совместного заседания секций локомотивного хозяйства и топливно-энергетической научно-технического совета ОАО «РЖД» от 13.10.2010 г.

Российские железные дороги

дент ОАО «РЖД»

В.А. Гапанович

« П.»_1£L

.2015 г.

ПРОТОКОЛ

СОВМЕСТНОГО ЗАСЕДАНИЯ СЕКЦИЙ «ЛОКОМОТИВНОЕ ХОЗЯЙСТВО» И «ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ» НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО СОВЕТА

ОТКРЫТОГО АКЦИОНЕРНОГО ОБЩЕСТВА «РОССИЙСКИЕ ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ»

Председательствовал и :

Присутствовали: члены секций

«13» октября 2010 г. № 32

от ОАО «РЖД»

от железных дорог

от отраслевых научно-исследовательских

от Трансэнерго

от ООО «АВП-Технология»

Никифоров Б.Д. - председатель секции «Топливно-энергетическая» НТС ОАО «РЖД», Петрунин A.B. - заместитель председателя секции «Локомотивное хозяйство» НТС ОАО «РЖД», Школьников E.H. - заместитель председателя секции «Топливно-энергетическая» НТС ОАО «РЖД» Аристов В.П., Бакланов A.A., Волченков Н.В., Добашин С.А., Завьялов Е.Е., Тулупов В.Д., Игин В.Н., Кокоткин В.З., Куриленко Е.Ю., Коссов Е.Е., Савоськин А.Н., Сердобинцев Е.В., Сизов C.B., Слепцов М.А., Науменко С.Н., Показаньева E.H., Феоктистов В.П., Федоров Ю.Н.

Джуров И. А. (ЦТ), Попов C.B. (ЦЭ), Сысоев A.B. (ФПК), Троян H.H. (ЦТЭХ)

Новоселов Д.А., Тюрин М.Е., Филиппов В.А., Шубенко С.Н. (ЗСИБ), Белоусов О.В., Высоковский J1.T., Замковой И.Н., Муругов В.А. (ЮУР), Коноплин A.B., Кирьянов В.В., Чистяков А.Г. (ЮВОСТ)

Виноградов С.А., Елисеев И.А., Жебрак Л.М., Клименко Ю.И.. Ким С.И., Мурзин Р.В., Мугинштейн Л.А., Никифорова Н.Б., Пронин A.A., Худорожко М.В.

Заверталкж Д.В.

Донской А.Л., Птицын C.B.

_ I. Об эффективности систем автоведения _

(Завьялов, Жебрак, Пронин, Петрунин, Мугинштейн, Никифорова, Никифоров, Школьников)

а

1. В настоящее время вопросам автоведения и ресурсосбережения уделяют большое внимание ведущие мировые производители железнодорожного оборудования: Кнор-Бремзе (система «Лидер»), Дженерал Электрик (системы «Трип оптимайзер» и «Локотрол», Ансальдо система автоматического управления грузовыми поездами на специальных маршрутах, которые в больших количествах устанавливаются на электровозы и тепловозы железных дорог США, Европы, Бразилии и Австралии)

В России за последние 13 лет разработано более 28 различных систем автоведения 3-х поколений для всех типов электропоездов, всех типов пассажирских электровозов (кроме ЭП10), грузовых электровозов ВЛЮ, ВЛ11, ВЛ80С, ВЛ85 и пассажирского тепловоза ТЭП70. В настоящий момент разрабатываются системы для грузовых электровозов 2ЭС5К (ЗЭС5К) и тепловозов 2ТЭ10 и ТЭП70БС.

Для эффективной эксплуатации систем автоведения была создана и внедрена инфраструктура их эксплуатации в виде АРМов подготовки данных, расшифровки картриджей с автоматическим вычислением расхода электроэнергии на тягу, определением мест и случаев нарушений безопасности движения по утвержденному перечню, а также система сервисного их обслуживания.

Системы автоведения создавались, прежде всего, в качестве электронного помощника машиниста.

Результаты исследований психофизического состояния машинистов пассажирских поездов, проведенные ВНИИЖГ, продемонстрировали, что при использовании автоведения коэффициент загруженности машиниста снижается на 18,6 % относительно режима ручного управления поезда, что позволяет снизить утомляемость машиниста. По расшифровкам картриджей за 9 месяцев 2008 года в одном из депо Московской дороги в ручном режиме управления было зафиксировано 128 случаев превышения скорости постоянных и временных ограничений, 29 случаев превышения скоростей при подъезде к светофорам с запрещающим показанием. В режиме автоведения за этот же период подобных нарушений зафиксировано не было.

Оценка энергоэффективности систем автоведения производилась на сравнении приведенных удельных расходов электроэнергии, полученных в поездках, в которых в режиме автоведения пройдено более 75% пути и в режиме подсказки (0% пути в автоведении). Удельный расход в произвольных поездках приводится к одинаковым значениям влияющих факторов с помощью существующих моделей влияния конкретного фактора на расход электроэнергии.

По результатам работы, проведенной ЗАО ОЦВ, экономия электроэнергии в пассажирском движении по сети составляет в среднем от 3 до 10% в зависимости от условий эксплуатации, обученности машинистов и энергоемкости расписаний.

1.2 Одной из разработок ОАО «ВНИИЖТ» в области автоведения является система автоведения грузового магистрального электровоза постоянного тока серии 2ЭС6 с независимым возбуждением тягового

г- 9 " ^

з

электропривода, выполненная по заказу разработчика микропроцессорной системы управления и диагностики (МПСУиД) этого локомотива НПО «САУТ». Система автоведения грузового магистрального электровоза постоянного тока серии 2ЭС6 с независимым возбуждением является программным средством и не имеет в своем составе аппаратуры. Управление оборудованием электровоза и обеспечение безопасных режимов его работы выполняется микропроцессорной системой управления локомотивом (МСУЛ), а оптимальный режим ведения -системой автоведения. Приоритетными задачами, решенными при разработке системы автоведения, являются: максимальное использование информационно-управляющего пространства электровоза и обеспечение её энергоэффективности на уровне лучших машинистов.

1.3. В 2009 году специалистами ОАО «ВНИКТИ» по заказу ОАО «Коломенский завод» в соответствии с утвержденным техническим заданием была разработана Микропроцессорная система управления, регулирования и диагностики для электровозов ЭП2К (МСУ-ЭП) с функцией автоведения.

С сентября 2009 года по февраль 2010 года система МСУ-ЭП в составе электровоза ЭП2К №030 прошла эксплуатационные испытания на Октябрьской железной дороге (депо Санкт-Петербург-пассажирский-Московский ТЧ8), где успешно эксплуатируется по настоящее время, а также участвовала в сравнительных испытаниях с аналогичной системой разработки ЗАО «ЛЭС» -ООО «АВП-Технология».

В системе МСУ-ЭП автоведение реализовано на функциональном уровне, что подразумевает отсутствие дополнительной аппаратуры на борту локомотива для обеспечения данной функции. Эксплуатационные испытания показали, что автоведение обеспечивает выполнение всех заданных в ТЗ функций в полном объеме и соответствует техническим требованиям «Алгоритмическое и программное обеспечение систем автоведения и регистрации электровозов пассажирского движения».

Система МСУ-ЭП с функцией автоведения принята 31.03.2010 г. приемочной комиссией и рекомендовано изготовление установочной серии этой системы в количестве 30 штук.

В подсистеме автоведения задана следующая приоритетность выполняемых функций: обеспечение безопасности движения - достигается соблюдением всех видов ограничений скорости, соблюдением правил подъезда к светофорам, ограничивающим или запрещающим движение; обеспечение соблюдения расписания - расчет траектории движения поезда с соблюдением расписания с точностью ±30с.; комфортность пассажиров - при расчете траектории движения накладываются ограничения, которые предотвращают появление значительных продольно-динамических сил в составе; экономия электроэнергии. В ходе эксплуатационных испытаний системы на электровозе ЭП2К №030 достигнуто снижение расхода электроэнергии на тягу на 6,1%.

Отличительной особенностью подсистемы автоведения ОАО «ВНИКТИ» является графическое отображение на дисплейном модуле информации о пути и расчетной траектории.

<4

1.4. По данным Южно-Уральской железной дороги (Муругов В.А.) в настоящее время в депо Курган оборудовано системой автоведения 156 электровозов (96,9 % от локомотивов серии В Л10 и 65,8 % от общего парка), из них УСАВП-Г - 96 электровозов. За 7 месяцев 2010 года в депо: было проведено 48973 поезда, из них 9454 поезда были проведены с применением систем автоведения, что составило 19,3% от общего количества; удельный расход электроэнергии электровозов оборудованных УСАВПГ, снижен к уровню прошлого года на 0,7 кВтч/изм. - 61,2 против 61,9 кВтч/изм., что составляет 1,2 %. Наибольшая экономия электроэнергии за счет применения автоведения достигается на равнинном участке Пресногорьковская-Курган с однородными поездами.

С 2005 года в локомотивном депо Курган началась установка интеллектуальной системы автоматизированного вождения грузовых соединенных поездов (ИСАВП-РТ), предназначенная для управления локомотивами соединенных поездов весом до 12 тысяч тонн в режиме автоведения. Система ИСАВП-РТ обеспечивает автоматическое ограничение продольных динамических сил сверх допустимых в составе соединенного поезда, что исключает возможность выдавливания вагонов и обрыв автосцепок при всех режимах управления.

На полигоне переменного тока система УСАВПГ применяется в эксплуатационном локомотивном депо Картапы. Всего оборудовано системой УСАВПГ 7 электровозов серии ВЛ80С (36,8 % от электровозов серии ВЛ80С) или 5 % от общего приписного парка грузовых локомотивов. За 7 месяцев 2010 года в локомотивном депо Карталы проведено 565 грузовых поездов в режиме автоведения.

Вместе с тем, используемая система автоведения с алгоритмом усредненных скоростей эффективно приемлема для равнинного профиля. Для ломаного профиля пути, а тем более горного, данная система малоэффективна, так как для поддержания средней скорости, заложенной графиком движения поездов, система УСАВП необоснованно меняет режим ведения поезда (режим «пиления»), что увеличивает потери на коммутационные переключения и пусковые сопротивления, а также увеличивает продольно-динамические реакции в поезде.

Для повышения эффективности работы системы УСАВП необходимо:

а) ООО «АВП-Технология» рассмотреть возможность применения другого алгоритма управляющей системы движением поездов на ломаном и горном профиле пути;

б) повысить качество сервисного обслуживания, с принятием незамедлительных мер по устранению выявленных неисправностей;

в) повысить надежность блоков БДУ (блок дискретного управления), БИВМ (блок измерительный высоковольтный модульный) и КСЛ (контроллер связной локомотивный);

г) реализовать режим рекуперативного торможения;

д) увеличить процент использования режима автоведения локомотивными бригадами;

5

е) обеспечить для оценки экономичности и энергетической эффективности грузовых поездов, повышенной массы и длины, учет электроэнергии ведущего и ведомого локомотивов, а так же их нормирование по участкам, что на данный момент не представляется возможным из-за особенностей программы ИОММ-2, разработки Горьковской железной дороги, применяемой на Южно-Уральской железной дороге.

1.5. На Юго-Восточной железной дороге (Чистяков А.Г.) весь приписной парк (83 единицы - ЧС4Т, и 85 единиц - ЭП1М) локомотивного эксплуатационного депо Россошь, обеспечивающего локомотивной тягой пассажирское движение на главном ходу дороги Ряжск - Россошь - Чертково, оборудован системами УСАВП. Остальные 26 электровозов серии ЧС4Т приписаны к эксплуатационному локомотивному депо Балашов, и эксплуатируются на участке Пенза - Лиски - Валуйки - Старый Оскол.

За 7 месяцев 2010 г. локомотивными бригадами Юго-Восточной железной дороги проведено 5582 пассажирских поезда по энергооптимальным графикам, в т.ч. без отклонения от графика на участке Белгород-Орел 2881 поезд (65,4 %), на участке Рязань-Ряжск-Рязань 1059 поездов (89,7%). Экономический эффект от использования энергооптимальных расписаний за указанный период составил: на участке Белгород-Орел 374,9 тыс. кВтч (3,6%), на участке Рязань - Ряжск -Мичуринск 234,8 тыс.кВтч (4,4%).

В текущем году начато движение по энергооптимальным графикам на участке Ряжск - Россошь (100 поездов), и Россошь-Чертково (110 поездов).

В целом по дороге за 7 месяцев 2010 года экономия электроэнергии от использования системы УСАВП составила 10,04 млн. кВтч на сумму 24,39 млн. руб.

Основными недоработками в программном обеспечении систем автоведения являются:

а) невозможность следования на автоведении при пропуске поезда по неправильному пути, во время проведения технологических «окон», что сильно снижает процент автоведения, особенно в период проведения летних путевых работ.

б) при прибытии локомотивных бригад других депо после извлечения картриджа данные на мониторе обнуляются.

в) отсутствие автоматического внесения временно действующих предупреждений ограничения скорости при постановке картриджа.

г) в ПО системы для -грузовых электровозов САВППГ, имеются недостатки в управлении автотормозами:

в пятой версии реализована система торможения с использованием 2-х разрядок. Однако при следовании по спуску первое торможение выполняется с достаточным снижением скорости. Второе торможение, в любом случае, выполняется до полной остановки, что не обеспечивает выполнение технической скорости движения по участку;

при нажатии кнопки «ПУСК», после режима торможения или постановки ручки крана ТЧМ 395 в I положение, происходит сбой в работе системы

в

САВППГ, т.е. режим автоведения может не восстановиться (необходимо перезагружать систему);

отсутствует автоматический переход в режим «подсказки» при вмешательстве в работу системы САВП. (В третьей версии при переводе ручки КМЭ из «О» положения или крана ТЧМ 395 из «2» положения, система автоматически переходит в режим подсказки);

при работе в неблагоприятных погодных условиях, а также в период осень -зима - весна, то есть при пониженном коэффициенте сцепления, с целью предупреждения образования ползунов в режиме автоведения, необходимо ввести возможность включения функции обеспечивающей заблаговременное торможение с ограничением наполнения ТЦ;

д) вызывает нарекания и надежность работы системы автоведения: так при высоких температурах на электровозах ЭП1М при следовании на автоведении часто гаснет дисплей МСУД, на дисплее МСУД не выводятся показания счетчиков электроэнергии. Наиболее ненадежными в эксплуатации показали себя блоки БС (блок системный), БР (блок регистрации), БДУ (блок дискретного управления). Все отправляемые блоки ремонтировались качественно, но срок проведения ремонта блоков с учётом пересылок составляет 1-1,5 месяца. Создание в депо запаса переходных блоков системы автоведения снизит время простоя электровозов в ожидании ремонта.

2. Выводы

2.1. Развитие систем автоведения должно идти по трем основным направлениям:

1) органичное включение автоведения в технологии организации перевозочного процесса;

2) дальнейшее повышение качества автоведения с учетом опыта лучших машинистов;

3) реализация функций автоведения в современных микропроцессорных системах управления ТПС.

2.2. На тяговом подвижном составе (далее - ТПС), оборудованном микропроцессорной системой управления, систему автоведения целесообразно реализовывать в виде программного обеспечения без дополнительных аппаратных средств.

2.3. Для повышения энергоэффективности ТПС, оборудованного системами автоведения, необходимо оперативно уточнять на борту локомотива основное сопротивление движению, тяговые и тормозные характеристики ТПС.

2.4. В системе автоведения при определении оптимального управляющего воздействия необходимо учитывать не только потери на преодоление основного сопротивления движению, но и потери в электровозе.

2.5. Необходимо организовать обучение автоведению в дортехшколах на тренажерах всех машинистов, в том числе ведению сдвоенных поездов, взаимодействию машинистов сдвоенных поездов при создании нештатных ситуаций.

~7

II. О повышении энергетической эффективности вождения грузовых поездов (Бакланов, Мугинштейн, Никифоров, Филиппов, Школьников)

1. В настоящее время на всей сети железных дорог страны расширяется вождение поездов повышенной массы и длины, которое способствует повышению эффективности работы железнодорожного транспорта, в том числе снижению энергозатрат на тягу поездов. ,

Исходя из анализа энергетического баланса движения поездов следуют следующие направления снижения расхода электроэнергии на тягу грузовых поездов повышенной массы и длины: повышение эксплуатационного КПД электроподвижного состава и устройств тягового электроснабжения, спрямление профиля и плана пути; снижение основного сопротивления движению подвижного состава; снижение потерь энергии в тормозах поездов; снижение затрат энергии на собственные нужды поездов.

1.1. С целью сокращения энергозатрат на тягу грузовых поездов повышенной массы и длины, повышения эффективности рекуперативного торможения электровозов целесообразны следующие мероприятия:

1) разработать технологию и режимные карты вождения грузовых поездов повышенной массы 6000-18000 т на участках постоянного и переменного тока с максимальным применением электрического торможения;

2) разработать инструкцию по применению электрического торможения при вождении грузовых поездов повышенной массы 12-16-осными электровозами постоянного и переменного тока;

3) разработать и проверить экспериментально методику определения максимальной массы грузовых поездов по условиям сцепления колес электровозов с рельсами и нагревания тяговых электродвигателей при движении с ограничениями скорости и остановками;

4) произвести оценку эффективности использования энергии рекуперации на полигонах постоянного и переменного тока и разработать комплекс мер по повышению уровня рекуперативного торможения;

5) провести теоретические и экспериментальные исследования по влиянию организации движения поездов повышенной массы на уровень электропотребления и показатели качества электроэнергии.

2. Выводы:

2.1. Совершенствование СУТП должно идти по следующим направлениям:

1) разработка отраслевых нормативов на ремонт и обслуживание аппаратуры, дающих право на содержание ремонтного персонала для обслуживания аппаратуры СУТП, регламентирующей порядок расчета необходимого контингента, т.к. без целевого выделения людских ресурсов для обслуживания и ремонта системы, эксплуатация и получение реальной отдачи от внедрения системы затруднено;

2) внесение в эксплуатационные расходы дирекции по ремонту тягового подвижного состава финансовых затрат на обслуживание системы СУТП,

8

мелкий ремонт силами базового ремонтного локомотивного депо, крупный ремонт - через систему аутсорсинга.

2.2. Совершенствование системы УСАВП должно идти по следующим направлениям:

1) разработка программы модификации аппаратуры автоведения (УСАВПГ) под локомотивы ВЛ10К;

2) переработка конструкции на вновь выпускаемые системы и дополнение существующего парка систем конструктивными средствами, позволяющими повысить механическую прочность блоков, сделать изделия не привлекательными для грабежа, исключить доступность неспециалистов к кабельной продукции;

3) пересмотр схематических подключений УСАВП-Г и РПДА-Г, обеспечивающих учёт расхода электроэнергии при выключенной системе УСАВП-Г;

4) автоматизация ввода временных ограничений скорости и данных о поезде.

2.3. Рекомендовать:

1) использовать инструментарий (технические средства и программно-методическое обеспечение) дорожных тягово-энергетических лабораторий (далее - ТЭЛ) для подтверждения энергетической эффективности использования систем автоведения и тяжеловесного движения.

2) для выработки предложений по целевым направлениям использования ТЭЛ и совершенствованию технической их оснащенности провести в 2011 году совместное заседание секций НТС ОАО «РЖД» «Локомотивное хозяйство», «Топливно-энергетическая» и «Путь и путевое хозяйство».

Председатель секции НТС ОАО «РЖД» «Топливно-энергетическая»

Заместитель председателя секции НТС ОАО «РЖД» «Локомотивное хозяйст

Заместитель председателя секции НТС ОАО «РЖД» «Топливно-энергетическая»

Б.Д Никифоров

А.В. Петрунин

Е.Н. Школьников

Приложение 2. Частные производные динамических и электрических параметров по оцениваемым компонентам вектора состояния системы

(П2.1) (П2.2)

^ т И ^

С 1п В

5/я.

дрх Р\

си

Ф2 Р\ р2 (2>)'

д21а

2С\п

Л И Л

\Р2 у

и

Ф12 3„ А

а2/я Си

ф22 Р2Р\

52/я Си

Ф1Ф2 Р2Р\(Тг)

ЗУ дрх дЦ др2

рС

Г тяЛ в

КР2 У

и

Р\

рСи Р\ Р2

( т и А

2 рС д2Ц = 1^2 у

д 2 3

Ф1 А а2с/ _ ¿>сь>

Ф22 а ^22

у

Ф1 Фг

Р\2Р2

(П2.3) (П2.4)

(П2.5)

(П2.6) (П2.7)

(П2.8) (П2.9)

(П2.10)

du дрх

du

к-Ы

a

X In

( v1

{ui-i:ir)Pl

др2 dp*

n7 2

С pi

ln

( г* Л'2

в

yP2j

= 0;

d2u _2{ul-i:Yr)Px [ul-i:Yr)p^

dp 2

( ги Y

Cln

KP2y

hV

P2

Clnl

P2

P 2

d2u _ [K-nir] dpi dp2

iO A Й

P2

Cln

P2

Vrz7

g/, йК'-л'р-) ГГлк-Ы

CaD

Ф1

С и

V

V

Си

JJ

ф2 4 -

Си

P.г

Ф1

CV

V V

Си

//

Э2/„

= 0;

dp 2

др\ др2 С и

(

ехр

V V

Аки-ЫТ|

Си

J J

дх,

M.п.

др\

Т,С

( Т И^

\P2j

Р\

h7!

С

At-

X

М( 1 + 2

дх

M.п.

Фг

Р\ Pi

+ Е-,

С At'

X-т^-гХ

М( 1 + г) 2

EI=Tx(Qf)x

Е2=Фг)х

( ( тИ Л (

-тхс

г

-TxCIf

abQx^jbTxQF )+cd o,x^dTxQF )

Л Л

Р\

J J

\

abexf(bTxQF )+cd Qx^dT}QF )

\\

V

Pi P2

J J

Qp = СФ/Я ; Г,=3,6«тэд-

Приложение 3. Характеристики намагничивания двигателя ЭДП-810

* т Т-¿-А* Пар1Л ЧЛ Л; ?*Г Ч1 •г И"**" ч ' |Мф:ры.

0.^ >«200 ^ЗОО4*5« 1Т00Т ¿500 Г Й--7001 | 8001"

0 и, В 16,5 491 895 1143 1301 1407 1476 1541 1596

п, с"1 12,95 12,93 12,82 12,72 12,68 12,63 12,53 12,52 12,47

Е/п, В-с 1,27 37,97 69,83 89,88 102,54 111,37 117,77 123,08 128,02

Ф*,Вб 0,0012 0,0368 0,0677 0,0871 0,0994 0,1080 0,1142 0,1193 0,1241

450 и, В - - 1079 1068 1062 1060 1060 1058 1058

п, с"1 - - 15,88 12,27 10,7 9,8 9,23 8,82 8,5

Е/п, В с - - 69,37 88,92 101,38 110,48 117,27 122,58 127,15

Ф, Вб - - 0,0673 0,0862 0,0983 0,1071 0,1137 0,1188 0,1233

580 и, В - - 1060 1040 1038 1038 1038 1038 1038

п, с"1 - - 15,78 12,08 10,53 9,68 9,12 8,78 8,42

Е/п, В-с - - 68,99 88,45 101,27 110,16 117,01 121,45 126,74

Ф, Вб - - 0,0669 0,0858 0,0982 0,1068 0,1134 0,1177 0,1229

700 и, В - - 1019 1008 1000 998 996 995 993

п, с"1 - - 15,41 11,03 10,25 9,48 8,92 8,55 8,19

Е/п, В-с - - 68,31 87,35 99,78 108,78 115,5 120,44 125,4

Ф, Вб - - 0,0662 0,0847 0,0967 0,1055 0,1120 0,1168 0,1216

800 и, В - - 1006 1003 1000 992 990 988 986

п, с"1 - - 15,42 12,05 10,55 9,5 9 8,58 8,23

Е/п, В-с - - 67,78 86,47 98,44 107,4 114,25 119,85 124,51

Ф, Вб - - 0,0657 0,0838 0,0954 0,1041 0,1108 0,1162 0,1207

* - значения магнитного потока были получены посредством пересчета отношения

_ рсо N

Е/п по выражению для Э.Д С. двигателя согласно выражения [62] Ь —--Ф, где

2 п апар

N и апар - число проводов и число параллельных ветвей обмотки якоря, р - число пар полюсов; со - угловая скорость якоря, рад/с

Приложение 4. Рабочие характеристики магистрального грузового

электровоза серии 2ЭС6 полученные на заводе изготовителе

НАПРЯЖЕНИЕ КОНТАКТНОЙ СЕТИ 3000.0 В

ЧИСЛО ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО ВКЛЮЧЕННЫХ ДВИГАТЕЛЕИ - 2 (П - соединение ТЭД).

Уставка тока возбуждения 700.0 А

Ток якоря, А Частота вращения, об/мин Момент на валу, кНм К.п.д. двигателя Скорость движения, км/ч Сила тяги, кН К.п.д. электровоза Ток возбуждения, А

800.00 666.06 15.94 .91 44.59 700.40 .89 800.00

750.00 668.48 14.92 .92 44.75 656.41 .90 800.00

700.00 670.89 13.91 .92 44.91 612.28 .90 800.00

650.00 673.31 12.90 .92 45.07 568.00 .90 800.00

600.00 675.72 11.88 .92 45.23 523.58 .90 800.00

550.00 678.13 10.87 .93 45.39 479.02 .91 800.00

500.00 680.55 9.85 .93 45.56 434.31 .91 800.00

450.00 685.49 8.81 .93 45.89 387.98 .91 790.00

400.00 690.43 7.77 .93 46.22 341.98 .91 780.00

350.00 695.38 6.73 .93 46.55 295.97 .90 770.00

300.00 700.35 5.71 .92 46.88 249.85 .89 760.00

250.00 705.38 4.69 .92 47.22 203.39 .88 750.00

200.00 710.47 3.68 .90 47.56 156.81 .85 740.00

150.00 715.73 2.67 .88 47.91 110.52 .81 730.00

100.00 721.25 1.67 .83 48.28 66.71 .73 720.00

50.00 726.86 .68 .67 48.66 26.80 .58 710.00

.00 732.57 -.30 .00 49.04 -14.89 .00 700.00

-50.00 738.37 -1.27 .75 49.43 -61.34 .70 690.00

-100.00 744.24 -2.24 .85 49.82 -109.58 .78 680.00

-150.00 750.18 -3.19 .89 50.22 -153.74 .83 670.00

-200.00 756.07 -4.14 .91 50.61 -195.39 .87 660.00

-250.00 761.97 -5.08 .92 51.01 -236.77 .89 650.00

-300.00 767.94 -6.01 .93 51.40 -278.32 .90 640.00

-350.00 773.99 -6.94 .93 51.81 -320.21 .91 630.00

-400.00 780.13 -7.85 .93 52.22 -362.19 .91 620.00

-450.00 786.39 -8.76 .93 52.64 -403.99 .91 610.00

-500.00 792.78 -9.66 .93 53.07 -445.50 .91 600.00

-550.00 799.39 -10.54 .93 53.51 -486.74 .91 590.00

-600.00 806.14 -11.42 .93 53.96 -527.69 .90 580.00

-650.00 813.05 -12.28 .93 54.42 -568.38 .90 570.00

-700.00 820.12 -13.14 .92 54.90 -608.79 .90 560.00

Уставка тока возбуждения 600.0 А

800.00 675.65 15.71 .91 45.23 690.15 .89 760.00

750.00 680.58 14.66 .92 45.56 644.42 .89 750.00

700.00 685.59 13.61 .92 45.89 598.86 .90 740.00

650.00 690.75 12.57 .92 46.24 553.39 .90 730.00

600.00 696.16 11.54 .92 46.60 507.96 .90 720.00

550.00 701.67 10.51 .93 46.97 462.74 .91 710.00