Совершенствование системы защиты от юза пассажирских электровозов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Андреев Владимир Евгеньевич
Андреев Владимир Евгеньевич
кандидат наук
2024
- Специальность ВАК РФ00.00.00
- Количество страниц 132
Оглавление диссертации кандидат наук Андреев Владимир Евгеньевич
Введение
Глава 1. Аналитический обзор научно-технической,
нормативной, методической литературы в области
борьбы с боксованием и юзом колесных пар
подвижного состава, выбор направления исследований
1.1 Цели и задачи создания систем защиты от юза и боксования
1.2 Развитие противоюзовых и противобоксовочных систем подвижного состава
1.3 Обзор существующих систем защиты от юза и боксования и особенностей их работы
1.3.1 Пневмо-механические системы
1.3.2 Электромеханические системы
1.3.3 Электронные системы
1.4 Способ обнаружения боксования и юза колес транспортного средства с электрической передачей
1.5 Зарубежные противоюзовые устройства с новыми алгоритмами работы
1.5.1 Необходимость усовершенствования алгоритмов
работы противоюзово — противобоксовочных систем
1.5.2 Применяемые принципы защиты колеса от скольжения
1.5.3 Система управления противоюзовым устройством электропоезда Desiro-Rus
1.5.4 Защита от скольжения колес скоростного электропоезда Sm6 (Allegro)
1.6 Задачи, которые необходимо решить для создания системы защиты от юза при пневматическом торможении
1.7 Выводы по Главе
Глава 2. Теоретические основы построения системы защиты от
юза
2.1 Описание процессов в месте контакта «колесо - рельс» для
создания систем защиты от юза и боксования
Стр.
2.2 Математическая модель электровоза ЧС7 для анализа
работы системы защиты от юза
2.2.1 Модель механической части электровоза ЧС7
2.3 Моделирование системы пневматического торможения
2.4 Влияние динамических процессов в экипажной части электровоза на работу системы защиты от юза
2.5 Выводы по Главе
Глава 3. Разработка алгоритма работы и схемы противоюзовой
защиты
3.1 Новый способ обнаружения юза
3.2 Определение скорости и углового ускорения колесных пар в системе противоюзовой защиты
3.3 Пример использования фильтра Калмана для определения углового ускорения и времени до замыкания колесных пар
3.4 Алгоритмы работы системы противоюзовой защиты
3.5 Анализ эффективности алгоритма защиты от юза
3.6 Выводы по Главе
Глава 4. Реализация блока защиты от юза и боксования
4.1 Устройство и установка блока УПЗ-М
4.2 Расширение возможностей УПЗ-М по совешенствованию защиты от боксования
4.3 Выводы по главе
Заключение
Список рисунков
Список таблиц
Список литературы
Приложение А. Акты о внедрении результатов
диссертационного исследования
Введение
Актуальность темы. Система торможения является одной из наиболее важных для обеспечения безопасной эксплуатации железнодорожного транспорта. Появление юза в результате ухудшения условий сцепления в месте контакта «колесо - рельс» приводит к повышенному износу колесных пар и снижает эффективность торможения. Одним из наиболее опасных последствий юза является появление ползунов в случае блокировки колес. Повышение эффективности устройств борьбы с юзом является важной задачей, решение которой необходимо для совершенствования подвижного состава.
Система борьбы с юзом должна обеспечивать максимально возможное по условиям сцепления тормозное усилия и не допускать возникновения ползунов. Для этого необходимо решение задач обнаружения юза, снижения момента торможения на колесной паре и его восстановление после прекращения юза.
Наиболее сложным является борьба с юзом при пневматическом торможении, так как возможности снижения силы торможения ограничены свойствами пневматической тормозной системы. В этом случае применяется ступенчатый отпуск тормозов с последующим восстановлением торможения.
В разное время работами в области исследования процессов в контакте «колесо - рельс», разработки методов обнаружения избыточного скольжения колесных пар, создания систем защиты от юза и боксования занимались отечественные и зарубежные ученые, такие как А. А. Бакланов, Б. К. Баранов, Ю. П. Бороненко, А. П. Буйносов, В. В. Грачев, Н. В. Гребенников, А. В. Грищенко, А. А. Зарифьян, Ю. М. Иньков, И. П. Исаев, А. С. Космодамианский, В. И. Колесников, Ю. М. Лужнов, В. С. Коссов, А. И. Кравченко, В. А. Кручек, А. С. Курбасов, В. А. Ку-чумов, А. Л. Лисицын, В. В. Литовченко, А. С. Мазнев, В. Б. Медель, О. В. Мельниченко, Н. Н. Меншутин, Д. К. Минов, Л. А. Мугинштейн, А. В. Плакс, Д. Ю. Погорелов, О. Е. Пудовиков, В. Е. Розенфельд, Н. А. Ротанов, Е. К. Рыбников, А. Н. Савоськин, Н. Н. Сидоров, Б. Н. Тихменев, Л. Н. Трахтман, В. Д. Тулупов, В. П. Феоктистов,
С. Г. Шантаренко, В. П. Янов, G. Barna, I. Hasegawa, J. J. Kalker, T. X. Mei, Y. Matsumoto, E. J. Kreuzer, S. -I. Nakazawa, O. Polah, W. Schiehlen и др.
Цель работы. Целью работы является повышение безопасности движения пассажирских электровозов путем совершенствования системы торможения
Задачи работы. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
1. Анализ и обобщение существующих решений в области создания систем обнаружения и борьбы с юзом и боксованием.
2. Формулирование требований к системе для выявления и контроля избыточного скольжения колесных пар локомотивов в режимах тяги и торможения.
3. Разработка принципов и алгоритмов работы системы защиты от юза колесных пар.
4. Разработка способов и методов определения угловой скорости вращения и углового ускорения колесных пар для использования в системах защиты от юза и боксования.
5. Создание математической модели электровоза для анализа процессов в экипажной части локомотива и в месте контакта «колесо -рельс» для анализа работы системы противоюзовой защиты в режиме торможения.
6. Проверка правильности предлагаемых решений по созданию системы защиты от юза колесных пар с использованием разработанной математической модели электровоза.
Объект исследования. Объектом исследования является магистральный пассажирский электровоз серии ЧС7.
Предмет исследования. Предметом исследования являются информационные, механические и пневматические процессы в экипажной части и системе торможения электровозов серии ЧС7.
Положения выносимые на защиту:
1. Алгоритмы и принципы функционирования системы защиты от юза колесных пар.
2. Способ определения угловой скорости вращения и углового ускорения колесных пар.
3. Структура системы защиты от юза колесных пар.
4. Результаты анализа процессов в экипажной части электровоза в режиме торможения с использованием предлагаемых принципов и алгоритмов функционирования системы защиты от юза колесных пар.
Научная новизна работы:
1. Предложен способ определения возникновения юза, отличающийся от известных тем, что для идентификации юза, кроме информации об избыточном скольжении, также используется новый критерий — «Время до заклинивания колесной пары».
2. Разработан способ определения угловой скорости вращения и углового ускорения колесных пар основанный на применении фильтра Калмана, отличающийся от известных использованием опорного сигнала об угловом ускорении колесной пары в качестве управляющего воздействия.
3. Предложенная структура системы защиты от юза использует, в отличие от известных, информацию не только об угловой скорости вращения колесных пар, но и их угловое ускорение.
Методы исследований. Для решения поставленных задач были использованы методы теоретической механики, методы моделирования систем твердых тел, теории автоматического управления, теории вероятности, теории обработки сигналов, методы математического анализа, математического и схемотехнического моделирования, численное моделирование на ПЭВМ с использованием программного комплекса «Универсальный механизм».
Теоретическая значимость диссертационной работы:
1. Введен новый критерий «Время для заклинивания колесной пары», позволяющий повысить надежность распознавания юза колесных пар.
2. Определена рациональная конфигурация цифровых фильтров Кал-мана для выделения сигналов угловой скорости вращения и угловой скорости колесной пары.
3. Обоснована необходимость примененеия комплексного критерия определения юза и боксования, основанного на использовании угловой скорости врашения, угловом ускорении и времени до заклинивания колесных пар.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
1. Предложены практические рекомендации по созданию устройств защиты от юза и боксования.
2. Обоснована надежность обнаружения юза и боксования с использованием комплексного критерия, основанного на информации об угловой скорости врашения, угловом ускорении и времени до заклинивания колесных пар.
3. С использованием предлагаемых принципов и алгоритмов обнаружения и борьбы с юзом разработана и испытана система защиты от юза и боксования электровоза ЧС7.
4. Установлено, что предлагаемая система защиты от юза может эффективно применяться на пассажирских электровозах для повышения безопасности при пневматическом торможении.
Степень достоверности полученных результатов, защищаемых в настоящей работе, обусловливается использованием известных физических закономерностей и апробированных методик, которые подтверждаются соответствием с экспериментальными данными.
Апробация работы. Результаты диссертационного исследования обсуждались и были положительно оценены на Международных научно-практических конференциях: IX Международном симпозиуме «Элтранс - 2017. Прорывные технологии электрического транспорта» (г. Санкт-Петербург,
2017 г.), X Международном симпозиуме «ELTRANS 10.0» (г. Санкт-Петербург, 2019 г.), XI международном симпозиуме «Eltrans - 2023. Электрификация и электрическая тяга: цифровая трансформация железнодорожного транспорта» (г. Санкт-Петербург, 2023 г.), 7-й Международной научной конференциии «Интеллектуальные информационные технологии в технике и на производстве» — IITI'23 (г. Санкт-Петербург, 2023 г.)., «Наука 1520: Загляни за горизонт» (Санкт-Петербург, 2023).
Внедрение результатов работы. Результаты работы используются в учебном процессе Петербургского университета путей сообщения Императора Александра I. Результаты исследования нашли применение при создании системы защиты от юза и боксования пассажирских электровозов серии ЧС7.
Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 10 публикациях, в том числе в 3 статьях в рецензируемых научных изданиях, входящих в перечень ВАК, 4 опубликовано в изданиях, включенных в базу данных Scopus.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и 1 приложения. Полный объём диссертации составляет 132 страницы, включая 44 рисунка и 4 таблицы. Список литературы содержит 101 наименование.
Глава 1. Аналитический обзор научно-технической, нормативной, методической литературы в области борьбы с боксованием и юзом колесных пар подвижного состава, выбор направления исследований
История борьбы железных дорог с ухудшением сцепления восходит еще к концу XIX века, когда в локомотивах предусматривалось пространство для резервуара с песком. За время, прошедшее с тех пор, был достигнут значительный прогресс и появились новые методы управления сцеплением. Наиболее часто используемый из них состоит в поддержании скольжения колес на оптимальном уровне [1,2]. В СССР и России первые противоюзовые (синоним — «противоюзные») устройства появились в 1960-х - начале 1970-х гг, все они были механического типа (с осевыми датчиками типа «М», 390.000.4. и прочие) и устанавливались на опытные электропоезда ЭР22, тепловозы ТЭП 60, вагоны габарита ШС с воздухораспределителями типа КЕ [3]. Противоюзово-противобоксовочные системы с электронным управлением устанавливались на электропоезда ЭР200 [4], электровозы ЧС200, ЧС6, ЧС7. Весь современный подвижной состав имеет системы защиты от юза и боксования. По данным ВНИИ-ЖТ, [3] для не оборудованного противоюзовыми системами вагонов до 10% отцепок приходится на устранение ползунов. Для локомотивов этот показатель доходит до 3 - 4%.
В настоящее время осевая мощность электровозов достигла таких величин, что в режиме тяги большую часть времени электровозы и тепловозы практически полностью используют возможности сцепления в месте контакта «колесо - рельс». Реализация силы тяги на пределе по сцеплению происходит при тяжеловесном движении, а также при движении на участках со сложным профилем [5,6]. Поэтому все современные электровозы оснащаются системами защиты от боксования и юза, способными подавить возникающее избыточное скольжение колесных пар (КП) за счет высокой скорости изменения момента. Однако, такой уровень быстродействия регулирования может быть достигнут только при использовании бесколлекторных тяговых двигателей (ТЭД), асинхронных или синхронных с постоянными магнитами на роторе.
Необходимо отметить, что использование традиционных систем защиты от юза и боксования не потеряло актуальности, так как все равно
необходима для защиты от юза и блокировки КП в режиме пневматического торможения. Также, в настоящее время на различных полигонах железных дорог России продолжается эксплуатация большого парка пассажирских и грузовых электровозов с коллекторными ТЭД, которые могут эксплуатироваться еще 15 - 20 лет, так как их конструкция допускает продление срока службы. Это пассажирские электровозы постоянного тока ЧС200, ЧС7, переменного тока ЧС8, грузовые ВЛ11 и ВЛ15. На таких электровозы штатно были установлены достаточно простые, релейные системы защиты от боксования и юза, на пассажирских локомотивах дополненные аналоговой системой. Такие системы не обеспечивают надежную защиту от боксования и юза, морально и физически устарели. Поэтому актуальной является их модернизация.
1.1 Цели и задачи создания систем защиты от юза и боксования
Силы тяги и торможения на подвижном составе железных дорог создаются колесными парами за счет трения в месте контакта «колесо -рельс» (сила сцепления). Величина силы сцепления зависит от силы нажатия и состояния контактирующих поверхностей. При несоответствии момента от силы сцепления, моменту от сил тяги или торможения, возникает процесс боксования (юза), который характеризуется быстрым ростом или замедлением КП и значительным снижением силы тяги или торможения.
Неконтролируемое развитие боксования приводит не только к снижению тягового или тормозного усилия, но и вызывает повышенный износ рельсов, колесных пар и других элементов подвижного состава, создает риск выхода из строя оборудования. Особенно опасным с точки зрения безопасности движения является развитие юза до полной остановки (заклинивания) колесных пар при торможении, так как это увеличивает тормозной путь и приводит к появлению ползунов. Поэтому при создании подвижного состава и организации движения используются системы и применяется комплекс мер, направленных на предотвращение или прекращение боксования или юза.
Эффективное подавление уже возникшего боксования или юза требует снижения тягового или тормозного усилия с высоким быстродействием. Как показали результаты исследований процессов боксования тягового электропривода [7—9], для ликвидации возникшего избыточного проскальзывания КП необходимо регулирование электромагнитного момента тяговых двигателей с постоянной времени порядка 7 - 10 мс. Достижение такого уровня быстродейтствия при использовании тяговых двигателей постоянного тока с контакторными системами регулирования или тиристорными преобразователями с зонно-фазовым регулированием невозможно. Поэтому, по-настоящему эффективную систему защиты от боксования и юза можно создать только при использовании бесколлекторного тягового электропривода на базе асинхронных тяговых двигателей или синхронных с постоянными магнитами.
Действие систем защиты от боксования или юза электровозов с коллекторными тяговыми двигателями было направлено, в основном на недопущения возникновения боксования или юза, например, путем повышения жесткости тяговых характеристик, так как из средств борьбы с ними является доступной только подсыпки песка [10]. Это приводит к недоиспользованию сцепного веса локомотивов по условиям сцепления колес с рельсами. При этом даже при использовании подсыпки песка остается актуальной задача своевременного обнаружения избыточного проскальзывания КП [11].
В системах механического торможения невозможно добиться скорости снижения тормозного усилия, необходимого для эффективной ликвидации юза из-за низкого уровня быстродействия пневмосистемы. Поэтому для надежного предотвращения появления и развития юза необходимо прогнозирование процессов, связанных с появлением избыточного скольжения КП, в месте контакта «колесо - рельс», чтобы скомпенсировать низкое быстродействие системы пневматического торможения. Поскольку заклинивание КП является одним из наиболее опасных проявлений неконтролируемого развития юза, то применение устройства предотвращения заклинивания являются одним из наиболее распространенных типов противоюзивых систем.
К системе защиты от юза и боксования предъявляются два противоречивых требования: должно обеспечиваться максимально возможное
использование условий сцепление в месте контакта «колесо - рельс» и не должно возникать боксования и юза.
1.2 Развитие противоюзовых и противобоксовочных систем
подвижного состава
Противоюзовые и противобоксовочные системы предназначены для предотвращения избыточного скольжения колесных пар при пневматическом или электрическом торможения, и для предотвращения боксования в режиме тяги. По конструкции противоюзовые системы классифицируются следующим образом (рис 1.1):
Рисунок 1.1 — Типы систем борьбы с юзом и боксованием
Пневмо-механические системы в большинстве построены на использовании центробежных инерционных датчиков скорости и имеют сбрасывающие клапана. Точность таких систем невысока, основное их назначение — предотвращение образования ползунов при заклинивании колесных пар. Подобные системы имеют сбрасывающие клапаны и используются на пассажирских и грузовых вагонах (преимущественно, в Европе). Электронные и электромеханические системы являются наиболее точными и позволяют не только предотвратить образование ползунов, но и повысить эффективность торможения за счет поддержания проскальзывания колес в оптимальной зоне. Противобоксовочные системы используются на тяговом подвижном составе (тепловозах, электровозах, электропоездах) (см. рис. 1.1).
Коллекторные тяговые двигатели постоянного и пульсирующего тока, с последовательным возбуждением, применяемые на электроподвижном составе (ЭПС), подвержены значительному риску в случае возникновения
боксования — превышение предельной угловой скорости может вызвать повреждение бандажей обмоток и разрушение коллектора, а небаланс напряжений между последовательно включенными двигателями ведет к риску возникновения кругового огня на коллекторе двигателя боксующей оси и пробою, а также повреждение колесных пар и рельсов. Изначально, все виды ЭПС с двигателями постоянного тока, были оборудованы электромеханической противобоксовочной системой, известной, как реле боксования. Принцип ее работы ее заключается во включении обмоток реле в диагональ моста с якорями и добавочными резисторами. Небаланс напряжений между якорями, вызванный расхождением ЭДС боксующей и небоксующей осей, при условии, что на добавочных резисторах напряжение питания делится равномерно, вызывает ток через катушку и срабатывание реле. Контакты реле воздействуют на систему управления ЭПС, снижая ток, подавая песок под колеса и пр. Такая система имеет ряд неустранимых недостатков, таких как:
- низкая чувствительность и точность реле;
- невозможность учета разницы диаметров колесных пар по кругу катания и характеристик тяговых двигателей (в первую очередь, магнитных);
- невозможность использования в режиме пневматического торможения, как противоюзовой.
Таким образом, противобоксовочные системы первого поколения выполняют исключительно защитную функцию и не могут повысить сцепные свойства ЭПС [3,4,12,13]. Кроме того, они не позволяют выявить синхронное боксование.
На более современном ЭПС применяются электронные системы, основанные как на сравнении напряжений якорей, так и на сравнении частот вращения осей. Имеются разработки систем, основанных на явлениях, возникающих в зоне контакта «колесо - рельс» и в тяговой передаче при условиях сцепления, близких к предельным.
Чувствительность релейных систем невысока, они не могут работать в качестве противоюзовых. Поэтому подавляющее большинство современных типов ЭПС имеет также и систему противоюзово-противобоксовочной защиты, в основе действия которой лежит принцип сопоставления скоростей колесных пар или их ускорений [3,14—18].
1.3 Обзор существующих систем защиты от юза и боксования и
Рекомендованный список диссертаций по специальности «Другие cпециальности», 00.00.00 шифр ВАК
Влияние жесткости характеристик тяговых двигателей локомотивов на потери энергии в зоне контакта колеса с рельсом2002 год, кандидат технических наук Шиляков, Андрей Петрович
Повышение устойчивости работы электронных систем управления пассажирских электровозов при реализации высоких тяговых усилий2000 год, кандидат технических наук Прокофьев, Сергей Николаевич
Улучшение использования тяговых свойств электрического подвижного состава с двигателями постоянного тока2012 год, кандидат технических наук Калинина, Анна Андреевна
Улучшение сцепных свойств электровозов с бесколлекторными двигателями1998 год, доктор технических наук Покровский, Сергей Владимирович
Двухдвигательный частотно-управляемый тяговый электропривод подземного электровоза с эффективным управлением2018 год, кандидат наук Вильнин, Александр Даниилович
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование системы защиты от юза пассажирских электровозов»
особенностей их работы
1.3.1 Пневмо-механические системы
В таких устройствах основной блок выполняется в виде единой конструкции, устанавливаемой на корпусе буксы оси колесной пары [3]. В состав устройства входит инерционный датчик, выполненные в единой конструкции с исполнительным элементом (клапаном). Число датчиков и клапанов зависит от количества осей и конструкции тормозной системы вагона. Конструкция осевого устройства типа «М» приведена на рис. 1.2.
Рисунок 1.2 — Осевой инерционный датчик противоюзового устройства
Пневмомеханическое противоюзовое устройство работает следующим образом. С помощью привода 1 при движении поезда вращение передается на полую ось (стакан) датчика, маховик (инерционная часть) 2 вращается вместе с ним, однако имеет возможность проворота, так как закреплен на подшипниках. При возникновении юза замедление колесной пары значительно превышает замедление поезда. При этом маховик, накопивший
кинетическую энергию, преодолевает силу трения и с силу пружин, и проворачивается, приводя в движение конусную шайбу 3 и муфту 4, сжимая пружину. Через регулировочный шток 5 давит на блок клапанов 6 и сжатый воздух из полостей клапанов выходит в атмосферу. Шланг датчика с использованием штока 7 соединяется со сбрасывающим клапаном. Он выпускает воздух из тормозных цилиндров и ликвидирет юз. Аналогично устроены и другие механические противоюзовые устройства. К недостаткам таки систем относятся:
- невозможность (либо крайне ограниченные возможности) настройки и регулирования;
- низкая чувствительность;
- один канал для оценки ситуации (только величина углового ускорения) при замедлении, нет возможности сравнивать скорости колесных пар.
1.3.2 Электромеханические системы
Если силовая схема содержит коллекторные ТЭД с постоянным последовательным соединением якорей (ЭПС постоянного тока), то для защиты от боксования наиболее часто используется схема на основе реле (1.3).
Рисунок 1.3 — Схема включения реле боксования на ЭПС постоянного
тока
Принцип работы данной схемы состоит на изменении уровня ЭДС якоря тягового двигателя при срыве сцепления и развитии боксования, что
вызывает ток через катушку реле боксования (РБ). В случае, когда на подвижном составе используется исключительно параллельное соединение ТЭД (электровозы переменного тока, тепловозы), используется другая схема (рис. 1.4). В данном случае срабатывание реле боксования является следствием уменьшения тока двигателя боксующей оси, из за чего изменяется падение напряжения обмоток главных и дополнительных полюсов ТЭД. В этом случае катушка РБ рассчитывается на небольшое напряжение, по сравнению со схемой, показанной на рис. 1.3. Данная схема применяется на тепловозах 2ТЭ10, электровозах переменного тока ВЛ80 и других видах подвижного состава, на которых двигатели включены параллельно.
с постоянным параллельным соединением ТЭД (тепловозы, электровозы
переменного тока)
На тепловозах, когда все ТЭД в схеме соединены параллельно и гальванически связаны, в состав устройства включаептся шестифазный диодный мост. Его средние точки подключаются к точкам равного потенциала цепей ТЭД, а катодные и анодные выводы моста — к обмоткам реле боксования и юза так, как это показано на рис. 1.4.
Достоинствами релейных схем выявления боксования являются их простота и надежность. К недостаткам относятся:
- низкая чувствительность;
- невозможность подстройки при работе;
- невозможность применения на ЭПС с бесколлекторными ТЭД;
- невозможность выявления синхронного боксования.
Схемы рис. 1.3 и рис. 1.4 ограниченно сохраняют работоспособность в режиме электрического торможения, как защита от юза.
Релейные схемы защиты от боксования воздействуют на систему управления ЭПС, снижая силу тяги, а также управляя автоматической подачей песка.
1.3.3 Электронные системы
Аналоговая система защиты от юза и боксования электровозов серии ЧС. Данные системы отличаются от вышеперечисленных наличием электронного решающего устройства (аналогового или цифрового) блока, позволяющего выполнить сравнение скоростей осей с высокой точностью. Характерной особенностью большинства таких систем является наличие датчиков скоростей осей (частотных, или энкодерных датчиков либо та-хогенераторов). Имеются также системы, определяющие скорость осей косвенно, по токам и напряжениям тяговых электродвигателей. В таком случае вместо датчиков скорости устанавливаются соответственно, датчики токов и напряжения. Развитие электронных систем началось в 1960-х -1970-х гг. Первые системы были аналоговыми. Им на смену пришли системы на основе жесткой логики, а затем — микропроцессорные. Как правило, аналоговые системы выполняют сравнение скоростей осей, микропроцессорные также анализируют ускорение.
Аналоговая система защиты от юза электровозов ЧС. На электровозах ЧС7 заводом-изготовителем устанавливался блок защиты от боксования и юза 750 [13,19]. На осях установлены датчики скорости, состоящие из зубчатого колеса, закрепленного на шейке оси, и чувствительного элемента индукционного типа, выдающего прямоугольный сигнал при прохождении зубьев. Блок выполняет сравнение скоростей колесных пар в режиме тяги и торможения (плата Н54.01.01) рассчитвает ускорение и замедление, управляет подачей песка в режиме тяги, подает сигнал о юзе на блок электродинамического тормоза (ЭДТ) при поступлении которого снижается ток возбуждения ТЭД в режиме реостатного торможения, с помощью электропневматических вентилей управляет сбрасывающими клапанами (при пневматическом торможении). Кроме того, в функцию
блока входит измерение скорости движения с целью управления контакторами, закорачивающими секции тормозных резисторов при реостатном торможении и включение сигнальной лампы. Противобоксовочная защита (решение осуществляется платой А 2103 AI) срабатывает в случае, когда скорость колесной пары превышает величину, определяемую по формуле:
V = ул + уп,
где величина Ув определяется по формуле:
= 3 + 0,015 • ул.
(1.1)
(1.2)
Выполняется также анализ ускорений каждой из колесных пар. Система срабатывает, когда ускорение каждой из колесных пар превышает
2 2 величину а > 2,5 м/с , а снимается при снижении ее до а = 1,2 м/с
Защита от юза и боксования прекращает работу на скоростях ниже 10 км/ч. Алгоритма выявления юза отличается тем, что, что выход по сигналу «Боксование» является общим для все осей, а по сигналу «Юз» — для каждой оси индивидуально (рис. 1.5). При работе в режиме тяги за скорость локомотива ул в формулах (1.1) и (1.2) принимается минимальная из скоростей осей, а при торможении (реостатном или пневматическом) — максимальная.
ДС1
-ПЛ.
ДС2
ДСП
.пл.
max ^т)
V
<20 <40 <60
11
ЭДТ
1
я
-►в—
£
ЭВСК1
ш
ЭВСК2
ЭВСКп
ИЛИ
Контр. лампа «ЮЗ/БОКС»
Подача
Рисунок 1.5 — Упрощенная функциональная схема аналоговой противою-зово-противобоксовочной защиты электровозов серии ЧС
С датчиков скорости ДС поступает сигнал в виде серии импульсов, частота которых зависит от скорости движения. Данные импульсы преобразуются в непрерывный сигнал о скорости колесной пары. При превышении разницей порогового значения формируется сигнал о юзе/боксовании. Этот сигнал подается на электромагнитный вентиль сбрасывающего клапана. Также выполняется расчет скорости движения электровоза, который подается в системы электродинамического торможения, активируя контакторы, закорачивающие ступени тормозных резисторов по мере уменьшения скорости. Главным недостатком блока 750 является ограниченное функциональное воздействие в режиме тяги, заключающееся во включении контрольной лампы и подаче песка. Это связано с устаревшей неавтоматической системой управления ТЭД электровоза. Система на основе дискретных элементов имеет невысокую надежность.
Система защиты от юза и боксования УПЗ. Система УПЗ по своим функциям является электронным реле боксования/юза. Её отличие состоит в использовании датчиков напряжения вместо добавочных резисторов и катушки. Это позволило сделать систему более точной и быстрой, а также обнаруживать рост ЭДС как признак боксования у более чем двух двигателей. Принцип действия системы основан на анализе скорости сигналов.
Блок УПЗ предназначен для ликвидации боксования и юза КП локомотива путем автоматической подачи песка под колеса в режимах тяги и режиме электродинамического (реостатного) торможения. Блок УПЗ также воздействует на цепи управления током возбуждения ТЭД с целью уменьшения тормозного усилия при срыве сцепления в режиме электродинамического торможения.
Блок УПЗ содержит динамический узел, узел сравнения, плату с реле, узел питания, схему индикации. На динамический узел подаются: сигналы с четырех (шести) датчиков напряжения (далее ДН), в зависимости от типа электровоза. Датчики напряжения ДН подключены параллельно к якорным обмоткам ТЭД соответствующей колесной пары согласно рис. 1.3 и имеют на выходе сигналы разной полярности (рис. 1.6).
При развитии боксования на любом из двигателей, вследствие увеличения скорости вращения якоря, быстро изменяется ЭДС. При этом
Дифференцирующий усилитель
1 Г"
-й-
Жи
ж
¿и 1 /Ж
Компаратор 1
АЖи/Жт
Задатчик Жи / Ж «Тяга»
£
Жи/ЖТсг;1(Цоп +) Компаратор 2
Задатчик Жи / Ж «Юз»
НМ^
_I Жи1ЖаА (иоп -)
Жи1Жац (и„п -)
Убокс
Уюз
Рисунок 1.6 — Упрощенная (без цепей компенсации) функциональная схема канала УПЗ, выявляющего боксование и юз по скорости нарастания
напряжения якорей (для одного якоря)
дифференциальный усилитель формирует напряжение положительной полярности. Если в режиме реостатного торможения одна из колесных пар начинает юзить, ЭДС якоря падает и на выходе дифференциального усилителя формируется напряжение отрицательной полярности. Это значение пропорционально угловому ускорению колесной пары. С помощью компараторов 1 и 2 производится сравнение сигналов с заданным опорным значением (формируется задатчиками), которое соответствует предельному ускорению/замедлению поезда без боксования/юза. В данной системе предельное значение составляет 200 В/с.
При превышении этого значения на выходе компаратора формируется сигнал высокого уровня, «Убокс» который подается на вход схемы коммутации. С выхода компаратора 2 сигнал «Уюз» о юзе также подается на вход схемы коммутации. Аналогично первому, работают все остальные каналы.
Основным недостатком такой системы является ее неработоспособность в режиме пневматического торможения.
Система защиты от юза и боксования ДУКС. В данной системе [20] используются такие же датчики, как и в описанной выше системе, однако сравнение скоростей выполняется на уровне логических цифровых сигналов, без преобразования сигналов в непрерывные аналоговые. Функциональная схема системы приведена на рис. 1.7
Устройство работает следующим образом: Датчики скорости ДС формируют последовательность импульсов, частота которых пропорциональна
Рисунок 1.7 — Функциональная схема противоюзово - противобоксовоч-
ного блока ДУКС
скорости вращения колесной пары. Формирователи импульсов ФИ преобразуют импульсный сигнал в прямоугольный «меандр», который через ключи К подается на вход двоичных счетчиков СЧ. Ключи управляются формирователем команд ФК и не допускают ошибку работы системы на малых скоростях, выявляемых блоком начальной скорости БНС (минимальная рабочая частота). Импульсы, поступающие на вход счетчиков, пересчитываются. Первым заполняется счетчик колесной пары с максимальной частотой вращения. При полном заполнении любого из счетчиков сигнал о заполнении через блок ИЛИ подается в блок формирователя команд ФК, который формирует сигналы «запрет», «опрос и «сброс». при этом пересчет прекращается, а данные счетчиков считываются. Если количество пересчитанных импульсов превышает установленный предел, это говорит о недопустимом скольжении (боксовании или юзе) и блок выходных сигналов формирует управляющее воздействие в схему ЭПС на ликвидацию боксования, после чего счетчики обнуляются и пересчет возобновляется. Фактически данная схема сравнивает не скорости, а перемещения поверхности катания колесных пар, что дополнительно повышает ее надежность.
Существенным недостатком системы является невозможность настройки порога срабатывания, так как дешифратор ДШ устанавливается один раз на определенную величину.
Системы защиты от юза и боксования на основе микропроцессоров.
Большинство типов зарубежного подвижного состава, в том числе спроектированного за рубежом и поставляемого и производимого в РФ, имеют микропроцессорные системы противоюзовой защиты, обеспечивающие выявление скольжения с высокой точностью. При этом схемы в большинстве строятся на основе датчиков импульсного типа. При этом появляется дополнительные возможности не только защиты колесных пар от ползунов и якорей от повреждения при боксовании, но и реализация режимов торможения и тяги с максимально возможным по условиям сцепления усилием. Это особенно важно при использовании высокоскоростного и тяжеловесного движения, так как уменьшает тормозной путь и повышает массу грузовых поездов. При этом системы проектируются в соответствии с требованиями памятки (стандарта) МСЖД UIC 544 (Brakes - Braking performance) и UIC 541-05, Brakes - Specifications for the Construction of Various Brake Parts - Wheel Slide Protection Device, норм Евросоюза EN 15595, Railway applications - Braking - Wheel Slide Protection, CEN, 2009 [21-24], в РФ - ГОСТ 33725-2016. В большинстве публикаций указывается, что учитываются следующие параметры кривой сцеплениях [1,25,26] (рис. 1.8).
Рисунок 1.8 — Зависимость коэффициента сцепления ф от скорости сколь-
постоянства
Область Ду
остоянства
Область стабильного нарастания
жения Дг>,
По опубликованным данным, современные микропроцессорные про-тивоюзовые системы строятся с таким расчетом, чтобы при работе ЭПС в режиме тяги или торможения рабочее скольжение не выходило на нестабильный участок кривой сцепления. Это достигается высокой точностью измерения скорости колесных пар и применением на ЭПС с бесколлекторными ТЭД, с алгоритмами позволяющие осуществлять плавное регулирование тягового и тормозного усилия. В этих условиях наиболее сложной остается задача измерения абсолютной скорости движения и регулирование тормозной силы при пневматическом торможении. Самоадаптирующиеся поисковые алгоритмы противоюзовых систем останавливаются при этом почти всегда на величинах, расположенных вблизи максимума и достигающих значений порядка 90% от "фтах.
Структурная схема противоюзовой системы в таком случае достаточно проста, алгоритм работы определяется не схемой а программой. Микропроцессорная система позволяет вести обработку данных в цифровой форме и вычислять скорость скольжения с высокой точностью. Одной из основных задач такой системы является определение истинной скорости движения, так как относительная скорость скольжения для "фтах составляет 2 - 3%.
Микропроцессорные противоюзовые системы работают следующим образом: количество импульсов пересчитывается в скорость колесной пары. От схемы ЭПС поступает сигнал, в каком режиме работает подвижной состав: тяга, выбег или торможение. При торможении скорость каждой колесной пары сравнивается со скоростью колесной пары с максимальной скоростью (либо со скоростью эталонной колесной пары), и производится расчет скорости скольжения. При превышении значения скорости скольжения величины, соответствующей "фтах, система формирует команду на запирающий клапан пневмомодуля, изолируя тормозной цилиндр от запасного резервуара. После этого сбрасывающий клапан производит выпуск воздуха в атмосферу. Может производится как полный, так и ступенчатый отпуск под контролем датчика давления. При уменьшении скорости скольжения, давление в ТЦ восстанавливается. В режиме тяги скорость скольжения вычисляется, как разница скоростей требуемой колесной пары и колесной пары с минимальной скоростью (или эталонной), после чего
формируется воздействие в систему управления ЭПС для снижения силы тяги.
1.4 Способ обнаружения боксования и юза колес транспортного средства с электрической передачей
Данный способ разработан учеными ПГУПС Грачевым В. В., Грищен-ко А. В. и др. совместно со специалистами АО «ВНИКТИ» и позволяет применить на ЭПС с коллекторными ТЭД тот же алгоритм, который применяется на подвижном составе с асинхронными ТЭД и векторным управлением [27,28].
Данные устройства находятся в стадии разработки, и не применяются широко. Принцип действия таких устройств состоит в выявлении крутильных колебаний, образующихся при работе подвижного состава в условиях, близких к ограничению по сцеплению [14]. За счет работы датчика выявляются колебания в приводе. Кроме того, могут использоваться датчики скорости, тензодатчики, или датчики напряжения. В частности, устройство, принцип работы которого приведен на рис. 1.9, функционирует следующим образом: при возникновении колебаний скорости вращения периодически возрастает ЭДС якоря (Я), при этом падает ток и возникает ЭДС самоиндукции обмотки возбуждения (ОВ), величина которой измеряется датчиком напряжения. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) преобразует в цифровую форму выходной сигнал с датчика напряжения и этот сигнал считывается вычислительным модулем (ВМ).
Рисунок 1.9 — Схема противоюзового устройства
После создания выборки ВМ производит для неё дискретное преобразование Фурье, в результате чего рассчитываются амплитуды гармониче-
ских составляющих. Затем вычисляется значение относительной мощности гармонических составляющих в ограниченной полосе частот. Верхняя и нижняя граница диапазона зависят от конструкции и параметров экипажной части локомотива. Это значение поступает в систему управления локомотивом (СУ), которая принимает меры по прекращению боксования.
Достоинствами таких систем является выявление работы привода с условиями сцепления, близких к максимальному. К недостаткам можно отнести их низкую чувствительность при резком ухудшении условий сцепления, когда колебания не возникают.
1.5 Зарубежные противоюзовые устройства с новыми алгоритмами
работы
1.5.1 Необходимость усовершенствования алгоритмов работы противоюзово — противобоксовочных систем
В разделе 1.3 рассмотрены основные варианты построения проти-воюзовых системы и кратко описаны алгоритмы их работы, приведены примеры конкретных систем. Можно сделать вывод от том, что для выявления юза используются два основных способа: сравнение скоростей КП, сравнение реального углового ускорения КП с заданным значением, сравнение расстояния по кругу катания с расстоянием, пройденным поездом.
Использование указанных принципов позволяет создать работоспособные системы борьбы с юзом, однако, их применение не позволяет обеспечить эффективное, близкое к предельному, использование условий сцепления в месте контакта «колесо - рельс». Поэтому, в последние годы появилось много систем, основанных на иных принципах: анализ колебаний рессорного подвешивания, анализ времени до заклинивания, крутильные колебания колесной пары локомотива, колебания рессорного подвешивания, самонастраивающиеся системы на основе процессоров с нечеткими связями, есть системы, оптимизирующие тормозной путь поезда на минимальном уровне и др. [20,25,29—31].
В настоящее время наибольшее количество единиц железнодорожного подвижного состава оснащено системой тормозов, которая зависит
от сцепления колеса с рельсом. Снижение сцепления часто вызывает проскальзывание колеса, что иногда приводит к его заклиниванию (под заклиниванием подразумевается полная остановка колеса). Последнее не только увеличивает тормозной путь, но так же создает ползуны на поверхности катания. Для предотвращения увеличения тормозного пути необходимо поддерживать наибольшую тормозную силу, а для защиты поверхности катания обода или бандажа колеса должен производится сброс тормозной силы, как только будет обнаружено проскальзывание. Известны методы защиты от юза, описание выше в разделе 1.3. По мере увеличения мощности и скоростей подвижного состава потребуется увеличение тормозной силы. Это увеличит частоту случаев юза, если не принять превентивных мер и устанавливать на ЭПС новые противоюзовые системы, в основу работы которых заложены новые алгоритмы, обеспечивают защиту от заклинивания колес даже в том случае, когда сцепление является недостаточным.
1.5.2 Применяемые принципы защиты колеса от скольжения
Поступательная скорость электрического транспорта v может считаться равной линейной скорости поверхности катания, уш, если нет проскальзывания колеса по рельсу. Скольжение может быть определено в том случае, когда г>ш ниже, чем .
Многие традиционные системы защиты колес от скольжения используют г>ш, либо разницу между г>ш и (ДУ) и относительное скольжение, или коэффициент скольжения v, определяемое по формуле (1.3).
щ - Vw (\ 3)
V =--(1.3)
Щ
Так же система выполняет расчет замедления |3Ш.
При превышении v или вш значений уставки срабатывания система защиты колеса от юза подает команду на систему регулирования давления сжатого воздуха в тормозном цилиндре, чтобы остановить нарастание давления или произвести частичный выпуск сжатого воздуха. Так устроены традиционные системы Wheel Slide Protection (SR-WSP) [15].
Система БИ^БР предназначена для того, что бы использовать преимущества более высокого сцепления, позволяя колесу скользить в пределах определенного диапазона, определяемого заданной величиной V.
Используя диаграмму зависимости между ф и V система БИ^БР, которая разбивает каждый случай скольжения колеса на три события: «скольжение», «прекращение изменения величины скорости», или стабилизация юза, «восстановление сцепления», каждый из которых определяется путем сравнения различных комбинаций уш, ДУ, вш и V, и оценивая, когда они превышают множество фиксированных значений. После этого подаются команды на сбрасывающий клапан, что позволяет стабилизировать скольжение [15], рис. 1.10.
Рисунок 1.10 — Работа системы БИ^БР [26]
Режим «скольжение» определяется, если относительное V или абсолютное ДУ скольжение превышают заданный порог. Затем следуют цикл «начального выпуска воздуха» (снижения давления) и «поддержания давления» Поэтапное опорожнение повторяется до тех пор, пока не обнаружен статус стабилизации скольжения на одном уровне. Если обнаружена «стабилизация скольжения», т.е V и ДУ не изменяются на протяжении некоторого времени, давление в тормозном цилиндре остается в состоянии разрядки (опорожнения) до момента, когда будет определено состояние «восстановления сцепления». В конце процесса давление в тормозном цилиндре восстанавливается. В ходе работы реализуется режим «поэтапное снижение давления» в тормозном цилиндре. Уровень снижения давления (ДР) определяется временем работы электромагнитных клапанов, которые устанавливаются с таким расчетом, чтобы гарантировать, что давление в
тормозном цилиндре может быть полностью стравлено за пять выпусков. Фактически, системы БИ^БР отличаются от отечественных систем только возможностью ступенчатого отпуска.
Выполненные в Японии испытания [25,29,32] торможения подвижного состава (электропоезд с шириной колеи 1067 мм), оборудованного системой БИ^БР выявили, что полученное замедление при торможении оказалось ниже ожидаемого. Было выявлено, что в большинстве случаев «скольжений» были обнаружены чрезмерные значения V, значительные опорожнения ТЦ, а последующие проскальзывания колеса (срывы сцепления) происходили сразу после того, как только было восстановлено давление в ТЦ (рис. 1.11).
км/ч 0е
100
50
кПа I- 600
400 200 0
10
20
30
Рисунок 1.11 — Результаты испытаний на линии системы WБP
Причины недостаточно интенсивного торможения следующие: значительное АР вызван более высоким, чем нормальное, давлением в ТЦ, несмотря на фазовое опорожнение (который устанавливается так, чтобы обеспечить снижение давления в ТЦ до «0» за пять раз); во-вторых уровень сцепления был недостаточным для достижения последующего восстановления давления.
Для того что бы уменьшить АР в процессе «фазового опорожнения», время работы электромагнитного клапана для выпуска давления было отрегулировано таким образом, чтобы обеспечить полное истощение давления в ТЦ за десять раз (вдвое больше чем, у системы БИ^БР). При этом вопрос полного опорожнения тормозной системы не стоит, так как запаса воздух в запасных резервуарах (ЗР) достаточно для повторного
шаг
0
0
торможения. При этом ГОСТ 33725—2016. нормирует снижение давления в ТЦ остальных колесных пар (КП) из-за работы противоюзовой системы не более, чем на 5%. Тем не менее, в ряде систем противоюзовой защиты, выполненной на основе тормозных систем с воздухораспределителем типа «тройной клапан» (аналог российского 292) предусматривается обратная связь по давлению в ЗР, а также возможность подпитки через повторители (разнообразие очень велико).
Для того, чтобы обеспечить восстановление давления в ТЦ и для того что бы предотвратить последующие входы в юз, происходящие вследствие чрезмерно быстрого восстановления тормозной силы, между фазами «остановка» и «восстановление сцепления» было добавлено новое состояние — «временное восстановление», которое могло быть обнаружено, как только показатель скольжения уш превысил порог скорости, определяемой значением V. Такой метод означает, что давление в ТЦ восстанавливается ступенчато, пока не обнаружено состояние «восстановление сцепления» или «неизменное восстановление». Этот метод восстановления называется фазовое повышение давления. Если снова происходят случаи входа в юз то в процессе восстановления давления в ТЦ останавливается. Дальнейшее «скольжение» может быть определено, если V превышает тот же самый порог снова.
Похожие диссертационные работы по специальности «Другие cпециальности», 00.00.00 шифр ВАК
«Влияние электромеханических процессов в тяговом электроприводе магистрального электровоза переменного тока на надёжность и долговечность колёсных пар»2024 год, кандидат наук Веригин Олег Сергеевич
Исследование движения локомотивных тележек в плоскости рельсовой колеи при электрическом торможении в криволинейных участках пути1999 год, кандидат технических наук Стецюк, Андрей Евгеньевич
Повышение качества функционирования системы "колесо-рельс" на основе диагностирования упругого проскальзывания2018 год, кандидат наук Носачев Сергей Викторович
«Увеличение ресурса колесных пар подвижного состава железных дорог»2017 год, кандидат наук Фейзов Эмин Эльдарович
Индивидуальное потележечное и поосное управление силой тяги электровоза однофазно-постоянного тока с адаптацией по сцеплению2005 год, кандидат технических наук Чучин, Антон Александрович
Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Андреев Владимир Евгеньевич, 2024 год
: -
Fxa Fxn -
: -
-
IIII iiii IIII IIII IIII
5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 t, с
5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 t, с
Рисунок 2.17 — Результаты математического динамических процессов в экипажной части электровоза ЧС7 при движении со скоростью 10 м/с
(плохое состоянии пути)
Наличие колебаний угловой скорости и сил сцепления в контакте «колесо - рельс» свидетельствует о том, что рабочая точка на характеристике сцепления не остается неподвижной, а перемещается в значительных пределах, о чем свидетельствует наличие колебаний силы сцепления. Это приводит к существенным трудностям при определении моментов потери сцепления по величине избыточного скольжения или углового ускорения, так как размах колебаний угловой скорости сопоставим с величиной скольжения в момент перехода на падающую ветвь характеристики сцепления. Поэтому в большинстве систем защиты от юза или боксования используется завышенный порог чувствительности, составляющий 3 - 6% или даже выше. В этом случае идентификация потери сцепления проходит со значительной задержкой, когда процесс уже становится прогрессирующим. Также, необходимо отметить, что наличие колебаний углового ускорения КП делает невозможным его использование для идентификации процесса потери сцепления без предварительной обработки сигнала, так как размах колебаний значительно превышает порог срабатывания.
Анализ характера колебаний угловых скоростей и угловых ускорений КП показывает, что для использования информации об избыточном скольжении КП для идентификации процессов боксования и юза требует применения цифровых фильтров, способных устранять влияние колебаний, вызванных пространственной динамикой экипажной части локомотива при движении по пути с неровностями. Своевременное распознавание потери сцепления, на ранних стадиях возникновения боксования или юза позволяет существенно повысит эффективность их подавления. Изменение углового ускорения КП связано со значительными сложностями и в большинстве случаев не производится. Для повышения надежности определения юза и боксования оценка углового ускорения выполняется по результатам измерения угловой скорости. Поэтому одной из важных задач, решение которой необходимо при создании системы защиты от юза, является разработка методов фильтрации сигналов угловой скорости вращения КП и определения ее углового ускорения.
2.5 Выводы по Главе 2
1. Зависимость коэффициента сцепления от скорости проскальзывания КП имеет восходящую ветвь, переходный участок и падающую ветвь. Работа на падающей ветви соответствует бок-сованию или юзу.
2. Максимум кривой сцепления достигается при величине избыточного скольжения порядка 2 — 3% от линейной скорости локомотива. Поэтому для эффективной борьбы с боксованием и юзом точность определения частоты вращения КП должна быть не менее 1%.
3. В настоящее время для описания процессов в месте контакта «колесо - рельс» получила теория Дж. Калкера ^ Ка1кег), основанная на учете упругих свойств контактирующих поверхностей.
4. Развитие теории сцепления Дж. Калкера другими исследователями (О. Полах) позволяет определять зависимость коэффициента сцепления колеса и рельса при различных скоростях движения и состоянии контактирующих поверхностей.
5. Для оценки эффективности решения задач, возникающих при создании системы защиты от юза и боксования, необходимо создание математической модели электровоза. Модель должна учитывать процессы в экипажной части и путевой структуре, в месте контакта «колесо - рельс», в системе пневматического торможения.
6. Для решения поставленных в работе задач математическую модель электровоза целесообразно создавать с использованием теории систем твердых тел. Учитывая требования к точности представления процессов в месте контакта «колесо - рельс» их моделирование необходимо выполнять с использованием алгоритма РАБТБШ.
7. Моделирование электровоза ЧС7 было выполнено с использованием программного комплекса «Универсальный Механизм». Разработанная модель создана с использованием метода подси-
стем. Она позволяет учитывать процессы в механической системе локомотива, взаимодействие с путевой структурой, процессы в системе пневматического торможения.
8. Колебания угловой скорости и углового ускорения КП являются помехой для работы алгоритма определения юза и боксования, так как затрудняют определение моментов потери сцепления.
9. Характер колебаний угловой скорости и углового ускорения КП во многом определяются неровностями путевой структуры, которые являются возмущающим воздействием при моделировании динамических процессов в механической части электровоза.
10. Для анализа пространственной динамики экипажной части необходимо задавать кинематическое возмущение в виде эквивалентных вертикальных и горизонтальных неровностей рельсовых нитей.
11. Для решаемой задачи анализа характера колебаний угловых скоростей и угловых ускорений КП с целью оценки работы алгоритмов определения боксования и юза необходимо использовать подход, основанный на генерации неровностей по их спектральной плотности.
12. Создание групп неровностей путевой структуры целесообразно использовать алгоритм Райса-Пирсова, с использованием спектральных плотностей, описанных по методу ЕИШ В176, для случаев хорошего и плохого состояния пути.
13. Колебания угловой скорности вращения КП при скорости движения 30 м/с имеют размах порядка 0,5 - 1% от среднего значения. Снижение скорости движения приводит к уменьшению колебаний.
14. Размах колебаний угловой скорости вращения КП сопоставим с величиной скольжения в момент перехода на падающую ветвь характеристики сцепления. Использование завышенного порога чувствительности (составляющий 3 - 6%) приводит к тому, что определение потери сцепления происходит со значительной задержкой, когда процесс уже становится прогрессирующим.
15. Для использования информации об избыточном скольжении КП для идентификации процессов боксования и юза требует применения цифровых фильтров, способных устранять влияние колебаний,
вызванных пространственной динамикой экипажной части локомотива при движении по пути с неровностями. Поэтому одной из важных задач, решение которой необходимо при создании системы защиты от юза, является разработка методов фильтрации сигналов угловой скорости вращения КП и определения ее углового ускорения.
Глава 3. Разработка алгоритма работы и схемы противоюзовой защиты
Разработка системы противоюзовой защиты требует решения задачи обнаружения избыточного скольжения колесных пар и их ускорения. Кроме того, должны быть сформулированы и обоснованы информационные признаки возникновения юза, разработаны алгоритмы обнаружения и прекращения юза, предотвращения замыкания КП.
Ниже будут рассмотрены вопросы разработки способов выявления избыточного проскальзывания и углового ускорения КП, создания схемы и алгоритмов работы системы противоюзовой защиты.
3.1 Новый способ обнаружения юза
Система БИ^БР предназначена обнаруживать скольжение, когда избыточное проскальзывание превышает некоторую пороговую величину, после чего следует срыв. Однако, на рис. 1.10 [29] приведен пример недостаточного замедления, где несмотря на то, что давление в ТЦ было установлено выше нормального уровня и в этом случае «скольжение», в основном, обнаруживалось чрезмерными значениями углового замедления КП. Необходимо было найти решение для того, чтобы избежать этого.
Пороговое значение V является константой в системах WSP, которое сравнивается с переменным значением скорости во время торможения, за исключением фазы для низкой скорости, перед остановкой подвижного состава. Когда порог «скольжения» высокий, само скольжение трудно обнаружить, а задержанное обнаружение увеличивает риск заклинивания колес, и как следствие — неизбежные ползуны. Более того, сам метод «фазового опорожнения», так же увеличивает риск заклинивания, поскольку время, требуемое для истощения давления в ТЦ, становится больше.
Для того что бы это преодолеть, может быть использован разработанный Б. №кага"№а и др. новый алгоритм, чтобы заменить в системе БИ^БР обнаружение избыточного проскальзывания. Тем не менее в новом алгоритме будут использоваться те же датчики, как в существующей системе, т.е. сигналы о скоростях КП, полученные от осевых датчиков. Одним из критериев, которые позволяют повысить надежность обнаружения
юза предлагается использовать «Расчетное время до заклинивания колеса», которое определяется следующим образом:
гр ^к
п = в'
(3.1)
где ук — линейная скорость точки на КП в месте контакта «колес -рельс» (скорость оси); |3к = <Лук/<И — замедление оси. Эта величина также может быть определена через угловую скорость вращения и угловое ускорение КП:
Ть =
(3.2)
где шк и £к — угловая скорость вращения и угловое ускорение КП.
Ть позволяет оценить расчетное время до заклинивания колеса (прекращения вращения). Рис. 3.1 демонстрирует схему определения Т^. Оно меняется мгновенно при торможении, и чем оно меньше, тем выше риск заклинивания. Введение этого критерия позволяет более точно определять риск полной остановки вращения КП и повышает надежность определения возникновения юза.
Высота - скорость КП - Ук
Предполагаемое время до блокировки колес
Ук
Уклон - замедление КП - Рк
Рисунок 3.1 — Определение Т^ — времени до заклинивания колеса
£
к
С другой стороны тормоза в идеале должны быть отпущены, т.е. давление в ТЦ полностью сброшено, за время, не большее, для того что бы предотвратить заклинивание. Время требуемое для того, чтобы полностью сбросить давление в ТЦ (Тх), включая ступень «фазового опорожнения» может быть измерена при в статических испытаниях тормозов и может
быть применено без изменения к движущемуся подвижному составу. Следовательно, в ТЦ начинается процесс «фазового опорожнения», если Т^ уменьшается до уровня, более низкого, чем постоянные значения, основанного на значении Тх, которое считается пороговым.
Степень скольжения может быть оценена, используя значение, описанное в единицу времени и как таковое — это время может быть определено для того, чтобы обеспечить полное опорожнение ТЦ.
Этот алгоритм является новым, так как за контролируемую величину принимается не только разница скоростей КП или их ускорение (замедление), а время до заклинивания Т^. Принцип работы системы ТЬ^БР, реализующей этот алгоритм, поясняет рис.3.2.
Порог для выявления по коэффициенту скольжения Скорость локомотива
. Приведенная к ободу колеса скорость оси
Временное восстановление
Полное восстановление
«Скольжение» признаки:
коэффициент сцепления или разница между скоростями превышает порог или
оцениваемое время достижения колесами заклинивания меньше порогового значения
Давление в ТЦ
В случае полного
восстановления
сцепления
В случае повторного юза на фазе повышения давления
В случае контроля за скоростью скольжения
Давление в ТЦ сбрасывается полностью за 10 ступеней «фазного или ступенчатого отпуска»
Рисунок 3.2 — Работа системы ТЬ^БР
Строго говоря, такую систему (ТЬ^БР) нельзя назвать системой управления сцеплением в том понимании, чтобы удерживать тормозную силу на уровне максимума коэффициента сцепления ц.тах. Это скорее «защита от ползунов», на случай, когда основная система БИ^БР оказывается недостаточно быстродействующей. Система была испытана на линии и доказала работоспособность, особенно с плохими условиями сцепления.
3.2 Определение скорости и углового ускорения колесных пар в
системе противоюзовой защиты
Работа предлагаемой системы противоюзовой защиты ТЬ^БР основана на определении времени до заклинивания КП, для чего необходимо определение не только угловой скорости ее вращения, но и величины углового ускорения. В реальном устройстве угловая скорость вращения КП измеряется датчиком частоты вращения, установленном на буксовом узле КП. В процессе движения по пути с неровностями частота вращения КП изменяется не только вследствие процессов в месте контакта «колесо -рельс» но и имеет колебания, которые являются следствием пространственных колебаний экипажной части локомотива. Кроме того, необходимо учитывать наличие погрешностей измерения угловой скорости КП (ошибка канала измерения). При исправном и тарированном датчике частоты вращения эта ошибка, в общем случае, является случайной и имеет нормальный закон распределения.
Колебания, вызванные наличием эффектов пространственной динамики, имеют частоты, близкие к частотам колебаний, являющимися следствием процессов в месте контакта «колесо - рельс», которые анализируются в системе защиты от боксования и юза. Прямое, без использования фильтров, дифференцирование сигнала частоты вращения КП приводит к появлению сильного шума и делает практически невозможным использование определенной таким образом величины углового ускорения КП для целей защиты от юза или боксования.
Применение для обработки сигнала с датчика частоты вращения аналоговых фильтров первого или второго порядка не дает необходимого эффекта устранения погрешностей канала измерений, либо подавляет полезный сигнал об скорости изменения частоты вращения КП. Использование цифровых фильтров (Баттерворта, Чебышева) второго или третьего порядка не позволяет существенно улучшить результат. Поэтому для устранения ошибок канала измерения и выделения сигнала об угловом ускорении КП в условиях наличия колебаний, вызванных наличием эффектов пространственной динамики локомотива, целесообразно применение дискретного фильтра Калмана [86—90]. Для аналогичных целей фильтр Калмана также используется в системах управления движением не толь-
ко железнодорожных экипажей, но и автомобилей и других транспортных средств [91—93].
Для решаемой задачи выделения углового ускорения КП по измеренной угловой скорости вращения необходимо использовать линейный фильтр Калмана третьего порядка [94,95] с моделью процесса вида
к = £; £ = ш, (3.3)
где ш, £ и к — угловая скорость вращения, угловое ускорение и скорость изменения углового ускорения КП. Так как в системе противоюзовой защиты будет использоваться дискретный фильтр Калмана, для определения угловой скорости вращения на к + 1 шаге, с учетом (3.3), используется запись:
шк+1 = шк + Д£е к + — кк, (3.4)
где Д£ — шаг дискретизации фильтра.
Фильтр Калмана [96—98] создается на основе динамического описания объекта управления, полученного с учетом уравнения (3.3). В рассматриваемом случае переменными состояния являются угловая скорость вращения, угловое ускорение и скорость изменения углового ускорения КП. В качестве управляющего воздействия выступает величина известного изменения углового ускорения. Измеряемой величиной является угловая скорость вращения КП. Уравнение состояния в матричной разностной форме имеют следующий вид:
М* = И М*-1 + [В] М* + [Н*, (3.5)
где [х] — вектор состояния; — матрица эволюции процесса; [В] — матрица управления; [и] — вектор управляющий воздействий; [ад] — вектор ошибки модели. Уравнения состояния дополняются моделью наблюдения
И* = [Н] М* + М*, (3.6)
где [Н] — матрица наблюдения; [х]к — вектор измерений; [у]к — вектор ошибок измерения.
В рассматриваемом случае вектор состояния имеет вид:
м =
ш
£ к
С учетом описанной выше модели процесса матрица эволюции, матрица управления и вектор управления имеют вид:
М = К*,
где к* — известное значение скорости изменения углового ускорения КП. Так как в процессе работы системы противоюзовой защиты измеряется только угловая скорость вращения КП, вектор измерений и матрица наблюдения записываются следующим образом:
1 дг 2 -дг3' 6
[Р ] = 0 1 дъ ; [в] = Дt2 2
0 0 1 дг
[Н ] =
1 0 0
; [г] = ш.
(3.7)
Фильтр Калмана на каждом шаге оценивает состояние системы, основываясь на предыдущей оценке состояния и результатах измерений. Если неопределенность оценки состояния выше, чем ошибка измерения, то результат работы фильтра будет ближе к результатам измерений. В противоположном случае — к оценке состояния. Эффективность работы фильтра Калмана во многом определяется правильностью определения ковариационных матриц состояния Р, ошибки модели Ц и шума измерений Я.
Оценка ковариационной матрицы состояния выполняется на каждом шагу работы фильтра. Ковариационная матрица ошибки модели характеризует, насколько увеличивается неуверенность в оценке вектора состояния после предсказания состояния системы. Определение матрицы Ц основано на использовании модели - приближения [96,97]. В рассматриваемом случае целесообразно использования модели «кусочного» белого шума [86,94,95], согласно которой предполагается, что скорость изменения углового ускорения постоянна в течении шага фильтрации и меняется между шагами дискретно и независимо:
I(х) = И [ж] + [Г] ш,
где Г —мощность шума; ш — наивысший используемой в модели порядок производной В случае использования модели «кусочного» белого шума матрица ковариации ошибки модели определяется как
[О] = Е [Г] ш (*) ш (*) [Г]т = [Г] а2 [Г]
лТ
где а — дисперсия шума модели.
Матрица Г определяется как столбец с наивысшим порядком производной матрицы модели процесса. В рассматриваемом случае
[Г] =
Тогда матрица Ц принимает вид:
4 Д3 Д^" 2 2
&]= Д2 А{2 М а2. (3.8)
4
дг2 2
д2 . 2
-дг2'
2
ы
1
д3 Д2 "
2 2
А12 Аг
Аг 1
Матрица ковариации шума измерений по известной величине дисперсии шума измерений 6 определяется следующим образом:
[Щ = [Н] 62 [Н]т . (3.9)
В рассматриваемом случае [Л] = 62.
На каждом шаге работы фильтра Калмана выполняется два этапа — прогноз и коррекция. На первом этапе с использованием (??) определяется прогноз состояния системы и, с учетом (3.8) рассчитывается прогнозируемая матрица ковариации состояния системы. На к + 1 шаге, для момента времени Ьк+1 для этого используются выражения:
Мш = [Р] М* + [В] мш; [Р]'ш = И И* Иг + [О] ■
На этапе коррекции рассчитывается ковариационная матрица для вектора отклонения (вектора ошибки) и оптимальная по Калману матрица усиления, которая формируется с учетом (3.7) и (3.9) на основании ковариационных матриц прогноза вектора состояния и измерений:
И + = [Н] [Р]'ш [Н]т + [Я];
¡к]к+1 = та+1 [н]т [%+1.
Затем определяется вектор оценки состояния системы на шаге к + 1 и его ковариационная матрица:
(3.10)
(3.11)
где [I]
[х]к+1 = Ы1+1 + [К]к+1 {Ык+1 - [Щ К+О; [Р]к+1 = (М - [к]к+1 [н] [РГ+),
единичная матрица.
(3.12)
3.3 Пример использования фильтра Калмана для определения углового ускорения и времени до замыкания колесных пар
В качестве примера использования фильтра Калмана для оценки углового ускорения КП и времени до ее замыкания был исследован процесс пневматического торможения локомотива. Для этого использовались результаты математического моделирования процессов, полученные с применением описанной в Главе 2 модели электровоза ЧС7.
Расчеты выполнялись при следующих условиях. Электровоз движется по участку пути с микронеровностями со скоростью 15 м/с. Через 2,5 с с начала моделирования начинается процесс пневматического торможения. После того, как у первой по ходу движения КП начинается юз, происходит отпуск тормозов. Через некоторое время процесс торможения и отпуска тормозов повторяется. На рис.3.3 показаны графики линейной скорости кузова и (^лок) и угловые скорости вращения КП (шк i — шк4) первой по движению секции локомотива. Также, приведена максимальная из частот вращения КП (шк тах)
На рис. 3.4 приведены угловые скорости вращения КП на одном из интервалов возникновения и прекращения юза. Анализ полученных данных показывает, что при работе на восходящей ветви сцепления разница между их величинами составляет величину, не превышающую 0,5 — 1 рад/с. Отличие угловой скорости больше 2 рад/с свидетельствует о потере сцепления. Однако, вследствие динамических процессов при смене режимов движения переходе от выбега к тяге, угловые скорости могут отличаться на значительную величину и в случае работы на восходящей ветви характеристики сцепления. На рис. 3.4 видно, что при восстановлении сцепления КП после прекращения юза возникают колебания экипажной части локомотива, которые приводят к значительной, до 5 рад/с разнице в угловых скоростях вращения. Поэтому для надежной идентификации начала процессов боксования и юза использование сигналов об угловой скорости КП неэффективно, так как может вызывать ложные срабатывания системы защиты.
Полученные в результате расчетов данные об угловых скоростях вращения КП и линейной скорости локомотива были обработаны с использованием описанных выше, в разделе 3.2, принципов фильтрации. Для
V, м/с 15,0 10,0 5,0 0,0
0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 Т, с ю, рад/с 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0
0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 Т, с
Рисунок 3.3 — Результаты математического моделирования процессов при движении электровоза ЧС7: линейная скорость кузова и угловые скорости вращения КП первой по ходу движения секции
ю, рад/с 15,0 10,0 5,0
0,0
0
Рисунок 3.4 — Результаты математического моделирования процессов при движении электровоза ЧС7: угловые скорости вращения КП первой по ходу движения секции на интервале возникновения и прекращения юза
оценки работы рассматриваемого фильтра Калмана при наличии помех в системе измерения, была использована имитация шума датчика частоты вращения КП. Для этого к полученным в результате моделирования зависимостям были добавлены случайные величины с нормальным законом распределения и среднеквадратичным отклонением 0,5 рад/с. Наличие помех в канале измерения делает невозможным использование углового ускорения для идентификации юза или боксования из-за значительного разброса этой величины. Применение простого дискретного фильтра первого порядка вида
Ык+1 = [х]к + К ([4+1 - ) ,
где К — весовой коэффициент,
и временем дискретизации Д£ = 0,1 с позволяет сглаживать ошибки канала измерения, но приводит к появлению значительного запаздывания в результирующем сигнале и не позволяет надежно идентифицировать потерю сцепления КП. На рис. 3.5 приведены результаты использования такого фильтра для обработки сигнала угловой скорости вращения юзующей КП. Показаны угловая скорость КП до и после фильтрации (шк и шкф), времени до замыкания этой КП полученные без фильтрации и с применением фильтра (Т^ и Тьф). Можно отметить, что использование времени до замыкания КП в качестве критерия для идентификации юза позволяет до скорости движения порядка 10 м/с уверенно распознавать угловое замедление КП в результате возникновения юза. Критерием срабатывания защиты в этом случае было принято снижение времени до замыкания КП ниже граничного уровня Т^гр = 2 с. При этом применение даже простого фильтра позволяет устранить большую часть помех.
Однако, необходимо отметить, что применение фильтра первого порядка не позволяет определять угловое ускорение КП. Поэтому те же данные были обработаны с использованием описанного выше фильтра Кал-мана третьего порядка с тем же временем дискретизации (Д£ = 0,1 с). Система считалась только наблюдаемой, но не управляемой, с нулевым вектором управления. Полученные результаты показали, что применение фильтра Калмана позволяет эффективно выделять сигнал о величине углового ускорения КП и использовать его в системе защиты от юза и боксования. На рис. 3.6 приведены результаты обработки сигнала частоты
ю, рад/с 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0
0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 Т, с
Т, с
25,0
20,0
15,0
10,0
5,0
0,0 0
Рисунок 3.5 — Результаты применения фильтра нулевого порядка для обработки сигнала угловой скорости вращения юзующей КП и время до
замыкания КП
вращения с использованием фильтра Калмана третьего порядка с использованием выражений (3.10), (3.11) и (3.12).
Для оценки линейного ускорения локомотива, кроме информации о скорости кузова, целесообразно использовать информацию о максимальной из частот вращения КП секции. Если, хотя бы одна КП работает с нормальными условиями сцепления, на восходящей ветви характеристики, этот сигнал может выступать в качестве опорного при определении разности угловых скоростей КП в процессе идентификации боксования или юза. Кроме того, выделенная фильтром величина углового ускорения КП также может служить опорным значением, соответствующим работе КП без избыточного скольжения. Поэтому сигнал максимальной угловой скорости КП также был обработан фильтром Калмана третьего порядки. Полученные результаты приведены на рис. 3.6.
Анализ полученных результатов показывает, что использование фильтра Калмана третьего порядка позволяет обеспечить эффективное устранение помех канала измерения и определять угловое ускорение КП
.1111 i i i i i i i i i i i i i i i i 1 i i i - Юк _
- 1 " Юк ф
1 1 :
1 ;
: ^ ;
i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i "
w, рад/с 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0
0,0
.1111 i i i i i i i i i i i i i i i i 1 i i i -WK _
- 1 WK фк
1 1 :
1 ;
: :
i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i -
0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 t,c
50 20 0 -25 -50 -75
.iiii lili i i i i lili lili lili. " ^max — " еф к :
; А
z 1 и и ;
i ' 1 1 i —
i 1 ;
: i ;
0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 Т, с
Рисунок 3.6 — Угловая скорость вращения и угловое ускорение юзующей КП и КП, вращающейся с наибольшей скоростью, после обработки фильтром Калмана третьего порядка
с точностью, необходимой для работы системы защиты от юза и боксова-ния. Однако, как видно из приведенных на рис. 3.6 результатов, фильтр реагирует на колебания угловой скорости вращения КП, возникающие в результате динамических процессов в экипажной части электровоза при движении по пути с неровностями. Это является следствием того, что фильтр третьего порядка восстанавливает две производных сигнала. Поэтому полученная зависимость углового ускорения КП имеет колебания, затрудняющие идентификацию боксования или юза. Увеличение сглаживания фильтра делает невозможным своевременное определение нарастания углового ускорения при потере сцепления. Вместе с тем, при обработке сигнала максимальной угловой скорости вращения КП ожидаемое изменение углового ускорения намного ниже и соответствует движению без избыточного скольжения. Поэтому опорный сигнал угловой скорости и углового ускорения КП может быть сглажен лучше и не содержит колебаний.
Для улучшения качества обработки сигнала и уменьшения колебаний углового ускорения КП целесообразно снизить порядок фильтра Калмана
до второго и использовать опорный сигнал об угловом ускорении, определяемый по максимальной угловой скорости КП секции. В этом случае система считается не только наблюдаемой, но и управляемой, причем в качестве управляющего сигнала используется опорный сигнал о величине углового ускорения КП, работающей без скольжения. На рис. 3.7 приведены результаты обработки сигнала об угловой скорости юзующей КП с использованием указанного подхода. Как показывает сравнение с результатами применения фильтра Калмана без использования опорного сигнала (см. рис. 3.6), колебания угловой скорости вращения КП значительно меньше, что позволяет увеличить точность обнаружения возникающего боксования или юза.
ю, рад/сс 25,0
50 20 0 -25 -50 -75
_ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 i i i i i i i ^max
1 °ф к*
_ 1 _
; S. А ;
; 1 1 ■ f ;
; ;
; ;
0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 Т, с
Рисунок 3.7 — Угловая скорость вращения и угловое ускорение юзую-щей КП и КП, вращающейся с наибольшей скоростью, после обработки фильтром Калмана второго порядка с использованием опорного сигнала о
величине углового ускорения
Для описанных выше случаев использования фильтров Калмана третьего и второго порядка были определены зависимости времени до замыкания КП. Результаты расчетов приведены на рис. 3.8. Видно, что при использовании фильтра третьего порядка (зависимость Т^к), сигнал имеет
существенные помехи, которые являются следствием колебаний величины углового ускорения КП. Еще одним недостатком является занижение времени до замыкания при низкой скорости движения. Применение фильтра Калмана второго порядка с использованием опорного сигнала об угловом ускорении в качестве управляющего воздействия, позволяет существенно снизить влияние этого эффекта и обеспечить надежное обнаружение юза при низких скоростях движения, вплоть до полной остановки. Также, в этом случае существенно снижается действие погрешностей канала измерения, которые оказывают значительное влияние на выделение углового ускорения КП.
0,0
.1111 IIII IIII IIII i i i i | i i i i - ®к J
;
1 1 ;
: 1 ;
:
,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 t,c
0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 Т, с
Рисунок 3.8 — Время до замыкания КП после обработки фильтром Кал-мана третьего и второго порядка с использованием опорного сигнала о
величине углового ускорения
Анализ полученных результатов показывает, что в системе защиты от боксования и юза рациональным является применение фильтра Калмана второго порядка с опорным сигналом об угловом ускорении КП в качестве управляющего воздействия. В этом случае значительно снижается влияние пространственной динамики экипажной части электровоза при движении по пути с неровностями на выделяемый сигнал углового ускорения КП.
В качестве опорного сигнала для определения угловой скорости и углового ускорения КП работающих без избыточного скольжения может быть использована информация о максимальной (при идентификации юза) или минимальной (при идентификации боксования) угловой скорости КП секции. Также, может быть использована информация о линейной скорости движения локомотива. Сравнение этих величин позволяет определять случаи возникновения синхронного боксования или юза, когда все КП работают на падающей ветви характеристики сцепления.
3.4 Алгоритмы работы системы противоюзовой защиты
Требования к алгоритму входят в технические требования к системе противоюзово — противобоксовочной защиты и должны соответствовать ГОСТ 33725-2016 [99] и ГОСТ 33724.2-2016 [100], а также учитывать требования международных стандартов.
Так как система предназначена для установки на действующий подвижной состав, то создаваемая система должна быть привязана к электрическим цепям управления электровоза ЧС7 и его пневматической схеме, конструкции буксового датчика скорости. В связи с тем, что система предполагается микропроцессорной, ее возможности существенно расширены. Система, работающая по разработанному алгоритму должна выполнять следующие функции:
- выявлять скольжение вблизи экстремума кривой сцепления на уровне приблизительно 3%, как в режиме тяги, так и торможения;
- определять и учитывать возможную разницу диаметров по кругу катания бандажей электровоза, возникающую из-за обточек колесных пар;
- при возникновении юза в процессе пневматического торможения воздействовать на запирающий и сбрасывающий клапан пневмо-модуля в соответствие с процедурой ликвидации юза;
- при возникновении юза в процессе реостатного торможения выдавать сигнал «Юз» на блок ЭДТ с целью уменьшения тормозной силы;
- при возникновении боксования формировать выходной сигнал с целью включения контрольной лампы на пульте и подаче песка под колеса;
- при реостатном торможении вести расчет скорости и формировать сигнал на контакторы, шунтирующие ступени тормозных резисторов;
- при каждом включении, а также принудительно по нажатию кнопки выполнять тестирование системы и выявление неисправностей как блока, так и датчиков, а также клапанов пневмомодуля;
- фиксировать запись случаев юза и боксований на энергонезависимую ячейку памяти.
Общие принципы работы алгоритма противоюзовой защиты. Основными положениями, принятыми при разработке алгоритма, являются:
- при управлении пневмомодулем используется пять ступеней отпуска тормозов (количество может быть изменено);
- используется двухканальный принцип построения алгоритма;
- по первому каналу анализируется разница относительных скоростей, между осью с максимальной скоростью вращения и каждой из осей; при этом априори предполагается, что хотя бы одна из осей движется без скольжения (величина крипа не превышает 0,5%)
- по второму каналу анализируется замедление (отрицательное ускорение) каждой из колесных пар. Это замедление не может быть больше определенной предельной величины, определяемой ограничением по сцеплению колес и рельсов. Если какая-либо ось замедляется быстрее, это говорит о её входе в режим юза.
- канал выявления юза по отрицательному ускорению (замедлению) необходим для случая, когда все четыре оси одной секции локомотива попали в режим юза (синхронный юз); в этом случае первый канал алгоритма, основанный на сравнении скоростей, окажется не действующим, так как ни одну из скоростей колесных пар нельзя брать за опорную.
- алгоритм позволяет в будущем добавить к существующим третий канал управления, с целью повышения эффективности системы. В
качестве такого канала можно рекомендовать алгоритм ТЬ^БР, контроль абсолютного скольжения или углового ускорения;
- объектом регулирования в представленном алгоритме являются КП, а исполнительным элементом — пневмомодуль с двумя вентилями, запорным и отпускным (сбрасывающим).
В качестве датчиков используются:
- датчики скорости ДС, по одному на каждой колесной паре;
- датчик давления сжатого воздуха в тормозном цилиндре, по одному в каждом из пневмомодулей.
Структурна и принципы работы устройства противоюзово - противо-боксовочной защиты (УПЗ-М) Схема работы противоюзового устройства представлена на рис. 3.9
Рисунок 3.9 — Структурная схема противоюзово -противобоксовочного
устройства
Система работает следующим образом. Режим работы электровоза (тяга, выбег или торможение пневматическое либо реостатное) определяется за счет логического анализа сигналов из цепей управления КМ0 (нулевая позиция контроллера), наличия давления в тормозном трубопроводе Р > 0 и сигнала от блока управления реостатным торможением (ЭДТ) о режиме реостатного торможения и сигнала о токе якорей.
Сигнал от датчика скорости представляет собой последовательность прямоугольных импульсов, частота которых пропорциональна скорости движения. Блоки РС пересчитывают частоту импульсов в значение угловой скорости вращения. Данный пересчет выполняется с учетом реальных диаметров бандажей по кругу катания. Определение диаметров выполняется автоматически, по команде «выбег» от блока «режим». Данная процедура выполняется один раз, после любого снятия питания (отключения аккумуляторной батареи электровоза), которое выполняется при ТО4 при обточке КП. Это позволяет дополнительно повысить точность расчетов.
Процедура определения опорных (эталонных сигналов) Рабочий цикл системы защиты от боксования и юза начинается с определения опорного (эталонного) сигнала, необходимого для выявления потери сцепления КП. В режиме тяги для этого из четырех сигналов об угловой скорости вращения КП выбирается минимальный, в режиме торможени — максимальный. Полученные после обработки фильтром Калмана третьего порядка величины угловой скорости вращения и углового ускорения будут являться опорным сигналом для работы системы.
С использованием фильтра Калмана также обрабатывается сигнал линейной скорости локомотива и определяется значение линейного ускорения. Если полученные значения опорных сигналов скорости и ускорения, основанного на обработке данных об угловой скорости вращения, отличаются от значений, соответствующих сигналов полученных с использованием линейной скорости, то это свидетельствует о синхронном боксовании. В этом случае в качестве опорного сигнала используются величины, полученные в результате обработки линейной скорости локомотива.
Процедура определения опорного сигнала для режима торможения такая же, как и для режима тяги, но из четырех сигналов угловой скорости КП выбирается максимальный.
Принципы выявления и борьбы с боксованием и юзом Сигналы угловой скорости вращения КП, как было описано выше, обрабатываются фильтром Калмана второго порядка с использованием в качестве управляющей величины значение опорного сигнала углового ускорения. При
разнице любого из полученных значений угловой скорости вращения КП с опорным сигналом на величину, превышающую 3 — 5% и разнице угловых ускорений более 5 — 10%, на выходе блока УПЗ-М формируется сигнал о боксовании, поступающий в цепи управления электровоза. При этом под колеса подается песок, включается контрольная лампа на пульте машиниста и зуммер. Блок УПЗ-М не препятствует работе реле боксования электровоза, которое срабатывает при разнице скоростей якорей в 20 — 30% . Режим выявления юза отличается от режима выявления боксова-ния сравнением осевых скоростей с максимальной из скоростей осей. При реостатном торможении формируется сигнал, подаваемый на блок ЭДТ. При этом выполняется быстрый сброс тока возбуждения. Кроме того блок формирует сигналы о скорости для ступенчатого выведения тормозных резисторов. Это позволяет уменьшить скорость перехода на пневматическое торможение с 50 до 20 км/ч (аналогично штатному блоку 750).
Наиболее сложным является процесс управления тормозами при выявлении юза во время пневматического торможения, и он значительно отличается от алгоритма штатного блока 750 электровоза ЧС7, за счет наличия в системе пневмомодулей (ПМ) датчиками давления ДД, запирающими ЗК и сбрасывающими СК клапанами. Если в процессе торможения система за счет сравнения скоростей и ускорений(замедлений) выявляет юз со скольжением более 3%, т. е вблизи значения ц.тах, то система запускает процедуру ликвидации юза, которая заключается в постепенном ступенчатом отпуске тормозов юзующей оси, под контролем датчика давления. Если, несмотря на ступенчатое снижение давления, юз развивается и превышает 9%, производится полный отпуск тормоза. Если при отпуске зафиксирована стабилизация скорости оси, темп отпуска снижается, а после того, как ускорение оси становится положительным, отпуск прекращается. После прекращения скольжения давление в тормозном цилиндре восстанавливается.
Процедура выявления юза Выявление юза начинается с определения опорных (эталонных) сигналов угловой скорости вращения и углового ускорения КП После этого последовательно, за четыре цикла, выявляется отклонение угловой скорости вращения (скольжения) для каждой из КП
и отличие их ускорений от эталонного сигнала. Аналогично выполняется контроль угловых ускорений КП. Если юза нет, (Дшк 1..4 < Дштах1 и Дек 1..4 < Детах), то результат фиксируется в ОЗУ, а алгоритм отрабатывается повторно.
При выявлении скольжения, ветвление по результату «Нет» производится запись события, запускает цикл ликвидации юза г-й колесной пары. В режиме механического торможения, если ступенчатый отпуск тормозов не привел к ликвидации юза и разница угловых скоростей вращения КП возрастает, при выполнении условий Дшк 1..4 < Дштах2 и уменьшении времени до замыкания КП ниже порогового значения, выполняется полный отпуск тормозов. В системе приняты следующие пороговые значения срабатывания отклонений от опорных сигналов:
Д^тах1 = 3%; ДШтах2 = 9%; Дбтах = 2 м/с ; (3.13)
Процедура ликвидации юза при пневматическом торможении Алгоритм ликвидации юза выполняется следующим образом. Процедура начинается с подачи сигнала на запорный клапан, отсекающий магистраль тормозного цилиндра от запасного резервуара. После этого считываются показания с датчика давления в пневмомодуле. Следующим этапом является сброс давления на ступень ДР, после чего сбрасывающий клапан закрывается. Сброс выполняется под контролем датчика давления. После этого производится проверка восстановления сцепления. Если сцепление не восстановилось, выполняется сброс еще на одну ступень.
Процедура выявления боксования Разница между выявлением юза и боксования состоит только в определении эталонной угловой скорости вращения КП, как это было описано выше. Процедура выявления боксования запускается только в режиме тяги.
Параметры, используемые при работе противоюзово - противобоксо-вочного устройства Устройство использует для своей работы параметры и настройки, приведенные в табл.3. Эти значения вносятся в память устройства до его установки на электровоз. В процессе работы уставки для выявления боксования и юза могут изменяться для лучшего соответствия условиям эксплуатации.
Таблица 3 — Параметры устройства противоюзово-противобоксовочной защиты
№ Наименование Обозначение Ед изм. Значение по умолчанию
1 Число зубьев колеса датчика скорости ЧЗ шт. 108
2 Диаметр колеса Дк метр 1,25
3 Период чтения значений с датчика скорости At c 0,1
4 Частота запуска программы тестирования по сигналу «Тест 3» Ртест раз в мин 1
5 Отклонение скорости Av % % 3; 9
6 Максимально допустимое ускорение на соседних измерениях (dv/dt) Const м/с2 0,13
7 Ступень сброса давления AP МПа 0,01
8 Предельное время открытия сбрасывающих клапанов At\ c 1
9 Пороговое значение скорости ^пор км/ч 1
10 Дата и время Дата — —
3.5 Анализ эффективности алгоритма защиты от юза
Для исследования работы предлагаемых принципов обнаружения и ликвидации юза и боксования был выполнен ряд расчетов с использованием описанной в разделе 2.2 математической модели динамических процессов в экипажной части электровоза ЧС7. Был рассмотрен случай торможения одиночно следующего локомотива со скорости 15 м/с. при движении по пути с неровностями, соответствующими плохому содержанию пути (см. рис. 2.13). На рис. 3.10 приведены результаты расчетов. На рисунке показаны графики изменения ступени торможения Жтц, давления в ТЦ Ртц, угловой скорости вращения первой по движению КП шкп. Также показаны угловая скорость скольжения этой КП и ее значение после обработки с использованием описанного в разделе 3.2 подхода шск и шсф, угловое ускорение до и после фильтрации £кп и £кпф, опорный сигнал об ускорении КП екпmax. Приведены силы сцепления левого и правого колес Fxn и Fxn.
Анализ приведенных результатов показывает, что использование предлагаемого подхода к обработке сигналов о частоте вращения КП позволяет существенно уменьшить влияние колебаний, возникающих при движении по пути с неровностями. В результате получаемая на выходе фильтра величина колебаний угловой скорости вращения КП снижается до значений, позволяющих использовать ее для определения избыточного скольжения при идентификации процессов юза и боксования. Выделяемый сигнал об угловом ускорении КП также имеет незначительные колебания и может быть использован для определения моментов начала и окончания процессов потери и восстановления сцепления.
После начала торможения давление в ТЦ поднимается до максимального значения. При скорости электровоза 15 м/с создаваемого тормозного усилия оказывается недостаточно для возникновения юза. По мере снижения скорости коэффициент трения тормозных колодок о колесо увеличивается (см. формулу (2.19)), сила торможения превышает силу сцепления и начинается процесс юза рассматриваемой КП. Когда величины угловой скорости скольжения и углового ускорения КП превышают пороговые значения, идентифицируется возникновение юза. Для недопущения
Р, кгс/м2 8,0
N
тц 6,0
^ 4,0
- 2,0
- 0,0
-..... Р тц -1-1-1-1- - N У— тц -1-1-1-1- -1-1-1-1—:
; Лл | 1 п
;
1111 . . . . 1
0
10
15
ю, рад/с 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0
ю, рад/с 0,0 -0,1 -0,2 -0,3 -0,4 -0,5
£, рад/с2 5,0 0,0 -5,0 -10,0 кН 0,0 -10,0 -20,0 -30,0
0
10
15
0
10
15
0
10
15
0
5
10
15
Т, с
Т, с
I—1-1-1-1- -1-1-1-1- -1-Г -1-1- -1-1-1-1-1
: Г 1 1
: шскф ск I
\ 1 ;
;
■ III ■ III ■ III ■ III-
Т, с
Т, с
Т, с
Рисунок 3.10 — Результаты математического моделирования процессов в экипажной части электровоза ЧС7 в режиме механического торможения
со скорости 15 м/с до остановки
5
5
5
5
его развития происходит отпуск тормозов на две ступени. После снижения величин скольжения и углового ускорения КП до значений ниже установленных, идентифицируется восстановления сцепления и завершение юза. После установленной задержки времени в 1 с происходит увеличение позиции торможения на одну ступень. Так как срыва сцепления не происходит, то еще через 1 с позиция торможения увеличивается еще на одну ступень. В дальнейшем, при срыве сцепления и возникновении юза эти действия повторяются.
Так как скорость электровоза продолжает снижаться, коэффициент трения колодок увеличивается, что вызывает рост тормозного усилия и неоднократное возникновение юза. Предлагаемый способ обработки сигналов частоты вращения КП, алгоритмы выявления и прекращения юза позволяют не допустить значительного проскальзывания колес и избежать их заклинивания. Своевременное обнаружение возникновения юза и восстановления сцепления позволяет избежать значительного снижения тормозного усилия и обеспечить эффективную работу тормозной системы электровоза.
Также, был рассмотрен случай движения в кривой радиусом 700 м. Расчеты проводились при следующих условиях. Электровоз движется со скоростью 30 м/с по пути с неровностями, соответствующими плохому состоянию (см. рис. 2.13). Коэффициент сцепления равен 0,25. Движение осуществляется в кривой со следующими параметрами (рис. 3.11):
Ь0 = 400 м — длина прямолинейного участка перед входом в кривую;
Р11 = 50 м — длина первого переходного участка — заезда в кривую;
51 = 300 м — длина кривой постоянного радиуса;
Я1 = 700 м — радиус кривой;
Н1 = 0,09 м— превышение наружного рельса в кривой;
Р12 = 50 м — длина второго переходного участка — выезда из кривой.
Переходные кривые заданы кубическими параболами, что обеспечивает линейное изменение кривизны на переходных участках. Так как имеется возвышение наружного рельса, на переходных участках подъем и опускание рельса осуществляется по линейному закону. При используемых
параметрах радиуса и возвышения наружного рельса, расчетной скоростью для этой кривой является 19,7 м/с.
¿0 р\\
X
V12
Рисунок 3.11 — Описание параметров кривой
На рис. 3.12 приведены результаты расчетов. Показаны графики изменения ступени торможения Жтц, давления в ТЦ Ртц. Также показаны угловая скорость скольжения первой по движению КП и ее значение после обработки шск и шсф, угловое ускорение до и после фильтрации £кп и £кпф, опорный сигнал об ускорении КП £кптах. Приведены вертикальные усилия в контакте, силы сцепления для левого и правого колес Бхл и
Электровоз движется со скоростью 30 м/с. Через 2,5 с после начала расчета начитается процесс механического торможения. Так как скорость движения выше расчетной скорости для кривой, левое колесо, движущееся по наружному рельсу, догружается, а правое — разгружается. После прохождения переходного участка и заезда на кривую постоянного радиуса, в момент времени 10,3 с сочетание факторов колебаний экипажной части при движении по пути с неровностями и перераспределения вертикальных нагрузок на левое и правое колеса приводят к потере сцепления. Оно выявляется с использованием предлагаемых методов идентификации юза и боксования по превышению порогов срабатывания скорости скольжения и углового ускорения КП. Давление в ТЦ снижается на две ступени, а затем, после ликвидации юза, восстанавливается. Так как избыточное скольжение выявляется на ранней стадии, развитие процесса юза не происходит, что позволяет избежать глубокого отпуска тормозов и значительного снижения тормозного усилия.
Анализ полученных результатов показывает, что применение разработанных алгоритмов работы системы защиты от юза и боксования позволяет
P, кгс/м2 8,0
N
тц 6,0
^ 4,0
- 2,0
- 0,0
:—i—i—i—i— —i—i—i—i— ^— —i—i—i—i--1—i—i—i—:
: 7— P ртц Ящ :
j 1 -
1 i i —
^ / [ и ;
i. ■ / ■ i i i ■ i i i i i i i -
0
10
15
20
t, с
ю, рад/с 0,2 0,1 0,0 -0,1 -0,2 -0,3
Е ' ' ' ' .... .... ..........
z юскф юск :
= .li.ln, . .. .. aiuk 1 1 nl.i . Il 1 . . i . .1 )II ILll l tL llLal „ .li„i. ..i lii. 1 i.l l. l .1,1 . .. 1 ■ . i=
з-i и ■ 1 1 ! 1 o i .
i .... i . . . . . . . . ..... . . . . ^
0
10
s, рад/с2 е—i—т 5,0 0,0 -5,0 -10,0 F,KH 0,0 -10,0 -20,0 -30,0
15 20
t, с
0
10
15 20
1-1-1-г
t, с
хл
хп
ÍM1S
0
10
15
20
t, с
F, кН 125,0 100,0 75,0 50,0 25,0 0,0
r 1 . 1 .. . 1 1 I I I 11,L iii iMk, JL. 1 , =
'ÉIBIÜIÉhiHililÉ 111'11'|1ГГТ"',1ТУГ|' 74 hTMIjiiiÉ'aiÉ f
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.