CC BY
35
УДК 656.212
В. І. БОБРОВСЬКИЙ, А. С. ДОРОШ (Дніпропетровский національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна)
ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ПАРАМЕТРІВ КЕРУВАННЯ УПОВІЛЬНЮВАЧАМИ НА ТОЧНІСТЬ ГАЛЬМУВАННЯ ВІДЧЕПІВ
В статті виконано дослідження впливу режимів керування вагонними уповільнювачами на точність гальмування відчепів на спускній частині гірки. Встановлено залежність точності реалізації заданої швидкості виходу відчепів з гальмівних позицій від параметрів керування уповільнювачами.
Ключові слова: керування уповільнювачами, гальмівна позиція, точність гальмування
В статье выполнены исследования влияния режимов управления вагонными замедлителями на точность торможения отцепов на спускной части горки. Установлена зависимость точности реализации заданной скорости выхода отцепов из тормозных позиций от параметров управления замедлителями.
Ключевые слова: управление замедлителями, тормозная позиция, точность торможения
In the article conducted research the influence of the wagon retarder mode control to the braking precision of cuts on the hill. Dependence of precision realization of the set output speed of the cuts from brake positions from control parameters of retarders was established.
Keywords: control of retarders, brake position, braking precision
Показники функціонування автоматизованої сортувальної гірки в значній мірі визначаються якістю регулювання швидкості скочування відчепів. Задача визначення та реалізації необхідних швидкостей виходу відчепів з гальмівних позицій (ГП) є однією з найскладніших в системах автоматизації гірок, що пояснюється наявністю багатьох впливаючих факторів та випадкових процесів.
Режим регулювання швидкості відчепів, що скочуються, визначає умови їх розділення на стрілочних переводах, швидкості їх зіткнення в сортувальному парку, кількість і величину вікон на коліях накопичення, а також витрати повітря та електроенергії на гальмування.
Основним технічним засобом регулювання швидкості скочування відчепів на гірці є вагонні уповільнювачі. Проблемам керування уповільнювачами присвячено достатньо велику кількість наукових робіт, в яких розглянуто можливі шляхи удосконалення процесу регулювання швидкості відчепів [1-6]. Як показує аналіз наукових робіт, складність керування уповільнювачами обумовлена стохастичністю параметрів їх гальмівної характеристики, а також наявністю перехідних процесів. З метою врахування вказаних особливостей в деяких алгоритмах керування уповільнювачами розрахункову швидкість виходу U відчепа з гальмівної позицій штучно збільшують на деяку величину 5V (упередження).
Одним із відомих підходів [1] до керування
роботою уповільнювачів є принцип гальмування відчепа по різниці між його фактичною U
та заданою U3 швидкістю виходу з ГП. Згідно такого підходу моменти подачі команд на гальмування відчепа уповільнювачем встановлюються шляхом порівняння f/ф та U3 за умовою
иф >и3, де и = ир +SV
Визначення величини SV є окремою задачею і потребує детального дослідження. Так в роботі [1] встановлено, що точність регулювання швидкості відчепів істотно залежить від обраної величини упередження SV . У зв’язку з цим, в роботі [2] величину SV запропоновано визначати в залежності від уповільнення a
відчепа в процесі гальмування. Встановлення величини а потребує визначення швидкості
відчепа в процесі його гальмування уповільнювачем. Згідно з [2] величина упередження в процесі гальмування визначається на кожному кроці, як SV = ауґр (де t - час, необхідний на
розгальмування уповільнювача).
Аналогічний підхід до визначення величини упередження SV використовується і в роботах [3, 4]. Визначення SV за таким принципом дозволяє врахувати параметри відчепа, а також адаптуватись до реальної динаміки його руху в межах ГП. В той же час в роботі [5] відмічено, що необхідність отримання інформації про ве-
© Бобровський В. І., Дорош А. С. 2013
14
личину а є причиною небажаного ускладнення системи керування швидкістю скочування відчепів.
Авторами в [5] запропоновано введення упередження 5V до розрахункової швидкості виходу відчепа з ГП; при цьому величина 5V для різних категорій відчепів розраховується завчасно на цифровій моделі процесу гальмування. Процедура вибору величини 5V виконується в залежності від швидкостей входу та виходу відчепа з ГП, його довжини та маси. Однак позасистемний спосіб визначення упередження до U має ряд недоліків, оскільки модель, на якій отримано 5V , не дозволяє врахувати дію всіх випадкових факторів, величину яких неможливо виміряти. У зв’язку з цим автором у роботі [6] запропоновано застосовувати механізм самоналаштування, що дозволяє коригувати величину упередження 5V до розрахункової швидкості виходу відчепа з ГП з урахуванням фактичних результатів гальмування попередніх відчепів. Запропонований метод коригування швидкості U дозволяє адаптуватись до реальних умов гальмування, а також врахувати стан уповільнювача та його керуючої апаратури.
Таким чином, незважаючи на застосування сучасної обчислювальної техніки та складних алгоритмів проблема керування роботою уповільнювачів в умовах автоматизації сортувального процесу залишається не остаточно вирішеною і достатньо актуальною. Тому в даній статті виконані дослідження впливу величини упередження 5V на точність реалізації заданої швидкості виходу відчепів з ГП. Реалізація результатів досліджень дозволить підвищити якість регулювання швидкості скочування від-чепів на автоматизованих сортувальних гірках.
Задача регулювання швидкості полягає в реалізації розрахункових швидкостей виходу від-чепа U з гальмівних позицій. При цьому керування роботою уповільнювачів повинно забезпечити найменше відхилення AU фактичної швидкості виходу U з ГП від розрахункової
Uр
AU = Щ - U ^ min
Очевидно, що на похибку реалізації швидкості виходу відчепів з верхньої (ВГП) впливає упередження до Uр для даної ГП (SVBrn), тоді
як на похибку швидкості виходу із середньої (СГП) впливають упередження SVBrn і
AUBra = f(SVBTn ), AUcra = Д^и, ^Vcra )
Для дослідження впливу величини SVBrn та SVCTn на точність гальмування відчепів на гальмівних позиціях спускної частини було використано імітаційну модель роботи автоматизованої сортувальної гірки [7]. В даній моделі імітація процесу скочування відчепів з гірки виконується на основі взаємодії модуля розпуску, що імітує рух всіх відчепів составу на спускній частині гірки на кожному кроці At, та модуля керування уповільнювачами. Модуль керування перетворює вхідні сигнали від блоку імітації розпуску за встановленим алгоритмом і подає відповідні команди на уповільнювачі гальмівних позицій. Модуль керування розпуском дозволяє адаптувати імітаційну модель до будь-якої системи регулювання швидкості від-чепів, що дає можливість оцінити ефективність її функціонування.
З метою вирішення поставленої в статті задачі було розроблено автономний блок, який взаємодіє з модулем керування розпуском і дозволяє керувати роботою уповільнювачів в автоматичному режимі. Задачею цього блоку є визначення та реалізація розрахункових швидкостей виходу відчепів U з гальмівних позицій, що забезпечують необхідний режим розформування. Цей режим для кожного состава представляється списком розрахункових швидкостей виходу відчепів U з ВГП та СГП та визначається з
використанням ітераційного методу [8]. Розроблений блок керування містить сукупність необхідних даних про уповільнювачі гірки: статистичні параметри гальмівної характеристики, а також тривалість перехідних процесів при загальмуванні (розгальмуванні) уповільнювача. Інформація про уповільнювачі необхідна для розрахунку їх питомого гальмівного опору wT, а також для моделювання керування процесом гальмування. Наявність такої інформації про уповільнювачі і можливість її варіювання дає можливість досліджувати вплив характеристик вагонних уповільнювачів на показники сортувального процесу. Імітація роботи блока керування уповільнювачами гальмівних позицій здійснюється за допомогою керуючих параметрів SVBTn і SVCYn, які задаються до початку розформування окремого составу.
Для аналізу точності регулювання швидкості на гальмівних позиціях було виконано моделювання процесу розформування 25 составів з 57 вагонів при різних комбінаціях 5V на гальмівних позиціях. Значення 5V на ВГП варію-
15
валось в межах від 0,0 до 0,5 м/с, а на СГП - від 0,0 до 1,0 м/с з кроком 0,1 м/с.
Параметри кожного відчепа составу були отримані методом статистичного моделювання з використанням відповідних законів розподілу та параметрів випадкових величин. Значення питомого опору руху w0 кожного відчепа було прийнято відповідно до його вагової категорії згідно з [9, табл. 4.1]. Моделювання процесу розформування виконувалось при несприятливих метеорологічних умовах - температура повітря
зовнішнього середовища t = —10°\_, швидкість вітру vB = 5 м/с, азимут напрямку вітру - 20°.
За результатами моделювання було виконано аналіз фактичних швидкостей виходу відче-
пів з ВГП Uф та СГП і визначено їх відхилення AU від розрахункових U . В табл.1 наведено середні значення відхилення U ' від U ' при різних значеннях параметра SVBTn .
Таблиця 1
Аналіз похибки реалізації заданої швидкості виходу відчепів на ВГП
^ВГП , мс 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
M [ ^ВГП ] , м/с -0,237 -0,162 -0,087 -0,015 0,059 0,149
На рис. 1 наведено залежність точності гальмування відчепів на ВГП від величини упередження на даній ГП.
Як видно з рис. 1, значення похибки реалізації заданої швидкості виходу відчепів з ВГП лінійно залежить від величини SVBrn. Найбільша точність гальмування відчепів досягається при значенні SVBTn =0,32 м/с; при цьому M[AUBrn] =0,0 м/с. Подальше збільшення величини SVBTn призводить до підвищення заданої швидкості виходу відчепів з ГП, і, як наслідок, зменшує їх гальмування. Це, в свою чергу, призводить до систематичного виходу відчепів з ВГП зі швидкістю U , яка перевищує розрахункову U .
Для аналізу впливу величини упередження SVcrn на точність гальмування відчепів на СГП в табл. 2 наведено середні значення відхилення фактичної швидкості виходу U'' від розрахункової U '' при різних комбінаціях значень
^ВГП та SVCm .
Таблиця 2
Похибки реалізації швидкості виходу відчепів з СГП
^ВГП\ 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
0,0 -0,465 -0,399 -0,348 -0,303 -0,254 -0,207 -0,167 -0,127 -0,095 -0,058 -0,033
0,1 -0,423 -0,347 -0,295 -0,251 -0,202 -0,153 -0,112 -0,074 -0,030 -0,007 0,023
0,2 -0,408 -0,318 -0,248 -0,201 -0,156 -0,107 -0,060 -0,023 0,013 0,046 0,076
0,3 -0,396 -0,309 -0,220 -0,166 -0,122 -0,073 -0,026 0,019 0,051 0,075 0,117
0,4 -0,371 -0,283 -0,200 -0,125 -0,080 -0,021 0,024 0,068 0,103 0,134 0,165
0,5 -0,368 -0,265 -0,183 -0,096 -0,014 0,021 0,065 0,111 0,149 0,186 0,215
Як видно з табл. 2, майже при всіх розглянутих комбінаціях SV швидкість виходу відчепів з СГП U^ менша за розрахункову U . Характер залежності похибки M[AUcrn ] від S^rn при різних величинах SVBrn наведено на рис. 2.
Як видно з рис. 2, середнє значення похибки гальмування відчепів на СГП
M [ AUcra ] =0,0 м/с спостерігається при різних комбінаціях SVBrn та S^ra . Таким чином, вибір величини упередження на СГП залежить від обраної величини SV на ВГП. На рис. 3 наведено графіки залежностей S^ra = f (SVBrn) при різній точності реалізації розрахункової швидкості виходу відчепів з СГП.
16
Рис. 2. Залежності середньої похибки гальмування M[AU^ ] від величини &Vcrn при різних значеннях
Рис. 3. Графіки залежності SVcm = f ($VBm) при різній похибці гальмування на СГП
З рисунку видно, що упередження на СГП нелінійно залежить від величини SVBrn . Отримані залежності дозволяють визначити значення SVCTn в залежності від встановленої величини упередження на ВГП та необхідної точності реалізації розрахункової швидкості виходу
відчепів Up з СГП. Так, для даної гірки, умов
розпуску та параметрів потоку відчепів найкраща точність гальмування, при якій математичне очікування похибок реалізації M [ AU] =0, забезпечується при = 0,32 м/с та
SVcrn = 0,63 м/с.
Як показав аналіз, для деяких відчепів составу взагалі відсутнє гальмування на ГП спускної частини гірки. До цієї групи, як правило, відносяться одновагонні відчепи легкої вагової категорії, кількість яких у кожному составі становить від до 3 до 4. Аналіз динаміки руху таких відчепів показав, що фактична швидкість їх виходу з ВГП та СГП менша за розрахункову U . Як видно з рис. 4, це пояснюється відмінністю фактичної величини основного питомого опору відчепа wф від розрахункового значення
W . Слід відмітити, що при визначенні режиму розпуску составу фактичні значення величини питомого опору М!ф кожного відчепа невідомі і
оцінюються середніми значеннями W по його ваговій категорії [9, табл. 4.1]. Але, в реальних умовах, при скочуванні відчепів з гірки, значення питомого опору wф окремих відчепів, особливо порожніх, істотно відрізняється від W, при цьому, як правило, wф > , що пояс-
нюється характером розподілу випадкової величини w0. Це, в свою чергу, призводить до відхилення фактичної швидкості виходу відче-па f/ф з ГП від розрахункової ир, і, як наслідок, ускладнює процес регулювання швидкості скочування відчепів составу.
ир = 6,08
У. W =1,75 Н / кН
7 т V, м/с 6 5 4 3 2
1 +
0
0 50 100 150 200 250 S м
Рис. 4. Динаміка скочування відчепа легкої вагової категорії при різних w
Аналіз результатів скочування відчепів без гальмування на спускній частині гірки показав, що середня похибка реалізації розрахункової швидкості виходу з ВГП та СГП становить
M[AUBrn ] = -0,20 м/с та M[AUcrn ] = -0,26 м/с
відповідно; при цьому значення середньої величини похибки не змінюється при варіюванні параметрів SVBrn та SVcrn .
Крім цього необхідно відзначити, що режим скочування деяких відчепів составу при певних
17
комбінаціях стрілок розділення з суміжними відчепами не передбачає їх гальмування на СГП. Як показав аналіз результатів гальмування, доля таких відчепів складає 40-50 % в кожному составі; при цьому швидкість виходу цих
відчепів з СГП менша за розрахункову Up
низькому значенні SVBrn спостерігається вихід відчепів з ВГП зі швидкістю иф < ир
(див. рис. 1), що, в свою чергу, у випадку відсутності гальмування на СГП, призводить до відхилення иф від Up , причому иф < ир . Аналіз
(рис. 5).
З рисунку видно, що похибка гальмування відчепа на ВГП не дозволила досягти йому розрахункової швидкості виходу Up = 6,01 м/с в межах СГП, що, як наслідок, призвело до виходу відчепа з СГП зі швидкістю Uф = 5,73 м/с, меншою за розрахункову. Встановлено, що при
показав, що така ситуація характерна майже для всіх відчепів, що скочуються без гальмування на СГП. В той же час, по мірі збільшення SVBTn підвищується точність реалізації Up,
що, тим самим, дозволяє покращити якість регулювання швидкості відчепів на СГП і зменшити похибку реалізації M[AUcra ].
Очевидно, що на точність гальмування впливає кількість вагонів у відчепі т. У зв’язку з цим, в роботі було виконано аналіз похибки гальмування окремих відчепів составу при різних значеннях упередження 5V на ВГП та СГП (див. табл. 3-4). При цьому в табл. 4 наведено середні значення похибки гальмування на СГП при варіюванні SVBrn в межах 0,0-0,5 м/с.
Характер зміни похибки гальмування відче-пів з різною кількістю вагонів т в залежності від параметрів керування уповільнювачами ВГП та СГП наведено на рис. 6.
Таблиця 3
Середні значення похибки гальмування відчепів на ВГП
Вагонів у відчепі, т ЗУвгп , м/с
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
і -0,27 -0,20 -0,13 -0,06 0,01 0,09
2 -0,26 -0,18 -0,10 -0,01 0,08 0,17
3 -0,10 -0,02 0,06 0,13 0,21 0,31
4 0,02 0,11 0,19 0,27 0,36 0,45
5 0,03 0,11 0,20 0,29 0,39 0,48
Таблиця 4
Середні значення похибки гальмування відчепів на СГП
Вагонів у 3УВГП , м/с
відчепі, т 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
1 -0,475 -0,381 -0,335 -0,285 -0,250 -0,185 -0,157 -0,127 -0,102 -0,080 -0,065
2 -0,420 -0,282 -0,194 -0,139 -0,104 -0,058 -0,012 0,032 0,068 0,101 0,128
3 -0,311 -0,242 -0,160 -0,105 -0,076 -0,026 0,015 0,039 0,069 0,112 0,146
4 -0,277 -0,176 -0,054 0,062 0,117 0,138 0,160 0,170 0,214 0,226 0,249
5 -0,254 -0,116 -0,020 0,071 0,118 0,139 0,162 0,181 0,192 0,200 0,209
18
а) ВГП б) СГП
Рис. 6. Графіки залежності середньої похибки гальмування M [ AU ] від величини SV
Як видно з рис. 6, а похибка гальмування відчепів на ВГП лінійно залежить від величини SVBrn, при чому характер залежності зберігається при будь-якій кількості вагонів у відчепі. Слід відмітити, що при одному і тому ж значенні параметра SVBrn точність гальмування відчепів з m = 1-2 та m = 4-5 вагонів практично однакова. Так, для багатовагонних відчепів (m = 4-5 ваг.) найменша похибка гальмування спостерігається при SVBrn = 0, в той час, як висока точність гальмування трьохвагонного відчепа досягається при SVBrn = 0,14, а для відчепів з кількістю вагонів m = 1 та m = 2 при SVrn = 0,38 та SVBrn = 0,33 відповідно.
З рис. 6, б видно, що похибка реалізації розрахункової швидкості виходу відчепів Up з
СГП нелінійно залежить від параметра керування уповільнювачами SVCTn ; при цьому ступінь нелінійності збільшується по мірі підвищення довжини відчепа (див. рис. 6, б). Як і на ВГП, висока точність гальмування відчепів з 45 вагонів забезпечується при низькому значенні SVcrn, а саме при 0,24 та 0,28 м/с відповідно. Для трьохвагонних відчепів значення параметра SV , при якому забезпечується M[AUcrn] = 0,0, становить 0,56 м/с, а для відче-пів з двох вагонів висока точність гальмування досягається при S^ra = 0,6 м/с. В той же час, збільшення SVCYn до 1,0 м/с не дозволяє забезпечити високу точність реалізації Up для одно-
вагонних відчепів, що може бути пов’язано з похибкою гальмування на ВГП і неможливістю при подальшому скочуванні в межах СГП розвинути розрахункову швидкість виходу Up .
Виконаний аналіз точності гальмування потоку відчепів показав, що висока точність регулювання їх швидкості скочування в межах ВГП та СГП забезпечується при різних значеннях
SVBrn та SVcrn ; при чому значення цих параметрів суттєво змінюються в залежності від кількості вагонів у відчепі. Таким чином, можна стверджувати, що величина упередження SV на гальмівних позиціях повинна встановлюватись окремо для кожного відчепа в залежності від його параметрів, що дасть змогу підвищити якість регулювання швидкості скочування всіх відчепів составу. Але такий підхід може значно ускладнити побудову систем автоматичного регулювання швидкості скочування відчепів (АРШ) на автоматизованих сортувальних гірках. В той же час, з метою виключення необхідності визначення величини SV для кожного відчепа та спрощення побудови системи АРШ, значення параметрів керування уповільнювачами SVBTn та S^ra можуть бути встановлені в цілому для потоку составів. Для остаточного вибору принципу встановлення величини SV на гальмівних позиціях необхідно оцінити її вплив на умови розділення відче-пів на стрілочних переводах гіркової горловини, а також на енергетичні витрати при гальмуванні відчепів составу.
БІБЛІОГРАФІЧНИЙ СПИСОК
1. Зиброва, Т. М. Повышение точности регулирования скоростей отцепов на тормозных позициях [Текст] / Т. М. Зиброва // Автоматическое управление и вопросы применения вычислительной техники на железнодорожном транспорте. Труды ДИИТа - Д.: ДИИТ, 1975. -Вып. 172/7. - С. 25-31.
2. Божко, Н. П. Моделирование работы тормозных позиций на сортировочной горке [Текст] / Н. П. Божко // Механизация и автоматизация сортировочного процесса на станциях: Межвуз. сб. научн. тр. - Д.: ДИИТ, 1978. -Вып. 197/12.- С. 73-87.
3. Шелухин, В. И. Универсальный модуль управления тормозными позициями [Текст] /
19
B. И. Шелухин, И. Н. Малышев // Автоматика, связь, информатика. - 2000. - № 5. - С. 12-14.
4. Шелухин, В. И. Алгоритмы вытормажи-вания отцепов в горочных замедлителях [Текст] / В. И. Шелухин // Автоматика, связь, информатика. - 2010. - № 10.- С. 2-4.
5. Сафрис, Л. В. Коррекция задания для регуляторов замедлителей [Текст] / Л. В. Сафрис, Т. И. Скабалланович // Автоматическое управление и вопросы применения вычислительной техники на железнодорожном транспорте. Труды ДИИТа - Д.: ДИИТ, 1976. - Вып. 184/8. -
C. 29-32.
6. Жуковицкий, И. В. Адаптивная коррекция задания регулятору тормозной позиции [Текст] / И. В. Жуковицкий // Інформ.-керуючі системи на залізн. тр-ті. - 2010. - № 4. - С. 93-95.
7. Бобровский, В. И. Эргатические модели сортировочных горок [Текст] / В. И. Бобровский
// Інформ.-керуючі системи на залізн. тр-ті. -2001. - № 5. - С. 7-11.
8. Оптимизация режимов торможения
отцепов на сортировочных горках: монография [Текст] : монографія / В. И. Бобровский, Д. Н. Козаченко, Н. П. Божко, Н. В. Рогов, Н. И. Березовый, А. В. Кудряшов - Д.: Изд-во
Маковецкий, 2010. - 260 с.
9. Правила и нормы проектирования сортировочных устройств на железных дорогах Союза ССР. ВСН 207 - 89. - М.: Транспорт, 1992. -104 с.
Стаття рекомендована до публікації д.т.н., проф. Т. В. Бутько (Україна)
Надійшла до редколегії 11.12.2013.
Прийнята до друку 12.12.2013.
20
