31XVМеждународная научно-практическая конференция УДК 629.423
Иванов Павел Юрьевич Ivanov Pavel Yuryevich
к. т. н, доцент кафедры «Электроподвижной состав»
Candidate of Technical Sciences Associate Professor of the Department of "Electric Rolling Stock"
Корсун Антон Александрович Korsun Anton Alexandrovich аспирант кафедры «Электроподвижной состав» Post-graduate student of the Department "Electric Rolling Stock"
Емельянов Денис Олегович Yemelyanov Denis Olegovich студент кафедры вагоны и вагонное хозяйство Student of the Department of Wagons and Wagon Economy Иркутский государственный университет путей сообщения, г. Иркутск Irkutsk State University of Railway Transport, Irkutsk
СУЩЕСТВУЮЩИЕ СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ ТОРМОЗНЫМ НАЖАТИЕМ С ПОВЫШЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТЬЮ
EXISTING WAYS TO CONTROL THE BRAKE PRESSURE WITH INCREASED EFFICIENCY
Аннотация. В настоящее время, основными актуальными направлениями развития ЖД транспорта являются обеспечение высокой безопасности движения поездов, а также получение экономического эффекта от внедрения инновационных технологий в процесс эксплуатации. Обеспечение эффективного использование тормозного оборудования в процессе грузовых и пассажирских перевозок единовременно позволяет решать обе поставленные задачи. Изучение тормозных процессов, сравнительная оценка существующих тормозных систем, с выявлением их преимуществ и недостатков позволяет выявить наиболее перспективные направления для последующего анализа в области тормозного оборудования на ЖД. Устранение существующих недостатков у применяемых на данный момент тормозных систем, а также совместное использование преимуществ позволит многократно повысить безопасность движения поездов, попутно увеличив экономические показатели посредством эффективного использования тормозов в процессе движения. Один из ключевых аспектов эксплуатации тормозных систем - тормозное нажатие. Оптимизация тормозного нажатия на протяжении долго времени является фундаментальным вопросом в процессе поиска оптимальных решений по повышению эффективности тормозных систем.
«Научные междисциплинарные исследования»
Annotation. Currently, the main current directions of railway transport development are to ensure high train safety, as well as to obtain an economic effect from the introduction of innovative technologies in the operation process. Ensuring the effective use of braking equipment in the process of cargo and passenger transportation at the same time allows you to solve both tasks. The study of braking processes, a comparative assessment of existing braking systems, with the identification of their advantages and disadvantages, allows us to identify the most promising areas for further analysis in the field of railway braking equipment. The elimination of the existing disadvantages of the currently used braking systems, as well as the joint use of advantages, will significantly improve the safety of train traffic, while simultaneously increasing economic performance through the effective use of brakes in the process of movement. One of the key aspects of the operation of brake systems is the brake pressure. Optimizing the brake pressure over a long period of time is a fundamental issue in the search for optimal solutions to improve the efficiency of brake systems.
Ключевые слова, воздухораспределитель, тормозная магистраль, запасный резервуар, чугунная колодка, ступенчатый отпуск, экстренное торможение, тормозной цилиндр, коэффициент запаса по нажатию, адаптивное управление, алгоритм, электропневматические тормоза, пневматические тормоза.
Keywords: air distributor, brake line, spare tank, cast iron pad, step release, emergency braking, brake cylinder, pressure reserve coefficient, adaptive control, algorithm, electropneumatic brakes, pneumatic brakes.
Ранее был проведен анализ существующих, на данный момент, способов управления тормозным нажатием. Рассмотрены конструктивные особенности различных отечественных воздухораспределителей и их зарубежных аналогов. Особое внимание в процессе рассмотрения было уделено воздухораспределителю зарубежного типа KEs. В основе исследования по повышению эффективности управления тормозным нажатием лежит алгоритм, заложенный в принцип работы воздухораспределителя KEs [1, 2]. Различные методы и средства повышения эффективности работы тормозной системы приведены в [3, 4, 5, 6]. Анализ влияния различных факторов на динамику изменения коэффициента трения колодки о колесо и в целом на безотказность работы тормозной системы [7, 8].
На рисунке 1 представлено изменение скорости наполнения тормозного цилиндра в системе электропневматического тормоза при питании его от
XVМеждународная научно-практическая конференция запасного резервуара и тормозной магистрали, а также при питании только от
запасного резервуара в режиме служебного торможения.
Рц,
кгс/см2
6 8 10 12
Рис.1 - Изменение скорости наполнения тормозного цилиндра при различных источниках питания
1 - питание цилиндра от тормозной магистрали и запасного резервуара; 2 -питание цилиндра только от запасного резервуара; 3 - падение давления в
запасном резервуаре
Зависимость скорости нарастания давления в тормозном цилиндре представлена выражением (1)
Р(Х) = Р00х( 1 - е-—),
(1)
где Рт - величина к которому стремится давление в объединенных объемах источника сжатого воздуха и объекта регулирования; 1 - время;
Т - постоянная времени процесса;
к - коэффициент, определяющий постоянную времени уравнивания
давлений.
к
(2)
Время наполнения тормозного цилиндра определяется по формуле (3)
1
5,0
3
2
4,0
3,0
2,0
1,0
Ге
4
2
«Научные междисциплинарные исследования» р
-Т х 1п(1 -
*=-(3)
Исходя из рисунка 1 видно, что использование воздухораспределителя усл.№305 повышает скорость наполнения тормозного цилиндра, а также позволяет использовать повышенное давление в тормозном цилиндре (давление тормозной магистрали), поскольку данный воздухораспределитель является прямодействующим.
Для более удобного сопоставления коэффициента трения и сцепления введем новое понятие - коэффициент запаса по нажатию. Данный коэффициент характеризует запас силы нажатия колодки на колесо до возникновения заклинивания колесной пары.
Коэффициент запаса по нажатию - это отношение силы сцепления к силе торможения:
К = (4)
"тор
где - сила сцепления (формула 5), кН; ^Гор - тормозная сила (формула 7), кН.
Сила сцепления колеса с рельсом:
^сц = Ч • Ф (5)
где q - сцепной вес, действующий на колесо, т;
у - коэффициент сцепления колеса с рельсом (формула 6).
Коэффициент сцепления колеса с рельсом:
^9+20^^0 + 10^ (6)
^ 3 • $ + 200 4-^0 + 100 4 '
где д0 - средняя нагрузка на ось; д - скорость движения поезда.
Тормозная сила:
*Гор = Т • ^к (7)
где Т - сила прижатия тормозной колодки к колесу, кН;
- коэффициент трения колодки по колесу (формула 8, 9).
XVМеждународная научно-практическая конференция Коэффициент трения для чугунных колодок (для вагонов и локомотивов):
„ - 1,67+100 $ + 100 /оч
юч = 0,6-------(8)
87+100 5$ + 100 4 '
Коэффициент трения для композиционных колодок:
„ . . 0,17+20 $ + 150 /г.ч
фк = 0,44 • -------(9)
0,47+20 2$ + 150 4 '
Рис. 2 - Зависимость коэффициента запаса по нажатию от скорости
движения поезда
Анализируя рисунок 2, делаем вывод, что по мере увеличения, либо уменьшения скорости движения поезда коэффициент запаса по нажатию K изменяется. Так, при низкой скорости движения поезда данный коэффициент мал и возрастает он по мере увеличения скорости. Это обуславливается тем, что поезд по мере увеличения скорости накапливает большую кинетическую энергию и момент инерции вращающихся масс, которые необходимо погасить. Следовательно, чем выше скорость, тем большее нажатие колодки на колесную пару необходимо реализовать для того, чтобы погасить оба вида запасенной поездом энергии и при этом обеспечить минимальный фактический тормозной путь.
Учитывая тот факт, что коэффициент трения колодки о колесо изменяется в процессе одного торможения, новый алгоритм управления нажатием на
«Научные междисциплинарные исследования» тормозную колодку должен повысить эффективность тормозов на высоких
скоростях и в тоже время снизить вероятность заклинивания колесных пар при
низких скоростях.
К, Т, Ртор, к кН
Скорость движения
V, км/ч
Рис. 3 - Графики зависимости запаса силы сцепления колеса с рельсом относительно силы трения колодки о колесо К=^(У), тормозной силы Fтор=f(V), в процессе приближения Fтор к постоянному значению за счет регулирования силы нажатия на колодки от скорости движения
поезда
В процессе снижения скорости и увеличения коэффициента трения колодки с колесом небольшими ступенями снижается давление в тормозном цилиндре, ослабляя нажатие в процессе замедления, тем самым, обеспечивая условия безъюзового торможения как показано на рисунке 3.
Также на рисунке 3 показано изменение величины запаса К, в зависимости от изменения давления тормозного цилиндра и соответственно силы нажатия колодки на колесо Т.
В основе работы алгоритма адаптивного управления тормозным нажатием лежит анализ коэффициента запаса сцепления колеса с рельсом относительно силы трения колодки о колесо, т.е. силы сцепления колесо-рельс относительно тормозной силы, численные значения которых можно рассчитать по известным формулам.
XVМеждународная научно-практическая конференция
Принцип работы предлагаемого устройства, изменяющего давление тормозного цилиндра и соответственно силы нажатия колодки на колесо ^ с условием поддержания запаса K на относительно постоянном уровне можно проиллюстрировать при помощи графиков. Перед началом работы машинист электровоза выбирает оптимальное значение коэффициента запаса по нажатию К в диапазоне 2-3 с учетом погодных и других условий сцепления колеса и рельса для того, чтобы система, опираясь на зависимость коэффициента сцепления от скорости, поддерживала постоянное значение тормозной силы. Тормозная сила вычисляется по формуле (7). Тем самым, в пределах малых скоростей, вероятность образования ползунов уменьшается, в тоже время тормозной путь уменьшается за счет увеличения тормозной силы в пределах средних и высоких скоростей. Характер изменения силы нажатия отражен зависимостью Т, которую предлагается реализовать ступенчатым образом в зависимости от скорости, а также запаса энергии вращающихся масс.
Давление в тормозном цилиндре исходя из требуемого суммарного нажатия, вычисленного согласно алгоритму, формула (10)
Р = ——— (10)
ТЦ ^тРП^трп '
Далее рассмотрим по рисунку 4 как повлияет представленный выше алгоритм на график изменения тормозной характеристики в случае юза колесной пары.
Рис. 4 - Корректирование процесса торможения системой адаптивного
управления тормозным нажатием
«Научные междисциплинарные исследования» 1-скорость поезда при торможении; 2-скоростъ поезда при юзе колесных пар;
3-предполагаемая скорость без юза колесных пар; 4-тормозная сила колесной
пары; 5-скоростъ поезда при торможении с устройством адаптивного
управления тормозным нажатием; 6-тормозная сила колесной пары с
применением устройства адаптивного управления тормозным нажатием
Из рисунка 4 видно, что устройство в диапазоне высоких скоростей повышает силу торможения, а в диапазоне низких скоростей наоборот, понизит силу торможения, исключая возникновение заклинивания колесных пар. За счет такого алгоритма торможения происходит сокращение тормозного пути.
Заключение. В результате проведенного анализа тормозных систем, активно применяющихся на ЖД транспорте, как в России, так и за рубежом, были выявлены основные преимущества и недостатки. Был введен термин -коэффициент запаса по нажатию, позволяющий производить оценку отношения силы сцепления к силе торможения в числовом эквиваленте. Выполнено построение графических зависимостей на различных стадиях процесса торможения. На основе анализа, предложен алгоритм адаптивного управления тормозным нажатием для реализации эффективного управления тормозами пассажирского поезда в режиме служебного торможения. В основе устройства заложен принцип оптимизации тормозного нажатия в зависимости от условий эксплуатации с учетом динамики изменения коэффициента трения в процессе торможения. Предложенный алгоритм позволит увеличить тормозную эффективность пассажирских поездов, напрямую влияющую на участковую скорость движения поездов и в конечном итоге на прибыль компании ОАО РЖД.
Библиографический список:
1. Повышение эффективности работы тормозной системы пассажирских поездов. / Иванов П.Ю., Романовский А.И., Хамнаева А.А., Корсун А.А., Борутенко А.С.// Транспорт: наука, техника, управление. Научный информационный сборник. 2020. № 3. С. 39-43.
XVМеждународная научно-практическая конференция
2. Тормозное оборудование железнодорожного подвижного состава: Справочник / В.И. Крылов, В.В. Крылов, В.Н. Ефремов, П.Т. Демушкин - М.: Транспорт, 1989 - 487 с.: ил., табл. - Библиогр.: с. 487.
3. Иванов П.Ю. Повышение управляемости тормозов поезда. / Иванов П.Ю., Мануилов Н.И., Дульский Е.Ю.// Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2018. № 1 (57). С. 103-109.
4. Мануилов Н.И. Моделирование работы резиновых уплотнений тормозной сети подвижного состава в условиях низких температур. / Мануилов Н.И., Иванов П.Ю., Дульский Е.Ю // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2017. № 3 (55). С. 112-119.
5. Исследование работы стабилизатора крана машиниста усл. № 395. / Иванов П.Ю., Мануилов Н.И., Дульский Е.Ю., Худаногов А.М. // Инновационные проекты и технологии машиностроительных производств: сборник материалов второй всероссийской научно-технической конференции. Омский государственный университет путей сообщения. 2017. С. 62-69.
6. Сравнительный анализ тормозных систем подвижного состава с однотрубным и двухтрубным питанием, / Иванов П.Ю., Дульский Е.Ю., Хамнаева А.А., Корсун А.А., Трескин С.В// Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2020. № 3 (79). С. 35-42.
7. Исследование температуры тормозных колодок с разной степенью износа в процессе фрикционного торможения. / Иванов П.Ю., Худоногов А.М., Дульский Е.Ю., Корсун А.А., Трескин С.В. // Вестник Уральского государственного университета путей сообщения. 2020. № 3 (47). С. 27-34.
8. Мануилов Н.И. Анализ влияния человеческого фактора на безотказную работу тормозного оборудования / Мануилов Н.И., Иванов П.Ю., Дульский Е.Ю// Наука вчера, сегодня, завтра. 2016. № 12-2 (34). С. 48-57.
