устройство для защиты от боксования и юза колесных пар электроподвижного состава

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ БОКСОВАНИЯ И ЮЗА КОЛЕСНЫХ ПАР ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА, содержащее датчики частоты вращения колесных пар, выходы которых через первые электрические преобразователи соединены с входами первых блоков выделения максимального и минимального сигналов, первый элемент сравнения, входы которого подключены к выходам первого блока выделения максимального сигнала и датчика скорости электроподвижного состава, а выход через первый пороговый элемент - к управляющему входу первого ключевого элемента, первый блок дифференцирования, второй, третий и четвертый пороговые элементы, задатчик тока тяговых двигателей, систему автоматического управления электроподвижным составом и блок управления работой песочниц, отличающееся тем, что в него введены режимный переключатель, первый фильтр нижних частот, последовательно включенные второй блок выделения максимального сигнала, блок выделения амплитудного значения сигнала, апериодическое звено и третий блок выделения максимального сигнала, причем вход первого фильтра нижних частот через соответствующие контакты режимного переключателя подключен к выходам первых блоков выделения максимального и минимального сигналов, а выход через первый блок дифференцирования - к одному из входов второго блока выделения максимального сигнала, сигнальный вход первого ключевого элемента соединен с выходом задатчика тока тяговых двигателей, а выход - с другим входом второго блока выделения максимального сигнала, второй вход третьего блока выделения максимального сигнала подключен к выходу блока выделения амплитудного значения сигнала, а выход - к входу системы автоматического управления электроподвижным составом.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в него введены четвертый, пятый и шестой блоки выделения максимального сигнала, второй блок выделения минимального сигнала, второй, третий и четвертый фильтры нижних частот, второй и третий блоки дифференцирования, датчики тока тяговых двигателей, вторые электрические преобразователи, блок выделения среднего значения сигнала и второй элемент сравнения, при этом входы четвертого блока выделения максимального сигнала и второго блока выделения минимального сигнала соединены с выходами первых электрических преобразователей, а выходы через соответствующие контакты режимного переключатетя - с входом второго фильтра нижних частот, второй блок дифференцирования, второй пороговый элемент, пятый блок выделения максимального сигнала, третий пороговый элемент и блок управления работой песочниц включены последовательно, вход второго блока дифференцирования подключен к выходу второго фильтра нижних частот, выходы датчиков тока через вторые электрические преобразователи соединены с входами шестого блока выделения максимального сигнала и блока выделения среднего значения сигнала, выходы которых подключены к входам соответственно третьего и четвертого фильтров нижних частот, входы второго элемента сравнения соединены с выходами третьего и четвертого фильтров нижних частот, а выход через третий блок дифференцирования - с вторым входом пятого блока выделения максимального сигнала.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что в него введены второй ключевой элемент, четвертый блок дифференцирования, четвертый и пятый пороговые элементы и седьмой блок выделения максимального сигнала, при этом второй ключевой элемент включен между выходом третьего блока дифференцирования и вторым входом пятого блока выделения максимального сигнала и соединен управляющим входом через четвертый блок дифференцирования с выходом задатчика тока тяговых двигателей, входы четвертого и пятого пороговых элементов подключены к выходам соответственно третьего и четвертого фильтров нижних частот, седьмой блок выделения максимального сигнала включен между выходами третьего, четвертого и пятого пороговых элементов и входом блока управления работой песочниц.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электрооборудованию подвижного состава железных дорог и предназначено для автоматизации управления электроприводом локомотивов.

Известно устройство, содержащее по числу колесных пар (КП) каналы, выявляющие юз и буксование КП, блок формирования корректирующего сигнала, входы которого соединены через ключевые элементы с датчиками токов тяговых двигателей (ТД). Ключевые элементы с датчиками токов управляются разностью большего из сигналов обратной связи по току и большего из входных сигналов защит от букования и юза КП электровоза. Блок формирования корректирующего сигнала корректирует тяговые (тормозные) усилия на осях электровоза в зависимости от нагрузок от его КП на рельсы в любой текущий момент времени за счет поддержания заданного соотношения между токами ТД [1].

При возникновении синхронного букования (юза) всех КП электровоза из-за отсутствия выходного сигнала защиты от боксования (юза) ключевые элементы будут закрыты, следовательно, не произойдет корректировки тягового (тормозного) усилия. В рассмотренном режиме соотношение токов ТД будет соответствовать величине при нормальной (без буксования КП) реализации силы тяги. Это также не позволило бы откорректировать заданную силу тяги в связи с возникшим синхронным скольжением КП. Таким образом, в этих режимах рассматриваемое устройство не может быть признано эффективным, т.к. не позволяет реализовать предельные по условиям сцепления силы тяги (торможения).

Известно другое устройство для обнаружения буксования и юза КП транспортного средства, содержащее блок выделения минимального сигнала, входы которого соединены с выходами датчиков частоты вращения КП, а выход - с дифференцирующим блоком, выход которого соединен с входом интегратора, блок задержки, подключенный выходом к одному из входов ключевого элемента, блок сравнения с элементом памяти на выходе, один вход которого подключен к выходу ключевого элемента, другой - к выходу интегратора, а выход - к одному из входов второго блока сравнения, другой вход которого соединен с выходом датчика частоты вращения соответствующей КП, а выход - с управляющим входом ключевого элемента и системой управления ТД, при этом вход блока задержки соединен с выходом датчика частоты вращения соответствующей КП [2].

В этом устройстве цепь из блока выделения минимального сигнала от датчиков частоты вращения КП, блока дифференцирования и интегратора служит для коррекции скорости локомотива в блоке сравнения с элементом памяти на выходе при буксовании КП.

Наибольшая потеря скорости локомотива наиболее вероятна при синхронном буксовании КП. В этом случае требуется и больший корректирующий сигнал. Это устройство не выявляет, поскольку при синхронном буксовании КП сигнал на выходе устройства выделения минимального сигнала возрастает. Следовательно, при контроле знака производной сигнал на выходе интегратора (приращение скорости) будет равен нулю. В результате этого сигнал на выходе блока сравнения скорости локомотива и частоты вращения КП может оказаться недостаточным для корректировки тягового усилия и устранения буксования, поэтому данное устройство при синхронном буксовании КП не может быть признано эффективным.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство для защиты от юза колесных пар электроподвижного состава, содержащее датчик частот вращения КП, выходы которых через электрические преобразователи соединены со входами блоков выделения максимального и минимального сигналов, элемент сравнения, входы которого подключены к выходам блока выделения максимального сигнала и датчика скорости электроподвижного состава (ЭПС), а выход через первый пороговый элемент - к управляющему входу первого ключевого элемента [3]. В состав известного устройства входят также блок дифференцирования, второй, третий и четвертый пороговые элементы, задатчик тока ТД, система автоматического регулирования ЭПС, блок управления работой песочниц, сумматор, интегратор, блок умножения.

Указанное устройство обладает рядом недостатков. Во-первых, ликвидацию юза отдельных КП путем снижения тормозного усилия на ободах колес всего локомотива нельзя признать оптимальной, т.к. имеет место явное недоиспользование его тормозных свойств. Во-вторых, замедление КП при электрическом торможении с легкими поездами и при юзе отдельных колесных пар соизмеримы. В связи с этим, если используемый блок эталонной скорости выбрать с большой постоянной времени, то будет иметь место ложная работа защиты, если с малой - то в диапазоне эксплуатационных замедлений поезда защита не будет реагировать на возникающий юз отдельных КП. В обоих случаях тормозные свойства локомотива недоиспользуются.

Цель изобретения - повышение тяговых и тормозных свойств ЭПС.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для защиты от буксования и юза колесных пар ЭПС, содержащее датчики частоты вращения колесных пар, выходы которых через первые электрические преобразователи соединены со входами первых блоков выделения максимального и минимального сигналов, первый элемент сравнения, входы которого подключены к выходам первого блока выделения максимального сигнала и датчика скорости электроподвижного состава, а выход через первый пороговый элемент - к управляющему входу первого ключевого элемента, первый блок дифференцирования, второй, третий и четвертый пороговые элементы, задатчик тока тяговых двигателей, систему автоматического управления ЭПС и блок управления работой песочниц, введены режимный переключатель, первый фильтр нижних частот, последовательно включенные второй блок выделения максимального сигнала, блок выделения амплитудного значения сигнала, апериодическое звено и третий блок выделения максимального сигнала. Вход первого фильтра нижних частот через соответствующие контакты режимного переключателя подключен к выходам первых блоков выделения максимального и минимального сигналов, а выход - через первый блок дифференцирования - к одному из входов второго блока выделения максимального сигнала. Сигнальный вход первого ключевого элемента соединен с выходом задатчика тока тяговых двигателей, а выход - с другим входом второго блока выделения максимального сигнала. Второй вход третьего блока выделения максимального сигнала подключен к выходу блока выделения амплитудного значения сигнала, а выход - ко входу системы автоматического управления ЭПС.

В устройство введены четвертый, пятый и шестой блоки выделения максимального сигнала, второй блок выделения максимального сигнала, второй, третий и четвертый фильтры нижних частот, второй и третий блоки дифференцирования, датчики тока тяговых двигателей, вторые электрические преобразователи, блок выделения среднего значения сигнала и второй элемент сравнения. Входы четвертого блока выделения максимального сигнала и второго блока выделения минимального сигнала соединены с выходами первых электрических преобразователей, а выходы через соответствующие контакты режимного переключателя - со входом второго фильтра нижних частот. Второй блок дифференцирования, второй пороговый элемент, пятый блок выделения максимального сигнала, третий пороговый элемент и блок управления работой песочниц включены последовательно. Вход второго блока дифференцирования подключен к выходу второго фильтра нижних частот. Выходы датчиков тока через вторые электрические преобразователи соединены со входами шестого блока выделения максимального сигнала и блока выделения среднего значения сигнала, выходы которых подключены ко входам соответственно третьего и четвертого фильтров нижних частот. Входы второго элемента сравнения соединены с выходами третьего и четвертого фильтров нижних частот, а выход через третий блок дифференцирования - со вторым входом пятого блока выделения максимального сигнала.

В устройство введены второй ключевой элемент, четвертый блок дифференцирования, четвертый и пятый пороговый элементы и седьмой блок выделения максимального сигнала. Второй ключевой элемент включен между выходом третьего блока дифференцирования и вторым входом пятого блока выделения максимального сигнала и соединен управляющим входом через четвертый блок дифференцирования с выходом задатчика тока тяговых двигателей. Входы четвертого и пятого пороговых элементов подключены к выходам соответственно третьего и четвертого фильтров нижних частот. Седьмой блок выделения максимального сигнала включен между выходами третьего, четвертого и пятого пороговых элементов и входом блока управления работой песочниц.

На чертеже показана функциональная схема предлагаемого устройства.

Устройство для защиты от буксования и юза КП ЭПС содержит датчики 1 и 2 частоты вращения КП, выходы которых через первые электрические преобразователи 3 и 4 соединены с входами первых блоков 5 и 6 выделения максимального и минимального сигналов из частот вращения КП ЭПС. Выход блока 5 выделения максимального сигнала соединен с последовательно включенными первым элементом 7 сравнения, первым пороговым элементом 8, первым ключевым элементом 9, вторым блоком 10 выделения максимального сигнала, блоком 11 выделения амплитудного значения сигнала, апериодическим звеном 12, третьим блоком 13 выделения максимального сигнала. Второй вход блока 13 соединен со входом апериодического звена 12, а второй вход элемента 7 сравнения - с выходом датчика 14 скорости ЭПС. Выход блока 6 выделения минимального сигнала через контакты режимного переключателя 15 подключен ко входу первого фильтра 16 нижних частот, выход которого соединен со входом первого блока 17 дифференцирования. Выход блока 17 соединен со вторым входом блока 10 выделения максимального сигнала.

Для повышения силы сцепления КП с рельсом устройство дополнительно снабжено четвертым блоком 18 выделения максимального сигнала и вторым блоком 19 выделения минимального сигнала, соответствующие входы которых соединены между собой и с выходами преобразователей 3 и 4 тележек (секций) ЭПС, а выходы этих блоков через другие контакты режимного переключателя 15 подключены к цепи из последовательно соединенных второго фильтра 20 нижних частот, второго блока 21 дифференцирования, второго порогового элемента 22, пятого блока 23 выделения максимального сигнала, третьего порогового элемента 24, блока 25 управления работой песочниц.

Устройство содержит также датчики 26 и 27 тока ТД, выходы которых через вторые электрические преобразователи 28 и 29 соединены с соответствующими входами шестого блока 30 выделения максимального сигнала и блока 31 выделения среднего значения сигнала. Выход блока 30 соединен со входом фильтра 32 нижних частот, а выход блока 31 - со входом четвертого фильтра 33 нижних частот. Выходы фильтров 32 и 33 нижних частот соединены со входами второго элемента 34 сравнения, выход которого соединен со входом третьего блока 35 дифференцирования. Блок 35 своим выходом соединен с другим входом первого блока 23 выделения максимального сигнала.

Для исключения ложной работы защиты в эксплуатационных режимах устройство снабжено вторым ключевым элементом 36, включенным между блоком 35 дифференцирования и блоком 23 выделения максимального сигнала, четвертым блоком 37 дифференцирования, который своим выходом соединен с управляющим входом ключевого элемента 36 (на его вход подается сигнал, пропорциональный заданному значению тока), седьмым блоком 38 выделения максимального сигнала, включенным между третьим пороговым элементом 24 и блоком 25 управления работой песочниц, четвертым и пятым пороговыми элементами 39 и 40, выходы которых соединены с входами блока 38 выделения максимального сигнала. Вход порогового элемента 39 подключен к выходу фильтра 33 нижних частот, а вход порогового элемента 40 - к выходу фильтра 32 нижних частот.

Устройство работает следующим образом.

При отсутствии боксования (юза) КП сигналы, поступающие на элемент сравнения 7 с выходов блока 5 выделения максимального сигнала и датчика 14 скорости ЭПС практически одинаковы, поэтому на его выходе сигнал будет равен нулю. В связи с этим на выходе порогового элемента 8 сигнал равен нулю, ключ 9 остается в разомкнутом положении и сигнал, пропорциональный заданному значению тока (U_iзад), дальше по цепи не проходит. Отсутствует сигнал и по цепи последовательно соединенных блока 17 дифференцирования, блока 10 выделения максимального сигнала, блока 11 выделения амплитудного значения сигнала, апериодического звена 12 и блока 13 выделения максимального сигнала, т.к. при отсутствии буксования (юза) КП сигнал на выходе блока 6 выделения минимального сигнала (блока 5 выделения максимального сигнала) не изменяется. Ложный сигнал о буксовании (юзе) при эксплуатационных ускорениях (замедлениях) ЭПС устраняется выбором параметров блока 17 дифференцирования. По тем же причинам, что и в рассмотренной цепи, отсутствует сигнал по цепи блока 21 дифференцирования, порогового элемента 22, блока 23 выделения максимального сигнала. Напряжение на выходе порогового элемента 24 больше нуля и, поскольку генератор импульсов в блоке 25 управления песочницами запускается в работу при нулевом значении напряжения на выходе, подсыпка песка под КП будет отсутствовать.

Без буксования (юза) КП токи ТД практически одинаковы и неизменны во времени, поэтому отсутствие изменяемой разности между максимальным током из всех токов ТД ЭПС и средним током ТД тележки (секции) обусловливает нулевое значение сигнала на выходах элемента сравнения 34, блока 35 дифференцирования и блока 23 выделения максимального сигнала, что также определяет напряжение на выходе порогового элемента 24, отличающееся от нуля и запрещающее работу блока 25 управления песочницами.

В эксплуатационных режимах - при резких сбросах заданного значения тока машинистом, отключении ТД тележки (секции), работа при относительно малых значениях касательной силы тяги (торможения) на ободах колес по сравнению с силой сцепления - срабатывает соответственно ключевой элемент 36, пороговые элементы 39 и 40 и налагают запрет на работу песочниц. Таким образом, исключается ложная работа защиты и неоправданный расход песка.

В случае возникновения буксования (юза) одной или нескольких КП на ЭПС изменяется напряжение на выходе блока 5 выделения максимального сигнала. Этот сигнал сравнивается на элементе сравнения 7 с сигналом, пропорциональным скорости движения ЭПС. Если величина скольжения какой-либо КП достигает опасной величины (ориентировочно 2,8 м/с), когда подсыпкой песка сцепления КП не восстанавливается, срабатывает пороговый элемент 8, в результате чего замыкается ключевой элемент 9 и на цепь формирования сигнала определенной величины и длительности, блоки 10, 11, 12, 13, поступает сигнал, пропорциональный величине заданного значения тока (U_iзад), токи ТД снижаются за счет автоматической корректировки заданного значения тока на входе регулятора системы автоматического управления сигналом с выхода блока 13 выделения максимального сигнала. Сигнал на выходе блока 6 выделения минимального (максимального) сигнала из частот вращения КП не изменяется, поскольку есть небоксующие КП, поэтому сигнал на выходе блока 17 отсутствует. Если избыточное скольжение отдельных КП не достигает опасных величин, определяемых уставкой порогового элемента 8, то сигнал на выходе блока 13 отсутствует и зарегулирования тяговых характеристик не происходит.

Боксование (юз) КП в тележке (секции) вызывает изменение сигнала на выходе блока 18 выделения максимального сигнала из частот вращения КП тележки (секции) (блока 19 выделения минимального сигнала), в результате на выходе блока 21 дифференцирования появляется сигнал, который при достижении определенной величины вызывает срабатывание порогового элемента 22. Сигнал с его выхода через блок 23 выделения максимального сигнала поступает на вход порогового элемента 24, который срабатывает. Напряжение на его выходе становится равным нулю и блок 25 управления песочницами запускается в работу, осуществляя импульсную подсыпку песка под КП.

Увеличение (уменьшение) частоты вращения КП вызывает снижение по естественным характеристикам токов ТД, связанных с боксующими (юзующими) КП, что обусловливает появление на выходе элемента сравнения 34 сигнала, пропорционального разности между максимальным током (блок 30) и средним током (блок 31). Этот сигнал дифференцируется (блок 35) и, если сигнал, пропорциональный производной от разности токов, достигает определенной величины, срабатывает пороговый элемент 24 и запускает в работу блок 25 управления песочницами.

Два канала обеспечения подсыпки песка под КП вводятся, исходя из следующих соображений. ТД постоянного тока последовательного возбуждения, широко применяемые на ЭПС, имеют такие зависимости частоты вращения якоря от тока возбуждения, у которых в зоне относительно малых нагрузок малому изменению тока соответствует большое изменение частоты вращения, а для зоны больших нагрузок (область насыщения магнитной системы), наоборот, большому изменению нагрузок соответствует малое изменение частоты вращения. Поэтому с введением каналов управления по производным частоты вращения КП и разности между максимальным током ТД ЭПС и средним током ТД тележки (секции), повышается чувствительность защиты и ее быстродействие при работе ТД в любой зоне характеристик.

При срыве в избыточное скольжение последней КП электроподвижного состава, т.е. когда имеет место одновременное боксование (юз) всех КП, за счет поддержания заданного значения силы тяги (торможения) системой автоматического управления ЭПС процесс развития буксования (юза) интенсифицируется, появляется сигнал на выходе блока 17 дифференцирования, пропорциональный ускорению (замедлению) КП с минимальной (максимальной) частотой вращения и обусловленный разностью между силой тяги (торможения) на ободе колеса и силой сцепления. Таким образом, зная ускорение (замедление) КП, через коэффициент пропорциональности - массу вращающихся частей колесно-моторного блока, можно в режимах развития боксования (юза) с различной интенсивностью получать минимально необходимую величину снижения тягового (тормозного) усилия для ликвидации избыточного скольжения КП. Блоком 11 выделяется сигнал, пропорциональный максимальной величине зарегулирования тяговой (тормозной) характеристики. Интегральная величина сигнала производной на выходе блока 12 определяет процесс восстановления тягового (тормозного) усилия до заданного значения. Таким образом, при возникновении синхронного буксования (юза) КП ЭПС с групповой системой автоматического управления устройством из последовательно соединенных блоков 17, 11, 12 и 13 формируется сигнал необходимой величины и длительности для обеспечения автоматической коррекции заданного значения тягового (тормозного) усилия с учетом условий сцепления колес с рельсом.

При синхронном буксовании (юзе) КП осуществляется также импульсная подсыпка песка под КП.

Современный ЭПС разрабатывается с высоким коэффициентом использования сцепного веса. Это обстоятельство, повышая тяговые свойства ЭПС, обусловливает повышенную склонность к синхронным боксованиям (юзу) КП, развитие которых интенсифицируется системой автоматического управления. Согласно известной зависимости с ростом скольжения КП снижается реализуемый коэффициент сцепления. Поскольку сила сцепления прямопропорциональна коэффициенту сцепления, то в рассматриваемых режимах сила тяги (торможения) на автосцепке, приближенно равная сумме реализуемых КП сил сцепления, будет существенно снижаться.

Изобретение позволяет реализовать в среднем по сравнению с использованием других технических решений большие тяговые (тормозные) усилия при работе ЭПС в предельных режимах по сцеплению КП, снизить износ бандажей КП и рельсов, снизить расход песка. Устройством обеспечиваются: быстродействие защиты (выявление процессов боксования по производной частоты вращения КП), что не допускает длительного развития процессов буксования (юза), а значит, и существенного снижения потенциального коэффициента сцепления, силы тяги (торможения) на автосцепке; минимально необходимая величина снижения тягового (тормозного) усилия на ободах колес для ликвидации избыточных скольжений КП, т.к. определяется исходя из известного уравнения движения колесно-моторного блока; минимизация величин снижения тяговых (тормозных) усилий, т. к. избыточные скольжения КП устраняются комплексными мерами - повышением коэффициента сцепления за счет импульсной подсыпки песка под КП и снижением касательной силы тяги на ободе колеса до значений, по сравнении с силой сцепления обеспечивающих восстановление сцепления КП; исключение ложной работы защиты, что предотвращает необоснованный расход песка.

Таким образом, технико-экономическая эффективность изобретения складывается из повышения средней скорости движения составов за счет повышения реализуемой силы тяги (торможения) ЭПС, снижения эксплуатационных расходов на содержание парка ЭПС и ж.д. пути.