устройство обнаружения предельных по сцеплению режимов работы тягового привода рельсового транспорта

Формула изобретения

Устройство для обнаружения предельных по сцеплению режимов работы тягового привода рельсового транспортного средства, содержащее датчик колебаний механической части привода колесной пары, полосовой фильтр, настроенный на информативный частотный диапазон, и цепи формирования уровня сигнала, отличающееся тем, что цепь формирования уровня сигнала выполнена в виде аналого-цифрового преобразователя и подключенных к нему через фильтр блоков формирования эталонного и текущего уровней сигнала и соответствующих им статистических характеристик за малое и большое время реализации режима тяги, при этом выходы блоков формирования уровней соединены с входами блока сравнения, выполняющего функцию порогового устройства и классификации динамических режимов работы тягового привода, причем блок формирования эталонного уровня сигнала подключен к выходу фильтра и к собственному выходу через переключатель, управляемый логическим сигналом с выхода блока сравнения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к рельсовому транспорту, в частности к устройствам обнаружения буксования колес по статистическим характеристикам вибросигнала в механической части тягового привода, свидетельствующим о переходе привода из режима тяги в режим реализации предельного по сцеплению тягового момента с последующим буксованием.

Известны устройства обнаружения буксования колесных пар, принцип действия которых основан на измерении скорости скольжения (избыточного вращения) колесной пары либо непосредственно с помощью устройств, использующих, например, магнитные метки на колесе и рельсе [1], либо путем сравнения скорости ее вращения со скоростями вращения остальных (не буксующих) колесных пар, например по току якоря тягового электродвигателя [2].

Недостатком устройств, отслеживающих скорость скольжения колесной пары, является то, что они срабатывают тогда, когда буксование уже началось (сцепление колес перешло в скольжение, результатом чего является увеличение угловой скорости колесной пары) и, чтобы его прекратить, необходимо восстановить сцепление колеса с рельсом: подать под колеса песок или существенно (на 30-40%) снизить тяговый момент, вращающий колесную пару.

Известно устройство [3] обнаружения буксования и юза по наличию колебаний в механической части привода колесной пары, которое является наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству.

Устройство состоит из двух каналов обнаружения буксования и юза, датчика колебаний механической части привода колесной пары. Первый канал содержит последовательно соединенные первый полосовой фильтр, первый выпрямитель, первый сглаживающий фильтр и первый пороговый элемент. Второй канал содержит последовательно соединенные второй полосовой фильтр, второй выпрямитель, второй сглаживающий фильтр и второй пороговый элемент. Выход датчика связан с входами первого и второго полосовых фильтров. Выходы первого и второго пороговых элементов подключены соответственно к первому и второму входам элемента ИЛИ.

Принцип его работы основан на способности реагировать на динамические процессы в тяговом приводе, характерные только для тех условий, когда колесная пара достигает предела по сцеплению колес с рельсом и затем переходит в режим буксования. При достижении предела по сцеплению происходит изменение структуры системы "колесо-рельс", что приводит к изменению собственных частот и форм колебаний колесной пары и привода.

Для этого состояния в одностороннем тяговом приводе характерно проявление высокочастотной формы колебаний с узлом в оси колесной пары, когда колебания колес происходят с противоположными фазами. Изменяют свою амплитуду и частоту и низкочастотные колебания системы "якорь тягового двигателя - колесная пара".

Настроенные на указанные частоты полосовые фильтры выделяют из общего частотного спектра колебаний только частоты, характерные для переходного состояния привода (от режима тяги к режиму буксования). Процесс колебаний, регистрируемый датчиком, можно достаточно точно считать центрированным, т.е. имеющим нулевую среднюю составляющую, поэтому выпрямление и сглаживание сигнала, применяемое в устройстве [3], формирует некоторый усредненный уровень амплитуды колебаний в выделенном частотном диапазоне. Затем осуществляется сравнение его с заранее заданным уровнем в пороговом устройстве. Логическое устройство обобщает результаты оценки интенсивности колебаний (низкой или высокой частоты) в выделенных частотных диапазонах и вырабатывает оповещающий (или управляющий) сигнал.

Основным недостатком устройства [3] является сравнение уровня интенсивности колебаний в выделенных фильтрами частотных диапазонах с заранее установленным уровнем.

Однако правильно установить уровень срабатывания порогового устройства практически невозможно, так как уровень сравниваемого сигнала может существенно меняться в зависимости от состояния рельсового пути, скорости движения локомотива, технического состояния тягового привода и пр. Неточно установленный уровень срабатывания порогового устройства приводит либо к ложным срабатываниям, либо к недопустимому снижению чувствительности устройства.

В указанных частотных диапазонах присутствуют не только колебания крутильной системы "привод - колесная пара". В них проявляются также гармоники колебаний (вертикальных, поперечных) колесной пары и ходовой части локомотива на упругом пути, зубцовые составляющие колебаний тяговой передачи и пр. Интенсивность крутильных и прочих колебаний различна на различных скоростях движения. Вклад каждой из составляющих в общую интенсивность колебаний даже в ограниченном частотном диапазоне не является постоянным. Их соотношение зависит от ряда непредсказуемых факторов и изменяющихся в широких пределах параметров: состояние пути, износ элементов привода, тяговой передачи и ходовой части, режим нагружения, сезон (от него зависит, например, жесткость пути).

Из-за широкого разброса параметров регистрируемых сигналов результат сравнения их уровня с некоторой заданной однажды постоянной величиной не может считаться достоверным информативным признаком чего-либо вообще, а в частности - начала переходного процесса.

Поэтому достоверность прогноза такого устройства недостаточна, а эффективность его сомнительна.

Второй канал обнаружения высокочастотной формы колебаний устройства [3] не несет дополнительной информации о динамических режимах двусторонних тяговых приводов, которыми оснащены все грузовые электровозы бывшего СССР и России. По результатам динамических расчетов в двустороннем тяговом приводе даже при уже развившемся процессе буксования высокочастотная форма колебаний с узлом в оси колесной пары невозможна, ее отсутствие многократно подтверждено экспериментально.

Изобретением решается задача повышения достоверности информации о наступлении предельных по условиям сцепления режимов работы тягового привода для обеспечения устойчивой реализации максимальных тяговых качеств локомотива и раннего обнаружения и предупреждения буксования колесных пар.

Это достигается тем, что в устройстве обнаружения предельных по сцеплению режимом работы тягового привода рельсового транспорта, содержащем датчик колебаний механической части привода колесной пиры, полосовой фильтр, настроенный на информативный частотный диапазон, согласно изобретения функцию выпрямления и сглаживания сигнала с датчика колебаний выполняют аналого-цифровой преобразователь и блоки формирования признаков текущего режима и устойчивого режима тяги, представляющие собой соответственно статистические характеристики сигнала за малое и большое время его реализации. Функцию порогового устройства выполняет блок сравнения, в котором сравниваются статистические характеристики текущего режима и устойчивого режима тяги, и по результату сравнения классифицируется текущий режим работы привода. Вход блока формирования статистических характеристик устойчивого режима тяги подключен к выходу полосового фильтра и к собственному выходу через переключатель, управляемый логическим сигналом с выхода блока сравнения.

Таким образом, заявляемое устройство адаптируется к условиям эксплуатации, постоянно формируя и запоминая характерные параметры устойчивого режима тяги и принимая их за эталонные, сравнивает с ними параметры процесса, протекающего в данный момент. По степени отклонения параметров текущего режима от параметров, соответствующих устойчивому режиму тяги, в блоке сравнения вырабатывается сигнал, свидетельствующий о переходе от режима тяги к режиму буксования.

На фиг. 1 представлена схема устройства, на фиг. 2 - временная диаграмма сигналов, формируемых блоками.

Устройство состоит из датчика вибросигнала 1, установленного на механической части привода колесной пары, аналого-цифрового преобразователя 2, полосового фильтра 3, блока формирования уровня текущего сигнала 4, блока формирования уровня эталонного сигнала 5, блока сравнения уровней сигнала и классификации динамических режимов работы привода 6, управляемого переключателя 7.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал с датчика 1 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 2, где происходит его преобразование в цифровой временной ряд, который поступает на вход полосового фильтра 3. После фильтрации сигнал содержит информацию о процессах, протекающих только в определенном частотном диапазоне, в котором их характерные свойства проявляются наиболее ярко. С выхода полосового фильтра сигнал поступает на вход блока 4 и через логический переключатель 7 на вход блока 5. В блоке 4 формируется уровень сигнала, соответствующий текущему динамическому режиму, S_t - статистические характеристики временного ряда, вычисляемые за малый промежуток времени. В блоке 5 формируются эталонный уровень сигнала S_e - статистические характеристики временного ряда, вычисленные за длительный промежуток времени. Таким образом, параметр S_t практически повторяет изменение интенсивности колебательного процесса в приводе, а параметр S_e изменяется медленно, оставаясь почти постоянным и равным некоторой средней величине, соответствующей стационарному тяговому режиму.

С увеличением, например, скорости движения локомотива или с ухудшением состояния пути интенсивность колебаний в приводе возрастает, что приводит к возрастанию параметров S_e и S_t, но их отношение остается постоянным до тех пор, пока в приводе не возникнет нестационарный (переходный) процесс, приводящий к резкому изменению интенсивности колебаний.

В момент отклонения от стационарного режима параметр S_t быстро изменяется (увеличивается), а параметр S_e, реагирующий на резкие изменения с существенным запаздыванием, еще некоторое время сохраняет значение, мало отличающееся от своего прежнего значения, соответствовавшего стационарному режиму.

Блок 6 классифицирует режим работы привода по величине q = _t/(kS_e), где k - постоянный коэффициент, определяющий чувствительность устройства и устанавливаемый при его регулировке (k > 1).

Если q < 1, то имеет место устойчивый режим тяги (или выбега).

Если q 1, то начался переходный режим или режим буксования.

Изменение от времени величин S_t и kS_e, а также сигнала на выходе блока 6 - L(q) показаны на фиг. 2.

До момента времени a привод находился в режиме тяги - L(q) = 0. С момента времени a начался переходный процесс, сопровождающийся ростом величины S_t. Величина kS_t при этом практически не изменяется. В момент времени b выполняется условие q 1 и срабатывает блок 6 - L(q) = 1. Управляемый логическим сигналом блока 6 переключатель 7 отключает вход блока 5 от выхода полосового фильтра 3 и соединяет между собой вход и выход блока 5. Величина S_e циркулирует в блоке 5, сохраняя свой средний уровень, и стремится к постоянной величине, соответствующей предыдущему режиму тяги. С момента времени b по сигналу блока 6 включаются противобуксовочные системы локомотива: снижается тяговый момент или подается песок. Переходный процесс прекращается и величина S_t снижается. В момент времени с выполнятся условие q < 1, срабатывает блок 6, переключатель 7 подключает вход блока 5 к источнику реального сигнала - к выходу полосового фильтра 3. Таким образом устройство снова готово к работе по своему назначению.

Основное преимущество заявляемого устройства по сравнению с устройством [3] состоит в том, что оно способно адаптироваться к условиям эксплуатации за счет того, что медленное изменение интенсивности колебаний привода под воздействием объективных факторов (скорость движения, износ ходовой части локомотива, сезон и пр.) изменяет одновременно и величину kS_e, и величину S_t, но не изменяет их отношения в условиях устойчивого режима тяги, сохраняя при этом чувствительность к переходным неустойчивым режимам. Этим достигается высокая точность прогноза и достоверность раннего обнаружения переходных режимов и режимов буксования.

Применение цифровой обработки сигналов увеличивает преимущества заявляемого устройства по сравнению с устройством [3] за счет возможности изменения и усовершенствования алгоритма обработки сигналов.

Кроме того, применение многоканального аналого-цифрового преобразователя и быстродействующего процессора позволяет в одном электронном блоке практически реализовать сразу несколько (по числу колесных пар одной секции локомотива) заявляемых устройств.

Такой подход делает заявляемое устройство дешевле и, учитывая высокое качество работы и возможности современных микропроцессоров, надежнее, чем устройство [3].

Источники информации

1. Справочник по электроподвижному составу, тепловозам и дизель-поездам. Под общ. ред. А.И.Тищенко. Т. II. М., "Транспорт", 1976, 376 с.

2. Измерение проскальзывания колеса для автоматического регулирования тягового и тормозного усилия. Экспресс-информация ВИНТИ, Локомотивостроение и вагоностроение, N 36, 1969. Москва.

3. Патент на изобретение N 2071197 (Российская Федерация). Устройство обнаружения буксования и юза колес реального транспортного средства. /Павленко А.П., Павленко А.А. и др./ Опубл. Бюл. изобр. N 6, 1997.