Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор существующих систем автоматики и телемеханики и постановка задачи исследования 7
1.1. Сравнительный обзор известных систем ИРДП 7
1.2. Объект и цель исследования 13
1.3. Выводы и заключение 17
2. Принципы информационной и аппаратной реализации систем ИРДП СО . 18
2.1. Исследование системных требований и информационных моделей систем ИРДП СО 18
2.2. Концепция безопасности систем ИРДП СО 24
2.3. Исследование принципов аппаратной реализации систем ИРДП СО 25
2.4. Обобщенный алгоритм функционирования системы 34
2.5. Выводы и заключение 36
3. Исследование безопасных функциональных элементов 37
3.1. Анализ устройства включения исполнительного реле 37
3.2. Исследование селектора импульсов по длительности 47
3.3. Разработка и исследование датчика допуского контроля переменного напряжения 53
4. Исследование и разработка путевого датчика 56
4.1. Основные характеристики и анализ известных путевых датчиков 56
4.2. Анализ системно-структурных характеристик путевого датчика 59
4.3. Исследование характеристик путевого датчика 62
4.4. Выводы и заключение 82
5. Технико-экономический анализ систем ИРДП СО 83 6. Научные основы практической реализации и эксплуатации систем ИРДП СО 97
6.1. Функционально-структурный анализ принципов реализации аппаратуры ИРДП СО 97
6.2. Анализ технологических и эксплуатационных принципов реализации систем ИРДП СО 109
6.3. Выводы и заключение 122
7. Практическое внедрение результатов научной работы 124
Заключение 137
Литература
- Объект и цель исследования
- Концепция безопасности систем ИРДП СО
- Исследование селектора импульсов по длительности
- Анализ системно-структурных характеристик путевого датчика
Введение к работе
Актуальность проблемы. Безопасность движения, экономическая эффективность и пропускная способность железных дорог во многом зависит от рациональности построения систем железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ). В значительной степени это определяется видами систем интер-вального регулирования движением поездов (ИРДП), в качестве которых используются в основном два вида устройств: путевые автоматическая блокиров-1/ ка и полуавтоматическая блокировка.
Значительный вклад в развитие теории и внедрение систем ИРДП внесли известные ученые А.М. Брылеев, Н.Ф. Котляренко, А.В. Шишляков, Н.Ф. Пен-кин, И.Е. Дмитриенко, В.М. Лисенков, Ю.А. Кравцов, Н.В. Лупал, А.С. Переборов, В.В. Сапожников, Вл.В. Сапожников, Д.В. Гавзов, И.В. Беляков, Д.В. Шалягин, Е.Н. Розенберг, B.C. Дмитриев, В.А. Минин и другие.
Автоматическая блокировка (АБ) позволяет достигнуть максимальной пропускной способности участков дорог и требуемой безопасности движения, а также использовать экономически эффективные методы диспетчерского управления, однако её экономическая эффективность практически не зависит от размеров движения поездов. При необходимости изменения количества сигнальных точек на перегонах, что требуется в случае изменения размеров движения, временные и финансовые затраты на монтаж или демонтаж перегонного оборудования неприемлемо велики.
Полуавтоматическая блокировка (ПАБ), наиболее простая в эксплуатации и дешевая по капитальным вложениям, не обеспечивает возможности использования устройств диспетчерской централизации (ДД), что, в конечном итоге, делает её экономически невыгодной. Кроме того, ПАБ в своём традиционном виде не обеспечивает относительно высокой пропускной способности перегонов, что определило её использование только на малодеятельных участках. Уровень безопасности движения при эксплуатации ПАБ невысок, так как
фактическое прибытие поезда на станцию определяется субъективным человеческим фактором, а не объективными техническими средствами.
Таким образом, существующие системы ИРДП обладают рядом недостатков, которые сдерживают улучшение ряда функциональных показателей железнодорожного транспорта. Требуется создание таких систем интервального регулирования, у которых должны сочетаться свойства простоты и дешевизны ПАБ, должного уровня безопасности движения и возможности использования устройств ДЦ. Необходима система с изменяемым при необходимости числом блок-участков, чтобы обеспечивалась непосредственная зависимость эксплуатационных расходов в части затрат на обслуживание её устройств от интенсивности движения поездов.
Отсутствие функциональной гибкости и невысокая экономическая эффективность существующих систем ИРДП определили их определенное отставание по отношению к современным микропроцессорным устройствам ЭЦ и ДЦ. В наиболее значительной степени названные недостатки стали важными в условиях современной рыночной экономики.
Изложенное определяет актуальность темы диссертационной работы и необходимость проведения работ по исследованию и разработке систем ИРДП, сочетающих положительные свойства АБ и ПАБ и устраняющих их недостатки.
Целью работы является создание универсальной системы ИРДП, безопасность и функциональная, и экономическая эффективность которой должны удовлетворять различным размерам движения поездов сети дорог. В работе поставлены и решены следующие основные задачи:
- сравнительный анализ известных систем ИРДП по показателям функ
циональной и экономической эффективности;
.-. разработка принципов построения систем ИРДП с использованием метода счета осей подвижного состава (ИРДП СО) и их функциональных узлов;
- разработка и исследование практической системы устройств контроля
состояния свободности перегона методом счета осей (УКП СО) и её функцио
нальных узлов;
- анализ технико-экономических показателей системы ИРДП СО по от
ношению к известным системам путевой блокировки.
Методы исследования. Теоретической и методологической основой выполненной работы послужили работы ведущих ученых в области устройств ЖАТ и электротехники. При анализе системно-информационных проблем применялись основы теории алгоритмов, теоретико-множественные методы алгебры логики и основные положения теории доказательств безопасности. Использовались также итерационные методы вычислительной математики и классические методы теории электрических цепей.
Экспериментальные исследования с целью проверки'корректности полученных теоретических результатов проводились на опытных и серийных образцах аппаратуры, эксплуатирующейся на Свердловской железной дороге.
Научная новизна.
1. Разработаны основы теории построения систем ИРДП с использовани
ем метода счета осей, которые включают в себя:
исследование основных преимуществ и недостатков существующих систем ИРДП;
научное определение тенденций развития систем ИРДП;
исследование экономических аспектов применения различных видов систем ИРДП;
исследование процессов работы основных функциональных узлов систем ИРДП с использованием метода счета осей.
-
На основании сформулированных направлений развития систем ИРДП и их функциональных узлов завершаются практические разработки путевой блокировки на основе метода счета осей (ПБ СО) и устройств переездной сигнализации (АПС СО). Создано более 20-и оригинальных технических решешш, защищенных авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ.
-
Разработана и в соответствии с государственной "Программой по повышению безопасности движения поездов" и отраслевой "Программой обновления и развития средств ЖАТ " внедряется на сети дорог РФ система УКП
СО. Аппаратура системы успешно прошла установленные сертификационные испытания - на нее получен сертификат соответствия. Практическая ценность.
-
Разработаны наиболее общие структурные принципы построения систем ИРДП с использованием метода счета осей подвижного состава, обеспечивающие высокие технико-экономические показатели этих систем.
-
Разработаны принципиальные основы реализации функциональных узлов систем УКП СО, определены их характерные особенности работы в реальных условиях эксплуатации на сети дорог России и стран-членов СНГ.
-
Предложен ряд эффективных информационно-структуріїьіх, технологических и схемотехнических способов повышения технико-экономических и эксплуатационных показателей системы УКП СО.
4. Полученные результаты позволили создать надежную и удовлетво
ряющую требованиям по обеспечению безопасности движения систему УКП
СО, что подтверждено заключением органа сертификации.
Реализация результатов работы. Научные результаты и выполненные практические разработки используются на сети железных дорог РФ и стран-членов СНГ. По состоянию на июнь месяц 2000г. устройства УКП СО внедрены на 8-й дорогах РФ и Белоруссии. Общее количество перегонов, оборудованных системой - 49 шт. Сертифицированная аппаратура (сертификат соответствия №0099127) выпускается серийно на ГУЛ ПО "Октябрь" и НПО "Уралжел-доравтоматизация" с общим объемом до 90 комплУгод.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научно-технических семинарах кафедры автоматики и телемеханики УЭМИИ-Та (Свердловск, 1981, 1983г.); научно-техническом совете Уральского отделения ВНИИЖТ (Свердловск-Екатеринбург, 1985 - 1999г.); НТК ВНИИЖТ (Москва, 1986г.); областной НТК "Роль молодых ученых и специалистов в ускорении научно-технического прогресса" (Свердловск, 1987); 8-ой и 12-ой Международной школе-семинаре "Перспективные системы управления на железнодорожном транспорте" (Харьков-Алушта, 1995, 1999г.); региональной НТК
"ТРАНССИБ-99" (Новосибирск, 1999); НТС Департамента сигнализации, централизации и блокировки МПС РФ (Москва, 1992 - 2000 г.г.), на ежегодных совещаниях начальников и главных инженеров служб СЦБ сети дорог (1990 -1999 г.г.).
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 43-х статьях, тезисах докладов, научно-технических отчетах и 24-х изобретениях.
Объём работы. Диссертация состоит из введения, семи разделов, заключения, списка использованной литературы (123 наименования) и приложений. Основной текст диссертации 139 страниц, включая 56 рисунков на 35 страницах.
Объект и цель исследования
Разрабатывались и внедрялись системы ПАБ. В некоторых случаях для повышения пропускной способности на перегонах устанавливались полуавтоматические (обслуживаемые) и автоматические блокпосты.
Как отмечалось во введении, большая часть сети дорог России оборудована устройствами АБ, так как именно они обеспечивают максимальную пропускную способность участков и достижение максимальной скорости движения при минимальных межпоездных интервалах. Устройствами ПАБ оборудовались, как правило, малодеятельные участки. Снижение объёмов перевозок вызвало сокращение числа станций, локомотивного и вагонного парков, сокращение объемов путевых работ и т.п., что вызвало относительное снижение эксплуатационных расходов по всему железнодорожному транспорту. Однако это не коснулось устройств АБ в части затрат на содержание ее технических средств.
Перегонные устройства АБ - сигнальные установки и линейные сооружения, состоят из большого количества материалоемких элементов содержащих значительные объёмы дефицитных материалов - обмоточной меди, трансформаторной стали и некоторых драгоценных металлов. К ним относятся путевые дроссель-трансформаторы, различного рода трансформаторы и кабели, выпрямители, реакторы, реле, рельсовые соединители, продольные линии энергоснабжения и др. Например, расход меди на каждую сигнальную установку составляет несколько десятков килограммов. Технологические нормы времени на обслуживание перегонных устройств и нормированный состав обслуживающего персонала практически не предусматривает снижения эксплуатационных расходов при уменьшении размеров движения, что технически вполне оправдано. Сокращение числа станций приводит к ликвидации ЭЦ, но не автоблокировки.
В этих условиях становится целесообразным в зависимости от размеров движения перевод систем ИРДП с АБ на ПАБ. Экономический эффект от этого мероприятия очевиден. Например, при АБ на двухпутном перегоне протяжен 10 ностью 40 км при средней длине блок-участка 2000 м, действует 40 сигнальных установок. При ПАБ сигнальные установки, рельсовые цепи и продольные линии энергоснабжения практически отсутствуют.
В существующих системах АБ, также как и в ЭЦ, основным элементом, осуществляющим контроль наличия поезда на участке пути и обеспечивающим безопасность движения, является рельсовая цепь. В последнее время относительная доля их отказов возросла, и они в значительной степени стали определять надежность работы систем СЦБ [12]. Традиционными методами практически невозможно добиться существенного повышения эксплуатационной надежности рельсовых цепей, что обусловлено принципиальными основами их работы. Известные методы улучшения их работоспособности заключаются в уменьшении их длины путем организации точек "трансляции" на блок-участках, то есть "разрезание" длинных рельсовых цепей на более короткие. Это приводит к увеличению аппаратуры на перегоне в 2... 3 раза. При оборудовании перегона устройствами ПАБ рельсовые цепи не используются, и сопутствующие им проблемы обеспечения надежной работы перегонных устройств СЦБ не возникают.
При замене АБ на ПАБ сокращается использование материалоемкой и дорогостоящей аппаратуры, что влечет снижение эксплуатационных расходов и повышение надежности устройств ИРДП. Очевидно, что при более рациональной организации процесса перевозок число участков дорог, оборудованных устройствами ПАБ, будет увеличиваться за счет сокращения устройств автоблокировки. Так отраслевой Программой обновления и развития средств ЖАТ [5] предусматривается в 2000 - 2004 годах перевод 7600 км АБ на ПАБ, дополненную устройствами счета осей.
Несмотря на явные преимущества, особенно ощутимые при современном экономическом состоянии железнодорожного транспорта, устройства ПАБ в силу ряда причин находят ограниченное применение на сети дорог. Прежде всего, это объясняется отсутствием средств достоверного контроля прибытия поезда на станцию в полном составе. В системах ПАБ контроль прибытия поезда выполняется дежурным по станции (при наличии устройств ЭЦ) и, кроме того, дежурными по стрелочным постам (при ключевой зависимости стрелок и сигналов). При этом возможны ситуации, когда человек не в состоянии достоверно проверить полносоставное прибытие поезда. Между тем, вероятность прибытия поезда на станцию не в полном составе довольно велика. Так, по данным Департамента безопасности движения и экологии МПС России, в 1996 г. на сети дорог зарегистрировано 209 случаев саморасцепа составов и 142 случая обрыва автосцепки. В 1997 г. эти показатели составили соответственно 169 и 97 случаев. Следовательно, существующая технология контроля прибытия поезда при ПАБ, когда решение о полносоставном прибытии поезда на станцию принимается оперативным персоналом станции, не обеспечивает должной безопасности движения.
Другая причина ограниченного использования ПАБ на сети дорог заключается в том, что она не может быть совмещена с устройствами диспетчерской централизации (ДЦ), так как поездной диспетчер не имеет объективной информации о прибытии поезда на станцию в полном составе, и без участия дежурных по станциям он не может управлять движением поездов. Таким образом, основная экономическая цель внедрения ДЦ - сокращение дежурных по станциям, не может быть реализована при ПАБ.
Концепция безопасности систем ИРДП СО
Как следует из (2-2), в приведенной модели рис.2.2 осуществляется проверка достоверности информации, получаемой от каждого из ПД, и при появлении неисправности в одном из них сигнал Xi, на выходе соответствующего СО, будет отсутствовать [33, 34, 63]. Здесь под неисправностью ПД понимается как отсутствие одного из сигналов ИД і или ИДг г, так и несовпадение общего числа импульсов счета осей подвижного состава по этим же сигналам [49, 55].
Вместе с этим, в соответствии с (2-3), если произошел отказ только одного ПД/, то выходной сигнал Y модели будет присутствовать и система останется работоспособной. Здесь сигнал Y соответствует потоку информации ОИг, показанному на информационных моделях рис.2.1.
Таким образом, при отказе одного из путевых датчиков или счетчиков осей система сохраняет способность передавать достоверную информацию о подсчитанном количестве осей подвижного состава.
Информационная модель обмена контрольной информацией (КИ) в системе ИРДП СО не выделена в качестве отдельно рассматриваемого объекта, она реализуется алгоритмическими методами и будет рассмотрена далее.
Принцип принятой организации передачи технологической информации (ТИ) приведен на модели рис.2.3. Устройство встроенного технологического контроля (УВТК) рассчитано на 6 технологических входов от соответствующих датчиков ТД1,.. .ТД6 и реализует логическую функцию ТИ= ТД/, (2-4) і=і а также осуществляет приведение входных сигналов ТД/ к нормированному виду (ТИ) для дальнейшей передачи на тот или иной объект [33, 64, 67, 68, 72-74]. В частности, одним из технологических сигналов ТД/ является информация об отказе путевых датчиков или счетчиков осей из информационной модели рис.2.2. ПД1 ПД2
Информационная модель передачи технологической информации (ТИ) Как показал анализ схемотехнических решений существующей системы УКП СО и более широкого класса устройств ИРДП СО, а также заданные технико-эксплуатационные требования, выбранное количество информационных каналов ТИ: Ыш — 6, вполне достаточно для выполнения практически всех технологических операций по контролю функционирования узлов, элементов и питающих напряжений.
Выполненный анализ [20, 21, 33, 34] показал, что для повышения достоверности получаемых с линейных объектов данных путем введения информационной избыточности требуется обеспечить цикличность передаваемых сообщений и использовать модифицированный код Бауэра, обладающий свойствами самосинхронизации.
Определенные на основе выполненного научного анализа информационные модели рис.2.1, 2.2 и 2.3 показали свою оптимальность, адаптивность к требованиям по обеспечению безопасности движения и послужили практической основой для соответствующей аппаратной реализации внедряемой на сети дорог системы УКП СО. Вместе с этим определено, что эти модели являются универсальными и как унифицированная информационная система могут использоваться в целом ряде систем ИРДП, включая участковые, перегонные и станционные устройства и, кроме того, в устройствах ограждения: переездной, тоннельной и мостовой сигнализаций.
Под концепцией безопасности понимается совокупность положений, в соответствии с которыми осуществляется построение безопасной системы [13, 101]. На основе трех основных стратегий [13,103] и разработанных информационных моделей для систем ИРДП СО принята следующая концепция обес 25 печения безопасности [21, 22]: одиночные дефекты аппаратных и программных средств не должны приводить к опасным отказам и должны обнаруживаться с заданной вероятностью при рабочих и тестовых воздействиях не позднее, чем в системе возникнет второй дефект.
При построении аппаратуры ИРДП СО, с целью реализации выбранной концепции применяется стратегия безопасного поведения совместно со стратегией отказоустойчивости. Если при возникновении отказов система исчерпала резервные возможности и в результате деградации и реконфигурации перестала быть отказоустойчивой, то при появлении ещё одного отказа она должна необратимо перейти в защитное (отключенное от объектов управления) состояние.
Для реализации данной концепции применены следующие методы, которые делятся на: конструктивные, аппаратные, методы обеспечения надёжности программных средств, производственные и эксплуатационные.
Предложенная концепция имеет принципиально-важное значение , поскольку определяет основные принципы обеспечения безопасного функционирования систем ИРДП СО с учетом свойств применяемой элементной базы, средств контроля, информационно- аппаратной структуры и алгоритма работы. На основе нее были установлены критерии опасных отказов для системы УКП СО. Экспертиза и сертификационные испытания аппаратуры системы УКП СО подтвердили правильность и полноту реализации выбранной концепции.
Исследование селектора импульсов по длительности
В системах СПБ, содержащих сопрягающиеся между собой реле и полупроводниковые приборы (в том числе и интегральные микросхемы), проблема безопасного включения реле решается путем использования динамических интерфейсов с несимметричными отказами [13] . Существует несколько схем подобных устройств, определенных к применению соответствующими нормативными документами [103]. Типовая схема одного из них - устройства включения исполнительного реле (УВИР), приведена на рис.3.1. Она используется в том числе и в устройствах УКП СО. В частности, показанное упрощенное на схеме рис.2.4 подключение реле КП, которое является поляризованным и двухобмо-точным, к решающему органу РО выполнено при помощи подобного УВИР.
Анализ работы типовой схемы УВИР, сделанный в работах [14, 101, 103], не дает возможности достаточно полно определить её свойства и препятствует оптимизации системных параметров аппаратуры. Выполненное исследование [50] определяет недостатки схемного решения рис.3.1 и показывает направление оптимизации его характеристик.
Процессы функционирования устройства во временной области могут быть разбиты на два этапа работы, для которых УВИР представляется двумя соответствующими эквивалентными схемами, которые приведены на рис.3.2, 2 и 3.2,6. На первом этапе (схема рис.3.2,а) транзистор VT и диод VT 2 заперты, конденсатор Сі заряжается от источника питания Еп, а ранее заряженный кон і
Эквивалентные схемы УВИР для первого (а) и второго (б) этапов работы денсатор С2 разряжается на обмотку реле ПР (Lv, Rp). Второй этап (схема рис.3.2,б), когда VT открыт, характеризуется разрядом конденсатора С\ на обмотку реле (Zp, Rv) и на конденсатор С2. При этом функции ограничения амплитуды импульсов тока, протекающего через конденсаторы и другие элементы схемы, выполняют резисторы R\ и R2. При анализе работы устройства введем допущения допустим, что падения напряжения на транзисторе и диодах схемы пренебрежимо малы, а величина Lp соответствует индуктивности обмотки реле ПР при непритянутом состоянии его якоря. Так как период частоты колебаний fK импульсной работы устройства значительно меньше постоянных времени, определяющих процессы разряда конденсатора С2 на обмотку реле, то можно принять, что эквивалентное сопротивление нагрузки УВИР выражается: R3Ni« 2%fJLv + Rp.
Достаточно точный и детальный анализ процессов в нестационарном импульсном устройстве, которым является схема УВИР, может быть выполнен на основе использования импульсных функций, определяющих соответствующие экспоненциальные законы изменения токов и напряжений схемы [104]. Однако получаемые при этом результирующие аналитические выводы и выражения достаточно сложны, ненаглядны и малопригодны для инженерной практики. Поэтому допустим, что ввиду относительно высокой частоты /ъ работы устройства изменения напряжения uc(f) на конденсаторах Сі и С2 при наличии ограничивающих сопротивлений (Ri, R2 и Кэъя) носят линейный характер и определяются простым выражением: uc(t) = Ict/C, где на каждом из рассматриваемых этапов времени ток Ic = const.
Вначале, для более наглядного выяснения сущности процессов работы устройства, рассмотрим работу схемы при R\ = R2 = 0. Сделанные при этом выводы используем далее при анализе оптимальности типовой схемы УВИР, приведенной в [103]. Временные диаграммы работы схемы, соответствующие этому допущению, приведены на рис.3.3, где для простоты изображения процессов "Вх-упр."
Временные диаграммы работы УВИР при достаточно малых величинах сопротивлений R] и R2 напряжения на конденсаторах условно показаны одной (положительной) полярностью.
До момента времени /о появления импульса на "Вх.упр." начальные напряжения на конденсаторах Сі и Сі равны: t/cio- = п и С20- = 0. Здесь и далее нижние индексы "-" или "+" определяют предшествующие и последующие моменты времени относительно мгновенных процессов скачкообразного изменения напряжений.
С открыванием транзистора VT импульсом базового тока конденсаторы оказываются включенными параллельно, напряжения на них устанавливаются равными и практически скачком достигают величины
Здесь, в частности, при Сі = С2 будем иметь: /7cio+ = Uc20+ = Еп/2. Отсюда же следует, что с увеличением отношения Сг/С\ напряжения Ucw+ = Ucw+ уменьшаются. С этой точки зрения целесообразным является увеличение емкости С\, так как при Сі » Сг напряжение на реле будет устанавливаться за один шаг работы устройства. Одновременно с этим, следует учитывать, что уменьшение Су приводит к большей степени снижения напряжения на последующих этапах работы схемы. Поэтому с учетом принятых допущений о достаточной малости сопротивлений резисторов R\ и /?2 более рациональным является увеличение емкости конденсатора Сі.
Далее на интервале времени t0 t t\ параллельно включенные конденсаторы Сі и Сг разряжаются на обмотку реле и уменьшение напряжения на них происходит по закону WC2VV С20+ R,Jc,+c2) достигая при t = t\. величины Uc\-{t\) = Ua(t\) = Ucu-= Ua\ (3-2) После запирания VT напряжение на С\ практически скачком увеличивается до значения Ucn+ = Еп и не изменяется на протяжении времени t\+ t t2_.
На последующем этапе времени t\ t t2, когда VT заперт, ток в обмотке реле обеспечивается только конденсатором С2 и напряжение на нём снижается в соответствии с выражением иС2\ &)=uJi--±—), (3-3) V ЛжвЧ) принимая значение Мс2(&-) = UQZI- при t = t2.. Очевидно, что скорость снижения напряжения на этом этапе времени будет больше, так как (Сі + Сг) Сг. В момент времени t = t2 при последующем открывании VT происходит очередное параллельное соединение конденсаторов С\ и С2, однако, в отличие от рассмотренного выше момента времени ґ0, здесь на С2 присутствует начальное напряжение Uc22- В соответствии с этим, напряжение на конденсаторах с и г 1+ С22 с22+ = Ucn+ = Еи L L_ . (3-4) с, Далее работа устройства продолжается аналогично и последующие значения напряжений на конденсаторе Сг всегда больше соответствующих предыдущих: ІІС26- Uc24- Uc22 О ИЛИ: Uc24+ UQ22+ Uc20+- СТЄПЄНЬ уВЄЛИЧЄНИЯ напряжения на конденсаторе С2 зависит от степени его разряда на нагрузку і?3кв на предыдущих интервалах времени.
Процесс установления импульсных напряжений в схеме произойдёт после того как очередное значение напряжения на конденсаторе достигнет величины Uc2i = Еп. Наступает установившийся режим работы устройства и если пренебречь величиной амплитуды пульсаций, то выходное напряжение схемы будет равно Еи.
Анализ системно-структурных характеристик путевого датчика
Путевой датчик (ПД) является основным элементом устройств счета осей, предоставляющим информацию о количестве осей подвижного состава, проследовавших по заданному участку пути. Одновременно с этим, ПД является таким же основным элементом, обеспечивающим условия безопасности движения поездов, при его применении в системах ИРДП СО. Это определяет специфические требования к практической реализации ПД [21, 33-37, 54-56, 59, 103].
Достоверная информация ПД о количестве осей должна обеспечиваться в определенном диапазоне изменений входного управляющего воздействия: скоростей движения поезда, типов подвижного состава, колеса и рельса, а также при наличии введенных технологических настроек и проверок функционирования аппаратуры. Одновременно с этим должны обеспечиваться заданные показатели безотказности, долговечности и ремонтопригодности.
Условия безопасности движения определяют необходимость введения контроля наличия закрепления ПД на рельсе и перехода системы в защитное состояние при отказе любых элементов датчика.
Известно большое количество типов как отечественных, так и зарубежных ПД, отличающихся принципами действия, конструктивной реализацией или схемотехническими решениями [21, 35, 59, 61, 62, 105-112]. Как показал анализ научно-технической и патентной литературы, сравнительному анализу может быть подвергнуто более 260 типов ПД. Технические характеристики наиболее распространенных путевых датчиков отечественного и зарубежного производства приведены в табл.4.1.
Рассмотрим принципиальные основы реализации известных путевых датчиков, учитывая, что подробный сравнительный анализ различных ПД выполнен автором в [21].
Одними из первых путевых датчиков являются механические педали [21, 112], принцип действия которых основан на переключении электрических контактов датчика, вызванном просадкой рельса при въезде колеса подвижного состава в зону действия ПД. Недостатком таких ПД являются принципиально ограниченный диапазон нагрузок на ось и скоростей движения, а также невысокая надежность работы и трудность регулировки, проявляющаяся в наибольшей степени в широком диапазоне температур окружающей среды и использовании тяжелых типов рельсов.
Более совершенными являются отечественные и зарубежные электромагнитные датчики, реагирующие на введение в зону контроля металлической массы колеса и вырабатывающие при этом соответствующий электрический сигнал [21, 31, 59, 105-110]. Они нашли наиболее широкое распространение на железных дорогах для систем ИРДП, устройств горочной автоматики, ПОНАБ, ДИСК и т.п. Конструктивное и схемотехническое их реализация весьма различна. Существуют ПД с постоянными магнитами, автогенераторные схемы, с изменением индуктивности или коэффициента передачи магнитной цепи, с компенсацией магнитных потоков и др. Большая часть подобных датчиков предназначена для специализированного применения в той или иной системе, поэтому они имеют ограниченные технико-эксплуатационные характеристики. Некоторые из них имеют малый диапазон допустимых скоростей движения, другие предназначены для установки только на определенные типы рельсов или являются нетехнологичными при изготовлении или настройке и т.п.
Известны также ПД, в которых чувствительным устройством является пьезоэлемент, датчик Холла или тензометрический мост. Недостатком их явля Таблица 4.1
Масса датчика кГ 5,2 8 2 10,8 18 18 22 ется сложность технической реализации, чувствительность к внешним электромагнитным помехам и ограниченный диапазон температур окружающей среды. За рубежом применяются датчики с радиоактивными излучающими элементами [21,31], которые являются экологически опасными.
Согласно выводам, сделанным автором в [21, 59] по сравнительному анализу отечественных и зарубежных ПД следует, что для ИРДП СО требуется разработка нового датчика, удовлетворяющего требованиям по обеспечению безопасности движения и условиям эксплуатации на железных дорогах России и стран-членов СНГ.
Выводы по сравнительному анализу, сделанные в [21] определили, что наиболее рациональным типом датчика для систем ИРДП СО является электромагнитный, структурная схема которого приведена на рис.4.1 [54-56, 59].
Здесь выходной сигнал генератора G высокой частоты (f= 71,43 кГц) создает в индукторе И ток /и, который, в свою очередь, создает соответствующее переменное магнитное поле Нъх в магнитной системе МС. В магнитную цепь МС входят рельс и колесо, и магнитное сопротивление цепи изменяется в зависимости от наличия или отсутствия колеса, что вызывает соответствующее изменение величины магнитного поля АН = Нвх - НЪЪ1Х. Это обуславливает изменение уровня переменного выходного напряжения ивых выходной катушки ВК на величину Аизых. При этом следует иметь ввиду, что как при наличии, так и при отсутствии колеса, на выходе катушки ВК будет присутствовать напряжение wBbIx0, то есть полное выходное напряжение ПД равно иъых = Ащъж + ивых0.
