Содержание к диссертации
Введение
1 Разработка структуры программного уровня координатной системы интервального регулирования 11
1.1 Формулировка задач программного уровня координатной системы ИР 11
1.2 Разработка структуры программного уровня управления 13
1.3 Анализ существующих математических моделей ИР движения поездов 18
1.4 Способы уточнения существующих математических моделей движения поезда 20
1.5 Анализ задач, решение которых необходимо для определения минимального межпоездного интервала при координатном способе регулирования движения 20
1.6 Основные результаты и выводы по главе 22
2 Разработка математической модели движения поезда 23
2.1 Разработка методики определения удельной тормозной силы поезда... 23
2.1.1 Определение действительных сил нажатия тормозных колодок экипажей 24
2.1.1.1 Определение давления в тормозных цилиндрах при электропневматическом торможении 30
2.1.1.2 Определение давления в тормозных цилиндрах при пневматическом торможении 32
2.1.2 Определение удельной тормозной силы поезда 37
2.2 Определение величины удельного основного сопротивления движению поезда 41
2.3 Разработка методики определения величины удельного дополнительного сопротивления движению поезда з
2.3.1 Анализ математических моделей, учитывающих распределение массы поезда 45
2.3.2 Разработка методики аналитического представления пути 2.3.2.1 Основные понятия сплайн-функций 48
2.3.2.2 Построение и оценка адекватности сплайновой модели 51
2.3.2.3 Аналитическое представление плана пути
2.3.3 Определение величины удельного дополнительного сопротивления движению поезда при аналитическом представлении пути 59
2.3.4 Разработка методики аналитического представления функции распределения удельных масс экипажей вдоль длины поезда 62
2.3.5 Определение текущей координаты локомотива относительно системы координат, связанной с профилем пути 2.4 Определение расчетных параметров движения поезда 76
2.5 Основные результаты и выводы по главе 77
3 Разработка методик определения и учета действи тельных тормозных характеристик поезда и абсолютных отклонений расчетных параметров движения 79
3.1 Разработка методики определения и учета действительных тормозных характеристик поезда 79
3.1.1 Анализ существующих способов определения действительных тормозных параметров поезда 79
3.1.2 Методика определения действительных тормозных параметров поезда 82
3.1.3 Учет действительных тормозных характеристик поезда при использовании в модели методики определения тормозной силы, основанной на учете параметров отдельных экипажей 92
3.2 Разработка методики оценки абсолютных отклонений расчетных параметров движения поезда 94
3.2.1 Определение абсолютных отклонений расчетных параметров движе ния поезда, обусловленных погрешностью математической модели... 94
3.2.1.1 Определение абсолютного отклонения величины удельного основного сопротивления движению поезда 95
3.2.1.2 Определение абсолютного отклонения величины тормозной силы поезда 99
3.2.1.3 Определение абсолютного отклонения величины удельного дополнительного сопротивления движению поезда 104
3.2.1.4 Определение абсолютных отклонений пройденного пути и текущей скорости движения поезда 105
3.2.2 Отклонения расчетных параметров движения поезда, обусловленные погрешностями численных методов и вычислений на ЭВМ 106
3.3 Основные результаты и выводы по главе 109
4 Определение величины минимально-допустимого интервала следования попутных поездов при координатном способе регулирования движения
4.1 Анализ способов интервального регулирования движения поездов 110
4.2 Определение величины минимально-допустимого интервала следования попутных поездов при регулировании на хвост впередиидущего поезда 114
4.2.1 Определение величины интервала безопасности 123
4.2.1.1 Методика выбора «работоспособных» и «неработоспособных» экипажей в составе поезда 135
4.3 Основные результаты и выводы по главе 139
5 Разработка методик прогнозирования и предотвращения аварийных режимов движения поезда 140
5.1 Разработка методики прогнозирования и предотвращения аварийных режимов движения поезда, связанных с возможным массовым юзом
колесных пар вагонов 140
5.1.1 Оценка вероятности появления юза колесных пар вагонов на основе детерминированных эмпирических зависимостей 144
5.1.2 Использование теоретико-вероятностных методов исследования вопроса сцепления колесных пар вагонов с рельсами 147
ф 5.2 Разработка методики прогнозирования и предотвращения аварийных
режимов движения поезда, связанных с превышением предельно допустимой продольной квазистатической силы в его сечениях 151
5.2.1 Алгоритм выявления опасных режимов движения поезда 156
5.3 Основные результаты и выводы по главе 163
Заключение 164
Список использованных источников
- Анализ существующих математических моделей ИР движения поездов
- Определение давления в тормозных цилиндрах при электропневматическом торможении
- Анализ существующих способов определения действительных тормозных параметров поезда
- Определение величины минимально-допустимого интервала следования попутных поездов при регулировании на хвост впередиидущего поезда
Введение к работе
з
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Оснащенность железных дорог средствами автоматики и телемеханики (СЖАТ) является одним из определяющих факторов обеспечения безопасности движения, пропускной способности и эффективности управления перевозочным процессом.
Насущной проблемой развития СЖАТ является сокращение эксплуатационных затрат и повышение уровня безопасности движения.
В последние годы наблюдается стабильный рост объема перевозок. По прогнозам специалистов потребности в транспортировке продукции будут возрастать и далее. Между тем запас по пропускной способности линий фактически исчерпан. Поэтому, важнейшей задачей железнодорожного транспорта в ближайшее время станет повышение провозной и пропускной способности.
Повышение провозной способности железнодорожного транспорта можно достичь за счет: увеличения средней скорости движения поездов, строительства дополнительных путей, увеличения длины и веса грузовых поездов, сокращения межпоездных интервалов, организационных мероприятий. Для увеличения средней скорости движения поездов необходимо повышение качества содержания пути и подвижного состава, кроме того, потребуется реконструкция отдельных участков пути. Указанные мероприятия, включая строительство дополнительных путей, являются долгосрочными и приведут к существенным материальным затратам. Увеличение длины и веса грузовых поездов приводит к росту числа аварийных ситуаций.
Наиболее эффективным способом повышения провозной способности является сокращение межпоездных интервалов в совокупности с проведением ряда организационных мероприятий.
Существенного сокращения межпоездных интервалов можно достичь только за счет реализации координатного принципа интервального регулирования (ИР). Тенденция развития координатных систем ИР показывает, что наиболее эффективным средством передачи информации между поездами и центром управления является цифровой радиоканал связи.
Применение цифрового радиоканала связи при реализации координатного принципа ИР позволяет не только сократить интервалы попутного следования поездов, но и минимизировать объем напольного оборудования.
Следует отметить, что принципы построения координатной системы ИР с использованием радиоканала связи были заложены советскими учеными еще в 60-х годах. Значительный вклад в развитие системы внесли известные ученые: Волков АА.,
Брылеев AM., Дмитренко И.Е., Кравцов ЮА, Лисенков В.М., Пугин Д.К. и др. Однако, уровень технических средств, несмотря на огромные усилия ученых и инженеров, не позволил в то время реализовать систему, удовлетворяющую требованиям безопасности движения.
Создание координатной системы ИР с использованием радиоканала связи является сложной технической и наукоемкой задачей, требующей комплексного решения как в области реализации надежного радиоканала связи, аппаратных и программных средств, так и в области организации движения.
Работы по решению отдельных технических вопросов в настоящее время ведутся специалистами научных организаций и транспортных ВУЗов в основном в рамках создания единой комплексной системы управления и обеспечения безопасности движения на тяговом подвижном составе, включающей локомотивные устройства КЛУБ-У, САУТ-ЦМ, ТСКБМ - телемеханическую систему бдительности, УСАВП - систему автоматического ведения поезда. Значительный вклад в развитие современных бортовых устройств для систем ИР внесли известные ученые нашей страны: ШалягинД.В., РозенбергЕ.Н., Головин В.И. и др.
Однако, для реализации координатной системы ИР не менее важным является создание программного уровня управления (ПУ), отвечающего за обработку полученной с поездов информации и формирование команд для безопасного регулирования ихдвижения.
При координатном способе ИР, полученные на основе математических моделей программы и алгоритмы, должны гарантированно обеспечивать безопасность следования поездов с минимальными интервалами.
Указанное обстоятельство подтверждает необходимость проведения комплекса исследований в области методологии обеспечения безопасности и организации движения поездов посредством уточнения существующих и разработки новых математических моделей движения поезда применительно к специфике координатного способа ИР.
Конечные результаты исследований направлены на решение задачи по определению величины минимально-допустимого интервала следования попутных поездов, обеспечивающего при координатном способе регулирования требуемые безопасность движения и пропускную способность линий.
Таким образом, тема диссертационной работы является актуальной, отвечает задачам проекта по созданию многоуровневой системы обеспечения безопасности движения, поэтапно реализуемого в настоящее время на железнодорожном транспорте.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Цель реферируемой работы состоит в разработке математического обеспечения основных блоков ПУ координатной системы ИР, обеспечивающих прогнозирование процесса движения поезда в режиме выбега и торможения и определение величины минимально-допустимого интервала следования попутных поездов.
Поставленная цель выявила необходимость решения следующих задач:
— уточнения математических моделей, описывающих переходный процесс тормо
жения поезда;
аналитического представления геометрии железнодорожного пути;
учета неоднородности распределения массы вдоль длины поезда при определении силы дополнительного сопротивления движению от уклонов и кривых;
уточнения методики определения и учета действительных тормозных характеристик поезда;
— определения и учета абсолютных отклонений расчетных параметров движения поезда;
определения интервала безопасности на основе вероятностной и количественной оценки изменения тормозной эффективности поезда в процессе его движения;
разработки методик прогнозирования и предотвращения аварийных режимов движения поезда, связанных с возможным массовым юзом колесных пар вагонов и превышением предельно-допустимой продольной квазистатической силы в его сечениях.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Использованы математические методы полиномиальной интерполяции, интерполяционных сплайнов, статистической обработки неоднородных совокупностей, численного анализа и обработки результатов опыта, теории вероятностей и теории надежности.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В диссертации разработаны: 1. Математическая модель движения поезда, позволяющая при определении расчетных параметров движения в различных режимах учесть:
влияние скорости распространения тормозной волны и скорости распространения установившихся нажатий тормозных колодок вдоль длины поезда;
параметры отдельных экипажей поезда;
неоднородность распределения массы вдоль длины поезда при определении силы дополнительного сопротивления движению от уклонов и кривых;
более точно влияние геометрии железнодорожного пути;
упростить процесс вычислений за счет сокращения количества вычислительных операций.
2. Методика определения минимально-допустимого интервала следования попутных поездов при координатном способе интервального регулирования движения.
Основные результаты теоретических исследований в виде совокупности математических моделей и методик определения расчетных параметров движения поезда являются основой для построения вычислительных алгоритмов и разработки прикладного программного обеспечения координатных систем интервального регулирования движения поездов.
Разработанные математические модели и методики могут быть также использованы:
- при создании программного обеспечения многоуровневой системы обеспечения
безопасности движения, включающей локомотивные устройства КЛУБ-У, САУТ-
ЦМ,ТСКБМ,УСАВП;
— при проектировании и реконструкции участков пути.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертации доложены на международной конференции «Высшее профессиональное заочное образование на железнодорожном транспорте: настоящее и будущее» (Москва, 2001), на научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития транспортных систем и строительного комплекса» (Гомель, 2003), на научно-практической конференции «Инновации в эксплуатации и развитии инфраструктуры железнодорожного транспорта» (Щербинка, 2004), на заседаниях кафедры «Автоматика и телемеханика на ж.д. транспорте» РГОТУПС (2001-2004 г.г).
РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Отдельные положения диссертации и теоретические результаты работы использованы в проектно-изыскательском институте «За-байкалжелдорпроект» ОАО «РЖД» для экспериментально-проверочных вычислений при проектировании участков пути Забайкальской железной дороги.
В настоящее время разработанные модели и методики расчета приняты ВНИИАС МПС России для использования в вычислительных алгоритмах устройств многоуровневой системы управления и обеспечения безопасности движения поездов и находятся в стадии внедрения.
Результаты работы также внедрены в учебный процесс. Разработанные модели и методики расчета используются в лекционном курсе «Эксплуатационные основы железнодорожной автоматики и телемеханики» для студентов специальности «Автоматика, телемеханика и связь на ж.д. транспорте».
ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников, приложений. Объем диссертации 228 стр., включая 144 стр. текста, 27 стр. рисунков, 57 стр. приложений. Список использованной литературы насчитывает 65 наименований.
Анализ существующих математических моделей ИР движения поездов
В работе [15] представлена модель, позволяющая произвести имитацию движения потока поездов с учетом графика движения, обеспечения энергетически оптимальной траектории и рядом других факторов. Модель осуществляет построение планового графика движения, определяет запас графикого времени движения поездов на участке, а также позволяет решать ряд сравнительных и оптимизационных задач. Быстродействие модели позволяет использовать ее в реальном масштабе времени. Однако, из-за использования стандартных математических моделей, описывающих процесс движения поезда и отсутствия обратной связи с объектом управления (поездом), модель остается чисто имитационной.
При координатном способе ИР, полученные на основе математических моделей программы и алгоритмы, должны гарантированно обеспечивать безопасность следования поездов с минимальными интервалами. От точности определения расчетных параметров движения поездов будет также зависеть точность выходных параметров вспомогательных блоков ПУ.
Таким образом, в первую очередь, дальнейшей разработке и исследованию должны подлежать один из основных блоков ПУ - модель движения поезда МДП совместно с алгоритмом АТР, а также алгоритм определения минимально-допустимого интервала следования поездов. Важность разработки алгоритма АМДИ связана со спецификой координатного способа регулирования.
Следует отметить, что вопросы, связанные с проработкой алгоритма тяговых расчетов в данной работе рассматриваться не будут. Математическое описание процесса торможения поезда является наиболее сложной задачей. Кроме того, безопасность движения и пропускная способность линий при координатном способе регулирования зависят от величины минимально-допустимого интервала следования попутных поездов, определение которого будет осуществляться на основе значений тормозных путей поездов. Проанализируем те задачи, которые необходимо решить для уточнения существующих математических моделей движения поезда, а также определения минимально-допустимого по условиям безопасности интервала следования попутных поездов при координатном способе регулирования движения.
Для осуществления остановки поезда с точностью до 10-20 м при тормозном пути 800 м и более, необходимо точно учесть переходные процессы, происходящие при торможении поезда, так как отклонения тормозного пути во многом определяются отклонениями от расчетных значений фактической и программной скоростей в начальной фазе торможения [17].
Формирование грузовых составов осуществляется, как правило, из различного типа экипажей, с различной загрузкой. Несмотря на то, что экипажи оснащены устройствами, позволяющими частично учесть и устранить данный факт, в составе поезда их торможение осуществляется с различной эффективностью. В связи с этим, определение расчетной траектории движения поезда должно осуществляться с учетом параметров отдельных экипажей.
Реальные тормозные характеристики, сопротивление движению каждого конкретного поезда отличаются от расчетных значений. Вызвано это разбросом параметров тормозных устройств вагонов, изменением условий окружающей среды. Определение и учет реальных тормозных характеристик поездов позволит еще в большей степени уточнить их расчетные траектории движения.
Для уточнения математических моделей движения встает необходимость более полного учета сил, возникающих вследствие перемещений отдельных частей поезда по различным элементам профиля и плана пути [17].
Анализ задач, решение которых необходимо для определения минимального межпоездного интервала при координатном способе регулирования движения
При координатном способе ИР особое значение приобретает оценка и учет возможных отклонений расчетных параметров движения поезда от действительных значений. Отклонение расчетных параметров движения регулируемого поезда может привести к нарушению безопасности движения [17]. Определение величины минимально-допустимого интервала следования попутных поездов должно осуществляться с учетом вероятности отказов тормозного оборудования регулируемого поезда во время его движения по перегону.
Величина пути, проходимого поездом при торможении, зависит от величины силы сцепления, возникающей между колесами экипажей и рельсами. На железных дорогах России нередки случаи образования ползунов (лысок) на колесах локомотивов и вагонов. Это свидетельствует о возникающих при торможении поезда случаях заклинивания колесных пар экипажей. Наличие в поезде многих скользящих колесных пар может привести к существенному увеличению его тормозного пути и как следствие нарушению безопасности движения. Количественная оценка вероятности возникновения юза колесных пар вагонов в режиме торможения позволит: - прогнозировать и исключать режимы торможения поезда, приводящие к массовому юзу колесных пар экипажей; - в случае применения аварийных режимов торможения с определенной точностью определять величины тормозных путей движущихся поездов.
Это приведет к повышению безопасности движения поездов, а также снижению эксплутационных затрат на диагностику и ремонт колесных пар экипажей и верхнего строения пути.
На железных дорогах России ежегодно происходит несколько десятков случаев выжимания порожних вагонов в организованных поездах [18]. Основной причиной появления подобного рода аварийных ситуаций является превышение предельно-допустимых сжимающих квазистатических усилий в автосцепках экипажей. Продольные сжимающие силы в поезде действуют во время начального периода торможения и при движении по вогнутому участку профиля пути. Соблюдение допускаемых значений продольных сжимающих сил в поезде, существенно уменьшает вероятность появления аварийных ситуаций.
Использование методов математического моделирования позволит выявить и исключить режимы движения поезда, приводящие к превышению продольных усилий в его сечениях. Это приведет к повышению безопасности движения поездов, а также значительному снижению затрат на ликвидацию последствий аварий.
Определение давления в тормозных цилиндрах при электропневматическом торможении
С учетом найденных значений удельных масс частей поезда рк при условии задания профиля пути в аналитическом виде (в виде сплайна S(х)), величина удельного дополнительного сопротивления движению поезда (Н/кН) может быть определена как [34]: хл -текущая координата головы локомотива относительно системы координат, связанной с профилем пути. N - число экипажей в поезде. Проведенная в прил. П.4, Т.2 проверка показала, что абсолютное отклонение расчетных траекторий движения поезда при определении величины coi+r с использованием функции myd=f(ln) и значений масс отдельных вагонов крайне мало. При этом количество вычислений при определении величины coi+r с использованием функции туд = f(ln), по сравнению с методикой, основанной на учете параметров отдельных вагонов, существенно сокращается.
В итоге можно отметить, что совместное использование аналитических функций железнодорожного пути и распределения удельных масс экипажей вдоль длины поезда, позволяет при определении силы дополнительного сопротивления: - более точно учесть влияние геометрии железнодорожного пути; - учесть распределение массы вдоль длины поезда; - оптимизировать процесс вычислений.
Стоит сказать несколько слов о длине частей поезда, в которых при определении его однородности (или неоднородности), а также при задании функции т д- f(ln) будет производиться усреднение масс вагонов. Данная величина должна быть определена опытным путем в зависимости от требуемой точности расчетной траектории движения поезда. Предлагается длину усредняемых по массе частей поезда выбирать в пределах ПО- -170 м (8-П2 четырехосных вагонов длиной 14 м), т.к. усреднение масс менее шести экипажей приведет к усложнению методики и потере свойства усреднения.
Ранее отмечалось, что деление поезда на п «равных» частей необходимо осуществлять откладыванием отрезка определенной длины от головы поезда и последующим округлением полученных частей до ближайшего целого четного числа экипажей.
С учетом преобладания в грузовых поездах четырехосных вагонов одинаковой длины деление состава на п «равных» частей может быть осуществлено по числу вагонов. Алгоритм деления поезда на п «равных» частей, представлен нарис. 2.13.
В начале алгоритма производится определение числа экипажей N в поезде. Если N меньше или равно 12, то поезд на части не делится и функция туд = f(ln) представляется как значение удельной массы всех экипажей поезда. В обратном случае с помощью перебора числа экипажей в одной части (8, 10, 12) производится попытка деления поезда на целое число частей: где (w()-число частей поезда при соответствующем значении /, округленное до ближайшего целого значения. число частей поезда и количество экипажей в каждой части определяется в соответствии с выполнением условия:
При этом последняя часть поезда рп будет состоять из нечетного числа вагонов. l Начало j r2 Определение числа экипажей в поезде N (jit) = Round( щ) n = l,kk=N нет кк=8 + і n = (nisj;kk =8 + / І конец J Рис. 2.13 Алгоритм деления поезда на п «равных» частей 2.3.5 Определение текущей координаты локомотива относительно системы координат, связанной с профилем пути При интегрировании основного уравнения движения поезда (2.1) для определения величины coi+r необходимо в каждый заданный момент времени движения знать значение текущей координаты головы локомотива хл относительно системы координат, связанной с профилем пути. Значение координаты хл можно определить следующим образом. Допустим, перемещение поезда за дискретный интервал времени At составило AS (см. рис. 2.9). Длину кривой можно представить в виде известного выражения [36]: где хл+1 -значение координаты локомотива относительно системы координат, связанной с профилем пути после перемещения поезда на величину AS; S3(х)-участок пути, представленный в виде сплайна третьей степени.
Из выражения (2.83) при известном значении хл можно найти значение координаты локомотива хл+1 после перемещения поезда.
Однако, выражение (2.83) сложно в плане интегрирования. Дискретность времени интегрирования уравнения движения поезда, будет составлять Аґ 1с. При движении со скоростью 100 км/ч, поезд проходит за 1 с около 30 м. На такой длине участка пути значение уклона изменяется незначительно. С учетом этого задача определения текущей координаты локомотива может быть решена следующим образом (см. рис. 2.14).
При переходном процессе торможения поезда удельная тормозная сила Ът является функцией времени и скорости движения. Функцией скорости является также величина й)0. Величина удельного дополнительного сопротивления движению й)і+г является функцией пути. В связи с этим интегрирование основного уравнения движения (2.1) будем осуществлять по дискретным значениям времени, определяя на каждом шаге значения пройденного пути и скорости движения поезда.
Выражения (2.89), (2.90) получены из допущения постоянства сил, действующих на поезд в течение промежутка времени At.
Определение начальных параметров движения поезда: начальной скорости движения VQ И координаты местоположения локомотива хл при работе
программного уровня в режиме управления осуществляется на основе данных измерений бортовой аппаратуры локомотива.
При установившемся процессе торможения поезда тормозная сила является только функцией скорости. В этом случае интегрирование уравнения движения поезда можно производить по дискретным интервалам скорости. Однако, поскольку величина удельного дополнительного сопротивления движению coi+r является функцией пути, то целесообразно определение расчетных параметров движения поезда осуществлять, как и при переходном процессе, по дискретным значениям времени.
Путь, пройденный поездом за время t, определяется как сумма значений AS, определенных на каждом шаге интегрирования основного уравнения движения: t/At S(t)= ZAS. (2.91) Следует отметить, что при интегрировании основного уравнения движения поезда по дискретным значениям времени необходимо осуществлять проверку текущей скорости движения поезда. В случае равенства скорости движения нулю вычисления должны быть прерваны с фиксацией полученного значения пройденного пути.
Анализ существующих способов определения действительных тормозных параметров поезда
В соответствии со схемами, представленными на рис. 4.5, 4.6 определим величину минимального интервала сближения пары поездов. Максимальное значение времени с момента измерения параметров движения поезда IJj до момента измерения параметров движения поезда Я .+7 составит: где t0,n)-время передачи ответной посылки с поезда Я ; t3(K) -время передачи запроса поезду Я;+;; іф -время формирования ответной посылки измерительной и приемопередающей аппаратурой локомотива поезда Я;+7. За время tfm поезд Я;+; относительно фиксированной координаты местоположения хвоста поезда Я может переместиться на некоторое расстояние Максимальное значение времени с момента измерения параметров движения поезда Я +; до исполнения системой управления этого поезда команды, поступившей из центра управления, составит: С ={іо(п)+Ік(3)Ут + обр + р. (4-7) где to(n) -время передачи ответной посылки с поезда Я .+7; t3(K) -время передачи команды управления поезду nj+]. SJ+iOL) Axj vj x 1 rf - ъ ( l цикл J4 яг +ДУГ + Расположение поездов в момент определения параметров движения поезда П
Схема образования действительного минимального интервала следования попутных поездов при регулировании на хвост впередиидущего поезда
За время t% поезд Яу+; относительно фиксированной координаты местоположения хвоста поезда Я;- может переместиться еще на некоторое расстояние sj+l(C ) Максимальное значение времени до получения поездом Я -+/ следующей управляющей команды с учетом времени реакции системы управления составит [51]: В случае аварийной ситуации, связанной с поездами Я,, Я,+; или центром управления, поезд Я +7 по истечении времени іцикЛ совершит торможение на оптимальной относительно безопасности движения ступени. При этом он должен остановиться напротив координаты хвоста поезда Я,, зафиксированной в момент измерения параметров движения этого поезда при предыдущем опросе.
Таким образом, фактическое расстояние между фиксированной координатой хвоста поезда Я. и координатой головы поезда Я -+; в момент измерения параметров движения поезда Я -+;, должно быть не менее величины [51]: SM =SJ+l(t m )+Sjj )+Sj+l(tliUKJI)+S max, (4.9) где Sj+l(tmKJl )-путь, пройденный поездом IJj+1 за время tmKJl -цикла опроса всех поездов, находящихся в зоне действия данного центра управления. При обработке полученных с поездов IJj и П -+1 данных и формировании команды управления дальнейшего движения поезда Я -+/ необходимо учитывать «действительное» значение времени t n (см. 4.7): 4 = W "V. + обР +tK(3)-m + tp (4Л) где шд, -действительное число запросов поезда Я-+1. Значение пути Sj+i(tf ) в силу малости времени t" может быть определено как: где Vj+l,aj+l -значения скорости и ускорения движения поезда Я;+1 в момент определения параметров его движения. Значение Sj+\(t ) должно быть определено с учетом режима движения поезда и изменения сил сопротивления, действующих на поезд в течение времени ґцикд. Определение величины Sj+\(t4UKJl) при формировании команды управления необходимо осуществлять при начальных параметрах движения поезда П]+1: " V.„=Vi«+ai rt{, (4.12) где х :+1 -координата головы поезда Я +1 в момент определения параметров его движения; Axj+l -абсолютное отклонение текущей координаты местоположения локомотива поезда IJj+l.
Определение величин Sjnm и kSjnm необходимо осуществлять при значении начальной координаты возможного торможения поезда х0:
Значение скорости движения поезда Я;+1 при прохождении им координаты х0 (см. рис. 4.6) должно быть определено с учетом режима движения поезда и изменения сил сопротивления, действующих на поезд в течение времени t .
При регулировании на хвост впередиидущего поезда, отклонение расчетных параметров движения регулируемого поезда может привести к нарушению безопасности движения. Поэтому минимальный интервал следования попутных поездов как показано на рис. 4.6 должен быть увеличен на величину S6. -интервала безопасности, определение которой должно быть осуществлено на основе оценки надежности тормозной системы поезда (см. п. 4.2.1). При задании минимально-допустимого интервала необходимо также учесть возможные погрешности измерения текущих координат местоположения регулируемого и впередиидущего поездов (см. рис. 4.6).
Таким образом, при наличии одного обработчика и канала связи расстояние между фиксированной координатой хвоста поезда Я . и координатой головы поезда nj+1 в момент измерения параметров движения поезда Я -+/ (см. рис. 4.6), должно быть не менее величины [51]: ЯФ SM = Sj+l(С ) + Sj+l(С ) + Sj+l(іцикл ) + S + AS + S6j+i + Axj + Axj+l, (4.14) где AXJ,AXJ+1 -абсолютные отклонения текущих координат местоположения поездов Я. и Я;+1, определяемые точностью бортовой аппаратуры локомотивов; Бф -расстояние между фиксированной координатой хвоста поезда Я и координатой головы поезда Я +1 в момент определения параметров движения поезда Я;+1. ф=хі-Іп.-х]+1, (4.15) где 1П - длина поезда Яу-. Значение тормозного пути поезда ST применительно к любой ступени торможения может быть определено с использованием разработанной математической модели движения. Величина абсолютного отклонения тормозного пути поезда AST может быть определена с использованием методики изложенной в п. 3.2.
Гарантийные участки следования вагонов на подшипниках скольжения составляют 500-600 км [20]. Работы по содержанию, осмотру и текущему ремонту тормозов производятся в пунктах подготовки вагонов к перевозкам и пунктах технического обслуживания. Качество работ должно гарантировать безопасное следование поезда на указанном расстоянии.
После любого выполненного технического обслуживания тормозной системы поезда производят опробование автотормозов. Установлены два вида опробования: полное, при котором проверяется плотность тормозной сети поезда, действие тормозов каждого вагона в составе поезда, и сокращенное, при кото 124 ром проверяется проходимость тормозной магистрали по действию тормоза хвостового вагона.
После смены локомотивных бригад, при выходе поезда с участковой станции, производится пробное торможение, в ходе которого осуществляется оценка его тормозной эффективности. Пробное торможение позволяет учесть влияние на тормозную эффективность поезда: внешних факторов (погодных условий), отклонений параметров тормозных устройств вагонов, неисправностей тормозных систем экипажей, связанных с несовершенством технологии контроля, обслуживания и ремонта.
Несмотря на все меры, направленные на повышение безопасности, в тормозной системе поезда, во время его движения, имеется вероятность отказа определенного количества подсистем. При этом возможно снижение тормозной эффективности поезда, и как следствие нарушение безопасности движения.
В настоящее время регулирование движения поездов осуществляется с минимальным интервалом в 2-3 раза превышающим значения их максимальных тормозных путей.
Координатный способ регулирования позволяет сократить минимальный межпоездной интервал и тем самым увеличить пропускную способность линий. При этом с целью обеспечения требуемого уровня безопасности движения определение величины минимального интервала следования попутных поездов должно осуществляться с учетом возможного числа отказов тормозного оборудования регулируемого поезда.
Определение величины минимально-допустимого интервала следования попутных поездов при регулировании на хвост впередиидущего поезда
По данным [18] (1997 г.) на Северной дороге за последние годы произошло более 50 случаев выжимания порожних вагонов в организованных поездах. На Горьковской дороге - картина аналогичная, но больше случаев распора колеи с провалом колесных пар. На других дорогах ситуация обстоит не лучшим образом. Основной причиной появления подобного рода аварийных ситуаций является превышение предельно-допустимых сжимающих усилий в автосцепках экипажей.
Продольные сжимающие силы в поезде действуют во время начального периода торможения и при движении по вогнутому участку профиля пути. При торможении поезда, оснащенного пневматическими тормозами тормозные силы, действующие на экипажи, возникают неодновременно вдоль длины состава, а постепенно, начиная с головы. В результате головные вагоны с локомотивом некоторое время сдерживают свободный бег хвостовых вагонов. Так как вагоны соединены автосцепкой, подвижной в горизонтальной плоскости, позволяющей вписываться в кривые радиусом 150 м и менее, то под действием сжимающей силы, вагоны в средней части поезда устанавливаются в рельсовой колее в зигзагообразную линию (см. рис. 5.2). Аналогичная ситуация происходит при движении поезда по вогнутому участку профиля пути.
В результате действия сжимающей силы ./V происходит обезгрузка тележек вагонов и появление боковых усилий Н. При превышении продольной сжимающей силы допустимого значения в зависимости от соотношения сил N и Н возможно появление аварийных ситуаций связанных с выжиманием порожних вагонов, распором или сдвигом рельсовой колеи.
Соблюдение допускаемых значений продольных сжимающих сил в поезде, существенно уменьшает вероятность появления аварийных ситуаций.
Схема распора колеи (а), ее сдвига (б) и обезгрузки тележек порожнего вагона (в) из-за действия продольной сжимающей поезд силы N при торможении (Г- груженый вагон, П - порожний).
Максимально допустимые значения продольных сил в поезде, полученные как ограничивающие по условиям устойчивости экипажа на рельсах, а также устойчивости пути поперечному сдвигу и распору (раскантовке) приведены в таблице П.9.1 (см. прил. П.9, Т.2) [18].
Несмотря на имеющиеся научно обоснованные нормативы их соблюдение затруднено. Хорошо отлаженные методики и технические средства измерения продольных сил в поезде используются только для исследовательских целей [18]. Математическое моделирование в данном случае является одним из перспективных направлений решения задачи. Координатный способ ИР позволит осуществить решение задачи на практике.
Данный раздел посвящен разработке методики, использование которой позволит уменьшить уровень аварийных ситуаций, связанных с превышением предельно-допустимых продольных сил в поезде.
Рассмотрим переходный процесс торможения грузового поезда на неоднородном участке профиля пути. При определении продольных сил в упряжных приборах экипажей, поезд можно рассматривать как гибкий нерастяжимый стержень, или как цепочку шарнирно связанных жестких тел (вагонов), относительными перемещениями которых можно пренебречь [59]. Для каждого момента времени ускорение (замедление) поезда dV / at (км/ч2) может быть определено с использованием выражения (2.1).
Анализ существующих методик определения продольных сил в поезде показал, что одни разрабатывались с целью учета динамических составляющих [62] и потому сложны в плане вычисления, другие [19, 59], основанные на упрощенных математических моделях движения поезда, позволяют определить требуемые параметры с приближенной точностью.
Разработанная математическая модель движения поезда позволяет с большей точностью определять: величину тормозной силы, действующей на отдельные части поезда в любой момент времени переходного процесса торможения; массу отдельных частей поезда; величину дополнительного сопротивления движению отдельным частям поезда от уклонов и кривых. В при л. П. 10, Т.2 подтверждается практическая применимость данной модели для определения продольных квазистатических сил в поезде.
Следует отметить, что для определения величины тормозной силы, действующей на отдельные части однородного поезда может быть использована методика (2.41-2.45). Причем данная методика может быть применена и для неоднородных поездов при введении так называемого коэффициента неоднородности [62].
Коэффициентом неоднородности называют отношение: где maxN", maxN? -наибольшие продольные силы в неоднородном и однородном поезде. При трогании с места и экстренных торможениях наибольшего значения коэффициент N достигает в поездах, в которых головная часть (половина состава) сформирована из вагонов меньшей массы. При этом согласно [62] значение N в основном определяется отношением масс вагонов в этих частях поезда и несущественно зависит от количества вагонов в поезде. Значение N в этом случае может быть определено с помощью выражения [62]:
Применительно к неоднородным поездам коэффициент N позволяет скорректировать значения продольных сил, полученных с использованием усредненной методики определения тормозной силы (см. 2.41-2.45). Однако, использование коэффициента N, не позволяет выявить расположение сечений поезда, в которых продольные силы могут превысить допустимые значения.
Устранение данного недостатка и повышение точности вычислений при определении продольных усилий в неоднородных поездах, можно достичь, путем применения методики определения тормозной силы, учитывающей индивидуальные особенности отдельных экипажей (см. 2.36-2.40).
Что касается влияния подвижности грузов на уровни продольных сил, то исследования колебаний в поездах при их экстренных торможениях показали, что подвижность груза не оказывает существенного влияния на уровни сжимающих сил в автосцепках экипажей. Расчет продольных сил, возникающих при переходных режимах движения поездов (кроме наливных) можно выполнять, не учитывая подвижность грузов. Для наливных составов необходимо введение поправочных коэффициентов.
Главная цель разрабатываемой методики состоит в определении значений продольных сил, действующих в различных сечениях поезда и предотвращения возможных аварийных ситуаций от их действия.
При движении поезда по перегону нет необходимости в постоянном пересчете продольных сил, действующих в его сечениях. Продольные силы возникают при переходных режимах движения поезда. Обозначим составляющие продольных сил от неодновременности срабатывания тормозных устройств экипажей и геометрии пути как NT, Nr. в лю_ бой момент времени движения поезда должно соблюдаться условие: NT.+Nr. K-Nd,, (5.19) где Nd -допустимое значение продольной квазистатической силы в / - ом сечении поезда; NT,, Nr, - значения составляющих продольной силы от неодновременности срабатывания тормозных устройств экипажей и геометрии пути в / -ом сечении поезда; К - коэффициент запаса.
Для выполнения условия (5.19) необходимо выявить безопасные режимы движения поезда на площадке и на отдельных неоднородных участках профиля пути. В первом случае режимы движения неудовлетворяющие условиям безопасности должны быть исключены из процесса управления. Во втором, введены дополнительные ограничения на прохождение данного участка.
