Способ оценки массы транспортного средства с электроприводом постоянного тока
METHOD FOR ESTIMATING VEHICLE WEIGHT WITH DC DRIVE

Изобретение относится к области транспорта и может использоваться для определения массы железнодорожного состава или на других видах транспорта, где в качестве тяговых двигателей используются двигатели постоянного тока (трамвай, троллейбус, электромобиль, подъемно-транспортные средства и др.).
Из уровня техники известны расчетные способы определения массы железнодорожного состава, хорошо описанные в литературе (см., например, Правила тяговых расчетов для поездной работы. - М.: Транспорт, 1985, с. 32-37, Кузьмич В.Д. Теория локомотивной тяги: учебник для вузов / В.Д. Кузьмич, В.С. Руднев, С.Я. Френкель; под ред. В.Д. Кузьмича. – М.: Маршрут, 2005, с. 330-340, Бабичков А.М. Тяга поездов и тяговые расчеты / А.М. Бабичков, П.А. Гурский, А.П. Новиков. - М.: Транспорт, 1971, с. 162-177).
Общий недостаток расчетных способов - высокая трудоемкость, связанная с необходимостью сбора большого количества информации.
Известны способы измерения массы железнодорожного состава на ходу с помощью датчиков давления, расположенных в области под рельсом (см, например, патент РФ №2390735, опубл., патент РФ №2495385, опубл., патент РФ №2276335, опубл.).
Известные способы обладают общим недостатком - низкой точностью. Практика показала, что в момент прохождения датчика, колебания колес вагона оказывают существенное влияние на точность измерения, наличие дефектов на поверхности катания колес приводят к ударам большой интенсивности по измерительному участку. При взвешивании цистерн в движении возникают дополнительные проблемы - точность взвешивания существенно зависит от колебаний жидкости в момент прохождения вагонов по измерительному участку пути. Поэтому на подходе к измерительному участку (весам) на дистанции 70÷100 м должен быть «успокоительный участок». На этом участке необходимо:
- обеспечить прямолинейность рельс в пределах ±2 мм по вертикали и горизонтали;
- обеспечить разновысокость рельс в пределах ±1 мм;
- обеспечить возможно высокую жесткость пути, для чего бетонные шпалы уложить с шагом 460÷500 мм с последующей тщательной двухнедельной подбивкой;
- перед «успокоительным участком» необходимо снизить скорость, чтобы иметь время для затухания колебаний вагона до его прохода по измерительному участку весов. Со стороны съезда с весов необходим такой же участок, но более короткий (20÷30 м).
Для уменьшения динамической погрешности проводка состава через весы должна быть выполнена с постоянной скоростью без рывков и резких торможений. На величину динамических погрешностей весов оказывает влияние состояние подвижного состава и, в частности, состояние сцепки и колесных пар вагонов. Подобные проблемы возникают при взвешивании в движении на весах с использованием рельса тензометрического взвешивающего РТВ-Д (изделие зарегистрировано под номером 27297-05).
Известны способы взвешивания на вагонных электронных весах (см., например, патент PB №2300084, опубл.), для определения перегруза вагонов. Эти способы делают акцент на учет неравномерности загрузки вагонов сыпучими грузами с целью обеспечения безопасности движения поездов. Способы требуют большого объема вычислений.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату - прототипом - является способ определения массы транспортного средства - железнодорожного состава - по скорости движения (патент РФ №1059445, опубл.).
Техническое решение по прототипу, в том числе, приемлемо для транспортных средств с электроприводом постоянного тока и обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с вышеприведенными аналогами, в частности, его использование исключает необходимость сооружения грузоприемной платформы с силоизмерительными датчиками и установку путевых сигнализаторов, что обусловливает снижение капитальных затрат и повышение надежности определения веса составов. Приводится вывод расчетной формулы для вычисления массы состава по скорости движения. Для расчета используются коэффициенты, значения которых приводятся в таблице. Измерение скорости осуществляется бесконтактным способом. Для осуществления способа требуется установка на поезде индуктора, а вдоль пути укладывается шлейф со скрещениями, в которых наводятся сигналы от индуктора, передаваемые в блок вычисления скорости и времени.
Вместе с тем техническое решение по прототипу обладает и рядом недостатков, в частности:
- способ достаточно сложный, затратный и трудоемкий, что связано с необходимостью установки индуктора на поезде и укладки шлейфа вдоль пути;
- способ трудоемкий, что связано с необходимостью уточнения значений коэффициентов, входящих в расчетную формулу, для обеспечения необходимой точности определения массы;
- точность расчета массы железнодорожного состава зависит от точности математической модели, связывающей скорость движения и массу транспортного средства и включающей значительное количество параметров, значения которых требуют определения.
Задачей изобретения является создание способа оценки массы транспортного средства с электроприводом постоянного тока, упрощающего измерения, не требующего встраивания датчиков в элементы транспортного пути, а также в электрические цепи и элементы конструкции транспортного средства и при этом обеспечивающего необходимую точность измерения.
Технический результат - повышение эффективности оценки массы транспортного средства с электроприводом постоянного тока путем существенного сокращения энергетических, временных и финансовых затрат, без использования сложного и дорогостоящего технологического оборудования и без привлечения дополнительного персонала.
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в способе оценки массы транспортного средства с электроприводом постоянного тока, включающем движение транспортного средства по контрольному участку с одновременным измерением пропорционального оцениваемой массе параметра, движение транспортного средства осуществляют с постоянной скоростью, а в качестве пропорционального оцениваемой массе параметра измеряют напряженность магнитного поля, целесообразно напряженность магнитного поля измерять устройством с измерительной шкалой, оттарированной в единицах массы, оптимально напряженность магнитного поля измерять феррозондом.
Изобретение поясняется чертежами, где представлены:
на Фиг. 1 - дифференциальный феррозонд;
на Фиг. 2 - внешний вид феррозонда;
на Фиг. 3 - структурная схема измерительного устройства;
на Фиг. 4 - функциональная схема измерительного устройства;
на Фиг. 5 - схема преобразователя для получения отрицательной полярности.
Изобретение основано на следующем.
Измеряется величина напряженности магнитного поля, создаваемого тяговыми двигателями постоянного тока транспортного средства, например, локомотива. Как известно, величина тока, потребляемого тяговым двигателем, определяется величиной нагрузки на его валу, которая, в свою очередь, зависит от массы перевозимого груза и условий движения - скорости, особенностей данного участка пути (горка, уклон, качество железнодорожного полотна и др.).
Ток двигателя вызывает постоянное, медленно меняющееся магнитное поле, напряженность которого может быть измерена. В предлагаемом решении используется известная связь между напряженностью магнитного поля, создаваемого двигателем постоянного тока, и нагрузкой на валу двигателя, определяющей массу железнодорожного состава.
Для измерения могут использоваться различные датчики, в частности феррозонды. Феррозондовый метод измерения напряженности достаточно прост, хорошо изучен и позволяет добиться необходимой точности.
Феррозонд обладает высокой чувствительностью и при измерении сильных магнитных полей не возникает необходимости его установки в непосредственной близости от двигателя или от силовых цепей питания двигателя. В качестве устройства индикации используется амперметр (микроамперметр), шкала которого проградуирована в единицах массы.
Практически место установки феррозонда значения не имеет - важно лишь, чтобы оно было одним и тем же, как при тарировании шкалы микроамперметра, так и при измерениях массы. Миллиамперметр может располагаться практически в любом удобном для наблюдения месте.
При движении локомотива на контрольном участке пути без состава с определенной постоянной, заранее набранной скоростью, снимается показание миллиамперметра, принимаемое за ноль массы груза. При движении с прицепленным составом на том же контрольном участке пути или на участке, аналогичном контрольному, с той же постоянной скоростью показание миллиамперметра соответствует массе перевозимого груза за вычетом суммарной массы тары вагонов, которая известна.
Таким образом, для достижения заявленного технического результата необходимо:
обеспечить контрольный участок пути или участок, аналогичный контрольному по своим параметрам, на котором производятся измерения и которому соответствует шкала измерительного прибора;
обеспечить движение в течение менее одной минуты на таком участке с той же постоянной скоростью, на которой производилась тарировка шкалы измерительного прибора.
снять показания с измерительного прибора устройства, реализующего заявляемый способ и представляющего собой феррозондовый преобразователь величины напряженности магнитного поля тягового двигателя в величину тока.
3
0
3
1
1
1
1
1
2
На Фиг. 1, а представлен дифференциальный феррозонд без дополнительной обмотки L (а): H - поле возбуждения феррозонда, Н - измеряемое магнитное поле, и схема включения дополнительной обмотки L (б), состоящий из двух пермаллоевых сердечников с обмоткой возбуждения L, состоящей из двух половин. Одна половина обмотки возбуждения L' находится на одном сердечнике, другая L'' (намотана встречно первой) - на другом. Диаметр провода обмотки возбуждения 0,3 мм, число витков каждой половины обмотки возбуждения 200. Намотка однослойная - виток к витку. Подключается к генератору импульсов. Поверх двух сердечников с обмотками L' и L'' располагается измерительная обмотка L с числом витков 2000, диаметром провода 0,1 мм. Обмотка многослойная - виток к витку. Измерительная обмотка подключается к осциллографу, позволяющему наблюдать искажения прямоугольных импульсов напряжения при воздействии внешнего магнитного поля.
3
3
2
3
1
3
2
Для компенсации влияния посторонних источников предусмотрена дополнительная третья обмотка L, расположенная поверх основных обмоток. Диаметр провода дополнительной обмотки 0,1 мм, число витков 500 с отводом от средней точки. Схема включения дополнительной обмотки L приведена на фиг. 1, б. Компенсация посторонних полей, а также поля, создаваемого двигателем при движении без груза, осуществляется переменным резистором R установкой нулевого значение тока, измеряемого микроамперметром (тип 4247 на 100 мкА) в отводе от средней точки обмотки L. Для данного микроамперметра и напряжения источника 9 В величина резисторов R и R составляет порядка 2 кОм, R - 1 кОм.
3
Дополнительная обмотка L, кроме компенсации посторонних магнитных полей, используется и в качестве измерительной. При наличии магнитного поля, создаваемого тяговым двигателем постоянного тока, появляется ток, измеряемый микроамперметром, по значению которого оценивается величина напряженности магнитного поля двигателя.
Для защиты феррозонда от внешних воздействий используется защитный кожух, представляющий собой трубку из латуни. Внешний вид феррозонда и кожуха показан на Фиг. 2.
Структурная схема измерительного устройства, посредством которого реализуется способ, представлена на Фиг. 3.
Схема включает:
1
- генератор импульсов, формирующий прямоугольные импульсы для обмотки возбуждения L феррозонда;
- феррозонд, включающей три обмотки;
- устройства регистрации и компенсации; в качестве устройств регистрации могут использоваться микроамперметр, осциллограф и др.
1
Функциональная схема измерителя представлена на Фиг. 4. Генератор импульсов выполнен на микросхеме DD1 (например, К561ЛА7), питающейся от источника 9 В. Генератор содержит три элемента И-НЕ. Частота импульсов регулируется переменным резистором R в диапазоне 2 - 200 кГц. На этих частотах генератор устойчиво работает при напряжении питания 9 В. Четвертый элемент И-НЕ микросхемы DD1 используется для уменьшения влияния обмотки возбуждения феррозонда на работу генератора.
3
Величина напряженности магнитного поля, создаваемого тяговым двигателем, определяется по показанию микроамперметра. Влияние посторонних магнитных полей, а также поля, создаваемого двигателем при движении без груза, исключается установкой тока микроамперметра с помощью резистора R в ноль.
1
2
В качестве выпрямительных диодов V и V могут использоваться обычные высокочастотные диоды (типа КД311).
Как видно из Фиг. 4, схема требует двухполярного напряжения питания (+9 В и -9 В) относительно общей точки. Чтобы обойтись одним девятивольтовым источником, использовалась простая схема преобразователя для получения отрицательной полярности -9 В. Схема преобразователя представлена на Фиг. 5.
Пример осуществления изобретения
Новый технический результат достигается за счет двух действий, выполняемых в следующей последовательности:
I) тарирование шкалы измерительного прибора (миллиамперметра);
II) собственно измерение массы транспортного средства.
Тарирование шкалы осуществляется в следующей последовательности:
1) выбирается участок пути с определенными параметрами, который объявляется контрольным. Например, прямолинейный горизонтальный (без уклонов) участок, длиной 200 м. Желательно выбирать участок с такими параметрами, которые наиболее характерны для предполагаемого маршрута движения состава;
2) осуществляется движение локомотива без состава по контрольному участку пути в определенном режиме (например, с постоянной скоростью). Время движения должно быть достаточно для снятия показания миллиамперметра, которое принимается за ноль массы груза;
3) такое же движение по тому же участку (или аналогичному) осуществляется с прицепленным составом, масса груза которого известна. Показания миллиамперметра будут соответствовать массе груза минус суммарная масса тары вагонов, которая также известна;
4) для более точного тарирования шкалы и исключения ошибок действия, выполняемого  в пункте 3, можно повторить с другой массой груза. Шкала тарированного миллиамперметра оказывается практически линейной.
При использовании метода на локомотивах одной марки нет необходимости в тарировании шкалы измерительного прибора для каждого локомотива в отдельности. Достаточно обеспечить лишь одинаковое место установки чувствительного элемента (феррозонда).
Измерения массы груза железнодорожного состава необходимо производить при движении по контрольному (или аналогично контрольному) участку пути в том же режиме, что и при тарировании измерительного прибора.
Таким образом, предлагаемый способ исключает необходимость встраивания датчиков в элементы железнодорожного полотна, в электрические цепи и в элементы конструкции локомотива, не требует сложного технологического оборудования, снижает затраты на измерения, обеспечивая при этом достаточную точность.
Изобретение позволяет установить измерительное устройство практически в любом месте локомотива и использовать в качестве измерительного прибора миллиамперметр, что обеспечивает удобство фиксации результатов измерения помощником машиниста без привлечения дополнительного персонала.
Предлагаемый способ отличается простотой использования. Устройство, реализующее способ, компактно, не содержит дорогостоящих элементов и не требует тщательного обслуживания. Подготовка устройства к работе заключается в тарировании шкалы измерительного прибора (миллиамперметра) в единицах массы.
Практическое применение метода показало, что показания измерительного прибора не зависят от колебаний, связанных с колебаниями колес вагона, состоянием сцепки, наличием дефектов на поверхности катания колес, колебаниями жидкости в цистернах в момент прохождения вагонов по измерительному участку пути. Поэтому предварительного прохождения «успокоительного» участка не требуется, достаточно обеспечить постоянный режим работы двигателя и, следовательно, постоянную и определенную скорость без резких рывков и торможений. Возможные колебания в показаниях измерительного прибора не создают проблем, так как усредненное значение выявляется уже через 5÷10 с с момента начала наблюдения.
Заявляемый технический результат достигается при использовании в транспортных средствах тяговых электродвигателей постоянного тока без импульсного регулирования скорости, что является ограничительным фактором использования. Тем не менее, большое количество различных транспортных средств, в том числе подавляющее большинство грузовых электровозов ОАО «РЖД», имеют тяговые электродвигатели постоянного тока без импульсного регулирования скорости.
С учетом изложенного можно сделать вывод о том, что поставленная задача - создание способа оценки массы транспортного средства с электроприводом постоянного тока, упрощающего измерения, не требующего встраивания датчиков в элементы транспортного пути, а также в электрические цепи и элементы конструкции транспортного средства и при этом обеспечивающего необходимую точность измерения - решена, а заявленный технический результат - повышение эффективности оценки массы транспортного средства с электроприводом постоянного тока путем существенного сокращения энергетических, временных и финансовых затрат, без использования сложного и дорогостоящего технологического оборудования и без привлечения дополнительного персонала - достигнут.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности неизвестных на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического технического результата.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении относится к области транспорта и может использоваться для определения массы железнодорожного состава или на других видах транспорта, где в качестве тяговых двигателей используются двигатели постоянного тока (трамвай, троллейбус, электромобиль, подъемно-транспортные средства и др.);
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте нижеизложенной формулы, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке и/или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует требованиям условий патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.