СИСТЕМА БЕЗОПАСНОГО ТОРМОЖЕНИЯ
SAFE BRAKING SYSTEM

Изобретение относится к области транспорта и может использоваться для создания безопасных систем торможения на железных дорогах и в автомобилестроении, при создании блоков безопасного управления железнодорожных составов и автомобилей.
Задача контроля состояния тормозной системы транспортного средства ставилась многими авторами и нашла свое решение в целом ряде известных источников.
Так, в патенте США 7493805, G01M 17/00, 24.02.2009 г. для контроля тормозной системы железнодорожной платформы используются специальные высокоинерционные катки, первичные датчики и контроллер. Проверка требует вывести платформу из эксплуатации и в этом заключается основной недостаток данного технического решения.
В WO 2008124073, В60Т 7/12, 2008-10-16 описана система торможения, содержащая контроллер, который получив сигнал от акселерометра, сравнивает поведение транспортного средства с требуемым и корректирует сигнал, поступающий на привод тормозов. Подобная система, будучи исправной, может обеспечить заданные характеристики торможения, но не обладает средствами диагностики, что снижает ее надежность.
В US 6405117, В60Т 8/88, 2002-06-11 предлагается периодически измерять акселерометром ускорение транспортного средства и сопоставлять его в контроллере с положением педали тормоза и с аналогичными значениями для исправной системы торможения. Однако область применения данного устройства ограничена необходимостью выполнять резкое торможение для получения достоверных данных о текущем состоянии тормозов, в результате чего оно не может быть использовано для их периодического тестирования в рабочем режиме.
Тот же недостаток присущ устройству для контроля системы торможения автомобиля по патенту JP 2002308087 G01L 5/28; В60Т 17/22, 2002-10-23, в котором поочередно вывешивают колеса автомобиля, разгоняют до заданной скорости, прикладывают калиброванное тормозное усилие и соответствующими средствами контролируют изменение скорости колеса. Аналогичное техническое решение описано в патенте РФ 2180630, В60Т 17/22; G01M 17/00, 2002-03-20.
В US 2001024159, B60R 16/02; 2001-09-27 описана система торможения, в которой группа датчиков и контроллер сопоставляют положение педали газа, педали тормоза, ускорение автомобиля, интервал времени, прошедший с момента отпускания педали газа и формируют сигнал неисправности. При этом, хотя в устройстве и контролируется интервал времени в процессе торможения, сигнал неисправности формируется на основании сравнения величины ускорения с заданной. Вновь, как и в US 6405117, для определения исправности тормозной системы (тормозов и управляющей электроники) необходимо достичь определенной величины ускорения, то есть невозможно достоверно узнать состояние системы, не затормозив.
И, наконец, в JP 6199226, В60Т 8/90, 1994-07-19 описана система безопасного торможения, содержащая последовательно соединенные задатчик и управляющий процессор, выполненный с возможностью реализации алгоритмов проверки тормозной системы, а также управляемые процессором гидравлический исполнительный механизм. Данное устройство является наиболее близким к предложенному.
Недостатком данной системы, как и описанных выше, является то, что программа проверки запускается не в рабочем режиме и осуществляется с использованием дополнительного оборудования. Ее осуществление сопряжено с приложением значительных тормозных усилий. В результате проверка исправности тормозов транспортного средства в процессе его нормальной эксплуатации оказывается невозможной. Кроме того, возможности известной системы торможения ограничивает отсутствие информации о величине ускорения транспортного средства и средств для ее обработки и использования.
Таким образом, техническим результатом, ожидаемым от использования изобретения, является повышение безопасности системы торможения за счет возможности проверки состояния тормозов и исправности электронных цепей и механики непосредственно в процессе движения, в динамическом режиме и в реальном времени, а также за счет учета данных, поступающих по цепи обратной связи, о величине ускорения транспортного средства и принятия на их основе наиболее безопасного решения.
Указанный результат достигается тем, что система безопасного торможения, содержащая последовательно соединенные задатчик и управляющий процессор, выполненный с возможностью реализации алгоритмов проверки тормозной системы, а также исполнительный механизм, снабжена акселерометром, а управляющий процессор выполнен с возможностью определения интервала времени между командой торможения, формируемой задатчиком и соответствующим откликом на выходе акселерометра, подключенного ко второму входу управляющего процессора, и сравнения его с заданным значением интервала времени для формирования сигнала неисправности по результатам сравнения и/или изменения режима работы системы торможения.
Кроме того, процессор может быть выполнен с возможностью генерации тестовой последовательности команд торможения и выделения на фоне шумов среднего интервала времени, через которое на выходе акселерометра появляется соответствующая последовательность откликов.
При этом конструктивно акселерометр может быть установлен на плате управляющего процессора.
На фиг.1-2 приведены варианты блок-схемы предлагаемого устройства, на фиг.3 - временная диаграмма его работы.
На фиг.1-2 обозначено:
1 - датчик приема внешней команды торможения/значения скорости движения
2 - формирователь команды
3 - управляющий процессор
4 - блок исполнительной электроники
5 - механизм торможения
6 - акселерометр
7 - исполнительный механизм
8 - задатчик системы безопасного торможения
9 - задатчик штатной системы управления
10 - контроллер штатной системы управления.
Рассмотрим два возможных варианта работы системы безопасного торможения.
Прежде всего, следует пояснить, что система безопасного торможения в целом и ее управляющий контроллер в частности предназначены для диагностики систем, узлов, механизмов и блоков транспортного средства и обеспечения его безопасности путем обнаружения неисправностей и реагирования на нештатные ситуации определенным образом. Рассматриваемые в данном решении средства диагностики только частично затрагивают описанное назначение системы безопасности, а именно - диагностику тормозных систем. Иными словами, описанный ниже алгоритм работы управляющего процессора 3 является составной частью общего алгоритма работы управляющего контроллера 3 и системы (блока) безопасности в целом.
В первом варианте задатчик 9 штатной системы управления передает на контроллер 10 штатной системы управления команду торможения, а контроллер 10 передает соответствующие управляющие сигналы на исполнительный механизм 7 (блок 4 исполнительной электроники). Тот же сигнал поступает с задатчика 9 штатной системы управления на вход задатчика 8 системы безопасного торможения, который транслирует команду на управляющий процессор 3 системы безопасного торможения, который, в свою очередь, определяет задержку между входным сигналом (командой торможения) и откликом, фиксируемым акселерометром 6, и сравнивает полученное значение с заданной величиной, хранящейся в памяти управляющего процессора 3. Если задержка тормозной системы больше допустимого значения, управляющий процессор 3 формирует соответствующий сигнал коррекции и/или индикации. Например, данный сигнал с выхода управляющего процессора 3 системы безопасного торможения может подаваться на вход контроллера 10, который и производит указанные действия. Как показано на фиг.1 пунктиром, команда торможения может поступать с задатчика 9 на формирователь команды 2 через датчик 1 приема внешней команды торможения. Все сказанное может относиться не к процессу (команде) торможения, а к значению скорости движения или заданному значению ускорения, которые также контролируются акселерометром 6 (в первом случае для этого на его выходе устанавливается интегратор).
Второй вариант устройства (фиг.2) характеризуется тем, что все описанные функции реализуются одним управляющим процессором 3, который в данном случае осуществляет и управление транспортным средством в штатном режиме, включая ускорение, торможение, блокировку дверей в процессе движения и т.п., и диагностику исправности систем и их тестирование, т.е. выполняет функции блока безопасности.
В этом случае датчик 1 приема внешней команды торможения или значения скорости движения через формирователь команды 2 инициирует выработку управляющим процессором 3 последовательности тестовых команд торможения, а акселерометр 6 фиксирует отклик на эти команды, так что управляющий процессор 3 может произвести сравнение задержки отклика с заданной величиной. Выше задатчиком 8 или 9 назван блок, генерирующий команду торможения или ускорения в соответствии с любым алгоритмом, сигналом внешним или внутренним, поступающим по радиоканалу, от органов управления, таймера и т.п. Иными словами выполнение задатчика 8 в виде последовательного датчика 1 приема внешней команды торможения/значения скорости движения и формирователь команды 2 является только примером.
Следует пояснить также, что реализация заявленной системы безопасного торможения не исчерпывается двумя описанными вариантами, например в первом из рассмотренных вариантов (фиг.1) возможно одновременное наличие связи управляющего процессора 3 с блоком 4 исполнительной электроники и контроллера 10 штатной системы управления с тем же блоком (его другим входом или путем объединения двух управляющих сигналов по схеме ИЛИ). А во втором из рассмотренных вариантов (фиг.2) задатчик 8 может входить в состав управляющего процессора 3 и т.п.
Итак, основными параметрами процесса торможения в предложенном техническом решении являются Т макс - допустимое время задержки между выданной блоком 3 командой торможения и началом процесса торможения, и время Т исполнения. В свою очередь, Т исполнения определяется составляющими Т4 и Т5 соответствующих блоков. Параметр торможения Т макс и Т исполнения сравниваются. Максимально допустимое значение задержки торможения Т макс является ограничением сверху для Т исполнения в соответствии с нормативами безопасности. При известной скорости начала торможения может определяться необходимая кривая управления ускорением торможения для достижения заданного Т исполнения (с наименьшими пиковыми ускорениями, например, и выполнением условия наилучшего сцепления колес с рельсами, буксами, и т.п.).
Помимо Т макс интервал Т исполнения может сопоставляться с одним или несколькими предшествующими значениями того же параметра, а также с нормативным значением (это даст информацию о появлении неисправности в системе торможения или ухудшении ее параметров).
На фиг.3 схематично изображены задержки и интервалы срабатывания отдельных блоков. Так, в момент времени Т1 на датчик 1 приема внешней команды торможения/значения скорости движения поступает команда. Передний фронт импульса Т1 на фиг.3 отражает это событие. На переднем фронте импульса Т2 срабатывает формирователь 2 и на управляющий процессор 3 поступает управляющее воздействие и т.д. Таким образом, например, между моментом поступления команды на датчик 1 приема внешней команды торможения/значения скорости движения и появлением отклика на выходе акселерометра 6 пройдет время (Т6-Т1). Обычно, в известных системах торможения, предварительная диагностика проводится однократно, при проверке всех систем (выход состава на линию и т.п.). При этом контролируют цепи 1-3, 2-3, 4-3 (показаны дуговыми стрелками), что обычно не вызывает проблем, 5-3 (эта цепь показана пунктиром) - обычно контролировать сложнее.
В реальном времени, то есть в рабочем режиме контролируются только цепи 4-3, (реже 1-2-3). Этот режим контроля реализуют обычно кратковременным возбуждением командных цепей на время меньшее Т5 и соизмеримое с Т4 для проверки по активации цепей обратной связи блока 4. При этом никакой информации о текущем состоянии механизма торможения 5 (а также оценки Т исполнения, которая позволила бы сравнить его с Т макс или иным заданным значением То в реальном времени) тем более не происходит. В то время как Т4 и Т5 при диагностике могут дать определяющую информацию о работоспособности системы в целом.
Именно для решения этой задачи в систему введен акселерометр 6 (желательно находящийся непосредственно в управляющем процессоре 3 для исключения промежуточных элементов и связей) в качестве датчика обратной связи при торможении и тестах. При тестировании предлагается генерирование команды торможения управляющим процессором 3, например, в виде последовательности тестовых сигналов (длительность подбирается по минимально определяемому тормозному ускорению отклика с интервалами, выбранными для достижения устойчивой корреляции такой командной последовательности с сигналом от акселерометра 6 на фоне шумов). При этом определяют Т исполнения, и по девиации измеренного значения по сравнению с предварительно измеренным значением и Т макс - исправность и функциональность системы торможения. Само же тестовое торможение получается максимально щадящим для механизмов и практически незаметным для пассажиров.
Из сказанного выше ясно, что основными отличиями предложенной системы безопасного торможения является наличие акселерометра 6, установленного на плате управляющего процессора 3, а также выполнение самого управляющего процессора таким образом, чтобы реализуемый им алгоритм предполагал, наряду с обычным процессом передачи сигнала торможения по цепи 1-2-3-4-5, реализацию следующих алгоритмов:
- Коррекция величины управляющего воздействия. Процесс торможения осуществляется с использованием цепи 1-2-3-4-5 (фиг.2). В управляющем процессоре 3 заданная величина ускорения торможения Ао (соответствует текущему значению выходного кода формирователя команды 2) сопоставляется с текущим значением А (соответствует выходному сигналу акселерометра 6). Если А≠Ао, управляющий процессор 3 формирует сигнал рассогласования, поступающий на блок исполнительной электроники 4 и пропорциональный разнице А-Ао. В результате независимо от износа элементов механизма торможения 5 величина А будет равна заданной величине Ао.
- Диагностика системы торможения. Управляющий процессор 3, как правило, в отсутствие сигнала Ао на выходе формирователя команды 2, осуществляет подачу одного или нескольких коротких сигналов торможения с одинаковой или возрастающей амплитудой. Управляющий процессор 3 при этом определяет интервал между одноименными откликами, подаваемыми на вход блока исполнительной электроники 4 и поступающими с выхода акселерометра 6. Величина задержки свидетельствует о состоянии тормозной системы в целом.
- Учет дополнительных факторов. Управляющий процессор 3 анализирует и использует информацию с выхода акселерометра 6. Например, если акселерометр 6 регистрирует высокий вибрационный фон, диагностика не проводится или увеличивается заданное значение То. Далее, если на выходе формирователя команд 2 сигнал торможения присутствует, в частности сигнал на экстренное торможение, а от акселерометра 6 нет отклика соответствующей амплитуды, управляющий процессор 3 подключает дополнительные средства торможения и/или выдает соответствующий сигнал машинисту. Или в случае ударов по корпусу управляющего процессора 3 с акселерометром 6 или воздействия взрыва, схода вагона с рельс, регистрируемых акселерометром 6, система выдает соответствующие сигналы оператору и отключает блок исполнительной электроники 4 или переводит его в режим управления только с операторской станции. Попутно, благодаря акселерометру 6 учитывается влияние нештатных пиковых ускорений (столкновения, удары при сцепке и т.п.) на реальный ресурс системы.
Возможность корректировки тормозного усилия, диагностики всего тракта системы торможения непосредственно в рабочем режиме и возможность учета вышеперечисленных и других возможных возмущающих факторов позволяет повысить уровень безопасности движения.