ЛОКОМОТИВНОЕ УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМОМ РАБОТЫ ТОРМОЗНОЙ СИСТЕМЫ ГРУЗОВОГО ПОЕЗДА

Полезная модель относится к автоматическим защитным устройствам, предназначенным для предупреждения опасных режимов ведения поезда, и может найти применение в системах управления торможением тяжеловесных и длинносоставных грузовых поездов, особенно в сложных условиях их эксплуатации (при торможении на переломном профиле, в кривых малого радиуса и при низких значениях коэффициента сцепления колеса и рельса).
При торможении тяжеловесных длинносоставных грузовых поездов опасные ситуации, как правило, связаны с использованием глубоких ступеней служебного торможения, а также при экстренном торможении поезда. Для грузового поезда пневматическое служебное торможение осуществляется путем разрядки тормозной магистрали в атмосферу через калиброванные отверстия крана машиниста, например, крана машиниста КМ №395-3 с микропереключателем для грузовых локомотивов (В.Р. Асадченко Автоматические тормоза подвижного состава. Учебное пособие для вузов ж.-д. транспорта. / М.: Маршрут, 2006. - с. 97).
Вследствие большой длины состава, достигающей для поезда из 75 вагонов 1 км и более, и малого сечения тормозной магистрали, распространение воздушной волны разрядки вдоль состава от головного к хвостовому вагону поезда происходит со скоростью, существенно меньшей, чем скорость звука, и занимает значительное время (десятки секунд). Так, на фиг. 1 представлен экспериментально полученный авторами на тормозной станции ОАО «МТЗ ТРАНСМАШ» график развития во времени переходных процессов при пневматическом торможении поезда из 75 вагонов. Из графика видно, что промежуток времени между моментом начала разрядки с головы поезда (10-я секунда на графике) и достижения воздушной волной разрядки хвостового вагона (35-я секунда) составляет около 25 сек. Следующая за воздушной волной разрядки тормозная волна (моменты прижатия к колесам вагонов тормозных колодок) имеет сопоставимое время запаздывания, что приводит к опасной ситуации: в то время, как головные вагоны поезда уже заторможены, еще незаторможенные хвостовые вагоны, инерционно набегая на впередистоящие вагоны, вызывают значительный рост продольных сил (сжатия) на автосцепке с возможностью выдавливания вагонов и их схода с рельсов.
В свою очередь, заторможенные впередистоящие вагоны, испытывая сзади напор сил, превышающий, при недостаточных значениях коэффициента сцепления, порог сцепления заторможенных колес с рельсами, могут переходить в режим движения юзом, что приводит к повреждению колес.
Проявление в виде ползунов, термических трещин и выщербин, вплоть до полного заклинивания колесных пар, усугубляется возникновением в области контакта колеса и рельса случайным образом скачкообразных проскальзываний, рывков, сопровождаемых пиковыми значениями продольных сил, передаваемых на автосцепку и достигающих максимальных значений при пневматическом торможении грузовых поездов повышенной массы и длины. В результате, при массе поезда более 8 тыс. т и длине более 75 вагонов, в критических сечениях состава возникают знакопеременные силы, по величине превышающие допустимые значения, что с большой вероятностью приводит к нарушению целостности состава (сходы, разрывы, выдавливание вагонов). Особенно опасно, когда описанные процессы совпадают с прохождением составом переломного профиля и кривых малого радиуса, где норма допустимых продольных сил уменьшена в два раза.
Известны примеры следующих устройств предупреждения подобных опасных ситуаций.
Известна (Пат. СССР №1111915) динамометрическая автосцепка, широко используемая в вагонах-лабораториях для проведения тяговых испытаний и позволяющая непосредственно измерять и контролировать продольные динамические усилия, в том числе реализуемые в различных сечениях грузового поезда при его движении в режимах тяги и торможения. На основе данных измерений машинисту (или автоматизированной локомотивной системе) вполне возможно регулировать глубину ступенчатого торможения, переводом ручки крана машиниста в положение «перекрыша» снижая темп разрядки тормозной магистрали и, тем самым, ограничивая величину тормозных сил. Однако, оснащение такими сложными, дорогостоящими и недостаточно надежными устройствами парка эксплуатируемых грузовых вагонов потребует чрезвычайно больших временных и капитальных затрат.
Известны противоюзные устройства, как, например, устройство AEF83P (М. Буато «Современные противоюзные устройства». «Железные дороги мира», №4, 1987 г.), осуществляющие электронное автоматическое потележечное регулирование давления в тормозных цилиндрах вагонов поезда и, таким образом, обеспечивающие затормаживание колесных пар вагонов в режимах оптимального сцепления колесных пар и рельсов. Однако при этом не решается проблема обеспечения одновременного, либо по заданной программе, срабатывания пневматических тормозов головных и хвостовых вагонов длинносоставного грузового поезда, поскольку синхронизацию (либо задание на переломном профиле режима совместной работы таких устройств) в нем обеспечить невозможно.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому техническому решению (прототипом устройства) является распределенная система для управления торможением однолокомотивным поездом повышенной длины РУТП (Патент RU №2388630). Она содержит установленные на локомотиве пульт управления машиниста, соединенный с управляющим вычислительным контроллером, к которому подключены радиомодем, блок спутниковой навигации, блок памяти, датчик скорости и пройденного пути и управляющие клапаны, соединенные с краном машиниста, который соединен с тормозной магистралью и датчиками давления, выходы которых подключены к управляющему вычислительному контроллеру, и введены съемные блоки торможения, каждый из которых состоит из управляющего контроллера с подключенными к нему радиомодемом, датчиками давления и управляющими клапанами, связанными с тройником для подключения к тормозной магистрали, блоки торможения установлены на вагонах в сечениях поезда и подключены к тормозной магистрали.
Недостатками описанной системы являются:
1. Необходимость использования для каждой поездки математической модели расчета продольно-динамических сил в составе. При этом учитывать параметры реального профиля пути по маршруту следования поезда, схему формирования состава, загрузки вагонов, типы вагонов и локомотива, прогноз погодных условий и опытных данных, накопленных в центральной базе данных автоматизированной системы.
2. Необходимость использования по длине состава съемных блоков торможения, с расчетом места их установки и параметров временных последовательностей их включения и отключения. С высокой трудоемкостью их переноски вдоль состава и монтажа в межвагонные соединения тормозной магистрали.
3. Использование системой для передачи на съемные блоки ответственных команд по управлению торможением поезда по радиоканалу в условиях радиопомех, а также экранирования сигнала (например, при движении в тоннеле) может существенно ухудшить режим торможения поезда, в том числе в сравнении с полным отсутствием управляющих команд.
Задачей, решаемой настоящей полезной моделью, является создание относительно простого и компактного локомотивного устройства, обеспечивающего сглаживание перепадов давления в тормозной магистрали вдоль длины состава при ее разрядке в процессе реализации ступени торможения путем периодического, с автоматически регулируемой периодичностью, автоматического переключения крана машиниста из положения «служебное торможение» в положение «перекрыша без питания» и обратно. Действительно, при перекрытии в голове поезда тормозной магистрали, в которой воздушная волна разрядки, распространяясь к хвосту состава, достигла его середины, дальнейшее развитие переходного процесса, через отражение волны от заглушки хвостового вагона и движение в обратном направлении, приведет к выравниванию давления вдоль тормозной магистрали. При этом будет обеспечиваться равенство условий по давлению для воздухораспределителей грузовых вагонов.
Техническое решение поставленной задачи заключается в предлагаемой полезной модели - локомотивном устройстве управления режимом работы тормозной системы грузового поезда, которое содержит размещенные в едином корпусе приемник спутниковой навигации с антенной, средство измерения расхода воздуха, стравливаемого в атмосферу при разрядке тормозной магистрали, и ориентированный вдоль продольной оси локомотива акселерометр, соединенные выходами с входами вычислителя, выполненного с функцией таймера, содержащего электронную базу данных и имеющего выход на управление пневмомодулем приставки к крану машиниста. Размещенный в корпусе устройства вторичный источник питания служит для запитывания указанных компонентов устройства от бортовой сети локомотива. Средство измерения расхода воздуха, стравливаемого при разрядке тормозной магистрали выполнено в виде цифрового расходомера. Акселерометр снабжен функцией выдачи сигнала о превышении порогового значения ускорения локомотива. Электронная база данных содержит в энергонезависимой памяти географические координаты опасных для реализации режимов торможения поезда точек маршрута следования поезда: участков переломного профиля и кривых малого радиуса. Также она содержит необходимый объем энергонезависимой памяти для записи и хранения данных о времени разрядки тормозной магистрали, с прохождением воздушной волны разрядки от головы к хвосту данного конкретного поезда при включении его тормозной системы, и данных о расходе стравливаемого при этом в атмосферу воздуха.
Кроме того, устройство содержит переключатель режимов работы с режима измерения времени разрядки тормозной магистрали и расхода воздуха, с фиксацией результатов измерений в электронной базе данных, на режим контроля управления торможением поезда и обратно.
Локомотивное устройство управления режимом работы тормозной системы грузового поезда (далее-локомотивное устройство) монтируется на патрубок дросселирующего клапана разрядки крана машиниста.
Схема локомотивного устройства представлена на фиг. 2.
Локомотивное устройство содержит приемник спутниковой навигации с антенной 1, акселерометр 2 и цифровой расходомер 3, соединенные выходами с входами вычислителя 4, выполненного с функцией таймера, содержащего электронную базу данных и имеющего выход на управление пневмомодулем приставки к крану машиниста.
На корпусе 5 локомотивного устройства имеются разъемы: 6 - для ввода в базу данных необходимой информации с внешнего носителя с возможностью проверки содержащейся в ней информации с помощью подсоединяемого к разъему компьютерного устройства; 7 - для кабельного соединения выхода вычислителя 4 со входом приставки к крану машиниста; 8 - для запитывания вторичного источника питания 9 от бортовой сети локомотива. Кроме того, на лицевую панели локомотивного устройства вынесены соединенные с входом вычислителя тумблер 10 переключения режимов работы устройства «измерение - контроль» и кнопка 11 «стоп».
Работа устройства осуществляется следующим образом.
При полном опробовании тормозов грузового поезда на станции, с запитыванием тормозной магистрали и уравнительного резервуара от компрессора локомотива, по достижении в тормозной магистрали рабочего зарядного давления, тумблер 10 локомотивного устройства переводится в положение «измерение». С началом процесса опробования тормозов, заключающемся в разрядке тормозной магистрали поворотом ручки крана машиниста и сопровождающимся выпуском потока воздуха через расходомер 3 локомотивного устройства, расход выпускаемого воздуха измеряется и заносится в энергонезависимую память электронной базы данных вычислителя 4, а таймер вычислителя 4 измеряет длительность процесса разрядки. Осмотрщик вагонов, находящийся в середине состава, фиксирует момент срабатывания тормозов (выхода штоков и прижатия к бандажу колеса тормозных колодок) среднего вагона, и подает об этом сигнал машинисту, который по этому сигналу нажимает кнопку 11 «стоп». При этом процесс измерения заканчивается, и в памяти базы данных автоматически фиксируются показания длительности прохождения тормозной волны до середины состава и объем выпущенного воздуха.
В случае опробования тормозов грузового состава на станции от стационарной компрессорной установки (в отсутствие локомотива), время прохождения тормозной волны до середины состава измеряют вручную и с помощью внешнего носителя через разъем 6 вводят в память локомотивного устройства.
При выезде на маршрут тумблер 10 локомотивного устройства переводится в положение «контроль». При начале торможения поезда (переводе ручки крана машиниста в V положение «служебное торможение»), сопровождающимся началом выпуска воздуха через расходомер 3, последний начинает автоматический отсчет расхода выпущенного воздуха, передавая его в вычислитель 4. Вычислитель 4 при этом начинает автоматический отсчет времени процесса и фиксирует значения объема воздуха, пропущенного через расходомер 3, сравнивая эти значения с соответствующими значениями, записанными в память устройства. По достижении объема воздуха разрядки тормозной магистрали, достаточной для достижения волной торможения середины состава, и/или по истечении времени такой разрядки (данные опробования тормозов на станции) - в зависимости от того, что наступит раньше - вычислитель 4 автоматически через разъем 7 выдает управляющую команду на приставку к крану машиниста для перевода последнего в положение «перекрыша без питания». В таком положении кран находится в течение времени (занесенного в память электронной базы данных и отсчитываемого вычислителем 4 локомотивного устройства) достижения волной торможения остальной середины состава - т.е. времени выравнивания давления в тормозной магистрали, - после чего вычислитель 4 автоматически выдает через разъем 7 на приставку к крану машиниста управляющую команду на переключение в прежнее V положение, если поезд к этому моменту недостаточно заторможен.
Функции определения недостаточной заторможенности поезда обеспечиваются совместной работой акселерометра 2 локомотивного устройства и приемника спутниковой навигации 1 и осуществляются следующим образом. Критерием недостаточной заторможенности поезда является выдача акселерометром 1 в вычислитель 4 сигнала о превышении порогового значения ускорения локомотива. Это свидетельствует о том, что после перевода устройством крана машиниста из положения «служебное торможение» в положение «перекрыша без питания», текущие отрицательные значения ускорения (т.е. замедление поезда темпом служебного торможения) сменились положительными и достигли заданного порогового значения, и скорость поезда стала нарастать (по показаниям приемника спутниковой навигации 1).
Локомотивное устройство допускает изменение зафиксированных в базе данных пороговых значений (настроек) расхода выпускаемого воздуха и длительности процесса достижения тормозной волной середины состава, измеренных при опробовании тормозов на станции. Такое изменение может быть произведено как автоматически, так и вручную машинистом.
Автоматическое изменение настроек локомотивного устройства осуществляется в тех случаях, когда текущее местоположение поезда в географических координатах, непрерывно передаваемое в вычислитель 4 с приемника спутниковой навигации 1 и сравниваемое вычислителем 4 с занесенными в электронную базу данных координатами точек переломного профиля или кривых малого радиуса, совпадает с этими значениями. В этом случае настройки локомотивного устройства временно (на время прохождения опасного участка маршрута) ужесточаются: снижается пороговое значение расхода выпускаемого воздуха и увеличивается время, на которое кран машиниста переводится в положение «перекрыша без питания».
Изменение настроек машинистом вручную осуществляется, если устройство начинает препятствовать реализации субъективно привычного для машиниста режима торможения поезда. В этом случае машинист может перевести тумблер локомотивного устройства в положение «измерение» и, при ручном выполнении очередного торможения, зафиксировать кнопкой «стоп» желаемые параметры локомотивного устройства в электронной базе данных, которые впоследствии будут воспроизводиться локомотивным устройством автоматически.
Использование предлагаемого локомотивного устройства на длинносоставных грузовых поездах массой 8 и более тыс. т и количеством вагонов 75 и более позволит сгладить режим торможения поезда и уменьшить величину продольных сил, в особенности на сложных по плану и профилю участках пути, и, тем самым, предупредить опасные режимы торможения и повысить безопасность движения.