Исследование влияния срабатывания электромеханического преобразователя переменного тока на динамическую точность системы управления стрелочным переводом

В системах управления исполнительными органами стрелочного перевода большое распространение получили электромеханические преобразователи (ЭМП), питание которых осуществляется от источников переменного напряжения.

Электромеханические преобразователи — это класс устройств, созданных для преобразования электрической энергии в механическую и наоборот. Также возможно преобразование электрической энергии в электрическую же энергию другого рода. Основным видом электромеханического преобразователя является электродвигатель(электрогенератор).

Основное назначение таких ЭМП ― перемещать тот или иной элемент механизмов перемещение стрелочного перевода при поступлении на вход электрического сигнала (напряжение питания).

Нас интересует величина вариации времени срабатывания ЭМП в процессе работы системы управления технологическим процессом перевода стрелки в процессе движения подвижных единиц.

Рабочий цикл ЭМП начинается с момента подачи питания на обмотку и заканчивается, когда якорь перейдет из своего начального положения в конечное. Этап срабатывания, так же как и в ЭМР постоянного тока разделяется на период трогания и период движения.

Соотношения между мгновенными значениями электромагнитных величин в ЭМР не отличаются от соотношений, имеющих место в ЭМР постоянного тока [14].

Следует отметить, однако следующее. Для ЭМП потокосцепление практически не зависит от положения якоря. Это обстоятельство является определяющим для сравнения характеристик ЭМП и ЭМР. ЭМП принципиально более быстродействующее, чем ЭМР. Это объясняется тем, что электромагнитная постоянная времени обмотки у них обычно соизмерима с величиной одного периода переменного тока, а э.д.с. самоиндукции, возникающая при движении якоря, значительно ниже приложенного напряжения.

Поскольку в рассматриваемой системе для переключения управляющих элементов стрелочного перевода применяются главным образом ЭМП одного типа, ограничимся исследованием стабильности срабатывания ЭМП в функции напряжения питания.

Представим выражение (2.19) в виде, удобном для анализа погрешности:

t_СР = (3.1)

где А₂ = ; В₂ = ;

Случайная величина u имеет нормальный закон распределения. При заданном уровне Р и квантиле х_р определим границы u₁ и u₂:

u₁ = – х_р · G u₂ = + х_р · G.

Абсолютная погрешность времени срабатывания ЭМП определим как:

t_СРМП = t_СР(u₂) – t_СР (u₁).

Погрешность ССП в функции Dt_СР ЭМП запишется:

(3.2)

Для определения t_ср ЭМП была создана лабораторная установка, общий вид, которой приведен на рисунке 3.1.

Рис. 3.1. Лабораторная установка для определения tср ЭМП.

Для фиксации начала цикла – включения напряжения питания в катушку ЭМП – кнопкой пуска К включалась цепь фиксации, состоящая из источника напряжения ИМ I, задающего сопротивления R₁ и гальванометра ШЛ I шлейфового осциллографа Н 700.

С целью фиксации момента окончания перемещения якоря на нем и на корпусе ЭМП была закреплена контактная пара (КП) так, что в момент касания якоря ЭМП стопора контакты КП замыкались, включая в цепь источника питания ИП гальванометр ШЛ 2 шлейфового осциллографа и резистор R₂.

Напряжение питания катушек ЭМП установилось с помощью ЛАТРа.

Результаты эксперимента приведены на рисунке 3.2., где момент включения напряжения в катушку ЭМП зафиксирован меньшим уровнем тока, момент окончания движения якоря зафиксирован большим уровнем тока.

На результатах эксперимента построена зависимость t_ср в функции напряжения питания. (Рисунок 3.3.) Откуда следует, что при изменении питающего напряжения на +10%; - 15% время срабатывания изменяется на +15 25% и для исследуемого типа (МТ5201 1, 6 кг 5мм) составило + t = 0, 003 с и – t = 0, 0045 с. t_ср = 0, 0075 с.

Рис. 3.3. Зависимость tср в функции напряжения питания.

Анализ технических средств обеспечения безопасного движения на горке

На сети железных дорог функционирует 58 сортировочных железнодорожных станций сетевого и регионального значения. От эффективности их работы в целом зависит ритмичность продвижения грузовых составов по той или иной магистрали, качестве использования подвижного состава и локомотивных бригад, обеспечении безопасности движения, сохранности подвижного состава и перевозимых грузов. Сортировочная железнодорожная станция: выявить пути повышения уровня безопасности движения поездов на сортировочных горках. показать достоинства новых устройств по отношению к действующим отечественным и зарубежным устройствам. Приоритетным направлением технологического развития сортировочных станций ОАО «РЖД» является совершенствование системы оперативного планирования эксплуатационной работы с использованием автоматизированных систем управления. Значительно повышается эффективность функционирования станций в результате их технического перевооружения и модернизации инфраструктуры. С целью увеличения пропускных способностей, ускорения продвижения вагонопотоков, сокращения ручного труда за счет внедрения новейших систем управления и планирования работы, улучшения показателей функционирования станций, реализуется актуализированные программы совершенствования их работы и развития. Для автоматизации управления роспуском на сортировочных горках внедряются программно-аппаратные автоматизированные системы, в том числе Комплексные Системы Автоматизации Управления Сортировочным Процессом (КСАУ СП) и Система Автоматизированного Управления скоростью скатывания отцепов (АРС-УУПТ). КСАУ СП, имеющая многоуровневую структуру и автоматически реализует следующие функции: - информационный обмен с АСУ станции для создания реальной модели парков; - формирование маршрутов скатывания отцепов и контроль маневровых передвижений; - управление скоростями скатывания отцепов и накоплением вагонов в сортировочном парке; - контроль работы напольного и постового оборудования и их предотказная диагностика; - анализ работы устройств ЖАТ и формирование оповещений в режиме реального времени. АРС-УУПТ (система автоматизированного управления скоростью скатывания отцепов) на базе инновационных вагонных замедлителей с длинной тормозной шиной и электронной быстродействующей управляющей аппаратурой ВУПЗ-05М в которой применяется алгоритм непрерывного плавного торможения отцепов с восьмиступенчатой шкалой управления и аппаратурой контроля заполнения путей сортировочного парка. Замедлитель с длинной тормозной шиной Для рассчитывания скорости надвига и управления горочным светофором, используется Контроллер вершины горки (КВГ), который перед роспуском состава по специальному каналу передачи информации через модем получает в электронном виде сведения сортировочного листка с указанием пути надвига и участка контроля расцепа. По полученной информации КВГ транслирует информацию о количестве вагонов в первых трех отцепах расформируемого состава на указатель количества вагонов (УКВ), расположенный на вершине горки Вершина горки В настоящее время КСАУ СП введена в эксплуатацию на 19 сортировочных комплексах: Бекасово и Орехово-Зуево Московской. ж.д., Лоста, Красноярск-Восточный, Иркутск-Сортировочный Красноярской ж.д., Инская, Входная, Алтайская Западно-Сибирской ж.д. и др. В результате улучшилось качество их эксплуатационной работы, ликвидированы посты резервного управления замедлителями парковой тормозной позиции, сокращено количество горочных операторов, задействованных в процессе роспуска составов. Алгоритм, применённый в АРС-УУПТ обеспечивает: - экономию электроэнергии; -высокую точность вытормаживания отцепов (свыше 90 % отцепов вытормаживаются до скорости, соответствующей расчетной); -экономию ресурса замедлителей; расхода моторесурсов локомотивов, времени на осаживание вагонов в сортировочном парке, компрессорного оборудования; - максимальное заполнение путей сортировочного парка. Алгоритм опробован на замедлителе парковой тормозной позиции КЗПУ с управляющей аппаратурой ВУПЗ-05Э на сортировочной горке станции Новая Еловка Красноярской железной дороги. В результате обеспечивается высокая точность реализации заданной скорости выхода отцепов из тормозных позиций при их вытормаживании до расчетных скоростей, сокращаются расходы на электроэнергию, необходимую для производства сжатого воздуха. Так, в «импульсном» режиме управления замедлителем происходит от двух до четырех циклов торможения/оттормаживания на одном вагоне, а расход сжатого воздуха составляет от трех до восьми кубометров. При использовании алгоритма непрерывного плавного управления производится один цикл торможения/оттормаживания замедлителя на одном вагоне. Расход сжатого воздуха составляет от 1 до 1, 5 кубометров, что в 3-5 раз меньше, чем в «им- пульсном» режиме торможения. Так как на горках малой мощности отсутствует централизованная система воздухоснабжения, на них невозможно использовать традиционные для горок большой и средней мощности пневматические вагонные замедлители. Поэтому в ОАО «РЖД» проанализировали и начали внедрять альтернативные пути механизации горок малой мощности. Они основаны на применении энергонезависимых типов вагонных замедлителей. К числу таких устройств относятся, например, замедлитель вагонный 34 энергосберегающий типа ЗВЭ и энергонезависимый пружинно-гидравлический вагонный замедлитель типа ПГЗ которые служат для регулирования скорости вагонных отцепов. Энергонезависимые вагонные замедлители типа ЗВЭ и ПГЗ Замедлители оснащены нажимным механизмом, приводящим тормозную систему в рабочее положение при наезде колеса тормозимого вагона. Для создания тормозного эффекта эти замедлители используют кинетическую энергию движущегося вагона и не требует дополнительного подвода энергоносителя от внешнего источника. Усилие нажатия тормозных шин обеспечивается гидросистемой, а перевод в отторможенное положение – пружинным механизмом. Эти замедлители проходят опытную эксплуатацию на станции Молодечно республики Беларусь. Также энергонезависимыми замедлителями являются, точечные вагонные замедлители, которые получили широкое распространение на сортировочных горках США, Канады, Западной Европы и Китая. В России на сегодняшний день, точечные замедлители TDJ производства КНР установлены и эксплуатируются только на ст. Забайкальск и Лужская Сортировочная. Их устанавливают вдоль одного или двух рельсов в шпальные ящики на протяжении всего пути следования отцепа до конца сортировочного парка. Такие замедлители также могут применяться для автоматизации закрепления составов на станционных путях. Точечные вагонные замедлители также применяются для торможения вагонов с грузами отдельных категорий, запрещенных к роспуску. Так как для этих вагонов недостаточно традиционных средств управления торможением с применением балочных вагонных замедлителей нажимного типа. Основной недостаток которых - зависимость коэффициента трения от состояния боковых поверхностей колес и их толщины. Для гарантированного снижения скорости вагона необходимо применение точечных вагонных замедлителей, взаимодействующих не с боковой, а с торцевой поверхностью колеса. Применение точечных замедлителей TDJ на сортировочной станции Забайкальск 35 В поиске новых идей, учёными Петербургского государственного университета путей сообщения (ПГУПС) разработан новый тип вагонного замедлителя - стопора, вызывающего тормозное усилие с помощью энергии электромагнитного поля. Вагонный замедлитель-стопор, на основе электромагнитного поля Основу конструкции составляет статор линейного асинхронного двигателя, создающий бегущее навстречу движению вагона магнитное поле. Оно, в свою очередь, возбуждает вихревые токи в колёсах, и направленная в противоположную сторону движения вагона электромагнитная сила, способна останавливать подвижной состав. Причём торможение осуществляется без какого-либо механического контакта неподвижного замедлителя, с движущейся колёсной парой. Благодаря этому замедлителю, снижается износ колёсных пар в процессе эксплуатации, в связи с отсутствием тормозных шин. Новый вагонный замедлитель управляется оператором дистанционно либо работает в полностью автоматическом режиме. Очень важно, что его можно будет использовать для торможения как тяжеловесных составов массой до 10 тыс. тонн, так и отдельных вагонов на сортировочных горках. Для использования замедлителя на основе электромагнитного поля, необходимо построить только систему электроснабжения, необходимость строительства компрессорной станции и крупной системы воздухоснабжения отсутствует. Планируется, что потребляемая новым устройством мощность не будет превышать 5 кВт. Время его перевода в рабочее и исходное положение составляет менее одной минуты, что обеспечивает высокую эффективность процесса роспуска на сортировочных горках. Также этот тип замедлителя может использоваться вместо тормозных башмаков, для фиксации состава на приемоотправочных путях, такой подход позволит отказаться от тяжёлого ручного труда «башмачника» и значительно повысить уровень безопасности работы персонала. Для торможения и закрепления вагонов и отцепов с целью предотвращения несанкционированного выхода подвижного состава за пределы полезной длины станционных путей, внедряют Балочное Заграждающее Устройство с дистанционным управлением (БЗУ-ДУ-СП). БЗУ ДУ-СП бывает в однорельсовом и двухрельсовом варианте исполнения. БЗУ ДУ-СП в двухрельсовом и однорельсовом варианте исполнения Данное устройство проходит опытную эксплуатацию на станции Бердяуш Южно-Уральской железной дороги и в перспективе может стать единственными средством закрепления вагонов. В результате внедрения таких систем как КСАУ СП и АРС-УУПТ происходит: - улучшение качества эксплуатационной работы сортировочных горок, -ликвидация постов резервного управления замедлителями парковой тормозной позиции, -сокращение количества горочных операторов, задействованных в процессе роспуска составов. Внедрение системы КСАУ СП позволит реализовать малолюдные технологии обслуживания станционных устройств и управления роспуском составов с обеспечением безопасности роспуска, сохранности грузов и подвижного состава. За счёт этих факторов срок окупаемости инвестиций, затраченных на строительство и техническое оснащение станции, составит не более 3 лет. В последние годы проводилось активное сравнение технических характеристик и потребительских свойств системы КСАУ СП с лучшими зарубежными аналогами, включая расчёт жизненного цикла системы на основе принятых в ОАО «РЖД» методик. Для сравнения - Российская сортировочная станция Инская Западно- Сибирской железной дороги, имеющая 2 разнонаправленные горки (24 и 36 путей) в настоящее время перерабатывает около 9000 вагонов в сутки, а вагонооборот на станции достигает 23 000 вагонов в сутки. Вагонооборот на крупнейшей сортировочной станции Бэйли Ярд (Bailey Yard) (штат Небраска) по данным за 2012 года составляет около 14000 вагонов в сутки. На ее территории находится две разнонаправленные горки («четная» и «нечетная» - 65 и 49 путей соответственно) перерабатывающих около 3600 вагонов в сутки. Результаты данных исследований подтвердили высокий уровень качества отечественной системы по основным показателям функциональности, надёжности и безопасности при более низкой стоимости жизненного цикла. Стоимость системы автоматизации MSR-32 немецкой фирмы «Сименс», которой оборудуется строящаяся станция Лужская несоизмерима со стоимостью КСАУ-СП (Н.А. Балуев зам. нач. ЦДИ). 37 Заключение На сети железных дорог функционирует 58 сортировочных станций сетевого и регионального значения. Увеличение их перерабатывающей способности с использованием инновационных технологий и современной горочной техники - одна из основных задач ОАО " РЖД" в условиях возрастающего грузопотока. За 2014 г. вагонооборот увеличился на 3 % по сравнению с 2013г. и составил в среднем на одну станцию 11, 0 тыс. Для достижения высоких эксплуатационных показателей таких станций, обеспечения безопасности роспуска составов и техники безопасности эксплуатационного персонала необходимы коренное обновление и комплексная реконструкция средств механизации и автоматизации. Универсальная система КСАУ СП может быть применена практически при любой модернизации сортировочной горки. Это достоинство выражается как в снижении стоимости, так и в сокращении времени внедрения. Система интегрируется с остальными устройствами сортировочной станции – ЭЦ, с устройствами автоматизации верхнего уровня. По статистике, на лидирующих горках, где внедрена комплексная система автоматизированного управления сортировочным процессом, более 80 процентов отцепов распускается в автоматическом режиме. А эксплуатация балочных заграждающих устройств БЗУ ДУ СП, устанавливаемых в конце путей сортировочного парка для закрепления составов и энэргонезависимые замедлители в перспективе должны исключить применение традиционных средств закрепления - тормозных башмаков, накладываемых вручную, и устройств УТС-380, функционирование которых основано на принципе «упора» и не может обеспечить безопасной эксплуатации при проведении маневровой работы.

ВЫВОДЫ:

1. Динамическая погрешность управляющей системы обусловленная нестабильностью переходного режима переключения Ст.п, зависящего от изменяющейся нагрузки со стороны системы остряка и упругости рабочей среды, представляется:

– первой составляющей – в функции времени переходного режима двигателя и диапазона изменения фактической скорости остряка и подвижного состава;

– второй составляющей – в функции вариации времени переходного процесса двигателя и величины фактического сопротивления переводимой массы;

– третьей составляющей – в функции дисперсии величины свободного выбега двигателя.

2. ДП ИУСП в функции вариации параметров электромагнитного реле (ЭМР) и электромеханического преобразователя (ЭМП) представляется:

– первой составляющей, определяемой временем срабатывания ЭМР и ЭМП и дисперсией фактической скорости подвижной системы остряка и подвижного состава;

– второй составляющей, определяемой дисперсией времени срабатывания ЭМР и ЭМП и величиной фактической скорости подвижного состава;

– суммарное время срабатывания ЭМР и ЭМП и их вариации соизмеримы с соответствующими временными параметрами электропривода.

3. Установлено, что величина второй составляющей существенно больше величины первой составляющей ДП; суммарная ДП ИУСП в функции вариации параметров ЭМР примерно на порядок больше ДП ИУСП в функции вариации параметров ЭМП; величина ДП в функции нестабильности переходного режима соизмерима с величиной ДП в функции нестабильности параметров ЭМР, питающего выпрямленным сетевым напряжением.