СПОСОБ ДИНАМИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЯГОВЫМ УСИЛИЕМ КОЛЕС ЛОКОМОТИВА Российский патент 2009 года по МПК B61C15/14 B60L3/00 

Настоящее изобретение относится к системе управления тяговым усилием железнодорожного локомотива и, более конкретно, к системе и способу улучшения управления сцеплением локомотива с использованием измерений проскальзывания и сцепления на всех осях и близ оси каждой из других осей для управления сцеплением каждой отдельной оси.

Железнодорожные локомотивы должны развивать очень большое тяговое усилие в самых разнообразных дорожных условиях, т.е. на сухом, влажном, обледеневшем или замасленном пути. Вырабатывание максимального тягового усилия локомотивом или сцепкой нескольких локомотивов позволяет максимально эффективно и результативно эксплуатировать поезд. Развитие максимального тягового усилия локомотивом требует, чтобы каждая ось локомотива, которая имеет тяговый двигатель и колеса, соединенные с осью, развивала максимальное тяговое усилие.

В движущемся поезде развитие максимального тягового усилия каждой осью является динамической функцией, зависящей от ряда факторов, частью которых можно управлять, а частью - нельзя. К последним относится состояние рельсов. Специалистам в данной области техники понятно, что тяговое усилие ограничивается величиной контактного трения между колесами локомотива и точкой контакта рельса, по которому колеса катятся в каждый данный момент. Эта величина трения, в свою очередь, зависит от таких факторов, как, помимо прочего, присутствие загрязнений (масла или смазок или, например, песка) на рельсе или на колесе, форма (правильная круглая форма) колеса, форма рельса, температура атмосферы и нормальное усилие или вес, приложенный к оси.

Согласно фиг.1 показанный локомотив V имеет переднюю карету или тележку К1 и заднюю тележку К2. Каждая тележка имеет множество осей. На фиг.1 показаны 3 оси, при этом тележка К1 имеет оси А1-А3, а тележка К2 имеет оси А4-А6. Колеса W установлены на каждом конце каждой оси. Локомотив движется по рельсам, в общем обозначенным ссылочной позицией R. Во многих конструкциях локомотивов их колеса приводятся в движение тяговыми электродвигателями, что хорошо известно специалистам в данной области техники. Это позволяет управлять крутящим моментом на каждом локомотиве, на каждом наборе осей, на каждой оси или на каждой тележке. Современные системы управления сцеплением пытаются максимизировать тяговое усилие, передаваемое на рельсы, управляя проскальзыванием колес через величину крутящего момента, прилагаемого к осям.

Проскальзывание определяется следующим образом:

проскальзывание=(скорость колеса (W) - скорость поезда)/скорость поезда

В патенте США №6163121 описаны способ и система управления тяговым усилием для локомотива, в котором раздельно управляют допустимым проскальзыванием на каждой оси, т.е. на осях А1-А6 с фиг.1. В системе управления, описанной в этом патенте, осуществляется мониторинг тягового усилия, генерируемого каждой осью (включая связанные с ней тяговый двигатель и колеса). Затем генерируются управляющие сигналы, которые подаются на тяговый двигатель оси для создания такого проскальзывания, которое необходимо для достижения максимального тягового усилия.

Проблема известной системы управления заключается во времени ее реакции на изменение дорожных условий. Это время может превышать десять секунд между изменением условий на рельсах и результирующей реакцией системы по изменению работы тягового двигателя для создания максимального тягового усилия для этих новых условий. Соответственно, при движении поезда за время, проходящее между обнаружением изменения условий и реакцией системы для создания максимального тягового усилия для таких условий, эти условия могут существенно измениться.

Независимо от того как происходит управление крутящим моментом, т.е. по каждой оси, по группе осей или по всему локомотиву, система управления сцеплением типично напрямую или косвенно измеряет скорость каждого колеса и скорость локомотива. Затем скорость колеса и математические производные скорости колеса, а также измеренная или вычисленная скорость локомотива используются для регулировки величины прилагаемого крутящего момента.

Как показано на фиг.2, сцепление определяется уравнением:

На фиг.2 показаны отдельные рабочие характеристики для ряда разных условий на рельсах, включая сухие рельсы, сухие рельсы с песком на них, влажные рельсы и замасленные рельсы. Эти кривые являются только иллюстративными, и специалистам понятно, что реальное соотношением между трением и проскальзыванием может быть иным. Соответствующие кривые являются показателями сцепления относительно проскальзывания на единицу измерения для каждого из различных условий. На кривых показаны пики f, b и с для сухих рельсов с песком, сухих рельсов и мокрых рельсов соответственно. Если локомотив оснащен системой управления крутящим моментом на каждой отдельной оси, как описано в патенте США №6163121, то управление оптимальным уровнем проскальзывания раздельно осуществляется для каждой оси.

Фиг.3 представляет собой упрощенную блок-схему, иллюстрирующую систему управления сцеплением индивидуальной оси согласно предшествующему уровню техники. В этой системе контроллер WCC проскальзывания колеса динамически регулирует величину прилагаемого к оси крутящего момента, при этом проскальзывание колеса ограничивается величиной, установленной устройством ТЕМ максимизации тягового усилия. Устройство ТЕМ максимизации тягового усилия динамически регулирует величину лимита проскальзывания, которая подается на контроллер WCC, чтобы достичь и поддерживать пиковые величины (а, b, с) для соответствующих кривых сцепления, показанных на фиг.2. Контроллер WCC, в свою очередь, подает со своего выхода предел крутящего момента проскальзывания на контроллер ТМТС крутящего момента тягового двигателя, посредством которого приводится тяговый двигатель ТМ индивидуальной оси.

Оси А1-А6 на локомотиве V движутся по рельсам R последовательно. Состояние рельсов R и кривые сцепления, такие как показаны на фиг.2, меняются от оси к оси по нескольким причинам, таким как:

a) очистка рельсов из-за взаимодействия колеса с точкой контакта на рельсе;

b) песок или средство для усиления сцепления, которые наносят на рельсы;

c) масло от путевого лубрикатора, на агрегатах, на рельсах или на реборде;

d) различия в нормальной силе (включая вес) на осях и

e) изменения точки контакта и траектории (поскольку все колеса не могут все время двигаться точно по одной и той же траектории по рельсам).

На фиг.4 показано сцепление трех последовательных осей, движущихся по рельсам. На фиг.4 графики исходят из того, что существенной разницы в трении между осями нет. Фиг.5 является увеличенной частью графиков с фиг.4. На фиг.5 точки, обозначенные L, М и Т, представляют собой проскальзывание соответственно передней оси L (А1 или А4), средней оси М (А2 или А5) и задней оси Т (A3, А6) на тележке (K1, K2). Как показано на этом чертеже, передняя и задняя оси L и Т не работают на пиковом или оптимальном уровне проскальзывания, тогда как средняя ось М работает на пиковом, оптимальном уровне проскальзывания. Если различные факторы, такие как очистка рельсов и различия в нормальной силе между осями, пренебрежимо малы, то величина проскальзывания для оси (ось М), создающей существенно большее тяговое усилие, чем другие две оси тележки, представляет величину проскальзывания, которую должны достичь две другие оси тележки.

На фиг.6 показано, как можно регулировать величины предела проскальзывания для индивидуальных осей для увеличения из соответствующего тягового усилия. Настоящее изобретение направлено на улучшение системы управления сцеплением, показанной на фиг.3 и описанной в патенте США №6163121. Как описано ниже, управляющая информация, например показанная на фиг.6, комбинируется с информацией об индивидуальной оси, например измеренным уклоном кривой сцепления (ΔТЕ/Δcreep) для конкретной оси, для объединения всех осей локомотива для улучшения совокупного тягового усилия локомотива V.

Коротко говоря, настоящее изобретение относится к системе управления тяговым усилием для железнодорожного локомотива для сокращения времени реакции на изменение эксплуатационных условий с тем, чтобы поддерживать тяговое усилие локомотива на максимальном уровне. Система достигает этого путем определения момента, когда ось создает максимальное или близкое к максимальному тяговое усилие для существующих условий на рельсах и затем регулирует тяговые двигатели других осей так, чтобы они могли быстрее адаптировать свою работу для создания максимального для этих условий тягового усилия на связанных с ними осях. Эта система работает динамически, поэтому быстро реагирует на обнаруженные изменения условий на рельсах.

В системе используется информация о качестве сцепления (которая включает проскальзывание, тяговое усилие, крутящий момент и т.д.), полученная для каждой оси, установленной на тележке, для улучшения совокупного тягового усилия всех осей, установленных на локомотиве. В системе эта информация о качестве сцепления и о близости оси для влияния на совокупное сцепление локомотива с набором рельсов, по которым движется локомотив, и, тем самым, для динамического управления тяговыми возможностями локомотива. Настоящее изобретение работает на многих уровнях, т.е. от оси к оси, от тележки к тележке, от локомотива к локомотиву (в сцепке нескольких локомотивов) и от поезда к поезду (когда один поезд проходит по тем же рельсам, что и следующий поезд).

В способе согласно настоящему изобретению сигнал управления проскальзыванием подают на контроллер тягового усилия каждой оси для перемещения локомотива по рельсам, при этом сигнал управления проскальзыванием является функцией управления сцеплением или рабочих характеристик этой оси. Совокупный сигнал управления проскальзыванием, характеристики которого являются функцией рабочих характеристик каждой из других осей, влияет или «дает рекомендацию» сигналу управления проскальзыванием для достижения максимального тягового усилия для каждой из соответствующих осей и для уменьшения времени реакции, за которое ось достигает максимального тягового усилия при изменении условий на рельсах. Совокупный сигнал управления проскальзыванием является функцией сцепления на каждой оси, а также близости каждой оси к каждой из других осей. Входы по тяговому усилию и проскальзыванию от каждой из осей объединяют для создания матрицы совокупных величин управления проскальзыванием, при этом совокупный сигнал управления проскальзыванием для каждой конкретной оси выводят из этой матрицы величин. Информация, используемая в матрице, содержит не только текущую информацию, но и эксплуатационные данные. Информация может быть привязана к географическому положению (поскольку рельсы и условия на рельсах отличаются в зависимости от региона) и времени (поскольку условия на рельсах могут зависеть от времени года).

Таким образом, согласно настоящему изобретению создан способ динамического управления тяговым усилием колес на первой оси локомотива в поезде, имеющем один или более локомотивов, каждый из которых имеет тяговые оси и колеса, движущиеся по рельсовому пути, для уменьшения времени реакции и увеличения тяги локомотива, при котором: измеряют характеристику сцепления первой оси, измеряют характеристику сцепления, по меньшей мере, одной другой оси поезда, образующей вторую ось, и используют данные, указывающие на характеристику сцепления второй оси, для получения сигнала управления совокупным проскальзыванием для рекомендации контроллеру, приводящему первую ось, о максимизации тягового усилия, если тяговое усилие второй оси находится ближе к максимуму для текущих условий на рельсах для сокращения времени достижения первой осью максимального тягового усилия для ее условий на рельсах.

Предпочтительно, измерение характеристики сцепления первой оси на локомотиве и второй оси включает измерение одного из следующих параметров: тягового усилия, крутящего момента или проскальзывания осей.

Предпочтительно, дополнительно объединяют сигнал управления совокупным проскальзыванием с другой информацией о характеристике сцепления для получения сигнала управления проскальзыванием, причем сигнал управления совокупным проскальзыванием используется контроллером для привода оси.

Предпочтительно, сигнал управления совокупным проскальзыванием является функцией близости этой оси локомотива к другой оси, эксплуатационных данных о соответствующей оси, специфической информации о положении рельсового пути, по которому движется локомотив, и специфической информации о времени для рельсового пути, по которому движется локомотив.

Предпочтительно, локомотив имеет множество тележек, на каждой из которых установлены оси, при этом комбинируют величины, представляющие характеристику сцепления на всех осях, установленных на тележках, для получения сигнала управления совокупным проскальзыванием, который подают на контроллеры, приводящие каждую из осей на этой тележке, для максимизации тягового усилия всех осей, установленных на тележке, за минимальное время в ответ на изменение условий на рельсах.

Предпочтительно, дополнительно комбинируют величины, представляющие характеристику сцепления всех осей локомотива, установленных на всех тележках локомотива, для максимизации тягового усилия всех осей локомотива за минимальное время в ответ на изменение условий на рельсах.

Предпочтительно, дополнительно комбинируют информацию о характеристике сцепления для каждой из осей для создания матрицы величин управления совокупным проскальзыванием, при этом сигнал управления совокупным проскальзыванием, подаваемый для каждой оси, выводят из матрицы величин для всех осей.

Предпочтительно, локомотив является одним из множества локомотивов состава, при котором дополнительно используют величины, представляющие характеристику сцепления оси, установленной на одном из других локомотивов, для максимизации тягового усилия оси, установленной на одном локомотиве за минимальное время в ответ на изменение условий на рельсах.

Предпочтительно, величины, представляющие характеристику сцепления всех осей, установленных на ведущем локомотиве в составе, используют для максимизации тягового усилия осей, установленных на каждом последующем локомотиве в составе, за минимальное время в ответ на изменение условий на рельсах.

Предпочтительно, имеется множество составов, движущихся по одному и тому же пути и при котором используют величины, представляющие характеристику сцепления оси, установленной на локомотиве ведущего состава, для максимизации тягового усилия оси, установленной на одном локомотиве, за минимальное время в ответ на изменение условий на рельсах.

К преимуществам системы управления тяговым усилием относятся создание оптимального проскальзывания для каждой оси, пределы проскальзывания для каждой оси, основанные на данных о работе других осей, быстрая реакция на значительные изменения в трении на поверхности рельсов, снижение ошибок измерения проскальзывания и лучшая реакция на переходные условия на рельсах.

Эти и другие цели, признаки и преимущества настоящего изобретения, а также предпочтительные в настоящее время его варианты будут более понятны из нижеприведенного описания со ссылками на прилагаемые чертежи.

Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - железнодорожный локомотив, имеющий множество тележек с множеством осей на каждой тележке;

фиг.2 - диаграмма возможных рабочих характеристик для разных условий на рельсах, причем кривые показывают сцепление с проскальзыванием на единицу измерения;

фиг.3 - блок-схема системы управления проскальзыванием для индивидуальных осей согласно предшествующему уровню техники;

фиг.4 и 5 - пример характеристик сцепления для последовательных осей, движущихся по участку рельсов;

фиг.6 - схема усовершенствованной системы управления сцеплением согласно настоящему изобретению для согласования управляющей информации о проскальзывании для одной оси тележки с такой информацией для других осей этой тележки;

фиг.7 - блок-схема усовершенствованной системы управления сцеплением согласно настоящему изобретению;

фиг.8 - блок-схема части системы управления, иллюстрирующая как входной сигнал с компенсированным весом подается на блок управления совокупным проскальзыванием системы;

фиг.9 - диаграмма, иллюстрирующая пример управления совокупным проскальзыванием с использованием информации, относящейся к сцеплению на осях с равным трением;

фиг.10 - диаграмма характеристик сцепления для трех последовательных осей, имеющих равное трение, но поддерживающих разный вес;

фиг.11 - диаграмма, подобная фиг.10, но на которой оси имеют разные фрикционные характеристики;

фиг.12 - блок-схема части блока управления совокупным проскальзыванием, иллюстрирующим нормализацию проскальзывания для одной оси, чтобы информацию можно было использовать для другой оси;

фиг.13 - диаграмма нормализованных отношений сцепления для двух осей;

фиг.14 - пример матрицы характеристики близости, сгенерированной по способу согласно настоящему изобретению;

фиг.15 - репрезентативный набор величин для веса, поддерживаемого каждой осью на локомотиве, и величины сцепления и ожидаемого сцепления для этих осей и диаграмма результирующих характеристик сцепления и ожидаемого сцепления;

фиг.16 - матрица рекомендаций, определенная как функция нормализованных величин сцепления на оси;

фиг.17 - матрица рекомендаций для качества управления совокупным проскальзыванием, основанная как на нормализованных величинах сцепления на осях, так и на близости одной оси к другой;

фиг.18 - диаграмма нормализованных величин проскальзывания и ожидаемого проскальзывания для каждой из осей и матрица проскальзывания 6×6, основанная на этих величинах;

фиг.19 - графическое представление того, как результирующие величины управления совокупным проскальзыванием ccc_n влияют на измеренные величины проскальзывания crp_n для каждой оси, и

фиг.20 - упрощенное представление двух поездов, имеющих несколько локомотивов, движущихся по одному и тому же участку пути.

На всех чертежах одинаковые элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями.

Нижеследующее описание является иллюстративным и не ограничивающим. Это описание позволяет специалисту в данной области техники воспроизвести и использовать изобретение, причем в нем описано несколько вариантов адаптации, модификаций, альтернатив и вариантов применения изобретения, включая считающийся в настоящее время наилучшим способ осуществления изобретения.

Как показано на чертежах и описано выше со ссылкой на фиг.1, железнодорожный локомотив V имеет переднюю тележку К1 и заднюю тележку К2. Каждая тележка поддерживает три оси А1-А3 и А4-А6 соответственно. Усовершенствованная система управления тяговым усилием согласно настоящему изобретению в целом обозначена ссылочной позицией 10 на фиг.7. Система 10 содержит блок 12 управления совокупным проскальзыванием (ССС), который для локомотива с фиг.1 рассчитан на шесть осей и имеет систему управления проскальзыванием для индивидуальных осей. Для этого каждая ось имеет связанный с ней блок максимизации тягового усилия ТЕМ1-ТЕМ6 соответственно. Блок 12 управления подает раздельные сигналы на каждый блок максимизации тягового усилия. Эти сигналы ccc1-ccc6 являются управляющими сигналами, которые соответственно используются для влияния на выводимый предел проскальзывания для каждого блока максимизации тягового усилия для создания наибольшей величины тяги для каждого колеса W, которые установлены на концах каждой оси. Специалистам понятно, что локомотив V является исключительно иллюстративным и он может иметь больше двух тележек, показанных на фиг.1, причем каждая тележка может иметь больше или меньше трех осей.

Каждый блок максимизации тягового усилия ТЕМ1-ТЕМ6 содержит управляющую логику, которая «ищет» максимальное тяговое усилие для индивидуальной оси. Блок максимизации делает это, регулируя величину проскальзывания, присутствующего на интерфейсе колесо W - рельс R.

Одним из уравнений, используемых блоками максимизации тягового усилия ТЕМ1-ТЕМ6, является следующее:

Предел проскальзывания = предыдущий предел

проскальзывания+Δt×знак(m)×(crp_max-crp_min)×K_j (Ур.1)

где:

Δt - заранее определенный временной интервал для дискретного контроллера (не показан) блока максимизации тягового усилия;

m - управляющий сигнал, показывающий измеренную (или оценочную) крутизну характеристики сцепления;

crp_max и crp_min - соответственно верхний и нижний пределы диапазона проскальзывания для крутизны m; и

K_j - коэффициент усиления (т.е. пропорциональность), управляющий скоростью, с которой предел проскальзывания движется для данной крутизны m.

В системах управления согласно предшествующему уровню техники, например описанной в патенте США №6163121, коэффициент предела проскальзывания поддерживается, по существу, на постоянном уровне. Для характеристики сцепления, например, показанной на фиг.5, измеренная крутизна m может быть либо положительной, либо отрицательной в зависимости от того, на какой стороне кривой работает система управления сцеплением. Для кривых, показанных на фиг.5, положительной крутизной будет движение вверх по левой стороне кривой по направлению к пику, а отрицательной крутизной будет движение вниз от пика по правой стороне кривой.

Согласно настоящему изобретению уравнение 1 теперь дополнено управляющим эффектом, который создается алгоритмом, по которому работает блок 12 управления совокупным проскальзыванием. Это достигается путем включения показателя скорости проскальзывания ccc_n (где n - номер оси) и подачей выхода блока 12 управления на блок максимизации ТЕМ для каждой оси. Результирующий выход определяется, например, согласно уравнению 2 следующим образом:

Предел проскальзывания = предыдущий предел

проскальзывания+Δt×(Kj×m×(crp_max-crp_min)+ccc_n) (Ур.2)

Как показано на фиг.7, на блок 12 управления совокупным проскальзыванием от каждой оси подают сигнал te_fb_n обратной связи по тяговому усилию, при этом этот сигнал также подают на соответствующий блок ТЕМ максимизации тягового усилия для этой оси. На блок управления совокупным проскальзыванием также подают сигнал проскальзывания creep_n для каждой оси, причем этот сигнал подают на соответствующий блок максимизации тягового усилия для этой оси. Как описано ниже, блок 10 управления комбинирует информацию, содержащуюся в этих сигналах для генерирования сигнала ccc_n, который подают на блоки максимизации тягового усилия ТЕМ1-ТЕМ6. Теперь сигнал предела проскальзывания, подаваемый каждым блоком максимизации на контроллер проскальзывания колеса тягового двигателя для соответствующей оси, модифицируется в соответствии с рабочими условиями на каждой из других осей локомотива, в частности когда изменяются условия на рельсах. Специалистам понятно, что сигнал ccc_n представляет объединенные эффекты (влияние) всех других осей на скорость изменения целевого проскальзывания для конкретной оси n. Сигнал управления совокупным проскальзыванием теперь изменяет выходной сигнал предела проскальзывания блока максимизации тягового усилия и управление проскальзыванием для этой конкретной оси.

Важно, и как показано на фиг.20, что поезд может содержать несколько локомотивов V1-Vn, расположенных либо рядом друг с другом, либо с определенными интервалами в составе С1. Поскольку каждый локомотив движется по тому же пути, что и другие локомотивы, информацию, используемую для улучшения управления сцеплением одного локомотива в составе можно передавать на задние локомотивы в составе и использовать ее для тех же целей. Коммуникационные системы для передачи информации и данных по составу известны и их описание опускается. Далее, в настоящем изобретении предусматривается передача информации об управлении сцеплением в одном составе С1 на локомотивы следующего за ним состава С2 для использования локомотивами этого состава. Таким образом, настоящее изобретение применяется на разных уровнях, т.е. от оси к оси, от тележки к тележке, от локомотива к локомотиву в составе, содержащем несколько локомотивов, от поезда к поезду, где один поезд движется по тому же пути, что и следующий поезд.

Как указано выше, система и способ согласно настоящему изобретению используют информацию о качестве сцепления (включая помимо прочего информацию о тяговом усилии, крутящем моменте и проскальзывании) на оси локомотива и подобную информацию о, по меньшей мере, одной другой оси. Эта другая ось может быть на той же тележке или на одной из других тележек локомотива. Однако это может быть ось другого локомотива в составе или ось локомотива другого состава. Согласно настоящему изобретению, величины, представляющие качество сцепления, по меньшей мере, этих двух осей, комбинируются для создания сигнала, который подается на контроллер ТМТС, приводящий ось локомотива для максимизации тягового усилия на этой оси. Информация о сцеплении используется для максимизации тягового усилия каждой оси локомотива и для уменьшения времени реакции, необходимого оси для восстановления максимального тягового усилия в ответ на изменение условий на рельсах.

Статический и динамический перенос веса в пределах тележки К1 или К2 и локомотива V приводит к разной нормальной силе на каждой оси. Эта разница в силе компенсируется путем расчета величины сцепления для этой оси (при этом используются расчетные величины сцепления), а не путем использования выходного сигнала блока максимизации тягового усилия ТЕМ для этой оси. Как показано на фиг.8, каждый сигнал обратной связи по тяговому усилию te_fb_n подается на вход матрицы 14 переноса веса. Выход матрицы 14 представляет изменения нормальной силы из-за динамики соединения тягового усилия одной оси с нормальной силой на другой оси и подаются как один вход на сумматор 16. На второй вход сумматора подается величина нормальной силы, определяемая вычислительным устройством 18 нормальной силы на каждой оси. На вход вычислительного устройства 18 подают величину вектора статического веса и величину вектора диаметра колеса. (Это представляет вес на каждой оси, когда локомотив V неподвижен и не создает никакого тягового усилия.) Величина вектора динамического веса, которая определяется сумматором 16 (который представляет мгновенную нормальную силу на каждой оси), подается на вход вычислительного устройства 20. Используя уравнение 3, вычислительное устройство 20 рассчитывает величину сцепления для оси (adh_n) путем деления тягового усилия на этой оси на вес, поддерживаемый осью, т.е.:

adh_n=te_n/weight_n (Ур.3)

Полученные величины вектора сцепления для каждой оси теперь подаются на вход блока 12 управления. На фиг.9 представлена таблица, показывающая управления совокупным проскальзыванием, когда рассматривается сцепление осей с одинаковым трением для трехосной тележки, такой, например, как К1 или К2. Как показано на фиг.9, если сцепление на средней оси тележки больше, чем сцепление на передней оси, то желательно сместить проскальзывание на передней оси к проскальзыванию на средней оси. Если сцепление на задней оси тележки больше, чем сцепление на передней оси, желательно сместить проскальзывание на передней оси к проскальзыванию на задней оси. Если сцепление на передней оси больше, чем сцепление на средней оси, желательно сместить проскальзывание на средней оси к проскальзыванию на передней оси. Если сцепление на задней оси больше, чем сцепление на средней оси, желательно сместить проскальзывание со средней оси на проскальзывание задней оси. Если сцепление на передней оси больше, чем на задней оси, желательно сместить проскальзывание с задней оси на проскальзывание передней оси. Наконец, если сцепление на средней оси больше, чем сцепление на задней оси, желательно сместить проскальзывание с задней оси на проскальзывание средней оси.

Далее, в отношении применения уравнения 2, на фиг.10 показаны характеристики сцепления для трехосной тележки, на осях которой имеется одинаковое трение и неравномерное распределение веса. На фиг.10 показаны оптимальные рабочие точки для каждой из осей L, М и Т, вновь с использованием уравнения 2 для определения соответствующих величин.

На фиг.11 показан подобный набор характеристик для трехосной тележки, где оси теперь имеют разную величину трения. Кривые, показанные на фиг.11, представляют типичную ситуацию, встречающуюся, когда поезд движется по рельсам R. Специалистам в данной области техники понятно, что условия на поверхности рельсов обычно меняются от одной оси к другой, поскольку:

a) песок или агенты, усиливающие сцепление, наносятся в дискретных точках локомотива,

b) существует эффект проскальзывания колес на рельсах и

c) подается масло от путевых лубрикаторов на реборды колес и на поверхности рельсов.

В дополнение к алгоритму, используемому блоком 12 управления, который описывается уравнением 2, этот блок управления также учитывает и другие факторы при создании выходных сигналов, подаваемых на соответствующие блоки максимизации тягового усилия. Первый из этих факторов относится к большим пределам сигнала об изменении проскальзывания. Эта ситуация возникает потому, что уровень проскальзывания колеса, связанный с максимальным сцеплением, не одинаков для всех осей, разница между оптимальными уровнями проскальзывания ограничена и поддается оценке. Это позволяет блоку 12 управления учитывать уровни проскальзывания осей с существенно большим тяговым усилием, чем на других осях, так, чтобы влиять на уровни проскальзывания этих других осей.

Второй фактор относится к величине сцепления, которая способна создать ось. Если можно установить отношение между оптимальными уровнями проскальзывания для последовательного набора осей (А1-А3 или А4-А6) (либо эмпирическими, либо аналитическими средствами), тогда на предел проскальзывания каждой оси отчасти оказывает влияние предел проскальзывания других осей. Это отношение также может быть основано на предыдущей работе локомотива, включая работу других локомотивов. Специалистам понятно, что локомотивы одного типа или модели обладают сходными характеристиками с другими локомотивами в этом классе. Такое отношение может быть смоделировано на основе данных о конкретном пути, о положении на пути и об условиях на рельсах, включая погодные условия (данные о которых могут быть получены от путевых устройств, с бортового приемника GPS и из карт пути), а также на основе положение локомотива в поезде, как отмечено в отношении фиг.20. Таким образом, это отношение является функцией совокупного тягового усилия локомотива и/или положения на пути.

Вышеописанное отношение (отношения) важны, поскольку препятствуют срыву одной оси в область низкого тягового усилия и экстремального проскальзывания. Это может возникнуть, например, на задней тележке К2 локомотива V, когда очистка рельса перед колесом и перенос веса создают ожидание увеличения тягового усилия на осях А4-А6, когда проскальзывание на этих осях уменьшается. Если тяговое усилие, например, на оси А5, оказывается меньше, чем на оси А4, в результате уровень проскальзывания на оси А5 перемещается к уровню оси А4. Тот же эффект также возникнет в отношении уровня проскальзывания оси А6, который перемещается к уровню оси А5.

Третьим фактором является реакция на существенные изменения трения, когда возникает эффект запланированного управления транспортным запаздыванием. Важным преимуществом системы 10 управления сцеплением является ее быстрая реакция на нанесение смазки путевым лубрикатором и результирующее немедленное и значительное уменьшение трения на поверхности рельсов. Поскольку нанесение смазки происходит обычно, когда локомотив V достигает лубрикатора, передняя ось А1 первая испытывает изменение трения, когда путевой лубрикатор наносит масло на рельс R. Согласно настоящему изобретению система 10 управления сцеплением реагирует путем увеличения величины сигналов уровня проскальзывания, подаваемых на блоки максимизации ТЕМ1-ТЕМ6, и подачей песка на рельсы перед колесами устройством SA подачи песка (см. фиг.8). Когда передние оси А1, А2 на тележке К1 обнаруживают изменение условий на рельсах, возникают управляющие воздействия системы 10, но они возникают с задержкой, которая прямо пропорциональна положению оси (или устройства нанесения песка относительно передних осей) и обратно пропорциональна скорости поезда. Однако одним из признаков настоящего изобретения является максимально возможное снижение этой задержки, чтобы улучшить скорость реакции на изменение набора условий. Такую информацию, как указано выше, можно получить не только от осей этого локомотива или от управляющих воздействий (например, подача песка) на этом локомотиве, но и от других локомотивов в составе или от других поездов, прошедших по тому же пути, или от систем путевой связи. Эту информацию можно также получить от разных датчиков на осях или на тележке и по изменениям тягового усилия и проскальзывания на осях.

Важным преимуществом системы 10 управления сцеплением является то, что за счет использования управления проскальзыванием на уровень проскальзывания на одной оси теперь оказывает влияние уровень проскальзывания на других осях локомотива для создания унифицированного или интегрированного управления проскальзыванием оси, которое позволяет дополнительно уменьшить время реакции на изменение условий. Результатом является то, что в шестиосном локомотиве, таком как локомотив V, сцепление каждой оси максимизируется и уровень проскальзывания, определенный для каждой оси, является оптимальным для рабочих условий, в которых в данный момент работают все оси. Это происходит потому, что блок 12 управления реагирует на информацию, относящуюся ко всем осям, и интегрирует эту информацию так, что совокупное тяговое усилие, достигнутое благодаря блокам максимизации ТЕМ1-ТЕМ6, обеспечивает наиболее эффективную работу в доминирующих обстоятельствах. Поскольку условия на рельсах меняются постоянно, система 10 управления сцеплением обеспечивает динамическое управление проскальзыванием и, следовательно, создает динамические тяговые возможности локомотива V.

При этом блок максимизации может ошибаться по нескольким причинам, включая то, что:

a) характеристика сцепления для оси имеет несколько максимумов;

b) появляется ошибка измерения проскальзывания из-за различных факторов;

c) возможны появления ошибки обработки, например асинхронный опрос или округление чисел в алгоритме;

d) имеются переходные условия на рельсах;

e) используются операции по управлению проскальзыванием колеса (WCC) (например, включение и выключение управления проскальзыванием или недостаток времени у блоков максимизации ТЕМ1-ТЕМ6 для достижения оптимального уровня проскальзывания) или

f) возникают нестабильности системы, которые вызывают существенные изменения в работе блоков максимизации тягового усилия и в результирующих сигналах проскальзывания, которые они создают.

При работе система 10 управления сцеплением эффективно позволяет каждом блоку максимизации тягового усилия ТЕМ1-ТЕМ6 «рекомендовать» проскальзывание для пяти осей, которыми она не управляет. Эта рекомендация является взвешенной рекомендацией, и количество воздействия является функцией следующих факторов:

a) осям, показывающим наивысший уровень характеристики «нормализованного сцепления», «доверяют» больше всего. Нормализованное сцепление означает сцепление каждой оси относительно ее ожидаемого сцепления. Ожидаемое сцепление, в свою очередь, основано на сцеплении других пяти осей (в шестиосном локомотиве V) и расположении конкретной оси на локомотиве;

b) влияние уровня проскальзывания одной оси на уровень проскальзывания другой оси уменьшается с увеличением расстояния между этими двумя осями. Ось, являющаяся соседней к другой оси, окажет большее влияние на уровень проскальзывания соседней оси, чем когда эти оси расположены на разных концах локомотива. Это происходит из-за увеличивающейся неопределенности состояния рельсов между соответствующими осями.

Опять-таки, общим результатом является сокращение времени реакции на изменение условий для поддержания максимального тягового усилия.

Прежде чем использовать уровень проскальзывания одной оси для влияния на уровень проскальзывания другой оси, эту величину уровня проскальзывания сначала нормализуют. Как показано на фиг.12, блок 12 совокупного управления содержит вычислительное устройство 22 ожидаемого сцепления (ЕАС), на которое подается сигнал (adh_n) сцепления от вычислительного устройства 20 (см. фиг.8). Вычислительное устройство 22 ожидаемого сцепления определяет оптимальные характеристики ожидаемого сцепления каждой оси на основе состояния рельсов и статических и динамических характеристик локомотива. Вычислительное устройство использует эксплуатационные данные об относительном сцеплении оси, измеренные во время режимов работы с ограниченным проскальзыванием. Одним из результатов, создаваемых вычислительным устройством 22, является функция среднего уровня сцепления для всех осей с ограниченным проскальзыванием, а выходом вычислительного устройства ожидаемого сцепления (ЕАС) является величина ожидаемого сцепления для каждой оси. Общие изменения режима, например когда уровень проскальзывания на всех осях меняется на одинаковую величину (процент), встроены в векторный сигнал adh_n, подаваемый в вычислительное устройство. Этот сигнал обрабатывается вычислительным устройством 22 и выводится в виде выходного сигнала вычислительного устройства. Дифференциальные изменения (например, когда уровень проскальзывания меняется на всех осях на разный процент) первоначально не используются вычислительным устройством ЕАС 22, а обрабатываются для понимания того, как работают оси относительно каждой другой оси в разных условиях на рельсах.

Вторым входным параметром вычислительного устройства 22 ожидаемого сцепления является вектор статуса кондиционирования рельсов. Это является информацией, например, о том, на какую ось подается песок. Эта информация включает время, когда каждая ось испытывает эти изменения. Например, условия, испытываемые осью А1, возникнут на оси А2 тем скорее, чем быстрее движется локомотив V. Это важно, поскольку это влияет на отношения ожидаемого сцепления.

Спецификатор 24 рекомендации проскальзывания (CAQ) определяет качество рекомендации о проскальзывании, даваемой одной осью для использования другой осью. Качество рекомендации обычно оценивается выше, если нормализованное сцепление (отношение реального сцепления к ожидаемому сцеплению), создаваемое одной осью, больше, чем создаваемое другой осью. Это значит, что ось с большей величиной нормализованного сцепления работает лучше, чем другая ось; и другой оси, по существу, рекомендуется использовать рекомендацию о проскальзывании, которую дает ось с более высокой величиной нормализованного сцепления. Наоборот, если ось работает существенно хуже, чем другая ось, то можно порекомендовать первой оси использовать противоположное значение рекомендации о проскальзывании, выдаваемой этой осью.

Дополнительно относительная близость двух осей также влияет на качество рекомендации проскальзывания. Если оси являются соседними осями, рекомендация, выдаваемая одной осью другой, при прочих равных условиях по существу оценивается выше, чем если оси более отнесены друг от друга.

Один способ определения качества рекомендации, выдаваемой одной осью для другой, представлен, по существу и в качестве иллюстрации, уравнением 4:

ccc_quality_y_z=function{q_adh_y_z, q_prox_y_z}=min{q_adh_y_z×q_prox_y_z, q_max} (Ур.4)

где:

y и z - рассматриваемые оси;

q_adh_y_z - качество рекомендации о проскальзывании, выдаваемой осью у для оси z на основе их относительных отношений нормализованного сцепления, и рассчитывается по уравнению 5, приведенному ниже;

q_prox_y_z представляет качество рекомендации как функцию близости двух осей и рассчитывается по уравнению 6, приведенному ниже;

q_max - верхний предел величины результата.

Как отмечено выше, качество рекомендации о проскальзывании, даваемой осью у для оси z, основано на их относительных отношениях нормализованного сцепления и рассчитывается, по существу и как показано, согласно уравнению 5:

q_adh_y_z=function{q_adh_min, adh_y, adh_exp_y, adh_z, adh_exp_z}=[{max(q_adh_min,(adh_y/adh_exp_y)/(adh_z/adh_exp_z)-1}×K₃]^а (Ур. 5)

где а и К₃ обозначают степень, в которой отношения нормализованного сцепления для осей влияют на качество рекомендации от одной оси для другой;

q_adh_min - минимальная величина. Опять-таки вторая строка уравнения является примером ее использования.

На фиг.13 представлен график, показывающий, как на величину q_adh_y_z влияют отношения нормализованного сцепления соответственно осей у и z. График на фиг.13 основан на уравнении 5, где оба коэффициента а и К₃ равны единице, q_adh_min равно 0.

Как указано выше, влияние близости можно определить, по существу и в качестве иллюстрации, по уравнению 6:

q_prox_y_z=function(y,z)=(1/abs(max(y-z), 1))^P{y<>z} (Ур. 6)

где Р - количество влияния, оказываемого величиной проскальзывания одной оси на другую ось на основе близости двух осей. Если y=z, то q_prox_y_z=0.

На фиг.14 показано, как качество рекомендации меняется в отношении отношения нормализованного сцепления для шестиосной конфигурации локомотива V. На этом чертеже Р=1. Соответственно, для каждой оси качество рекомендации для соседней оси составляет 1. Однако, если двигаться дальше от рассматриваемой оси, величина качества рекомендации от другой оси резко снижается.

И вновь, даже если рекомендация о проскальзывании выдана осями, которые работают лучше, чем ожидалось, возможно также выдавать отрицательную рекомендацию от осей, работающих плохо.

Возвращаясь к фиг.12, транслятор 26 рекомендации о проскальзывании (CAT) на входе имеет величину проскальзывания crp_n от каждой оси и вектор статуса кондиционирования рельсов, который также подается на вычислительное устройство 22 ЕАС. Транслятор 26 регулирует величину проскальзывания каждой оси до уровня каждой из других осей для создания матрицы 6×6, подобной той, которая показана на фиг.14.

На фиг.15-17 показано получение матрицы качества с использованием уравнения 4 для шестиосной конфигурации локомотива V. На фиг.15 приведены величины веса, сцепления (adh) и ожидаемого сцепления (adh_exp) для каждой оси шестиосной конфигурации. Величины сцепления и ожидаемого сцепления отложены на сопутствующей диаграмме.

Далее, на фиг.16 показана матрица 6×6, величины которой рассчитаны по уравнению 5. При изучении этой матрицы следует отметить, что согласно настоящему изобретению оси 3 и 6, по существу, выдают рекомендацию, а ось 5 является осью, которая может использовать эту рекомендацию.

Фиг.17 также представляет собой матрицу 6×6, рассчитанную по уравнению 4. Величины, внесенные в матрицу, представляют учет как нормализованного сцепления, так и близости.

Интегратор 28 рекомендаций о проскальзывании (CAI) на входе имеет величины, представляющие матрицу качества близости, показанную на фиг.13, сигнал crp_n проскальзывания для каждой оси и матрицу, созданную транслятором 26. Интегратор 28 использует все эти входы для создания выходного сигнала ccc_n управления совокупным проскальзыванием для каждой оси, который подается на блок максимизации тягового усилия ТЕМ1-ТЕМ6 для соответствующей оси. Выходной вектор ccc_n рассчитывается, по существу и в качестве иллюстрации, согласно уравнению 6:

ccc_y=function{ccc_quality_y_z,crp_y__n-crp_n,crp_max-z, crp_min_z} =Σ[ccc_quality_y_z×(crp_y_n-crp_n)×(crp_max_z-crp_min_z)×K_{y_z}]

z=1-6 (Ур.6)

где:

ccc_quality_y_z - качество рекомендации о проскальзывании от оси у для оси z;

crp_y_z - рекомендация о проскальзывании от оси у для оси z;

crp_y - уставка проскальзывания для оси у;

crp_max_y - максимальный предел проскальзывания, задаваемый функцией блока максимизации тягового усилия ТЕМ1-ТЕМ6 для оси у;

crp_min_у - минимальный предел проскальзывания, задаваемый функцией блока максимизации тягового усилия ТЕМ1-ТЕМ6 для оси у; и

Ку_z - фиксированный или управляемый коэффициент усиления, который управляет настройкой алгоритма ССС.

Фиг.18 дополнительно расширяет пример рекомендации для шести осей по

фиг.15-17. На фиг.18 приведены величины нормализованного проскальзывания и нормализованного ожидаемого проскальзывания для каждой из шести осей. Фиг.18 дополнительно содержит матрицу проскальзывания 6×6, построенную на этих величинах.

Наконец, на фиг.19 дано графическое представление того, как результирующие величины ссс_n управления совокупным проскальзыванием влияют на измеренные величины crp_n проскальзывания для каждой оси. Величины проскальзывания, отложенные на фиг.19, соответствуют величинам, показанным в колонке "crp" на фиг.18. Величины управления совокупным проскальзыванием основаны на информации матрицы по фиг.17. Как показано на фиг.19, сигналы ссс_2 и ссс_5, подаваемые блоком 12 с фиг.7 на блоки максимизации тягового усилия ТЕМ2 и ТЕМ5, используются для уменьшения проскальзывания на каждой из этих двух осей, тогда как сигналы на другие четыре блока максимизации тягового усилия имеют величину, которая не оказывает или почти не оказывает влияния на проскальзывание этих соответствующих осей.

Ввиду вышеизложенного очевидно, что цели настоящего изобретения достигнуты, а также получены многочисленные преимущества. Поскольку в вышеописанные конструкции могут быть внесены многочисленные изменения, не выходящие за пределы объема настоящего изобретения, все сведения, содержащиеся в вышеприведенном описании или показанные на прилагаемых чертежах, должны толковаться в иллюстративном, а не в ограничивающем смысле.

Изобретение относится к системе управления тяговым усилием железнодорожного локомотива. Способ включает измерение характеристик сцепления первой оси, измерение характеристик сцепления, по меньшей мере, одной другой оси поезда, образующей вторую ось, использование данных, указывающих на характеристику сцепления второй оси, для получения сигнала управления совокупным проскальзыванием для рекомендации контроллеру, приводящему первую ось, о максимизации тягового усилия, если тяговое усилие второй оси находится ближе к максимуму для текущих условий на рельсах для сокращения времени достижения первой осью максимального тягового усилия для ее условий на рельсах. Технический результат заключается в развитии максимального тягового усилия локомотивом. 9 з.п. ф-лы, 20 ил.

1. Способ динамического управления тяговым усилием колес на первой оси локомотива в поезде, имеющем один или более локомотивов, каждый из которых имеет тяговые оси и колеса, движущиеся по рельсовому пути, для уменьшения времени реакции и увеличения тяги локомотива, при котором измеряют характеристику сцепления первой оси, измеряют характеристику сцепления, по меньшей мере, одной другой оси поезда, образующей вторую ось, и используют данные, указывающие на характеристику сцепления второй оси, для получения сигнала управления совокупным проскальзыванием для рекомендации контроллеру, приводящему первую ось, о максимизации тягового усилия, если тяговое усилие второй оси находится ближе к максимуму для текущих условий на рельсах для сокращения времени достижения первой осью максимального тягового усилия для ее условий на рельсах.

2. Способ по п.1, при котором измерение характеристики сцепления первой оси на локомотиве и второй оси включает измерение одного из следующих параметров: тягового усилия, крутящего момента или проскальзывания осей.

3. Способ по п.1, при котором дополнительно объединяют сигнал управления совокупным проскальзыванием с другой информацией о характеристике сцепления для получения сигнала управления проскальзыванием, причем сигнал управления совокупным проскальзыванием используется контроллером для привода оси.

4. Способ по п.3, при котором сигнал управления совокупным проскальзыванием является функцией близости этой оси локомотива к другой оси, эксплуатационных данных о соответствующей оси, специфической информации о положении рельсового пути, по которому движется локомотив, и специфической информации о времени для рельсового пути, по которому движется локомотив.

5. Способ по п.1, при котором локомотив имеет множество тележек, на каждой из которых установлены оси, при этом комбинируют величины, представляющие характеристику сцепления на всех осях, установленных на тележках, для получения сигнала управления совокупным проскальзыванием, который подают на контроллеры, приводящие каждую из осей на этой тележке, для максимизации тягового усилия всех осей, установленных на тележке, за минимальное время в ответ на изменение условий на рельсах.

6. Способ по п.5, при котором дополнительно комбинируют величины, представляющие характеристику сцепления всех осей локомотива, установленных на всех тележках локомотива для максимизации тягового усилия всех осей локомотива за минимальное время в ответ на изменение условий на рельсах.

7. Способ по п.6, при котором дополнительно комбинируют информацию о характеристике сцепления для каждой из осей для создания матрицы величин управления совокупным проскальзыванием, при этом сигнал управления совокупным проскальзыванием, подаваемый для каждой оси, выводят из матрицы величин для всех осей.

8. Способ по п.1, при котором локомотив является одним из множества локомотивов состава и при котором дополнительно используют величины, представляющие характеристику сцепления оси, установленной на одном из других локомотивов, для максимизации тягового усилия оси, установленной на одном локомотиве за минимальное время в ответ на изменение условий на рельсах.

9. Способ по п.8, при котором величины, представляющие характеристику сцепления всех осей, установленных на ведущем локомотиве в составе, используют для максимизации тягового усилия осей, установленных на каждом последующем локомотиве в составе, за минимальное время в ответ на изменение условий на рельсах.

10. Способ по п.1, при котором имеется множество составов, движущихся по одному и тому же пути и при котором используют величины, представляющие характеристику сцепления оси, установленной на локомотиве ведущего состава, для максимизации тягового усилия оси, установленной на одном локомотиве, за минимальное время в ответ на изменение условий на рельсах.