Способ и устройство определения скорости рельсового транспортного средства

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, в частности к области систем управления рельсовых транспортных средств. Способ основан на вычислении окружной скорости и ускорения всех колесных пар, измерении линейного ускорения в направлении движения транспортного средства, задании режима его движения и вычислении скорости движения транспортного средства в режимах разгона и торможения. Устройство содержит четыре датчика скорости колесных пар, выходы которых соединены с соответствующими входами четырех дифференциаторов, датчик продольного линейного ускорения, блок формирования сигнала режима движения транспортного средства и блок определения максимальной и минимальной скоростей колесных пар. Входы блока определения максимальной и минимальной скоростей колесных пар связаны с выходами датчиков скорости колесных пар. В устройство введены два компенсационных датчика линейных ускорений, блоки вычисления скорости и ускорения транспортного средства, два блока выработки поправок для расчета ускорения транспортного средства. Техническим результатом является обеспечение за счет более точного учета пробуксовывания или заклинивания колеса не только эффективности процесса разгона и торможения в широком диапазоне изменения коэффициента сцепления, но и защиты поверхности катания колес от ползунов и наваров. 2 н. и 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области систем управления транспортных средств, в частности рельсового транспорта.

Преимущественное использование предлагаемого изобретения - системы управления движением пассажирского и грузового железнодорожного транспорта.

Современный этап развития рельсовых транспортных средств характеризуется все большим внедрением на них автоматизированных и автоматических систем управления, обеспечивающих им более высокие эксплуатационные показатели.

Одно из направлений этого развития связано с созданием адаптивных систем разгона и торможения, позволяющих автоматизировать регулирование проскальзывания колес. Это дает возможность предотвратить пробуксовывание или блокировку колес на рельсах с высоким коэффициентом скольжения, достигнуть наилучшего сцепления в различных условиях эксплуатации, а следовательно, реализовать оптимальное замедление транспортного средства и тормозной путь.

Использование в транспортных средствах таких систем управления, получивших название противобуксовочных и антиблокировочных систем, обеспечивает не только эффективность процесса разгона и торможения в широком диапазоне изменения коэффициента сцепления, но и за счет исключения пробуксовывания или заклинивания колеса, обеспечивает защиту поверхности катания колес от ползунов и наваров. Последнее обстоятельство имеет исключительно важное значение для железнодорожного транспорта, так как нарушение поверхности катания колеса оказывает вредное разрушающее воздействие, как на ходовую часть, так и на железнодорожный путь.

Одной из наиболее важных проблем при создании антиблокировочных и противобуксовочных систем является точность измерения степени проскальзывания колесных пар, что связано с необходимостью точного измерения скорости транспортного средства.

Известны системы управления движением, в которых в качестве скорости транспортного средства используется скорость колесной пары, имеющей в настоящий момент наименьшую (в режиме разгона) или наибольшую (в режиме торможения) скорость вращения [1, 2]. Однако, поскольку все колесные пары всегда находятся в условиях действия на них крутящего момента двигателя или тормозного усилия, использование данного способа не позволяет с необходимой степенью точности измерить реальную скорость движения транспортного средства.

Известны системы управления, в которых задача определения скорости транспортного средства решается за счет сравнения угловых скоростей вращения тормозящихся и свободно вращающейся колесных пар. Недостаток очевиден - не все колеса участвуют в разгоне или торможении и, следовательно, их эффективность уменьшается.

Известны также способы измерения скорости движения транспортного средства, основанные на использовании локационных методов измерения скорости, а также способы вычисления скорости на основе информации о линейном ускорении в направлении движения транспортного средства [3, 4, 5]. Первые способы весьма дорогостоящие и практически непригодны для рельсового транспорта. Способы же вычисления скорости транспортного средства на основе измерения линейного ускорения требуют решения таких задач, как:

- компенсации составляющей ускорения силы тяжести из-за не горизонтальности дороги (пути);

- выбора момента задания начальной скорости транспортного средства в процедуре интегрирования;

- компенсации накапливающихся ошибок из-за наличия ошибок датчика линейных ускорений.

В связи с этим, в современных системах управления наибольшее распространение получил косвенный метод вычисления скорости транспортного средства V_тс [4], в соответствии с выражением:

где - среднее ускорение колесных пар;

[а_к(t)]_i - ускорение i-го колеса;

(V_к)_m - окружная скорость колеса, соответствующая минимальной (при разгоне) или максимальной (при торможении) из окружных скоростей колес (колесных пар) в момент начала данного режима движения;

t_н - момент начала соответствующего режима движения;

t - время движения транспортного средства.

Нетрудно видеть, что данный метод дает завышенное (при разгоне) или заниженное (при торможении) значение скорости V_тс, так как в режиме разгона ускорение колеса всегда больше ускорения транспортного средства, а в режиме торможения всегда меньше его.

Задачей данного изобретения является исключение указанных выше недостатков существующих в настоящее время способов измерения скорости движения транспортного средства.

Для более точного измерения скорости движения транспортного средства (в режимах разгона и торможения) в заявляемом способе ее предлагается вычислять в соответствии с выражением:

где a_тс - ускорение транспортного средства.

В режиме установившегося движения (на выбеге) скорость транспортного средства предлагается вычислять в соответствии с выражением V_тс=(V_к)_max, где (V_к)_max - максимальная из окружных скоростей колесных пар.

Для исключения влияния наклона пути на точность измерения ускорение транспортного средства в данном способе предлагается измерять три линейных ускорения: одно - в направлении движения транспортного средства и два дополнительных (компенсационных) ускорения, в направлениях, расположенных под углом ±α (например, ±45°) к направлению движения. При этом ускорение транспортного средства а_тс вычисляется в соответствии со следующим выражением:

где а₀ - линейное ускорение в направлении движения транспортного средства;

a₁, a₂ - компенсационные линейные ускорения.

Выбор знака в выражении для определения a_тс определяется исходя из выражения:

где

Для компенсации ошибок датчиков линейных ускорений (а₀, a₁, а₂) и исключения их влияния на точность вычисления скорости транспортного средства в заявляемом способе предлагается использовать метод коррекции, основанный на периодическом (через время Т_п) снятии крутящего (в режиме разгона) или тормозного (в режиме торможения) момента на время (Т_р), достаточное для приведения окружной скорости и ускорения колеса к скорости и ускорению транспортного средства, и вычислении уточненного значения скорости транспортного средства в соответствии с выражением V_тс|_у=V_н, где V_тс|_у - скорость транспортного средства в момент уточнения, V_н - окружная скорость свободно вращающейся колесной пары. При этом значение скорости (V_тс|_у) используется в качестве начального значения в выражении (2) для расчета скорости движения транспортного средства вплоть до момента нового уточнения скорости. В связи с тем, что в момент уточнения скорости V_тс ускорение свободно вращающейся колесной пары равно ускорению транспортного средства, в заявляемом способе предлагается вычислять поправку (a_поп1) к расчету ускорения транспортного средства (в соответствии с выражением (3)) по формуле а_поп1=a_кн|_у-а_тс, где а_кн|_у - ускорение нетормозящейся колесной пары в момент уточнения, и вычислять значение а_тс в соответствии с выражением:

где (а_тс)_о - значение ускорения транспортного средства, вычисленное в соответствии с выражением (3).

При этом значение поправки (a_поп1) остается неизменным до момента следующего уточнения.

Проведенные исследования показали, что время Т_п должно находиться в диапазоне 6...8 с, а время Т_Р должно равняться 1,5...2,0 с.

В связи с тем, что для обеспечения необходимой точности вычисления скорости транспортного средства V_тс, требуется очень высокая степень точности установки датчика линейных ускорений а_о по направлению движения транспортного средства, в заявляемом способе предлагается система компенсации неточности его установки, основанная на измерении в режиме остановки транспортного средства (при V_тс=0) поправки (a_поп2) в соответствии с выражением:

где N - число измерений линейного ускорения транспортного средства и учета этой поправки при расчете ускорения транспортного средства.

При этом выражение (5) примет следующий вид:

Устройство, которое реализует данный способ определения скорости рельсового транспортного средства, приведено на фиг.1.

Оно включает четыре датчика скорости колесных пар 1...4, выходы которых соединены с соответствующими входами четырех дифференциаторов 5...8, датчик продольного линейного ускорения 9, блок задания режима движения транспортного средства 10, блок определения минимальной и максимальной скоростей колесных пар 11, входы которого связаны с выходами датчиков скорости колесных пар 1...4, два компенсационных датчика линейных ускорений 12 и 13, блоки вычисления скорости 14 и ускорения 15 транспортного средства, два блока выработки поправок для расчета ускорения транспортного средства 16 и 17, выходы которых соединены с соответствующими входами блока вычисления ускорения 15, блок выбора момента уточнения скорости и ускорения транспортного средства 18 вход которого соединен с выходом блока задания режима движения 10, а выход связан с соответствующими входами блока 16 выработки поправки и блока 14 вычисления скорости транспортного средства и блок выработки управляющих сигналов 19, входы которого соединены с выходами блока выбора момента уточнения 18 и блока задания режима движения 10.

Выход блок определения минимальной и максимальной скоростей колесных пар 11 соединен с входом блока вычисления скорости транспортного средства 14.

Выходы датчиков вращения колесных пар 1...4 и дифференциаторов 5...8 соединены с соответствующими входами блока вычисления скорости транспортного средства 14. Выходы датчиков линейного ускорения 9, 12, 13 связаны с соответствующими входами блока вычисления ускорения транспортного средства 15, а выход блока 15 соединен с соответствующими входами блока вычисления скорости транспортного средства 14 и вторым входом блока 16.

Третий вход блока 16 связан с выходом датчика продольного линейного ускорения 9, а его четвертый вход соединен с выходом блока задания режима движения 10.

При этом входы блока 17 выработки поправки связаны с выходами датчика продольного линейного ускорения 9, блока задания режима движения 10 и блока вычисления скорости 14, а выход блока 10 соединен также с соответствующим входом блока вычисления скорости 14.

Работа устройства определения скорости движения рельсового транспортного средства во всех режимах движения происходит в следующей последовательности.

В режиме стоянки

Во время стоянки транспортного средства на выходе блока 10 формируется сигнал «Стоянка», поступающий на вход блока вычисления скорости 14. При этом на выходе блока 14 формируется сигнал V_тс=0, который поступает на вход блока расчета поправки 17. В течение всего времени стоянки в блоке 17 рассчитывается (в соответствии с выражением 6) значение а_поп2. В момент трогания блок 10 формирует сигнал «разгон», при поступлении которого в блоке 17 заканчивается расчет а_поп2, его значение запоминается до следующей остановки и поступает на вход блока вычисления ускорения 15.

В режиме разгона

Сигнал «разгон» с выхода блока 10 поступает также на входы блоков 14, 16, 18 и 19. В момент его прихода на выходе блока 16 формируется начальное значение поправки a_поп2=0, в блоке 18 запускается таймер, отсчитывающий время Т_п до очередного уточнения скорости и ускорения транспортного средства.

С момента начала движения сигналы с выходов датчиков линейного ускорения 9, 12 и 13 поступают на входы блока 15, на выходе которого формируется сигнал ускорения транспортного средства а_тс, рассчитываемый в соответствии с выражением (7).

Сигнал a_тс с выхода блока 15 поступает на вход блока 14, на остальные входы которого поступают сигналы окружной скорости (V_к) и ускорения (а_к) колесных пар с датчиков 1...4 и дифференциаторов 5...8. Сигналы V_к с выходов датчиков 1...4 поступают на вход блока 11, где определяются минимальное и максимальное значения окружной скорости колесных пар транспортного средства, которые также поступают на вход блока 14. На выходе блока 14, в соответствии с выражениями (3) и (4) формируется сигнал скорости движения транспортного средства V_тс.

По истечении времени Т_п на выходе блока 18 формируется сигнал «начало режима уточнения», который поступает на вход блока выработки управляющих команд 19. При поступлении этого сигнала и наличии на втором входе блока 19 сигнала наличия режима «разгона» на его выходе формируется команда на отключение двигателя на одной из осей транспортного средства. Одновременно с этим в блоке 18 запускается таймер, отсчитывающий время Т_р, достаточное для торможения колесной пары до скорости транспортного средства.

По окончании времени Т_р на выходе блока 18 формируется сигнал «окончания режима уточнения», который поступает на входы блока выработки управляющих команд 19, блока выработки поправки 16 и блока расчета скорости транспортного средства 14. При этом на выходе блока 19 формируется команда на включение отключенного двигателя, в блоке 16 рассчитывается новое значение поправки a_поп1 а в блоке 14 в соответствии с выражением V_тс|_у=V_н рассчитывается уточненное значение скорости транспортного средства, которое в дальнейшем используется в качестве начального значения при расчете V_тс в соответствии с выражением (2).

В режиме установившегося движения

В режиме «установившегося движения» (при отсутствии режимов разгона и торможения), определяемого блоком 10, скорость транспортного средства, сигнал которой формируется на выходе блока 14, равна максимальной окружной скорости колесной пары, поступающей в блок 14 с выхода блока 11.

В режиме торможения

В режиме торможения, сигнал наличия которого формируется на выходе блока 10, работа устройства определения скорости транспортного средства V_тс аналогична его работе в режиме торможения, за исключением того, что по окончании времени Т_п на выходе блока 19 формируется команда на отключение торможения одной из колесных пар, которая снимается через время Т_р.

При этом в блоке 16 рассчитывается новое значение поправки a_поп1, а в блоке 14 в соответствии с выражением V_тс|_у=V_н рассчитывается уточненное значение скорости транспортного средства, которое в дальнейшем используется в качестве начального значения при расчете V_тс в соответствии с выражением (2).

Предлагаемое устройство в настоящее время внедрено на опытном высокоскоростном электропоезде «Сокол-250» и его испытания подтвердили эффективность заложенных в него решений.

Источники информации

1. Л.В.Гуткин, Ю.Н.Дымант, А.И.Иванов. «Электропоезд ЭР 200». - М.: Транспорт, 1981, 192 с.

2. Авторское свидетельство №1772022, СССР.

3. Фрумкин А.К., Попов А.И., Алышев И.И. Современные антиблокировочные и противобуксовочные системы грузовых автомобилей, автобусов, прицепов. - М.: ЦНИИТЭИавтопром, 1990.

4. Техническое описание антиблокировочной системы фирмы SAB WABCO - High Performances New Generation, SWS2000 Wheel Slide Protection Equipment, 1996 - прототип.

5. ABS/ASR «D» - Антиблокировочная система для грузовых автомобилей и автобусов, WABCO Fahrzeugbremsen, 1999 г. (Copyright WABCO 1998).

1. Способ определения скорости рельсового транспортного средства, основанный на вычислении окружной скорости и ускорения всех колесных пар, измерении линейного ускорения в направлении движения транспортного средства, задании режима его движения и вычислении скорости движения транспортного средства в режимах разгона и торможения в соответствии с выражением:

где (V_к)_о - скорость колесной пары в момент начала разгона или торможения;

а_тс - ускорение транспортного средства; t_н - момент начала разгона или торможения, а в режиме установившегося движения V_тс вычисляется в соответствии с выражением V_тс=(V_к)_max), где (V_к)_max - максимальная из окружных скоростей колесных пар, отличающийся тем, что в нем измеряют два компенсационных ускорения в направлениях, смещенных в вертикальной плоскости относительно направления движения транспортного средства на угол ±α, и вычисляют ускорение транспортного средства (а_тс) в соответствии со следующим выражением:

где а₀ - линейное ускорение, измеряемое в направлении движения транспортного средства; а₁ а₂ - компенсационные линейные ускорения; g - ускорение силы тяжести; α - угол установки компенсационных датчиков; а_поп1 и а_поп2 - поправочные значения, при этом знак в выражении для определения а_тс определяют согласно выражению:

где

(а_к)_ср - среднее ускорение торможения колесных пар.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в режиме торможения транспортного средства периодически (через время Т_п1) снимают тормозное усилие с одной из колесных пар на время (Т_р1), достаточное для ее разгона до истинной скорости, приравнивают скорость транспортного средства к скорости нетормозящейся колесной пары в соответствии с выражением V_тс|_у1=V_н1, где V_тс|_у1 - скорость транспортного средства в момент уточнения; V_н1 - окружная скорость нетормозящейся колесной пары, и вычисляют поправку (а_поп1) к расчету ускорения транспортного средства в соответствии с выражением а_поп1=а_кн|_у1-а_тс, где а_кн|_у1 - ускорение нетормозящейся колесной пары в момент уточнения, при этом значение поправки (a_поп1) остается неизменным до момента следующего уточнения.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в режиме разгона транспортного средства периодически (через время Т_п2) снимают крутящий момент с одной из колесных пар на время (Т_р2), достаточное для ее замедления до истинной скорости, приравнивают скорость транспортного средства к скорости неразгоняющейся колесной пары в соответствии с выражением V_тс|_у2=V_н2 где V_тс|_у2 - скорость транспортного средства в момент уточнения; V_н2 - окружная скорость неразгоняющейся колесной пары, и вычисляют поправку (a_поп1) к расчету ускорения транспортного средства в соответствии с выражением а_поп1=а_кн|_у2-а_тс, где а_КН|_у2 - ускорение неразгоняющейся колесной пары в момент уточнения, при этом значение поправки (а_поп1) остается неизменным до момента следующего уточнения.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в режиме остановки транспортного средства (при V_тс=0) вычисляют поправку (а_поп2) на неточность измерения линейного ускорения в направлении движения транспортного средства (а₀) в соответствии с выражением:

где N - число измерений линейного ускорения транспортного средства.

5. Устройство определения скорости рельсового транспортного средства, содержащее четыре датчика скорости колесных пар, выходы которых соединены с соответствующими входами четырех дифференциаторов, датчик продольного линейного ускорения, блок формирования сигнала режима движения транспортного средства и блок определения максимальной и минимальной скоростей колесных пар, входы которого связаны с выходами датчиков скорости колесных пар, отличающееся тем, что в него введены два компенсационных датчика линейных ускорений, блоки вычисления скорости и ускорения транспортного средства, два блока выработки поправок для расчета ускорения транспортного средства, выходы которых соединены с соответствующими входами блока вычисления ускорения, блок выбора момента уточнения скорости и ускорения транспортного средства, вход которого соединен с выходом блока задания режима движения, а выход связан с соответствующими входами первого блока выработки поправки и блока вычисления скорости транспортного средства, блок выработки управляющих сигналов, входы которого соединены с выходами блока выбора момента приведения и блока задания режима движения, причем выход блока определения максимальной и минимальной скоростей колесных пар соединен с соответствующим входом блока вычисления скорости транспортного средства, выходы датчиков скорости колесных пар и дифференциаторов соединены с соответствующими входами блока вычисления скорости транспортного средства, выходы датчиков линейного ускорения связаны с соответствующими входами блока вычисления ускорения транспортного средства, выход блока вычисления ускорений соединен с соответствующими входами блока вычисления скорости транспортного средства и вторым входом первого блока выработки поправки, его третий вход связан с выходом датчика продольного линейного ускорения, а его четвертый вход соединен с выходом блока задания режима движения, при этом входы второго блока выработки поправки связаны с выходами датчика продольного линейного ускорения, блока задания режима движения и блока вычисления скорости, а выход блока задания режима движения соединен с соответствующим входом блока вычисления скорости.