Условия ведения поезда. Перед локомотивной бригадой каждую поездку стоит задача провести поезд по участку, обеспечив соблюдение нормативов, установленных графиком движения поездов, и безопасность движения. Решить эту задачу было бы относительно просто при одинаковых массе и длине поездов, движущихся по прямой железнодорожной линии, которая расположена на площадке, т. е. в условиях, когда движение не осложняется наличием кривых, подъемов и спусков. Можно было бы выработать единый и достаточно простой режим ведения поезда, состоящий из трогания поезда с места, разгона с выходом на автоматическую характеристику, отключения тяговых двигателей перед остановкой и торможения. В этом случае соответственно упростилось бы и регулирование мощности локомотива.
Фактически же регулирование сил, действующих на поезд, представляет собой весьма сложную задачу. Во-первых, с учетом разнообразных сочетаний элементов профиля и плана пути при движении поезда приходится иметь дело с непрерывно изменяющимися силами сопротивления движению; во-вторых, значительно разнятся допускаемые скорости на перегонах и станциях, главных и боковых путях, отдельных искусственных сооружениях, кривых различного радиуса; в-третьих, различна длина и масса поездов, их обеспеченность тормозами.
К этому надо добавить ограничения скорости, вносимые постоянными и временными предупреждениями, а также особенностями конструкции подвижного состава.
Кроме того, сезонные метеорологические условия сказываются на силе сопротивления движению, реализуемой локомотивом мощности, силе сцепления, и следовательно, влияют на силы тяги и торможения.
В отличие от того, как это принято в тяговых расчетах, при ведении реального поезда масса его не сосредоточена в одной точке и, следовательно, поезд, имеющий определенную длину, может располагаться на различных элементах профиля. Скорость движения поезда меняется мгновенно при переходе с одного элемента профиля на другой.
Технические характеристики подвижного состава также могут существенно отличаться от принятых в тяговых расчетах, а это сказывается на силах, действующих на поезд в тяговом и тормозном режимах.
Параметры, определяющие условия движения поезда, изменяются в результате действия многих факторов. Некоторые из них взаимосвязаны, отдельные являются независимыми, но их влияние может вызвать изменение в широких пределах параметров, определяющих характер движения поезда.
Все это значительно усложняет регулирование мощности локомотива и выбор рационального режима ведения поезда, требует от машинистов специфических профессиональных навыков, определяемых теоретической подготовкой и определенным практическим опытом.
Автоматизация процесса ведения поезда, особенно грузового, -дело может быть и недалекого, но будущего, несмотря на успехи в развитии микропроцессорной техники и программно-математического обеспечения.
Разнообразие эксплуатационных условий, под которыми обычно понимают вес и длину поезда, его сопротивление движению, порядок пропуска поезда по перегонам, погодные условия, установленные предупреждениями ограничения скорости движения и др., ставит перед машинистом в каждой поездке задачу выбора и реализации рационального режима ведения поезда, соответствующего именно данным условиям. Разрабатываемые в локомотивных депо карты режимов ведения поездов технически обоснованы для некоторых усредненных эксплуатационных условий и поэтому рассматриваются локомотивными бригадами лишь как ориентир. Хорошо подготовленные локомотивные бригады, понимающие механику и энергетику тяги поездов, творчески корректируют рекомендации, приведенные в режимных картах, и реализуют в зависимости от конкретных условий движения рациональные режимы ведения поезда и управления локомотивом.
При ведении поезда по перегону машинисту приходится непрерывно регулировать мощность локомотива, изменять силу тяги й скорость движения в соответствии с фактическим сопротивлением движению и эффективностью тормозов, обеспечивая необходимое ускорение и замедление поездов различной массы. В зависимости от конкретных условий машинист меняет положение рукоятки контроллера до 60 раз в 1 ч при том, что некоторые процессы регулирования осуществляются автоматически. Например, регулятор частоты вращения вала дизеля тепловоза автоматически увеличивает подачу топлива и мощность, если возрастает нагрузка, хотя рукоятка контроллера остается в прежнем положении.
Регулирование скорости не исчерпывается тяговым режимом; не менее сложным является правильное регулирование тормозной силы при остановочных и регулировочных торможениях. Для того чтобы это осуществить, используют как пневматические, так и электрические тормоза.
Регулирование скорости в режиме тяги зависит от того, какими возможностями для этого обладает современный тяговый подвижной состав, оснащенный, главным образом, тяговыми двигателями последовательного возбуждения. Как известно, частота вращения якоря двигателя, а следовательно, скорость движения тягового подвижного состава зависят от приложенного напряжения, падения напряжения в цепи тягового двигателя, магнитного потока и конструктивных особенностей двигателя.
Для тягового двигателя локомотива увеличить частоту вращения можно, повысив приложенное к нему напряжение или уменьшив магнитный поток (ослабление возбуждения). Последнее (от двух до шести ступеней ослабления) применяется на тяговом подвижном составе всех серий.
Кроме того, скорость движения подвижного состава регулируют, изменяя приложенное напряжение путем перегруппировки тяговых двигателей, а также менее экономичным методом - введением в цепь тяговых двигателей резисторов, обеспечивающих падение приложенного напряжения. Но, поскольку использование последнего способа связано с потерями электроэнергии, нагревом резисторов и снижением КПД тягового подвижного состава, резисторы используют в период пуска двигателя.
Более целесообразно осуществлять импульсное регулирование напряжения с помощью тиристоров, преобразуя постоянное напряжение в прерывистое.
Изменяя соотношение, между продолжительностью подачи напряжения и его отсутствия, регулируют среднее значение напряжения, приложенного к двигателю, и тем самым изменяют скорость движения поезда.
Регулировать приложенное напряжение можно также, изменяя коэффициент трансформации путем переключения обмоток тягового трансформатора.
Рассмотрим, как изменяется скорость движения при наборе позиций рукояткой контроллера машиниста или при постановке ее в положение "Автоматический пуск" на тяговом подвижном составе различных типов.
Электроподвижной состав постоянного тока. Мощность такого ЭПС по сути ограничена мощностью тяговых двигателей и сцепным весом электровоза, а мощность тягового двигателя - током коммутации, механической прочностью и температурой нагрева его обмоток.
Частота вращения якоря двигателя постоянного тока, как известно, пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку, создаваемому полюсами; следовательно, регулирование скорости движения локомотива сводится к изменению приложенного к тяговым двигателям напряжения и создаваемого магнитного потока.
Рассмотрим, как осуществляется регулирование скорости этими способами.
Переключение (перегруппировка) тяговых двигателей с последовательного на последовательно-параллельное и параллельное соединения позволяет ступенями менять приложенное к ним напряжение. Благодаря этому при напряжении на токоприемнике 3000 В у шестиосных электровозов BJ122M, BJ123, ЧС2 и др. тяговые двигатели при последовательном их соединении находятся под напряжением 500 В, последовательно-параллельном - 750 В и параллельном - 1500 В. У восьмиосных электровозов ВЛ8, BJI10, BJI11 тяговые двигатели при последовательном соединении находятся под напряжением 375 В, при последовательно-параллельном - 750 В и параллельном -1500 В. Четырехосные электровозы ЧСЗ и моторные вагоны электропоездов имеют только два соединения тяговых двигателей: при последовательном соединении тяговых двигателей они находятся под напряжением 750 В, при параллельном - 1500 В. Таким образом, переключая тяговые двигатели с одного соединения на другое, можно ступенями изменять приложенное к ним напряжение и регулировать скорость.
Этот способ регулирования напряжения на тяговых двигателях применялся ранее на тепловозах некоторых серий.
Включение резисторов в цепь тяговых двигателей позволяет осуществить более плавное регулирование напряжения, чем перегруппировка тяговых двигателей. Однако недостатки, связанные с потерями электрической энергии, нагревом резисторов и снижением КПД, приводят к тому, что резисторы используют лишь для пуска двигателей и разгона поезда. Кроме того, локомотивная бригада должна следить за тем, чтобы не произошло недопустимого нагрева пусковых резисторов.
Изменение магнитного потока, создаваемого главными полюсами тягового двигателя, также используют для регулирования частоты вращения якоря, а следовательно, и скорости движения. Этот способ регулирования не связан со значительными потерями энергии и поэтому широко применяется на ЭПС не только постоянного, но и переменного тока, а также на тепловозах. Магнитный поток можно регулировать, изменяя ток в обмотке возбуждения;либо число витков обмотки, участвующих в создании магнитного потока. Последнее приводит к усложнению конструкции тягового двигателя, так как необходимо иметь дополнительные отводы обмотки возбуждения,
особенно при использовании нескольких ступеней ослабления возбуждения.
Поэтому большее распространение получил способ регулирования магнитного потока путем подключения параллельно обмотке возбуждения тягового двигателя резистора, т.е. путем шунтирования обмотки возбуждения.
Импульсное регулирование напряжения, подводимого к тяговым двигателям, является одним из способов регулирования скорости. Для этой цели используют тиристорные установки, преобразующие постоянное напряжение в импульсное прерывистое. Изменяя соотношение между временем подачи и снятия напряжения, регулируют среднее значение приложенного к тяговым двигателям напряжения, а следовательно, скорость движения электроподвижного состава.
Электроподвижной состав переменного тока. На этом ЭПС регулирование скорости осуществляют изменением приложенного к тяговым двигателям напряжения, а также возбуждения двигателей. Напряжение на вторичной стороне трансформатора регулируют ступенями, изменяя коэффициент трансформации путем переключения секций обмоток.
Возможно плавное регулирование напряжения, приложенного к тяговым двигателям. Для этого в выпрямительной установке вместо диодов используют тиристоры. Однако при плавном регулировании уменьшается коэффициент мощности выпрямительной установки, повышается пульсация выпрямленного тока и усиливается влияние контактной сети на линии связи. Поэтому плавное регулирование-применяется не во всем диапазоне изменения напряжения, а лишь в пределах ступеней напряжения которые соответствуют значениям коэффициента трансформации.
Возможно также регулировать напряжение на первичной стороне трансформатора.
Тепловозы. Кроме применяемых на ЭПС и используемых на тепловозах способов регулирования скорости путем изменения напряжения, приложенного к тяговым двигателям, и их возбуждения, используется также дополнительно возможность плавного изменения напряжения путем регулирования работы дизель-генераторной установки. Мощность дизеля можно менять с помощью рукоятки контроллера машиниста, каждому положению которой соответствует определенная частота вращения коленчатого вала дизеля. Переводя рукоятку контроллера с одной позиции на другую, машинист изменяет степень затяжки пружины центробежного регулятора, вследствие чего изменяется подача топлива в цилиндры дизеля. Это приводит к изменению частоты вращения коленчатого вала дизеля, а значит, и якоря главного генератора. В результате изменяется напряжение главного генератора и напряжение, приложенное к тяговым двигателям, а следовательно, и скорость движения тепловоза.
Меняя подачу топлива, машинист непосредственно воздействует только на частоту вращения коленчатого вала дизеля; регулирование же электрической передачи, включая главный генератор, возбудитель и тяговые двигатели, осуществляется автоматически. При больших скоростях и соответственно малых токах наступает ограничение по возбуждению главного генератора и его мощности. Сохранение постоянства используемой мощности дизеля и увеличение тока главного генератора достигаются перегруппировкой тяговых двигателей тепловоза либо ослаблением их возбуждения. Указанные операции осу ществляются автоматически под контролем реле переходов при достижении определенных скоростей, так же как обратный переход при увеличении силы тяги и падении скорости.
Назначение рукояток контроллера. Рассмотрим основные операции по управлению локомотивом в тяговом и тормозном режимах применительно к электровозу BJT801, которые производят рукоятками контроллера машиниста. Так, с помощью контроллера машиниста в тяговом режиме осуществляется изменение направления движения электровоза, ручной и автоматический набор, а также сброс позиций, ослабление возбуждения тяговых двигателей. Производят также переключения силовой цепи и цепей управления в режим торможения или,наоборот, в режим тяги; собирают цепи, соответствующие режиму подтормаживания и режиму торможения; регулируют силу торможения. Для выполнения этих операций у контроллера машиниста предусмотрено несколько рукояток.
Реверсивной рукояткой, как следует из ее названия, осуществляется изменение (реверсирование) направления движения электровоза и включение позиций ослабления возбуждения тяговых двигателей.
Главная рукоятка имеет восемь положений: БВ - быстрое выключение; 0 - нулевое положение; АВ - автоматическое выключение; РВ - ручное выключение; ФВ - фиксация выключения; ФП - фиксация пуска; РП - ручной пуск; АП - автоматический пуск.
Для управления электровозом в тормозном режиме на контроллере используют 12-позиционный переключатель и тормозную рукоятку. С помощью переключателя задают тормозную силу в пределах от 20 до 50 тс.
Тормозная рукоятка имеет следующие положения: 0 - нулевое; П - подготовительная позиция; ПТ - предварительного торможения до 10 тс; Т - тормозное положение, в котором в зависимости от угла поворота рукоятки в секторе задается скорость торможения.
Автоматизация процесса управления. При ведении поезда непрерывно изменяется нагрузка, причем не только из-за колебания внешних воздействий, вызванных изменением сил сопротивления движению, но и вследствие особенностей организации движения поездов, числа и мест остановок поездов; срабатывания устройств, регулирующих нагрузку силовых и управляющих агрегатов локомотива, особенно на тепловозах. Все эти изменения требуют реакции со стороны
локомотивной бригады, т.е. определенных действий по управлению поездом. Особенно сложной становится работа машиниста при возникновении боксования колесных пар: он должен принять меры для прекращения боксования и в то же время не допустить значительного уменьшения силы тяги и остановки поезда. В пассажирском движении возникает немало проблем в связи с необходимостью обеспечить определенный комфорт (плавность движения) для пассажиров как в тяговом, так и в тормозном режиме. Зачастую решить эти задачи крайне трудно для малоопытных машинистов; требуется высокая квалификация локомотивных бригад. Для улучшения использования мощности и силы тяги локомотива в сложных условиях поездной работы при высоком уровне эксплуатационной надежности и экономичности стремятся автоматизировать процессы ведения поезда и управления работой различных систем локомотива. Средства автоматизации необходимы и должны действовать как в тяговом, так и в тормозном режиме.
Системы автоматического управления движением поездов, называемые также системами автоведения, или автомашинистами, должны обеспечивать выполнение с заданной точностью графика движения поездов при соблюдении имеющихся на участке ограничений скорости. Приоритет в разработке таких систем принадлежит нашей стране. Первый опытный образец автомашиниста появился в 1957 г.; он был создан для управления движением одного электропоезда по заданной программе. При ручном (неавтоматическом) управлении машинист руководствуется лишь временем проследования станций и остановочных пунктов в соответствии с расписанием, которое не определяет время проследования блок-участков. При недостаточной квалификации локомотивной бригады могут возникать и накапливаться нарушения заданных интервалов движения по блок-участкам, в результате чего возможен сбой графика. Автоматические системы управления исключают такую ситуацию. Внедрение систем автоведения позволяет повысить точность выполнения графика движения поездов, улучшить использование пропускной способности участков, снизить расход топливно-энергетических ресурсов на тягу поездов, облегчить труд локомотивных бригад и повысить его производительность, обеспечить безопасность движения поездов.
В технической литературе имеются многочисленные сообщения об эксплуатации систем автоведения поездов на железных дорогах Японии, США, Канады, Франции и др., но все они касаются, главным образом, пассажирских перевозок на специальных, так называемых изолированных линиях. Однако применять систему автоведения только для одного поезда нецелесообразно, поскольку на участке может быть множество поездов и каждый из них оказывает влияние на движение вслед идущих, а на однопутных участках - и встречных поездов. Автоблокировка и автоматическая локомотивная сигнализация действуют односторонне, предотвращая сближение поезда с впе-
реди идущим. Сигналы автоблокировки расставляют таким образом, чтобы интервал между поездами при движении их с расчетной скоростью соответствовал расчетному. Поезд должен двигаться по перегону так, чтобы к моменту его вступления на блок-участок на светофоре горел зеленый огонь; при любом другом огне возникает необходимость снижения скорости. Если режим ведения поезда отклонился от расчетного, положенного в основу расстановки сигналов автоблокировки, это повлияет соответствующим образом на режим вслед идущего поезда. Еще сложнее взаимодействие между поездами различных категорий, например пассажирских и грузовых: необходимо учитывать разницу в их массе, скорости движения, сериях локомотивов.
В связи с этим наиболее эффективным становится применение централизованных систем автоматического управления движением поездов. Эти системы получают и перерабатывают информацию о параметрах движения всех поездов на линии и управляют каждым поездом в соответствии с полученной информацией и требуемой программой движения. По сравнению с автономной системой автоматического управления централизованные системы обладают большими возможностями, так как, имея информацию о положении всех поездов на линии, можно более гибко компенсировать возникающие отклонения от принятой программы. Однако техническая реализация централизованных систем значительно сложнее; кроме того, требуются каналы связи между всеми поездами на линии и центральным постом управления.
Внедрение централизованных систем автоматического управления движением поездов начиналось на Московском, Ленинградском, Харьковском и Ташкентском метрополитенах. Это объясняется небольшой протяженностью линий и соответственно каналов связи, однотипностью подвижного состава, относительной простотой управления поездом, изолированностью от внешних воздействий. На магистральных железнодорожных линиях обращаются разнотипные грузовые, пригородные и пассажирские поезда с различными временами хода, допускаемыми скоростями движения, режимами ведения. Выполнить централизованные системы в этих условиях значительно сложнее. Вследствие большой протяженности линий увеличивается объем и стоимость аппаратуры передачи данных, необходимость управлять движением разнотипных поездов вызывает резкое увеличение объема информации, а это повышает требования к быстродействию управляющих ЭВМ, ведет к увеличению их числа. Выбор режима ведения пассажирского или пригородного и в особенности грузового поезда -сложная многовариантная задача. Совершенствование систем автоведения и расширение их возможностей вплоть до учета меняющихся условий на участке возможны на базе применения микропроцессоров, с помощью которых можно самостоятельно решать задачу ведения поезда, повысить надежность работы всей системы.
Используя современные технические средства микроэлектроники и вычислительной техники, накопленный опыт создания систем
автоведения, ученые ВНИИЖТа и других институтов создали централизованную комплексную систему управления движением поездов на участке (КСАУДП), которая проходит испытания на Московской дороге. Составной частью КСАУДП является система автоматического управления поездами, предназначенная для автоматизации процесса управления ведением поезда, включая пуск и разгон, выбор режима ведения поезда по перегонам, торможения у платформ для остановки, а также регулировочные торможения. С системой автоматического управления поездами непосредственно связаны такие системы обеспечения безопасности, как система автоматического управления тормозами (САУТ), система автоматической локомотивной сигнализации (АЛСН), система интервального регулирования и др., а также устройства внутренней локомотивной (поездной) автоматики - устройства автоматического пуска, исполнительные устройства, регуляторы скорости, устройства торможения, противобоксовочные и противогазные устройства. Часть устройств системы автоматического управления движением поездов располагается на локомотиве (бортовые поездные устройства), часть - на центральном посту управления, часть - на станциях участка.
Наибольшие сложности вызывает создание системы автоматического управления грузовыми поездами, поскольку такой поезд как объект управления обладает рядом специфических особенностей, создающих значительные трудности для автоматизации процесса его ведения. К их числу следует отнести значительный разброс массы поезда (от порожняковых до тяжеловесных поездов), сложность автоматизации процессов торможения при использовании пневматических тормозов поезда, сложность измерения пройденного пути и скорости вследствие эффектов боксования и юза колесных пар и др. Однако, несмотря на эти трудности, современный уровень развития исследований в области тяги поездов и построения автоматических систем создают предпосылки для дальнейшей разработки и внедрения систем автоматического управления ведением грузовых поездов. Несомненно, такие системы будут разработаны, а пока вождение поездов, выбор и поддержание режима ведения поезда, управление работой силовых систем тягового подвижного состава выполняют локомотивные бригады. И от того, насколько хорошо они справляются с этими задачами, во многом зависят результаты работы железных дорог.
Комментариев нет:
Отправить комментарий