Разработка алгоритма адаптивного управления тормозным нажатием и подбор элементной базы с учетом особенностей и характеристик тормозной системы пассажирского поезда

Этапы, связанные с построением алгоритма работы системы адаптивного управления тормозным нажатием с учетом элементной базы современных локомотивов и результатов теоретической проработки процессов трибологического взаимодействия колодки с колесом, а также с формулированием закона управления тормозным нажатием с учетом запаса силы сцепления колеса с рельсом относительно тормозной силы при различных скоростях, состояли вначале в обосновании формы адаптивного управления, наиболее подходящей для решаемой задачи, из существующего к настоящему времени множества принципов построения адаптивных систем. На основе проведенного анализа и была выбрана форма адаптивного управления в виде программной адаптации, как наиболее подходящей для решаемой задачи: имеются аналитические соотношения, описывающие взаимосвязь требуемого качества торможения со скоростью движения. Также данный метод показал свою надежность на основе многих реальных практических применений на современной технике. Методы адаптивного управления, способные функционировать в условиях текущей неопределенности, принято использовать на последующих этапах работы. Формирование алгоритма работы системы адаптивного управления тормозным нажатием было связано с проработкой следующих вопросов: – рассмотрение физики образования тормозной силы при торможении; – определение зависимостей коэффициента трения колодки о колесо и коэффициента сцепления колеса относительно рельса в зависимости от скорости движения; – введение понятия коэффициента запаса по нажатию, напрямую связанного с вероятностью возникновения юза колес при торможении, а также определение его зависимости от скорости; – проведения анализа работы штатной тормозной системы поезда при торможении, выявление особенностей и резервов повышения эффективности процесса торможения; Результатом анализа этих вопросов стали следующие выводы: – эффективность торможения имеет переменный характер в зависимости от скорости; – коэффициент запаса по нажатию имеет минимальное значение при низких скоростях и максимальное при высоких; – при высоких скоростях резко сокращается эффективность фрикционных тормозов и имеется резерв на увеличение нажатия без риска заклинивания колесной пары и образования ползунов; – на интервале скорости 0-40 км/ч приращение тормозной эффективности равно по значению приращению на интервале 40-120 км/ч, следовательно, диапазон скорости 0-40 км/ч является зоной повышенной вероятности возникновения ползунов. На основе полученных выводов были проработаны вопросы, связанные с формированием закона управления тормозным нажатием с учетом запаса силы сцепления колеса с рельсом относительно тормозной силы при различных скоростях. Сюда относится: – обоснование закона адаптивного управления тормозным нажатием в зависимости от скорости движения, который устраняет указанные недостатки штатной системы торможения и снижает вероятность заклинивания колесных пар; − формирование режимов работы системы адаптивного управления, предполагающих ручное (режим информирования), полуавтоматическое и автоматическое управление торможением; – обоснование структурной схемы адаптивной системы управления на основе микропроцессорного блока; – разработка принципиальной электрической схемы модернизированной системы управления ЭПТ с интегрированной в нее системы адаптивного управления (на основе штатной системы торможения); – разработка блок-схемы алгоритма работы предлагаемой системы. Этап, связанный с описанием математической модели пассажирского поезда на режиме торможения с учетом динамики коэффициента трения колодки о колесо и сцепления колеса с рельсом состоял в разработке математической модели пассажирского поезда, состоящего из локомотива ЭП1 (ЭП1М) и 15 вагонов, на режиме торможения с учетом особенностей построения электропневматического тормоза, ступенчатой схемы торможения, коэффициента запаса нажатия тормозной колодки. По анализу данного параметра для колес локомотива и вагонов было определено, что коэффициент запаса нажатия тормозной колодки на всех этапах движения поезда всегда выше у вагонов, чем у локомотива. Поэтому принято решение для задачи автоматизации управления торможением использовать коэффициент запаса нажатия тормозной колодки для локомотива. Была определена аналитическая зависимость давления в тормозных цилиндрах локомотива от заданного значения коэффициента запаса нажатия на тормозные колодки локомотива и скорости движения. Она была определена методами численного решения нелинейного уравнения и аппроксимации. На основе полученной зависимости был разработан алгоритм адаптивного управления, позволяющего путем полуавтоматического или автоматического регулирования давлением (с помощью крана машиниста и его приставки) осуществлять регулирование давлением в тормозных цилиндрах поезда так, что приблизительно обеспечивается заданное значение коэффициента запаса нажатия. Этим значительно снижается вероятность заклинивания колес поезда. Численным имитационным моделированием в компьютерной среде Matlab, было показано, что в сравнении с обычным методом торможения данная адаптивная система позволяет при обеспечении минимальной вероятности юза колесных пар поезда снизить тормозной путь до 25%. Это показывает высокую эффективность предлагаемого способа построения системы автоматического управления торможением пассажирского поезда.