СПОСОБ И РЕГУЛИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПРИВОДНОГО И ТОРМОЗНОГО УСИЛИЙ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА, А ТАКЖЕ ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО С РЕГУЛИРУЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ

Изобретение относится к способу контроля приводного и тормозного усилий транспортного средства, в частности рельсового транспортного средства, регулирующему устройству и транспортному средству с регулирующим устройством.

Предложенный способ может применяться во множестве транспортных средств и, в частности, в рельсовых транспортных средствах с противоюзным и противобуксовочным устройством.

В рельсовом транспортном средстве силовое замыкание между колесом и рельсом представляет собой меру имеющегося в распоряжении тормозного или приводного усилия и подвержено влиянию различных факторов, которые могут уменьшать это силовое замыкание. Если оно, например, вследствие влажности рельса находится на низком уровне, то в определенных условиях нужные приводные и тормозные усилия не могут передаваться полностью. Если крутящий момент приводной системы выше приводного момента, воспринимаемого при данной частоте вращения колес системой колесо-рельс, то это может привести к буксованию (прокручиванию) колес. При торможении со слишком высоким тормозным усилием, наоборот, может произойти юзование (проскальзывание) колес, которые тогда не передают больше полностью тормозное усилие на рельс. Это может привести к повышению износа участвующих в трении элементов, повреждениям приводной системы и колесных пар за счет превышенной частоты вращения или возникновения пиков усилий и к уменьшению передаваемых приводных и тормозных усилий.

Для предотвращения буксования и юзования колес, например, из DE 19961805 A1 известно противогазное и противобуксовочное устройство, которое из имеющихся характеристик силового замыкания (кривые коэффициент сцепления-проскальзывание) системы колесо-рельс в зависимости от окружной скорости колеса использует имеющиеся максимальные значения и, тем самым, создает возможные тормозные или приводные усилия. Цели техники регулирования состоят в таких решениях, в основном, из управления приводным и тормозным усилиями в зависимости от проскальзывания и ускорения колеса. При этом нельзя превышать определенного максимального проскальзывания, например для юзования по норме UIC 541-05.

Недостаток таких противогазных и противобуксовочных устройств заключается в том, что нужные приводные и тормозные усилия при низком уровне силового замыкания передаются неполностью, так что юзование или буксование колесных пар может происходить ограниченно за счет противоюзного и противобуксовочного устройства. Повышение имеющегося силового замыкания в таких регулирующих устройствах не предусмотрено.

В основе изобретения лежит задача создания способа и регулирующего устройства для контроля приводного и тормозного усилий для транспортного средства, а также транспортного средства с таким регулирующим устройством, с помощью которых было бы возможно улучшенное силовое замыкание между участвующими в трении элементами.

Эта задача решается посредством признаков независимых пунктов формулы. Другие варианты приведены в подчиненных им зависимых пунктах формулы.

Изобретение находит применение преимущественно в рельсовых транспортных средствах с рельсами, имеющими поверхность катания. Желаемое максимальное изменение температуры рельса, например для улучшения силового замыкания, может задаваться или происходить непосредственно. Максимальное изменение температуры может при этом задаваться или происходить также в виде временной характеристики.

Предложенные способ и устройство относятся к контролю приводного и тормозного усилий, по меньшей мере, двух участвующих в трении элементов, например колеса и поверхности катания рельса, причем, по меньшей мере, по одной заданной или полученной температурной величине и полученному значению скорости определяется соответствующее приводному или тормозному усилию значение для регулирования или управления приводным или тормозным усилиями. Температурной величиной может быть значение температуры или значение ее изменения.

В способе может быть, в частности, предусмотрено, что мощность трения участвующих в нем элементов устанавливается таким образом, что достигается их заданная температурная величина для воздействия на силовое замыкание (mueRs).

При этом в качестве температурной величины можно использовать повышение температуры на колесе (dTempRadSoll) и повышение температуры на поверхности катания рельса (dTempSchieneSoll), которые измеряются, определяются или задаются в качестве предположений. Кроме того, в качестве повышения температуры на колесе и/или в качестве повышения температуры на поверхности катания можно использовать максимально допустимое повышение температуры. Повышения температуры могут изменяться пофазно вручную или автоматически.

В этих вариантах на основе, по меньшей мере, одной температурной величины, определяется отнесенная, по меньшей мере, к одному участвующему в трении элементу заданная мощность трения (PReibSollSchiene). На основе температур при этом может быть предусмотрено, что определяется отнесенная к колесу заданная мощность трения (PReibSollRad) и/или отнесенная к поверхности катания заданная мощность трения (PReibSollSchiene).

Согласно изобретению, в частности, желаемое максимальное изменение температуры или максимально допустимое изменение температуры может задаваться или вводиться в используемые функции, чтобы, например, улучшить силовое замыкание. Максимальное изменение температуры может при этом задаваться или происходить в виде временной характеристики. В названных случаях может быть предусмотрено, что, по меньшей мере, по одной температурной величине и, по меньшей мере, по одному значению скорости определяется мощность трения, а, в частности, отнесенная к первому из двух участвующих в трении элементов мощность трения (PReibSollSchiene) определяется по температуре этого участвующего в трении элемента и значению скорости.

При этом может определяться или задаваться необходимая для этого или допустимая мощность трения между двумя участвующими в трении элементами. При использовании максимально возникающих изменений температуры у участвующих в трении элементов и, в частности, на колесе и рельсе, они могут оцениваться, в частности, по мощности трения, геометрическим данным площади контакта колеса и рельса, постоянным материалов и времени контакта, в течение которого воображаемая поперек направления движения линейная точка на поверхности катания колеса или рельса находится в пределах поля мощности трения с плотностью мощности трения (мощность трения/площадь контакта). Максимальное изменение температуры достигнуто тогда, когда линейная точка покидает область контакта с плотностью мощности, т.е. по истечении времени контакта. В способе может быть предусмотрено, что зависимости приводного или тормозного усилия от скорости транспортного средства, скорости колеса и/или силы трения функционально учитываются. Посредством вычислительной операции, обратной описанной выше вычислительной операции, можно по допустимому или требуемому максимальному повышению температуры на колесе или на рельсе определить необходимую или допустимую мощность трения. В способе можно определить устанавливающуюся при юзовании или буксовании участвующих в трении элементов скорость трения (разность между окружной скоростью колеса и скоростью транспортного средства) в сочетании с имеющейся силой трения (произведение усилия соприкосновения колеса с рельсом на силовое замыкание), а по ней - мощность трения в зоне контакта колеса с поверхностью катания и, тем самым, повышение температуры у участвующих в трении элементов колесо и поверхность катания. При соответствующем изменении тормозного или приводного усилия имеющееся в распоряжении силовое замыкание между участвующими в трении элементами повышается вследствие мощности трения и связанного с этим повышения температуры.

Поэтому предложенное решение позволяет создать приложенную в зоне контакта колеса с поверхностью катания мощность трения и связанное с этим повышение температуры на колесе или рельсе так, что для преобразования требуемых тормозных и приводных усилий обеспечивается оптимизация силового замыкания. В предложенном решении принимаются во внимание преимущественно пределы материалов колеса и рельса в отношении устанавливающихся повышений температуры в области трения, что препятствует повреждению участвующих в трении элементов. Расчет или оценка повышений температуры в области трения осуществляется для колеса и рельса преимущественно по отдельности, как это поясняется ниже более подробно.

Фактические изменения температуры возникают по-разному в зависимости от того, идет ли речь о юзовании или буксовании колесной пары. В состоянии юзования допустимая мощность трения при условии одинаковых заданных значений температуры для колеса и рельса определяется колесом, поскольку его окружная скорость меньше скорости транспортного средства. В состоянии буксования условия противоположные.

Согласно одному особенно предпочтительному варианту выполнения изобретения, повышение температуры (dTempRadSoll) колеса и повышение температуры (dTempSchieneSoll) поверхности катания выбираются соответственно так, чтобы каждое из них соответствовало максимально допустимому повышению температуры колеса или поверхности катания.

Допустимые, зависимые или независимые от времени повышения температуры (dTempRadSoll) колеса и (dTempSchieneSoll) поверхности катания преимущественно задаются. Максимально допустимые повышения температуры, например в опасной ситуации, в частности при аварийном или экстренном торможении, могут пофазно повышаться вручную или автоматически, например на основе заданных значений, имеющихся в распоряжении транспортного средства на основе параметров для описания ситуации.

На основе допустимых повышений температуры (dTempRadSoll) и (dTempSchieneSoll) в одном предпочтительном варианте выполнения изобретения определяются отнесенная к колесу заданная мощность трения (PReibSollRad) и отнесенная к поверхности катания заданная мощность трения (PReibSollSchiene). Это значит, что расчет допустимых мощностей трения участвующих в трении элементов осуществляется на основе соответственно максимально допустимого повышения температуры участвующих в трении элементов. В состоянии юзования мощность трения ограничена допустимым максимальным повышением температуры колеса. Колесо защищено от повреждений. Соответственно учитываются зависимости от окружной скорости колеса и силы трения.

Мощность трения (PReibSollRad) определяется преимущественно по произведению температуры (dTempRadSoll) на значение скорости.

Дополнительно или в качестве альтернативы мощность трения (PReibSollSchiene) может определяться по произведению температуры (dTempSchieneSoll) на значение скорости.

По заданному максимальному повышению температуры и времени контакта можно определить относящуюся к максимальному повышению температуры мощность трения. В этом случае имеют место мощность трения, отнесенная к колесу, и мощность трения, отнесенная к рельсу. Зависимый от состояния выбор из обеих мощностей трения дает реализуемую мощность трения. Отнесенная к поверхности катания мощность трения (PReibSollSchiene) определяется преимущественно по отношению

где

причем k_T - коэффициент пропорциональности,

a PReib - мощность трения по уравнению

Preib=Vreib·Freib

где Vreib - скорость трения, Freib - сила трения, Akontakt - площадь области контакта колеса и поверхности катания, a tkontaktFzg - время контакта по уравнению

где lkontakt - длина области контакта колеса и поверхности катания в направлении движения, a VFzg - скорость транспортного средства.

Соответственно отнесенная к колесу мощность трения PReibSollRad определяется преимущественно по отношению

где

причем k_T - коэффициент пропорциональности, PReib - мощность трения по уравнению Preib=Vreib·Freib, где Vreib - скорость трения, Freib - сила трения, Akontakt - площадь области контакта колеса и поверхности катания, tkontaktRad - время контакта по уравнению

,

где lkontakt - длина области контакта колеса и поверхности катания в направлении движения, a VRad - окружная скорость колеса.

В одном предпочтительном варианте выполнения изобретения по отнесенной к колесу заданной мощности трения PReibSollRad и отнесенной к поверхности катания заданной мощности трения PReibSollSchiene посредством определения минимального значения PReibSoll=min(PReibSollSchiene, PReibSollRad) (f3) определяется заданная мощность трения PReibSoll. Это значит, что осуществляется выбор меньшей мощности трения участвующих в нем элементов, благодаря чему не превышается ни одно из обоих заданных значений температуры.

С учетом силы трения в данный момент Freib можно определить необходимую для создания заданной мощности трения PReibSoll скорость трения Vreib и, тем самым, заданный юз колеса sSoll.

Согласно изобретению, предпочтительно, если заданный юз колеса sSoll определяется на основе заданной мощности трения PReibSoll и силового замыкания mueRs по отношению

где M - нагрузка на ось транспортного средства, g - ускорение силы тяжести, VRad - окружная скорость колеса, a VFzg - скорость транспортного средства.

Расчетное решение выводится из следующих уравнений:

(1) Preib=Vreib·Freib

(2) Vreib=VRad-VFzg

(3) Freib=M·g·mueRs

(4)

где по уравнениям (1), (2) и (3) определяются мощность трения и заданная окружная скорость колеса и подставляются в уравнение (4) для определения sSoll по заданной мощности трения и силовому замыканию.

Отличие между заданным юзом sSoll и фактическим юзом s, где

определяется преимущественно посредством блока сравнения. Затем может быть вычислено требуемое для уравнивания фактического юза s с заданным юзом sSoll ускорение или замедление колеса aRadSoll.

В одном особенно предпочтительном варианте выполнения изобретения требуемое для достижения необходимого ускорения или замедления колеса aRadSoll заданное усилие FSoll определяется с учетом mueRs*. Таким образом, заданного юза sSoll колеса можно достичь за счет согласования заданного тормозного и/или приводного усилия FSoll. Требуемый юз колеса реализуется, например, за счет согласования тормозного усилия. Для этого осуществляется расчет необходимого для требуемого юза колеса приводного или тормозного усилия FSoll.

Силовое замыкание mueRs* определяется преимущественно по отношению

где F* - приложенное тормозное и/или приводное усилие, aRad* - ускорение или замедление колеса, m_r - вращающаяся масса колеса, M - нагрузка на ось транспортного средства, a g - ускорение силы тяжести.

На основе заданного ускорения или замедления aRadSoll колеса тормозное или приводное усилие FSoll определяется предпочтительно по отношению

где m_r - вращающаяся масса колеса, M - нагрузка на ось транспортного средства, g - ускорение силы тяжести, a mueRs* - вычисленное силовое замыкание.

Преимущественно заданное машинистом значение тормозного или приводного усилия F ограничивается допустимым максимальным усилием FSoll. Результирующее приложенное усилие F* можно определить по отношению минимального значения .

Предложенное регулирующее устройство, в частности для противоюзного и противобуксовочного устройства, имеет регулирующую функцию и отличается тем, что посредством регулирующей функции, по меньшей мере, по одному заданному или полученному значению температуры dTempSoll и полученному значению скорости определяется соответствующее приводному или тормозному усилию FSoll значение для регулирования или управления приводным или тормозным усилием.

Предложенное транспортное средство, в частности рельсовое транспортное средство, в котором использовано, по меньшей мере, одно регулирующее устройство для контроля приводного и тормозного усилий, по меньшей мере, двух участвующих в трении элементов, в частности колеса и поверхности катания, отличается тем, что мощность трения участвующих в нем элементов установлена так, что достигается, по меньшей мере, одно значение температуры dTempSoll участвующих в трении элементов для изменения силового замыкания mueRs.

Другие предпочтительные варианты выполнения изобретения являются объектом других зависимых пунктов формулы.

Изобретение поясняется чертежами, на которых представлено следующее:

фиг.1 - система колесо-рельс;

фиг.2 - кривая температуры T в точке S колеса в зависимости от времени t;

фиг.3 - кривая температуры T в точке S* рельса в зависимости от времени t;

фиг.4 - блок-схема регулирующего устройства и модели транспортного средства.

Схематично показанная на фиг.1 система 1 с колесом 2 рельсового транспортного средства (не показано), направляемым по имеющему поверхность катания 4 неподвижному рельсу 6, характеризуется тем, что рельсовое транспортное средство движется по рельсу 6 со скоростью VFzg. Колесо 2 с радиусом rRad нагружает рельс 6 нормальным усилием Fn. Мощность Р трения участвующих в нем элементов колесо 2 и рельс 6 устанавливается в поле 10 таким образом, что достигается заданное повышение температуры dTempSoll для повышения силового замыкания mueRs. За счет мощности Р трения и связанного с этим повышения температуры повышается зависимое от юза силовое замыкание mueRs, имеющееся в распоряжении для передачи приводного или тормозного усилия F. Предложенное решение позволяет создать приложенную в зоне контакта колеса с рельсом мощность Preib трения и связанное с этим повышение температуры колеса 2 или рельса 6 таким образом, что для преобразования требуемых тормозных и приводных усилий обеспечивается достаточное повышение силового замыкания mueRs.

При этом учитываются пределы материалов колеса 2 и рельса 6 в отношении устанавливающихся повышений температуры в области трения, что препятствует повреждению участвующих в трении элементов. Расчет или оценка повышений температуры в области трения осуществляется для колеса и рельса отдельно, как это более подробно поясняется ниже.

Возникающие максимальные изменения температуры dTempRadSoll колеса и dTempSchieneSoll рельса могут оцениваться по мощности Р трения, геометрическим данным площади z контакта колеса и рельса, постоянным материалов и времени Tein контакта, в течение которого воображаемая поперек направления движения линейная точка S, S* соответственно на наружной периферийной поверхности 8 колеса 2 и поверхности катания 4 рельса 6 находится в пределах поля 10 мощности трения с плотностью P_z мощности трения. Учитываются зависимости от скорости VFzg транспортного средства, окружной скорости VRad колеса и силы Fr трения. Линейная точка S колеса 2 и линейная точка S* рельса 6 движутся в случае юзования или буксования с разной скоростью через поле 10 мощности трения (тепловое поле). В состоянии буксования линейная точка S колеса 2 движется через поле 10 мощности трения быстрее, чем линейная точка S* рельса 6. В результате может возникнуть повреждение рельса 6. По сравнению с этим юзование приводит к тому, что линейная точка S* рельса 6 движется через поле 10 мощности трения быстрее, чем линейная точка S колеса 2. Это может вызвать повреждение колеса 2. Поле 10 контакта имеет плотность P_z мощности трения по уравнению

и характеризуется тем, что мощность Р трения вычисляется по отношению Р=(V(Fzg)-V(Rad))·Fr, а площадь z контакта по ширине b и длине 1 контакта по формуле z=1·b. Частота вращения n_R колеса определяется по уравнению

и характеризуется тем, что U_R обозначает окружность колеса по уравнению U_R=r(Rad)·2·П.

Максимальное изменение температуры dTempRadSoll колеса 2 достигается на фиг.2, показывающей с помощью кривой 12 характеристику температуры в точке S колеса 2 (см. фиг.1) в зависимости от времени t, тогда, когда линейная точка S покидает область 10 контакта (поле мощности трения), т.е. по окончании времени Tein(S) контакта. Это время определяется по отношению

или

Продолжительность периода T(S) составляет ,

а время паузы

На фиг.3, показывающей с помощью кривой 14 характеристику температуры в точке S* рельса в зависимости от времени t, максимальное изменение температуры dTempSchieneSoll на рельсе 6 достигается тогда, когда линейная точка S* покидает область 10 контакта, т.е. по окончании времени Tein(S*) контакта. Это время определяется по отношению

На фиг.4 показана блок-схема регулирующего устройства 16 и модели 18 рельсового транспортного средства. По сравнению с традиционными противогазными и противобуксовочными системами алгоритм регулирования для противоюзной и противобуксовочной защиты расширен на входные параметры максимальное повышение температуры dTempRadSoll колеса, максимальное повышение температуры dTempSchieneSoll рельса и мощность PReibSoll трения между колесом 2 и рельсом 6. Осуществляется задавание максимального изменения температуры dTempRadSoll колеса 2 и изменения температуры dTempSchieneSoll рельса 6. Определяется необходимая для этого или допустимая мощность трения PReibSollRad и PReibSollSchiene. Повышение температуры dTempRadSoll колеса 2 и повышение температуры dTempSchieneSoll рельса 6 задаются таким образом, чтобы они соответствовали максимально допустимому повышению температуры колеса 2 и рельса 6. Максимальное изменение температуры dTempRadSoll, dTempSchieneSoll может происходить при этом также в виде временной характеристики. В опасной ситуации, в частности при аварийном или быстром торможении рельсового транспортного средства, максимально допустимые повышения температуры dTempRadSoll, dTempSchieneSoll могут быть соответственно повышены.

По заданным максимальным повышениям температуры dTempRadSoll, dTempSchieneSoll и времени Tein контакта определяются отнесенная к колесу 2 заданная мощность трения PReibSollRad и отнесенная к рельсу 6 заданная мощность трения PReibSollSchiene. Это значит, что расчет допустимых мощностей трения участвующих в нем элементов осуществляется на основе соответственно максимально допустимого повышения температуры участвующих в трении элементов. В зависимости от того, идет ли речь о юзовании или буксовании колесной пары, изменения температуры происходят по-разному. В состоянии юзования допустимая мощность трения при условии одинаковых заданных значений температуры для колеса 2 и рельса 6 определяется колесом 2, поскольку его окружная скорость VRad меньше скорости VFzg транспортного средства. В состоянии буксования условия противоположные. Это значит, что в состоянии юзования мощность трения ограничена допустимым максимальным повышением температуры колеса 2. За счет этого колесо 2 защищено от повреждений. Соответственно учитываются зависимости от окружной скорости VRad колеса и силы трения Freib. Зависимый от состояния выбор из обеих мощностей трения PReibSollRad и PReibSollSchiene дает реализуемую мощность трения PReibSoll. Отнесенная к рельсу мощность PReibSollSchiene трения вычисляется по уравнению (f2).

Затем по отнесенной к колесу заданной мощности трения PReibSollRad и отнесенной к рельсу заданной мощности трения PReibSollSchiene посредством определения минимального значения по уравнению (f3) определяется заданная мощность трения PReibSoll. Это значит, что осуществляется выбор меньшей мощности трения участвующих в нем элементов, благодаря чему не превышается ни одно из обоих заданных значений температуры.

С учетом силы трения Freib в данный момент (Freib=М·g·mueRs) по уравнению (f5) определяются скорость трения Vreib и, тем самым, заданный юз sSoll колеса по отношению к полученной заданной мощности трения PReibSoll и силовому замыканию mueRs*. Имеющееся силовое замыкание mueRs* определяется с учетом фактического тормозного или приводного усилия F* и фактического ускорения или замедления aRad* колеса.

Полученный регулирующим устройством 16 фактический юз s* или юз s модели транспортного средства определяется соответственно по уравнению (f4) и (f6) соответственно по скорости VFzg транспортного средства и окружной скорости VRad колеса. Юз s, s* является разностью между окружной скоростью VRad колеса и скоростью VFzg модели транспортного средства по отношению к максимуму обеих. Значение юза s, s* лежит, тем самым, в диапазоне 0-1. Скорость VFzg транспортного средства определяется по ускорению aRad колеса посредством интегратора 20. Ускорение aRad колеса вытекает из разности между приложенным тормозным или приводным усилием F* и силой трения Freib между колесом и рельсом с учетом вращающейся массы m_r колеса. Ускорение aFzg транспортного средства вытекает из устанавливающейся силы трения FReib с учетом его массы M (нагрузка на ось). Скорость VFzg транспортного средства определяется по ускорению aRad колеса посредством интегратора 22.

Отличие между заданным юзом sSoll и фактическим юзом s* возникает посредством компаратора 24. Затем может быть рассчитано требуемое для уравнивания фактического юза s* с заданным юзом sSoll ускорение или замедление aRadSoll колеса.

Требуемое ускорение или замедление aRadSoll колеса определяется с учетом отношения

где k - коэффициент пропорциональности, smax - необходимый для максимального усилия Fmax юз, a m_r - вращающаяся масса колеса.

На следующем этапе по уравнению (f7) определяется необходимое для достижения требуемого ускорения или замедления aRadSoll колеса заданное усилие FSoll. Затем за счет согласования заданного тормозного или приводного усилия FSoll может быть достигнут заданный юз sSoll колеса. Требуемый юз sSoll реализуется, например, за счет согласования тормозного усилия F*.

Заданное машинистом значение тормозного или приводного усилия F ограничивается допустимым максимальным усилием FSoll в блоке 26 минимального выбора. Результирующее прикладываемое усилие F определяется по отношению минимального выбора (f9). В передающем блоке 28 посредством элемента РТ1 учитывается временная характеристика тормозного или тягового усилия, например временная задержка пневматической тормозной системы.

Таким образом, раскрыт способ контроля приводного и тормозного усилий транспортного средства, в частности рельсового транспортного средства, по меньшей мере, с двумя участвующими в трении элементами, в частности колесом 2 и поверхностью катания 4, отличающийся тем, что, по меньшей мере, по одной заданной или полученной температурной величине dTempSoll и полученному значению скорости определяется соответствующее приводному или тормозному усилию FSoll значение для регулирования или управления приводным или тормозным усилием. Кроме того, раскрыты регулирующее устройство 16 для контроля приводного и тормозного усилий, а также транспортное средство, по меньшей мере, с одним таким регулирующим устройством.