Bulletin of scientific research results Bulletin of scientific research results Бюллетень результатов научных исследований 2223-9987 84696 10.20295/2223-9987-2024-02-100-113 Проблематика транспортных систем PROBLEMATIC OF TRANSPORT SYSTEM Проблематика транспортных систем Improving the anti-skid system of a passenger electric locomotive Совершенствование системы защиты от юза пассажирского электровоза Колпахчьян Павел Григорьевич Kolpahch'yan Pavel Grigor'evich kolpakhchyan@pgups.ru

доктор технических наук;

doctor of technical sciences;

 Андреев Владимир Евгеньевич Andreev Vladimir Evgen'evich elt@pgups.ru Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I Санкт-Петербург Россия Emperor Alexander I Petersburg State Transport University Saint-Petersburg Russian Federation Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I Санкт-Петербург Россия Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University Saint-Petersburg Russian Federation 28 06 2024 28 06 2024 2024 2 100 113 28 06 2024 https://itt-pgups.ru/en/nauka/article/84696/view

Цель: cовершенствование алгоритмов защиты от юза и боксования с помощью новых методов обнаружения избыточного скольжения колесных пар локомотива, позволяющих обеспечить раннее определение момента потери сцепления. Методы: эффективность системы защиты от юза во многом определяется надежным определением возникновения избыточного скольжения колесных пар. Решение этой задачи требует развития методов выделения сигналов угловой скорости вращения и углового ускорения КП с учетом динамических процессов в механической части локомотива и помех в канале измерения. Поэтому в статье рассмотрены вопросы обработки сигналов частоты вращения, выделения информации о величине избыточного скольжения и углового ускорения КП для использования в системах защиты от юза и боксования. Одним из критериев, которые позволяют повысить надежность обнаружения юза предлагается использовать «Расчетное время до блокировки колеса». Его значение позволяет оценить расчетное время до заклинивания колеса (прекращения вращения). Введение этого критерия позволяет более точно определять риск полной остановки вращения КП и повышает надежность определения возникновения юза. Результаты: установлено, что для устранения ошибок канала измерения и выделения сигнала об угловом ускорении КП в условиях наличия колебаний, вызванных наличием эффектов пространственной динамики локомотива, целесообразно применение дискретного фильтра Калмана. Обработка сигналов с использованием фильтра Калмана при наличии опорного сигнала позволяет существенно снизить влияние пространственных колебаний экипажной части электровоза при движении по пути с неровностями на выделяемые сигналы угловой скорости вращения и углового ускорения КП. Это дает возможность снизить пороги срабатывания и идентифицировать юз и боксование до появления значительного избыточного скольжения. Практическая значимость: показана необходимость применения комплексных критериев, основанных на анализе не только скорости проскальзывания колесных пар, но и угловых ускорений, для выявления избыточного скольжения колесных пар локомотивов. Их использование в системе управления локомотива позволяет обнаружить потерю сцепления на ранних стадиях возникновения боксования и юза и улучшить использование сцепного веса локомотивов.

Objective: improving algorithms for protection against skidding and slipping using new methods for detecting excessive slipping of locomotive wheel pairs, allowing for early detection of the moment of loss of adhesion. Methods: the effectiveness of an anti-skid system is largely determined by the reliable detection of the occurrence of excessive wheel slip. Solving this problem requires the development of methods for isolating signals from the angular velocity of rotation and angular acceleration of the wheelset, taking into account dynamic processes in the mechanical part of the locomotive and interference in the measurement channel. Therefore, the article discusses the issues of processing rotation speed signals, extracting information about the amount of excess slip and angular acceleration of the wheelsets for use in anti-skid and skidding systems. One of the criteria that can improve the reliability of skid detection is proposed to use the “Estimated time before wheel locking”. Its value allows you to define the estimated time before the wheel jams (stops rotation). The introduction of this criterion makes it possible to more accurately determine the risk of a complete stop of wheelset rotation and increases the reliability of determining the occurrence of skidding. Results: it has been established that to eliminate errors in the measurement channel and isolate the signal about the angular acceleration of the wheelset in conditions of the presence of oscillations caused by the presence of the effects of the spatial dynamics of the locomotive, it is advisable to use a discrete Kalman filter. Signal processing using a Kalman filter in the presence of a reference signal makes it possible to significantly reduce the influence of spatial vibrations of the undercarriage of an electric locomotive when moving along a track with irregularities on the extracted signals of the angular velocity of rotation and angular acceleration of the wheelset. This makes it possible to reduce response thresholds and identify skidding and skidding before significant excess slip occurs. Practical importance: the necessity of using complex criteria based on the analysis of not only the slipping speed of wheelsets, but also angular accelerations, is shown to identify excessive slipping of locomotive wheelsets. Their use in the locomotive control system makes it possible to detect loss of adhesion in the early stages of slipping and skidding and improve the use of the adhesion weight of locomotives

 защита от юза взаимодействие пути и подвижного состава сцепление колес с рельсами проскальзывание колесных пар алгоритм обнаружения юза anti-skid protection train-track interaction wheel — rail adhesion wheelsets sliding skid detection algorithm

Противоюзные устройства подвижного состава / М. Д. Фокин, А. А. Лоскутов, А. К. Второв. М.: Транспорт, 1970. 102 с. Protivoyuznye ustroystva podvizhnogo sostava / M. D. Fokin, A. A. Loskutov, A. K. Vtorov. M.: Transport, 1970. 102 s. Обобщение передового опыта тяжеловесного движения: вопросы взаимодействия колеса и рельса / У. Д. Харрис; под общ. ред. С. М. Захарова, В. М. Богданова; пер. с англ. С. М. Захарова, С. С. Карцева, В. Л. Мельникова и др. М.: Интекст, 2002. 408 с. Obobschenie peredovogo opyta tyazhelovesnogo dvizheniya: voprosy vzaimodeystviya kolesa i rel'sa / U. D. Harris; pod obsch. red. S. M. Zaharova, V. M. Bogdanova; per. s angl. S. M. Zaharova, S. S. Karceva, V. L. Mel'nikova i dr. M.: Intekst, 2002. 408 s. Обобщение мирового опыта тяжеловесного движения. Управление содержанием системы колесо — рельс: сб. науч. тр. / под общ. ред. С. М. Захарова. М.: ВНИИЖТ, 2017. 420 с. Obobschenie mirovogo opyta tyazhelovesnogo dvizheniya. Upravlenie soderzhaniem sistemy koleso — rel's: sb. nauch. tr. / pod obsch. red. S. M. Zaharova. M.: VNIIZhT, 2017. 420 s. Асинхронный тяговый привод локомотивов: учебное пособие / А. А. Зарифьян; под общ. ред. А. А. Зарифьяна. М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2013. 414 с. Asinhronnyy tyagovyy privod lokomotivov: uchebnoe posobie / A. A. Zarif'yan; pod obsch. red. A. A. Zarif'yana. M.: FGBOU «Uchebno-metodicheskiy centr po obrazovaniyu na zheleznodorozhnom transporte», 2013. 414 s. Hasegawa I., Kayashima K. Brake Technology for 140 km/h Operation of Narrow — Gauge Lines // RTRI Report. 1999. Vol. 13, no. 10. P. 35–40. Hasegawa I., Kayashima K. Brake Technology for 140 km/h Operation of Narrow — Gauge Lines // RTRI Report. 1999. Vol. 13, no. 10. P. 35–40. Nakazawa S.-I. Development of a New Wheel Slide Protection System Using a New Detection Algorithm // Quarterly Report of RTRI. 2011. Aug. Vol. 52, no. 3. P. 136–140. Nakazawa S.-I. Development of a New Wheel Slide Protection System Using a New Detection Algorithm // Quarterly Report of RTRI. 2011. Aug. Vol. 52, no. 3. P. 136–140. Куликова М. В., Куликов Г. Ю. Численные методы нелинейной фильтрации для обработки сигналов и измерений // Вычислительные технологии. 2016. Т. 21, № 4. С. 64–98. Kulikova M. V., Kulikov G. Yu. Chislennye metody nelineynoy fil'tracii dlya obrabotki signalov i izmereniy // Vychislitel'nye tehnologii. 2016. T. 21, № 4. S. 64–98. Mal K., Hussain I., Chowdhry B. S., et. al. Extended Kalman filter for estimation of contact forces at wheel-rail interface // 3C Tecnologшa. Glosas de innovacion aplicadas a la pyme. Edicion Especia. 2020. Apr. P. 279–301. Mal K., Hussain I., Chowdhry B. S., et. al. Extended Kalman filter for estimation of contact forces at wheel-rail interface // 3C Tecnologsha. Glosas de innovacion aplicadas a la pyme. Edicion Especia. 2020. Apr. P. 279–301. Wang S., Xiao J., Huang J., et. al. Locomotive wheel slip detection based on multi-rate state identification of motor load torque // Journal of the Franklin Institute. 2016. Vol. 353, no. 2. P. 521– 540. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016003215004287. Wang S., Xiao J., Huang J., et. al. Locomotive wheel slip detection based on multi-rate state identification of motor load torque // Journal of the Franklin Institute. 2016. Vol. 353, no. 2. P. 521– 540. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016003215004287. Alshawi A. An Adaptive Unscented Kalman Filter for the Estimation of the Vehicle Velocity Components, Slip Angles, and Slip Ratios in Extreme Driving Manoeuvres // Sensors. 2024. Jan. Vol. 24, no. 2. P. 436. Alshawi A. An Adaptive Unscented Kalman Filter for the Estimation of the Vehicle Velocity Components, Slip Angles, and Slip Ratios in Extreme Driving Manoeuvres // Sensors. 2024. Jan. Vol. 24, no. 2. P. 436. Kong J., Pfeiffer M., Schildbach G., et. al. Kinematic and dynamic vehicle models for autonomous driving control design // 2015 IEEE Intelligent Vehicles Symposium (IV). 06/2015. P. 1094–1099. Kong J., Pfeiffer M., Schildbach G., et. al. Kinematic and dynamic vehicle models for autonomous driving control design // 2015 IEEE Intelligent Vehicles Symposium (IV). 06/2015. P. 1094–1099. Mei T., Hussain I. Detection of wheel-rail conditions for improved traction control // IET Conference on Railway Traction Systems (RTS 2010). 04/2010. P. 1–6. Mei T., Hussain I. Detection of wheel-rail conditions for improved traction control // IET Conference on Railway Traction Systems (RTS 2010). 04/2010. P. 1–6. Maridor J., Markovic M., Perriard Y. Kalman filter to measure position and speed of a linear actuator // 2011 IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC). 05/2011. Maridor J., Markovic M., Perriard Y. Kalman filter to measure position and speed of a linear actuator // 2011 IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC). 05/2011. Simon D. Fundamentals of Kalman Filters. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2006. XXVI, 502 p. Simon D. Fundamentals of Kalman Filters. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2006. XXVI, 502 p. Универсальный механизм. Официальный сайт / Д. Ю. Погорелов. ООО «Вычислительная механика». Вер. 9.1. 2024. URL: www.umlab.ru (дата обращения: 25.03.2014). Universal'nyy mehanizm. Oficial'nyy sayt / D. Yu. Pogorelov. OOO «Vychislitel'naya mehanika». Ver. 9.1. 2024. URL: www.umlab.ru (data obrascheniya: 25.03.2014). Pogorelov D. Simulation of Rail Vehicle Dynamics with Universal Mechanism Software // Rail Vehicle Dynamics and Associated Problems. Gliwice: Silesian University of Technology, 01/2005. P. 13–58. Pogorelov D. Simulation of Rail Vehicle Dynamics with Universal Mechanism Software // Rail Vehicle Dynamics and Associated Problems. Gliwice: Silesian University of Technology, 01/2005. P. 13–58. Машинисту об электровозе ЧС7 / И. И. Карасев, Л. П. Ратомский. М.: Транспорт, 2012. 223 с. Mashinistu ob elektrovoze ChS7 / I. I. Karasev, L. P. Ratomskiy. M.: Transport, 2012. 223 s.