Повышение работоспособности устройств интервального регулирования движения поездов при воздействии помех

Рост грузооборота на сети железных дорог России, обусловленный увеличением внутреннего валового продукта, выходом на международные морские порты, обновлением подвижного состава предъявляет всё более высокие требования к точности выполнения графика движения, который всё в большей степени приобретает свойства экономической категории. Это, в свою очередь, ужесточает требования к работоспособности устройств обеспечения безопасности движения. Указанное обстоятельство также связано с тем, что на 28 000 км основных направлений, на которые приходится примерно 76% грузооборота, почти на четверти участков заполнение пропускной способности достигло 70−80% [95].

На железнодорожном транспорте безопасность движения поездов обеспечивает комплекс устройств интервального регулирования, включающий системы автоматической блокировки и автоматической локомотивной сигнализации [54,55].

Значительный вклад в развитие теории систем интервального регулирования движения поездов с помощью средств автоматики и телемеханики внесли известные ученые И. В. Беляков, П. Ф. Бестемьянов, A.M. Брылеев, М. Н. Василенко, A.B. Горелик, И. Е. Дмитриенко, И. Д. Долгий, В. А. Камнев, И. М. Кокурин, Н. Ф. Котляренко, Ю. А. Кравцов, В. М. Лисенков, Б. Д. Никифоров, JI.B. Пальчик, Н. Ф. Пенкин, A.C. Переборов, E.H. Розенберг, В. В. Сапожников, Вл.В. Сапожников, Ю. В. Соболев, Н. М. Фонарев, Д. В. Шалягин, В. И. Шаманов, В. И. Шелухин, О. И. Шелухин, A.B. Шишляков, A.A. Явна и другие.

TT W U ^ W W.

При электрической тяге протекающий по рельсам обратный тяговый ток оказывает существенное воздействие на условия функционирования рельсовых цепей, вследствие чего может нарушаться работоспособность устройств интервального регулирования [15].

Эксплуатируемые на Российских железных дорогах рельсовые цепи разработаны в то время, когда на электроподвижном составе применялся тяговый привод с коллекторным двигателем постоянного тока. При этом все гармоники тягового тока были кратны 50 Гц. Рабочие полосы частот путевых приёмников защищены от воздействия гармоник тягового тока с помощью фильтров. Поэтому критерии обеспечения нормального, шунтового и контрольного режимов работы рельсовых цепей разработаны при условии, что на входе путевых приёмников в рабочей полосе частот действует только полезный сигнал.

В настоящее время совершенно четко обозначена стратегия применения на тяговом подвижном составе асинхронного двигателя переменного тока, как при электроснабжении на постоянном токе, так и при энергоснабжении на переменном токе. Поскольку регулирование тяги осуществляется путем изменения частоты тока, потребляемого асинхронным двигателем, гармоники тока электровоза возникают в очень широком диапазоне частот, в том числе и в том, в котором работают рельсовые цепи.

Для обеспечения работоспособности автоблокировки и автоматической локомотивной сигнализации нормируются допустимые уровни гармоник тягового тока в рабочей полосе [1]. Известны методы расчёта уровня гармоник тягового тока в рабочей полосе путевых приёмников в несимметричной рельсовой цепи в нормальном и шунтовом режимах [25, 61, 87].

Математическое моделирование, описывающее влияние тягового тока на симметричные рельсовые цепи при работе в контрольном режиме отсутствует. Поэтому необходимо разработать методику расчета рельсовой цепи в контрольном режиме для возможных значений первичных параметров рельсовой линии и различных мест обрыва с учётом того, что на входе путевых приёмников в рабочей полосе частот действуют одновременно и полезный сигнал, и гармоника тока электроподвижного состава.

Экспериментальная проверка условий работоспособности рельсовых цепей проводится на основе обработки записей тягового тока и сравнения полученных результатов с нормируемым значением. На современном этапе при анализе записей тока электровоза его составляющие на частотах рельсовых цепей представляют в виде простых гармоник. Они чаще всего определяются двумя способами: как реакция длительностью не менее 0,3 с полосового фильтра и как составляющая в математической аппроксимации сигнала тягового тока рядами Фурье при эффективной длительности окна не менее 0,3 с с учётом перекрытия окон [10, 50, 66].

В настоящее время неизвестны данные об экспериментальном подтверждении соответствия результатов обработки записей тока ЭПС указанными выше способами с фактическими значениями в рабочей полосе путевых приёмников максимальных уровней эквивалентных синусоидальных сигналов, нарушающих работу устройств интервального регулирования. В связи с этим требуется разработать методику обработки записей тягового тока, позволяющую оценивать работоспособность рельсовой цепи.

Экспериментальная проверка условий работоспособности рельсовых цепей на основе обработки записей тягового тока всегда сопряжена с большими затратами материальных, временных, организационных ресурсов и проведением натурных испытаний. Так в рельсовых цепях тональной частоты используются приемники семейства ПП1 десяти модификаций, различающиеся полосой частот принимаемого сигнала и частотой его манипуляции. Воздействие анализируемого тягового тока на приемник ПП1 следует проводить при двух уровнях полезного сигнала на входе приемника, обусловленных наихудшими условиями работы в нормальном, шунтовом и контрольном режимах, и обеспечить множественность идентичных воздействий с различными фазовыми соотношениями между сигналами от путевого генератора и гармоник тягового тока.

Для облегчения и практической реализуемости задачи экспериментальной оценки работоспособности эксплуатируемых рельсовых цепей тональной частоты ТРЦЗ требуется разработать математические модели путевых приемников ПП1 в среде, обеспечивающей возможность моделирования воздействия гармоник тягового тока на приемник.

С ростом скорости поездов работоспособность автоматической локомотивной сигнализации числового кода снизилась в связи с искажениями кодовых комбинаций в процессе передачи [8]. Причинами искажений могут быть нестабильность параметров передачи, связанная с передающими и приёмными приборами рельсовых цепей и локомотива, особенности рельсовых линий как канала передачи сигналов, а также воздействия тягового тока [24, 28, 52]. При значительных искажениях, превышающих допустимые, декодирование кодовых комбинаций становится неустойчивым. Неустойчивость проявляется в виде сбоев в приёме кодовых комбинаций, вызывающих временное появление на локомотивном светофоре неправильных показаний. При таких условиях становятся необходимыми исследования и разработка рекомендаций по повышению работоспособности АЛСН.

Целью диссертационной работы является повышение работоспособности системы интервального регулирования путем:

— разработки устройства, позволяющего улучшить условия декодирования искажённых числовых кодовых комбинаций;

— синтеза рельсовых цепей с учётом действия на входе путевых приёмников в рабочей полосе частот одновременно полезного сигнала и гармоники тягового тока электроподвижного состава.

В диссертации поставлены и решены следующие задачи:

— разработка методики и проведение экспериментальных исследований работы АЛСН в эксплуатационных условиях;

— разработка устройства, позволяющего улучшить условия декодирования искажённых числовых кодовых комбинаций;

— разработка методики и испытательного стенда для проведения сравнительных испытаний устройств дешифрирования числовых кодовых комбинаций АЛСН;

— разработка методики учета воздействия остаточной намагниченности в зоне изолирующих стыков на работоспособность АЛСН;

— разработка методики определения влияния гармоник тягового тока электроподвижного состава с асинхронным тяговым приводом на рельсовые цепи при контрольном режиме работы;

— разработка методики синтеза рельсовых цепей с учётом действия на входе путевых приёмников в рабочей полосе частот одновременно полезного сигнала и гармоники тягового тока электроподвижного состава;

— разработка методики обработки записей тягового тока с целью определения работоспособности рельсовой цепи;

— разработка математической модели путевых приемников 11 111 рельсовых цепей тональной частоты в среде, обеспечивающей возможность анализа воздействия гармоник тягового тока на приемник;

— экспериментальное исследование работоспособности рельсовых цепей при воздействии тока электропоезда «Сапсан» с помощью физических моделей и в эксплуатационных условиях.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников и приложений.

4.4. Выводы.

1. Разработан макетный образец устройства корреляционного дешифратора числовых кодовых комбинаций АЛС. Конструктивное исполнение устройства позволяет проводить физические эксперименты по дешифрированию числовых кодовых комбинаций автоматической локомотивной сигнализации не только в лабораторных, но и в эксплуатационных условиях. Аппаратное и программное обеспечение разработанного макетного образца полностью совместимо с программным продуктом Ма^аЬ графической оболочкой БтиНпк и имеет большой запас вычислительных ресурсов применительно к рассматриваемой задаче.

2. Разработаны программно-аппаратные средства для сравнительных испытаний дешифраторов АЛСН и моделирования искажений числовых кодовых комбинаций автоматической локомотивной сигнализации в лабораторных условиях. Функциональные возможности стенда обеспечивают одновременное проведение сравнительных испытаний различных систем дешифрирования числовых кодовых комбинаций АЛС. Разработанный программный продукт имеет возможность формировать в имитируемой рельсовой цепи как реальную помеховую обстановку при эксплуатации на электрифицированных участках железной дороги, так и моделировать условия движения по перегону или станции с независимым управлением уровнем полезного сигнала и мешающих воздействий.

3. По разработанной программе и методике с помощью разработанных программно — аппаратных средств три различных дешифратора числовых кодовых комбинаций автоматической локомотивной сигнализации: КЛУБ-У, ДКСВ1 и макетный образец корреляционного дешифратора прошли сравнительные испытания. В соответствии с результатами проведенных испытаний, разработанный макетный образец корреляционного дешифратора позволяет снизить количество сбоев по сравнению с эксплуатируемыми системами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В рамках диссертационной работы получены следующие основные научные и прикладные результаты.

1. На основе экспериментальных поездок на электровозах постоянного и переменного тока в условиях реальной эксплуатации и анализа протоколов измерений, выполненных дистанциями сигнализации и связи, параметров числовых кодовых комбинаций, передаваемых аппаратурой рельсовых цепей, собраны данные по искажениям числовых кодовых комбинаций. Среди всех типов зарегистрированных искажений выделены те искажения, наличие которых приводило к сбою АЛСН. Выделены комбинированные искажения первого и второго рода.

2. Разработана методика учета воздействия остаточной намагниченности в зоне изолирующих стыков на работу АЛСН. Показано, что при определённых реальных скоростях движения и размерах магнитных пятен на зажимах локомотивной катушки может возникать радиоимпульс помехи, частота заполнения которого в точности совпадает с частотой полезного сигнала.

3. Разработано устройство, позволяющее уменьшить число сбоев АЛСН при дешифрировании искажённых кодовых комбинаций. Новизна технического решения подтверждена патентом на полезную модель.

4. Разработано математическое описание для расчёта уровня гармоник тягового тока в полосе пропускания путевого приемника станционной рельсовой цепи стрелочной секции, примыкающей к отсосу тягового тока тяговой подстанции в контрольном режиме.

5. Разработано математическое описание для расчёта уровня гармоник тягового тока в полосе пропускания путевых приемников станционных рельсовых цепей приёмо-отправочного пути с общим источником питания в контрольном режиме.

6. Получены формулы, описывающие влияние гармоник тягового тока на путевые приемники перегонных рельсовых цепей без изолирующих стыков с общим источником питания, расположенные в произвольном месте относительно тяговой подстанции и электроподвижного состава, в контрольном режиме.

7. Получено выражение для критерия чувствительности рельсовой цепи к обрыву рельсовой нити с учётом воздействия гармоник тягового тока электроподвижного состава с асинхронным приводом в рабочей полосе частот рельсовых цепей тональной частоты. Приведена методика определения допустимых уровней гармоник тягового тока в рабочей полосе частот рельсовых цепей тональной частоты по условиям выполнения контрольного режима.

8. Разработана физическая модель для экспериментального исследования работы рельсовых цепей с расчётным коэффициентом асимметрии рельсовой линии при воздействии обратного тягового тока. На основании проведенных исследований сделано заключение о работоспособности фазочувствительных и тональных рельсовых цепей при воздействии тока электропоезда «Сапсан» .

9. Разработаны электронные модели путевых приемников семейства ТРЦЗ, проведена их верификация и сравнение с физическими образцами. Максимальная зафиксированная погрешность не превышает 5%. Электронные модели синтезированы в программной графической среде БтиНпк, обеспечивающей возможность анализа воздействия на путевой приемник записанных в ходе испытаний сигналов тягового тока и допускающей создание сценариев проведения экспериментов, что позволяет упростить и автоматизировать задачу проведения экспериментальных исследований работоспособности эксплуатируемых рельсовых цепей тональной частоты в эксплуатационных условиях.

10. Проведена гармонизация отечественной и европейской методики обработки записей тягового тока для оценки работоспособности рельсовых цепей тональной частоты при воздействии тягового тока электроподвижного состава с асинхронным тяговым приводом.

11. Проведён анализ контрольного режима рельсовых цепей тональной частоты с учётом воздействия тягового тока электроподвижного состава с асинхронным тяговым приводом. Сделаны обобщения, необходимые при разработке мероприятий по обеспечению работоспособности рельсовых цепей в условиях воздействия гармоник тока электроподвижного состава с асинхронным тяговым приводом.

12. Проведено экспериментальное исследование работоспособности рельсовых цепей в эксплуатационных условиях при воздействии тока электропоезда «Сапсан» с асинхронным тяговым приводом. Результаты эксплуатационных испытаний подтвердили выводы о работоспособности рельсовых цепей при воздействии тока электропоезда «Сапсан», сделанные при экспериментальных исследованиях на физических моделях.

13. Разработан макетный образец устройства корреляционного дешифрирования числовых кодовых комбинаций АЛС. Его конструктивное исполнение позволяет проводить экспериментальные исследования в эксплуатационных условиях. Аппаратное и программное обеспечение разработанного макетного образца полностью совместимо с программным продуктом МайаЪ графической оболочкой БшиНпк и имеет большой запас вычислительных ресурсов применительно к рассматриваемой задаче.

14. Разработаны программно — аппаратные средства для сравнительных испытаний дешифраторов и моделирования искажений числовых кодовых комбинаций автоматической локомотивной сигнализации в лабораторных условиях. Функциональные возможности стенда обеспечивают одновременное проведение сравнительных испытаний различных систем дешифрирования числовых кодовых комбинаций АЛС. Разработанный программный продукт имеет возможность формировать в имитируемой рельсовой цепи как реальную помеховую обстановку при эксплуатации на электрифицированных участках железной дороги, так и моделировать условия движения по перегону или станции с независимым управлением уровнем полезного сигнала и мешающих воздействий.

15. По разработанной программе и методике с помощью разработанных программно — аппаратных средств, проведены сравнительные испытания эксплуатируемых дешифраторов числовых кодовых комбинаций автоматической локомотивной сигнализации КЛУБ-У, ДКСВ1 и макетного образца устройства корреляционного дешифрирования. В соответствии с результатами проведенных испытаний макетный образец устройства корреляционного дешифрирования числовых кодовых комбинаций АЛС показал наилучший результат.