автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Технология расчетного моделирования пневматической части тормозных систем железнодорожного подвижного состава

На правах рукописи

Г «♦нниульнмй эизпиг.мг

ЯРКОВСКИЙ ФЕДОР ВЖТОРОВИЧ

ТЕХНОЛОГИЯ РАСЧЕТНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ТОРМОЗНЫХ СИСТЕМ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Специальность 05.22.07 Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

МОСКВА-2003 г.-

Работа выполнена в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ)

Научный руководитель: член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор В.Г. Иноземцев

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент В.А. Карпычев кандидат технических наук В.В. Крылов

Ведущее предприятие: МТЗ Трансмаш

Защита состоится «_»_2003 г. в_часов на

заседании диссертационного Совета Д 218.005.01 при Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994 Москва, ул. Образцова, 15, ауд. 2513.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «_»_2003 года.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять по адресу университета.

Ученый секретарь диссертационного Совета д.т.н., профессор

Г

Г.И. Петров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Обеспечение безопасности движения поездов является одной из важнейших задач на железнодорожном транспорте. Значительная роль в ее решении зависит от эффективности действия пневматических тормозов. Все это требует дальнейшего совершенствования тормозной техники,'методики ее исследования и проектирования, а так же комплексного обучения локомотивных бригад управлению тормозами поезда.

В настоящее время существующие методы моделирования и проектирования пневматической части тормозных систем железнодорожного подвижного состава требуют значительных затрат материальных средств и времени, что увеличивает сроки разработки и влечет задержки внедрения новой тормозной техники, изучения и модернизации тормозных систем. В этих условиях возникает необходимость в разработке новых методов моделирования и проектирования пневматической части тормозных систем железнодорожного подвижного состава, которые позволят автоматизировать эти процессы и существенно сократить временные и материальные затраты на проектирование и изучение, и упростить работу инженеров-конструкторов и проектировщиков.

Цель работы. Целью работы является разработка эффективных методов моделирования и на основе полученных моделей проектирование и анализ пневматической части тормозных систем железнодорожного подвижного состава (на примере воздухораспределителя КЕ-483).

Цель работы достигается решением следующих основных вопросов:

• выбор методики моделирования и проектирования пневматических тормозных аппаратов и систем;

• построение математических моделей и разработка программ на их основе для расчета на ЭВМ.

Методика исследования. Для осуществления поставленной цели проводились теоретические исследования, разработка математических моделей и иссле-

... .....

I С.'Лггсрбург I *

09 ^Л

дувание их на ЭВМ, создание физических моделей устройств и исследование их как в лабораторных условиях, так и на действующих участках железных дорог.

Достоверность научных положений. Определяется совпадением результатов теоретических исследований с результатами эксплуатационных испытаний.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие научные результаты:

• на основании проведенного сравнительного анализа методов моделирования и проектирования пневматической части тормозных систем железнодорожного подвижного состава обоснована целесообразность и перспективность применения автоматизированного проектирования на основе активных компонентов;

• проведены испытания на основе активно-компонентного моделирования и автоматизированного проектирования воздухораспределителя КЕ-483, которые соответствуют испытаниям на групповом стенде;

• разработаны методика и алгоритм автоматизированного проектирования пневматической части тормозных систем железнодорожного подвижного состава;

• предложены методы изучения пневматической части тормозных систем железнодорожного подвижного состава на основе компьютерных обучающих программ, созданных с использованием расчетного моделирования;

• предложена структурная схема системы автоматизированного проектирования поезда или тренажера машиниста.

Практическая ценность. Разработанные в данной работе методы моделирования и автоматизированного проектирования пневматической части тормозных систем железнодорожного подвижного состава позволяют с наименьшими материальными и временными затратами, по сравнению с уже существующими методами, осуществлять совершенствование существующего и проектирование нового тормозного оборудования и тормозных систем, а так же применять компью-

терные обучающие программы, созданные на их основе.

Реализация результатов работы. Решением МСЖД воздухораспределитель КЕ-483 принят для эксплуатации на всех европейских железных дорогах. Компьютерные обучающие программы внедрены на сети железных дорог России и стран СНГ.

Апробация и реализация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на тормозной комиссии МПС РФ (Москва, 1998 г.), на заседаниях кафедр «Вагоны» и «Прикладная математика» МИИТа (Москва, 1997, 1998, 2003 гг.), и на различных профильных всероссийских выставках и конференциях (Москва, 1996,1997, 1999, 2003 гг.)

Публикации. По теме данного исследования опубликовано 4 печатные работы.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (35 наименований) и двух приложений. Она содержит 115 страниц машинописного текста, 6 таблиц и 20 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы.

В первой главе на основе анализа современного состояния вопроса сформулированы цели и задачи исследования.

Данная работа является дальнейшим развитием исследований по вопросу моделирования и проектирования пневматических тормозных устройств и систем. От ранее выполненных работ отличается тем, что впервые введено понятие активного компонента для тормозного устройства (объекта).

Введем понятие активного компонента объекта. Он представляет собой универсальный программный элемент ActiveX, имеющий в своей основе математическую модель данного объекта со всеми присущими ему свойствами, а также обязательные вспомогательные (интерфейсные) свойства, которые способствуют

автоматизации установки связей и взаимодействия друг с другом. Теперь при построении любой схемы используется распределенная компонентная объектная модель. С помощью активных компонентов, как из «кирпичиков», «склеивающихся» в единую распределенную систему, строится любая система. Она получается интерактивная, легко интегрируемая и расширяемая. Всё это позволяет создать и успешно использовать автоматизированные методы моделирования и проектирования различных систем.

Для моделирования пневматических тормозных систем вводится метод активно-компонентного моделирования, основанный на моделировании тормозных устройств с использованием выше указанных активных компонентов. Такой метод позволяет кардинально упростить процесс моделирования любого рода пневматических схем.

Во второй главе рассматривается воздухораспределитель КЕ-483.

Установленные технические требования к тормозному оборудованию на грузовых вагонах, эксплуатируемых в странах-членах МСЖД и странах СНГ, существенно отличаются друг от друга по некоторым параметрам.

Так для воздухораспределителей этих стран характерны следующие главные отличия:

Параметр отличия Воздухораспределитель МСЖД Воздухораспределитель СНГ

Отпуск Многоступенчатый (облегчение отпуска 0.15 бар) Переключаемый с одно - на многоступенчатый (укороченное время отпуска при длинных поездах)

Ускорение служебного торможения Около 0.3 бар снижение давления в тормозной магистрали в начале торможения Дополнительный отбор воздуха из тормозной магистрали на каждой ступени торможения (укороченное время торможения при длинных поездах)

Параметр отличия Воздухораспределитель МСЖД Воздухораспределитель СНГ

Грузовые режимы Непрерывно или многоступенчато Трехступенчато вручную (включено в воздухораспределитель), авто режим

Время торможения Переключается с быстрого 3-5 с. на медленное 18-30 с. не переключается - среднее 518 с. в зависимости от грузового режима

Благодаря принципиальным отличиям и отсутствию регистрации в МСЖД воздухораспределителя №483 невозможно свободное передвижение вагонов с этими воздухораспределителями по чужим территориям.

Для того чтобы обеспечить свободное передвижение по территориям всех стран, был разработан принципиально новый модульный воздухораспределитель КЕ-483. Его название объясняется совместным использованием узлов германского воздухораспределителя КЕ и российского воздухораспределителя №483.

Конструкция КЕ представляет собой один из стандартных воздухораспределителей КЕ, отвечающих требованиям 1ЛС540, работа которого идентична работе воздухораспределителей КЕ, допущенных к эксплуатации МСЖД. Он может быть выполнен во всех допустимых МСЖД вариантах.

Подробно описываются общие положения и принципы, составные части воздухораспределителя и принцип его действия, на основе которого в дальнейшем строится математическая модель.

Рис. 1 Воздухораспределитель КЕ-483

Для воздухораспределителя КЕ-483 предусмотрены следующие режимы работы, устанавливаемые универсальным переключателем (4 на Рис 1):

Условия Соединение Функция

МСЖД Магистральная часть 483 отключена и не работает В оздухораспределитель КЕ работает полностью самостоятельно по условиям МСЖД

СНГ Магистральная часть 483 соединена с тормозной магистралью и с управляющей камерой А Ускоряется процесс отпуска (благодаря одноступенчатому отпуску) и процесс торможения на всех ступенях

В третьей главе рассматривается модель расчета потока воздуха.

Расчет потока воздуха является одним из основных элементов расчетов пневматических тормозных приборов и аппаратов. Определив все потоки, протекающие в аппарате, можно пересчитать соответствующие давления, что в свою очередь позволит смоделировать все процессы, протекающие в тормозных пневматических аппаратах.

Величина расхода воздуха при известном из термодинамики условии о существовании критического давления равного 0.528 Ру определяется различными формулами в докритической и сверхкритической областях.

ей

287 Р,

Г г, т

кг+ь

у-1

при У ^ 0-528

7 + IV,

где б - вес воздуха в резервуаре, кг;

g - ускорение свободного падения, м/с2', ц - коэффициент расхода;

V „ - удельный объем воздуха при давлении Рп м3/кг\ у - отношение теплоемкости воздуха при постоянном давлении к теплоем кости при постоянном объеме (у = 1.41).

Л

А (Р) 1 п 2 Г 1 п у+] ' У

У-^Уу р Р К1 V У

при -^>0.528

Учитывая характеристическое уравнение для воздуха = КТ в

С о Л

у-1

Л

г 2^ 7 * п 2 У 1 п ш' У

РТ7-1 р К1 V Р

где

к - газовая постоянная для воздуха {к=29.27-);

кг* К

Т- абсолютная температура воздуха (для расчетов Т-288.15 К).

Приведены результаты опытов, поставленных со специальной целью более точной проверки расчетных методов. Эти результаты, сверенные с номограммами, представлены в виде таблиц, в которых сопоставлены полученная расчетная и экспериментальная фактическая продолжительность повышения давления в резервуаре при зарядке его из источника постоянного давления или понижения

давления при истечении из резервуара в атмосферу. В этих же таблицах приведены и соответствующие значения коэффициента Ж, представляющего отношение расчетного времени к фактическому времени.

Зарядка резервуара объемом 25 л через отверстие диаметром 1.18 мм

Величина повышения давления, атм, От-до Давление источника

Р—5атм W Р=6атм W

Время, с Время, с

Расчетное Фактическое Расчетное Фактическое

0-1 22.5 21.0 1.071 19.3 18.0 1.072

0-2 45.0 44.0 1.023 38.6 36.0 1.072

0-3 67.3 67.0 1.004 57.6 54.0 1.067

0-4 95.1 98.0 0.97 77.6 75.0 1.035

0-5 103.4 101.0 1.024

Истечение из резервуара объемом 25 л через отверстие диаметром 1.18 мм. Начальное давление Р=5 атм

Величина давления в резервуаре, атм Время, с W

Расчетное Фактическое

4.2 19.3 17.5 1.103

3.4 39.7 36.5 1.088

2.6 68.9 64.0 1.077

1.8 102.7 99.0 1.037

1.0 147.7 146.0 1.012

0.2 222.3 222.0 1.001

Полученные данные, представленные в исследовании и в таблицах, показывают, что расхождение результатов расчета с результатами, полученными опытным путем не превышает в самых неблагоприятных случаях 10%-14%, а в основном 5%-10%, что для наибольшего числа технических расчетов является вполне допустимым и позволяет получить модель, достаточно близкую к реальной. Необходимо так же отметить, что при расчетном решении большинства практических вопросов и задач достаточно определить не абсолютные значения каких-либо величин, а лишь их отношения между собой и их изменения в зависимости от изменения некоторых факторов. В таких случаях точность расчета может быть на много выше только что приведенной.

В четвертой главе рассматривается моделирование тормозной магистрали.

Рассмотрим воздухопровод, представляющий собой тормозную магистраль пневматической или электропневматической тормозной системы. Он обеспечивает расход сжатого воздуха для работы тормоза, а также служит для передачи импульсов пневматического управления за счет снижения или повышения магистрального давления.

При работе тормозной системы целесообразно различать неустановившиеся и установившиеся (стационарные) режимы движения воздуха. Неустановившиеся режимы характеризуются изменением значений давления и расхода воздуха в поперечных сечениях тормозной магистрали с течением времени. При установившихся режимах значения давления и расхода воздуха с течением времени не изменяются.

Для вывода дифференциальных уравнений неустановившегося движения воздуха в тормозной магистрали используется уравнение Навье-Стокса: д{рУх) д(рУхУх) д(рУхУ ) д(рУхУг) дР

-----1----_ - — ----= —[.цф

д( дх ду дг дх

и уравнение неразрывности

dt dx ду dz

где

p - плотность;

Vx,Vy,Vz - проекции скорости потока на соответствующие координатные оси;

t - время; Р - давление;

(X - коэффициент динамической вязкости; ф = gradxdivV + V2VX ;

gradxdivV - проекция на ось х градиента дивергенции вектора скорости потока;

2

V - оператор Лапласа.

В результате преобразования уравнений получаем

где U = О Vr - удельный массовый

dU гг__дР

dt ehe' расход, приходящийся на единицу

площади поперечного сечения S: с -

2эи дР

с —— — ——. скорость звука; а - характеристика со-

дх dt

противления трения.

Приводя уравнения к классическому виду, получим, что движения воздуха в

прямой цилиндрической трубе можно описать системой дифференциальных

уравнений для давления и расхода:

д2Р . дР 2 д2Р -л-2а- =с ,

dt dt Qx2

d2U _ dU 2d2U ——+ 2 а — = c - - , dt2 dt dx2

14

2 ди дР с =-дх дг

С другой стороны, это же движение описывается ранее полученной системой дифференциальных уравнений первого порядка.

Перепишем эту систему уравнений через весовой расход воздуха (поток) за

единицу времени 0-~с ^^ и получим

дг дх

Э/1 Б дх'

Решим эту систему дифференциальных уравнений методом простой итерации (метод Эйлера).

Рассмотрим трубу длиной Ь (в метрах) состоящую из N сегментов длиной <11. За один сегмент можно выбрать один вагон. Будем рассматривать давление как Р(и х), а поток как Q(t, х) при шаге по времени Л. Поставим в соответствие tяx индексы г и/ соответственно.

При этом давления и потоки для фиксированного индекса i расположатся на оси х в следующем виде:

а0 б, а2 0-1-1 е, о-м Яы.1 а

N

I-1-1-1-1-1-1-н->

0 12 }-1 3 ¡+1 N-1 N

Р0 Л РИ Р} Рм.! Х

Или более наглядно в графическом виде (левый график для расчета а правый - Р)\

¡+1

/+7

I

О ]-1 ] X 0 у ]+1 х •

Начальные и краевые условия запишутся в следующем виде:

\Р(0,х) = Ри1, 1.6(0,*) = О,

где Ргс[ - начальное задающее давление в магистрали.

где (2ь-ап - поток от крана машиниста, Qtraпz - транзитный поток.

Если рассмотреть один сегмент у тормозной магистрали с учетом утечки Щ, то он будет выглядеть как

а

и.

И система уравнений перепишется в виде:

>у = (1 -2аЛ)аи -с2Б Ри Л, У = 1,2,...,N-1.

Мы получили окончательную систему уравнений с начальными и краевыми условиями, которая описывает движение воздуха в трубопроводах (магистралях) с дозвуковой скоростью и позволяет рассчитать тормозную магистраль в режиме реального времени с довольно высокой точностью.

где 0 = с 51] - весовой расход воздуха (поток) за единицу времени; Ъ -коэффициент распределенных утечек.

В пятой главе рассматривается практическая реализация и результаты испытания системы.

Модель практически любого тормозного аппарата можно представить набором объемов соединенных калиброванными отверстиями или трубочками и механическими элементами, влияющими на эти соединения и сами объемы.

Рис. 2. Моделирование пневматического тормозного аппарата

На принципе действия тормозного устройства основано само построение модели. Оно устанавливает полную картину состояния (карта состояния) устройства в любой момент времени, что позволяет иметь все текущие технические параметры и характеристики элементов устройства.

Основываясь на карте состояния устройства, можно подготовить аналогичную карту давлений устройства, представляющую собой информацию о давлении в любой точке тормозного устройства в текущий момент времени.

И уже основываясь на картах состояния и давления можно получить карту потоков, рассчитав их на основе выше приведенной теории. В свою очередь новые давления будут получены на основе этих рассчитанных потоков и текущей карты состояния.

И так, в любой момент времени мы имеем три основные карты: состояния, давления и потока.

Формализация пневматической схемы.

Пневматическая система представляется набором элементов нескольких основных типов:

• Источник давления Р - резервуар, тормозной цилиндр и т.п.;

• Источник распространения потока Q - компрессор, кран, воздухораспределитель, выпускной клапан и т.д.;

• Связующие элементы-трубки и т.п.;

• Препятствующие элементы - краники, обратные клапаны, переключательные клапаны, вентили и т.п..

Работа пневматической схемы в каждый момент времени:

1. Подготавливаем схему состояния всех связующих и препятствующих элементов;

2. Берем источники давления Р и по связующим элементам распространяем Р до первого препятствующего элемента, который закрыт или до источника потока Q или Р\

. 3. Для всех Р, которые есть в схеме выполняем пункт 1, если только Р изменилось;

4. Берем источники £ и по связующим элементам распространяем £> до источника Р или до тройника. При этом учитываются препятствующие элементы, которые закрыты, и по этим веткам Q не распростра-

ч

няется;

5. Пересчитываем все значения источников Р на основании подготовленных в пункте 3 потоков

6. Пересчитываем все значения источников ¡2;

7. Переходим на пункт 1.

Рис. 3. Принцип сборки пневматической схемы тормозной системы с помощью

активных компонентов

На рис. 4 приведен один из результатов полученных на групповом стенде при испытании воздухораспределителя КЕ-483 в пассажирском режиме при полном служебном торможение и полном отпуске.

А на рис. 5. приведен один из результатов полученных при активно-компонентном моделировании при испытании воздухораспределителя КЕ-483 в

пассажирском режиме при полном служебном торможение и полном отпуске.

Рис. 5. Воздухораспределитель КЕ-483 Режим пассажирский. Полное служебное торможение и полный отпуск (программное моделирование)

Полученные расчетные данные показывают, что расхождение результатов расчета с результатами, полученными опытным путем на испытательных стендах и в реальных условиях не превышает в самых неблагоприятных случаях 10%-15%, а в основном 5%-10%, что для наибольшего числа технических расчетов является вполне допустимым и позволяет получить модель, достаточно близкую к реальной.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенного сравнительного системного анализа методов моделирования и проектирования пневматической части тормозных систем железнодорожного подвижного состава обоснована целесообразность и перспективность применения расчетного моделирования и автомашзированного проектирования на основе активных компонентов.

Разработана математическая модель нового воздухораспределителя КЕ-483.

Проведены испытания, на основе активно-компонентного моделирования и автоматизированного проектирования, воздухораспределителя КЕ-483, которые соответствуют испытаниям на групповом стенде.

Разработаны методика и алгоритм автоматизированного проектирования пневматической части тормозных систем железнодорожного подвижного состава.

Предложены методы изучения пневматической части тормозных систем железнодорожного подвижного состава на основе компьютерных обучающих программ и тренажеров, созданных с использованием автоматизированного проектирования.

Предложена структурная схема системы автоматизированного проектирования поезда или тренажера машиниста.

Разработанные в данной работе методы моделирования и автоматизированного проектирования пневматической части тормозных систем железнодорожного подвижного состава позволяют с наименьшими материальными и временными

затратами, по сравнению с уже существующими методами, осуществлять совершенствование существующего и проектирование нового тормозного оборудования и тормозных систем. А так же, применять компьютерные обучающие программы, созданные на их основе.

На основе выполненных исследований решены следующие конкретные задачи:

• Созданы методика составления и анализа тормозных систем локомотивов повышенной сложности;

• Выполнены работы, являющиеся составной частью фундаментальных исследований, завершившихся созданием воздухораспределителя КЕ-483 для вагонов международного сообщения;

• Разработана серия программ по пневматическим тормозным системам;

• Разработана серия тренажеров.

Решением МСЖД воздухораспределитель КЕ-483 принят для эксплуатации на всех европейских железных дорогах. Компьютерные обучающие программы и тренажеры внедрены на сети железных дорог России и стран СНГ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Ярковский Ф.В. Новые технические средства обучения локомотивных бригад рациональным способам вождения поездов и действиям в нештатных и аварийных ситуациях, создающих угрозу безопасности движения // Железнодорожный транспорт. Серия «Безопасность движения» ЦНИИТЭИ МПС. -М., 1995. -Вып.5. -С.1-30.

2. Ройзнер А.Г., Шихер Я.Г., Зеликман Б.Л., Ярковский Ф.В. Тренажерные технологии на железнодорожном транспорте // Тезисы докладов научно-технической конференции «Тренажерные технологии». - М., 1999. -С.30-35.

3. Ярковский Ф.В. Автоматизированные средства синтеза и анализа пневматических тормозных аппаратов и схем // Тезисы докладов Первой научно-техническая конференции «Развитие и совершенствование тормозной техники

для перспективного железнодорожного подвижного состава и метрополитена» -М„ 1999. С.20-22.

4. Ярковский Ф.В. Автоматизированное проектирование пневматических и электрических схем железнодорожного подвижного состава // Тезисы докладов 2-й научно-технической конференции «Тренажерные технологии и симуляторы». -Санкт-Петербург., 2003. -С.81-83.

ЯРКОВСКИЙ ФЕДОР ВИКТОРОВИЧ

ТЕХНОЛОГИЯ РАСЧЕТНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ТОРМОЗНЫХ СИСТЕМ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Подписано к печати - У/. 09. СЗ. Формат бумаги 60x84/16

Объем 1,5 п.л. Заказ - ¿074. Тираж 80

Типография МИИТа 127994, Москва, ул. Образцова, 15

í

!

I

¡

»13 Я9

i,

i

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТОРМОЗНЫХ СИСТЕМ.

2. ВОЗДУХОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ КЕ-483.

2.1. Основные характеристики и конструкция.

2.2. Принцип действия воздухораспределителя.

2.2.1. Положение МСЖД.

2.2.2. Положение СНГ.

2.3. Воздухораспределитель КЕс!.

2.3.1. Общие положения и принципы.

2.3.2. Составные части воздухораспределителя КЕё.

2.3.3. Принцип действия.

3. РАСЧЕТ ПОТОКА ВОЗДУХА.

4. ТОРМОЗНАЯ МАГИСТРАЛЬ.

5. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ СИСТЕМЫ.

Пневматическая часть тормозных систем железнодорожного подвижного состава широко используется для осуществления торможения локомотивов, вагонов и поездов, эксплуатируемых на сети железных дорог России, стран СНГ и за рубежом. Это обусловлено тем, что пневматические тормоза, изобретенные ещё в 1869 году, хорошо зарекомендовали себя на протяжении многих лет. Они успешно выполняли свою основную задачу — обеспечение торможения и безопасного движения поезда — в процессе собственного развития, усовершенствования и модернизации, начиная от неавтоматических тормозов и заканчивая автоматическими и электропневматическими тормозами.

К этому следует добавить, что установленные технические требования к тормозному оборудованию на локомотивах и вагонах, эксплуатируемых в странах-членах МСЖД и в странах СНГ, существенно отличаются друг от друга по некоторым параметрам. Это определяет значительную потребность в разработке и использовании новых универсальных тормозных аппаратов, или в модернизации уже существующих. При этом возникает необходимость снижения стоимости таких разработок и исследований.

Пневматическая часть тормозных систем железнодорожного подвижного состава применяется также для проведения испытаний модернизированных или вновь создаваемых тормозных аппаратов и приборов с целью получения, изучения и анализа предварительных результатов работы аппаратуры, до проведения поездных испытаний. Это позволяет моделировать различные процессы в пневматической тормозной системе и исследовать их влияние на надежность, безотказность действия и хорошую управляемость тормозов. Например, незначительное изменение диаметра калиброванных отверстий в тормозном аппарате может привести к созданию нового тормозного устройства по конструкции и техническим характеристикам близкого к модернизируемому, но с новыми свойствами или функциональными параметрами.

Стоит также отметить, что представляет значительный интерес задача обеспечения безопасности движения поездов, являющаяся одной из важнейших задач на железнодорожном транспорте. Значительная роль в ее решении принадлежит локомотивным бригадам и в огромной степени зависит от эффективности действия пневматических тормозов. Понятно, что все это требует дальнейшего совершенствования тормозной техники, методики ее исследования и проектирования и, наконец, комплексного обучения локомотивных бригад.

В целом, тормозная система железнодорожного подвижного состава может быть подразделена на три основные составляющие:

• пневматическая часть тормозной системы;

• электрическая часть тормозной системы;

• механическая часть тормозной системы.

Это глобальное подразделение тормозной системы можно обусловить научными принципами рассмотрения процессов, протекающих в каждой отдельной её части и системе в целом.

В данном случае, при рассмотрении пневматической части тормозной системы затрагиваются вопросы газо- и аэродинамики.

Тормозная Система

Пневматическая часть

Электрическая часть

Механическая часть

Основным тормозом, который полностью обеспечивает безопасность движения и позволяет управлять движущимся поездом с помощью различных тормозных режимов, является автоматический фрикционный тормоз, использующий силы трения, с пневматическим или электропневматическим управлением и пневматическими силовыми органами - тормозными цилиндрами.

Поэтому моделирование, проектирование и исследование пневматической части тормозных систем железнодорожного подвижного состава является одной из главных составляющих процесса моделирования, проектирования и исследования тормозной системы в целом, да и поезда или тренажера машиниста на её основе.

В настоящее время существующие методы моделирования и проектирования пневматической части тормозных систем железнодорожного подвижного состава требуют значительных затрат материальных средств и времени, что означает увеличение сроков разработки и влечет за собой задержки внедрения новой тормозной техники, изучения и модификации тормозных систем. В этих условиях возникает необходимость в разработке новых методов моделирования и проектирования пневматической части тормозных систем железнодорожного подвижного состава, которые позволят автоматизировать эти процессы и существенно сократить временные и материальные затраты на проектирование и изучение, и упростить работу инженерам-конструкторам и проектировщикам.

В настоящий момент довольно глубоко разработаны и с успехом используются теоретические основы проектирования автотормозов [11].

Большой вклад в развитие науки о торможении поездов, в том числе по вопросам газодинамических процессов в тормозной системе поезда, внесли ученые: В.Ф. Егорченко, В.М. Казаринов, В.Г. Иноземцев, В.Ф. Ясенцев, П.Т. Гребенюк, Б.Л. Карвацкий, Д.Э. Карминский, Г.В. Гогричиани, В.И. Крылов, В.В. Крылов, П.С. Анисимов, В.Е. Попов, Е.В. Клыков, Е.П. Блохин и другие.

Вопросы моделирования, основанные на различных теориях и методах, в том числе и воздухораспределителей, описаны в работах [4, 5, 6, 7, 15, 21].

Под проектированием подразумевается процесс создания описаний нового или модернизируемого технического объекта (изделия, процесса), достаточных для изготовления или реализации этого объекта в заданных условиях.

Но в тоже время, возникла серьезная необходимость автоматизации проектирования автотормозов и тормозных систем, т.е. выполнения проектирования при взаимодействии человека и ЭВМ.

Это, в свою очередь, влечет за собой необходимость автоматизации научных исследований, связанных с процессом проектирования, т.е. углубленного использования ЭВМ для повышения эффективности научных исследований.

Всё выше сказанное говорит о том, что в данный момент автоматизация проектирования тормозных систем железнодорожного подвижного состава может являться приоритетным направлением в развитии тормозостроения.

В свою очередь разработка и дальнейшее внедрение автоматизированного проектирования различных частей тормозной системы железнодорожного подвижного состава позволит создать целостную систему автоматизированного проектирования (САПР) поезда или тренажера машиниста.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенного сравнительного системного анализа методов моделирования и проектирования пневматической части тормозных систем железнодорожного подвижного состава обоснована целесообразность и перспективность применения расчетного моделирования и автоматизированного проектирования на основе активных компонентов.

Разработана математическая модель нового воздухораспределителя КЕ

483

Проведены испытания, на основе активно-компонентного моделирования и автоматизированного проектирования, воздухораспределителя КЕ-483, которые соответствуют испытаниям на групповом стенде.

Разработаны методика и алгоритм автоматизированного проектирования пневматической части тормозных систем железнодорожного подвижного состава.

Предложены методы изучения пневматической части тормозных систем железнодорожного подвижного состава на основе компьютерных обучающих программ и тренажеров, созданных с использованием автоматизированного проектирования.

Предложена структурная схема системы автоматизированного проектирования поезда или тренажера машиниста.

Разработанные в данной работе методы моделирования и автоматизированного проектирования пневматической части тормозных систем железнодорожного подвижного состава позволяют с наименьшими материальными и временными затратами, по сравнению с уже существующими методами, осуществлять совершенствование существующего и проектирование нового тормозного оборудования и тормозных систем. А так же, применять компьютерные обучающие программы, созданные на их основе.

На основе выполненных исследований решены следующие конкретные задачи:

• Созданы методика составления и анализа тормозных систем локомотивов повышенной сложности;

• Выполнены работы, являющиеся составной частью фундаментальных исследований, завершившихся созданием воздухораспределителя КЕ-483 для вагонов международного сообщения;

• Разработана серия программ по пневматическим тормозным система;

• Разработана серия тренажеров.

Решением МСЖД воздухораспределитель КЕ-483 принят для эксплуатации на всех европейских железных дорогах. Компьютерные обучающие программы и тренажеры внедрены на сети железных дорог России и стран СНГ.

Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на тормозной комиссии МПС РФ (Москва, 1998 г.), на заседаниях кафедр «Вагоны» и «Прикладная математика» МИИТа (Москва, 1997, 1998, 2003 гг.), и на различных профильных всероссийских выставках и конференциях (Москва, 1996, 1997, 1999, 2003 гг.)

1. Белоконь Н.И. Методика испытания инжекторов мятого пара. «Транспортное машиностроение», 1936, №2

2. Боровский Г.М. Пневматические расчеты тормозных приборов. Московский тормозной завод. СКБТ, 1958. 56 с.

3. Боровский Г.М. Расчет калиброванных отверстий в тормозных приборах. -М.: Трансжелдориздат, 1934. 28 с.

4. Будницкий В.Е., Елсаков Г.М., Левин И.Г. Математическая модель воздухораспределителя. УрЭМИИТ, 1979. 28 с.

5. Гогричиани Г.В., Крылов В.В., Казаринов A.B. Перспективы развития динамических моделей пневматических тормозных систем поездов. Вестник ВНИИЖТа, 1989, №5, 29 32 с.

6. Гогричиани Г.В., Шипилин A.B. Переходные процессы в пневматических системах. -М.: Машиностроение, 1986. 160 с.

7. Горин А.Ф. К расчету газодинамических процессов в тормозной магистрали поездов. Вестник ВНИИЖТа, 1972, №3, 50 -52 с.

8. Иноземцев В.Г. Тормоза железнодорожного подвижного состава. —М.: Транспорт, 1979. 424 с.

9. Иноземцев В.Г. Тормоза железнодорожного подвижного состава: Вопросы и ответы. -М.: Транспорт, 1987. 207 с.

10. Иноземцев В.Г., Казаринов В.М., Ясенцев В.Ф. Автоматические тормоза. -М.: Транспорт, 1981. 464 с.

11. Казаринов В.М., Иноземцев В.Г., Ясенцев В.Ф. Теоретические основы проектирования и эксплуатации автотормозов. —М.: Транспорт, 1968. —400 с.

12. Клыков Е.В., Крылов В.В. Воздухораспределители тормозов железнодорожного подвижного состава. -М.: Транспорт, 1976. — 192 с.

13. Кочин Н.Е., КибельИ.А., РозеН.В. Теоретическая гидромеханика. Часть 1. -М.: Физ.-мат. Лит., 1963. 584 с.

14. Кочин Н.Е., КибельИ.А., Розе H.B. Теоретическая гидромеханика. Часть 2. -М.: Физ.-мат. Лит., 1963. 728 с.

15. Крылов В.В. Повышение эффективности действия воздухораспределителей пневматических тормозов в длинносоставных грузовых и пассажирских поездах.: Дис. канд. тех. наук: 05.22.07. -М.: 1999. -74с.

16. Крылов В.И., Крылов В.В. Автоматические тормоза подвижного состава. -М.: Транспорт, 1983. 360 с.

17. Крылов В.И., Крылов В.В., Ефремов В.Н., Демушкин П.Т. Тормозное оборудование железнодорожного подвижного состава: Справочник. -М.: Транспорт, 1989.-487 с.

18. Обучающие программы. Пневматические схемы локомотивов. Методическое пособие. ГЖБ ЦТ МПС РФ, -М.: 1998. 44 с.

19. Обучающие программы. Тормозные устройства. Методическое пособие. ПКБ ЦТ МПС РФ, -М.: 1998. 46 с.

20. Тихонов А.Н., Самарский A.A. Уравнения математической физики. — М.: Наука, 1972.-736 с.

21. Ткаченко Е.В. Моделирование процессов в устройствах автоматических тормозов подвижного состава и анализ эффективности их действия.: Дис. канд. тех. наук: 05.22.07. -М.: 1997. -174с.

22. Тренажер машиниста. Проект А2387 ПКБ ЦТ МПС РФ. М.: 1995.

23. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. — М.: Мир, 1966.-292 с.

24. Чарный И.А. Неустановившееся движение реальной жидкости в трубах. -М.: Гостехиздат, 1951. 224 с.

25. Черный Г.Г. Газовая динамика. -М.: Наука, 1988. 424 с.

26. Druckumsetzer Du 111. Geratebeschreibung B-EF20.23. KNORR-BREMSE AG MÜNCHEN, Germany: 1995.

27. Elektropneumatische Steuereinheit EPZ. Geratebeschreibung B-EL40.21. KNORR-BREMSE, Germany: 1995.

28. Regelbares Lastbremsventil RLV-lld. Geratebeschreibung B-EF30.24. KNORR-BREMSE AG MÜNCHEN, Germany: 1995.

29. Relaisventil KR-ld. Geratebeschreibung B-EF 10.25. KNORR-BREMSE, Germany: 1995.

30. Steuerventil KE-483M. Beschreibung PK-EC20.28. KNORR-BREMSE, Germany: 1997.

31. Steuerventil KEd. Geratebeschreibung B-EC00.25. KNORR-BREMSE, Germany: 1996.

32. Ройзнер А.Г., ШихерЯ.Г., Зеликман Б.Л., Ярковский Ф.В. Тренажерные технологии на железнодорожном транспорте // Тезисы докладов научно-технической конференции «Тренажерные технологии». — М., 1999. -С.30-35.

33. Ярковский Ф.В. Автоматизированное проектирование пневматических и электрических схем железнодорожного подвижного состава // Тезисы докладов 2-й научно-технической конференции «Тренажерные технологии и симуляторы». -Санкт-Петербург., 2003. -С.81-83.