Kierunek Elektrotechnika sem. VI LABORATORIUM TRAKCJI ELEKTRYCZNEJ. Ćwiczenie nr 4. Symulator ruchu elektrycznego pojazdu trakcyjnego

Transkrypt

1 Kierunek Elektrotechnika sem. VI LABORATORIUM TRAKCJI ELEKTRYCZNEJ Ćwiczenie nr 4 Symulator ruchu elektrycznego pojazdu trakcyjnego 1

2 1. Wstęp Celem niniejszego ćwiczenia jest: zapoznanie studentów z programem do symulacji komputerowej, który umożliwia określenie parametrów ruchu kolejowego pojazdu trakcyjnego w zależności od czasu lub przebytej drogi przy danych charakterystykach pojazdu oraz przy znanych parametrach trasy i pociągu. Wzrastające wymagania stawiane przed transportem kolejowym i postęp techniczny stwarzają potrzebę rozwoju systemu trakcji elektrycznej. Jednym z wymogów rozwoju jakościowego jest potrzeba wprowadzenia do eksploatacji taboru o znacznie wyższych parametrach techniczno-konstrukcyjnych. Dotyczy to zwłaszcza użytkownika lokomotyw przy obsłudze ciężkich pociągów towarowych, jak również szybkich pociągów pasażerskich. Każda zmiana warunków ruchu na trasie i parametrów pojazdu winna być poprzedzona obliczeniami pozwalającymi stwierdzić, czy pojazd spełni nowe wymagania ruchowe, czy możliwa będzie jazda zgodna z rozkładem jazdy. Wykonanie takich badań w warunkach naturalnych, na rzeczywiście pracujących urządzeniach, byłoby bardzo kosztowne i mogłoby prowadzić do znacznych zaburzeń ruchu. Znacznie prościej, szybciej i taniej można uzyskać potrzebne informacje, analizując wyniki tzw. przejazdu teoretycznego. Dlatego od wielu lat prowadzi się badania nad symulatorami przejazdu teoretycznego. Duży postęp, jaki dokonał się w ciągu ostatnich kilkunastu lat w dziedzinie rozwoju maszyn cyfrowych z czego wynikło znaczne zwiększenie ich mocy obliczeniowej umożliwiło skonstruowanie bardzo dokładnych symulatorów, uwzględniających bardzo dużą liczbę zmiennych. Możliwe stało się także znaczne zwiększenie dokładności rozwiązywania układów równań ruchu metodami analitycznymi. Wynika z tego, że dokładność symulatorów przejazdu teoretycznego znacznie wzrosła i otrzymywane wyniki są bardzo zbliżone do rzeczywistych. Dlatego konstruowanie coraz dokładniejszych symulatorów stało się nie tylko uzasadnione, ale również stało się koniecznością. Przedstawiony symulator ruchu pociągu uwzględnia: 1. Przejazd trasy pociągu dowolnie oddalonych stacji, która może zawierać nieograniczoną liczbę postojów.. Przejazd według określonej charakterystyki trasy, z uwzględnieniem ograniczeń prędkości na trasie, zadanej przez użytkownika. 3. Przejazd dowolnego pociągu, w skład, którego wchodzą lokomotywy aktualnie używane w trakcji kolejowej w Polsce z dowolną liczbą i masą wagonów, mających dowolną liczbę osi. 4. Wahania napięcia zasilające pojazd, które mają wpływ na charakterystyki trakcyjne pojazdu. 5. Sposoby prowadzenia ruchu: a) Przejazd forsowny, dzięki któremu możemy poznać osiągi lokomotywy, wykorzystujący maksymalnie możliwe do uzyskania przyspieszenia. b) Przejazd energooszczędny, minimalizujący zużycie energii przez pojazd. c) Przejazd maszynisty, w którym można zapoznać się z zasadami prowadzenia pojazd, jest realizowany poprzez cztery stany jazdy: -jazda pod prądem -wybieg -hamowanie służbowe -hamowanie awaryjne

3 Bez względu na zakres prowadzonych obliczeń podstawowymi wielkościami przyjmowanymi do obliczeń są: -charakterystyka trakcyjna F p (v) pojazdu, oraz odpowiadająca jej charakterystyka poboru prądu przez pojazd w funkcji prędkości I(v), które są wprowadzana na podstawie danych katalogowych pojazdu. Przybliżone rysunki tych charakterystyk można znaleźć w załączniku nr.1. -charakterystyka trasy decydująca o dodatkowych oporach trakcji w funkcji położenia pociągu na trasie.. Model pojazdu trakcyjnego Obliczenia należy rozpocząć od rozwiązania zasadniczego równania ruchu pociągu. ( F W ) ds = de k F(t) - chwilowa wartość siły pociągowej pojazdu liczona na obwodzie koła, W(t) - chwilowa wartość całkowitych oporów ruchu pociągu, s(t) - droga, E k - energia kinetyczna pojazdu i pociągu. Przekształcając to równanie można zapisać: dek F W = ds Ze wzoru na E k : gdzie: zatem: E k m - k - v - m k v = masa pojazdu i pociągu, współczynnik mas wirujących, prędkość pojazdu. ds F W = m k v albo dt ds Wyrażając zaś prędkość v jako dt dv F W = m k albo dt dv ds dv dt F W = (1) m k v F W = () m k Rozwiązanie ogólne równania (1) można zapisać w postaci: s = m k v v1 vdv F W rozwiązanie zaś ogólne równania () jako: 3

4 t = m k v v1 dv F W Trudność w rozwiązaniu obu całek polega na tym, że zależności parametrów zmiennych v, F są podane w postaci wielu charakterystyk i nie można ich wyrazić analitycznie. Podane całki można jednak obliczyć metodami przybliżonymi, zastępując różniczki przyrostami skończonymi, a całki sumą. Zakłada się przy tym, że wartość siły przyspieszającej ( F W ) w całym zakresie prędkości od v do v + v nie ulega zmianie i v równa jest sile odpowiadającej prędkości v +. Uzyskuje się wówczas zależności: oraz: s = m k t = m k v v v 1 v 1 v v + F śr W v F śr W śr śr Chcąc uzyskać drogę w [m] i czas w [s] do wzorów masę należy podstawić w [kg], siłę w [N] i prędkość w [m/s]. Przejazd automatyczny (forsowny i energooszczędny) został zrealizowany metodą zwaną metodą średnich prostokątów który prowadzi się przez kolejne wyliczenia różnych danych według następującego schematu [1]: 1. założona prędkość początkowa v p. założona prędkość v p+1 = v p + v 3. założony przyrost prędkości v 4. v p + v p+1 obliczona prędkość średnia v śr = 5. siła pociągowa F odczytana z wykresu dla v śr, po uwzględnieniu zmian napięcia zasilającego 6. całkowite opory ruchu W odpowiadające v śr 7. obliczona siła przyspieszająca ( F W ) 8. F W przyspieszenie średnie a = m k 9. czas t odpowiadający przyrostowi prędkości v v t = a 10. suma czasów t od chwili ruszenia 4

5 11. droga S odpowiadająca przyrostowi prędkości v S = vśr t 1. droga od chwili ruszenia S = S 13. prąd pobierany przez lokomotywę odczytany dla v śr, po uwzględnieniu zmian napięcia zasilającego 14. iloczyn jednego przedziału czasu t i prądu I pobieranego przez lokomotywę przy prędkości v śr 15. iloczyn I t dla prędkości v śr Na podstawie wyników z punktów 4 i 1 wykonuje się wykres v = f (S) a z punktów 10 i 1 wykres t = f (S). Suma wszystkich wyników z punktu 14 umożliwia obliczenie całkowitego zużycia energii według wzoru A = I U t, gdzie I oznacza prąd pojazdu trakcyjnego lub lokomotywy, natomiast U aktualną wartość napięcia sieci. Można teraz obliczyć A jednostkowe zużycie energii j =, gdzie m jest masą całego pociągu. Suma wszystkich S m I t obliczeń z punktu 15 służy do obliczenia prądu zastępczego I z =, gdzie τ jest τ całkowitym czasem jazdy wraz z czasem hamowania i czasem postoju na przystankach. Przy tej metodzie gdzie zakładamy stały przyrost prędkości v w sytuacji gdy prędkość pociągu jest duża i siły lokomotywy F są porównywalne z siłami oporów W, czas t odpowiadający przyrostowi prędkości v jest na tyle duży, że droga hamowania jest obarczona zbyt dużym błędem. Niezbędne jest chwilowe zastosowanie metody jazdy opartej na stałym przyroście czasu t i dalsze obliczenia są prowadzone dla nowej różnicy prędkości v odpowiadającej zmianie czasu t. Sytuacja taka zachodzi tylko w przypadku osiągania przez pociąg dużych prędkości i wymuszenie stosowania metody stałego przyrostu czasu t jest dość rzadkie i zastosowanie m jej zostało uzależnione od minimalnego założonego przyspieszenia a = 0,005 s Przejazd maszynisty został zrealizowany według schematu. 1. założona prędkość początkowa v 1. założona różnica czasu t 3. siła pociągowa F odczytana z wykresu dla v 1, po uwzględnieniu zmian napięcia zasilającego 4. całkowite opory ruchu W odpowiadające v 1 5. obliczona siła przyspieszająca ( F W ) 6. F W obliczone przyspieszenie średnie a = m k 7. z przyspieszenia a liczona jest wartość prędkości końcowej v w przedziale t od prędkości początkowej v 1 v = v1 + a t 3, 6 [km/h] 8. obliczony przyrost prędkości v v = v v 1 τ 0 5

6 v 9. obliczona przebyta droga s w danym kroku t 1 + v s = 7, 10. bieżąca droga po zakończeniu danego kroku obliczeń s k + s 9. czas od chwili ruszenia t = t 11. prąd pobierany przez lokomotywę odczytany dla v 1, po uwzględnieniu zmian napięcia zasilającego 1. iloczyn jednego przedziału czasu t i prądu I pobieranego przez lokomotywę przy prędkości v iloczyn I t dla prędkości v 1 Przejazd ten pozwala na wyznaczenie interesujących nas wielkości i sporządzenia charakterystyki prędkości, przyspieszenia, prądu, energii, siły pociągowej w funkcji czasu lub przebytej drogi. Należy tu jednak dodać, że o ile jednak dla założonego przyrosty prędkości v, tak jak to miało miejsce w pierwszym schemacie, określenie siły pociągowej lokomotywy F było dość proste, to przy założeniu przyrostu czasu t wyznaczenie siły przyspieszającej i przyspieszenia w czasie t z charakterystyk trakcyjnych jest niemożliwe. W tym przypadku rozwiązania ruchu znana jest jedynie wartość siły przyspieszającej dla prędkości początkowej v 1 w przedziale t i wartość tę przyjmuje się za stałą w całym przedziale t. Powoduje to powstanie błędu w obliczeniu wartości sił F i W, gdyż na początku przedziału wartość siły F jest większa a wartość siły W mniejsza od wartości średniej każdej z tych sił w przedziale t. Niemniej jednak błąd ten można zmniejszyć poprzez zadanie odpowiedniego małego przedziału t co nieznacznie zwiększa czas prowadzonej symulacji. Metoda ta została zastosowana jednak dla porównania ewentualnych rozbieżności obu metod. τ 0 6

7 . Sposób obliczania napięcia na pantografie. Rys. 1 Schemat zasilania pojazdu trakcyjnego. W modelu przyjęto (w celu uproszczenia) zasilanie jednostronne z podstacji trakcyjnej (rys.1 - Ea,Ra,Da). Wykorzystując model zasilania jednostronnego podstacji (przyjęto stałe położenia 10km od podstacji) spadek napięcia do pantografu liczony jest jako suma składowych: U = U 1 + U [4] gdzie: U 1 -spadek napięcia spowodowany poborem prądy przez dany pojazd U -spadek napięcia od pozostałych pojazdów znajdujących się na odcinku, U pant - napięcie na pantografie pojazdu. Ze względu na to, że symulowany jest ruch pojedynczego pojazdu na odcinku, spadek napięcia od pozostałych pojazdów został zastąpiony przez pseudolosowy spadek napięcia U o rozkładzie normalnym parametrach µ (wartość średnia spadku napięcia U ) oraz σ (odchylenie standardowe wielkości U od wartości średniej). Zmienna losowa o rozkładzie normalnym ma funkcję gęstości określoną wzorem: 1 1 X µ f ( x) = exp( ( ) ) σ π σ dla - < X < + Zmienna losowa X jest określana wzorem: X = R nµ i n 1 7

8 Rys. Dystrybuanta zmiennej losowej U gdzie: zmienne losowe R i, i=1,...,1 mają rozkład równomierny w przedziale (0,1), 1 wartość średnia: µ ( R i ) = 1 wariacja: σ ( R i ) = 1 n Ri dla n dużych, zmienna losowa X określana jest wzorem X = n 1 ma rozkład normalny N (0,1). Gdy chcemy uzyskać zmienną losową Z o rozkładzie normalnym N ( m, σ ), generujemy zmienną losową X według powyższego wzoru i obliczamy zmienną Z w następujący sposób: Z = σ X + µ Wobec powyższego, spadek napięcia od podstacji do pantografu pojazdu wyraża się wzorem: U = U1 + ( Ri σ ) + µ Napięcie na pantografie pojazdu wyrazić można w postaci: U pant = E A I( r x + RA ) U Sprawdzam czy 0 U 1000 V, jeżeli nie to powtórnie generuję pseudolosowy spadek napięcia U 3. Wyznaczanie sił oporów ruchu W. Opory W są sumą tak zwanych podstawowych Wp i dodatkowych Wd oporów występujących przy ruchu pojazdu. Opory podstawowe wynikają z oporów ruchu zależnych od prędkości jazdy i są zwykle aproksymowane związkiem [3] : Wp = a a1v av 8

9 gdzie poszczególne składowe określają: a -opór toczenia kół po szynach, oraz opory tarcia w łożyskach osiowych 0 a 1 v -zależy głównie od nierówności jazdy i tarcia bocznych części kół pojazdu o obrzeża szyn a 1 v a v -określa opory aerodynamiczne towarzyszące jeździe Opory podstawowe zostały podzielone na Opory podstawowe lokomotywy W pl oraz opory podstawowe składu W ps i są wyliczane według zależności podanych przez CNTK: 3,6 v 3,6 v W ps = [( c1 + 0,15 ) ms + 15N 0 + c ( N w +,7)( ) ] g [ N ] gdzie: W pl 3,6 v 3,6 v = [( c1 + 0,15 ) ml + 15N 0 + 3,5 ( ) ] g [ N ] c 1 =0,65 0,90 w zależności od rodzaju łożysk (toczne ślizgowe) -liczba osi składu N 0 c -współczynnik zależny od rodzaju pociągu c = 1,0 dla pociągów pasażerskich, c = 0,8 dla pociągów towarowych, N -liczba wagonów w m g=9,80665 [ ] s Opory dodatkowe związane są z oporami zależnymi od drogi, związanych z profilem : poziomym W dl łuki i pionowym W di nachylenie trasy. Składowa W di zależna od profilu pionowego trasy wynika ze składowej siły ciężkości stycznej do płaszczyzny ruchu pojazdu. Nachylenie trasy, wyrażone jest w [ ] 1[ m ] wzniesienia na 1 [ km ] drogi. Ma wartości ujemne przeciwdziała ruchowi przy wzniesieniach, a dodatnie przy spadku. Dla małych nachyleń można przyjąć W di = m g i [ N ] gdzie: m -masa pojazdu m g -przyspieszenie ziemskie [ ] s i -nachylenie wyrażone w [ ] Składowa Wdl od profilu poziomego przeciwdziała ruchowi i ma wartości ujemne. Jest szereg wzorów umożliwiających liczenie oporów pochodzących od profilu poziomego, do moich obliczeń zastosowałem wzór Rockla: 6500 W dl = dla R >350 m R 55 9

10 5300 W dl = dla 50 m < R <350 m R W dl = dla R <50 m R 30 gdzie: R -promień łuku w [ m ] N Wartość W dl jest liczona w [ ] Mg Wartość oporów ruchu W jest liczona z pewnym uproszczeniem. Cały pociąg został potraktowany jako, punkt materialny o masie skupionej w jednym miejscu, co pozwoliło na znalezienie stałej wartości oporu dla każdego przedziału drogi S, nie uwzględnienie długości pociągu ma wpływ na wartość oporów zależnych od poziomego i pionowego profilu trasy, nie mniej jednak wartość tego błędu jest pomijalnie mała w stosunku do całkowitych oporów pociągu. 4. Określenie maksymalnej siły rozruchowej Ruch pojazdów opiera się na zjawisku przyczepności, które polega na tym, że jeżeli do ciała o przekroju kołowym przyłożyć jedną siłę pionową i drugą równoległą do płaszczyzny, na której ono spoczywa, to ciało zacznie się toczyć po płaszczyźnie, a nie ś1izgać po niej. Obrazowo tłumaczy się to zjawisko jako zazębianie się pewnych nierówności powierzchni toczącej się i powierzchni toru. 0 ile takie tłumaczenie jest do przyjęcia przy współpracy opon samochodowych z szorstką powierzchnią drogi, o tyle nie może być przyjęte przy współpracy koła stalowego z szyną. Badania wykazały, że naj1epszą przyczepność stalowych kół z szynami uzyskuje się, jeż1i obie powierzchnie są bardzo dokładnie wygładzone. Można to tłumaczyć tym, że nacisk koła na szynę jest znaczny, natomiast powierzchnia styku koło szyna jest bardzo mała, zatem zarówno w kole, jak i w szynie występują, bardzo duże naprężenia bliskie dopuszczalnych. Niekiedy przekraczają one lokalnie granicę plastyczności materiału. Tak np. dla kół lokomotywy elektrycznej naprężenie tylko od sił nacisku liczone wzorami Bielajewa dla szyn zużytych wynosi N/crn, dopuszczalne zaś naprężenie zmęczeniowe dla stali węglowej 85 P wynosi 000 N/cm. [1] Gdyby uwzględniono także siły pochodzące od momentu napędowego, jak również zmiany nacisku kół podczas jazdy, to naprężenia przekroczą w pewnych przypadkach granicę p1astyczności. W takich warunkach należy rozpatrywać współpracę koła z szyną jako pewnego rodzaju walcowanie na zimno. W każdym razie przy tak wysokich naprężeniach ulega miejscowo zmianie struktura materiału i między materiałem szyny i koła działa nie tylko proste tarcie, ale również siły międzycząsteczkowe. Stad też współczynnik określający zależność siły nacisku i największej siły pociągowej, jaką może rozwijać koło napędzające zwany współczynnikiem przyczepności jest większy niż współczynnik tarcia. Wartość współczynnika przyczepności można określić ze wzoru: T f G gdzie: T -siła działająca na obwodzie koła [ N ] f -współczynnik przyczepności G= m g - siła nacisku koła na tor [ N ] gdzie: 10

11 m -masa części pojazdu przypadająca na jedno koło oraz masa tego koła [ kg ] m g -przyspieszenie ziemskie [ ] s Współczynnik przyczepności, podobnie jak współczynnik tarcia, maleje wraz ze wzrostem prędkości. Zależność współczynnika przyczepności od prędkości okreś1a wiele wzorów opracowanych empirycznie. Najbardziej jest rozpowszechniony wzór Parodiego, który w układzie jednostek SI ma następującą postać: f0 km f = [ ] 1+ 0,01 v h gdzie: f -współczynnik przyczepności f 0 -statyczny współczynnik przyczepności wynoszący dla szyn suchych -0,33 dla szyn średnich -0,30 dla szyn mokrych -0,5 Współczynnik przyczepności jest liczony w każdym kroku obliczeń i przekroczenie go powoduje zmniejszenie siły F lokomotywy poprze przejście na poprzednią charakterystykę osłabionego wzbudzenia. 5. Charakterystyki elektrycznych pojazdów trakcyjnych eksploatowanych przez PKP Właściwości trakcyjne lokomotywy są określone przez jej charakterystykę trakcyjną, która stanowi zbiór charakterystyk naturalnych pojazdu wraz ze wszystkimi ograniczeniami wynikającymi z dopuszczalnych stanów pracy urządzenia napędowego. Wykres ten odnosi się do obwodu kół napędowych i sporządza się w układzie współrzędnych ( v, F) (prędkość, siła pociągowa) lub ( v, I) (prędkość, prąd). Poniżej przedstawione są charakterystyki pojazdów trakcyjnych, dla których można przeprowadzić symulację jazdy w opracowanym symulatorze 11

12 Rys. 3 Charakterystyka trakcyjna lokomotywy Każdej charakterystyce odpowiada niezmienny, określony układ połączeń elektrycznych. W przypadku zmiany stanu pracy odpowiadających punktom leżącym na jednej charakterystyce (np. punkty A i B), przejście odbywa się w sposób naturalny (bez ingerencji maszynisty) wraz ze zmianą prędkości zależną od zmieniających się ciągle oporów ruchu. Każde przejście do stanu pracy znajdującego się w punkcie leżącym na innej charakterystyce (np. punkty B i C ) które w naturalnych warunkach zostaje wykonane przez maszynistę, także zostaje wykonane automatycznie i uzależnione zostało od osiągnięcia przez pojazd jakiegoś ustalonego minimalnego poziomu przyspieszenia. W warunkach rzeczywistych siła pociągowa lokomotywy jest ograniczona poprzez: -granicę przyczepności o której była mowa w poprzednim punkcie -krzywą stałej mocy maksymalnej N max α N n = const limitującą czasowe przeciążenie silników trakcyjnych, gdzie: α -współczynnik krótkotrwałego przeciążenia silników N n -moc godzinna silnika trakcyjnego - ostatnią charakterystykę naturalną odpowiadającą równoległemu połączenia grup silników i maksymalnemu osłabieniu pola wzbudzenia silników - prędkość maksymalną lokomotywy v max, którą określają dopuszczalne największe obroty silników oraz największa dopuszczalna prędkość pojazdu ze względu na oddziaływanie na tor, zależna przede wszystkim od rozwiązania konstrukcyjnego części biegowych - oporami ruchu Wymienione wyżej krzywe ograniczeń oraz osie v i F wyznaczają powierzchnię, w obrębie której mogą być realizowane stany pracy pojazdu trakcyjnego według odpowiednich charakterystyk trakcyjnych. 1

13 5. Opis programu Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Po przygotowaniu i wczytaniu danych pociągu i trasy, możemy przeprowadzić symulację na dwa sposoby. Pierwszym z nich jest jazda automatyczna, a drugim przejazd maszynisty. Jazda automatyczna odbywa się bez udziału użytkownika, według zadanych wcześniej ustawień. Jazda automatyczna może być prowadzona w dwóch trybach. Jednym z nich jest tryb jazdy forsownej, drugim tryb jazdy oszczędnej, ze względu na zużycie energii. Tryb jazdy forsownej jest prowadzony według następującego schematu. Rozruch z maksymalną dostępną siłą lokomotywy F, po uwzględnieniu zmian napięcia w sieci trakcyjnej i obowiązujących ograniczeń prędkości, do prędkości maksymalnej v max. Po okresie rozruchu następuje okres jazdy ze stałą prędkością, w którym siła pociągowa jest równa oporom trakcji odpowiadającym prędkości ustalonej v u. Ostatnim etapem jazdy jest hamowanie z maksymalną możliwą do uzyskania siłą hamującą, przy spełnieniu warunków wynikających z ograniczenia przyczepnością. Tryb jazdy oszczędnej, pod względem zużycia energii, przebiega następująco. Rozruch odbywa się z siłą F(v) i prądem lokomotywy I(v) Po osiągnięci zadanej prędkości maksymalnej v max siła jest redukowana do wartości potrzebnej na pokonanie oporów ruchu. Po rozruchu następuje etap jazdy z wybiegu od prędkości v max do prędkości końca wybiegu v kw. Prędkość końca wybiegu jest zadawana przez użytkownika jako iloraz prędkości maksymalnej danej lokomotywy v max i wartości pochodzącej z ustawień programu nazwanej jako stopień wybiegu. Ostatnim etapem jazdy jest hamowanie z maksymalną możliwą do uzyskania siłą hamującą, przy spełnieniu warunków wynikających z ograniczenia przyczepnością. Głównym czynnikiem wpływającym na energooszczędność jazdy jest drugi etap jazdy jazda z wybiegu. Kolejnymi elementami są ograniczenie siły rozruchowej, z czego wynika zmniejszenie pobieranego prądu i w konsekwencji energii, oraz dłuższa jazda na każdej charakterystyce osłabionego wzbudzenia. Dłuższą jazdę na charakterystykach osłabionego wzbudzenia wymusza się przez zmniejszenie przyspieszenia minimalnego, ustalanego w ustawieniach programu jako minimalne przyspieszenie, poniżej której następuje zmiana na kolejną charakterystykę naturalną. Wszystkie te elementy wpływające na energooszczędność jazdy, niestety zwiększają czas przejazdu danej trasy. Symulator przejazdu teoretycznego umożliwia obserwacje zmian parametrów ruchu zależnie od przyjętych założeń i na tej podstawie umożliwia wyznaczenie najbardziej właściwego wariantu przejazdu. Drugi sposób jazdy przejazd maszynisty, został stworzony aby przybliżyć zasady prowadzenia pojazd. Przejazd jest realizowany poprzez cztery stany jazdy: a) jazda pod prądem b) wybieg c) hamowanie służbowe d) hamowanie awaryjne 13

14 Użytkownik może dowolnie wybierać stan jazdy. Przy pomocy tego sposobu jazdy można np. obserwować długość drogi hamowania lub wybiegu zależnie od przebiegu trasy lub składu pociągu. 6. Opis menadżera pociągów. Aby rozpocząć symulację należy dokonać wyboru pociągu. Do tego celu służy menadżer pociągów który wywołujemy wybierając przycisk Pociąg (Rys. 4.1). (Rys..1). lub z menu narzędzia (Alt+N) wybrać Menadżera pociągów (M) (Rys.4.). (Rys. 4.) Okno menadżera służy do zarządzania pociągami. Na początku powinniśmy dodać pociąg i w tym celu wciskamy przycisk dodaj (Rys. 4.3) W oknie dodawania pociągów (Rys. 4.4), wybieramy lokomotywę, rodzaj pociągu (osobowy, towarowy) oraz rodzaj łożysk wagonów. Wpisujemy nazwę pociągu, masę każdego wagonu w tonach, liczbę osi każdego wagonu oraz liczbę wagonów. Na bieżąco możemy śledzić masę całego składu (bez lokomotywy) oraz liczbę osi składu, (Rys. 4.5). Aby dodać pociąg wciskamy przycisk dodaj (Rys. 4.5). 14

15 (Rys. 4.4) (Rys. 4.5) W przypadku lokomotywy EW-55 pociągu osobowego, możemy dodatkowo wybrać, od 1 do 3, liczbę zespołów napędowych, które zwielokrotniają siłę i pobór prądu lokomotywy (Rys. 4.6). (Rys. 4.6) 15

16 Edycja pociągów w oknie menadżera pociągów pozwala nam na zmianę lokomotywy, masy i liczby wagonów. Dzięki czemu menadżer pociągów pozwala nam na tworzenie wielu dowolnych konfiguracji pociągów. Aby wybrać odpowiedni pociąg do symulacji, należy go zaznaczyć i wcisnąć przycisk OK. (Rys. 4.7). (Rys. 4.7) Potwierdzeniem wyboru pociągu jest pojawienie się jego nazwy obok przycisku Pociąg (Rys. 4.8) (Rys. 4.8) 7. Opis menadżera tras. Po wyborze pociągu należy wybrać trasę, po której ma poruszać się dany pociąg. Do tego celu służy menadżer tras. Trasę możemy wybrać wybierając przycisk Trasa, (Rys. 4.9), 16

17 (Rys. 4.9) lub z menu narzędzia (Alt+N) wybrać Menadżera tras (E) (Rys. 4.10). (Rys. 4.10) Menadżer tras służy do tworzenia, edycji, kopiowania i zarządzania trasami (Rys.4.11). (Rys.4.11) Aby stworzyć trasę należy wcisnąć przycisk dodaj (Rys.4.11) 17

18 (Rys.4.1) W oknie tworzenia i edycji trasy wpisujemy nazwę trasy i jej przebieg. Okno to zostało podzielone na cztery części. Każda część dotyczy opisu innego elementu trasy. Dane muszą być wpisywane w ściśle określony sposób, ponieważ program wczytuje do pamięci i do pliku dane znak po znaku. Szczególną uwagę należy zwrócić na ilość znaków i miejsca odstępów Dlatego opis trasy powinna mieć następujący układ: 1. Pierwsza część opisuje miejsca i czasy Postojów i ma następującą postać _ - - : - - _ _00:00_Opis Do opisu miejsca postoju służy pierwsze sześć znaków (znaki -) w części zatrzymania. Miejsce postoju zapisujemy w metrach. Następnie przerwa (znak _), cztery znaki do zapisu czasu postoju (dwa znaki na minuty i dwa znaki na sekundy) oddzielone znakiem :.Następnie przerwa, (znak _), po której może być już dowolny opis postoju, który będzie pojawiał się w oknie głównym symulatora jako następny postój. 18

19 Opis zatrzymań ma następującą postać (Rys.4.13). Należy zwrócić uwagę na to że pierwszy i ostatni postój musi mieć zerowy czas postoju, dzięki czemu rozróżniany jest początek i koniec trasy. W przypadku gdy dana wartość zajmuje mniej pól niż jest przewidziana dla danej wartości wtedy pierwsze pole należy uzupełnić cyfrą 0, nie odpowiednie jest np. gdy chcemy wpisać czasu postoju jedną minutę to postać 1:00, jest błędna i musi to być 01:00. Do opisu łuków na trasie służy druga część okna Tworzenia i edycji trasy nazwana Profil Poziomy i ma następującą postać: _ _0000 Pierwsze sześć pól (znaki -) służy do zaznaczenia początku łuku (położenie w metrach), później przerwa (znak_), i kolejne cztery pola (znaki -) służą do opisu łuku (w metrach) jaki obowiązuje na danym odcinku. Koniec łuku zaznaczmy łukiem o promieniu Opis Profilu poziomego ma następującą postać (Rys.4.14). Należy pamiętać aby opis łuków był wprowadzany kolejno. Opis łuku, dotyczący późniejszego odcinka, a znajdujący się przed opisem wcześniejszego odcinka, zostanie pominięty. (Rys.4.14) 19

20 3. Do opisu nachyleń na trasie służy trzecia część okna Tworzenia i edycji trasy nazwana Profil Pionowy i ma następującą postać: _ ± _ ± 00 Pierwsze sześć pól (znaki -) służy do zaznaczenia początku zmiany profilu (położenie w metrach), później przerwa (znak_), następnie + gdy trasa jest pod górkę i minus gdy trasa jest z górki. Następne dwa pola służą do wpisania profilu obowiązującego od danego punktu zmiany profilu. Profil +00 opisuje profil o zerowym nachyleniu. Wartość profilu jest podawana w promilach, czyli wyraża ilość metrów wzniesienia na kilometr trasy. Profil ma wartość jednego promila, gdy na odcinku jednego kilometra trasa podniesie się o jeden metr (Rys. 4.15). 1 1m 1000m (Rys. 4.15) Opis Profilu pionowego ma następującą postać (Rys.4.16). Także w przypadku profilu pionowego punkty zmiany profilu muszą być wprowadzane kolejno i ściśle należy zachować konwencję zapisu profilu poziomego. Profil mniejszy niż dwucyfrowy musi być poprzedzony przez 0. Zapis zmiany profilu +8 jest błędny i powinien mieć postać

21 (Rys. 4.16) 4. Czwarta część okna Tworzenia i edycji trasy nazwana Ograniczenia służy do wprowadzania ograniczeń na trasie i ma następujący układ: Początek ograniczenia: _ _ ± 00 Pierwsze sześć pól (znaki -) służy do zaznaczenia początku ograniczenia (położenie w metrach), później przerwa (znak_), i wartość ograniczenia (znaki -) (w km/h). Koniec ograniczenia _ KOG _KOG Pierwsze sześć pól (znaki -) służy do zaznaczenia końca ograniczenia (położenie w metrach), później przerwa (znak_), i wpis KOG (Koniec Ograniczenia). Opis Ograniczeń ma następującą postać (Rys.4.17). (Rys.4.17) Gotowa trasa wygląda następująco (Rys. 4.18). 1

22 (Rys. 4.18) Wynikiem poprawnego wpisania trasy jest pojawienie się jej nazwy obok przycisku Trasa (Rys. 4.19). (Rys. 4.19). Rysunek obrazujący przebiegu trasy w oknie głównym programu (Rys 4.0). (Rys 4.0) Poszczególne elementy oznaczają położenie: - Postoju -Ograniczenie prędkości i jej wartość -Końca ograniczenia

23 4.3. Opis ustawień programu. Po wyborze pociągu i trasy możemy dokonać zmiany ustawień programu symulacyjnego. Ustawienia możemy wywołać wybierając w menu Narzędzia (Alt+N) przycisk Ustawienia (U), (Rys. 4.1), (Rys. 4.1) Po wywołaniu okna ustawienia (Rys. 4.), (Rys. 4.) możemy dokonać zmian następujących wartości: km dv - zmiana prędkości, wyrażona w h, od prędkości v 1 do prędkości v osiągnięta w jednym kroku obliczeń, wielkość kroku decyduje o dokładności obliczeń, ale ma także wpływ na czas trwania symulacji. Dotyczy jazdy forsownej i oszczędnej. 3

24 m a -wielkość ta, wyrażona w s, odnosi się do jazdy pociągu po rozruchu i określa minimalne przyspieszenie pojazdu przy którym dokonywana jest zmiana na kolejną charakterystykę, o ile jest dostępna, przyspieszającą. Dotyczy jazdy forsownej i oszczędnej. Stopień wybiegu dotyczy tylko jazdy oszczędnej i określa do jakiej części prędkości maksymalnej i prędkości ograniczenia ma trwać wybieg pojazdu. Współczynnik siły rozruchowej również dotyczy tylko jazdy oszczędnej i określa jaka część siły ma zostać użyta podczas rozruchu pojazdu. Napięcie stanu jałowego podstacji - Ea (Rys..4), wyrażone w [V], dotyczy wszystkich przejazdów. Rezystancja sieci r (Rys..4), wyrażone w oszczędnego. Ω, dotyczy przejazdu forsownego i km Rezystancja wewnętrzna podstacji Ra (Rys..4), wyrażona w [ Ω ], dotyczy przejazdu forsownego i oszczędnego. Wartość średnia spadku napięcia od pozostałych pociągów. Z rozkładu normalnego - µ (Rys..4), wyrażona w [V], dotyczy wszystkich przejazdów. Odchylenie od wartości średniej, wartość σ (Rys..5) jest to maksymalne odchylenie od wartości µ wynikające z rozkładu normalnego. Wyrażone w [V], dotyczy wszystkich przejazdów Zakresy wszystkich wartości są widoczne gdy kursorem najedziemy nad pole, które chcemy edytować. Wszystkie dane zawarte w ustawieniach są również przechowywane w pliku SymPrzej.ini, gdzie również można dokonać ich edycji. 4

25 4.4. Obserwacja wyników. W programie symulacyjnym możemy na bieżąco śledzić wyniki symulacji następującymi sposobami: 1. W oknie głównym programu (Rys. 4.3.) : (Rys. 4.3.) Wszystkie wyniki są zaokrąglane i wyświetlane w każdym kroku obliczeń.. Możemy także zobaczyć aktualne wartości z większej liczby kroków obliczeniowych. Po wciśnięciu klawisza podgląd wyników w oknie głównym programu (Rys. 4.4). (Rys. 4.4) Tablica z danymi wgląda następująco (Rys. 4.5): 5

26 (Rys. 4.5) Ilość danych zawartych w tablicy jest ograniczona i może ona zawierać do 00 linii, stąd gdy chcemy obejrzeć aktualne dane możemy wyczyścić tablicę przyciskiem Czyść po czym będzie wypełniana aktualnymi danymi. 3. Niektóre wartości możemy śledzić w postaci wykresów. Po wciśnięciu przycisku Wykresy (alt+w), Prędkość (P) (Rys. 4.5), (Rys. 4.5) możemy obserwować zmieniającą się prędkość w funkcji czasu lub drogi (Rys. 4.6). 6

27 (Rys. 4.6). Po wciśnięciu przycisku Wykresy (alt+w), Siła i Prąd lokomotywy (S) (Rys. 4.7), (Rys. 4.7) możemy śledzić siłę i prąd lokomotywy w funkcji drogi (Rys. 4.8). 7

28 (Rys. 4.8) Po wciśnięciu przycisku Wykresy (alt+w), Napięcie (N) (Rys. 4.9), (Rys. 4.9) możemy obserwować aktualne napięcie na pantografie zmienne w funkcji drogi (Rys. 4.30). 8

29 4.30) (Rys. Jeżeli chcemy dokładnie obejrzeć część wykresu, zaznaczamy interesujący nas fragment prostokątem wciskając lewy klawisz myszy w lewym górnym rogu i przeciągamy myszkę do prawego dolnego rogu (Rys. 4.31). (Rys. 4.31) Możemy wtedy zobaczyć na przykład, czy pociąg nie przejechał zbyt daleko za zadane miejsce postoju (Rys. 4.3) 9

30 (Rys. 4.3) Chcąc powrócić do poprzedniego widoku wykresu zaznaczamy, w analogiczny sposób jak przy powiększeniu, prostokąt, tyle że, zaczynamy od prawego dolnego rogu do lewego górnego rogu. Wykresy można skopiować do schowka (przycisk Kopiuj ), zapisać w formacie pliku graficznego BMP (przycisk Zapisz ) oraz wydrukować (przycisk Drukuj ) Opis obsługi programu. Po wprowadzeniu danych pociągu i trasy, dokonaniu ustawień programu i wyborze trybu jazdy, między jazdą automatyczną a przejazdem maszynisty, uruchomienie symulacji odbywa się po naciśnięciu przycisku Start Symulacji (Rys. 4.33). Po uruchomieniu symulacji możemy ją wstrzymać wciskając przycisk Pauza (Rys. 4.34) ponowne uruchomienie odbywa się po kolejnym wciśnięciu przycisku Pauza. (Rys. 4.33) (Rys. 4.34) Zakończenie symulacji odbywa się po osiągnięciu przez pojazd punktu końca trasy, bądź po naciśnięciu przycisku Stop Symulacji (Rys. 4.35). 30

31 (Rys. 4.35) Zmianę stanu jazdy w trybie przejazd maszynisty (Rys. 4.36) i jazda automatyczna (Rys. 4.37), dokonuje się przez zaznaczenie pola wyboru przy żądanym stanie jazdy (Rys. 4.36) (Rys. 4.37) Główne okno programu przedstawia rysunek nr

32 (Rys. 4.38) W centralnej części okna głównego zostały umieszczone elementy: Miejsce następnego postoju (Rys. 4.39), wczytywane z komentarzy umieszczonych przy postojach zawartych w opisie trasy. (Rys. 4.39) Aktualne ograniczenie prędkości (Rys. 4.40), jeżeli pociąg znajdzie się na odcinku trasy, na którym prędkość jest ograniczona. (Rys. 4.40) Aktualne miejsce położenia pociągu (Rys. 4.41) zaznaczone końcem strzałki. 3

33 Przycisk służący do zapisu wyników symulacji do pliku (Rys. 4.4). (Rys. 4.4) Pliki z wynikami mają rozszerzenia *.wyn i mogą znajdować się w dowolnym katalogu. Okno zapisywania plików jest przedstawiona na rysunku (Rys. 4.43) 33

34 5. Przebieg ćwiczenia 5.1. Wybrać zadany pociąg i trasę (trasa składa się z odcinków pomiędzy postojami), wprowadzić jego parametry wg instrukcji. 5.. Przeprowadzić przejazd forsowny na trasie Prze[prowadzić przejazd maszynisty na trasie Przeprowadzić własny przejazd na odcinku Zestawić wyniki przejazdu (tabela wyników): Zużycie energii [kwh] Typ przejazdu Odcinek 1 Odcinek Odcinek 3 Cały odcinek przejazd forsowny przejazd oszczędny własny Jednostkowe zużycie energii [kwh/btkm] Typ przejazdu Odcinek 1 Odcinek Odcinek 3 Cały odcinek przejazd forsowny przejazd oszczędny własny Prąd zastępczy/sredni [A] Typ przejazdu Odcinek 1 Odcinek Odcinek 3 Cały odcinek przejazd forsowny przejazd oszczędny własny Prędkość średnia [km/h] Typ przejazdu Odcinek 1 Odcinek Odcinek 3 Cały odcinek przejazd forsowny przejazd 34

35 oszczędny własny Porównać zużycie energii, prędkość, napięcie, prąd na poszczególnych odcinkach międzyprzystankowych oraz przebiegi chwilowe Zapisać i wydrukować przebiegi v(t), I(t), U(t) Przeprowadzić przejazdy maszynisty przy zmianie: a.) masy pociągu w przedziale od... do... b.) zmianie napięcia... c.) zmianie prędkości maksymalnej pociągu na odcinku Wykonać sprawozdanie - ocenić wpływ sposobu jazdy, masy itp. na parametry jazdy. 6. Przykładowe pytania sprawdzające 1. Równanie ruchu pojazdu.. Przejazd teoretyczny. 3. Współczynnik mas wirujących. 4. Co ogranicza maksymalne przyspieszenie pojazdu trakcyjnego? 5. Ile wynosi zużycie energii pojazdu elektrycznego, który pobierał z podstacji średni prąd 600A przez czas 10min. przy napięciu na odbieraku wynoszącym 800V DC? 6. Jaka jest sprawność przesyłu energii z podstacji do pojazdu (patrz dane z pyt.4), jeśli napięcie stanu jałowego podstacji wynosi 3450V DC? 7. Ile wynosi jednostkowe zużycie energii pojazdu z p.4, jeśli jego masa wyniosła 450t a pojazd przejechał odcinek 10km? 8. Ile wyniesie średnie przyspieszenie pociągu o masie 350t, wsp. mas. wirujących 1,1; sile trakcyjnej 160kN, gdy opory ruchu wynoszą 0kN? 9. Ile energii można odzyskać przy hamowaniu pociągu o masie 300t od prędkości 10km/h do prędkości 60km/h? 10. Zakładając sprawność przetwarzania energii hamowania pociągu w energię elektryczną: 0,85 zaś sprawność przesyłu energii elektrycznej 0,9 obliczyć jaką moc może pobierać innych pociąg przy początku hamowania pociągu z p Czym charakteryzuje się forsowny, a czym oszczędny tryb jazdy pojazdu trakcyjnego? 1. Od czego współczynnik przyczepności? 13. Ograniczenia charakterystyki trakcyjnej lokomotywy. 14. Porównać charakterystyki trakcyjne pojazdu a.) z rozruchem rezystorowym i silnikami prądu stałego, b.) rozruchem czoperowym i silnikami prądu stałego, c.) z silnikami prądu przemiennego. 35