inż. Zbigniew Jeleśniański Centrum Naukowo-Techniczne Kolejnictwa, Laboratorium Badań Taboru, Pracownia Hamulców dr inż. Andrzej Sowa Politechnika Krakowska, Instytut Pojazdów Szynowych dr inż. Stanisław Walczak Politechnika Krakowska, Instytut Aaratury Przemysłowej i Energetyki Model analityczny układu neumatycznego hamulca ojazdu szynowego W racy rzedstawiono ogólne możliwości budowy modeli neumatycznego układu hamulca ojazdu szynowego, wykorzystywanych do celów diagnostycznych. Zarezentowano model analityczny neumatycznego układu hamulcowego dla fazy naełniania. Model ten oddano weryfikacji ekserymentalnej dla dwóch konfiguracji zaworu rozrządczego. Porównano rzebiegi czasowe ciśnień w zbiorniku omocniczym i sterującym. 1. Wrowadzenie Układ hamulcowy należy do najważniejszych układów każdego ojazdu szynowego, a jego orawne funkcjonowanie jest warunkiem douszczenia ojazdu do ruchu. Jak bowiem owszechnie wiadomo, użytkowanie ojazdów szynowych jest uwarunkowane sełnieniem obowiązujących rzeisów bezieczeństwa ruchu. Hamulec ojazdu szynowego jest złożonym układem składającym się, co najmniej i najczęściej z części neumatycznej i mechanicznej. Część neumatyczna ełni funkcje sterujące hamulcem oraz dostarcza energii niezbędnej do uruchomienia części mechanicznej, która oddziałując bezośrednio na zestawy kołowe owoduje hamowanie ojazdu. Schemat zamieszczony na rys.1 rzedstawia odzesoły należące do części neumatycznej układu hamulcowego wagonu osobowego tyu 111 oraz urządzeń dodatkowych zmieniających ciśnienia w cylindrach hamulcowych zależnie od rędkości jazdy. Rys. 1. Schemat układu sterowania hamulcem wagonu osobowego tyu 111 [4]: 1 zawór rozrządczy, zmieniacz hamowności, 3 wsornik zaworu rozrządczego, 4 rzewód główny, 5 srzęgi hamulcowe, 6 kurki końcowe, 7 zbiorniki omocnicze o ojemności 1 i 15 dm 3, 8 zbiornik sterujący 15 dm 3, 9 zawory urządzeń rzeciwoślizgowych, 1 cylindry hamulcowe, 11 czujniki urządzenia rzeciwoślizgowego, 1 rzewody elastyczne, 13 czujnik rędkości obrotowej zmieniacza hamowności, 14 manometr ciśnienia w cylindrze
Skomlikowana budowa hamulca ojazdu szynowego owoduje, że niezbędne jest istnienie systemu oceny stanu technicznego tego układu, systemu, który dysonuje niezbędnymi środkami technicznymi i ludzkimi. Trzeba rzy tym zaznaczyć, że odczas eksloatacji ojazdów szynowych nastęuje, w sosób nieunikniony, ogorszenie własności użytkowych szeregu elementów układu - ich zużycie i uszkodzenia. Wszystko to stanowi istotne utrudnienie w budowie automatycznych systemów oceny stanu technicznego hamulca. Naturalną tendencją w obecnych czasach jest bowiem eliminowanie lub ograniczanie do niezbędnego minimum roli człowieka w rocesie badania i oceny stanu technicznego obiektów technicznych. W każdym systemie oceny, jeśli wystęuje człowiek to stanowi on subiektywny i najczęściej najbardziej zawodny jego element. Budowa automatycznych systemów oceny stanu technicznego, w tym rzyadku hamulca ojazdu szynowego, wymaga dogłębnego oznania wszystkich zjawisk, jakie zachodzą w tym obiekcie, a także rzedstawienie ich na ewnym oziomie abstrakcji w ostaci modelu.. Modelowanie układów hamulcowych ojazdów szynowych Podstawowym warunkiem budowy modeli układów hamulcowych jest zgromadzenie odowiedniej ilości informacji o zachowaniu się tego obiektu technicznego. Może się to odbywać na drodze ekserymentalnej, w rocesie eksloatacji lub na drodze teoretycznej. W wielu rzyadkach wykorzystanie ierwszej z tych dróg jest utrudnione zwłaszcza, gdy chodzi o nowe, rojektowane układy. Dlatego należy oszukiwać takiego sosobu rzedstawienia wszystkich zjawisk zachodzących w układzie hamulcowym ojazdu szynowego, które ozwolą na jak najlesze rzedstawienie wsółzależności omiędzy arametrami diagnostycznymi z jednej strony a arametrami struktury wewnętrznej oszczególnych elementów z drugiej. Te ostatnie arametry mogą osiadać różne wartości, nie tylko na skutek destrukcyjnych rocesów zużycia i uszkodzeń, lecz także i możliwych błędów oełnionych w rocesie rodukcji lub naraw. W rocesie analizy tego rodzaju wsółzależności można z owodzeniem wykorzystać modele diagnostyczne (rys. ), do których zalicza się trzy odstawowe gruy modeli [5]: - modele analityczne, - modele logiczne, - modele toologiczne. MODELE DIAGNOSTYCZNE MODELE ANALITYCZNE MODELE LOGICZNE MODELE TOPOLOGICZNE Równania algebraiczne Model funkcjonalny Model toologiczny Równania różniczkowe Model logiczny Graf rzyczynowoskutkowy Równania całkowe Model macierzowy Probabilistyczny graf-model Równania regresji Funkcje rzejść Charakterystyki częstotliwościowe Rys.. Klasyfikacja modeli diagnostycznych obiektów technicznych [5]
.1. Model analityczny uwagi ogólne Modele analityczne rzedstawiają obiekt w formie zbioru zależności analitycznych. Ich budowa najczęściej jest bardzo trudna, ze względu na niewystarczający stan wiedzy w danej dziedzinie, konieczność rzyjmowania szeregu założeń uraszczających czy też stosowania emirycznych wsółczynników. W obecnej dobie na szczęście znika jeszcze jedno utrudnienie związane z racochłonnością obliczeń, które orzednio ograniczało szerokie wykorzystanie tego rodzaju modeli. Obecnie można szeroko korzystać ze secjalistycznych komuterowych akietów obliczeniowych. Zalety modelu analitycznego takie, jak możliwość jego wielokrotnego wykorzystania, łatwość i szybkość modyfikacji, a co za tym idzie niskie koszty jego użycia srawiają, że w racy odjęto róbę budowy modelu analitycznego układu neumatycznego hamulca ojazdu szynowego dla różnych faz jego funkcjonowania. Układ neumatyczny steruje rocesem hamowania i od orawności jego działania w znacznej mierze zależy rawidłowa raca hamulca ojazdu szynowego. Model analityczny owinien oisywać każdą z trzech odstawowych faz działania tego układu, tzn.: - naełnianie, - hamowanie, - odhamowanie. Ze względu na ograniczoną objętość niniejszej racy rzedstawione zostaną wyniki uzyskane rzy omocy diagnostycznego modelu analitycznego dla fazy naełniania układu neumatycznego hamulca ojazdu szynowego... Model analityczny dla fazy naełniania układu hamulcowego Faza naełniania rzygotowuje układ hamulcowy do sełniania rzewidzianych dla niego funkcji użytkowych. Obejmuje ona roces naełniania zbiorników: omocniczego i sterującego owietrzem z rzewodu głównego ojazdu szynowego, w którym anuje stabilne ciśnienie,5 MPa. Schemat ołączeń dla tej fazy działania układu hamulcowego rzedstawia rys. 3 Rys. 3. Schemat ołączeń omiędzy odzesołami układu neumatycznego hamulca z zaworem rorządczym tyu Oerlikon EST3e w fazie naełniania [7]: I kurek rzestawczy T-O, II zaworek zamykający, III zaworek najmniejszego ciśnienia, IV zawór sterujący, V rzysieszacz, VI zaworek ograniczający, VII odluźniacz samoczynny, VIII zaworek naełniający, IX rzewód główny, X zaworek zwrotny, XI zbiornik sterujący, XII cylinder hamulcowy, XIII zbiornik omocniczy
Przebieg oszczególnych faz działania układu neumatycznego hamulca ojazdu szynowego zależy w znacznej mierze od rocesów rzejściowych zachodzących w oszczególnych elementach i obwodach układu. Przez rocesy rzejściowe rozumie się w tym rzyadku czasowe zmiany ciśnienia owietrza. Stosowane w wysokociśnieniowych neumatycznych układach hamulcowych elementy takie jak zawory, siłowniki, rzewody oraz elementy ołączeniowe rzedstawiać można odczas ich matematycznego modelowania, rzy użyciu: - ooru neumatycznego, - ojemności skuionej. Dlatego też nawet bardzo złożone neumatyczne układy hamulcowe można z dużą dokładnością modelować jako ołączenie odowiednio ołączonych wyidealizowanych elementów w ostaci oorów miejscowych i ojemności skuionych. Oracowanie matematycznego modelu dynamiki neumatycznych układów hamulcowych srowadza się do oisu zjawisk rzeływu owietrza rzez elementy układu, rocesów naełniania i oróżniania komór o stałej lub zmiennej objętości oraz oisu stanów otwarcia i zamknięcia elementów sterujących rzeływem czynnika roboczego. Podstawowym roblemem w modelowaniu neumatycznych układów hamulcowych jest ois masowego natężenia rzeływu rzez oór miejscowy. W racach [] i [3] rzyjęto, że natężenie rzeływu owietrza rzez oór miejscowy określić można z wystarczającą dokładnością rzy założeniu rzeływu adiabatycznego. Podczas analizowanej fazy działania układu neumatycznego naełniane są równocześnie dwa zbiorniki o stałej objętości: zbiornik sterujący i zbiornik omocniczy (rys. 3). Schemat obliczeniowy fazy naełniania układu hamulcowego rzedstawiono na rys.4. Układ równań różniczkowych oisujący roces naełniania ma ostać: V d 1 1 1 A.654 A.654 1 1 1 kr kr RT dt RT 1.13 1 RT 1.131 V d RT dt V3 d3 RT dt V4 d4 RT dt RT 1.13 1 1 3 A.654 A.654 kr 3 kr 1 RT 1.13 4 A 4 kr.654 (1) RT 1.13 4 A A 3 4 kr kr 3.654 RT 1.13 4.654 RT 1.13 w których: 4 - ciśnienia w układzie jak na rys. 4 V 1 V 4 - objętości rzewodów i zbiorników, - wsółczynnik wydatku, A - orzeczny rzekrój kanału ooru miejscowego, kr - rędkość krytyczna, dla owietrza kr RT 1.,, - wykładnik adiabaty, dla owietrza 4 J R - stała gazowa, dla owietrza R 87, kg K T - temeratura bezwzględna owietrza K. Model analityczny zjawisk w fazie naełniania oddano weryfikacji ekserymentalnej dla dwóch konfiguracji zaworu rozrządczego: 3 4 3
- zawór rzystosowany do racy z 1 siłownikiem (cylidrem) hamulcowym, - zawór rzystosowany do racy z 16 siłownikiem. Obliczenia rzerowadzone rzy użyciu układu równań (1) ozwoliły na sorządzenie rzebiegów czasowych ciśnień w zbiornikach omocniczym i sterującym. Uzyskane rezultaty orównano z wynikami badań ekserymentalnych. Przebiegi czasowe ciśnień w zbiorniku omocniczym i sterującym rzedstawiono na rys. 5 8. V A1 A 1 A3 A4 V1 V3 3 4 V4 Rys. 4. Schemat obliczeniowy fazy naełniania układu hamulcowego: V 1 objętość rzewodu głównego, V objętość komór w zaworze rozrządczym, V3 objętość zbiornika sterującego, V4 objętość zbiornika omocniczego, ciśnienie w rzewodzie głównym 6 a) 5 z [Pa] 4 1 3 1 5 1 t [s] 15 5 1 b) z [kpa] 5-5 1 3 4 5 6 z [kpa] Rys. 5. a) Przebieg ciśnienia w zbiorniku omocniczym w fazie naełniania dla zaworu 1 : 1 symulacja komuterowa, badania ekserymentalne, b) różnica omiędzy ciśnieniem w zbiorniku omocniczym uzyskanym na odstawie badań ekserymentalnych oraz symulacji komuterowej
6 a) 5 zs [kpa] 4 1 3 1 5 1 t [s] 15 5 zs [kpa] b) -5-1 1 3 4 5 6 zs [kpa] Rys. 6. a) Przebieg ciśnienia w zbiorniku sterującym w fazie naełniania dla zaworu 1 : 1 symulacja komuterowa, badania ekserymentalne, b) różnica omiędzy ciśnieniem w zbiorniku sterującym uzyskanym na odstawie badań ekserymentalnych oraz symulacji komuterowej 6 1 5 z [Pa] 4 3 1 5 1 t [s] 15 5 Rys. 7a) Przebieg ciśnienia w zbiorniku omocniczym w fazie naełniania dla zaworu 16 : 1 symulacja komuterowa, badania ekserymentalne
z [kpa] 5-5 1 3 4 5 6 z [kpa] Rys. 7b) Różnica omiędzy ciśnieniem w zbiorniku omocniczym uzyskanym na odstawie badań ekserymentalnych oraz symulacji komuterowej 6 a) 1 5 zs [kpa] 4 3 1 5 1 t [s] 15 5 5 b) zs [kpa] -5-1 1 3 4 5 6 zs [kpa] Rys. 8. a) Przebieg ciśnienia w zbiorniku sterującym w fazie naełniania dla zaworu 16 : 1 symulacja komuterowa, badania ekserymentalne b) różnica omiędzy ciśnieniem w zbiorniku sterującym uzyskanym na odstawie badań ekserymentalnych oraz symulacji komuterowej
3. Podsumowanie Przedstawiony fragment modelu analitycznego umożliwia symulacje i analizowanie rocesów rzejściowych w układach neumatycznych hamulca ojazdów szynowych. Może on być z owodzeniem wykorzystany w raktyce m.in. do oceny wływu arametrów konstrukcyjnych układu na rzebieg rocesu hamowania. Model ten może być także użyty do badania zależności omiędzy niezdatnościami elementów układu neumatycznego hamulca, ojawiającymi się odczas eksloatacji, a arametrami diagnostycznymi tego układu. Ilościowa ocena różnic omiędzy wynikami badań ekserymentalnych i symulacyjnych okazuje, że model analityczny z zadowalającą dokładnością może oisywać rocesy rzejściowe zachodzące w układzie neumatycznym hamulca ojazdu szynowego. Praca wykonana w ramach rojektu KBN nr 5T1C634 Literatura [1] Gąsowski W., Nowak R.: Badanie wagonów kolejowych. WPP, Poznań 1989. [] Miatluk M., Kamiński Z.: Podstawy teoretyczne rocesów rzejściowych w neumatycznych układach hamulcowych ojazdów. Teka Komisji Naukowo-Problemowej Motoryzacji, Tom, str. 75-86, Kraków. [3] Kamiński Z., Miatluk M.: Dynamika wieloobwodowych neumatycznych układów hamulcowych ojazdów. Teka Komisji Naukowo-Problemowej Motoryzacji, Tom, str. 87-97, Kraków. [4] Orlik A.: Hamulce ociągów kolejowych. WKŁ, Warszawa 1975. [5] Пушкарев И.Ф., Пахомов Э.А.: Контрол и оценка технического состояния тепловозов. Транспорт, Москва 1985. [6] Sowa A.: Ocena rozróżnialności stanów technicznych złożonych obiektów diagnostyki metodą liczby charakterystycznej. Materiały V Krajowej Konferencji Diagnostyka Techniczna Urządzeń i Systemów, Ustroń 13-17.1.3 (wersja skrócona materiały drukowane, wersja ełna CD). [7] Zawór rozrządczy H1E1b (Oerlikon ty Est3e). Materiały reklamowe, Kolmex-Fablok, 1971. Analytical model of neumatic brake system of rail vehicles Resume The aer resents general caability of creating the mathematical models of neumatic brake systems of rail vehicles using for diagnostic uroses. The analytical model of neumatic brake system for filling hase is resented. The model was verified exerimentally for two configuration of distributor valve. The ressure in suly air reservoir and control air reservoir, taken from comuter simulation and exeriment, was comared in time domain.