Д-р техн. наук Г. В. ГОГРИЧИАНИ, канд. техн. наук А. В. КАЗАРИНОВ,
канд. экон. наук В. В. МИХЕЕВ, инж. С. Б. КУРЦЕВ

Основные принципы управления системой
противоюзной защиты
современного подвижного состава

Повышение требований к эффективности тормозных средств, в том числе при неблагоприятных условиях сцепления колес с рельсами, неразрывно связано с увеличением скоростей движения пассажирского подвижного состава. Обширная зарубежная практика [1] убедительно демонстрирует, что задача минимизации тормозного пути скоростного подвижного состава успешно решается с помощью современных противоюзных устройств (ПУ), выполняемых, как правило, на базе микропроцессорной техники со сложными многофункциональными алгоритмами работы, позволяющими гибко управлять процессами скольжения колес в процессе торможения.

Практическое решение задачи гибкого регулирования величины тормозного нажатия в зависимости от условий протекания процесса торможения основано на подтвержденных рядом зарубежных и отечественных исследователей характеристиках сцепления — зависимости величины реализуемого коэффициента y сцепления колес с рельсами от абсолютного скольжения О. Наличие у характеристики сцепления двух ярко выраженных максимумов позволяет принципиально по-новому подходить к разработке алгоритмов функционирования ПУ для подвижного состава.

Первый из рассматриваемых максимумов характеристики, соответствующий крайне незначительному (0,5...2,0 %) скольжению колесных пар (КП), отмечался исследователями [2, 3] как единственный еще в самом начале проведения широких экспериментов по изучению этого явления. Величина скольжения, соответствующая максимуму сцепления, была названа «критической», а условия ее существования, качественные и количественные характеристики при сравнительно чистых рельсах достаточно полно интерпретировались теорией пластических деформаций, рассматривающей внутреннее напряженное состояние в колесе и рельсе в окрестностях поверхности их касания. Однако в реальных условиях эксплуатации участки с сухими и чистыми рельсами, где уровень сцепления колес с рельсами достаточно высок и стабилен, как правило, чередуются с участками, характеризующимися большей или меньшей загрязненностью.

Наличие загрязнений на поверхности рельсов существенно меняет течение процесса реализации имеющегося уровня сцепления. С ухудшением условий сцепления величина критического скольжения возрастает до 10...12 % и выше. Характеристика сцепления смещается вправо, становится более пологой, ее максимум значительно менее ярко выражен, а по абсолютной величине существенно уступает фиксируемому на чистых рельсах. Причина этого, скорее всего, кроется в необходимости дополнительного приложения энергии для разрушения поверхностных загрязнений на рельсах, которые препятствуют тесному контакту поверхностей колеса и рельса. Некоторым исследователям при использовании быстродействующей аппаратуры удавалось фиксировать наличие второго максимума силы сцепления при значениях скольжения значительно выше критического [3, 4].

Качественный и количественный состав рельсовых загрязнений существенно зависит от времени и конкретного участка [5]. Наиболее характерные случаи распределения параметров рельсовых загрязнений на дорогах России приведены в табл. 1.

 

Т а б л и ц а 1
Показатели степени загрязнения	Значения показателей рельсовых загрязнений, мк
	Внешняя часть головки рельса	Середина головки рельса	Внутренняя часть головки рельса
Среднее значение толщины слоя h	17,9/4,0	9,06/2,3	13,7/3,0
Дисперсия	5,4...30/1,2...8,6	3,7...19/0,8...5,8	8,3...19,5/1,0...7,5
П р и м е ч а н и е. В числителе — участки преимущественно с грузовым движением, в знаменателе — с пассажирским.

Анализ приведенных данных свидетельствует о значительной неравномерности распределения загрязнений: в некоторых случаях дисперсия более чем вдвое превышает среднее значение измеряемой величины.

Основными компонентами поверхностных загрязнений являются окислы кремния и железа, а также смазочные материалы. Количество свободно отделяющегося материала со временем существенно не меняется и составляет 7...12 %. Содержание влаги в сухую погоду не превышает 1...1,5 %.

Значительная часть рельсовых загрязнений находится в аморфном состоянии. Загрязнения представляют собой полидисперсную систему, средняя толщина которой примерно в десять раз превышает наиболее вероятные размеры частиц. Именно эти поверхностные слои в зоне контакта во многом определяют сцепление колеса с рельсом, обусловливая наличие второго максимума характеристики сцепления при скольжении до 10...25 % [6] на рельсах умеренной загрязненности.

В настоящее время существование двух максимумов на характеристике сцепления является практически общепризнанным в теории сцепления и используется для осуществления разработки алгоритма работы современных быстродействующих систем противоюзной защиты [6, 7, 8].

На рисунке иллюстрируются принципы регулирования процесса реализации сцепления в тормозном режиме при использовании противоюзных устройств с жесткой логикой (а) и обратной связью (б), функционирующей через объект управления.

 

Реализация сцепления при противоюзных устройствах: а — дискретного типа с жесткой логикой; б — микропроцессорные с обратной связью

В обоих случаях участок АВ характеризует практически линейную зависимость реализуемого при торможении коэффициента y сцепления от проскальзывания. Критическому скольжению О соответствует некоторый максимум y (точка В). При дальнейшем увеличении проскальзывания О происходит снижение реализуемого сцепления (участок ВС), которое при дальнейшем росте скольжения плавно увеличивается, достигая второго максимума (точка D). С последующим ростом проскальзывания О реализуемое сцепление убывает вплоть до значений, соответствующих полной блокировке колеса, т. е. коэффициенту трения скольжения колеса по рельсу.

Ориентированные на достаточно большие пороговые значения скольжения (или замедления) системы противоюзной защиты определяют состояние как «опасное», когда точка D'' характеристики уже пройдена колесной парой. На нисходящем участке характеристики (например, в точке Е) система вырабатывает сигнал на ее растормаживание, скольжение уменьшается, и с полным выпуском воздуха из тормозных цилиндров процесс возвращается в исходную точку А.

В этом случае противоюзное устройство, обеспечивая определенное согласование сил торможения и сцепления в системе колесо — рельс, контролирует и поддерживает заранее заданную величину скольжения (или замедления) колесных пар в процессе торможения. Эти ПУ работают по одинаковым повторяющимся циклам (ABCDED"A), обеспечивающим вход и выход колес из предъюзовой ситуации периодическим выпуском (и последующим впуском) воздуха из тормозных цилиндров с большой амплитудой изменения давления и соответствующим расходом сжатого воздуха. Реализуемое сцепление при этом несколько повышается за счет смещения точки D в точку D" на обратной ветви характеристики (из-за очищающего воздействия на поверхности контакта повышенного скольжения). Однако вследствие дальнейшей отработки цикла (до точки А) в целом потери эффективности превосходят полученный выигрыш.

Работа ПУ следующего поколения в зоне второго максимума (CDED"C) характеристики осуществляется благодаря повышенному быстродействию системы, обеспечиваемому современной микропроцессорной техникой, фактически превращающей устройство в многофункциональную систему с обратной связью. Следует отметить, что и в этом случае работа в зоне второго максимума (точка D) также способствует очистке поверхностей контакта и улучшению условий сцепления (точка D").

По данным исследований специалистов немецких фирм Knorr-Bremse, Wabco Westinghouse и Favley (Франция) [1], при пониженном сцеплении наибольшая сила торможения реализуется при скорости проскальзывания колес около 10...20 км/ч, и лишь кратковременно допускается повышение скорости скольжения колес до 30 км/ч во избежание ускоренного износа поверхностей их катания.

Другие исследования [6, 8] также указывают на существование некоторой оптимальной зоны скольжения для реализации максимальной тормозной силы. Как правило, максимум реализуемого коэффициента сцепления (и тормозной силы) достигается при величине скольжения не выше 25 %.

Основной задачей любой современной системы противоюзной защиты (СПЗ) колесных пар подвижного состава является обеспечение сохранности поверхности катания КП на всех режимах торможения при условии обязательного обеспечения безопасности движения поездов. Это, в свою очередь, обеспечивается соответствием фактических выходных параметров торможения (тормозных путей и коэффициентов тормозного нажатия) нормативным величинам для заданных условий (начальной скорости, величины уклона) независимо от состояния поверхности рельсов, т. е. от условий сцепления.

Наиболее опасными дефектами поверхности КП считаются ползуны, которые являются прямым следствием износа поверхности катания от механического взаимодействия КП и рельсов при наличии юза — поступательного движения подвижного состава без вращательного движения его КП. Также недопустимыми в эксплуатации скоростного подвижного состава считаются [9] выбоины (локальные выкрашивания частиц металла с поверхности колес), происхождение которых в значительной мере обусловлено термическим воздействием на металл обода колеса в процессе превышения величины критического проскальзывания или кратковременного юза КП в совокупности с последующими циклическими нагрузками во время движения.

Как показали исследования [10], при существующих осевых нагрузках даже при начальной скорости 5 км/ч юз КП пассажирского вагона в процессе остановочного торможения (тормозной путь около 4 м) приводит к росту температуры в пределах площади ее контакта с рельсом почти до 1000 °C, что заведомо выше температуры мартенситных превращений колесной стали. В сочетании с последующими циклическими нагрузками уже после пробега вагона на расстояние 200...400 км такой нагрев приводит к выкрашиванию частиц перекаленного металла с поверхности колеса и образованию значительных выбоин (выщербин). Поэтому требование обеспечения работоспособности ПУ любого типа во всем диапазоне скоростей движения является научно обоснованным и выдвигается в обязательном порядке как при разработке документации, так и при испытаниях. Лучшие из отечественных конструкций в процессе испытаний демонстрируют свою работоспособность при скоростях движения 0,2 км/ч и менее.