Loading

Elektroniczna kontrola przyczepności w lokomotywie ET22

inż. Janusz Apelt
rejon KDT w Łodzi

"Trakcja i Wagony" Nr.1/1983

 UKD:621.335.1:681.532.5

W lokomotywach elektrycznych częstym zjawiskiem, występującym przede wszystkim podczas rozruchu, jest zrywanie przyczepności zestawów kołowych. Zrywanie przyczepności między kołami a szyną, popularnie zwane poślizgiem, następuje w wyniku przekroczenia przez siłę napędową siły przyczepności, która jest uzależniona od nacisku osi na szyny i od współczynnika przyczepności. Podczas rozruchu lokomotywy różnicuje się nacisk na poszczególne osie. Odciążone zostają pierwsze, patrząc w kierunku jazdy, zestawy kołowe poszczególnych wózków i one to najczęściej zaczynają się "ślizgać". Nie jest to oczywiście niewzruszona zasada. W poślizg może wpadać, na skutek różnych czynników, każdy zestaw i to nie tylko przy rozruchu. Również w trakcie jazdy przy dużych prędkościach mogą występować zjawisko poślizgu oraz tzw. mikropośliizgi, czyli krótkotrwałe zrywanie przyczepności. Wiąże się to z faktem, iż współczynnik przyczepności maleje ze wzrostem prędkości.
Czynnikami mającymi duży wpływ na powstawanie poślizgu, a zatem i na wartość współczynnika przyczepności są: stan torowiska, łuki toru, warunki atmosferyczne, wyważenie lokomotywy itp.
Zrywanie przyczepności przez koła lokomotywy jest zjawiskiem bardzo niepożądanym i szkodliwym dla silników trakcyjnych zarówno ze względów elektrycznych, jak i mechanicznych. Poślizg któregokolwiek zestawu powoduje odciążenie związanego z tym zestawem silnika i wzrastanie jego obrotów, c/.yli tzw. rozbieganie się, co jest charakterystyczne dla silników szeregowych stosowanych w naszych lokomotywach. Jednocześnie towarzyszy temu przeciążenie pozostałych silników. Nagły wzrost obrotów silnika przy poślizgu prowadzi do uszkodzeń mechanicznych wirników. Występuje niepotrzebne zużywanie się obręczy kół lokomotywy. Sam rozruch lokomotywy staje się; nierównomierny, występuje szarpanie, co przy ciężkich pociągach towarowych może doprowadzić do zerwania składu.
Jak widać z kilku przykładów, skutki zrywania przyczepności są zjawiskiem na tyle ujemnym, że nie można go pominąć przy projektowaniu lokomotywy i nie zwracać nań uwagi w trakcie eksploatacji. Dlatego też konstruktorzy zajmujący się projektowaniem pojazdów trakcyjnych poświęcają temu zagadnieniu wiele uwagi i starają się wypracować coraz doskonalsze układy i urządzenia mające zapobiec skutkom bądź wyeliminować w ogóle zjawisko poślizgu.

Dotychczas stosowany system kontroli i likwidacji poślizgu w lokomotywie ET22

W lokomotywie ET22 są zastosowane dwa przekaźniki przeciwpoślizgowe typu PVP-20 zamontowane jako zestaw na tablicy TVP-2. Przekaźniki są zamontowane w układzie mostkowym na skrajnych parach silników trakcyjnych (rys. 1). Dopóki nie zostanie zachwiana równowaga mostka, przekaźniki pozostają w stanie otwartym.

 

Rys. 1.
Uproszczony schemat podłączenia przekaźników przeciwpoślizgowych typu PVP-20 w obwodzie silników trakcyjnych

SCR1-3, SCR4-6 - przekaźniki PVP-20 (zamontowane na tablicy TVP-2),
RPS1-3, RPS4-6 - oporniki typu DPE-5 przekaźników przeciwpoślizgowych

W momencie poślizgu któregoś z kontrolowanych zestawów następuje zakłócenie równowagi mostka na skutek różnicy napięć na zaciskach silników danej pary i pojawia się napięcie na cewce przekaźnika. Gdy różnica napięć osiągnie wartość co najwyżej 227 V, następuje zadziałanie przekaźnika PVP-20. Zamknięcie styków przekaźnika powoduje zapalenie się lampek sygnalizacyjnych w kabinach i podanie napięcia na cewkę przekaźnika likwidacji poślizgu PLP (rys. 2), który swoimi stykami zamyka obwód cewki zaworu hamowania ZPP. Powrót do sytuacji wyjściowej (odpadnięcie zwory przekaźnika PVP-20) następuje w momencie takiego mvrńu7tiania obrotów silników, że różnica napięć jest

Niezależnie od automatycznego przyhamowania zestawów, który to układ może być załączany lub wyłączany wyłącznikiem dźwigienkowym WLP (rys. 2) umieszczonym w szafie aparatowej, w każdej kabinie znajdują się przyciski do ręcznego włączania elektrozaworu hamowania.

 

Rys. 2.
Uproszczony schemat obwodu likwidacji poślizgu (dotychczasowy system)

SCR1-2 - styki pomocnicze przekaźników przeciwpoślizgowych na tablicy TVP-2,
PPZ - pneumatyczny przekaźnik zwłoczny,
BS1 - buczek sygnalizacyjny kab A,
BS2 - buczek sygnalizacyjny kab B,
LSI - lampka sygnalizacyjna kab A,
LS2 - lampka sygnalizacyjna kab B,
PLP - przekaźnik likwidacji poślizgu typu PVA-20,
WLP - wyłącznik automatycznej likwidacji poślizgu,
PLS1 - przycisk przyhamowania kab A,
PLS2 - przycisk przyhamowania kab B,
ZPP - zawór przeciwpoślizgowy (przyhamowania kół),
NKA - styki wału kierunkowego nastawnika jazdy kab A,
NKB - styki walu kierunkowego nastawnika jazdy kab B

Ponieważ w tym systemie są zastosowane przekaźniki elektromagnetyczne, których czasy własne zadziałania są stosunkowo duże (w porównaniu z urządzeniami elektronicznymi), impuls na cewkę elektrozaworu hamowania dochodzi ze znacznym opóźnieniem, co umożliwia narastanie zjawiska poślizgu wraz ze wszystkimi jego ujemnymi skutkami.
Wady tego systemu są następujące:
? duże opóźnienie zadziałania,
? nie są kontrolowane wszystkie zestawy; np. przy jeździe z kabiny A zestaw 2 (rys. 3), który przy rozruchu będzie miał tendencję do poślizgu, nie jest kontrolowany,
? przy większych prędkościach praktycznie nie jest skuteczny.

 

Rys. 3.
Rozmieszczenie silników trakcyjnych w lokomotywie ET22 (linie przerywane wskazują zestawy, których prędkości są porównywane w urządzeniu EKP-611)

Nowy system elektronicznej kontroli przyczepności

Ogólna zasada nowego systemu polega, tak jak i w starym systemie, na automatycznym przyhamowaniu zestawów kołowych po pojawieniu się sygnału o zerwaniu przyczepności. Tak w jednym, jak i w drugim systemie o likwidacji poślizgu decydują trzy elementy:
1) stwierdzenie powstania poślizgu,
2) przekazanie impulsu do zaworu hamowania,
3) zadziałanie zaworu hamowania i przyhamowanie zestawów kołowych.
Czym zatem różnią się od siebie oba systemy? Różnice dotyczą dwóch pierwszych elementów. Przekaźnik PVP-20 sygnalizujący zerwanie przyczepności zastąpiono czujnikami magnetoelektrycznymi. Przekaźnik PVA dający impuls elektryczny do elektrozaworu hamowania zastąpiono elektronicznym urządzeniem kontroli przyczepności. Zawór hamowania pozostał bez zmian.
A zatem całość urządzenia składa się z trzech elementów ściśle współpracujących ze sobą. Są to:
1) czujniki mangnetoelektryczne typu CUP,
2) urządzenie elektronicznej kontroli przyczepności EKP-611,
3) elektrozawór hamowania,
W nowym systemie jest kontrolowana przyczepność wszystkich kół lokomotywy przez umieszczone w skrzyniach przekładniowych, nad dużym kołem zębatym każdego zestawu, czujniki magnetoelektrycz-ne. Obracające się koło zębate przekładni powoduje wysyłanie przez czujniki (na skutek zmieniającej się szczeliny magnetycznej) sygnałów w postaci napięcia o zmiennej częstotliwości, odwzorowującej prędkość liniową zestawów kołowych. Sygnały z czujników, przyjmowane przez urządzenie elektronicznej kontroli przyczepności jako sygnały wejściowe, są analizowane przez układy logiczne urządzenia. Po stwierdzeniu poślizgu urządzenie wysyła sygnał wyjściowy do elektrozaworu hamowania ,który powoduje przyhamowanie zestawów kołowych i likwidację poślizgu.
Zaletami nowego systemu w porównaniu ze starym są:
- kontrola przyczepności wszystkich zestawów kołowych lokomotywy, zamiast dwóch par w systemie starym;
-opóźnienie zadziałania, czyli czas liczony od chwili powstania poślizgu do momentu wysłania sygnału do elektrozaworu hamowania jest krótszy prawie 10-krotnie (przy prędkościach do 20 km/h) i około 3-krotnie (przy prędkościach powyżej 20 km/h) - w starym systemie czas jest rzędu 600 ms, w nowym - średnio rzędu 60-70 ms (przy v < 20 km/h) i około 200 ms (przy v > 20 km/h);
-jednoczesne działanie elektrozaworu hamowania z przekaźnikiem dającym impuls na elektrozawory piasecznic;
- wcześniejsze wykrywanie poślizgu i szybsza jego likwidacja; 
-skuteczne działanie w zakresie prędkości od 0 do 120 km/h.

Urządzenie efektronicznej kontroli przyczepności EKP-611

Głównym elementem nowego systemu kontroli przyczepności, niejako jego mózgiem, jest zaprojektowane i wykonane przez biuro konstrukcyjne FTiAT ,,Elta" w Łodzi urządzenie elektronicznej kontroli przyczepności typu EKP-6111.
Urządzenie składa się z zasilacza, trzech wydzielonych torów pomiarowych tzw. logik i przekaźnika R15 na napięcie 24 V. Zasilacz zasilany napięciem 110 V prądu stałego daje napięcia 5 i 24 V na tory pomiarowe.
Dane znamionowe urządzenia EKP-611:
napięcie znamionowe izolacji 250 V
napięcie znamionowe zasilania 10 V
stałego prądu
zmienność napięcia zasilania 60-121 V
moc pobierana 15 W
liczba wejść  6
liczba wyjść 1
liczba torów pomiarowych 3
napięcie sygnału wejściowego 2-40 V
zakres częstotliwości sygnału wejściowego 0+740 Hz czułość poślizgowa zadziałania
dla v 20 km/h 2-4 km/h
dla v > 20 km/h  5-4,5 km h czułość poślizgowa zwalniania
(dla całego zakresu prędkości) 0,75 km/h
zapas częstotliwości różnicowej zwalniania 3.1 Hz opóźnienie zadziałania
dla v 20 km/h 20-90 ms.
dla v > 20 km/h 180+ 250 ms
napięcie sygnału wyjściowego 1,10 V
stopień ochrony IP30
pozycja pracy pionowa
Tory pomiarowe to część urządzenia, w której zachodzi porównywanie prędkości liniowych dwóch zestawów kołowych lokomotywy. Informacje o tym wysyłają czujniki magnetoelektryczne, umieszczone , nad dużym kołem zębatym przekładni, w postaci napięcia o częstotliwości uzależnionej od prędkości liniowej zestawu kołowego. Zakres częstotliwości od 0 do 740 Hz odpowiada, dla lokomotywy ET22, prędkościom liniowym od 0 do 125 km/h. Każdy tor pomiarowy ma dwa wejścia, z których każde współpracuje z jednym czujnikiem magnetoelektrycznym, czyli każdy tor otrzymuje sygnały z dwóch zestawów i porównuje je. Rysunek 3 pokazuje, których zestawów kołowych prędkości są porównywane, a więc pierwszy z czwartym, trzeci z szóstym i piąty z drugim. W razie poślizgu jednego z nich tzn. jeżeli porównywane prędkości liniowe tych zestawów różnią się od 2 do 4 km/h (przy v < 20 km/h) lub od 2,5 do 4,5 km/h (przy v > 20 km/h), co odpowiada częstotliwościom w granicach 12-24 Hz i 15-27 Hz - tor pomiarowy wypracowuje odpowiedni sygnał wyjściowy przekazany na cewkę przekaźnika Rli, powodujący jego zadziałanie i przekazanie impulsu napięciowego na cewkę elektrozaworu hamowania. Ta różnica prędkości liniowych dwóch zestawów kołowych w torze pomiarowym, powodująca pojawienie się odpowiedniego wg logiki działania sygnału wyjściowego, określa czułość poślizgową zadziałania urządzenia.
W celu uzyskania dużej niezawodności działania przekaźnika R15, co do którego dotychczasowe doświadczenia eksploatacyjne w taborze kolejowym budzą pewne zastrzeżenia, zastosowano w urządzeniu stabilizowane źródło napięcia 24 V do zasilania jego cewki, przy czym sygnał napięciowy do sterowania przekaźnikiem jest, skokowy. W celu uodpornienia g) na drgania są wykorzystane styki normalnie otwarte i dodatkowo na stykach służących do sterowania elektrozaworu zamontowano układ gasikowy RC.
Ponieważ urządzenie ma tylko jedno wyjście i jeden elektrozawór hamowania, zostają przyhamowywane wszystkie zestawy kołowe, niezależnie od tego, ile ich wpadło w poślizg. W wyniku przyhamowania wyrównują się prędkości wszystkich zestawów, przy czym zwolnienie urządzeniaj czyli zanik odpowied niego wg logiki działania sygnału wyjściowego, mus nastąpić już przy różnicy prędkości nie mniejszej niż 0,75 km/h. Parametr ten określa czułość poślizgową zwalniania urządzenia i jest stały dla całego zakresu prędkości.

 

Rys. 4.
Urządzenie elektronicznej kontroli przyczepności EKP-611 (widok)

1 - listwa zaciskowa LZ-10 (18 zacisków przyłączowych),
2 - wskaźniki elektroniczne napiąć zasilających (diody LED),
3 - wskaźniki elektroniczne poślizgu (diody LED),
4 - bezpiecznik GBA-z

Aby urządzenie mogło prawidłowo realizować funkcję logiczną i nie zakłócało bez przyczyny pracy lokomotywy, jest zagwarantowany tzw. zapas częstotliwości różnicowej zwalniania (wynoszący 3,1 Hz), czyli jest to różnica częstotliwości sygnałów wejściowych w torze pomiarowym przy nie ślizgających się zestawach kołowych, przy prędkości 125 km/h, wynikająca z maksymalnie dopuszczalnej różnicy średnic kół tych zestawów wynoszącej 5 mm. Różnica prędkości liniowych zestawów, wynikająca z różnicy średnic, może zatem dochodzić do 0,5 km/h. Ustalając czułość poślizgową zwalniania na poziomie 4,4 Hz (odpowiada to prędkości liniowej 0,75 km/h), pozostawiono więc jeszcze dodatkowo margines na wszelkiego rodzaju samolikwidujące się mikropoślizgi przy przejeździe przez zwrotnice, na miejscowych zaoli-wieniach szyn itp.
Podczas pracy urządzenia powinny się świecić wskaźniki elektroniczne (diody LED) napięć zasilających 5 V, 24 V i 110 V. Nieświeeenie się którejkolwiek z diod świadczy o awarii urządzenia. Natomiast w czasie poślizgu zestawu kołowego powinien zaświecić się odpowiadający mu wskaźnik elektroniczny poślizgu (rys. 4).
Działanie systemu i pracę urządzenia EKP-611 ilustruje następujący przykład, uwzględniający wyniki uzyskane w czasie badań laboratoryjnych.Po ruszeniu lokomotywy poszczególne czujniki zaczynają wysyłać sygnały do odpowiednich torów pomiarowych. Następuje zerwanie przyczepności np. zestawu 1, którego czujnik wysyła sygnały do tego samego toru pomiarowego, co i czujnik zestawu 4. W wyniku poślizgu wzrasta częstotliwość napięcia z czujnika 1. Różnica prędkości liniowych obu porównywanych zestawów (pierwszego i czwartego) wzrasta i dochodzi do 3,2 km/h, co odpowiada częstotliwości 19 Hz. W torze pomiarowym zostaje wypracowany odpowiedni, wg logiki działania, sygnał wyjściowy, powodujący zadziałanie przekaźnika R15 oraz zapala się wskaźnik elektroniczny 1 (informujący, że zerwanie przyczepności nastąpiło na 1 zestawie kołowym). Jeden ze styków przekaźnika R15 zamykając się, podaje napięcie 110 V na lampki i buczki sygnalizacyjne w kabinach maszynisty oraz na cewkę przekaźnika PLP (rys. 5). Styki przekaźnika PLP z kolei zamykają obwód elektrozaworów ZP, powodując uruchomienie piasecznic. Dwa pozostałe, połączone szeregowo styki przekaźnika R15 podają napięcie na zawór hamowania ZPP (rys. 5). Po czasie 65 ms, od chwili wystąpienia dyskryminowanej prędkości różnicowej w torze pomiarowym, działa zawór hamowania, powodując przyhamowanie kół lokomotywy.

 

Rys. 5.
Uproszczony schemat obwodu likwidacji poślizgu (nowy stystem)

EKP-611 - urządzenie elektronicznej kontroli przyczepności,
ŁV - lqczntk w szybkościomierzu (zamknięty przy v < 20 km/h, otwarty przy v > 20 km/h),
ZP - elektrozawór piasecznicy,
PLP - przekaźnik PVA sterujący elektrozaworami piasecznicy,
L - listwa zaciskowa urządzenia EKP-611; pozostałe oznaczenia takie same jak na rysunku 2
W wyniku przyhamowania prędkości liniowe zestawów zaczynają się wyrównywać. Różnica prędkości między pierwszym i czwartym zestawem zmniejsza się i gdy wynosi 1 km/h, co odpowiada 6 Hz, następuje zwolnienie urządzenia, czyli zanik sygnału wyjściowego, a co za tym idzie otwarcie styków przekaźnika R15. Lampki sygnalizacyjne, buczki, piasecznice i zawór hamowania przestają działać, koła zostają odhamowane. Takich cykli działania może odbywać się jednocześnie trzy (trzy tory pomiarowe).
W razie uszkodzenia urządzenia EKP-611 lub czujników, dla umożliwienia przyhamowania kół przy poślizgu, pozostawiono w kabinach przyciski do ręcznego sterowania zaworem hamowania.

Uwagi końcowe

Do wydania pełnej oceny przydatności urządzenia EKP-611 w lokomotywach ET22 trzeba poczekać do czasu uzyskania wyników i informacji z eksploatacji. Wyniki badań laboratoryjnych są bardzo obiecujące i należy oczekiwać, że próby eksploatacyjne je potwierdzą.
Mimo wielu zalet nowego systemu kontroli przyczepności, będącego niewątpliwie dużym krokiem naprzód, należy stwierdzić, że jest on jeszcze w dalszym ciągu systemem, który ma na celu likwidację zaistniałego zjawiska poślizgu i przez szybko: ć reakcji pomniejszenie jego skutków, a nie eliminację jego powstawania. Idealnym -rozwiązaniem będzie dopiero opracowanie takiego systemu, który wykrywając tendencję do poślizgu, zapobiegałby jego powstawaniu. Tego typu rozwiązania są już na świecie znane. Należy mieć nadzieję, że będą one wprowadzone również do pojazdów trakcyjnych PKP.
Na zakończenie dodać trzeba jeszcze, że biuro konstrukcyjne ,,Elty" opracowało bardzo wygodny i prosty w obsłudze, mały gabarytowo próbnik do kontroli sprawności urządzenia EKP-611 i czujników CUP. Za pomocą tego próbnika, podłączając go do odpowiednich zacisków urządzenia EKP-611, można na postoju stwierdzić, czy urządzenie i czujniki działają prawidłowo, a w razie usterki ustalić, któr z podstawowych elementów jest uszkodzony. Po wprowadzeniu na większą skalę w lokomotywach ET22 urządzenia EKP-611 w próbnik taki należałob wyposażyć wszystkie jednostki eksploatujące te lokomotywy.