Методические указания к курсовой работе ‘САУ тормозных систем электровоза’

Введение. Актуальность и задачи проектирования систем управления торможением

Безопасность на железнодорожном транспорте — это абсолютный приоритет, и ее фундаментальной основой являются тормозные системы. Без их надежной и эффективной работы невозможно представить себе современные перевозки. История развития тормозов — это история борьбы за безопасность в условиях постоянно растущих скоростей и массы поездов. Она прошла долгий путь: от примитивных механических устройств начала XIX века, через революционные пневматические тормоза Вестингауза (1869-1872 гг.) и отечественные системы Матросова, до современных, интеллектуальных систем.

Сегодня ключевой вызов — это не просто остановить поезд, а сделать это с максимальной эффективностью, точностью и, что особенно важно, минимизировать влияние человеческого фактора. Именно эту задачу решают современные Системы Автоматического Управления Торможением (САУТ), которые стали ответом на требования эпохи высоких скоростей и интенсивного движения.

Целью данной курсовой работы является разработка и расчет структуры системы автоматического управления (САУ) тормозной системой электровоза.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие ключевые задачи:

• Изучить теоретические основы и принципы работы тормозного оборудования подвижного состава.
• Провести анализ тормозной системы конкретного электровоза как объекта управления.
• Рассчитать статические и динамические характеристики элементов системы.
• Выполнить синтез корректирующих устройств для обеспечения требуемого качества управления.

Эта работа последовательно проведет через все этапы проектирования, от теории к практике, создавая полноценную и работоспособную модель системы.

Глава 1. Теоретические основы и мировой опыт построения автоматических тормозных систем

Для грамотного проектирования САУ необходимо иметь четкое представление о классификации, устройстве и принципах работы тормозных систем. Тормоза подвижного состава можно классифицировать по нескольким ключевым признакам:

• По принципу действия: механические, пневматические (включая автоматические и неавтоматические), электропневматические, электрические и электромагнитные.
• По назначению: грузовые, пассажирские и высокоскоростные, каждый со своей спецификой.
• По типу фрикционных механизмов: колодочные, дисковые и магниторельсовые.

Центральное место в большинстве систем занимают автоматические пневматические тормоза. Их работа основана на четырех последовательных процессах:

1. Зарядка: Компрессор локомотива через главный резервуар нагнетает сжатый воздух в тормозную магистраль (ТМ) и запасные резервуары (ЗР) каждого вагона.
2. Торможение: Машинист снижает давление в ТМ. Воздухораспределители на вагонах срабатывают и подают воздух из запасных резервуаров в тормозные цилиндры (ТЦ), прижимая колодки к колесам.
3. Отпуск: Машинист повышает давление в ТМ, что заставляет воздухораспределители выпустить воздух из ТЦ в атмосферу и начать пополнение ЗР.
4. Перекрыша: Состояние, при котором давление в ТМ и ТЦ поддерживается на постоянном уровне для удержания поезда в заторможенном состоянии.

Ключевыми узлами этой системы являются: кран машиниста (задающее устройство), тормозная магистраль (канал связи), воздухораспределитель (исполнительный механизм), тормозной цилиндр (силовой орган) и резервуары (источники энергии). Отечественные воздухораспределители, например, типа 483М, специально адаптированы для работы в длинных грузовых поездах.

Вершиной эволюции является Система автоматического управления торможением (САУТ). Разработанная еще в 1986 году НПО САУТ, она предназначена для непрерывного контроля скорости и автоматического вмешательства в процесс торможения в зависимости от сигналов светофоров и ограничений на пути. САУТ состоит из путевой и локомотивной аппаратуры и способна инициировать как служебное, так и экстренное торможение, значительно повышая безопасность перевозок.

Глава 2. Анализ тормозной системы электровоза как объекта автоматизации

Объектом исследования в данной работе является тормозная система конкретного электровоза, например, ВЛ11М. Эта модель интересна тем, что наряду с пневматической системой она оснащена электрическим рекуперативным торможением, при котором тяговые двигатели работают в режиме генераторов, возвращая энергию в контактную сеть. Это делает систему управления более сложной и комплексной.

При анализе системы как объекта автоматизации необходимо четко определить ее параметры.
Входными (управляющими) воздействиями являются:

• Изменение давления в тормозной магистрали, создаваемое краном машиниста.
• Электрические сигналы от контроллера машиниста для управления рекуперативным тормозом.
• Управляющие команды от локомотивной аппаратуры САУТ.

Выходным результатом является реализуемое тормозное усилие, которое приводит к замедлению поезда.

Для наглядности систему можно представить в виде функциональной схемы, состоящей из нескольких ключевых блоков:

1. Управляющее устройство: кран машиниста, контроллер, блок САУТ.
2. Исполнительное устройство: воздухораспределитель, силовые контакторы электрической схемы.
3. Объект управления: тормозной цилиндр, рычажная передача и тяговые электродвигатели в режиме генератора.

На основе этого анализа формулируются технические требования к проектируемой САУ. Она должна обладать высоким быстродействием, обеспечивать точность поддержания тормозного усилия, быть абсолютно устойчивой во всех режимах работы и гарантировать заданные параметры замедления.

Глава 3. Расчет статических и динамических характеристик элементов САУ

Этот раздел переводит физическое описание системы на язык математики. Здесь создается математическая модель, которая является фундаментом для дальнейшего анализа и синтеза. Работа ведется пошагово, декомпозируя всю систему на отдельные звенья.

Первым шагом является расчет объекта управления. Составляются уравнения, описывающие зависимость выходной величины (например, давления в тормозном цилиндре или усилия на его штоке) от входного воздействия (изменения давления в тормозной магистрали). Определяется статическая характеристика объекта — его поведение в установившемся режиме.

Далее выполняется расчет исполнительного устройства. Аналогичным образом моделируется работа воздухораспределителя: как он преобразует сигнал из тормозной магистрали в управляющее воздействие на тормозной цилиндр. Также рассчитываются его динамические параметры, характеризующие задержки и инерционность.

Важнейшей частью является анализ элементов обратных связей. В современных САУ используются датчики давления, скорости и другие преобразователи, которые информируют систему о ее текущем состоянии. Расчет этих элементов необходим для понимания, насколько точную информацию получает регулятор.

Итогом главы становится построение общей структурной схемы САУ. Это блок-схема, где каждый элемент системы (объект, исполнительное устройство, датчик) представлен в виде звена со своей передаточной функцией. Эта схема является полной математической моделью системы и основой для всех последующих расчетов динамики.

Глава 4. Синтез корректирующих устройств и анализ динамики системы

Имея на руках математическую модель системы, можно приступать к кульминационной части инженерной работы — анализу ее поведения и, при необходимости, его улучшению. Этот этап доказывает работоспособность спроектированной САУ.

Первоочередная задача — анализ устойчивости. С помощью математических критериев (например, Найквиста или Михайлова) и построения логарифмических частотных характеристик (ЛЧХ) для исходной, не скорректированной системы, дается строгий ответ на вопрос: является ли система в принципе работоспособной или она склонна к самовозбуждению и колебаниям.

Далее проводится оценка качества регулирования. Рассчитываются ключевые показатели:

• Время регулирования: как быстро система приходит в новое устойчивое состояние.
• Перерегулирование: на сколько выходной параметр (например, давление) превышает заданное значение в переходном процессе.
• Статическая ошибка: разница между заданным и фактическим значением после завершения всех переходных процессов.

Полученные значения сравниваются с требованиями, сформулированными во второй главе.

Если показатели качества неудовлетворительны, выполняется синтез корректирующего устройства. Это расчет специального звена (например, ПИД-регулятора), которое включается в структуру САУ для улучшения ее характеристик. Выбор типа регулятора и его параметров должен быть тщательно обоснован.

В завершение проводится анализ скорректированной системы. Для новой, улучшенной модели снова строятся ЛЧХ и рассчитываются переходные процессы. Графики наглядно демонстрируют, как корректирующее устройство позволило уменьшить время регулирования, снизить перерегулирование и повысить общую точность и устойчивость системы.

Заключение. Основные результаты и выводы по курсовой работе

В начале курсовой работы была поставлена цель — разработать и рассчитать структуру САУ тормозной системой электровоза. Для ее достижения был выполнен ряд последовательных задач, которые позволили прийти к логическому и завершенному инженерному решению.

В ходе выполнения работы были получены следующие ключевые результаты:

• Систематизированы теоретические знания о принципах действия, классификации и устройстве тормозных систем.
• Проведен детальный анализ тормозного оборудования электровоза ВЛ11М как объекта автоматизации и сформулированы требования к САУ.
• Рассчитаны статические и динамические характеристики всех элементов системы, что позволило составить ее полную математическую модель в виде структурной схемы.
• Проведен анализ устойчивости и качества исходной системы, на основе которого было синтезировано корректирующее устройство.

Главный вывод работы: спроектированная и рассчитанная система автоматического управления торможением является устойчивой и обеспечивает требуемые показатели качества — быстродействие и точность. Это было подтверждено аналитическими расчетами и моделированием переходных процессов в скорректированной системе.

В качестве направления для дальнейшего усовершенствования можно рассмотреть интеграцию системы с более современными методами предиктивной диагностики и адаптивными алгоритмами управления.

Список использованных источников и Приложения

В данном разделе приводится полный перечень литературных источников, ГОСТов, нормативных документов и интернет-ресурсов, которые использовались при написании курсовой работы. Список должен быть оформлен в строгом соответствии с действующими стандартами.

Чтобы не загромождать основной текст работы и сохранить его читаемость, все вспомогательные материалы выносятся в Приложения. Сюда следует включить:

• Крупноформатные схемы (функциональную, структурную).
• Графики (ЛЧХ, переходные процессы до и после коррекции).
• Объемные таблицы с исходными данными и промежуточными расчетами.

Каждое приложение должно быть пронумеровано и иметь содержательное название. В основном тексте работы обязательно должны присутствовать ссылки на соответствующие приложения (например, «Структурная схема САУ приведена в Приложении А»).