CC BY
30
УДК 621.332.23:625.14:656.25:517.54
С. А. Лунев, С. С. Сероштанов, И. В. Присухина, А. Г. Ходкевич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
НЕПРЕРЫВНАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ОБРАТНОЙ ТЯГОВОЙ РЕЛЬСОВОЙ СЕТИ В УСЛОВИЯХ ОРГАНИЗАЦИИ ТЯЖЕЛОВЕСНОГО ДВИЖЕНИЯ
Аннотация. В статье рассмотрены вопросы, связанные с повышением устойчивости работы рельсовых цепей в условиях тяжеловесного движения для участков с электротягой переменного тока. Построен график координатной плоскости основных диагностических состояний рельсовой сети. Выполнен анализ полученных результатов и предложен алгоритм действий по определению значений координаты положения шунта и сопротивления изоляции рельсовой сети по графику координатной плоскости.
Ключевые слова: тяговая рельсовая сеть, рельсовая цепь, рельсовая линия, обратный тяговый ток, тяжеловесное движение, конформное отображение, функции комплексного переменного, координатная плоскость, координата положения шунта, сопротивление изоляции, динамические параметры, диагностическое состояние.
Sergey A. Lunev, Sergey S. Seroshtanov, Ilona V. Prisukhina, Anton G. Hodkevich
Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation
THE UNINTERRUPTED STATE EVALUATION OF BACKWARD TRACTION CIRCUIT IN HEAVYWEIGHT TRAFFIC CONDITIONS
Abstract. In the article there is the increase of rail circuits work stability in conditions of heavyweight traffic for AC traction sections. There is a coordinate plane graph of backward traction circuit base diagnostic states in the paper. We analyzed the results gained in the researching and suggested the way to coordinate rail shunt location and to evaluate the insulation resistance in backward traction circuit.
Keywords: backward traction circuit, track circuit, rail line, backward traction AC, heavyweight traffic conditions, conformal mapping, function of a complex variable, coordinate plane, rail shunt location, insulation resistance, dynamic parameters, diagnostic condition.
Одним из принципиально важных и актуальных направлений стратегической программы развития ОАО «Российские железные дороги» является увеличение пропускной и провозной способности участков железных дорог, которое может быть реализовано применением на сети тяжеловесного движения.
Тяжеловесное движение оказывает непосредственное влияние на рельсовую линию и подключаемые к ней устройства, которые, с одной стороны, являются объектами системы тягового электроснабжения, реализуя непрерывную рельсовую сеть для канализации обратного тягового тока (КОТТ), а с другой стороны - объектом инфраструктуры хозяйства автоматики и телемеханики в составе рельсовых цепей, выполняющих функции первичного путевого датчика информации о состоянии рельсового пути (рисунок 1).
Обеспечение надежного и безопасного функционирования рельсовых цепей при реализации тяжеловесного движения невозможно без выполнения нормативных требований к построению схем КОТТ. Нарушение требований может повлечь за собой невыполнение условий контрольного режима работы рельсовой цепи. На выполнение нормативных требований оказывают неблагоприятное влияние такие факторы, как излом или изъятие рельса, изъятие дроссель-трансформатора, обрыв междудроссельной или междупутной перемычки, выход из строя стыкового соединителя, асимметрия обратного тягового тока, замыкание изостыков колесными парами. Данные факторы (далее - динамические параметры в рельсовой сети) влияют как на работу системы КОТТ в целом, так и на функционирование отдельных рельсовых цепей (РЦ) [1, 2].
Следует отметить, что РЦ свойственно наличие таких недостатков:
- дискретная информация о свободности и исправности рельсовой цепи;
- отсутствие информации о фактическом техническом состоянии РЦ и ее элементов, в том числе рельсовой линии (РЛ);
- отсутствие фиксации предотказных ситуаций;
- невозможность определения фактической координаты местоположения подвижной единицы на рельсовой линии;
- неразличимость состояний занятия рельсовой цепи и ее неисправности.
Рисунок 1 - Структура обратной тяговой рельсовой сети в сочетании с аппаратурой отдельной рельсовой цепи: РЛ - рельсовая линия; ДТ - дроссель-трансформатор; Н - четырехполюсник начала, замещающий аппаратуру питающего конца РЦ; К - четырехполюсник конца, замещающий аппаратуру релейного конца РЦ
Кроме того, такой параметр рельсовых линий, как сопротивление изоляции, может варьироваться в широких пределах.
Таким образом, задача непрерывной оценки и анализа состояния обратной тяговой рельсовой сети (ОТРС) является необходимым условием реализации тяжеловесного движения. Для решения этой задачи необходим комплексный анализ исправного состояния, безопасного функционирования, распространения сигнала по рельсовым линиям в условиях влияния множества факторов, изменяющихся с течением времени.
Все изложенное выше позволяет сделать вывод о том, что оценка состояния ОТРС является нетривиальной задачей и требует для своего решения построения виртуальной модели рельсовой цепи.
В качестве математического аппарата для непрерывного диагностирования состояния ОТРС авторами предлагается использование аппарата конформных отображений [3, 4].
Для анализа основных диагностических состояний ОТРС необходимо рассмотреть схему замещения рельсовой линии с рассредоточенными параметрами (см. рисунок 1). Параметры четырехполюсника рельсовой линии можно выразить через ее вторичные параметры (1):
Г А С
в \
Б
Г ск у 1р • ^у /_ ^
Y' ^у /р
ску /
где Zв - волновое сопротивление рельсовой линии, Ом; у - коэффициент распространения волны, 1/км; / - длина рельсовой линии, км.
Волновое сопротивление линии и коэффициент распространения, в свою очередь, определяются по следующим формулам:
2В =л1 2„ ■ ;
(2) (3)
где 2п - удельное сопротивление рельсовой петли переменному току, Ом/км; ги - сопротивление изоляции рельсовой линии, Ом-км.
Рассмотрим конформное преобразование комплексного сопротивления нагрузки во входное для рельсового четырехполюсника. Все сложные преобразования областей в электротехнике основаны на существовании трех простейших отображений - растяжения, сдвига и инверсии. В работе [3] доказывается, что любой четырехполюсник рельсовой линии при С Ф 0 можно представить в виде цепочки четырех элементарных четырехполюсников (4):
Га в Л п Л (к 0 1 Го -1 Л п
ку
С Б
0 1
0
1
о
"Л
V0 1 у
(4)
Этот четырехполюсник соответствует следующим преобразованиям: 1) сдвиг области на комплексной плоскости (рисунок 2, а)
2 0 =
Б
С
(5)
Комплексный сдвиг области на вектор 20 осуществляет параллельный перенос области
на комплексной плоскости на величину
2
20 и по направлению аргумента т, где 20
2) антиинверсия на комплексной плоскости, при которой конформное отображение реализуется последовательным выполнением двух инверсий, первая из которых осуществляется относительно единичной окружности Г, а вторая отражает полученную область симметрично относительно оси 1т (рисунок 2, б);
3) растяжение в |к| и поворота на угол 2ф, где К = |к| ■ Рр = С (рисунок 2, в).
Комплексное растяжение осуществляет растяжение (или сжатие, если К < 1) области в К раз. Это преобразование называется гомотетией с коэффициентом |к| . Далее осуществляется поворот вокруг начала координат на угол 2ф..
Согласно утверждению работ [5, 6] результатом конформного преобразования прямой вида
Яе(Хг) = а (6)
является окружность с центром в точке
^0 =
2аАС + АБ Х + ВСХ 2а |С|2 + 2Ке(СБХ)
(7)
и радиусом
4 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 1(29) 2017
— — =
р =
(АБ - ВС)Х
2а |С|2 + 2Яе(СБ X)
(8)
где А, В, С, Б - коэффициенты рельсового четырехполюсника; а, X - коэффициенты;
В, С, Б, X - сопряженные комплексные величины.
Ы\У)
\
ч
Ьп<№)
/
/ / / /
/ ./ к-
/ Ж
/ /
I .' V" \ :
а б в
Рисунок 2 - Конформные преобразования областей в электротехнике: а - сдвиг области на комплексной плоскости; б - антиинверсия на комплексной плоскости; в - преобразования типов «растяжение» и «поворот»
В качестве примера рассмотрим определение поперечной неоднородности рельсовой линии (далее - наложение шунта на рельсовую линию), которое дает возможность установить координату местонахождения РЛ. Построение областей на комплексной плоскости производится в соответствии с преобразованиями (4) - (8). Однако для получения графика зависимости комплексного входного сопротивления рельсовой линии (диагностических состояний рельсовой сети) в качестве нагрузки четырехполюсника рельсовой линии учитываются входные сопротивления смежной рельсовой линии и аппаратуры релейного конца рельсовой цепи
[7, 8].
Построение графика выполним для нескольких значений сопротивления изоляции (0,5; 1; 2,5; 5; 7,5 и 10 Ом-км) при нормативном значении сопротивления шунта Яш = 0,06 Ом, в зависимости от координаты его положения с дискретностью 12,5 м. На рисунке 3 представлен график полученной координатной плоскости, на котором продольные линии представляют собой значения сопротивления изоляции, а поперечные линии, которые их пересекают, -значение координаты положения шунта.
График можно условно разделить на две области:
положение шунта в области от 0 до 125 м от начала рельсовой линии. В этой области изменение изоляции не влияет на значение входного комплексного сопротивления при одинаковой координате положения шунта на рельсовой линии;
положение шунта в области от 125 до 625 м от начала рельсовой линии. В этой области изменение сопротивления изоляции существенно влияет на значение входного комплексного сопротивления (при одинаковой координате положения шунта на рельсовой линии). Продольные линии становятся различимыми на данном графике, т. е. по значению входного комплексного сопротивления можно определить не только координату положения нормативного шунта, но и значение сопротивления изоляции рельсовой линии.
Определение координаты происходит путем вычисления фактического комплексного входного сопротивления рельсовой линии и сравнения его активной и реактивной составляющих с расчетными данными, полученными в результате математического моделирования.
Для определения значения входного сопротивления используется соотношение:
и (■
180—^>1
Я = — ■ е 180 I
л)
где и и I - значения напряжения и тока на входе рельсовой линии; д1 - значение фазы между током и напряжением.
Рисунок 3 - График координатной плоскости основных диагностических состояний рельсовой сети
После определения входного сопротивления (по соотношению (9)) переносим полученные значения точек (А, В и С) на координатную плоскость основных диагностических состояний рельсовой сети (см. рисунок 3).
Проанализируем местоположение каждой точки на графике.
Местоположение точки А совпадает с пересечением продольной (значение сопротивления изоляции Яи = 1 Ом-км) и поперечной (значение координаты положения шунта на рельсовой линии I = 262,5 м) линий. Это позволяет однозначно определить координату места положения шунта и текущее сопротивление изоляции рельсовой линии, не прибегая к дополнительным методам уточнения.
Местоположение точки В совпадает со значением комплексного сопротивления соответствующего координате места положения шунта на рельсовой линии I = 400 м. Тем не менее для данной точки определить однозначно сопротивление изоляции рельсовой сети без дополнительных методов уточнения невозможно. Поэтому для упрощения процедуры анализа предлагается определять наименьшее расстояние от точки В до ближайших продольных линий на координатной плоскости с применением метода сравнения получившихся длин. По наименьшей длине определяется принадлежность полученной точки к значению сопротивления изоляции (в данном случае Яи = 1 Ом-км). Для уменьшения погрешности определения предлагается увеличить количество продольных линий сопротивления изоляции, уменьшив шаг дискретизации до 0,1 Ом-км.
Местоположение точки С не совпадает ни с одной из построенных на координатной плоскости линий (см. рисунок 3). В этом случае расчет будет производиться аналогично
предыдущему. По наименьшей длине определяется принадлежность точки С к значениям сопротивления изоляции и координаты места положения шунта (рисунок 4).
На рисунке 4 из точки С опущены перпендикуляры до ближайших поперечных (значение координаты места положения шунта l = 575 и 587,5 м) и продольных (сопротивление изоляции рельсовой сети Яи = 1 и 2,5 Ом-км) линий. Применив метод сравнения, получим
значения координаты места положения шунта (/ = = 587,5 м) и текущего сопротивления изоляции рельсовой сети (Яи = 1 Ом-км).
Представленные выше материалы легли в основы заявок на получение правоохранных документов - патентов на изобретения: «Классификатор технического состояния электрической системы пропуска обратного тягового тока» и «Рельсовая цепь» [9, 10]. На основании изложенного можно сделать выводы. 1. Графическое изображение может быть ис-Рисунок4-Определение значений пользовано как наглядное средство исследования
координаты И сопротивления изоляции функциональных зависимостей входных электриче-для точки на координатной плоскости ских параметров рельсовой сети от ее внутренних
(проводимость изоляции, изменение сопротивления токопроводящих и изолирующих стыков) и внешних (помехи от электрического тягового подвижного состава, линий электропередач) параметров в широком диапазоне их изменения.
2. Геометрическое представление комплексной величины входного сопротивления, отражающее состояние рельсовой сети, позволяет определить на координатной плоскости ее динамические параметры и помочь в определении предотказных ситуаций.
3. Дискретизация в построении координатной плоскости по продольным (сопротивление изоляции) и поперечным (координата положения шунта) линиям зависит от необходимой точности при определении их значений методом сравнения получившихся длин.
4. Применение визуализации результатов измеренного входного комплексного сопротивления рельсовой цепи на координатной плоскости дает возможность непрерывно в реальном времени определить фактическое техническое состояние РЦ (свободность, занятость, характер и место неисправности), фиксировать предотказные ситуации, определять реальные координаты местоположения подвижных единиц на рельсовой линии.
5. Выявление предотказных состояний ОТРС повышает готовность инфраструктуры к реализации тяжеловесного движения.
Список литературы
1. Лунев, С. А. В рамках организации тяжеловесного движения [Текст] / С. А. Лунев, С. С. Сероштанов, А. Г. Ходкевич // Железнодорожный транспорт. - 2015. - № 11. - С. 62, 63.
2. Аюпов, Р. Ш. Мониторинг динамических параметров обратной тяговой рельсовой сети [Текст] / Аюпов Р. Ш., Лунев С. А., Сероштанов С. С. // Транспорт Урала / Уральский гос. ун-т путей сообщения. - Екатеринбург, 2008. - № 4 (19). - С. 74 - 76.
3. Сероштанов, С. С. Диагностирование технического состояния тональных рельсовых цепей: Монография [Текст] / С. С. Сероштанов // LAP LAMBERT Academic Publishing. -Сарбрюк, 2011. - 135 с.
4. Сероштанов, С. С. Применение математического аппарата конформных отображений для непрерывного контроля и прогнозирования состояния тональных рельсовых цепей [Текст] / С. С. Сероштанов, С. А. Лунев// Омский научный вестник / Омский гос. техн. ун-т. - Омск, 2006. - № 9 (46). - С. 98 - 102.
5. Шабат, Б. В. Введение в комплексный анализ [Текст] / Б. В. Шабат. - М.: Наука, 1969. - 576 с.
6. Лаврентьев, М. А. Методы теории функции комплексного переменного [Текст] / М. А. Лаврентьев, Б. В. Шабат. - М.: Наука, 1987. - 688 с.
7. Применение аппарата конформных отображений для непрерывного контроля координаты подвижной единицы на пути [Текст] / С. А. Лунев, С. С. Сероштанов и др. // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2014. - № 1 (17). - С. 88 - 94.
8. Лунев, С. А. Непрерывный контроль координаты и скорости перемещения отцепов в подгорочных парках сортировочных горок [Текст] / С. А. Лунев, С. С. Сероштанов, М. М. Соколов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2014. -№ 3 (19). - С. 104 - 109.
9. Пат. 2423714 Российская Федерация, МПК G 01 R 17/02, B 60 L 15/00. Классификатор технического состояния электрической системы пропуска обратного тягового тока [Текст] / Аюпов Р. Ш., Лунев С. А, Сероштанов С. С., Соколов М. М.; заявитель и патентообладатель Омский гос. ун-т путей сообщения. - 2010102758/28; заявл. 27.01.2010; опубл. 10.07.2011, Бюл. № 19.
10. Пат. 2505443 Российская Федерация, МПК B 61 L 23/16. Рельсовая цепь [Текст] / Лунев С. А, Сероштанов С. С., Соколов М. М.; заявитель и патентообладатель Омский гос. ун-т путей сообщения. - 2012109352/11; заявл. 12.03.2012; опубл. 27.01.2014 , Бюл. № 3.
References
1. Lunev S. A., Seroshtanov S. S., Hodkevich A. G. To assist heavy haulage. [V ramkakh or-ganizatsii tiazhelovesnogo dvizheniia], Zheleznodorozhnyi transport - The railway transport, 2015, no. 11, pp 62 - 63.
2. Aupov R. S., Lunev S. A., Seroshtanov S. S. Monitoring of dynamic parameters of reverse traction railway network [Monitoring dinamicheskikh parametrov obratnoi tiagovoi rel'sovoi seti], Transport Urala - Transport of the Urals, 2008, no. 4, pp. 74 - 76.
3. Seroshtanov S. S. Diagnostirovanie tekhnicheskogo sostoyaniya tonal'nyh rel'sovyh cepej (Diagnosing the technical condition of tonal track circuits). Sarbryuk: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2011, 135 p.
4. Seroshtanov S. S., Lunev S. A. The application of the mathematical apparatus of conformal mappings for the continuous monitoring and prediction of the state of the tonal rail circuits [Prime-nenie matematicheskogo apparata konformnyh otobrazhenij dlya nepreryvnogo kontrolya i prognozirovaniya sostoyaniya tonal'nyh rel'sovyh cepej] Omskij nauchnyj vestnik - Omsk Scientific Bulletin, 2006, no. 9 (46), pp. 98 - 102.
5. Shabat B. V. Vvedenie v kompleksnyi analiz (Introduction to complex analysis), Moscow: Science, 1969, 576 p.
6. Lavrentiev M. A. Metody teorii funktsii kompleksnogo peremennogo (Methods of the theory of complex variable functions), Moscow: Science, 1987, 688 p.
7. Lunev S. A. Application of the apparatus of conformal mappings for continuous monitoring coordinates rolling stock on the railway [Primenenie apparata konformnykh otobrazhenii dlia nepre-ryvnogo kontrolia koordinaty podvizhnoi edinitsy na puti]. Izvesyiia Transsiba - The journal of Transsib Railway Studies, 2014, no. 1 (17), 88 - 94 pp.
8. Lunev S.A. Continuous monitoring of the position and movement Unhook speed podgo-rochnyh parks marshalling yards [Nepreryvnyi kontrol' koordinaty i skorosti peremeshcheniia ottsepov v podgorochnykh parkakh sortirovochnykh gorok]. Izvesyiia Transsiba - The journal of Transsib Railway Studies, 2014, no. 3 (19), 104 - 109 pp.
9. Aupov R. S., Lunev S. A., Seroshtanov S. S., Sokolov M. M. Patent RU 2423714 G 01, B 60, 10.07.2011.
10. Lunev S. A., Seroshtanov S. S., Sokolov M. M. Patent RU 2505443 B 61, 27.01.2014.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Лунев Сергей Александрович Lunev Sergey Aleksandrovich
Омский государственный университет путей Omsk State Transport University (OSTU).
сообщения (ОмГУПС). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation.
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, первый проректор университета, проректор по учебной работе, заведующий кафедрой «Автоматика и телемеханика», ОмГУПС.
Тел.: (3812) 31-06-00.
E-mail: LunevSA@omgups.ru
Сероштанов Сергей Сергеевич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Автоматика и телемеханика», ОмГУПС.
Тел.: (3812) 31-18-72.
E-mail: seroshtanovss@mail.ru
Присухина Илона Вадимовна
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Аспирант кафедры «Автоматика и телемеханика», ОмГУПС
Тел.: (3812) 56-26-64.
E-mail: PrisukhinaIV@omgups.ru
Ходкевич Антон Геннадьевич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, декан заочного факультета университета, доцент кафедры «Автоматика и телемеханика», ОмГУПС.
Тел.: (3812) 31-18-72.
E-mail: HodkevichAG@omgups.ru
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Лунев, С. А. Непрерывная оценка состояния обратной тяговой рельсовой сети в условиях организации тяжеловесного движения [Текст] / С. А. Лунев, С. С. Сероштанов, И. В. Присухина, А. Г. Ходкевич // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2017. - № 1 (29). - С. 2 - 9.
Candidate of Technical Sciences, first vice-rector of the university, head of the department «Automation and telemechanics», OSTU.
Phone: (3812) 31-06-00. E-mail: LunevSA@omgups.ru
Seroshtanov Sergey Sergeevich
Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation. Candidate of Technical Sciences, senior lecturer of the department «Automation and telemechanics», OSTU. Phone: (3812) 31-18-72. E-mail: seroshtanovss@mail.ru
Prisukhina Ilona Vadimovna
Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation. Postgraduate student of the department «Automation and telemechanics», OSTU. Phone: (3812) 56-26-64. E-mail: PrisukhinaIV@omgups.ru
Hodkevich Anton Gennadievich
Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation. Candidate of Technical Sciences, the head of Correspondence faculty, senior lecturer of the department "Automation and telemechanics", OSTU. Phone: (3812) 31-18-72. E-mail: HodkevichAG@omgups.ru
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Lunev S. A., Seroshtanov S. S., Prisukhina I. V., Hodkevich A. G. The uninterrupted state evaluation of backward traction circuit in heavyweight traffic conditions. Journal of Transsib Railway Studies, 2017, vol. 29, no. 1, pp. 2 - 9. (In Russian).
УДК 629.424.001.57
В. В. Молчанов, В. О. Носков, В. А. Четвергов, А. В. Чулков
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ФОРМИРОВАНИЯ РЕЖИМОВ НАГРУЗКИ И ПРОГРЕВА ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНЫХ УСТАНОВОК ТЕПЛОВОЗОВ
Аннотация. В статье на основе анализа экспериментальных данных параметров в режиме реальной эксплуатации тепловоза составлена математическая модель. Представленная математическая модель описыва-
