Безопасното и ефективно спиране на железопътния състав зависи от способността на спирачната система да използва максимално ефективно наличното сцепление между колелото и релсата. Именно този контакт определя границата, над която приложеното спирачно усилие вече не може да бъде предадено към релсата без загуба на сцепление.
При нормално спиране колелото трябва да продължи да се върти, докато влакът намалява скоростта. Ако спирачният момент стане по-голям от силата, която контактът колело–релса може да предаде, колооста започва да се забавя прекомерно спрямо скоростта на превозното средство. Това състояние се нарича прекомерно приплъзване.
При развито приплъзване колелото може да достигне състояние, при което практически спира да се върти, докато превозното средство продължава да се движи. Последствията могат да бъдат плоски места по бандажа, термични повреди, повишени динамични натоварвания и влошаване на спирачната ефективност.
За предотвратяване на това съвременните железопътни превозни средства използват система за защита от приплъзване на колелата (WSP) или , както ние го знаеме - противоповличаща система.
WSP постоянно следи скоростта на колоосите и управлява спирачното усилие така, че колелото да остане в подходящата зона на сцепление. При необходимост системата намалява, задържа и отново възстановява налягането в спирачния цилиндър.
Противоповличащата система работи съвместно и с други системи, които влияят върху наличното сцепление, включително пясъкоподаващите системи, както и електродинамичната спирачка и общата система за управление на спирането.
1. Сцепление между колело и релса
Стоманеното колело и стоманената релса имат сравнително ниска способност за предаване на надлъжна сила. Реалното сцепление зависи от множество фактори:
- състояние на релсовата глава;
- влажност;
- дъжд и вода;
- паднали листа;
- масла и други замърсявания;
- смазочни материали;
- ръжда и повърхностни отлагания;
- скорост на превозното средство;
- натоварване на колооста;
- състояние на колелото и релсата;
- предишното движение по релсовия път.
Особено проблемни са условията с ниска адхезия.
Адхезия и приплъзване
При спиране периферната скорост на колелото става по-ниска от скоростта на влака. Това относително движение се описва чрез приплъзването.
- при нормално търкаляне приплъзването е малко;
- при увеличаване се достига зона на максимално сцепление;
- при прекомерно приплъзване колелото навлиза в нестабилна зона;
- при 100% приплъзване колелото е блокирало.
2. Приплъзване, прекомерно приплъзване и блокиране
Приплъзване
Относително движение между колелото и релсата при спиране.
Прекомерно приплъзване
Колелото се върти, но скоростта му е значително по-ниска от референтната скорост на влака.
Блокиране
Колелото практически спира да се върти, докато влакът продължава движението си.
3. Последствия от блокиране на колело
3.1. Плоски места по бандажа
При плъзгане материалът се износва локално, образувайки плоско място (окопаване). Това води до вибрации, ударни натоварвания, шум и допълнително натоварване на релсовия път.
3.2. Термично увреждане
Продължителното плъзгане генерира значителна топлина, която може да промени структурата на материала.
3.3. Влошена спирачна ефективност
Блокираното колело не работи в оптималната зона на сцепление.
4. Как работи противоповличаща система (WSP)
WSP е затворена управляваща система:
- измерва скоростта на колоосите;
- определя референтната скорост;
- открива прекомерно забавяне;
- намалява спирачното усилие;
- възстановява въртенето;
- прилага спирачката отново.
5. Основни компоненти на противоповличащата система
5.1. Датчици за скорост
Измерват скоростта на въртене и подават информация към контролера.
5.2. Електронен блок за управление
Обработва сигналите, определя приплъзване, тенденции и управлява клапаните.
5.3. WSP клапани
Бързодействащи електропневматични клапани, които:
- намаляват налягането;
- задържат налягането;
- възстановяват налягането.
6. Основен цикъл на регулиране
- Нормално спиране
- Начало на приплъзване
- Намаляване на налягането
- Възстановяване на въртенето
- Повторно прилагане
7. Референтна скорост
WSP трябва да различи нормално намаляване на скоростта от прекомерно забавяне на отделна колоос. Затова използва информация от всички колооси и алгоритми за формиране на референтна скорост.
8. Хистерезис и стабилност
За да избегне нестабилно управление (бързо превключване между прилагане и освобождаване), WSP използва различни прагове и времеви условия — хистерезис.
9. Работа при ниски скорости
При много ниски скорости измерването става трудно. Прагът за изключване на WSP е специфичен за конкретния тип превозно средство.
Може да ви е интересно още: Спирачна маса на вагон и влак
10. WSP и пясъкоподаваща система
WSP управлява спирачното усилие.
Пясъкоподаването увеличава наличното сцепление.
Двете системи работят заедно при условия на ниска адхезия.
11. Пясъкоподаване с променлив дебит
Съвременните системи адаптират количеството пясък според скоростта и условията, за да се избегне ненужно разходване и да се подобри ефективността.
12. Макроприплъзване и микроприплъзване
При изключително ниска адхезия максималното сцепление може да се постигне при много малко приплъзване.
Затова съвременните системи използват:
- управление в макроприплъзване;
- управление в микроприплъзване.
13. WSPA‑3 и режим за ниска адхезия
Системата WSPA‑3 може да сравнява сцеплението в двата диапазона и да преминава в режим за ниска адхезия, когато това е оптимално.
14. Контролна колоос
WSPA‑3 може временно да върне една колоос в макроприплъзване, за да оцени условията. Така управлението може да стане хибридно — част от колоосите в микроприплъзване, други в макроприплъзване.
15. Изпитвания на WSPA‑3
При специфични условия на много ниска адхезия производителят отчита около 10% намаляване на спирачния път спрямо предходната концепция.
Това важи само за конкретните изпитвания.
16. WSP и електродинамична спирачка
При съвременните влакове спирачното усилие може да идва от:
- рекуперативна спирачка;
- реостатна спирачка;
- електродинамична спирачка;
- пневматична фрикционна спирачка.
WSP трябва да отчита общото въздействие върху колооста.
17. Интеграция с общата архитектура за управление на спирането
WSP може да бъде интегриран с:
- блок за управление на спирачките;
- бордова система за управление;
- контрол на електродинамичната спирачка;
- пясъкоподаваща система.
18. Диагностика
Типични групи повреди:
- повреда в датчик за скорост;
- повреда в WSP клапан;
- пневматична неизправност;
- комуникационна неизправност.
19. Практически подход при диагностика
Проблемът се разделя на четири нива:
- Сигнал — проверка на датчика
- Електроника — контролер, захранване, комуникация
- Пневматика — налягане, клапани, течове
- Механика — спирачни връзки, цилиндър, колоос
20. Как WSP се изпитва
WSP не може да бъде оценен само чрез статична проверка на отделен клапан.
Необходимо е да се проверят функциите на системата като цяло.
Изпитването може да включва:
- проверка на датчици за скорост;
- проверка на WSP клапани;
- функционални тестове;
- диагностични тестове;
- измерване на налягане;
- изпитване на стенд;
- изпитване на превозното средство;
- спирачни тестове при различни условия на сцепление.
UIC изискванията за WSP са свързани с цялостната функционалност на системата.
21. UIC 541‑05 и IRS 50541‑05
Исторически изискванията за WSP са свързвани с UIC Leaflet 541‑05.
UIC вече използва актуалната публикация:
IRS 50541‑05 – Wheel Slide Protection (WSP)
При нови документи е правилно да се използва IRS 50541‑05, като при необходимост се уточнява връзката с UIC 541‑05.
22. WSP не е просто железопътна ABS
Сравнението с автомобилната ABS е удобно за обяснение, но не е технически коректно.
Железопътната система има специфики:
- много по-голяма маса;
- множество колооси;
- дълъг влак;
- променливо натоварване;
- различни условия на сцепление;
- пневматично предаване на спирачния сигнал;
- взаимодействие с динамична спирачка;
- пясъкоподаване;
- бордови системи за управление.
Затова WSP е част от цялостната железопътна спирачна система, а не аналог на автомобилната ABS.
Таблица с основни термини и обяснения
| Термин | Обяснение |
|---|---|
| Адхезия | Способността контактът колело–релса да предава надлъжна сила без приплъзване. Зависи от релсовата глава, замърсявания, влажност и натоварване. |
| Сцепление | Практическото използваемо взаимодействие между колелото и релсата, което позволява ефективно спиране. |
| Приплъзване (slip) | Разлика между периферната скорост на колелото и скоростта на влака. Малко приплъзване е нормално; голямо означава загуба на сцепление. |
| Прекомерно приплъзване (wheel slide) | Състояние, при което колооста се забавя значително по-бързо от влака и навлиза в нестабилна зона на сцепление. |
| Блокиране на колоос | Колелото спира да се върти напълно, докато влакът продължава движението си. Води до плоски места, термични повреди и лошо спиране. |
| WSP (Wheel Slide Protection) | Система за защита от приплъзване на колелата. Управлява спирачното усилие така, че да предотврати блокиране и да използва максимално сцеплението. |
| Референтна скорост | Изчислена скорост на влака, използвана за сравнение със скоростта на отделните колооси, за да се открие приплъзване. |
| Хистерезис | Управляваща логика с различни прагове за включване и изключване, която предотвратява нестабилно превключване между „задържане“ и „освобождаване“ на спирачката. |
| Макроприплъзване | Управление в по-висок диапазон на приплъзване, подходящо при нормални условия на сцепление. |
| Микроприплъзване | Управление в много малък диапазон на приплъзване, използвано при ниска адхезия за по-добро използване на наличното сцепление. |
| Режим за ниска адхезия (LADM) | Специален режим на WSP, оптимизиран за управление в микроприплъзване при много ниско сцепление. |
| Контролна колоос (test axle) | Колоос, която временно се управлява в макроприплъзване, за да се оцени текущото сцепление и да се адаптира алгоритъмът. |
| Пясъкоподаваща система | Система, която подава пясък пред колелото за увеличаване на сцеплението при ниска адхезия. |
| Пясъкоподаване с променлив дебит (VRS) | Адаптивно управление на количеството пясък според скоростта и условията, за оптимално сцепление и минимален разход. |
| Електронен блок за управление (ECU) | Контролерът на WSP, който обработва сигналите от датчиците и управлява клапаните. |
| WSP клапан | Бързодействащ електропневматичен клапан, който намалява, задържа или възстановява налягането в спирачния цилиндър. |
| TCMS | Бордова система за управление и мониторинг на влака, която може да обменя данни с WSP. |
| Електродинамична спирачка | Спирачна система, която използва електрическо съпротивление или рекуперация. WSP трябва да отчита нейното влияние върху колооста. |
23. Заключение
Системата за защита от приплъзване (WSP) е ключов елемент за безопасна и ефективна работа на железопътната спирачка.
Основната задача е:
да предотврати неконтролираното приплъзване и да използва максимално наличното сцепление.
Съвременният WSP включва:
- измерване на скорост;
- електронно управление;
- бързи пневматични клапани;
- откриване на приплъзване;
- изчисляване на референтна скорост;
- модулация на налягането;
- оценка на сцеплението;
- самодиагностика;
- взаимодействие с пясъкоподаване;
- взаимодействие с електродинамична спирачка;
- комуникация с бордовите системи.
При ниска адхезия алгоритмите използват стратегии като микроприплъзване и адаптивно превключване между режими.
Тенденцията в железопътната техника е преминаване към интегрирана електронна архитектура за управление на спирането, в която всички системи работят като единна платформа.