ГЛАВА 2
РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛИ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
- ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ СТАЦИОНАРНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ СКОРОСТИ
На автоматизированных и механизированных сортировочных горках для измерения скорости движения вагонов применяют допплеровские измерители скорости. Допплеровскими измерителями скорости оборудованы сортировочные горки в Советском Союзе, ФРГ, США, Японии и в ряде других стран.
Горочные допплеровские измерители скорости относятся к устройствам ближней радиолокации. Максимальная дальность действия измерителей находится в пределах 25 — 100 м. Наиболее простыми допплеровскими устройствами ближней радиолокации являются автодинные устройства с нулевой промежуточной частотой (рис. 2.1), в которых генератор СВЧ (Г) выполняет также функции смесителя. Данный измеритель скорости имеет блок питания БП4 формирователь Ф; усилитель У; счетчик частоты допплеровского сигнала Сч.
Рис. 2.2 Структурная схема гетеродинного измерителя скорости
На железных дорогах СССР применяют скоростемеры ЭС-ЦНИИ, ДИС-ГТСС и РЛС-ЦНИИ миллиметровою диапазона (6) с генераторами СВЧ на отражательных клистронах. Основными достоинствами клистронных генераторов являются сравнительно низкий уровень собственных шумов и достаточно высокая стабильность частоты, а существенными недостатками низкая надежность, подверженность воздействию вибраций, наличие трех источников питания, два из которых высоковольтные (для клистронных генераторов миллиметрового диапазона до 2000 В). Применение в горочных измерителях полупроводниковых генераторов на лавинно-пролетных диодах (ГЛПД) и диодах Ганна (ГДГ) позволяет устранить эти недостатки и значительно повысить их надежность.
Имеется несколько вариантов построения блоков СВЧ горочных измерителей скорости. Элементами развязки трактов передачи и приема могут являться СВЧ мосты различных типов. направленные ответвители, циркуляторы. В скоростемере ЭС-ЦНИИ развязка трактов передачи выполняется направленным ответвлением, а измеритель скорости содержит две антенны передающую и приемную. Более простую конструкцию, но более низкую чувствительность обеспечивают устройства, в которых генератор и смеситель находятся в общем волно- водном тракте на расстоянии, кратном λ/2 (λ длина волны излучаемого сигнала) от короткозамкнутой стенки волновода. Устройства такой конструкции применяют на сортировочных горках в ФРГ. В этом случае измеритель скорости имеет одну антенну, общую для передачи и приема, а согласование узлов блока СВЧ достигается применением двух-трех подстроечных винтов в волноводном тракте.
Технические характеристики горочных допплеровских устройств определяются особенностями их эксплуатации в системах автоматического регулирования скорости скатывания отцепов (АРС) и автоматического задания скорости роспуска составов (АЗСР) на сортировочных горках.
Система АРС предназначена для обеспечения требуемой дальности пробега отцепов, безопасной скорости соударения с вагонами, стоящими на путях подгорочного парка (прицельное регулирование) и для поддержания требуемых интервалов между отцепами, движущимися по спускной части горки (интервальное регулирование). Скорости движения отцепов в системе АРС регулируются на тормозных позициях, которые размещают на спускной части и подгорочных путях горки. Тормозные позиции оборудуют исполнительными устройствами системы автоматики - вагонными замедлителями и устройствами. обеспечивающими непрерывное измерение скорости отцепов радиолокационными, измерителями скорости. Скорость выхода отцепа из тормозной позиции (заданная скорость) определяется вычислительным устройством системы автоматики на основании информации о дальности пробега отцепа, его массе, длине и других параметрах.
Заданное значение скорости выхода отцепа из тормозной позиции передается в устройство управления, куда поступает и информация от радиолокационного измерителя скорости о фактической скорости движения отцепа по замедлителю. Если отцеп входит в тормозную позицию со скоростью, превышающей заданную скорость выхода из нее, то замедлители устанавливаются в тормозное положение. При снижении скорости (с учетом некоторого опережения, компенсирующего инерционность замедлителя) до значения, соответствующего заданному, дается команда на растормаживание замедлителей.
Расчеты и экспериментальные исследования показывают, что для крупной сортировочной горки диапазон скоростей, измеряемых допплеровским измерителем скорости на первой и второй тормозных позициях, находится в пределах 12- 30 км/ч, а на третьей тормозной позиции 2 20 км/ч. Замедление отцепа на тормозной позиции может достигать 2 м/с2 при торможении четырех осей вагона.
Допустимая максимальная скорость соударения отцепов при системе АРС установлена равной 1,5 м/с. С учетом этого в системе АРС предельное отклонение скорости выхода отцепа из тормозной позиции от заданного значения Δг не должно превышать 0,25 м/с. Величина Δг зависит от инерционности тормозных и измерительных средств ти, среднего квадратичного отклонения времени оттормаживания GT замедления отцепа а3, среднего квадратичного отклонения при оттормаживании аа, погрешности измерения скорости δ=δг/г. Если погрешность измерения скорости составляет 10% от суммы всех других погрешностей, то она определяется соотношениями:
Среднее время оттормаживания пневматических замедлителей, получивших наибольшее распространение, превышает ти = 0,7 с при среднем квадратичном разбросе времени оттормаживания σт более 0,1 с (Например, для клещевидно-весовых замедлителей КВ-3 ти = 0,78 с, σт = 0,11 с).
Расчеты по формулам (2.1) показывают, что в системе АРС значение относительной погрешности измерения скорости должно быть менее 3% при допустимой задержке времени выдачи информации о скорости ти = 0,1 с.
Система автоматического задания скорости роспуска осуществляет роспуск отцепов с переменной скоростью, зависящей от конкретной ситуации на спускной части горки и параметров отцепов, что позволяет повысить скорость расформирования и, следовательно, производительность горки. Скорости роспуска отцепов находятся в пределах 3—10 км/ч. Для автоматизации процесса роспуска необходимо устройство, осуществляющее фиксацию момента отрыва отцепа от состава. В качестве такого устройства в системе АЗСР используются радиолокационный измеритель скорости, установленный в глубине пути надвига состава на горку, и измеритель скорости, установленный на скоростном уклоне, непрерывно измеряющий скорость скатывания отделившегося от состава отцепа [46, 57]. При надвиге состава на горку до момента отделения отцепа показания измерителей скорости совпадают. После отделения отцепа измеритель скорости, установленный на скоростном уклоне, начинает показывать более высокое значение скорости, чем измеритель на путях надвига, что и позволяет фиксировать момент отрыва отцепа от состава. Место установки измерителя скорости на путях надвига определяется удалением от вершины горки точки отрыва от состава наиболее длинного отцепа. Это расстояние определяет необходимую дальность действия измерителя скорости (100 м).
Остановимся на возможности использования стационарных радиолокационных измерителей скорости в системах автоматического регулирования скоростей движения поездов метрополитенов. Разграничивающее расстояние между поездами метрополитена минимально перед остановочными пунктами, так как один из поездов останавливается на станции или имеет малую скорость при подходе к ней, а следующий за ним поезд имеет в это время высокую скорость.
Увеличение пропускной способности метрополитенов достигается при создании минимально допустимого расстояния между сближающимися перед станцией поездами, т. е. расстояния, определяемого местом прицельной остановки позади идущего поезда в предполагаемой точке пути при работе наиболее эффективных средств торможения.
Для измерения скорости удаляющеюся от станции поезда применяют устройства контроля скорости. После набора скорости первым поездом путевые устройства автоматики переносят ограничение для второго поезда на расстояние, соответствующее предполагаемому удалению первого поезда, тем самым уменьшается время между прибытиями поездов на станцию. Применение стационарных радиолокационных измерителей скорости расширяет возможности таких систем. При их использовании можно непрерывно контролирован. Скорость поезда, уходящего со станции на расстояниях, определяемых суммарным значением дальности действия измерителя скорости и длины поезда.
Характерной особенностью горочных измерителей скорости является то, что они относятся к системам ближней радиолокации. в которых расстояния между измерителем и отражающими элементами конструкции вагона соизмеримы с размерами самих элементов. При максимальном удалении отцепа от измерителя скорости облучается торцовая стенка вагона. По мере приближения отцепа к измерителю изменяется площадь облучаемого участка, а сам участок облучения перемещается на боковую часть вагона. В зону облучения попадают крупные „яркие” отражатели, например вертикальные угловые, промежуточные, шкворневые и дверные стойки, образующие уголковые отражатели; автосцепка; элементы поддона, а также более мелкие отражатели - замки, тормозные тяги и др. При существующих дальностях измерения и малых углах облучения небольшие изменения положения отцепа на тормозной позиции приводят к значительным относительным изменениям фаз составляющих обшей ЭОП и элементарных допплеровских сигналов. Наблюдаются пропадания импульсов сигнала, перескоки фаз.
Для оценки требований, предъявляемых к чувствительности измерителей скорости, были выполнены экспериментальные исследования ЭОП отцепов, облучаемых при установке измерителей скорости в междупутье сигналами сантиметрового диапазона. Результаты исследования показали, что средние значения ЭОП лежат в пределах 10 - 40 м2 при дисперсии 2- 7 м2. Учитывая неравномерный характер движения отцепа по тормозной позиции и высокие требования, предъявляемые к точности измерения скорости, чувствительность горочного измерителя выбирают такой, чтобы обеспечить измерение скорости объектов с ЭОП около 1 м2 при дальности измерения
Рис. 2.3. Структурная схема установки контроля чувствительности допплеровского измерителя скорости более 50 м.
С учетом этого требования уровень отраженного сигнала при перемещении отцепа может изменяться на 20 — 25 дБ. Спектральные характеристики, отражающие изменения амплитуды допплеровского сигнала, зависят от типа вагона и скоростного движения. Так, при скоростях до 30 км/ч максимальная частота спектра составляет 25 Гц. Чувствительность допплеровского измерителя скорости можно контролировать с помощью установки, структурная схема которой показана на рис. 2.3. В этом случае затухание сигнала при его распространении имитируется регулируемым аттенюатором. Сигнал, излучаемый измерителем скорости ИС, через антенну А, расположенную вблизи плоскости раскрыва антенны измерителя скорости, подается на регулируемый аттенюатор dB и поступает на электрический аттенюатор УdBна p-i-n диоде, управляемый внешним генератором Г. Отраженный от короткозамкнутого поршня сигнал, модулированный по амплитуде, проходит через регулируемый аттенюатор, ослабляется на ту же величину, что и при прохождении в прямом направлении, и излучается в направлении измерителя скорости ИС. Частота модуляции задается внешним генератором и выбирается в полосе допплеровских частот. При достаточно большом уровне отраженного сигнала на частотном выходе измерителя скорости по осциллографу Осц фиксируется низкочастотный сигнал (с частотой модуляции), а на аналоговом выходе вольтметром В — постоянное напряжение, пропорциональное частоте модуляции. При большом уровне затухания регулируемого аттенюатора сигнал на аналоговом выходе измерителя скорости ИС равен нулю, а на частотном выходе фиксируются собственные шумы измерителя. Плавной регулировкой изменяют затухание аттенюатора от максимального значения до уровня, при котором вольтметр В на аналоговом выходе показывает устойчивое значение напряжения, пропорционального частоте, а амплитуда сигнала на частотном выходе в 2 раза превысит амплитуду собственного шума. Полученное значение ослабления соответствует максимальной чувствительности измерителя скорости Q = 2П, где П — показание аттенюатора, дБ.
Рис. 2.4. Облучение отцепов на тормозной позиции
Чувствительность допплеровских устройств, построенных по гетеродинной схеме с циркулятором, составляет 50 - 70 дБ, чувствительность автодинных устройств на 20 - 25 дБ ниже.
На крупной сортировочной горке может одновременно эксплуатироваться более 50 радиолокационных измерителей скорости. При выборе мест их установки должны учитываться следующие требования: необходимость получения информации о скорости вагона при любом его положении на тормозной позиции; минимальная погрешность измерения; отцепы, движущиеся по соседним путям, нс должны влиять на показания измерителя; простота обслуживания и надежность работы во время эксплуатации. На сортировочной горке измерители скорости могут устанавливать с колес пути и в междупутье. При установке измерителей скорости в колее пути облучаются торцовые части вагонов, что обеспечивает более высокий уровень отраженного сигнала, чем при установке измерителей в междупутьях. Однако при этом устройства, устанавливаемые на уровне головки рельса, часто, особенно весной, затапливаются водой и выходят из строя. Учитывая это, а также в связи с тем что длина тормозной позиции нс превышает 35 м, целесообразно устанавливать измерители скорости в междупутьях на высоте 0,8-1 м.
Для снижения погрешности измерения скорости отцепов (рис. 2.4) необходимо уменьшать ширину диаграммы направленности антенны Θ в горизонтальной плоскости и угол α0.
Минимальное значение Θ может быть определено из рассмотрения условий облучения отцепа в двух крайних положениях на тормозной позиции: в ближней точке измерения, например, при выходе отцепа в тормозную позицию; в дальней точке тормозной позиции при выходе отцепа из нее. При этом величина 0 определяется соотношением
где d0 - расстояние от оси измерителя скорости до ближайшего рельса; Л ширина колеи, равная 1,52 м; с - ширина вагона.
При установке измерителя скорости на расстоянии 4,5 м от начала измерительного участка и ширине вагона с = 2,8 м измеритель с диаграммой направленности Θ = 6° обеспечивает при угле облучения а0 =8° непрерывное измерение скорости на тормозной позиции длиной более 30 м.