Admin

Перспективный маневрово-вывозной тепловоз с гидропередачей ТГМК2

А.А. ПЛЕШАКОВ, заведующий лабораторией,
ЕВСЕЕВ, заведующий сектором,
И .А. УКОЛОВ, ведущий программист, АО «Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава», г. Коломна

МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ

«Мозгом» тепловоза ТГМК2 является современная микропроцессорная система управления, контроля и диагностики «Карат» (МСУ), разработанная специалистами АО «ВНИКТИ».
Основные технические характеристики МСУ [б]
Питающее напряжение (номинальное значение), В 24;
Количество дискретных входов 804;
Количество дискретных выходов (ток нагрузки до 4 А) 48;
Количество аналоговых входов (±5 мА, ±20 мА, ± 100 мА) 48;
Количество частотных входов 12;
Обмен информацией по интерфейсам, каналов:

• • Ethernet 2;
• • CAN версии 2.0 В 3;
• • RS-422/RS-485 (переключаемый) 2;
• • «токовая петля» 1;
• Наличие встроенных систем самодиагностики и терморегулирования; Масса, кг, не более 60.

Общий вид МСУ и состав основных блоков приведен на рис. 10. Назначение основных составных блоков МСУ следующее:
О блок фильтра предназначен для сглаживания пульсаций питающего напряжения [7];
© модуль питания и регулирования температуры формирует напряжения питания, необходимые для функционирования других блоков, входящих в состав МСУ, датчиков и прочих внешних устройств, а также управляет включением подогрева и вентиляции для обеспечения функционирования системы во всем диапазоне температур окружающего воздуха;
© блок обработки аналоговых датчиков (БОАД) выполняет прием, предварительную фильтрацию и обработку сигналов с аналоговых датчиков;
О блок обработки частотных датчиков (БОЧД) обеспечивает прием, предварительную фильтрацию, гальваническую развязку сигналов с частотных датчиков, а также выдачу информации в блок каналов связи;
© блок обработки дискретных датчиков (БОДД) выполняет последовательный опрос каналов дискретных входов, фильтрацию, хранение полученной информации во внутренней памяти, а также передачу информации в блок каналов связи;
© блок силовых ключей (БСК) предназначен для формирования двухпозиционных сигналов для управления электрическими аппаратами локомотива (контакторы, реле);
О блок переключения резерва (БПР) предназначен для контроля уровня напряжения питания МСУ, напряжений питания датчиков, состояния вентиляторов охлаждения;
© блок каналов связи (БКС) выполняет сбор и предварительную обработку информации, полученную от БОАД, БОДД, БОЧД, БСК, БПР и последующую передачу данных в блок компьютера. Также БКС является связующим узлом между МСУ и внешними устройствами в сетях CAN, Ethernet, СОМ, «Токовая петля»;
© блок компьютера (БК) предназначен для реализации алгоритмов управления локомотива на основании информации, полученной с датчиков и внешних устройств.
БОАД, БОДД, БОЧД, БСК, БПР реализованы на базе микроконтроллеров с ядром ARM Cortex-M4. Блоки имеют собственные встроенные средства самодиагностики, что позволяет контролировать их функционирование и работоспособность.
БК имеет в своем составе мезонинную плату на базе процессора ARM Cortex-A8 с тактовой частотой 1 ГГц, объемами ОЗУ 512 Мб и ПЗУ 512 Мб. В БК установлена операционная система Linux. Прикладное программное обеспечение МСУ написано на языке C++ в среде разработки IDE Eclipse и работает под управлением операционной системы Linux.
Программное обеспечение МСУ «Карат» реализует следующие основные функции [8]:
Е> обработку информации, поступающей от измерительных преобразователей, органов управления, релейно-контакторной аппаратуры и от других устройств, обмен с которыми осуществляется по последовательным интерфейсам стандартов RS-422, Ethernet, CAN, «токовой петле»;
Е> реализацию алгоритмов управления и регулирования исполнительными устройствами и агрегатами тепловоза с заданной периодичностью;

• Е> управление запуском и остановом двигателя;
• Е> задание частоты вращения вала двигателя (в соответствии с установленной позицией контроллера машиниста);
• Е> задание частоты вращения выходного вала гидропередачи;
• Е> регулирование температуры теплоносителей двигателя в автоматическом режиме;
• Е> регулирование температуры масла гидропередачи в автоматическом режиме;
• Е> управление переключением ступеней гидропередачи и блокировкой гидротрансформатора;
• Е> управление вентилями сброса конденсата из пневмосистемы;
• Е> управление подогревом клапанов сброса конденсата из пневмосистемы;
• Е> управление подогревом топливного сепаратора;
• управление впускным клапаном компрессорного винтового агрегата;
• [х> прием информации от системы контроля расхода топлива (СКРТ) по линии CAN по протоколу SAE J 1939;
• Е> обмен информацией (прием и передача) с блоком управления двигателя по линии CAN по протоколу SAE J 1939;
• Е> прием информации от автоматической локомотивной сигнализации непрерывного действия (АЛСН);
• Е> защиту оборудования от возникновения недопустимых режимов работы;
• Е> диагностирование агрегатов и систем тепловоза;
• Е> переключение и индикацию положения реверса;
• Е> блокировку переключения реверса при вращающемся выходном вале гидропередачи и расторможенном тепловозе;
• Е> блокировку запуска двигателя при недопустимо низкой температуре в двигателе;
• Е> блокировку запуска двигателя при недопустимо низкой температуре масла гидропередачи и компрессора;
• Е> блокировку (запрет) сбора схемы тягового режима;
• Е> реализацию режима поддержания скорости («круиз-кон-троль»);
• Е> реализацию алгоритма «автозапуска» двигателя для поддержания заданной температуры его теплоносителей.

Блокировка (запрет) сбора схемы тягового режима производится в следующих случаях:

• < 3 при низкой температуре масла в гидропередаче;
• < 3 при низком / высоком давлении управления гидропередачей;
• < 3 при низком / высоком давлении в питательной магистрали и высоком давлении в тормозной магистрали;
• < 3 при превышении максимальных температур букс и подшипников осевого редуктора;
• < 3 при низком уровне масла в баке и при превышении максимальной температуры масла на выходе из гидропередачи;
• < 3 при отсутствии сигнала включения гидрораспределителя;
• < 3 при отсутствии сигнала от ЭПК и сигнале запрета тяги от системы безопасности;
• < 3 при перегреве охлаждающей жидкости двигателя;
• < 3 при аварийно-низком давлении масла в двигателе;
• < 3 при выявлении неисправностей в цепях управления локомотива;
• < 3 при несоблюдении необходимых условий (отключении обязательных органов управления гидропередачей, компрессора, МСУ, цепей управления).

Программное обеспечение МСУ «КАРАТ» является гибким инструментом, позволяющим реализовать любые алгоритмы управления тепловозом в соответствии с требованиями заказчика.

ДИСПЛЕЙНЫЙ МОДУЛЬ И В АКУУМНОЛ ЮМИ НИСЦЕНТНЫ Й ИНДИКАТОР
Для отображения диагностической информации в удобном для машиниста виде на тепловозе ТГМК2 применен дисплейный модуль на базе транспортного панельного компьютера ТЯИЛ.424345.002 производства ООО «Континент», установленный на основном пульте управления.
Основные технические характеристики дисплейного модуля [9]

• Диапазон питающего напряжения, В 24... 155;
• Диагональ, дюймы 10,4;
• Разрешение видеоадаптера, пикселей 800x600;
• Глубина цвета, бит 24;
• Процессор ARMCORTEX-A9 с рабочей частотой, ГГц 1;
• Объем ОЗУ, Гб 1;
• Объем ПЗУ, Гб 1;
• Объем SD-карты, Гб 4;
• Последовательные коммуникационные порты RS-485/422, каналов 2;
• Последовательные коммуникационные порты USB 2.0, каналов 2;
• Порт сетевого интерфейса Ethernet 1000BASE-T, каналов 1;
• Порт последовательного интерфейса CAN, каналов 1;

Встроенная клавиатура с 25 клавишами:

1. 9 клавиш верхней панели,
2. 6 клавиш боковой панели,
3. 10 клавиш нижней панели.

ПРИКЛАДНОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСПЛЕЙНОГО МОДУЛЯ

Прикладное программное обеспечение дисплейного модуля, разработанное специалистами АО «ВНИКТИ», работает под управлением операционной системы Linux.
Основными функциями прикладного программного обеспечения являются:

• отображение на экране дисплейного модуля параметров основного и вспомогательного оборудования тепловоза (двигателя, гидропередачи, компрессора) в цифровом, графическом и текстовом виде;
• отображение на экране дисплейного модуля сообщений о неисправностях оборудования;
• управление отображением диагностической информации с помощью встроенной клавиатуры;
• обмен данными между дисплейным модулем и МСУ «Карат» с использованием внешнего интерфейса Ethernet 1OOBASE-T;
• получение и отображение данных от СКРТ;
• регистрацию параметров работы систем тепловоза с их последующей записью на внутренний носитель дисплейного модуля с частотой регистрации не менее 1 Гц для сохранения данных со сроком хранения не менее двух месяцев;
• регистрацию действий машиниста с записью времени (включение и выключение органов управления, запуск двигателя и т.д.);
• отображение текущей версии программного обеспечения;
• отображение диагностической информации МСУ «Карат» (состояние дискретных входов/выходов, аналоговых и частотных выходов).

Дисплейный модуль предоставляет машинисту удобный доступ ко всей диагностической информации, отображает текущее состояние органов управления, основных и вспомогательных систем, а также выдает текстовые сообщения различных типов для информирования оператора (рис. 11). Вид основных экранов дисплейного модуля представлен на рис. 12 — 14.
Для наглядности поля, в которые выводятся основные измеряемые величины, подсвечиваются различными цветами в зависимости от принимаемых значений:

• зеленый, когда параметр имеет значение в нормальном диапазоне;
• желтый, когда параметр имеет отклонение (некритическое) от нормального диапазона;
• красный, когда наблюдается серьезное отклонение параметра от нормального диапазона.

Тревожные сообщения, которые выдаются в строке текущего состояния, имеют ранжирование в зависимости от типа и подсвечиваются разными цветами (рис. 15):

• зеленым (информационное сообщение), если действий от машиниста не требуется;
• желтым (предупредительное сообщение), если требуются реакция и выполнение определенных действий;
• красным (аварийное сообщение), если требуется незамедлительное вмешательство машиниста.

Дополнительно в аварийных режимах МСУ «Карат» формирует предупредительные звуковые сигналы для оповещения машиниста об аварийной ситуации посредством зуммера.

Для отображения основной диагностической информации на дополнительном пульте управления тепловоза установлен ваку-умно-люминисцентный индикатор, который получает информацию от МСУ «Карат» по последовательному каналу связи RS-422. Индикатор отображает следующую основную информацию:

• режим работы тепловоза;
• текущую позицию контроллера машиниста;
• скорость движения;
• частоту вращения коленчатого вала дизеля;
• режим работы гидропередачи и текущую скоростную ступень;
• состояние блокировки гидротрансформатора:
• тревожные сообщения.

Для переключения сообщений и реализации возможности их сброса в состав индикатора используются две управляющие кнопки.
КОМПРЕССОР
На тепловозе ТГМК2 применен агрегат компрессорный винтовой типа АКБ 5.25/1 П У2 производства ООО «Челябинский компрессорный завод», который предназначен для выработки и снабжения сжатым воздухом пневматической системы тепловоза.
Основные технические характеристики компрессора [10]:
Сжимаемый газ атмосферный воздух;
Давление конечное избыточное, МПа (кгс/см2) 1,0.. .0,02 (10... 0,2);
Производительность, м3/мин, не менее 5,25;
Тип системы охлаждения воздушная;
Масса, кг 700.



Расположение составных частей компрессора приведено на рис. 16. Назначение основных частей АКБ следующее:

• винтовой компрессор осуществляет сжатие атмосферного воздуха;
• воздушный фильтр предназначен для очистки поступающего атмосферного воздуха от пыли и грязи. Для очистки воздуха используется бумажный фильтр без корпуса;
• впускной клапан закрывает проход атмосферному воздуху в компрессор при пуске и работе на холостом ходу, возобновляет подачу воздуха в рабочем режиме и обеспечивает автоматическую разгрузку АКБ от сжатого воздуха при остановках;
• реле давления несет функцию аварийной защиты компрессора и подает сигнал на закрытие впускного клапана в случае превышения давления на выходе АКВ относительно максимально допустимой величины;
• предохранительный клапан служит для защиты агрегата от разрушения при превышении давления выше допустимого. Также клапан используется для разгрузки АКВ от сжатого воздуха при проведении технического обслуживания и ремонта;
• масляный фильтр обеспечивает очистку масла от загрязнений;
• термостатический клапан (термостат) используется для поддержания температуры масла в компрессоре не ниже 65 — 70 °C во избежание образования конденсата, который появляется из-за влаги, присутствующей в атмосферном воздухе;
• клапан минимального давления не пропускает воздух, пока компрессор не обеспечит минимальное давление сжатого воздуха внутри АКВ (0,45 МПа). Кроме того, данный клапан предотвращает обратный поток сжатого воздуха из пневмосистемы в компрессор (работает как обратный клапан);
• сепаратор предназначен для очистки сжатого воздуха от масла и для хранения масла;
• фильтр-сепаратор используется для окончательной очистки сжатого воздуха от остатков частиц масла;
• блок охлаждения предназначен для охлаждения воздуха и масла компрессора;
• предпусковой обогреватель предназначен для подготовки к запуску АКВ при отрицательных температурах окружающей среды;
• система управления дискретного типа реализуют защиту АКВ от недопустимых режимов работы.

Система управления блокируют работу компрессора в следующих случаях:

• при превышении температуры масловоздушной смеси максимального значения;
• при низкой температуре масла;
• при нажатии кнопки «Стоп»;
• при превышении допустимого выходного давления;
• при включении системы подогрева масла.

Управление впускным клапаном АКВ осуществляется МСУ «Карат» на основании показаний датчика давления в питательной магистрали.

Система контроля расхода топлива (СКРТ) включает в себя двухкамерный дифференциальный расходомер DFM 500D CAN, два датчика уровня топлива DUT Е CAN, а также дополнительный дисплей Master Can Dislplay для отображения параметров.
Расходомер устанавливается в топливную систему двигателя тепловоза и измеряет фактический (мгновенный) расход топлива как разницу потоков подающей и обратной топливных магистралей двигателя [11].
Основные технические характеристики расходомера DFM 500D CAN

• Диапазон питающего напряжения, В 10 ... 50;
• Номинальное давление жидкости, атм. (кгс/см2) 2;
• Максимальное давление жидкости, атм. (кгс/см2) 25;
• Минимальный расход жидкости, л/ч 25;
• Максимальный расход жидкости, л/ч 500;
• Относительная погрешность измерения, %, не более ±3;
• Выходной интерфейс CAN;
• Протокол обмена 5AEJ1939;
• Присоединительная резьба М16х 1,5;
• Масса, кг 3,3.

Общий вид расходомера приведен на рис. 17. Он позволяет определять и вычислять следующие параметры:

• мгновенный расход топлива;
• часовой расход топлива;
• средний расход топлива;
• расход топлива за поездку;
• суммарный расход топлива;
• общее время работы двигателя;
• время работы двигателя в различных режимах (холостой ход, оптимальный, перегрузка);
• слив/накрутку топлива;
• температуру топлива;
• время/дату;
• диагностическую информацию.

Дополнительно расходомер передает информацию по каналу связи CAN по протоколу SAE Л 939 в МСУ «Карат» для отображения данных на экране дисплейного модуля машиниста, установленного на основном пульте управления.

ДАТЧИКИ DUT-E CAN

Датчики DUT-E CAN предназначены для высокоточного измерения уровня и объема жидкого топлива в баках различной техники. Принцип работы датчика основан на измерении электрической емкости конденсатора, в качестве обкладок которого используются трубки измерительной части датчика. Электрическая емкость изменяется в зависимости от глубины погружения измерительной части в топливо, которое по своим свойствам является диэлектрической жидкостью. Электронный блок датчика анализирует текущее состояние электрической емкости и формирует соответствующий выходной сигнал [12].

основные технические характеристики датчика DUT-E CAN

• Диапазон питающего напряжения, В 10... 45;
• Принцип действия емкостной;
• Относительная погрешность измерения, %, не более ±1;
• Выходной сигнал, CAN SAE J1939 цифровой;
• Масса, кг 0,6
• Датчик уровня топлива позволяет определять и вычислять следующие параметры:
• объем топлива в баке;
• уровень топлива в баке (в процентах);
• температуру топлива;
• диагностическую информацию.

Общий вид датчика приведен на рис. 18.

ИСПЫТАНИЯ

Тепловоз ТГМК2-001 успешно прошел испытания на базе испытательного центра АО «ВНИКТИ» в Коломне. На тепловоз получен сертификат соответствия требованиям ТР ТС 001/2011 «О безопасности железнодорожного подвижного состава». После сертификации тепловоз в условиях опытного пробега на металлургическом предприятии в Таганроге подтвердил все основные технические
характеристики. Данный локомотив может эксплуатироваться как на путях промышленных предприятий, так и ОАО «РЖД».

ДИАГРАММЫ РАБОТЫ ТЕПЛОВОЗА

На рис. 19 приведена диаграмма работы тепловоза с отображением основных параметров его работы. Данные регистрируются в ПЗУ дисплейного модуля, откуда могут быть считаны через специальный сервисный разъем на USB-носитель. Для расшифровки диагностической информации АО «ВНИКТИ» разработано прикладное программное обеспечение, которое позволяет представить записанные данные в графическом виде.
На рис. 20 приведена диаграмма работы тепловоза ТГМК2 (заводской № 001) в режиме поддержания скорости. Алгоритм круиз-контроля включается машинистом нажатием соответствующей кнопки на пульте управления, после чего МСУ поддерживает скорость с точностью ±2 км/ч от заданной (УКруиз). Постоянство скорости достигается путем регулирования частоты вращения двигателя, а также переключения ступеней скорости при необходимости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Новый перспективный маневрово-вывозной тепловоз ТГМК2 обладает следующими техническими особенностями, отличающими его от ранее выпускавшихся локомотивов:

• ♦ низкий расход топлива благодаря применению современного дизеля (удельный расход — 184 г/кВт невысокий КПД гидропередачи (до 83 %);
• ♦ применение интеллектуальной системы управления и диагностики МСУ «Карат»;
• ♦ удобное отображение информации об основных режимах работы тепловоза и текущих параметрах работы оборудования на дисплейном модуле;
• ♦ применение систем безопасности и регистрации параметров движения локомотива АЛСН, ТСКМБ, ЭПК, КПД-ЗПВ и интеллектуальной системы контроля расхода топлива, позволяющей определять не только объем и уровень топлива в баке, но и факты слива / накрутки топлива;
• ♦ широкий обзор из кабины машиниста благодаря конструкции капотов;
• ♦ эргономичная кабина, оборудованная системой кондиционирования воздуха для работы в летний период и автономными отопителями при низких температурах окружающей среды;
• ♦ большой запас топлива и песка.

ТГМК2 представляет новое поколение маневрово-вывозных тепловозов, в которых применены современные технические решения, обеспечивающие новый уровень работы локомотива и комфорта эксплуатации для машиниста.

Библиография

1. Раков ВЛ. Локомотивы отечественных железных дорог (1956 — 1975 гг.). — М.: Транспорт, 1999. — 443 с.
2. Раков В.А. Локомотивы и моторвагонный подвижной состав железных дорог Советского Союза (1976 — 1985 гг.). — М.: Транспорт, 1990. — 238 с.
3. ГОСТ 9238-2013. Габариты железнодорожного подвижного состава и приближения строений. — Стандартинформ, 2014. — 179 с.
4. Семейство рядных шестицилиндровых двигателей КАМАЗ. Руководство по эксплуатации 910.10-1000010 РЭ. — Набережные Челны: ПАО «КАМАЗ», 2018. — 45 с.
5. Передача гидромеханическая ГМП550/1К13. Руководство по эксплуатации 192.31.00.000 РЭ. — Калуга: АО «Калугапутьмаш». — 62 с.
6. Системы управляющие многофункциональные «Карат». Технические условия ТУ32-ВНИКТИ-95-2020. — Коломна: АО «ВНИКТИ», 2020. — 77 с.
7. Система управляющая многофункциональная «Карат». Руководство по эксплуатации 27.Т.745.00.00.000.1 РЭ. — Коломна: АО «ВНИКТИ», 2020. — 49 с.
8. Система контроля, диагностики электрооборудования вагона. Руководство по эксплуатации ТЯИЛ.468331.002 РЭ2. Транспортный панельный компьютер. — СПб: ООО «Континент», 2016. — 21 с.
9. Агрегат компрессорный винтовой АКВ 5.25/1 П У2. Руководство по эксплуатации 7137.00.00.000 РЭ. — Челябинск: ООО «ЧКЗ».год ?— 42 с.
10. Расходомеры топлива DFM. Руководство по эксплуатации. Версия 5.0. — Минск: год ?СП «Технотон» — 203 с.
11. Датчик уровня топлива DUT-E CAN. Руководство по эксплуатации. Версия 10.0. — Минск: СП «Технотон», 2019. — 71 с.

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК