شبیه سازی دینامیکی شیر ترمز اتوماتیک لکوموتیو

بخشی از فهرست مطالب پروژه شبیه سازی دینامیکی شیر ترمز اتوماتیک لکوموتیو

                  مقدمه
۱               مروری بر نحوه عملکرد سیستم ترمز اتوماتیک
۲               تحلیل حالتهای مختلف سوپاپ ترمز اتوماتیک
۲-۱           حالت هواگیری( Release)
۲-۲            بررسی حالت ترمز در شش دنده (Service)
۲-۳           حالت کاهش بیشتر فشار لوله اصلی (Over Reduction)
۲-۵           حالت خنثی (Handle- Off)
۲-۶          حالت ترمز اضطراری (Emergenc
۳               اجزا تشکیل دهنده شیر ترمز اتوماتیک
۳-۱           شیر رله
۳-۱-۱      شر رله در حالت هواگیری
۳-۱- ۲     شیر رله در حالت تعدل
۳-۱-۳      شیر رله در حالت سرویس
۳-۲           شیر رگلاتور
۳-۲-۱      شیر رگلاتور در وضعیت هواگیری
۳-۲-۲      شیر رگلاتور در وضعیت سرویس
۳-۳          شیر قطع و وصل لوله اصلی در حالت باز
۳-۳-۲     شیر قطع و وصل در حالت بسته
۳-۴         شیر تخلیه سریع
۳-۴-۱     شیر تخلیه سریع در حالت بسته
۳-۳-۲     شیر تخلیه سریع در حالت باز
۳-۴-۳        شیر اضطراری
۳-۵-۱     شیر اضطراری در حالت عدم تحریک
۳-۴-۳        شیر اضطراری در حالت تحریک
۳-  5           شیر لغو ترمز جریمه(Suppression)
۳-۶-۱        حالت تحریک
۳-۴-۲       حالت عدم تحریک
۳-۴-۲          عملکرد در وضعیت سرویس
۳-۵          شیر خروسکی
۳-۷-۱    شیر خروسکی در حالت مسافری
۳-۵-۲         شیر خروسکی در حالت باری
۳-۵-۳         شیر خروسکی در حالت قطع
۴               اندازه گیری
۴-۱          حالتهای مختلف سوپاپ شش دنده و اندازه های مورد لزوم آنها
۴-۱-۱     حالت هواگیری
۴-۱-۲     حالت ترمز تدریجی در شش دنده
۴-۱-۳      اندازه گیری مورد لزوم در حالت ترمز تدریجی در شش دنده
۴-۱-۴     حالت آزاد سازی ترمز
۴-۱-۵     حالت لغو ترمز جریمه
۴-۱-۶     حالت کاهش بیشتر یا Over reduction
۴-۱-۷     خنثی
۴-۱-۸     حالت ترمز امرژنسی
۴-۲         حالت هواگیری شش دنده
۴-۲-۲    حالت سرویس
۴-۲-۳     حالت لغو ترمز جریمه
۴-۲-۴     حالت اضطراری
۵               ضمیمه ۱ ( ترجمه متن شرکت سازنده)
۶               اصول شبیه سازی
۶-۱          نیازها واهداف شبیه سازی
۶-۲         بررسی روشهای ممکن جهت انجام پروژه
۶-۲-۱     مزایا و معایب
۶-۳         تشریح اصول و مبانی روش استفاده شده
۶-۳-۱     مقاومت
۶-۳-۱-۱ معادلات سیالاتی حاکم بر مقاومت
۶-۳-۱-۲ اثبات فرمول
۶-۳-۱-۳ حل معادله در برنامه سیمولینک
۶-۳-۱-۴ حل معادلات مربوط به مقاومت
۶-۳-۲      مخزن
۶-۴            حل یک مثال ساده
۶-۴-۱      فرضیات و تفسیر نتایج
۷              شبیه سازی شیر ترمز اتوماتیک
۷-۱          شیر رله
۷-۱-۱     محاسبات نیرو
۷-۱-۲     محاسبات نیوماتیکی
۷-۲         شیر رگلاتور
۷-۲-۱    محاسبات نیرو
۷-۲-۲    محاسبات نیوماتیکی
۷-۳         شیر قطع ووصل لوله اصلی
۷-۴          شیر تخلیه سریع
۷-۵          شیر اضطراری
۷-۶          شیر لغو ترمز جریمه
۷-۶-۱   در حالت هواگیری
۷-۶-۲      در حالت سرویس
۷-۶-۳      در حالتهای لغو ترمز جریمه ، اضطراری و Handle Off
۷-۷        شیر خروسکی     

مقدمه :
این گزارش به تشریح عملکرد سوپاپ ترمز اتوماتیک به منظور شبیه سازی و تحلیل رفتار دینامیکی شیر می پردازد . هدف اصلی از تحلیل ، تعیین فشار دبی خروجی از شیر پر بر حسب زمان در وضعیتهای تلف کاری آن می باشد . بدین منظور لازم است تا ابتدا تشریح دقیقی از عملکرد و وضعیت سیستم ارائه گردد ، تا بر پایه آن بتوان مقادیر ورودی و خروجی را به هم مرتبط نمود . لذا لازم است تا ابعاد و اندازه های شیر اعم از اندازه مقاطع و حجم ها ، و نیز سایر مشخصات شیر ، نظیر ثابت فنرهای تعیین گردد . 
بر اساس آنچه ذکر شد در این گزارش ابتدا به بررسی مدار کلی شیر ترمز اتوماتیک و جایگاه این شیر در ارتباط با سایر اجزا ترمز می پردازیم .  سپس مسیر و جریان هوا در ادامه شرحی بر عملکرد اجزا تشکیل دهنده ترمز اتوماتیک ارائه می گردد . در پایان ابعاد و اندازه های شیر ارائه می گردد . 
علاوه بر این ، ترجمه متن اصلی یر ترمز اتوماتیک ارائه شده از طرف کارخانه سازنده (شرکت وابکو) ، ضمیمه گردیده است .
۱-    مروری نحوه عملکرد سیستم ترمز اتوماتیک
ترمز به عنوان کنترل کننده سرعت در قطار ، اصلی ترین رکن ترددایمن می باشد .  بنابراین  نخستین اولویت در طراحی این سیستم ، بالا بودن ایمنی ، حتی به ازای هزینه بالا و  استفاده از روشهای غیر معمول ، می باشد .
به همین منظور ترمز قطار به نحوی طراحی گردیده که بر خلاف سیستمهای رایج ، کاهش شار لوله ترمز ، باعث عمل ترمز گیری می شود . این امر خصوصاٌ در موقع گسیختگی قطار حائز اهمیت است و باعث خواهد شد تا در موقع گسیختگی قطار کاهش خوبخودی در لوله ترمز روی داده و قطار به طور خودکار ترمز بگیرد . 
به طور مختصر مکانیزم مدار ترمز و جایگاه سوپاپ ترمز اتوماتیک در آن را می توان اینگونه بیان نمود :
موتور قطار مستقیماٌ در ارتباط با کمپرسوری است که می تواندهوای متراکم با فشار حدود ۱۴.Psi تولید می نماید .  هوای فشرده پس از ذخیره شدن در مخزن اصلی عیور از لوله ها و صافی ها وارد سوپاپ ترمزاتوماتیک (یا شش دنده ) می گردد و طی پروسی تبدیل به هوای با فشار حدود ۷۰Psi می شود و از آن پس ، این فشار تنظیم شده وارد ولوله ای به نام لوله اصلی brake pipe) یا لوله ترمز ) می گردد . این لوله در سرتاسر قطار امتداددارد و توسط لوله های لاستیکی بین واگن ها ارتباط آنهابا یکدیگر و نیز لوله اصلی لکومتیو برقرار می شود. 
حال هنگامی که فشار در این لوله از مقدار ۷۰Psi  کاهش یابد ، عمل ترمز در سرتاسر قطار صورت می گیرد . توسط قسمتهای مختلفی امکان کاهش فشار وجود دارد. دستگاه شش دنده یکی از تجهیزاتی است که توسط راننده این کاهش فشار را در لوله اصلی ایجاد می کند .  و یا سیستمهای ایمنی موجود در مواقعی که راننده هوشیار نباشد ، از سرعت مجاز تخطی نماید ، بدون توجه وارد ایستگاه شود و … می تواند کاهش فشار را ایجاد نماید . همچنین چنانچه ذکر شد در موقع گسیختگی، به علت پارگی لوله های لاستیکی بین واگنها فشار خود به خود کاهش می یابد . این گاهش فشار توسط سوپاپهایی در لکومتیو و نیز در واگنهای حس می شود و ترمز گرفته می شود .
در لکومتیو سوپاپ کنترل ولو ۲۶-D و در واگنها انواع سوپاپ سه قلو نسبت به کاهش فشار لوله اصلی حساس می باشند و پس از احساس کاهش فشار به وجود آمده (پس از یک وقفه زمانی به منظور همزمان کردن ترمز همه واگنها) ، به تناسب کاهش فشار به سیلندر های ترمز دستور ترمز  را می دهند .
 
۲-تحلیل حالتهای مختلف سوپاپ ترمز اتوماتیک
۲-۱- حالت هواگیری (Release)
در این حالت هوای تولید شده توسط کمپرسور پس ازعبور از مخازن هوا از طریق لوله ۳۰ وارد پایه دستگاه شش دنده می شود.  این هوا به منزله خط تغذیه اصلی قسمتهای مختلف دستگاه شش دنده می‌باشد . همانطور که در شکل ۲-۱ مشاهده می شود این هوا که با رنگ قرمز مشخص گردیده در داخل پایه شش دنده به چندین قسمت تقسیم می شود و به قسمتهای مختلفی هدایت می گرد ، در ضمن در داخل خود دستگاه شش دنده نیز این  هوا جهت امکان صدور فرمانهای مختلف و یا عملکرد هر یک از المانها وارد قسمتهای مختلفی چون سوپاپ لغو ترمز جریمه ،  شیر خروسکی ، رگلاتور و سوپاپ تغذیه اصلی و قسمتهای دیگری که در شکل مشاهده می شود می گردد . 
در داخل پایه شش دنده یکی از انشعابات این هوا وارد دستگاه سه دنده می شود ودیگری به لوله ای می رود که به سوپاپ H-5 منتهی می شود ، شاخه دیگر آن که به طور مستقیم وارد شش دنده می شود ، به طور مستقیم به رگلاتور  (R) می‌رود که در این قسمت هوای ۱۴۰psi پس از ورود به داخل رگلاتور و با چرخاندن دسته تنظیم (A) ، نشیمنگاه R از جایگاه خود به سمت چپ حرکت کرده و اجازه عبور هوای مخزن اصلی را به سمت چپ خود می دهد (شکل ۲.۲) هوای سبز رنگ دارای فشار کمتری نسبت به هوای مخزن اصلی می باشد و مقدار آن بسته به تنظیم دستی فشار فنر RS دارد ( این فشار معمولاٌ ۷۰psi تنظیم می شود . )‌  
شکل ۲-۱- مسیر هوای مخزن اصلی در سوپاپ ترمز اتوماتیک
شکل ۲-۲-سوپاپ ترمز اتوماتیک در وضعیت هواگیری – هواگیری مخزن تعادل
این هوا پس از جاری شدن در مدخل   منتهی به لوله ای می شود که در نهایت به لوله ای منتقل می شود که در نهایت به شیر قطع و وصل مخزن تعادل (شیر E ) می رسد .  حال در این قسمت مجبور به توضیح چگونگی عبور هوا از این  شیر می باشیم. 
در حالت فعلی که در شکل ۲-۲ نشان داده شده شیر خروسکی (شیر C ) در وضعیت باری قرار دارد و یکی از انشعابات هوای مخزن اصلی که وارد خودشش دنده گردییده پس از عبور از لوله ای که ما بین دو سوپاپ لغو ترمز جریمه (S) و سوپاپ اضطراری (EM) می باشد ، وارد قسمت انتهایی سوپاپ لغو ترمز جریمه می شود که از آنجا نیز وارد لوله ای می گردد که در نهایت با شماره ۳ از پایه شش دنده خارج می گردد اما این لوله  قبل از خروج از پایه با یک مسیر انحرافی در سمت راست خود به اسپول شیر خروسکی  (( C  وارد شده و پس از یک چرخش در داخل اسپول این شیر به قسمت زیرین قطع و وصل مخرن تعادل هدایت می گردد .  (سوپاپ (E  و حال به بحث قبل خود می رسیم .  زمانی که شیر قطع و وصل مخرن تعادل باز شود هوای خارج شده از دهانه O1  رگلاتور از این شیر گذشته و وارد پایه شش دنده می شود و  از آنجا با شماره ۱۵ از پایه خارج شده و به سمت سوپاپ P2A می رود که پس از آن که یک چرخش در داخل سوپاپ P2A نمود ، باشماره ۵ ( هوای آبی رنگ ) از P2A خارج شده و در برگشت خود پس از پر کردن مخزنی به نام مخزن تعادل با حجم ۲۲۰  اینچ مکعب با شماره ۵ وارد پایه شش دنده می گردد این لوله مستقیماٌ فشار هوای ۷۰psi را به پشت دیافراگم بزرگ L مربوط به سوپاپ رله ولو می رساند . 
در این حالت فشار هوای پشت دیافراگم L باعث حرکت دیافراگم و ساقه متصل به آن  به سمت جلو می شود ، که با حرکت به سمت جلو این ساقه ، شیر تغذیه لوله اصلی (شیرP (  باز می شود ، و اجازه می دهد تا هوای مخزن اصلی به سمت چپ این سوپاپ راه پیدا کند (هوای زرد رنگ شکل ۲-۳) .  فشار این هوا دقیقاٌ برابر فشار هوای پشت دیافراگم می باشد چون زمانی  که فشار هوای زرد رنگ نیز به ۷۰Psi برسد از طریق مسیر انحرافی که به جلو دیافراگم بزرگ L منتهی می شود دیافراگم و ساقه متصل به آن به حالت تعادل در آمده و در نتیچه سوپاپ تغذیه بشته می شود . ( این هوای زرد رنگ همان هوای لوله اصلی است که فرمان ترمز شش دنده از طریق آن صادر می شود. ) هوای تنظیم شده توسط این قسمت از شش دنده ( رله ولول و سوپاپ تغذیه اصلی ) پس از خروج از این قسمت وارد قسمت جلویی سوپاپ قطع ووصل لوله اصلی (BC) می شود، پس از عقب راندن آن از خروجی این سوپاپ جاری شده و سپس وارد محفظه سوپاپ ونت ولو (V) می گردد ، و پس از یک چرخش حول این سوپاپ از دهانه خروجی آن  راهی به قسمت پایه شش دنده و پس از آن وارد لوله شماره ۱ می گردد. از این فشار پس از آنکه در قسمتهایی از لکومتیو منتشر گردید از طریق لوله های لاستیکی به لوله های اصلی واگنهای قطار منتقل می شود . 
شکل۲-۳- وضعیت هواگیری – شارژ لوله اصلی
۲-۲-بررسی حالت ترمز در شش دنده (Service)
  در زمان ترمز با حرکت دادن  دسته شش دنده در میدان  ترمز تدریجی ، رگلاتور R بسته به میزان حرکت دسته شش دنده در میدان  ترمز ، به سمت راست خود حرکت کرده و  باعث می شود که نشیمنگاه   از جایگاه خود فاصله گرفته و هوای سبز رنگ بسته به میزان حرکت رگلاتور ، به فضای آزاد تخلیه شود ، آن چنانکه در شکل ۲-۴ نشان داده شده .
با تخلیه این هوای سبز رنگ به هوای  آزاد ، متعاقب آن هوای لوله ۱۵ که مرتبط باآن می باشد و سپس هوای لوله شماره ۵ ( هوای آبی رنگ) نیز متصل به آن هوای آزاد تخلیه می گردد، و در نهایت با کاهش فشار هوای لوله ۵ (هوای آبی رنگ) شاهد کاهش فشار در قسمت پشت  دیافراگم بزرگ L خواهیم بود که این کاهش فشار در مقابل فشار سمت راست دیافراگم باعث حرکت دیافراگم و ساقه متصل به آن به سمت چپ می شود ( شکل ۲-۵ ) و حرکت این ساقه به سمت چپ نیز به نوبه خود باعث باز شدن سوپاپ تخلیه لوله اصلی ( سوپاپ H) می گردد، که باز شدن این سوپاپ باعث جاری شدن هوای لوله اصلی ( هوای زرد رنگ ) به سمت ژیگلور Xو Y می شود و بسته به اینکه کدام ژیگلور باز باشد
( معمولا X باز است ) این هوای زرد رنگ به فضای آزاد تخلیه می شود .
تخلیه هوای لوله اصلی به هوای آزاد باعث کاهش فشار سمت راست دیافراگم نیز می شود که در نهایت با یکسان شدن فشار هر دو طرف دیافراگم مجددا به حالت تعادل خود باز می گردد و سوپاپ تخلیه نیز مجددا بسته می شود.
خاطر نشان می شود که در این لحظه با کاهش فشار لوله اصلی ، فرمان ترمز نیز صادر می شود . که میزان این فرمان ترمز بستگی مستقیم به کاهش فشار هوای لوله اصلی دارد. در دیزل این کاهش فشار توسط سوپاپ کنترل ولو ۲۶-D حس می گردد و فرمان را با نسبت مشخصی به رله ولو j-1  ارسال می کند و سپس فرمان رسیده درون رله ولو j-1  تبدیل به فشار ترمزی می گردد. سوپاپ رله ولو j-1   دقیقا به میزان فرمان دریافت شده ، هوای مخزن را به درون سیلندر ترمز هدایت می کند…

بخشی از منابع و مراجع پروژه شبیه سازی دینامیکی شیر ترمز اتوماتیک لکوموتیو
۱-The Analysis and Desing of Pneumatic Systems. Blaine W. Anderson.
۱۹۶۷John Wiley  &Sons
۲- Fluid Mechanics V.L Streeter & E.B .Wylie 1996 John Wiley  &Sons
۳- Modern control Engineering 3 ed 1997 . Katsohiko Ogata
۴-control Engineering 2ed1995 Benjamin Kaw