автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Динамика и повышение тягово-сцепных качеств приводов локомотивов

Східноукраїнський державний університет

На правах рукопису

РГО од

^ 1 ФЕ В 200(Равленко Антон Аль6єртович

УДК 629.4.060

ДИНАМІКА І ПІДВИЩЕННЯ ТЯГОВО-ЗЧІПНИХ ЯКОСТЕЙ ПРИВОДІВ ЛОКОМОТИВІВ

05.22.07 - рухомий склад залізниць та тяга поїздів

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Луганськ - 2000

Дисертацією с рукопис. .

Робота виконана у Східноукраїнському державному університеті

Міністерства освіти та науки України.

Науковий керівник: заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Голубенко О.Л.,

. - Східноукраїнський державний університет,

завідуючий кафедрою «Залізничний транспорт».

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, '

Редько Сергій Федорович,

інститут технічної механіки НАН України,

м. Дніпропетровськ,

головний науковий співробітник;

кандидат технічних наук, доцент Гетьман Геннадій Кузьмич,

Дніпропетровський державний технічний університет залізничного транспорту,

’ кафедра электрорухомого складу.

Провідна установа: Харківська державна академія залізничного

: транспорту Міністерства транспорту України,

кафедра “Експлуатація та ремонт рухомого складу”.

Захист відбудеться "18" лютого 2000 р. у 1_5_ год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д29.051.03 при Східноукраїнському державному університеті за адресою: 91034, м. Луганськ, квартал Молодіжний, 20а, СУДУ, корпус 1, зал засідань учених рад.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Східноукраїнського державного університету за адресою: 91034, м.Луганськ, кв. Молодіжний, 20а, СУДУ, бібліотека.

Автореферат розісланий " 2000р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради

Осенін Ю.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

У сучасних умовах перехідного періоду переведеная всієї економіки країни на ринкові відносини успішний розвиток конкретної галузі господарства повною мірою залежить від рівня досягнутих техиіко-економічних показників і конкурентної спроможності продукції, що випускається нею, або наданих послуг. Для залізничного транспорту і, насамперед, для найважливішого його підрозділу - локомотивного господарства к таким показникам відносяться тягові і динамічні якості локомотивів. Всемірне поліпшення зазначених показників є визначальним напрямком при створенні нових і модернізації існуючих тягових одиниць.

Актуальність проблеми. Досвід експлуатації вантажних локомотивів показує, що режими боксування і юзу, обумовлені перевищенням тягових або гальмових зусиль граничних сил зчеплення колісних пар із рейками, є характерними (складають до 35 % часу поїзної роботи) і дуже негативними експлуатаційними режимами. При цьому у декілька разів зростає динамічна наванта-женність тягових приводів, інтенсивність зносу поверхонь кочення колісних пар і рейок, знижуються сумарні тягові зусилля локомотивів, що викликає різке збільшення експлуатаційних і паливно-енергетичних витрат на перевезення вантажів. Протибоксуючі системи локомотивів, що застосовуються до теперішнього часу, виходячи з принципу їхньої дії, мають цілий ряд недоліків і, зокрема, виявляють процеси боксування, коли останні вже достатньо інтенсивно розвилися і для їхнього припинення в переважній більшості випадків необхідне скидання позицій контролера машиніста для зменшення тягового моменту на 40-70 %, що обумовлює зниження тягово-зчіпних якостей і підвищення паливно-енергетичних витрат локомотивів.

Виходячи зі сказаного, проблема підвищення тягово-зчіпних якостей локомотивів, включаючи удосконалювання і розробку більш ефективних про-тибоксуючих систем, є актуальною і має важливе значення для залізничного транспорту.

Зв'язок із науковими програмами, планами і темами. Дисертаційна робота виконана на основі досліджень, проведених у 1990-1999 р. по НДДКР “Розробка математичної моделі й алгоритму керування підсистемою “тягові злектродвигуни-колесні пари - рейкова колія” для АСУ - тепловоз”, “Розробка системи виявлення боксування і юзу колісних пар вантажних тепловозів” ( № roc. per. ГР УА01015793Р), “Розробка системи виявлення і підвищення реалізації граничних сил зчеплення локомотивів” ( № roc. per. 01964021202), виконаних за замовленням ГКНТ СРСР, державної адміністрації залізничного транспорту України (Укрзалізниці) і державної холдінгової компанії “Луганськтепловоз” відповідно до планів НДДКР, затверджених ГКНТ,

Укрзалізницею і Міністерством машинобудування, військово-промислового комплексу і конверсії України.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення тягово-зчіпних

і поліпшення динамічних якостей тягових приводів локомотивів, зниження витрат по їхньому ремонту за рахунок створення і впровадження нових, більш ефективних систем виявлення і попередження боксування (юза) колісних пар -систем виявлення граничних сил зчеплення (СВГСЗ). Для досягнення поставленої мети сформульовані і вирішені такі задачі:

- дослідити специфіку і найважливіші закономірності динамічних процесів у тягових приводах локомотивів у режимах реалізації граничних сил зчеплення коліс із рейками;

- на основі виявлених закономірностей динамічних процесів у тягових приводах розробити універсальну систему виявлення граничних сил зчеплення, що забезпечує попередження розвитку боксування (юза) колісних пар локомотивів;

- розробити методику вибору і їіастроцки основних параметрів СВГСЗ при її виготовленні, після монтажу й у процесі подальшої експлуатації на різних локомотивах;

- оцінити стабільність функціонування й ефективність розробленої СВГСЗ при поїздкій роботі локомотивів в умовах експлуатації.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в такому:

- розроблені математичні моделі, методика і алгоритм дослідження на ПЗОМ динамічних процесів у тягових приводах локомотивів у режимах реалізації граничних сил зчеплення, що враховують взаємодію електричної і механічної частини тягових приводів і екіпажа, а також можливість розвитку і припинення процесів боксування (юза) колісних пар за рахунок прискореного набору позицій контролера машиніста, проїзду забрудненої ділянки шляху і взаємодії з противобоксуючими системами;

- вперше встановлена і вивчена важлива закономірність коливальних підсистем тягових приводів “і-й ТЗД - тягова передача - колісна пара - рейкова колія” - автоматично змінювати свою динамічну структуру в момент досягнення відповідною колісною парою граничних сил її зчеплення з рейками. Обгрунтована можливість і доцільність використання зазначеної властивості при створенні нових високоефективних протибоксуючих і протиюзових систем;

- розроблені наукові основи створення і конкретна конструкція універсальної СВГСЗ колісних пар для тягового рейкового транспорту;

- розроблена методологія вибору і настройки параметрів СВГСЗ у процесі початкового монтажу і подальшої експлуатації на різних локомотивах;

з

- зроблена експериментальна оцінка стабільності функціонування і ефективності роботи СВГСЗ на різних локомотивах в умовах їхньої експлуатації.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що на основі виконаних досліджень розроблена і пройшла випробування в експлуатаційних умовах на електровозах постійного струму ВЛ11, ДЗІ і змінно-постійного струму ВЛ82М, а також на тепловозах 2Т3116 універсальна СВГСЗ, що дозволяє при її спільній роботі із системами піскоподавання і регулювання характеристик ТЕД завчасно виявити і попередити можливий розвиток процесів боксування без скидання позицій контролера машиніста. У результаті чого, відповідно до апробованих методик розрахунків, очікується зниження від 4 до 9 разів зносу рейок і бандажів коліс локомотивів по колу катання, на 6... 12 % підвищуються тягово-зчіпні якості локомотивів, на 5...8 % зменшуються паливно-енергетичні витрати на перевезення вантажів у порівнянні з варіантом використання штатних систем виявлення боксування і юзу.

Розроблена конструкція СВГСЗ, захищена патентами Росії й України, є універсальною і застосовується для будь-якого виду тягового рейкового транспорту (магістральних і маневрових локомотивів, тягових одиниць промислового, міського і гірничорудного транспорту).

Реалізація результатів роботи Результати теоретичних і експериментальних досліджень, виконаних у роботі, використані при створенні і відпрацьовуванні конструкції, а також при експлуатаційних випробуваннях промислових зразків СВГСЗ, що рекомендована Головним управлінням локомотивного господарства Укрзалізниці до впровадження.

Наприкінці 1999 р. СВГСЗ обладнана перша партія з 10 електровозів серії ВЛ82М для подальшої їхньої експлуатації на Південній залізниці.

Особистий внесок здобувана. Дисертантом особисто:

- обгрунтовано вибір розрахункових моделей для дослідження динамічних процесів у тягових приводах у режимі реалізації граничних сил зчеплення і режимах боксування [1, 5, б];

- розроблена методика аналізу за допомогою ПЕОМ динамічних процесів у тягових приводах при реалізації граничних сил зчеплення і у режимах боксування, обумовлених короткочасним (тривалим) порушенням і подальшим відновленням зчеплення коліс з рейками і впливом протибоксуючих систем [З,

5, 6, 7];

- здійснено моделювання на ПЕОМ динамічних процесів у тягових приводах досліджуваних локомотивів, виявлені й узагальнені основні закономірності зазначених процесів [1, 2,7, 8];

- розроблені основні положення методики натурних випробувань СВГСЗ в експлуатаційних умовах, а також методики вибору, настройки і кон-

тролю параметрів [2,9-13];

- доведена необхідність про урахування двох і більш частот і форм власних кутових коливань приводів, що змінюються при досягненні колісною парою границі по зчепленню, при розробці конструкції СВГСЗ [1,2 5, 8-13].

Прн особистій участі дисертанта проведені експериментальні дослідження СВГСЗ в експлуатаційних умовах.

Апробація результатів дисертації. Основні ідеї, положення і результати роботи докладалися і схвалені на науково-технічній конференції “Вібрація і діагностика машин і механізмів” (Челябінськ, 1990р.); на 15 міжнародному семінарі “Динаміка механічних систем” (Болгарія, Варна, 1990р.); на міжнародної науково - технічної конференції “Інерційно-імпульсні пристрої і приводи” ( Росія, Володимир, 1992р.) на 4-й міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми підйомно-транспортної техніки” (Алушта. 1993р.); на 9-й міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми механіки залізничного транспорту” (Дніпропетровськ, 1996р.); на 1-м Всеукраїнському з'їзді “Теорія механізмів і машин і техносфера України 21-го сторіччя” (Харків, 1997р.); на міжнародній науково-технічній конференції “Безступенчасті передачі, пристрої і приводи машин” (Калінінград, 1997р.); на 9-й міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми розвитку рейкового транспорту” (Алушта, 1999р.); на міжкафедральному науково-технічному семінарі СУДУ ( Луганськ, 1999р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 13 друкованих робіт. У тому числі; 3 статті в наукових журналах (2 статті в співавторстві); 2 статті в збірниках трудів міжнародних конференцій; отримані 2 патенти на винахід і 1 авторське свідоцтво про державну реєстрацію прав автора на твір, 5 тез доповідей на науково-технічних конференціях.

Обсяг і структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох глав і 8 додатків. Загальний обсяг роботи - 113 сторінок, 43 рисунків на 39 сторінках, 2 таблиці на 1 сторінках, 8 додатків на 42 сторінках; список використаних джерел з 129 найменувань на 13 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ.

В вступі показані актуальність і новизна тематики дисертації, обгрунтовано вибір об'єкта і напрямки дослідження, сформульовані мета і задачі роботи, дана її загальна характеристика.

У першому розділі дисертації дано аналіз стану досліджуваної проблеми підвищення тягово-зчіпних якостей і поліпшення динамічних характеристик тягових приводів локомотивів, взаємозв'язку між двома зазначеними аспектами даної проблеми.

Значний внесок у вивчення проблеми зчеплення коліс із рейками і під-

вищення тягово-зчіпних якостей локомотивів внесли вітчизняні вчені і, насамперед, представники Луганської наукової школи, очолюваної професорами

О.Л.Голубенко, О.М.Коняевим, Ю.І.Осеніним і др. Серед представників інших наукових шкіл, що займаються рішенням різноманітних задач динаміки тягових приводів локомотивів, слід виділити роботи А.І.БЄляєва, І.В.Бірюкова, Л.К.Добриніна, В.М.Іванова, І.П.Ісаєва, С.МКуценко, В.Б.Меделя, А.П.Павленко. Формуванню сучасного уявлення про динамічні процеси в тяговому електроприводі локомотивів як неподільної частини єдиної динамічної системи “екіпаж - тяговий електропривод - рейкова колія” сприяли фундомент&тьні дослідження взаємодії рухомого складу і колії роботи Е.П.Блохіна, М.Ф.Веріго, В.Д.Дановіча, Ю.В.Дьоміна, АЛ.Когана, М.Л.Коротенко, В.А.Лазаряна, В.Н.Лісунова, Л.А.Манашкіна, А.Г.НІкітенко, С.Ф.Редько, Е.Д.Тартаковського, В.Ф.Ушкалова, В.А.Фєдорця, J.Kilowski, К. Knothe, О. Krettek, A. Ranger і іи.

Аналіз розробок в області протибоксуючих систем дозволив обгрунтувати необхідність якісно нових підходів до їхнього створення, заснованих на урахуванні специфіки динамічних процесів у тягових приводах поблизу режимів реалізації граничних сил зчеплення.

В другому розділі обгрунтовано вибір розрахункових схем, розроблені математичні моделі, методика й алгоритми аналізу на ПЕОМ динамічних процесів у тягових приводах як складової частини єдиної динамічної системи “екіпаж - тяговий електропривод - рейкова колія” у режимах реалізації граничних сил зчеплення й у нестаціонарних режимах боксування (юза).

Узагальнена розрахункова модель системи (рис. 1) враховує віднесені до одного візка вертикальні коливання екіпажу, в подовжній площині шляху, механічну частину приводу кожної колісної пари з різноманітними типами підвіски ТЕД до рами візка, упруго-дисипативні й інерційні властивості рейкової колії, а також електромагнітні процеси (ЕМП) у ланцюгах ТЕД і системах управління ними. Вплив збурення на систему з боку шляху враховувався у вигляді узагальненої нерівності r\j, що відбиває мікронерівності рейкових ланок, наявність стикових з'єднань, хвилеподібний знос рейок, нерівності на поверхні кочення коліс і задавалися в детермінованій і випадковій формі.

Розроблено математичну модель, що відображає електромеханічні процеси у розрахунковій моделі (див. ряс. І), і представляє собою систему суттєво нелінейних диференціальних рівнянь виду

Aq+Bq+Cq=E(q,q)+Du+Fu, (1)

де А, В, С, D, F - матриці електромеханічних параметрів системи; q, u - вектори узагальнених координат системи і збурень з боку колії; E(q, q) - вектор нелінійних функцій, що відображає характеристики зчеплення колісних пар з

-ф/

М,(^)

. . .Щ'

ІУМЧІо) Мсг Мсі’^,) Мс2(4ь)

5 Мс5(4>к5)

Мт*

Рис. 1. Розрахункова схема динамічної системи "екіпаж - тяговий • електропривод - рейкова колія”.

рейками МсХфь) і електромагнітні характеристики системи.

Крім цього, запропоновані «скорочені» варіанти математичної моделі системи (див. рис. 1), у тому числі для дослідження режимів реалізації граничних сил зчеплення і режимів боксування при швидкостях руху локомотивів У=0.. .15 км/год, коли змушеними коливаннями екіпажу і приводу можна нехтувати. Структура зазначеного «скороченого» варіанта одержана з математичної моделі (1) при допущенні г=2г=2|у=соп5І=0, фт-сопз1=0, см=а> і використанні поняття динамічної характеристики ТЕД.

Стосовно до привода тепловоза 2ТЭ116 назвала математична модель имеет вид .

„ СІМ . , ,, .

Т3—+М = М„-^ р.и,

ш •

119 г(І*+Іш)ии і фр+Ь(срі -ф* і)=Ми, иі=и+1,

Фр”^Ор£р фр —, (2)

Ікі9«і-Ь(ФгФкі)+Ь0(фкГд}і2)-с(ф,-срк1)+с(ф£,-<рЙ)=-МС](<р)(,),

і«29»2-Ь0(Ф,і-Ч>й)-с,(,?:<гФй)= -Мс2(фк2),

МС5(фк)=0,5П1Ш;/0к(фк),

де фі, її - .відповідно кут повороту і момент інерції приведених до колісної пари якоря і шестерні ТЕД; Ів, и, фр - відповідно момент інерції, передатне число колісно-моторного блока і кут повороту указаного блока відносно осі колісної пари; М, V, Т, - миттєве значення електромагнітного моменту на валу якоря ТЕД, крутизна його характеристики в рівноважному режимі фкі =Ф*2=Ф- і електромагнітна постійна ТЕД; Мс5(фю) - характеристика зчеплення ‘У’-го колеса колісної пари з рейками (з=1,2); II, у0, к(фв) - вертикальне осьове навантаження на рейки з боку колісної пари, потенційний коефіцієнт зчеплення і безрозмірна характеристика зчеплення коліс із рейками; X - ступінь падіння або стрибкоподібного зростання потенційного коефіцієнта зчеплення (X ^о'Лу,,) при наїзді на забруднену дільницю колії або при взаємодії з протибоксуючими системами.

Запропоновані математичні моделі дозволяють досліджувати динамічні процеси в різноманітних конструкціях тягових приводів при квазістаціонарних режимах тяги, електричного гальмування і вибігу, коли швидкість ковзання б-х коліс локомотива (ф^) знаходиться в межах висхідної дільниці кривої зчеплення колісної пари ЕМ^Сфіц) (див. рис. 1); поблизу режимів реалізації граничних сил зчеплення, коли рівноважне значення швидкості ковзання коліс ф. знаходиться на перехідній дільниці кривої ЕМ^ф^), а динамічні її складові охоплюють частину висхідної і опадаючої дільниць кривої 2Мс.(фь); У нестаціонарних режимах боксування і юза, колнф* відповідає спадаючим дільницям

кривої зчеплення, а динамічні складові фі.5 “заходять” як на перехідні, так і на висхідні дільниці характеристики зчеплення 2Мс5(фкз)-

Розроблена методика аналізу режимів реалізації граничних сил зчеплення і нестаціонарних режимів заснована на чисельному рішенні вихідних нелінійних рівнянь системи. При цьому початкові значення фазових координат системи визначалися з умови, що при 1-То=0 реалізується рівноважний режим Фк5= ф».(див. рис. 1), а потенційне значення коефіцієнта зчеплення \у0 коліс із рейками стрибкоподібно знижується до 0,9—0,4 початкового величини і залишається в зазначених межах протягом 0,2...4 секунд (наїзд на забруднену дільницю шляху), а потім відновляється через 0,3...4 секунди до початкового значення (проїзд масляної плями) або відновляється до (1,2...1,4)>[/0 (“спрацьовування” протибоксуючої системи з подачею піску під відповідні колісні пари). Розглядався також другий варіант реалізації досліджуваних режимів, коли при І = <ркз = ф. і стрибкоподібно змінюється тягова характеристика ТЕД М(фі) (зміщається паралельно нагору (див. рис. 1)) за рахунок прискореного набору позицій контролера машиніста.

Подальший аналіз результатів математичного моделювання дозволив виявити такі характерні риси динамічних процесів у тягових приводах:

- важливою властивістю локомотивних приводів є автоматична зміна структури динамічних моделей їхніх кутових коливань, і, як наслідок, зміна частот і форм указаних вільних коливань у момент досягнення колісною парою граничних сил зчеплення, коли швидкість проковзування коліс ф^, зростає і стає фь^фо (див. рис. 1) або, зменшуючись, досягає значення фк^ф,,;

- при квазістаціонарних динамічних режимах через велику крутизну висхідної дільниці характеристика зчеплення не реалізується власна форма кутових коливань приводів з вузлом на осі колісної пари, а також додаткова нижча форма указаних коливань, обумовлена пружно-дисипативними властивостями електромагнітного зв’язку ротора і статора ТЕД структура динамічних моделей кутових коливань приводів в указаних режимах еквівалентна моделі з умовним “защемленням” колісних пар щодо рейок;

- у режимах реалізації граничних сил зчеплення і нестаціонарних режимів боксування і юзу в структурі моделей кутових коливань приводів усувається “защемлення” колісної пари відносно рейок і реалізуються усі форми власних кутових коливань тягових приводів, у тому числі з вузлом коливань на осі колісної пари і (при визначених співвідношеннях параметрів приводів) вузлом коливань на електромагнітному зв'язку ротора і статора ТЕД.

Показано, що радикальною мірою зниження високих динамічних навантажень у тягових приводах при боксуванні колісних пар, обумовлених розвитком фрикційних автоколивань у приводах, являється обмеження швидкості ко-

взання коліс локомотивів (рь величиною <ркх<(1,1..Л ,2) ф0 за рахунок застосування більш ефективних систем ранішнього виявлення і попередження боксування і юза.

Виявлена властивість тягових приводів локомотивів автоматично зміню-

- вати структуру динамічних моделей їхніх кутових коливань при досягненні граничних сил зчеплення колісних пар з рейками покладене в основу створення високоефективних систем виявлення і попередження боксування (юза) рейкових тягових одиниць.

Третій розділ присвячений опису конструкції, принципу дії, методики вибору параметрів, дослідженню закономірностей функціонування і якісних показників розробленої системи раннього виявлення і попередження боксування і юза.

Указана система включає (рис. 2) датчики вхідних сигналів (по одному на кожну колісну пару), сам пристрій виявлення граничних сил зчеплення (ПВГСЗ) - по одному на кожну секцію, а також блок управління й індикації. Як датчики вхідних сигналів можуть бути використані датчики віброприско-рень або вібропереміщеяь корпуса ТЭД (редуктора), тензодатчики напруги у підвісці блока “ТЕД -' редуктор” до рамн візка, датчики току ТЕД.

Структурно-функціональна схема основного блоку ПВГСЗ - блоку смугових фільтрів, що реалізує принцип дії СВГСЗ, показана на рис. 3. У залежності від конструкції тягових приводів (з односторонньою або двохсторон-ньою передачею тягового моменту і типу підвіски ТЕД до рами візка) використовуються від 2 до 4-х смугових фільтрів, що настроїні на визначені власні частоти кутових коливань приводів, що виявляються при досягненні граничних сил зчеплення колісних пар і в режимах боксування. Порогові елементи кожного смугового фільтра дозволяють задати порогову напругу їхнього відмикання, виключаючи тим самим помилкове спрацьовування системи.

У момент досягнення однією або декількома одночасно колісними парами граничних сил зчеплення, коли швидкість ковзання коліс <рк5 досягає величини фо (див. рис. 1), змінюється структура динамічної системи приводу з реалізацією частот і форм її коливань, на які настроєні смугові фільтри. У цьому випадку останні відмикаються (система “спрацьовує”) і формують вихідний сигнал ПВГСЗ, що надходить на здійснюючі системи подачі піску під колісні пари і регулювання характеристик ТЕД, а також на блок індикації, установлений на пульті машиніста

У роботі запропонована методика вибору, настройки і контролю параметрів основних блоків СВГСЗ (частот і напруг відмикання порогових елементів смугових фільтрів) після виготовлення і монтажу, а також у процесі експлуатації СВГСЗ.

У результаті дослідження роботи макетних зразків СВГСЗ методом на-

Перша секція

Друга секція

Вихідний сигнал вмикання систем пісхоподачі та регулю-і вання характеристики ТЕД

Вихідний сигнал вмикання систем піскоподачі та регулю^ вання характеристики ТЕД

Рис.2 Структурно- монтажна схема розміщення основних блоків СВМСЗ: ОВМСЗ - обладнення виявлення межі сил зчеплення;

БУИ - блок управління та індікації.

Рис.З Структурно-функціональнаія схема ОВМСЗ: Б - датчик вхідних сигналів; ПІ - блок підсилювачів; СФ - смуговий фільтр; В - блок випрямлячів; Ф - фільтр; ПЕ - пороговий елемент.

/

турних випробувань стосовно до тепловоза 2ТЭ116, електровозів постійного струму ДЭ1, BJI11 і електровозів змінно-постійного струму BJI83, установлено (рис. 4), що всі традиційні системи виявлення боксування і юза, що засновані на вимірі і подальшому порівнянні зміни швидкостей обертання, струмів або напруг ТЕД, що боксуючої і небоксуючої колісних пар, первісно спроможні зафіксувати указані зміни для одиничної колісної пари не раніше, ніж через

0,8.. .1,2 с після досягнення нею границі за зчепленням. СВГСЗ же «спрацьовує» через 0,05...0,25 с після реалізації граничних сил зчеплення.

У четвертому розділі викладена методика натурних випробувань СВГСЗ в експлуатаційних умовах при русі локомотивів з поїздами, подані і проаналізовані результати натурних випробувань промислових зразків ПВГСЗ на тепловозах 2ТЭ116, електровозах постійного струму ДЭ1, BJI11 і електровозах змінно-постійного струму BJI82M.

Випробування цілком підтвердили основні теоретичні положення глави

2 і показали стабільність функціонування СВГСЗ у всіх експлуатаційних режимах. Встановлено, що “спрацьовування” СВГСЗ стабільно відбувається до початку реального розвитку боксування за 1,8...3,2 секунди раніш, чим “спрацьовують” штатні противобоксуточі системи, що дозволяє виключити подальший розвиток боксування без скидання позицій контролера машиніста, а лише за рахунок попереджувальної подачі піску під колісні пари (рис. 5).

Встановлено -також, що при русі локомотива з поїздом на підйомі СВГСЗ у режимі спільної її роботи з наявними на локомотиві здійсиювальними системами піскоподачі і регулювання крутизни характеристик ТЕД функціонує як замкнута автоматична система управління зчіпними (тяговими) якостями локомотивів. У цьому випадку забезпечується рух локомотива без боксування за рахунок автоматично регульованої СВГСЗ подачі піску (рис.6).

Зроблено оцінку технічних переваг і ефективності роботи СВГСЗ у порівнянні [іротибоксуючи-чи системами, що експлуатуються тепер.

Показано, що за рахунок властивих СВГСЗ технічних показників, її впровадження дозволить відповідно до наявних методик розрахунків :

- підвищити на 6... 12 % тягово-зчіпні властивості локомотивів;

- знизити на 5...8 % паливно-енергетичні витрати ;

- зменшити в 4...9 разів знос рейок і бандажів коліс локомотивів по колу катання;

- знизити в 2...6 разів динамічну навантаженність тягових приводів і вісей колісних пар, що виникає при боксуванні.

У додатках дисертації подані протоколи натурних і експлуатаційних випробувань СВГСЗ на різних локомотивах, протокол приймальних випробувань і акт міжвідомчої комісії про приймання дослідного промислового зразка СВГСЗ і рекомендації до її подальшого впровадження, акт устаткування першою промисловою партією СВГСЗ на електровозах BJI82M у 1999 р.

0,1с

у-і ~гг

Початок

процесу

А

1

г

Е

Е'

к!

І-Грг

тигли п

I

лг

!

а)

Г*! ©V •—ж СП ІЛ Г-; Оч, —. <Л

ечгцсм'гчсчеос'Гн’Г

И—і—і—І—І—І—І—І—І—І—І—{—і—і—\—І—І—і—н

т~

±±

„ІМРі/ЬЛПГГ"

2

ї

І,С б)

РШігаПШШ№111ШІІІЙ9

і'яиіа. а&і«А.іікі&.(<сіпи'Гі> іаі'іп »..»»»» ■ Ні. ыжв міазми

Рис.4. Осцилограма натурних випробувань дослідного зразка СВМСЗ, режим боксовання при У=0-5км/год:

а) Тепловоз 2ТЭ116; 1 - прискорення корпуса ТЕД; 2 - зусилля у підвісці ТЕД; 3,4- відмітники кількості обертів 1 -ї - 3-ї колісних пар;

5 - стум якорю ТЕД; 6 - сигнал "спрацювання" СВМСЗ; 7 - вихід смугового фільтра..

б) Електровоз ДЭ1-001; 1 - напруга ТЕД; 2,3 - вібропереміще-ння, прискорення корпуса ТЕД; 4 - сигнал "спрацювання" СВМСЗ.

Рис. 5 Осцилограма поїздних випробувань СВГСЗ; електровозів ВЛ11; режим боксування У=15 км/год: 1 - сигнал вмикання РБ платно! системи; 2 -вібропрнскореїшя ТЕД; 3 - сигнал «спрацьовування» СВГСЗ; час випередження -1,9с.

Рис.6 Осцилограма поїздних випробувань СВГСЗ: електровоз ВЛ82М, режим спільної роботи СВГСЗ і штатної системи (рух на підйом): 1 -виброприскорення ТЕД 1-й колісної пари; 2 - сигнал «спрацьовування» СВГСЗ; 3- сишал включення РБ штатної системи.

14

ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота присвячена рішенню актуальній для залізничного транспорту проблемі підвищення тягово-зчіпних і поліпшення динамічних якостей приводів локомотивів і спрямована на зниження паливно-енергетичних, ремонтних і експлуатаційних витрат сучасних локомотивів. Подані в дисертації результати проведених теоретичних і експериментальних досліджень дозволяють зробити такі висновки.

1. Досвід експлуатації вантажних локомотивів показує, що режими боксування с характерними і дуже негативними режимами їхньої роботи. У процесі боксування у декілька разів зростає рівень динамічної навантаженості тягових приводів, знос колісних пар і рейок, підвищуються паливно-енергетичні і ремонтні витрати. Протибоксуючі системи, що експлуатуються, в силу принципу їхньої дії не забезпечують раннього виявлення і попередження процесів боксування. У роботі обгрунтований і реалізований якісно новий підхід до розробки ефективних протибоксуючих систем, заснований на виявлених закономірностях динамічних процесів у тягових приводах локомотивів.

2. Сформульовані в дисертації задачі комплексно вирішені за допомогою теоретичних досліджень динаміки тягових приводів локомотивів у режимах реалізації граничних сил зчеплення, здійснених методом математичного моделювання на ПЕОМ, розробки на основі вказаних досліджень нової конструкції системи виявлення граничних сил зчеплення рейкових транспортних засобів, експериментального дослідження макетних і промислових зразків указаної системи методом натурних досліджень в експлуатаційних умовах на магістральних локомотивах.

3. Розроблені математичні моделі, методика й алгоритми аналізу на ПЕОМ динамічних процесів у тягових приводах вантажних локомотивів поблизу режимів реалізації граничних сил зчеплення. Методика дозволяє реалізувати розвиток і припиненая режимів боксування за рахунок прискореного набору позицій контролера машиніста або стрибкоподібного падіння і подальшого відновлення коефіцієнта зчеплення колісних пар з рейками (проїзд забрудненої дільниці шляху і "спрацьовування" протибоксуючої системи з подачею піску під колісні пари).

4. Виявлені і вивчені основні закономірності динамічних процесів у локомотивних тягових приводах поблизу режимів реалізації граничних сил зчеплення колісних пар з рейками. Найважливішими з них являються автоматичні зміни структури динамічних моделей підсистем кутових коливань приводів і, як наслідок, зміна частин і форм їхніх вільних коливань у момент досягнення колісною парою граничних сил зчеплення і при зворотному переході від режиму реалізації граничних сил з чешіення до квазістаціонарних режимів тяги або електричного гальмування. Відмічена властивість тягових приводів покла-

дена в основу створення ефективних систем ранішнього виявлення і попередження боксування і юза рейкових тягових одиниць.

5. Розроблена система виявлення граничних сил зчеплення локомотивів (система раннього виявлення і попередження боксування і юза ), функціонування котрої засновано на якісно іншому принципі, ніж існуючі протибоксую-чи системи, що виключає виявлення недоліків останніх. Запропонована СВГСЗ «спрацьовує» з подачею керуємого сигналу на виконавчі системи піскоподачі і регулювання характеристик ТЕД до розвитку реального боксування, при реалізації колісними парами початку перехідної ділянки кривої їхнього зчеплення з рейками, обмежуючи максимальну величину відносного прослизання коліс е<1,8...2 %. Це дозволяє попередити можливий розвиток боксування, радикально знизити або цілком виключити появу високих динамічних навантажень у тягових приводах за рахунок розвитку фрикційних автоколивань при боксуванні, у декілька разів зменшити знос рейок і колісних пар по ободу кочення.

6. Розроблено методику вибору, настройки і контролю параметрів основних блоків СВГСЗ при її виготовленні, після монтажу й у процесі експлуатації, а також обгрунтоване і розроблене необхідне апаратурне і програмне забезпечення визначеннях процедур з використанням сучасної комп'ютерної і мікропроцесорної техніки і технології.

7. Виконані натурні випробування промислових зразків СВГСЗ в експ-

луатаційних умовах на тепловозі 2Т3116, електровозах постійного струму Д31, ВЛ11, електровозах змінно-постійного струму ВЛ82М показали, що СВГСЗ стабільно “спрацьовує” за 1,8...3,2 секунди раніше, ніж реле боксування штатних противобоксуючих систем, тобто до початку реального боксування. Це дозволяє виключити подальший розвиток боксування без скидання позицій контролера машиніста лише за рахунок випереджаючої подачі піску під колісні пари, автоматично регулювальної СВГСЗ. .

8. Встановлено, що при русі локомотива з поїздом на підйомі СВГСЗ функціонує як замкнута автоматична система керування зчіпними (тяговими) якостями локомотивів, забезпечуючи рух локомотива без боксування за рахунок автоматично регулювальної СВГСЗ подачею піску.

9. За допомогою натурних випробувань в експлуатаційних умовах експериментально підтверджені основні теоретичні положення і висновки дисертації, що стосуються специфіки розвитку динамічних процесів у тягових приводах локомотивів при реалізації граничних сил зчеплення (див. розділ 2) і покладені в основу створення СВГСЗ, підтверджені технічні переваги й ефективність роботи СВГСЗ у порівнянні з протибоксуючими системами, що експлуатуються тепер.

10. За своїми техніко-економічними показниками СВГСЗ не має аналогів у країнах СНД і відповідає кращим світовим зразкам, а за порівняльною простотою конструкції і вартістю має значні переваги перед останніми.

Впровадження СВГСЗ дозволить відповідно до апробованих розрахункових методик підвищити на 6... 12 % тягово-зчіпні властивості локомотивів, знизити на 5...8 % паливно-енергетичні витрати, зменшити в 2...З рази рівень динамічної навантаженості тягових приводів і знизити в 4...9 разів знос рейок і бандажів коліс локомотивів по колу катання.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Голубенко А.Л., Павленко А.А. Возможности повышения тяговосцепных качеств и снижения износа колесных пар локомотивов // ВІСНИК Східноукраїнського державного ун.-ту. Серія Транспорт. - Луганськ: СУДУ, -1999, № 1(16). - С.12-18.

2. Голубенко А.Л., Павленко А.А., Павленко А.П. Перспективное направление и технические средства повышения тягово-сцепных качеств локомотивов // Тез. докл. IX Междунар. научн. конф. “Проблемы развития рельсового транспорта.” - Алушта, 1999. - С. 7.

3. Кутовой Ю.Н., Павленко А.А., Павленко А.П. Динамика приводов рельсового транспорта при реализации максимальных сил сцепления // 4-я меж-дун. научн.-техн. конф. по инерционно - импульсным механизмам, приводам и устройствам/Тез.докл.-Владимир, 1992.-С. 67-68.

4. Павленко А.А. Динамика и возможности повышения предельных сцепных свойств тяговых приводов рельсовых транспортных средств // Бесступенчатые передачи, приводы машин и промышленное оборудование// Матер. 1-й междунар. научн,- техн. конф. - Калининград. 1997. - С. б 1.

5. Павленко А.А., Системы обнаружения предельных сил сцепления рельсовых транспортных средств//Вісник Харьковского держ. політех. ун-ту. Електроенергетіка і перетворбча техніка. Вип. 88. —Харків, 1999. — С.78-85.

6. Павленко А .А., Павленко А.П., Рыжик И.Н. Динамика тяговых приводов в режимах реализации предельных сил сцепления // 15-й национ. семинар. “Динамика на механични системи”, Доклади. - Варна, 1990, том 2. - С. 498-501.

7. Павленко А.А., Павленко А.П. Динамика электромеханических систем тягового привода рельсовых транспортных машин при боксовании колесных пар // Проблемы подъемно - транспортной техники / Печати, материалы научн. - техн. конф. с междун, участием. - Алушта, 1993. секция 2. - С. 26 - 28.

8. Павленко А.А., Павленко А.П. Нетрадиционный подход к прогнозированию и оценке предельных сцепных возможностей приводов транспортных машин И Матеріали перш. Всеукр.з’їзда з теорії механ. і машин. “ Теорія механізмів, машин і техносфера України XXI сторіччя” - Харків, 1997. - С. 30.

9. Павленко А.А., Павленко А.П. Система обнаружения реализации пре-

дельных сил сцепления колесных пар рельсового транспорта // Тез. докл. IX междун. научн. конф. “Проблемы механики железнодорожного транспорта” -Днепропетровск, 1996.-СЛ18-119. .

10. Павленко А.А., Павленко А.П. Универсальная система раннего обнаружения и предупреждения боксования и юза рельсового подвижного состава // Залізничній транспорт України. - 1999 № 1. - С. 2-6.

11. Патент 2071197 С1 России, МКИ 6 ВбОЬ 3/10 Устройство обнаружения боксования и юза колес рельсового транспортного средства / Павленко А.А., Павленко А.П., Клепкиков В.Б. и др. - 94044536/11. Заяв. 14.12.1994; Опубл. 27.12.96, Бюл. №36; Приор. 14.12.94. - 4с.

12. Патент 19743 України, МКИ 6 ВбОЬЗ/Ю. Пристрій виявлення буксування та юзу коліс рейкового транспортного засобу/ Павленко А.П., Павленко А.А.,, Клепиков В.Б. и др. - 93121788. Опубл. 25.12.97, Бюл. № 6; Приор. 08.07.93. - 6с.

13. Свідоцтво про держ. реестр, прав автора на твір ПА № 1794 Україна. Технічна документація для виробництва та експлуатації на локомотивах “Пристрій для виявлення граничних сил зчеплення колесник пар тягового рейкового транспорту” (Технічні умови ТУУ 14075776.001.98, Технічний опис та інструкція по експлуатації. Комплект креслень) / Павленко А.А., Павленко А.П., Павленко В.А. Дата реестр. 23.03.1999. - 64с.

АНОТАЦІЇ

Павленко А.А. “Динаміка і підвшцення тягово-зчіпних якостей приводів локомотивів” - Рукопис.

Диссертація на здобуття ученого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.07 - рухомий склад залізниць та тяга поїздів. -Східноукраїнський державний університет, Луганськ, 2000 р.

Дисертація присвячена питанням підвищення тягово-зчіпних та поліпшення динамічних якостей приводів локомотивів за рахунок створення і впровадження більш ефективних протибоксуючих систем і спрямована на зниження паливно-енергетичних і ремонтних витрат. Розроблено і реалізовано якісно новий підхід до створення конструкцій протибоксуючих систем, заснований на використанні встановлених у роботі особливостей динамічних процесів у тягових приводах локомотивів, найважливішою з яких є автоматична зміна структури підсистем кутових коливань приводів у момент досягнення колісними парами граничних сил їхнього зчеплення з рейками і при зворотному переході.

На базі зазначеної властивості створена конструкція універсальної системи виявлення граничних сил зчеплення рейкових транспортних засобів, натурні випробування промислових зразків якої підтвердили її високу ефективність у порівнянні з протибосуючими системами, що експлуатуються зараз.

Розроблена система дозволяє попередити можливий розвиток процесів боксування без зниження тягового моменту на колісних парах.

Ключов1 слова: тяговий привод, динамка, боксування, граничш сили зчеплення, система вияшення 1 попередження боксування.

Павленко А.А. “Динамика и повышение тягово-сцепных качеств приводов локомотивов” - Рукопись.

Диссертация на получение ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.07 - подвижный состав железных дорог и тяга поездов.

- Восточноукраинский государственный университет, Луганск, 2000 г.

Диссертация посвящена вопросам повышения тягово-сцепных и улучшению динамических качеств приводов локомотивов за счет создания и внедрения более эффективных прстибоксовочных систем и направлена на снижение топливно-энергетических и ремонтных затрат. Применяемые ныне проти-вобоксовочные системы вследствие принципа их действия, основанного на измерении и последующем сравнении скоростей вращения или зависящих от них токов (напряжений) ТЭД боксуюицих и небоксующих колесных пар, не обеспечивают раннего обнаружения и предупреждения процессов боксования. В работе обоснован и реализован качественно иной подход к созданию эффективных противобоксовочных систем, базирующейся на использовании выявленных в результате исследования закономерностей динамических процессов в тяговых приводах локомотивов при реализации предельных сил сцепления колесных пар с рельсами.

Разработаны математические модели, методика и алгоритмы анализа на ПЭВМ динамических процессов в тяговых приводах грузовых локомотивов в режимах реализации предельных сил сцепления. Методика позволяет реализовать развитие и прекращение режимов боксования за счет ускоренного набора (сброса) позиций контроллера машиниста или скачкообразного падения и последующего восстановления коэффициента сцепления колесных пар с рельсами (проезд загрязненного участка пути и взаимодействие с противобоксо-вочной системой).

Выявлены и изучены основные закономерности динамических процессов в локомотивных тяговых приводах в режимах реализации предельных сил сцепления, важнейшими из которых является автоматическое изменение структуры динамических моделей подсистем угловых колебаний приводов «_)-й ТЭД - тяговая передача - колесная пара - рельсовый путь», а также изменение частот и форм их свободных колебаний в момент достижения колесной парой предельных сил сцепления и при обратном переходе от режима реализации предельных сил сцепления к квазистационарным режимам тяги или электрического торможения. Указанное свойство тяговых приводов положено в основу создания эффективных систем раннего обнаружения и предупреждения боксования и юза рельсовых тяговых единиц.

Разработана конструкция универсальной системы обнаружения предельных сил сцепления рельсовых транспортных средств, натурные испытания промышленных образцов которой на электровозах ДЭ1, ВЛ11,ВЛ82М и теп-

ловозах 2ТЭ116 подтвердили ее высокую эффективность по сравнению с эксплуатируемыми противобосовочкыми системами. Разработанная система «срабатывает» за 1,8...3,2 секунды раньше, чем реле боксования штатных про-тивобоксовочных систем, то есть до начала реального боксования, когда скорость относительного проскальзывания колес соответствует началу переходного участка кривой сцепления и не превышает величины е<1,8...2 %. Это позволяет исключить возможное развитие процессов боксования без сброса позиций контроллера машиниста, а лишь за счет предупредительной подачи песка под колесные пары, автоматически регулируемой системой обнаружения.

Отмеченные и подтвержденные в процессе эксплуатации технические преимущества разработанной системы позволяют на б... 12% повысить тягово-сцепные качества локомотива, радикально в 2,5...3 раза снизить уровень динамической напряженности приводов при боксовании, уменьшить на 5...8 % топливно-энергетические затраты и снизить в 4...9 раз износ рельсов и бандажей по кругу катания.

Ключевые слова: тяговый привод, динамика, боксование, предельные силы сцепления, система выявления и предупреждения боксования.

Pavlenko А.А. “Dynamic and heightening cohesion-traction of qualities of driving of lo'comotivs”—Manuscript.

Thesis for a candidate degree by speciality 05.22.07 - rolling stocks and train traction.- EastUkrainiaa state university, Lugansk, 2000.

The thesis devote to problems of a heightening cohesion-traction and improving of dynamic qualities of driving oflocomotivs at the expense of making and implantation more affective anti-slippage systems and is guided on lowering of fuel and energy and repair expenditure.

Radically new approach to designing constructions of anti-boxing systems has been worked out and put into effect, which is based on using peculasities of dynamic processes in tractive drive which have been defected in this work. The most important of which is automatic alteration of subsystems of angular oscillations of drive units at the moment of reaching by wheel pairs the limiting forces of their ganging the rails during reverse transition.

On the basis of indicated property the construction of a comprehensive system of detection of limiting cohesive forces of rail vehicles has been designed the field tests of industrial designs by which one have confirmed its high performance as contrasted to exploited anti-slipping by systems. The designed system allows to notify a possible development of slippage without lowering the tractive moment of wheel pairs.

Keywords: a tractive driving dynamic, slippage, limiting cohesive forces, system of defection and working of slippage.