автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Электронная селективная система защиты от боксования для электровозов с зонно-фазовым регулированием напряжения

На правах рукописи

УД К629.423.1.32:629.4.067147

Р Г Б ОД

ЕСИН Николай Васильевич

/ ' 1 0Е?

ЭЛЕКТРОННАЯ СЕЛЕКТИВНАЯ СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ОТ БОКСОВАНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОВОЗОВ С ЗОННО-ФАЗОВЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ

Специальность 05.22.07 — «Подвижной состав железных дорог н тяга поездов»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ОМСК 2000

<< Работа выполнена' в Омском государственном университете путей сообщения на кафедре «Подвижной состав электрических железных дорог».

Научный руководитель:

Г. доктор технических наук, профессор ЛИСУНОВ Владимир Николаевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор МИХЕЕВ Виктор Петрович '

кандидат технических наук, доцент ТКАЧЕВ Юрий Васильевич

I»

Ведущее предприятие:

Красноярская железная дорога.

Защита состоится « февраля 2000 года в И " часов

на заседании диссертационного совета Д 114.06.01 Омского государственного университета путей сообщения по адресу: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОмГУПСа.

Автореферат разослан «:

22 » января 2000 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета университета.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор В. К. ОКИШЕВ

Омский государственный университет путей сообщения, 2000

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Па протяжении всего периода существования ло-сомотивной тяги реализация предельных тяговых усилий, граничащих с воз-!' ложностью срыва колесных пар в боксование, доставляла немало забот работникам локомотивного хозяйства. В течение всех предшествующих лет разрабатывались и внедрялись различные способы и средства предотвращения, обнаружения и ликвидации этого ненормального режима взаимодействия колеса с рельсом.

Значительные скорости боксования колесных пар электровозов нередко приводят к повреждению тяговых двигателей (нарушение коммутационных условий вплоть до появления кругового огня на коллекторе, размотка бандажей и повреждение обмотки якоря и т. д.). Не менее важными'отрицательными факторами при боксовапии являются также повышенный износ бандажей колесных пар и рельсов.

В последнее время в связи с экономическим кризисом резко обострилась проблема всестороннего снижения эксплуатационных расходов, уменьшение износа оборудования и устройств и т. д. Требование снижения эксплуатационных расходов, в том числе расхода электроэнергии на тягу поездов, выдвигают на первый план внедрение ресурсосберегающих технологий и технологических средств, что нашло отражение в Указании МПС «О программе ресурсосбережения на 1999 год», утвержденной Постановлением коллегии МПС России от 22 - 23 декабря 1998 года №26, в Федеральной целевой программе «Электроснабжение России», угвержденной правительством страны 24 января 1998 г., а также в отраслевой «Программе энергосбережения на железнодорожном транспорте в 1998 - 2000 и на период до 2005 г.», утвержденной указанием МПС России 9 октября 1998 г.

На сети железных дорог России остается еще довольно много локомотивов прежних лет выпуска, которые находятся в удовлетворительном техниче-

ском состоянии и выполняют основной объем перевозок. В условиях экономического кризиса рассчитывать на скорую замену этих локомотивов более совершенными не приходится, тем более что многие серии локомотивов не выработали свои ресурс. Особенно это относится к электровозам переменного тока с плавным зонио-фазовым регулированием напряжения, таким как ВЛ80Р, ВЛ85 и ВЛ65. Опыт эксплуатации электровозов указанных серий показал, что системы защиты от боксования, использующиеся на современных отечественных локомотивах, не в полной мере отвечают требованиям защиты колесных пар от V боксования, в частности из-за отсутствия селективности протнвобоксовочного воздействия, при которой потери силы тяги, а, следовательно, и скорости будут минимальными. Модернизация и техническое усовершенствование указанных серий локомотивов, особенно в области улучшения их тягово-энергегических качеств, позволит повысить эксплуатационные показатели этих электровозов, а также способствует решению проблемы ресз'рсосбережения.

Цель рчботы состоит в улучшении нротивобоксовочных свойств электровозов переменного тока, оборудованных системой плавного зонпо-фазового регулирования напряжения на тяговых двигателях на базе управляемых (тири-сгорных) преобразователей, путем решения проблемы сочетания групповых систем питания и управления тяговым электроприводом с доступной индивидуализацией противобоксовочного воздействия на каждый (по возможности) колесно-двигательный блок при боксовании колесных пар.

Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:

- проведен анализ нротивобоксовочных систем существующего парка тягового подвижного состава и определены пути повышения их эффективности;

- осуществлены поиск и реализация оптимальных средств воздействия на боксугощий колесно-двигательный блок (КДБ) для вывода его из ненормального режима работы с обеспечением селективности противобоксовочного воздействия, по крайней мере, для каждой пары КДБ электровоза;

- разработан и теоретически обоснован нетрадиционный способ уменьшения напряжения на выходе преобразователя электровоза, позволяющий индивидуализировать противобоксовочное воздействие, по крайней мере, для каждой пары двигателей при сохранении общей групповой системы управления всеми преобразователями локомотива;

- исследованы процессы, протекающие в выпрямитель!ю-иивсрторных преобразователях, и характер изменения коэффициента мощности электровоза при действии системы защиты от боксования (СЗБ);

- разработаны и экспериментально проверены схемные решения предлагаемой системы защиты от боксования для электровозов указанного выше типа.

Методы исследования. Основными методами исследования являлись сбор и анализ информации по существующим способам обнаружения и прекращения боксования (юза) с выбором наиболее оптимального варианта защиты колесных пар электровоза от избыточного скольжения, анализ физических процессов, протекающих в выпрямительно-ишерторных преобразователях электровоза, их математическое описание, исследование полученных результатов с применением ЭВМ, экспериментальные исследования на макетах и опытных промышленных образцах. Теоретические исследования выполнены на основе совместного применения теории электрической тяги поездов, теории тяговых электрических машин и преобразователей.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработан и теоретически обоснован нетрадиционный способ снижении напряжения на тяговых двигателях, связанных с боксующими колесными парами, новизна способа защищена двумя авторскими свидетельствами на полезную модель;

2. Проведен анализ процессов, протекающих в выпрямительно-шшерторных преобразователях (ВИП) электровоза при изменении алгоритма работы их вентилей;

3. Уточнена методика расчета коэффициента мощности электровоза переменного тока с зонно-фазовым регулированием напряжения при действии системы защиты от боксования с учетом неодинаковых режимов работы преобразователей, получающих питание от общего тягового трансформатора, на основе уточненной методики получены аналитические выражения для расчета коэффициента мощности электровоза;

4. Предложены схемные решения разработанного способа противобоксо-вочного воздействия.

Практическая ценность работы. На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований, частично проведенных в эксплуатационных условиях, предложена система защиты от боксования колесных пар электровозов с бесступенчатым регулированием напряжения, отвечающая условиям быстродействия и селективности, которая может быть реализована на эксплуатируемом парке электроподвижного состава, повышая его тягово-эксплуатационные показатели.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 11 международной конференции «Состояние и перепою ивы развития электроподвижного состава» (г. Новочеркасск, 1997 г.); на межвузовской научно-технической конференции «Железнодорожный транспорт Сибири: проблемы и перспективы», посвященной 160 - летиго отечественных железных дорог и 100,- летшо железнодорожного образования в Сибири (г. Омск, 1998 г.); на отраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении» (г. Ростов на Дону, 1998 г.); на семинарах кафедры «Подвижной состав электрических железных дорог» Омского государственного университета путей сообщения.

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 3 стагьи в межвузовских сборниках, 3 тезиса докладов, 2 авторских свидетельства на полезную модель, 2 отчета по НИСу, зарегистрированных в ВНИЦс.

Структура и объем работы. Диссертация содержит 147 страниц машинописного текста, 48 рисунков, 11 таблиц и состоит из и ведения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников (63 наименований) и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАЬОГЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определено направление исследований.

Первая глава посвящена обзору существующих систем обнаружения и защиты колесных пар локомотивов от боксовання, постановке задачи и выбору принципиальных решений.

Проблемам реализации сил тяги и сцепления посвятили свои труды многие видные отечественные ученые и специшшсты: Д. К. Минои, В. Е. Розен-фельд, И. П. Исаев, И. П. Сидоров, О. А. Некрасов, А. Л. Лисицын, Л. А. Му-гинштейн, Е. Г. Бовэ, Г. В. Фаминский, Н. И. Меншутин, В. П. Хлебников, В. П. Феоктистов, В. Н. Лисунов, В. О. Мельк, П. И. Гордиенко и другие.

Трудность выявления ненормального режима взаимодействия колеса с опорной поверхностью кроется в самой физической природе этого процесса. Реализация тяговых и тормозных усилий самодвижущими экипажами характеризуется сложными процессами фрикционного взаимодействия колеса и рельса. В практике под боксопанием обычно понимают режим работы локомотива при нарушении сцепления колеса с рельсом, приводимый к значительному превышению линейной скорости на ободе колеса над поступательной скоростью локомотива.

На основании проведенного обзора систем и устройств защиты от боксовання сделан вывод о том, что эффективность противобоксовочных устройств во многом определяется выбором парамегра, на который реагирует датчик бок-сования. Способы обнаружения боксовання но разности токов при параллельном соединении двигателей или по разности напряжении при последовательном соединении хотя и применяются в настоящее время на преобладающем

большинстве грузовых магистральных локомотивов вследствие простоты конструктивных решений датчиков боксования, однако эффективность их мала, так-как они реагируют на косвенный показатель боксования. Наиболее перспективными следует считать датчики,"реагирующие на первопричину возникновения боксования, а именно: превышение касательной силы тяги над силой сцепления. Однако в связи с тем, что в зависимости от схемных решений силовой цепи локомотива и условий сцепления колеса с рельсом, теми развития боксования может изменяться в широких пределах, ни один из известных способов не обеспечит надежного обнаружения боксования. Поэтому наиболее эффективными необходимо признать универсальные (многопараметрическпе) системы прогнвобоксовочной защиты.

Так как при боксопашш сила тяги превышает силу сцепления колеса с рельсом, то возможны только два принципиальных пути воздействия на прекращение боксования: либо увеличение сцеплепия, либо уменьшение силы тяги. Из двух отмеченных средств воздействия наиболее «цивилизованным» и ресурсосберегающим (неразрушающим) является уменьшение напряжения на коллекторе двигателя. Расчеты показывают, что для уменьшения потерь усилий тяги и в то же время локализации склонности к боксованию достаточно уменьшения напряжения всего на 5-10 В, что нереализуемо при ступенчатом сбросе позиций. С другой стороны, групповые системы питания двигателей и управления электроприводом не дают этого сделать для отдельного колесно-двигательного блока даже при плавном изменении напряжения на двигателях. В этой связи был намечен круг задач и целей, решаемых в диссертации.

Вторая глава посвящена разработке системы защиты от боксования. На основании проведенного анализа существующих способов и устройств защиты от боксования решено в предлагаемой протнвобоксовочной системе для электровозов с зонно-фазовым регулированием напряжения защиту от боксования осуществлять путем индивидуального снижения напряжения на тяговых двигателях боксуюшнх колесных пар при сохранении единой системы фазового регулирования. Это можно осуществить за счет незначительного изменения алго-

ритма управления выходными каскадами усилителей системы управления преобразователем, принадлежность которых конкретна для каждого из двигателей. Изменение алгоритма управления заключается в прицельном формировании сигнала запрета на выдачу управляющего импульса для открытия соответствующих тиристоров, т. е. в искусственном пропуске полуволны выпрямленного напряжения. Вместе со снижением действующего значения напряжения за счет отсутствия определенного регулируемого количества полуволн выпрямленного напряжения на соответствующей зоне регулирования удается индивидуализировать воздействие для двух (а в случае расщепления плеч моста - и для каждого) из двигателей. Предложенный принцип поясняют диаграммы выпрямленного напряжения, показанные на рис. 1.

Рис. 1. Принцип снижения среднего значен»» выпрямленного напряжения: а - боксоианис отсутствует (первая зона); б - при боксоканнн на первой зоне; в - при (юк-совякин па второй зоне

Из сравнения диаграмм видно, что при работе системы защиты от боксо-вания в форме кривой выпрямленного напряжения исчезает каждый второй полупериод, при этом уменьшается среднее значение выпрямленного напряжения и<;с„. Как видно из последней диаграммы, приведенной для второй зоны регулирования, каждый второй полупериод исчезает только добавка напряжения, вносимая данной зоной. Используя предложенный принцип управления выходными каскадами системы формирования импульсов выпрямительно-инверторного преобразователя, имеется возможность снижать подведенное к соответствующей паре тяговых двигателей напряжение на любую величину при сохранении общей групповой системы питания и управления всеми двигателями. Важным достоинством предлагаемого способа является отсутствие изменений в силовой схеме электровоза.

В качестве способа обнаружения боксования в предлагаемой системе защиты возможно использование любого из описанных п работе принципов. Однако широко применяемые на существующих электровозах реле боксования не вполне пригодны для использования п рассматриваемой системе защиты из-за низкой чувствительности и большой инерционности. Необходимо также заменить дискретный сигнал традиционного реле боксования аналоговым сигналом разности напряжений в точках, к которым подключено реле боксования. Величина данного сигнала пропорциональна интенсивности развития боксования соответствующей колесной пары, что позволяет создать систему защиты ог боксования, обладающую свойством превентивностн и предотвращающую таким образом дальнейшее развитие процесса срыва колесной пары в боксование. Это позволит значительно уменьшить случаи возникновения боксования.

Изложенный выше принцип защиты от боксования предлагается в качестве системы защиты от боксования для существующих в настоящее время отечественных электровозов переменного тока с плавным зонно-фазовым регулированием напряжения ВЛ80Р, ВЛ85 и ВЛ65.

С целью разработки алгоритма противобоксовочного воздействия проведен ^анализ работы выпрямительно-инверторного преобразователя. Предложено

для реализации приведенного выше способа регулирования напряжения на двигателях несколько изменить алгоритм работы плеч ВИП. На первой зоне регулирования при возникновении боксования предлагается подавать в соответствующий полупериод импульсы управления о« па плечо У86 преобразователя (см. рис. 2) вместо плеча При этом п работе будет находится буферный контур УБЗ - УБб вместо диагонали моста УБЗ - и выпрямленное напряжение на двигателях в этот полупсриод отсутствует.

У82

Рис. 2. Упрощенная силовая схема ВПП

На зонах регулирования выше первой предлагается блокировать подачу импульсов регулирования а,, на соответствующие плечи ВИП (например, согласно рис. 2, это плечи УБ! и в случае второй зоны регулирования) При этом в работе будет оставаться малый мост (У54 - У85 вместо - УБЗ, либо - вместо - У36 для второй зоны регулирования). Таким образом, осуществляя блокирование подачи на силовые тиристоры соответствующих импульсов регулирования с определенной частотой, мы добиваемся уменьшения среднего выпрямленного напряжения на выходе ВИП, в результате чего снижаются ток и сила тяги двигателя боксующего колесно-моторного блока, что приводит к ликвидации боксования. После прекращения боксования действие системы защиты от боксования прекращается и напряжение на выходе ВИП возвращается к значению, заданному системой управления преобразователями. В результате анализа были получены общие формулы для расчета среднего выпрямленного напряжения, образующегося при работе ВИП на всех зонах регулирования при отсутствии боксования и при боксоваиип, и построены графики степени уменьшения напряжения на выходе ВИП в зависимости от фазы регулирования Ор.

Рне. 2. Упрощенная силовая схема ВПП

Среднее напряжение на выходе ВИП при отсутствии боксования для любой зоны предлагается определять но формуле:

Ud =-^£1-(kcosa() +cosa +(k-l)cosa03), (1)

к

где: IJга - напряжение малой обмотки трансформатора, В; к - порядковый номер зоны регулирования.

Среднее напряжение на выходе ВИП при боксованш для первой зоны регулирования и различной частоты пропуска полупериодов:

' Umín-lYcosap +-cosa„) ...

Ud =---------i, (2)

П71

где: n - периодичность пропуска полупериода, каждый п - й полупериод, п = 2, 4, 6, 8,...

Среднее напряжение на выходе ВИП при боксования для зон регулирования со второй по четвертую и различной частоты пропуска полупериодов:

Ud = —--[(n - l)cosa„ + n(k - l)cosa(l + (kn - l)cosa J. (3)

ПТС '

На рпе.З показаш,i графики уменьшения среднего выпрямленного напряжения в зависимости от периодичности пропуска полуперподов выпрямленного напряжения при действии СЗБ на различных зонах регулирования.

а а

Рис. 3. Графики уменьшении напряжении на выходе ВПП в зависимости от ф;шл регулирования а,, н периодичности пропуска полупериодов выпрямленного напряженна: а - для первой зоны регулирован ля, б - для остальных зон регулирования, где 1 — пропуск всех полуперподов; 2 - пропуск каждого второго полуиернода; 3, 4, б, 10 н 14 - пропуски соответственно каждого 3-го, 4-го, 6-го, 10-го и 14-го полуперподов выпрямленного напряжении

Из графиков видно, что степень сшошшя напряжения с ростом периодичности пропусков и фазы ар уменьшается. Это говорит об уменьшении эффективности действия СЗБ, что в итоге может привести к невозможности ликвидации боксования, даже если СЗБ будет осуществлять пропуск каждого второго полупериода выпрямленного напряжения. Устранить данный недостаток предложено путем осуществления пропуска выпрямленного напряжения не только находящейся в работе зоны регулирования, по и предыдущей.

Не смотря на указанный выше недостаток, данная система защиты от боксования позволяет индивидуализировать противобоксовочное воздействие, по крайней мере, для пары колесно-моторных блоков и сократить расход песка и потери энергии при ликвидации боксования по сравнению с существующими системами защиты от боксования.

Для реализации предложенного алгоритма противобоксовочного воздействия на конкретной серии электровоза необходимо решить проблему управления открытием плеч силовых тиристоров независимо от команд штатной централизованной системы управления выирямнтс.тыю-ипверторными преобразователями электровоза (в случае электровозов типа BJI80P, ВЛ85 и ВЛ65 - это система БУВИП). Анализ был проведен для электровозов указанных выше типов, в результате чего были предложены варианты схемотехнических решений, позволяющих реализовать описанный выше алгоритм работы преобразователя; данные решения защищены двумя авторскими свидетельствами на полезную модель. В основе предложенных схемотехнических решений используются счетчики с переменным циклом деления.

I? третьей главе произведен сравнительный анализ показателей коэффициента мощности электровоза' по уточненной методике при неработающей и при действующей системе защиты от боксования. В основу исследования положены работы Б. Н. Тпхменева, Л. М. Трахтмана, Л. JI. Лозановского, А. С. Копанева.

В ранее выполненных исследованиях коэффициент мощности определялся, как правило, без учета влияния угла регулирования а0. Кроме того, необхо-

димо определять коэффициент мощности с учетом режимов работы обоих вторичных обмоток трансформатора, т. к. при действии СЗБ они будут разными. Это обстоятельство учитывается тем, что при действии СЗБ трансформатор осуществляет работу с некоторым усредненным коэффициентом трансформации:

2ркрк-1 ...

Рф = —^-, (4)

Рк +рк-1

где Pq, - усредненный коэффициент трансформации для режима пропуска полуволн выпрямленного напряжения;

рк - коэффициент трансформации на к-той зоне регулирования; pK.i - коэффициент трансформации для зоны регулирования (к - 1).

В результате проведенного анализа электромагнитных процессов, протекающих в тяговом трансформаторе и выпрямительно-инверторных преобразователях электровоза при изменении алгоритма работы силовых вентилей, были получены выражения для определения коэффициента мощности при различной частоте пропуска полуиернодов выпрямленного напряжения. Для первой зоны регулирования коэффициент мощности:

V 2 (2n - l)(cos а _ + cos а, J X = (5)

упл(4п-3)(л + а0 -ар)

где п -периодичность пропуска полупериода, каждый п -и полупериод, п = 2, 4, 6,8,...

Для остальных зон регулирования коэффициент мощности: V2 1 -— — j(2ncosa03 + cosa0 + (l -2n)cosap)

V Umk J

\

7. =

-/пл(А + В) (6)

>/2(211 -l){cosa0 +cosa )

\1пя(А + В)

где Л = 4n(ap-аоз/— ( ;

V . Umk J

В:

4п-4 +

2-

ли

тк

и,

тк у

(л4а0-ар)

По приведенным выше формулам были рассчитаны значения коэффициента мощности для четырех зон регулирования при различной частоте пропуска полупериодов выпрямленного напряжения и определены их средние значения. В табл. 1 приведены результаты сравнительного анализа значении коэффициента мощности для частоты пропуска полупериодов от каждого второго до каждого 6-го для первой зоны и от пропуска всех полупериодов до каждого 5-го для остальных зон регулирования.

Таблица 1

Сравнительные показатели коэффициента мощности

Зона Коэффициент мощности

нет пропусков с пропусками

1 0,569 0,55 -0,019

2 0,822 0,834 0,012

л 0,859 0,866 0,007

4 0,872 0,876 0,004

Среднее значение 0,781 0,782 0,001

Среднее значение. % 100 100,13 0,13

Из табл. 1 видно, что на первой зоне регулирования при пропуске полу-псрподов выпрямленного напряжения значения коэффициента мощности уменьшаются по сравнению со значениями коэффициента мощности при отсутствии пропусков, это несколько ухудшает энергетические показатели электровоза, однако, учитывая, что снижение коэффициента мощности довольно незначительное и продолжительность работы электровоза в режиме 1-й зоны сравнительно мала, а также то, что СЗБ будет осуществлять свою работу только при начавшемся боксовании, можно, на взгляд автора, согласиться с некоторым ухудшением коэффициента мощности для ликвидации боксования на первой зоне и использовать предлагаемую систему защиты на действующих элсктрово-

зах. Средние значения коэффициента мощности при пропуске полупериодов на зонах со второй по четвертую выше средних значений коэффициента мощности при отсутствии пропуска полупериодов. Общий средний коэффициент мощности электровоза на всех зонах регулирования при пропуске импульсов с частотой от каждого второго до каждого 5-го на первой зоне регулирования и от каждого первого до каждого 5-го на последующих зонах регулирования равен 0,782, что выше на 0,13% по сравнению со значениями коэффициента мощности при отсутствии пропусков полупериода. Увеличение коэффициента мощности приводит к уменьшению полного тока тяговой сети за счет снижения реактивных токов в среднем на 0,13%.

В результате проведенных выше исследований становится ясно, что пропуск полупериодов выпрямленного напряжения в среднем не ухудшает энергетические показатели электровоза.

Четвертая глава посвящепа описанию экспериментальных' исследований разработанной системы защиты от боксовапия.

Для экспериментальной проверки приведенного выше материала был проведен ряд испытаний опытных образцов системы защиты от боксования. Испытания проводились в два этапа: проверка работоспособности предложенных идей в условиях лаборатории па специальном стенде и промышленный эксперимент с опытным образцом системы защиты на электровозе в условиях эксплуатации..

Задачами исследований являлись:

проверка общей работоспособности системы защиты от боксования;

исследование работы выпрямительно-инверторного преобразователя при действии системы защиты от боксования;

исследование формы выпрямленного напряжения н тока в цепи тягового двигателя.

Лабораторные испытания макетного образца системы защиты от боксования показали правильность предложенных идей и работоспособность предлагаемой СЗБ. Характер процессов, протекающих в выпрямительно-инверторпом

преобразователе, полностью совпадал с их теоретическим изложением. В результате проведения экспериментов были получены осциллограммы, часть которых приводится в диссертации.

После проведения лабораторных испытаний, показавших вполне обнадеживающие результаты, были проведены испытания опытного образца системы защиты от боксования па электровозе переменного тока с плавным зонно-фазовым регулированиеVI напряжения типа ВЛ80Р или ВЛ85. Промышленные испытания опытного образца СЗБ проводились в депо Богогол Красноярской железной дороги на электровозе пере.менного тока ВЛ80Р № 1561 с псездсг.; массы 1400т на участке Ачинск-Боготол. В ходе эксперимента СЗБ подключалась к первому по ходу движения ВИПу, и воздействие оказывалось только па первую по ходу движения пару тяговых двигателей. Работоспособность опытного образца СЗБ проверялась при различных режимах работы электровоза (работа при полном и ослабленном возбуждении тяговых двигателей, при различных величинах угла регулирования ар и различных зонах регулирования). Система защиты от боксования работала как по сигналу датчика боксования релейного типа (реле боксования), так и принудительно при отсутствии боксования (этот режим работы был необходим для детальной оценки работы СЗБ при различных величинах угла регулирования а,,).

В результате проведенных исследований было выявлено отсутствие каких-либо бросков или резких колебаний силы тяги электровоза. Боксование вызывалось интенсивным увеличением величины напряжения на тяговых двигателях машинистом. При действии СЗБ тяговый ток двигателей передней но ходу движения тележки был в среднем на 50 - 100 А ниже, чем ток па остальных двигателях. Иногда наблюдалось боксование задних по ходу движения тяговых двигателей, в то время как передняя пара двигателей, преобразователь которых работач в режиме пропуска полупериодов, работала без боксования. В ходе экспериментов были получены осциллограммы, часть из которых приводится в диссертации. Эксперименты показали полную работоспособность предложен-

ной системы защиты от боксования и правильность выбранного направления исследований.

Пятая глава посвящена определению экономической эффективности рекомендуемого варианта системы защиты от боксования.

Были определены затраты на оборудование одного электровоза BJI80P предложенной системой защиты от боксования, которые составляют 19038 р. на один электровоз в ценах июня 1999 г. Экономическая эффективность системы защиты определялась применительно к участку Мариннск — Красноярск Красноярской железной дороги, имеющему III тип профиля пути.

Экономическая эффективность рассчитывалась исходя из экономии электроэнергии на тягу поезда и снижения расхода песка, достигаемых за счет использования предлагаемой системы защиты от боксования. В результате проведенных расчет ов с использованием статистического материала о режимах работы электровозов па рассматриваемом участке, полученного в результате опытных поездок, удалось установить, что экономия электроэнергии составит 1,05% от общего расхода электроэнергии па тягу поездов, экономия песка составит 21% от общего расхода песка для выше названного участка. Чистый дисконтированный доход за срок службы системы защиты от боксования составит 58628 р. в ценах июня 1999 г., индекс доходности составляет 3,1 р. на каждый вложенный рубль затрат, срок окупаемости равен 2,3 г.

Таким образом, улучшение противобоксовочных свойств электровозов за счет применения более совершенных устройств обнаружения и прекращения боксования дает значительный экономический эффект даже без учета эффекта от уменьшения износа материалов рельса и бандажа колесной пары.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Противобоксовочные качества локомотива и характерные особенности процессов возникновения и развития боксования (юза) во многом зависят от структуры силовой цепи локомотива и системы управления. Эффективность противобоксовочных устройств определяется, в свою очередь, выбором пара-

18

метра, на который реагирует датчик боксования, а также способом прекращения боксования.

2. Наиболее рациональным способом прекращения боксования является кратковременное снижение силы тяги на ободе боксующей колесной пары путем уменьшения напряжения, подведенного к ее тяговому двигателю. Применение этого способа на отечественных локомотивах ограничено, особенно из-за отсутствия индивидуализации противобоксоночного воздействия.

3. Проведен поиск и найдено нетрадиционное решение в одной из составляющих процесса защиты от боксования - реализации средств воздействия на ненормальный режим, при этом сохранена групповая система питания многоосного тягового привода электровоза при доступной индивидуализации воздействия. Новизна результатов поиска подтверждена свидетельством на полезную модель № 73S7 с приоритетом от 24 июля 1997 г. по заявке № 97112718, зарегистрированной в Роспатенте от 24 июля 1997 года и свидетельством на полезную модель № 11162 с приоритетом от 9 февраля 1999 г. по заявке Лг» 99102448, зарегистрированной 16 сентября 1999 года.

4. Предложено в протипобоксовочнон системе для электровозов с зонпо-фазовым регулированием напряжения защиту от боксования осуществлять путем индивидуального снижения напряжения на тяговых двигателях боксующих колесных пар при сохранении единой системы фазового регулирования. Особо следует отметить отсутствие изменений в силовой схеме электровоза при установке системы защиты от боксования, что легко позволяет осуществлять модернизацию в условиях депо.

5. Обоснованы технические приемы ашжеиия напряжения па тяговых двигателях, связанные с боксующими колесными парами, при этом особенно подчеркнута необходимость высокого быстродействия па основе воздействия на электронные устройства системы управления тяговым электроприводом.

6. Проанализированы процессы, протекающие в выпрямительно-пнвертогных преобразователях электровоза при действии системы защиты от боксования.

7. Выполнен сравнительный анализ показателей коэффициента мощности электровоза при неработающей и при действующей системе защиты от боксо-вания. На основании выполненных расчетов сделано заключение, что при пропуске полупериодов выпрямленного напряжения значения коэффициента мощности не ухудшаются.

8. Проведенные лабораторные и эксплуатационные испытания опытных образцов противобоксовочной системы подтвердили реализуемость предложений и принятых технических решений.

9. Улучшение противобоксовочных свойств электровозов за счет применения более совершенных устройств обнаружения и прекращения боксования дает значительный экономический эффект даже без учета экономии средств от уменьшения износа материалов рельса и бандажа колесной пары.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1.Л. С. на полезную модель 7387 Россия, МКИ В6Н.С15/12. Электронна система защиты от боксования электровоза с плавным зоино-фазовым регулированием напряжения/ В. Н. Лисупов, Н. В Есин (Россия). -№ 97112718/20 -09; Заявлено 24.07.97; Опубл. 16.08.98, Б юл. № 8. - 2 е.: ил.

2. Лисупов В. Н., Есин Н. В. Современное состояние н тенденции развития защиты от боксования и юза колесных пар локомотивов// Состояние и перспективы развития элсктроподвнжного состава: Тезисы докладов И международной конференции./ Всесоюз. н.-и., просктно-конструкт. и техпол. ин-т электровозостроения. Новочеркасск, 1997. 244 с.

3. Лисупов В. Н., Есин Н. В. Электронная система защшы от боксования// Исследование процессов взаимодействия объектов железнодорожного транспорта с окружающей средой: Сб. научи, тр./Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 1998. 130 с.

4. Лнсупов В. Н., Есин Н. В. Электронная защита от боксования на электровозах с бесступенчатым регулированием напряжения// Железнодорожный транспорт Сибири: проблемы и перспективы: Материалы межвуз. науч.-техн. конф./Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 1998. 130 с.

5. Есин Н. В. Быстродействующая противобоксовочная система для электровоза иеремсшюго тока// Совершенствование устройств подвижного состава, электрификации, автоматики и связи железнодорожного транспорта: Сб. науч. статен/ Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 1998. ¡69 с.

6. Л. С. на полезную модель 11162 Россия, МКИ В611X15/12, В60ЬЗ/10. Электронная система защиты от боксования электровоза с плавным зонно-фазовым регулированием напряжения/ В. Н. Лисуиов, Н. В Есин (Россия). 99102448/20 - 02; Заявлено 09.02.99; Опубл. 16.09.99, Бюл. № 9.-2 е.: ил.

7. Есин Н. В. Возможный способ защиты от боксования для электровозов с зонно-фазовым регулированием напряжения// Повышение тягово-энерготической эффективности и надежности элегстроподвижного состава: Межвуз. темаг. сб. науч. тр./ Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 1998. 140 с.

8. Л пеунов В. II., Есин II. В. Система зашиты от боксования для электровозов с плавным регулированием напряжения// Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении: Материалы отраслевой науч.-техн. копф. / Ростовский гос. ун-т путей сообщения. Ростов на Дону, 1998. 280 с.

Типография ОмГУПСа. Заказ 60. Тираж 100 экз.

Ведение.

1. Обзор существующих систем обнаружения и защиты колесных пар локомотивов от боксования, постановка задачи и выбор принципиальных решений.

1.1. Общие сведения.

1.2. Способы и устройства обнаружения боксования и юза.

1.3. Способы и устройства прекращения боксования и юза.

1.4. Постановка задачи и выбор принципиальных решений.

2. Разработка системы защиты от боксования.

2.1. Обоснование способа защиты от боксования.

2.2. Анализ работы выпрямительно-инверторного преобразователя при действии системы защиты от боксования.

2.3. Разработка схемотехнических решений предлагаемой системы защиты от боксования.

3. Сравнительный анализ показателей коэффициента мощности электровоза при не работающей и при действующей системе защиты от боксования.

3.1. Общие сведения.

3.2. Расчет коэффициента мощности при отсутствии пропусков полупериодов выпрямленного напряжения.

3.3. Расчет коэффициента мощности при пропуске полупериодов выпрямленного напряжения на зонах со второй по четвертую.

3.4. Расчет коэффициента мощности при пропуске полупериодов выпрямленного напряжения на первой зоне регулирования.

3.5. Выводы.

4. Экспериментальные исследования системы защиты от боксования.

4.1. Общие сведения.

4.2. Испытания макетного образца системы защиты от боксо-вания в лабораторных условиях.

4.3. Испытания опытного образца электронной системы защиты от боксования на электровозе в условиях эксплуатации.

5. Определение экономической эффективности рекомендуемого варианта системы защиты от боксования.

5.1. Общие положения.

5.2. Расчет экономической эффективности применения системы защиты от боксования.

Характерной особенностью современного этапа развития железнодорожного транспорта является его работа в условиях глубокого экономического кризиса. Являясь одной из важнейшей отраслей экономики России, от эффективности действия которой зависит нормальное функционирование многих сфер производства, железнодорожный транспорт в полной мере испытывает на себе влияние инфляционных процессов, поразивших всю страну. Обвальное снижение объема перевозок, значительное удорожание материальных ресурсов и другие многочисленные факторы поставили вопрос о выживании железнодорожного транспорта как отрасли. В связи с кризисными явлениями резко обострилась проблема всестороннего снижения эксплуатационных расходов, в том числе снижение потребления электроэнергии на тягу поездов, уменьшение износа оборудования и устройств и т. д. Проблема ресурсосбережения является сегодня одной из важнейших тем исследований, проводимых учеными и специалистами железнодорожного транспорта. Вопросы ресурсосбережения проходят красной нитью через решения практически всех коллегий, совещаний руководителей различных уровней. Таким образом, в настоящее время ресурсосбережение приобрело важнейшее значение в стратегии МПС по сокращению издержек и позволяет поддерживать безубыточную работу отрасли в сложных экономических условиях. Требование снижения эксплуатационных расходов выдвигают на первый план внедрение ресурсосберегающих технологий и технологических средств, что нашло отражение в Указании МПС «О программе ресурсосбережения на 1999 год», утвержденной Постановлением коллегии МПС России от 22 - 23 декабря 1998 года № 26. Одним из важнейших факторов ресурсосбережения является экономия электроэнергии. Об этой задаче говорится в Федеральной целевой программе «Электроснабжение России», утвержденной правительством страны 24 января 1998 г., а также в отраслевой

Программе энергосбережения на железнодорожном транспорте в 1998 -2000 и на период до 2005 г.», утвержденной указанием МПС России 9 октября 1998 г.

Наряду с экономией электроэнергии, еще одним из важных вопросов ресурсосбережения является проблема интенсивного износа колеса и рельса. Эта проблема постоянно находится в центре внимания специалистов локомотивного, путевого и вагонного хозяйств. Об актуальности данной проблемы свидетельствует то, что на многих дорогах и, в частности, на Восточно-Сибирской железной дороге интенсивность износа рельсов в конце 90-х годов возросла в 4 - 5 раз по сравнению с началом 80-х годов, причем увеличение интенсивности износа рельсов происходило как при уменьшении грузонапряженности, так и уменьшении средних нагрузок, приходящихся на ось вагона /1/. Многие железные дороги несут большие экономические потери, связанные с преждевременной сменой рельсов (на некоторых участках срок службы рельсов не превышает и одного года, как сообщается в /I/), периодическими обточками колес подвижного состава и уменьшением их ресурса.

В работах многих ученых указывается, что одной из основных причин, приводящих к увеличению износа материалов колеса и рельса, является повышенное скольжение колес тягового подвижного состава относительно рельсов в результате эксплуатации локомотивов на пределе по сцеплению и применение песка для ликвидации процесса боксования. Также повышенное скольжение колес локомотива относительно рельса приводит к увеличению расхода электроэнергии на тягу поездов /2/.

Проблемам реализации сил тяги и сцепления посвятили свои труды многие видные отечественные ученые и специалисты. Среди современных исследований необходимо отметить работы Д. К. Минова, В. Е. Розенфель-да, И. П. Исаева, Н. Н. Сидорова, О. А. Некрасова, А. А. Лисицына, Л. А. Мунгинштейна, Е. Г. Бовэ, Г. В. Фаминского, Н. Н. Меншутина,

В. Н. Хлебникова, В. Н. Лисунова, В. О. Мелька, А. Л. Голубенко и др. Немало разработок противобоксовочных систем на уровне изобретений выполнено коллективами ученых и специалистов ВНИИЖТа, ВЭлНИИ, МГУПСа (МИИТа), ПГУПСа (ЛИИЖТа) и других железнодорожных вузов.

Создание силы тяги локомотивом неразрывно связано с реализацией сил трения (сцепления) между колесом и рельсом. Поэтому повышение мощности привода, приходящейся на каждую движущую ось, обостряет проблему защиты от боксования и юза колесных пар, поскольку силы трения в зоне контакта «колесо - рельс» не беспредельны. Необходимо отметить, что задача борьбы с боксованием возникла одновременно с созданием самодвижущихся экипажей и остается одной из центральных на всех этапах использования локомотивной тяги.

Внедрение автоматизации управления эксплуатационными режимами локомотива выдвигает повышенные требования к защите колесных пар локомотива от боксования и юза. Особенно способствует развитию боксования автоматический пуск при плавном регулировании напряжения. Если не принять специальных мер, то быстродействующая система регулирования способна поддерживать пусковой ток неизменным и при начавшемся боксо-вании, резко интенсифицируя его. Требуется не менее быстродействующая электронная система защиты от боксования колесных пар локомотива.

На сети железных дорог России остается еще довольно много локомотивов прежних лет выпуска, которые находятся в удовлетворительном техническом состоянии и выполняют основной объем перевозок. В условиях глубочайшего экономического кризиса рассчитывать на скорую замену этих локомотивов более совершенными не приходится, тем более что многие серим локомотивов не выработали свой ресурс. Особенно это относится к электровозам переменного тока с плавным зонно-фазовым регулированием напряжения, таким как ВЛ80Р, В Л 85 и ВЛ65.

Существующие системы защиты от боксования, использующиеся на указанных локомотивах, не в полной мере отвечают требованиям защиты колесных пар от боксования, в частности из-за отсутствия селективности противобоксовочного воздействия, при которой потери силы тяги, а, следовательно, и скорости будут минимальными. Таким образом, вопрос борьбы с боксованием колесных пар локомотивов, оборудованных системой плавного бесконтактного регулирования напряжения на двигателях, приобретает еще большую остроту и актуальность. Модернизация и техническое усовершенствование указанных серий локомотивов, особенно в области улучшения их тягово-энергетических качеств, позволит повысить эксплуатационные показатели этих электровозов.

Проблема борьбы с боксованием является комплексной, состоящей из двух задач, первой из которых является задача установления границы между необходимым и избыточным скольжением (собственно обнаружение боксования). Вторая и не менее важная задача состоит в поиске и реализации средств воздействия, предупреждающих или локализующих процесс.

За период существования локомотивов с индивидуальным электроприводом предложены сотни устройств обнаружения боксования и юза. В настоящее время их число стремительно растет, т. к. технические возможности реализации, в том числе и по быстродействию, значительно расширились за счет средств электроники и микропроцессорной техники. Хотя и медленно, но дело движется к тому, что высокоточные датчики боксования (юза), обнаруживающие эти ненормальные режимы на достаточно ранней стадии или даже предупреждающие их, будут созданы.

Однако остается не решенной вторая составляющая комплексной задачи борьбы с боксованием колесных пар локомотивов с электроприводом -поиск и реализация средств воздействия для прекращения боксования (юза) после его обнаружения. Дело в том, что системы электропитания и управления тяговым электроприводом на современных отечественных локомотивах, в частности на электровозах, являются групповыми, тогда как каждый ко-лесно-двигательный блок имеет индивидуальную возможность входа в режим боксования и выхода из него. Для предупреждения, локализации и выхода из боксования существуют только два пути: уменьшение вращающего момента приводного двигателя (снижение усилия тяги) или увеличение силы сцепления колес с рельсом. Наиболее рациональным способом предупреждения или прекращения боксования является снижение силы тяги на ободе боксующей колесной пары за счет уменьшения вращающего момента ее тягового двигателя. Ни одно из указанных воздействий не имеет на отечественных локомотивах адресной (конкретной для определенного колесно-двигательного блока) направленности, а наиболее целесообразный по многим параметрам прием снижения напряжения на двигателях может быть осуществлен только для всех двигателей, что приводит к значительным потерям силы тяги и, следовательно, скорости и ухудшает технико-экономические показатели работы локомотива. Также снижение напряжение на всех тяговых двигателях, как боксующих, так и не боксующих, может привести к растяжке поезда.

В данной работе сделана попытка решения второй составляющей комплексной задачи борьбы с боксованием - индивидуализации противобоксо-вочного воздействия на колесно-двигательные блоки (КДБ) электровоза после обнаружения повышенного скольжения.

Основной целью данной работы является улучшение противобоксо-вочных свойств электровозов переменного тока, оборудованных системой плавного зонно-фазового регулирования напряжения на тяговых двигателях на базе управляемых (тиристорных) преобразователей, путем решения проблемы сочетания групповых систем питания и управления тяговым электроприводом с доступной индивидуализацией противобоксовочного воздействия на каждый (по возможности) колесно-двигательный блок при боксова-нии колесных пар.

Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи: анализ противобоксовочных систем существующего парка тягового подвижного состава и определение путей повышения их эффективности; поиск и реализация оптимальных средств воздействия на боксующий КДБ для вывода его из ненормального режима работы с обеспечением селективности противобоксовочного воздействия, по крайней мере, для каждой пары КДБ электровоза; исследование работы выпрямительно-инверторных преобразователей и характера изменения коэффициента мощности электровоза при действии системы защиты от боксования; разработка и экспериментальная проверка устройств защиты от боксования на локомотивах указанных выше серий.

При решении поставленных задач выбран наиболее рациональный способ локализации и прекращения боксования - снижение подводимого к тяговым двигателям напряжения и разработан способ его осуществления для указанных выше электровозов, позволяющий индивидуализировать противобоксовочное воздействие для каждой пары двигателей независимо от штатной централизованной системы управления тяговыми двигателями. Проведен анализ процессов, протекающих в выпрямительно-инверторных преобразователях электровоза при действии системы защиты от боксования. Исследовано влияние работы противобоксовочной системы на значения коэффициента мощности электровоза. Разработаны и экспериментально проверены схемные решения системы защиты от боксования. Новизна предложенных в работе идей подтверждена двумя авторскими свидетельствами на полезную модель.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Противобоксовочные качества локомотива и характерные особенности процессов возникновения и развития боксования (юза) во многом зависят от структуры силовой цепи локомотива и системы управления. Эффективность противобоксовочных устройств определяется, в свою очередь, выбором параметра, на который реагирует датчик боксования (юза), а также способом прекращения боксования (юза).

2. Задача борьбы с боксованием (юзом) не ограничивается только его обнаружением; вторая и не менее важная сторона задачи состоит в поиске и реализации средств воздействия, предупреждающих или локализующих процесс. Только комплексное решение двуединой задачи может привести к желаемому результату, недооценка каждой из указанных составляющих или сосредоточение внимания на одной из них может привести к тому, что усиленный поиск и соответствующие эксплуатационные затраты на средства обнаружения боксования (юза) не будут оправданы из-за невозможности реализации алгоритмов воздействия.

3. Наиболее рациональным по многим показателям способом прекращения боксования является кратковременное снижение силы тяги на ободе боксующей колесной пары за счет уменьшения вращающего момента её тягового двигателя. В свою очередь, из рассмотренных в данной работе способов уменьшения силы тяги, наиболее предпочтительным с точки зрения ресурсосбережения, материалоемкости и экономичности является способ снижения напряжения, подведенного к тяговому двигателю боксующего колес-но-моторного блока. Применение этого способа на отечественных локомотивах далеко от совершенства, особенно из-за отсутствия адресной (конкретной для определенного колесно-двигательного блока) направленности противобоксовочного воздействия, при этом наиболее целесообразный по многим параметрам прием снижения напряжения на двигателях может быть осуществлен только для всех из них, что снижает общее тяговое усилие локомотива. Селективность противобоксовочной защиты во многом определяется схемными решениями силовой цепи локомотива, а также способами обнаружения и прекращения боксования.

4. В настоящее время имеются возможности индивидуализации управления каждым тяговым двигателем при общей групповой системе питания для отечественных электровозов с плавным зонно-фазовым регулированием напряжения. Управляемые полупроводниковые вентили открывают новые возможности в этом направлении, когда разнонагруженность тяговых двигателей можно сделать управляемой и только в те периоды времени, когда в этом есть необходимость, однако реализация этой возможности сдерживается единой системой фазового регулирования (один фазорегулятор на каждой зоне для всего электровоза). Задача может быть решена за счет выходных каскадов усилителей, формирующих управляющий сигнал открытия соответствующих тиристоров плеча преобразователя для каждого из двигателей.

5. Проведен поиск и найдено нетрадиционное решение в одной из составляющих процесса защиты от боксования - реализации средств воздействия на ненормальный режим, при этом сохранена групповая система питания многоосного тягового привода электровоза при доступной индивидуализации воздействия. Новизна результатов поиска подтверждена свидетельством на полезную модель № 7387 с приоритетом от 24 июля 1997 г. по заявке № 97112718, зарегистрированной в Роспатенте от 24 июля 1997 года и свидетельством на полезную модель № 11162 с приоритетом от 9 февраля 1999 г. по заявке № 99102448, зарегистрированной 16 сентября 1999 г.

6. Предложено в противобоксовочной системе для электровозов с зонно-фазовым регулированием напряжения защиту от боксования осуществлять путем индивидуального снижения напряжения на тяговых двигателях боксующих колесных пар при сохранении единой системы фазового регулирования за счет незначительного изменения алгоритма управления выходными каскадами усилителей системы управления преобразователем, принадлежность которых конкретна для каждого из двигателей. При сохранении групповых систем питания и зонно-фазового принципа управления тяговым электроприводом всего электровоза удается индивидуализировать выдачу сигнала открытия плеча выпрямителя соответствующей пары двигателей, а при незначительном усовершенствовании - и для каждого из двигателей. Изменение алгоритма управления заключается в прицельном формировании сигнала запрета на выдачу управляющего импульса для открытия соответствующих тиристоров, т. е. в искусственном пропуске полуволны выпрямленного напряжения, при этом на зонах выше первой может сниматься только добавка напряжения.

7. Теоретически обоснованы технические приемы снижения напряжения на тяговых двигателях, связанные с боксующими колесными парами, при этом особенно подчеркнута необходимость высокого быстродействия на основе воздействия на электронные устройства системы управления тяговым электроприводом.

8. Проведен анализ процессов, протекающих в выпрямительно-инверторных преобразователях электровоза при действии системы защиты от боксования. Предложено для сохранения неизменной логики работы ВИПа на 1-й зоне регулирования, осуществлять подачу импульсов а0 на плечо У86 вместо плеча УБЗ в соответствующий полупериод питающего напряжения. На остальных зонах регулирования предлагается снижать напряжение на выходе преобразователя путем запрета подачи регулируемых по фазе импульсов управления на соответствующие плечи преобразователя.

9. Получены закономерности степени снижения напряжения на выходе ВИП в зависимости от периодичности пропуска полупериодов выпрямленного напряжения и фазы регулирования. Выявлено уменьшение эффективности действия системы защиты от боксования при величине угла регулирования Ор близком к Ортах. Устранить этот недостаток предложено путем пропуска выпрямленного напряжения не только находящейся в работе зоны регулирования, но и предыдущей при некотором усложнении алгоритма работы системы защиты и ее конструкции.

10. Проведен сравнительный анализ показателей коэффициента мощности электровоза при не работающей и при действующей системе защиты от боксования. Получены выражения для расчета коэффициента мощности при различной частоте пропуска полупериодов выпрямленного напряжения для всех зон регулирования с учетом начального угла открытия тиристоров а0. На основании выполненных расчетов можно заключить, что при пропуске полупериодов выпрямленного напряжения значения коэффициента мощности улучшаются по сравнению со значениями коэффициента мощности при отсутствии пропусков. В среднем, при пропуске полупериодов с частотой от каждого второго до каждого 6-го на первой зоне регулирования и от каждого первого до каждого 5-го на последующих зонах регулирования коэффициент мощности равен 0,782, что выше на 0,13% по сравнению со значениями коэффициента мощности при отсутствии пропусков полупериода. Увеличение коэффициента мощности приводит к уменьшению полного тока тяговой сети за счет снижения реактивных токов в среднем на 0,13%.

11. Разработана конструкция системы защиты от боксования, реализующая предложенный алгоритм противобоксовочного воздействия. Важным достоинством предлагаемой системы защиты является возможность индивидуализации выдачи сигнала открытия плеча выпрямителя для соответствующей пары двигателей, а при незначительном усовершенствовании - и для каждого из двигателей, при сохранении единой системы управления тяговыми двигателями электровоза.

12. Проведенные лабораторные и эксплуатационные испытания опытных образцов противобоксовочной системы подтвердили реализуемость предложенных идей и принятых технических решений.

13. Использование рассмотренной системы защиты от боксования позволяет значительно сократить расход песка (до 21% от общего расхода песка применительно к рассмотренному в работе участку железной дороги) и уменьшить тем самым негативные последствия его применения (увеличение сопротивления движению локомотива, повышенный износ материалов бандажа и рельса, имеющими место при применении песка), сократить расход электроэнергии на тягу поезда за счет уменьшения относительной скорости скольжения колес относительно рельсов (до 1,05% от общего расхода энергии применительно к рассмотренному в работе участку железной дороги), уменьшить потери силы тяги, а, следовательно, и скорости при реализации противобоксовочного воздействия, вследствие чего улучшаются технико-экономические показатели работы локомотива. Улучшение противобоксо-вочных свойств электровозов за счет применения более совершенных устройств обнаружения и прекращения боксования дает значительный экономический эффект даже без учета эффекта от уменьшения износа материалов рельса и бандажа колесной пары.

14. В результате использования предлагаемой системы защиты от боксования появляется возможность автоматического прекращения боксования наиболее выгодным во всех отношениях способом на уже эксплуатирующихся в России электровозах с плавным зонно-фазовым регулированием напряжения. Учитывая высокое быстродействие предлагаемой защиты, был рассмотрен вопрос о повышении быстродействия всей системы защиты с возможностью придания ей превентивных свойств, т.е. использование сигнала о боксовании по его приближении, а не реакции на уже начавшийся процесс. Для этой цели традиционное реле боксования становится малопригодным из-за повышенной инерционности и релейного характера выходного сигнала.

15. Предлагаемая быстродействующая защита от боксования открывает дополнительные возможности борьбы с этим ненормальным режимом с точки зрения ускорения получения сигнала и о его начале, и о его приближении, т.е. может удовлетворить условиям превентивности. Учитывая, что сама предлагаемая система ликвидации боксования может работать от любого датчика, в том числе и от существующего (РБ), открываются новые возможности повышения общего быстродействия вплоть до предупреждения боксования, что особенно важно и привлекательно.

16. Предложенные в данной работе решения позволяют создавать для эксплуатирующихся в настоящее время электровозов с плавным зонно-фазовым регулированием напряжения системы управления, построенные по принципу раздельного автоматического регулирования каждым выпрями-тельно-инверторным преобразователем (модульные схемы), при сохранении в значительной степени преимуществ групповой схемы питания тяговых машин, что расширяет возможности осуществления селективного автоматического противобоксовочного воздействия и позволяет значительно улучшить тяговые свойства локомотива. Особо следует отметить отсутствие изменений в силовой схеме электровоза при установке системы защиты от боксования, что легко позволяет осуществлять модернизацию в условиях депо. В дальнейшем на основе предложенных в данной работе решений возможно создание автоматических самоадаптирующихся систем регулирования силы тяги двигателей на пределе по сцеплению.

17. Предложенное и испытанное устройство индивидуализации воздействия при групповых системах питания в тяговом электроприводе способно решить и еще одну проблему многоосного тягового электропривода, которая остается важной до сегодняшнего дня: способность постоянно действующего различного нагружения отдельных тяговых блоков в экипаже, например, в сцепе двух или нескольких локомотивов при управлении с одного поста, причем степень разнонагруженности может быть любой и меняющейся в процессе движения.

157

18. Принцип индивидуализации напряжения рассмотрен применительно к электроприводу с двигателями пульсирующего тока, однако задача может быть решена и для привода с двигателями асинхронными и вентильными, поскольку вращающий момент последних напрямую зависит от приложенного напряжения.

19. Все изложенное подтверждает перспективность использования принципа индивидуализации при общей групповой системе тягового электропривода; интерес представляет и сама идея нетрадиционного регулирования напряжения, которую можно условно назвать зонно-пересчетной (вместо зонно-фазовой). Это позволяет надеяться на продолжение поисковых исследований в данном направлении.

1. Коротаев Б. В. Износ термоупрочненных рельсов Р65 в сложных условиях эксплуатации Восточно-Сибирской железной дороги: Дис. канд. техн. наук./Новосибирск, 1999. 165 с.

2. Лисунов В. Н. Использование сил взаимодейст вия движущих колес с рельсами в режимах тяги и торможения: Учебное пособие/ Омская гос. акад. путей сообщения, 1994. 67 с.

3. Минов Д. К. Повышение тяговых свойств электровозов и тепловозов с электрической передачей./ М.: Транспорт, 1965. 268с.

4. Чернов Р. В. Современная противобоксовочная защита на электровозах. / Уральский электромех. ин-т инж. трансп. Свердловск, 1977. 39 с.

5. Бовэ Е. Г. О допустимой чувствительности реле боксования. // Электрическая и тепловозная тяга. 1963. №6.С.38-41.

6. Электровоз ВЛ10. Руководство по эксплуатации /Под общ. ред. Кикнадзе О. А./М.: Транспорт, 1975. 520 с.

7. Электровоз ВЛ80Т. Руководство по эксплуатации./ М.: Транспорт, 1977. 568 с.

8. Анализ способов и устройств обнаружения и прекращения боксования (юза), в том числе по патентной информации: Отчет о НИР/ Омский ин-т инж. ж.-д. трансп.; Руководитель В. Н. Лисунов. № ГР 81017840; Инв. № 0282.6042642. Омск, 1982. 64 с.

9. Мельк В. О. Влияние структуры силовой цепи и системы управления на противобоксовочные свойства электровозов: Дис. канд. техн. наук. / Омск, 1987. 236 с.

10. А. с. 375217 СССР, МКИ В60ЬЗ/10. Устройство для предотвращения боксования тепловоза / В. И. Липовка , (СССР). -№ 1341875/24-7; Заявлено 09.06.69; Опубл. 23.03.73, Б. И. № 16. -2 с.

11. А. с. 457620 СССР, МКИ ВбОЬЗ/Ю. Устройство для защиты от боксования /Л. К. Филиппов, Ю. М. Перегудов, В. Л. Сергеев, В. С. Шалимов (СССР). № 1943054/24 - 7; Заявлено 16.07.73; Опубл. 25.01.75, Б. И. №3.-2 с.

12. Электровоз ВЛ85: Руководство по эксплуатации / Б. А. Тушканов, Н. Г. Пушкарев, Л. А. Позднякова и др./ М.: Транспорт, 1992. 480 с.

13. Прокофьев С. Н., Покровский С. В. Электронная защита от боксования и юза электровоза ВЛ65 // Локомотив. 1998. № 4. С. 18-21.

14. А. с. 509478 СССР, МКИ В60Т8/06. Устройство для обнаружения юза и боксования колесных пар подвижного состава. /Г. И. Титов, В.Н.Клименко, Г. Г. Марченко (СССР). № 2023874/27 - 11; Заявлено 30.04.74; Опубл. 05.04.76, Б. И. № 13. - 6 с.

15. А. с. 578205 СССР, МКИ В60ЬЗ/10 . Устройство для обнаружения боксования и юза локомотива. /А. И. Гольдштейн, В. П. Феоктистов, А. В. Япинь (СССР). № 2364080/11 - 07; Заявлено 26.05.76; Опубл.3010.77, Б. И. №40.-5 с.

16. А. с. 493994 СССР, МКИ ВбОЬЗ/Ю. Измеритель скольжения колесных пар локомотива Б. Г. Кузнецов, В. Е. Гайдуков, В. И. Казьмин, Л. К. Филиппов (СССР). № 2141164/27 - 11; Заявлено 04.06.75; Опубл.2508.78, Б. И. №15. -Юс.

17. А. с. 829458 СССР, МКИ В60ЕЗ/10. Измеритель скольжения колесных пар локомотива /А. М. Тарасов, В. Е. Гайдуков, Л. И. Кулагина, И. В. Торский (СССР). № 2802287/24 - 11; Заявлено 26.07.79; Опубл.1505.81, Б. И. № 18.-7 с.

18. Железнодорожный транспорт за рубежом. Сер. П: Подвижной состав// Локомотивное и вагонное хозяйство. 1995. Вып. 6. С. 17.

19. Пат. 51 1881 (Япония). Система управления электровозом. -Опубл. 21.01.1976.

20. Пат. 185903 (ГДР). Способ и устройство для определения процессов боксования и проскальзывания. Опубл. 05.06.1976.

21. А. с. 799976 СССР, МКИ ВбОЬЗ/Ю. Индикатор пробоксовки колесной пары. /В. Е. Гайдуков, Л. И. Кулагина (СССР). № 2777918/24 -11; Заявлено 27.04.79; Опубл. 30.01.80, Б. И. №4.-4 с.

22. А. с. 749704 СССР, МКИ ВбОЬЗ/Ю. Устройство для обнаружения и прекращения боксования и юза колесных пар локомотива. /К. И. Рудая, Ю. И. Евтеев, В. П. Чулков (СССР). № 2401377/24 - И; Заявлено 14.09.76; Опубл. 23.07.80, Б. И. № 27. - 3 с.

23. А. с. 725916 СССР, МКИ ВбОЬЗ/Ю. Цифровое устройство для обнаружения юза и боксования. /А. Я. Калиниченко, А. Г. Акимов, В. М. Власов, Н. Н. Стригун, В. Ш. Сакаев (СССР). № 2357566/27 - 11; Заявлено 05.05.76; Опубл. 05.04.80, Б. И. № 13. - 5 с.

24. Пат. 33514 (Англия). Противобоксовочная и противоюзная система. Опубл. 21.07.1976.

25. Железнодорожный транспорт за рубежом. Сер. П: Подвижной состав// Локомотивное и вагонное хозяйство. 1995. Вып. 4. С. 9 13.

26. Пат. 2639737 (ФРГ). Противобоксовочное устройство моторногорельсового экипажа. Опубл. 9.03.1978.

27. А. с. 422642 СССР, МКИ В60ЬЗ/10. Устройство для обнаружения боксования и юза колеса транспортного средства. /В. П. Шахов (СССР). -№ 1780317/27 11; Заявлено 26.04.72; Опубл. 05.04.74, Б. И. № 13. - 2 с.

28. А. с. 427879 СССР, МКИ В60Т8/06. Устройство обнаружения и прекращения боксования. /С. Е. Хрущев (СССР). № 1821869/27 - 11; Заявлено 22.08.72; Опубл. 15.05.74, Б. И. № 18. - 7 с.

29. Пат. 142420 (Англия). Способ повышения коэффициента сцепления колес подвижного состава с рельсами. Опубл. 11. 02. 1976.

30. Пат. 2178558 (Франция). Способ увеличения сцепления железнодорожного подвижного состава. Опубл. 9.11.1973.

31. А. с. 712296 СССР, МКИ В61С15/08. Способ увеличения сцепления колеса с рельсом. /Р. С. Бендиткис, Н. Н. Ляпушкин, И. А. Панькин, И. Т. Макаренко, А. В. Ляпушкина, А. А. Кирста,

32. С. Т. Дубовский, П. Г. Меньшиков (СССР). № 2668352/27 - И; Заявлено 12.10.78; Опубл. 30.01.80, Б. И. №4.-2 с.

33. Пат. 4230045 (США). Устройство для увеличения сцепления колес локомотива с рельсом. Опубл. 28.10.1980.

34. А. с. 732155 СССР, МКИ В61С15/08. Способ повышения сцепления колес железнодорожного транспортного средства с рельсами. /Ю. М. Лужнов, В. А. Попов (СССР). № 2722104/27 - 11; Заявлено 08.02.79; Опубл. 05.05.80, Б. И. № 17. - 3 с.

35. Пат. 50 20729 (Япония). Устройство для предотвращения боксования. Опубл. 17. 07 1975.

36. Пат. 51 11747 (Япония). Противобоксовочное устройство для электроподвижного состава. - Опубл. 13.04.1976.

37. А. с. 362722 СССР, МКИ В61С15/04. Устройство для повышения коэффициента сцепления ведущих колес локомотива с рельсами. /И. Л. Тимофеев (СССР). № 1495782/27 - 11; Заявлено 02.12.70; Опубл. 20.12.72, Б. И. №3.-2 с.

38. Пат. 2625962 (ФРГ). Противобоксовочный клапан железнодорожного подвижного состава. Опубл. 22.12.1977.

39. Пат. 50 14404 (Япония). Устройство предотвращения боксования колес. - Опубл. 27.05.1975.

40. А. с. 481472 СССР, МКИ В60ЬЗ/10. Устройство для импульсного регулирования электропривода подвижного состава. /А. Н. Буряк, Ю. Я. Зрянин, В. Н Чернявский (СССР). № 1987324/24 - 7; Заявлено 03.01.74; Опубл. 25.08.75, Б. И. № 31. - 8 с.

41. Пат. 48 24164 (Япония). Система управления тяговыми двигателями с последовательным возбуждением. - Опубл. 19.07.1973.

42. А. с. 437637 СССР, МКИ В61С15/08. Устройство для защиты от боксования колесных пар электроподвижного состава. /С. И. Карибов,

43. М. А. Вайсман, В. Р. Симонян (СССР). № 1309125/24 - 7; Заявлено 06.02.69; Опубл. 30.07.74, Б. И. № 28. - 5 с.

44. А. с. 735455 СССР, МКИ В60ЬЗ/10. Устройство занщгы от боксования тепловоза с электрической передачей. /В. Л. Сергеев, Ю.М. Перегудов, А. А. Будницкий. Г. А. Пупынин (СССР). № 2627627/24 -11; Заявлено 13.06.78; Опубл. 25.05.80, Б. И. № 19. -4 с.

45. А. с. 425825 СССР, МКИ В60Ь9/02. Силовая схема многосекционного электроподвижного состава. /В. Я. Свердлов (СССР). -№ 1875771/24 7; Заявлено 29.01.73; Опубл. 25.04.74, Б. И. № 16. - 8 с.

46. А. с. 735455 СССР, МКИ В60ЬЗ/10. Устройство защиты от боксования тепловоза с электрической передачей. /В. Л. Сергеев, Ю.М. Перегудов, А. А. Будницкий. Г. А. Пупынин (СССР). № 2627627/24 - 11; Заявлено 13.06.78; Опубл. 25.05.80, Б. И. № 19. -5 с.

47. Железнодорожный транспорт за рубежом. Сер. П: Подвижной состав// Локомотивное и вагонное хозяйство. 1995. Вып. 1. С. 35 49.

48. Прокофьев С. Н., Покровский С. В. Нужна ли электронная защита от боксования и юза? // Локомотив. 1997. № 10. С. 31 32.

49. Тихменев Б. Н., Голованов В. А., Басов Ю. А. Плавное регулирование выпрямленного напряжения на электровозах с тиристорами.// Исследование электровозов и электропоездов переменного тока: Труды ВНИИ ж,- д. транш. 1966. Вып. 312, С. 18-32.

50. Тихменев Б. А. Электровозы переменного тока со статическими преобразователями. М.: Трансжелдориздат, 1958. 268 с.

51. Костенко М. П., Пиотровский Л. М. Электрические машины. 4.1: Машины постоянного тока, трансформаторы. М., 1964. 548 с.

52. Тихменев Б. Н., Трахтман Л. М. Подвижной состав электрифицированных железных дорог. Теория работы электрооборудования. Электрические схемы и аппараты. М.; Транспорт, 1980. 471 с.

53. Гордиенко П. И. Испытания реле боксования РБ 6 с последовательным и параллельным соединением катушек //Сб. науч. тр. /Всесоюз. н. -и., проектно-конструкт. и технол. ин-т электровозостр. Новочеркасск, 1966. С. 329 - 332.

54. Лисунов В. Н. Коэффициент полезного действия сцепления // Исследование тягово-энергетических показателей электроподвижного состава: Межвуз. тематич. сб. научн. тр./ Омский ин-т инж. ж. д. транш. Омск, 1981. С. 27-30.

55. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиций на железнодорожном транспорте/ Московский гос. ун-т путей сообщения. М., 1997. 52 с.

56. Методические рекомендации по определению экономической эффективности мероприятий научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте/ВНИИЖТ МПС. М.: Транспорт, 1991. 239с.

57. Временная методика и инструкция по проведению опытных поездок для определения критических норм масс грузовых поездов при электровозной тяге: М.: ВНИИЖТ МПС, 1995. 29 с.