автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Исследование электропривода с изменяемой жесткостью тяговой характеристики

УДК 621382.2/3 На правах рукописи

КЛИМЕНКО Юрий Иванович

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ИЗМЕНЯЕМОЙ ЖЕСТКОСТЬЮ ТЯГОВОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2004

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском и кон-структорско-технологическом институте подвижного состава (ВНИКТИ).

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор ГРИЩЕНКО Александр Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Стрекопытов Виктор Васильевич

кандидат технических наук, доцент Бахолднн Валентин Иванович

Ведущее предприятие - ОАО ХК «Коломенский завод»

Защита состоится 25 июня 2004 г. в 1500 на заседании диссертационного совета Д218.008.05 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения Министерства путей сообщения Российской Федерации» по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 9,ауд.,5-407.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петербургского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан « » мая 2004 г.

Ученый секрет арь

диссертационного совета д.т.н., профессор

ОБШДЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время сложилось критическое положение с пополнением локомотивного парка. К 2010 г. выработают срок службы 67,8 % грузовых электровозов постоянного тока, 35,4 % грузовых электровозов переменного тока, 90,3 % магистральных грузовых тепловозов и 69,0% маневровых тепловозов.

Современный уровень развития силовой полупроводниковой преобразовательной техники и средств автоматизации позволяет значительно улучшить технические параметры, как модернизируемых локомотивов, так и проектируемых на перспективу. Одним из основных параметров характеризующих техническое совершенство тепловоза, это его производительность. Сдерживающим фактором повышения весов перевозимых составов является сцепление колес с рельсами. Известно, что повысить эффективность использования сцепления можно путем увеличения жесткости тяговой характеристики двигателя при буксовании колесной пары. Для тепловозов с электрической передачей мощности при параллельном подключении тяговых двигателей к синхронному генератору имеется возможность подвод мощности осуществлять индивидуально к каждому электродвигателю последовательного возбуждения. Это позволяет каждую ось тепловоза загружать в соответствии с силами сцепления без опасения развития буксования. Средствами управления возбуждением тягового генератора и напряжением на каждом тяговом двигателе можно дополнительно перераспределять тяговые усилия между осями в зависимости от динамических нагрузок на них. Эти же решения применимы и при использовании электрических передач переменного тока на тепловозах и электровозах с асинхронными тяговыми двигателями и преобразователями частоты и напряжения при условии раздельного подвода мощности к каждому тяговому двигателю.

Работа посвящена исследованиюэлектро-

способов регулирования э

юс. национальна; библиотека

привода, позволяющих решить проблему улучшения тяговых свойств тепловоза и создания эффективных систем противобуксовочной защиты.

Цель работы. Улучшение тяговых свойств тепловозов с учетом ограничения по сцеплению путем автоматического управления жесткостью тяговой характеристики коллекторного электродвигателя последовательного возбуждения.

Для достижения указанной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:

1. На основе проведенного анализа электрических передач и систем управления магистральных тепловозов обоснованы рациональная структура и функции перспективной системы управления тяговыми электродвигателями;

2. Разработана математическая модель тягового электропривода тепловоза, как нелинейной динамической системы автоматического управления для стационарных и нестационарных режимов работы;

3. Исследовано влияние динамических свойств системы синхронный генератор - выпрямитель - коллекторный электродвигатель последовательного возбуждения на процесс реализации касательной силы тяги при режимах буксования колесных пар;

4. Выполнена оптимизация функции управления по критерию реализации максимальной касательной силы тяги колесной парой и установлены возможности оптимизации алгоритмов динамического перераспределения касательной силы тяги между лимитирующими и компенсирующими колесными парами при буксовании;

5. Разработаны конструктивные и схемные решения системы управления тяговым электроприводом тепловоза, позволяющие повысить тяговые свойства тепловоза при плохих сцепных условиях колес с рельсами на 15%;

6. Проведены широкомасштабные эксплуатационные исследования

4 , ..«и \

! »¿атомг.4«-' | } % »

I , «я пл <*>

предлагаемой системы на модернизированных тепловозах, сделаны выводы и рекомендации для тиражирования подобных систем.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались теоретические и экспериментальные методы исследований. Теоретические исследования проводились с использованием основных положений теории автоматического регулирования и управления, теории электрических машин и теории локомотивной тяги. При теоретическом исследовании использовались методы имитационного математического моделирования. При натурных экспериментальных исследованиях использовались тепловозы 2ТЭ116 при тяговых испытаниях на Экспериментальном кольце ВНИИЖТа, при эксплуатационных испытаниях на участке Ртищево - Ко-четовка Юго-Восточной железной дороги.

Научная новизна работы.

1. Проведено исследование тягового электропривода тепловоза как нелинейного объекта регулирования в режиме буксования колесных пар.

2. Проведен выбор функциональной структуры электропередачи и системы управления, законов регулирования, обеспечивающих реализацию максимального тягового усилия на рельсах с ухудшенными сцепными свойствами.

3. Установлены закономерности, эффективно предотвращающие буксования колесных пар при различных коэффициентах жесткости тяговой характеристики.

4. Предложены алгоритмы регулирования, обеспечивающие сохранение общего тягового усилия тепловоза при одновременном буксовании до трех колесных пар посредством перераспределения касательной мощности между компенсирующими и лимитирующими колесными парами.

Практическая ценность:

1. Предложена система регулирования частоты вращения колесных

пар, обеспечивающая устойчивую работу электропривода во всем скоро-

5

стном диапазоне работы тепловоза.

2. Разработаны эффективные алгоритмы регулирования электропередачей тепловоза, обеспечивающие максимально возможную реализацию тягового усилия при ухудшенных условиях сцепления;

3. Создана микропроцессорная система управления электропередачей мощности и частотой вращения колесных пар;

4. Определены основные параметры настройки регуляторов электрической передачи мощности и частоты вращения колесных пар в режиме тяги и буксовании.

Реализация работы. Основные результаты диссертационной работы использованы при проведении модернизации 62 секций тепловозов 2ТЭ116К с продлением срока службы на Воронежском ТРЗ, создании тепловоза 2ТЭ116КМ №1135, разработке грузового тепловоза 2ТЭ70 на Коломенском тепловозостроительном заводе, разработке грузового тепловоза 2ТЭ25К на Брянском машиностроительном заводе.

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на: Третьей Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы развития локомотивостроения» (г. Ворошиловград, 1990 г.). Всероссийской научно-практической конференции «Автоматизация управления локомотивов и их систем на базе микропроцессорной техники» (г. Санкт-Петербург, ПГУПС, 1998 г.). Всероссийской научно-практической конференции «Совершенствование подвижного состава и его обслуживание» (г. Санкт-Петербург, ПГУПС, 1999 г.). Научной конференции (г. Коломна, КИМГОУ, 1999 г.). Шестидесятой научно-технической конференции «Неделя науки-2000» (г. Санкт-Петербург, ПГУПС, 2000 г.). Третьей международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электроподвижного состава» (г. Новочеркасск, 2000 г.). Научно-техническом совете МПС РФ, заседание топливно-энергетической

секции (г. Москва, 2000 г.). Четвертой научно-практической конференции 6

«Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (г. Москва, МИИТ, 2001 г.). Научно-техническом совете МПС РФ, заседание топливно-энергетической секции (г. Москва, 2000 г.). Научно-практической конференции «Транспортный электропривод 2001» (г. Санкт- Петербург, ОАО Электросила, 2001 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе два авторских свидетельств и четыре патента на изобретение.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы из 128 наименований, заключения и приложений. Работа содержит 188 страниц, в том числе 132 страниц машинописного текста, 58 страниц рисунков, 13 страниц списка литературы, 24 страницы приложений.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении показана актуальность темы, сформулированы цели научного и экспериментального исследования.

Первая глава посвящена анализу состояния вопроса по теме диссертации. Проведен анализ существующих теорий, объясняющих процессы образования сил сцепления колес с рельсами и факторов влияющих на снижение и увеличение данных сил. Обобщены требования к тяговому подвижному составу при реализации высоких коэффициентов сцепления. Проведен анализ наиболее распространенных существующих систем обнаружения и защит от буксования колесных пар электровозных и тепловозных электроприводов как отечественных, так и зарубежных с различным родом тока.

Отмечено, что проблемам повышения силы тяги и защит от избыточного скольжения колесных пар локомотивов посвящены исследования таких ученых как Д.К.Минов, А.Л.Голубенко, И.П.Исаев, В.В.Стрекопытов,

7

A.Д.Степанов, Н.Н. Меньшутин, Л.А.Мугинштейн, АЛ.Лисицын,

B.Д.Кузьмич, А.Т.Головатый, А.В.Плакс и др.

Глубокие теоретические и экспериментальные исследования по разработке устройств тяговых приводов для магистральных тепловозов содержатся в работах Л.К.Филлипова, В.Е.Гайдукова, В.С.Росланаса, Ю.М.Перегудова, В Л.Сергеева, В.НЛисунова, И.П. Аникиева и др.

Показана общность проблематики сцепления колес с рельсами для тягового подвижного состава различного назначения и пути ее наиболее рационального решения по технико-экономическим показателям. Сформулированы задачи, решаемые в рамках диссертационной работы.

Вторая глава посвящена разработке структурных схем электропередачи мощности от дизельной установки к тяговому двигателю и регуляторов частоты вращения колесных пар. Показано, что в зависимости от закона снижения и восстановлении касательной силы тяги при буксовании и после него определяется степень использования силы сцепления. Для определения буксования колесной пары необходимо установить датчик угловой частоты вращения на буксу. Таким образом, по мнению автора, наиболее точно выявляется причинно-следственная связь при обнаружении проскальзывания колесных пар.

Показано, что основной уровень помехи для датчика угловой частоты вращения типа ТГС 12Э, находятся в диапазоне от 1,1 до 2,5 Гц. Для их подавления применен программный фильтр низких частот второго порядка. Фильтрация сигнала привела к временной задержке сигнала, которая частично ликвидировалась вычислением производной угловой скорости и градиента ускорения. В итоге, сигнал о буксовании колесных пар определялся по разности угловых скоростей между минимальной и максимальной, по угловому ускорению колесной пары и по градиенту ускорения. В зависимости от разницы по скоростям, ускорению и изменению ускорения

во времени по нелинейной зависимости определялся темп снижения на-8

пряжения на двигателях, связанных с буксующей колесной парой. Условие включения регулятора частоты вращения колесных пар:

,еслиШ = со,-со^ >К-

илиъ} >0,6м/c1uлueJ > 2,4м/с2 ,приА(й> 0лЕ>0;

где I соответствует текущему времени, ] - номер буксующей колесной пары. К имеет пределы изменения от 3 до 12% в зависимости от скорости поступательного движения тепловоза. Этим коэффициентом определяется порог срабатывания противобуксовочной системы по разнице угловых скоростей колесных пар. Как показал практический опыт, снижать порог не имеет смысла по причине отклонений скоростных характеристик тяговых двигателей, а также кратковременных пробуксовок колесных пар при проезде станционных стрелок и переездов железнодорожного пути. Компенсация порога нечувствительности, а также разницы в диаметрах бандажей колесных пар и скоростных характеристиках тяговых двигателей достигается вычислением ускорения колесной пары. При выполнении упомянутого условия обнаружения избыточной скорости скольжения колесных пар напряжение на выходе управляемого выпрямительного моста изменяется согласно уравнению:

где иц - текущее выпрямленное напряжение, подведенное к тяговому двигателю механически связанного с боксующей колесной парой; 17^ - выпрямленное напряжение на момент обнаружения буксования; кц — коэффициент усиления по разности скоростей; Ащ = Щ-(Оты- разность между минимальной скоростью одной из осей колесных пар и боксующей; ку —

коэффициент усиления по ускорению колесной пары; - рассчитанное

ускорение боксующей колесной пары; - коэффициент усиления по величине изменения ускорения; - рассчитанное изменение ускорения.

Коэффициенты зависят, соответственно, от величины

и соотношения знаков между Такой выбор коэффициентов

объясняется поведением тяговых двигателей как динамического звена системы регулирования. У тяговых двигателей в зависимости от тока нагрузки значительно меняются электрическая и электромеханическая постоянные времени. В связи с этим значительно меняется динамика процессов буксования при изменении токовой нагрузки двигателя и меняется естественная жесткость тяговой характеристики. В дополнение предложенным законом регулирования напряжения искусственно изменяется жесткость тяговой характеристики в зависимости от интенсивности буксования. В процессе регулирования подводимого напряжения (мощности) к тяговому двигателю, в момент, когда угловое ускорение буксующей колесной пары равно нулю, напряжение на двигателе восстанавливается с темпом пропорциональным замедлению колесной пары. К моменту восстановления колесом сцепления на 75 ... 80% восстанавливается первоначальная касательная сила между колесом и рельсом. Далее по экспоненциальному закону происходит восстановление касательной силы тяги до полного использования касательной мощности. Такой алгоритм, как показали результаты моделирования и испытания на тепловозе, дает минимальные потери тягового усилия при буксовании. Чтобы иметь минимум потерь касательной мощности всего тепловоза, мощность, снятая с буксующей колесной пары распределяется между остальными за счет регулирования возбуждение тягового генератора. Таким образом, на выходе тягового синхронного генератора мощность остается постоянной, а на тяговом двигателе, связанном с буксующей колесной парой, снижается посредством управляемой выпрямительной установки. Для предложенного алго-10

ритма проведен выбор практической реализации электропривода: тяговый синхронный генератор, шестиканальная трехфазная управляемая мостовая выпрямительная установка (по числу двигателей), микропроцессорная система с датчиками тока, напряжения, угловой частоты вращения колесных пар. Для такого электропривода выбрана и реализована функциональная структура управления электрической передачи мощности от дизеля к тяговым двигателям, а также структур защиты тепловоза от буксования (рис.1).

Третья глава посвящена математическому исследованию электропривода тепловоза с передачей мощности от дизеля к тяговому двигателю переменно-постоянного тока, состоящего из тягового синхронного генератора (ТСГ), управляемой выпрямительной установки (БУ), тягового двигателя (ТД) последовательного возбуждения и механической системы, обеспечивающей преобразование электрического момента ТД в касательную силу тяги на ободе колеса колесной пары. В модели ТСГ, ВУ, и ТД представлены в виде звеньев системы автоматического регулирования. Учитывалось, что суммарная индуктивность якорной цепи ТД последовательного возбуждения и маховые массы, связанные с якорем ТД, создают условия для замедленных электромеханических переходных процессов в сравнении с электрическими процессами в управляемой ВУ.

Система уравнений синхронного генератора в относительных единицах (для преобразованных уравнений Горева-Парка):

Рис.1. Функциональная схема управления электроприводом

Так как относительные значения индуктивностей и соответствующих индуктивных сопротивлений равны друг другу (система "х^") ,то

Тогда выражения для потокосцеплений

Решая совместно уравнения, можно получить систему уравнений, описывающих переходные процессы в синхронном генераторе для удобства представленную в матричной форме

Учет выпрямительной нагрузки ТСГ осуществляется за счет дополнительных уравнений. ВУ заменена эквивалентным генератором постоянного тока, э.д.с. и внутреннее сопротивление которого зависят от схемы ВУ и режимов работы. Напряжение и ток эквивалентного генератора представляют собой среднее значение выпрямленного тока и напряжения.

После ряда преобразований получена передаточная функция ТСГ.

где Кп

Две составляющие тока нагрузки в обратной связи объясняются действием его продольной и поперечной составляющих. Из уравнений видно, что на холостом ходу поведение ТСГ в переходных режимах аналогично

инерционному звену первого порядка с постоянной времени Г ,. По мере

Л»

нагружения ТСГ его поведение в переходных режимах аналогично дополнительному включению звеньев: усилительного и форсирующего.

По известной расчетной схеме замещения ТД последовательного возбуждения. Учёт влияния вихревых токов, наводящихся в полюсах и станине, осуществляется за счет включения в расчетную схему короткозамкну-той обмотки, обтекаемой вихревым током.

Дифференциальные уравнения, по схеме замещения имеют вид

Эти уравнения нелинейны, т.к. содержат произведения переменных, а также коэффициенты уравнений, которые могут изменяться в зависимости от тока двигателя. Уравнения решались с помощью средств имитационного моделирования SIMULINK пакета организации вычислений MATLAB. Составлена имитационная модель тягового электродвигателя для исследований различных регуляторов частоты вращения колесных пар при буксовании (рис.2).

Рис.2. Имитационная модель тягового электродвигателя

Значительный объем исследований посвящен изучению электромагнитных и механических (частоты вращения колесной пары) процессов при буксовании колес. Для тягового двигателей последовательного и независимого возбуждения проведен анализ их демпфирующих свойств при приведении механических масс редуктора и к колесной пары к валу. Определены пределы изменения жесткости тяговой характеристики обеспечивающие исключение возможных колебательных процессов при буксовании. В зависимости от зоны нечувствительности при обнаружении буксования по разнице угловых скоростей вращения колесных пар и соотношения между коэффициентами кц, кц, ку получены разные жесткости тяговых характеристик двигателя.

На рис.3, показана тяговая характеристика для условия когда кц в три раза меньше и равно

б)

ГкЛГо

0,8 0,6 0,4 ОД

О 0,5 1,0 у,м/с

Рис. 3. Тяговая характеристика тепловоза при различных соотношениях коэффициентов усиления ку, и кц.

Исследовалось влияние различных законов регулирования частоты вращения колесных пар и различных коэффициентов усиления регулято-

ров на эффективность подавления буксования, за счет изменения динамической жесткости электромеханической характеристики. Доказано, что для двигателя с последовательным возбуждением за счет регулирования напряжения на якоре в функции частоты вращения оси колесной пары динамическая жесткость тяговой характеристики может быть выше, чем у двигателя с независимым возбуждением без регулятора частоты вращения. Выявлены взаимосвязи между жесткостью и различными коэффициентами усиления регулятора частоты вращения по разнице в скоростях и ускорениям Показано, что существует компромисс между уровнем динамической жесткости и среднереализуемой касательной силой тяги буксующего колеса. Определена жесткость динамической механической характеристики тягового двигателя на начальном этапе буксования и при дальнейшем развитии. Чтобы эффективно использовать очищающие действия первой по ходу колесной пары относительная величина динамической жесткости при избыточной скорости скольжения до 0,3 м/с не должна превышать 0,4 м/с, в дальнейшем при развитии буксования может достигать 3,6 м/с. Это позволяет снизить потерю возвратной касательной силы тяги, в сравнении с двигателями независимого возбуждения на 7%.

В четвертой главе рассмотрены результаты экспериментальных исследований системы на тепловозе. Проводилась регистрация электромеханических процессов в двигателе при проезде железнодорожного пути со сниженным сцеплением. На рис.4 показаны траектории буксования колесных пар на фазовой плоскости при регистрации угловой скорости вращения колесной пары.

&

Рис. 4. Траектория буксования колесной пары на фазовой плоскости

Процесс изменения касательной силы тяги при буксовании при различных настройках регулятора частоты вращения колесной пары (рис.5).

Рк/Ро

0,8

0,6

0,4

оа

О 0,25 0,5 у,м/е

Рис. 5. Изменение касательной силы тяги при буксовании

Получены результаты, подтверждающие эффективность работы тепловозов при ухудшенных сцепных условия. На осциллограмме (рис. 6) показана характерная картина электрических процессов в электропередаче при перераспределении касательной силы тяги между лимитирующей и компенсирующей колесными парами (во время испытаний тепловоза 2ТЭ116 № 1134 на Экспериментальном кольце ВНИИЖТ).

Рис.6. Осциллограмма поосного регулирования касательной силы тяги при буксовании

Пробуксовки одной оси и соответствующее снижение на ней касательной силы тяги компенсировалось электрическим догружением пятой и шестой осей. В среднем касательная сила тяги локомотива возрастает. Эффективность работы выбранного способа регулирования электрической передачей мощности и скоростью частоты вращения колесной пары при буксовании была подтверждена во время тяговых испытаний тепловоза 2ТЭ116 №1134 на Экспериментальном кольце ВНИИЖТа. В качестве результирующей характеристики тепловоза определялись реализуемые ко-

19

лесными парами коэффициенты тяги и коэффициенты сцепления в различных погодных условиях. Коэффициенты тяги определялись исходя из статической развески по осям тепловоза, измерением прогибов пружин буксового подвешивания и измерением токов тяговых двигателей. Коэффициенты сцепления определялись из условия, что он равен коэффициенту тяги в первый момент начала буксования. Вид кривой коэффициентов тяги получен после статистической обработки (усреднение на интервалах скоростей) за месяц тяговых испытаний тепловоза и гистограмма коэффициентов сцепления при скоростях движения тепловоза 8 ... 10 км/ч показаны на рис.7.

Шстограмма распределены коэффициентов сцепления дм тестя осей на интервале скоростей от 8 до 10 т/% кол-во точек • 343 Дпгрмт 23. К«1jdt

о? о? ч!?

Рис.7. Экспериментально полученные коэффициенты тяги

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Буксование колесных пар - это объективное явление, присущее локомотивам, работающим с пассажирскими и грузовыми поездами. Основными причинами буксования являются: статическое и динамическое перераспределение нагрузок по осям колесных пар, увеличение секционной мощности при относительно стабильной нагрузке на ось и изменение в широком диапазоне коэффициента сцепления колеса с рельсом. Выполненные исследования позволили решить актуальную научно-техническую задачу повышения тяговых свойств тепловозов с учетом ограничения по сцеплению путем автоматического управления жесткостью тяговой характеристики коллекторного электродвигателя последовательного возбуждения.

По результатам проведенных исследований сделаны следующие выводы:

1. Установлено, что система управления электропередачей тепловоза для реализации высоких коэффициентов тяги должна состоять и из трех основных контуров регулирования: передачи электрической мощности от дизеля к тяговому электродвигателю, динамического перераспределения касательной мощности между лимитирующими и компенсирующими колесными парами, а также частоты вращения каждой колесной пары.

2. На основании теоретических исследований доказано:

- для обеспечения эффективной защиты от буксования колесных пар с минимальной потерей тягового усилия необходимо подводимую касательную мощность регулировать в зависимости от избыточной скорости скольжения, углового ускорения и градиента углового ускорения колесной пары;

- для обеспечения эффективной защиты от буксования динамическая тяговая характеристика должна меняться в зависимости от избыточной скорости скольжения колесных пар;

- перераспределение касательной мощности между буксующими и не буксующими колесными парами должно осуществляться до тех пор, пока буксуют не более двух колесных пар, при увеличении числа буксующих колес должно происходить общее снижение передаваемой от дизеля электрической мощности.

3. Доказано, что для обеспечения в эксплуатации неоправданных снижений касательной силы тяги при случайных возмущениях, порог срабатывания противобуксовочной защиты по разнице минимальной линейной скорости колесных пар должен быть не ниже 0,14 м/с и линейно увеличиваться с ростом скорости до 0,4 м/с на максимальной скорости, а по ускорению 0,6 м/с2.

4. Разработана методика вычисления оптимальной функции управления для заданного алгоритма ликвидации буксования колесных пар и известных характеристиках тяговых электрических машин.

5. Предложен алгоритм ликвидации возникшего буксования и технические средства его обнаружения.

6. Проведенные эксплуатационные испытания и опыт эксплуатации модернизированных тепловозов подтвердили работоспособность и эффективность технических решений, достоверность основных положений теоретических исследований и расчетов.

7. Подтвержденный экономический эффект от внедрения результатов исследования и предложенных схемных решений составляет 756,2 тыс. руб. на один тепловоз в год.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1.Клименко Ю.И. Универсальные микро-ЭВМ в системах регулирования дизель-генератора тепловоза. Труды МЭИ, М: вып.238, 1990. с.65-69.

2 Клименко Ю.И. Алгоритмы регулирования напряжения генератора с микропроцессорной системой. Труды ВНИТИ, Коломна: вып.71, 1990. с. 24-32.

3 Способ регулирования скорости движения тепловоза с электропередачей. Ким-СИ., Клименко Ю.И., Варегин Ю.А., А.с. СССР 1199676, 22.08.1985 г.

4 Электрическая передача тепловоза. Феоктистов В.П., Туфляков В.Д., Узаре ВЛ., Клименко Ю.И., и др., А.с. СССР 1556954,15.12.1989 г.

5 Способ регулирования электрической передачи тепловоза (патент). Клименко Ю.И., Ким СИ., Кулабухов А.С, Киржнер Д.Л., Варегин ЮЛ. №98116171/28 (018047), 26.08.1998 г.

6 Клименко Ю.И. Тепловоз с высоким коэффициентом тяги. Труды ВНИТИ, вып.79, Коломна: 1999. с. 169-175.

7. Способ регулирования электропередачи тепловозов (патент). Клименко Ю.И., Ким СИ., Кулабухов А.С., Киржнер Д.Л., Варегин Ю.А. №2174919,20.10.2001 г.

8. Клименко Ю.И. Раздельное регулирование тягового усилия обмо-торенных осей тепловоза. Сборник научных трудов ПГУПС, Санкт-Петербург: 2003. с. 86-91.

9. Способ регулирования напряжения вспомогательного генератора переменного тока тепловоза (патент). Д.Л. Киржнер, М.В. Загорский, Ю.И. Клименко, Г.Ф. Кашников, А.С. Кулабухов. №2001123548/09 (025030). 22.08.2001 г.

Клименко Юрий Иванович

Исследование электропривода с изменяемой жесткостью тяговой характеристики

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Подписано к печати 14.05 2004 г. Заказ № 523 Формат 60x84 1/16 Объем 1,5 п. л. Тираж 100 экз. Бумага офсетная Типография ПГУПС, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9

№12128

ВВЕДЕНИЕ

1. СЦЕПЛЕНИЕ КОЛЕС С РЕЛЬСАМИ И ТЕХНИЧЕСКИЕ 15 СРЕДСТВА ЕГО ЭФФЕКТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

1.1. Сцепление в зависимость от физических 15 условий

1.2. Технические средства увеличения сцепле- 27 ния и защит от буксования колесных пар

1.3. Постановка задачи

2. СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ КОНТУРОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ 51 И СХЕМ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ

2.1. Структура контура регулирования скорости 52 по свободной мощности дизеля

2.2. Структура контура регулирования частоты 58 вращения колесной пары

2.3. Структура силовых цепей электропередачи 68 тепловоза

2.4. Выводы по второй главе

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКО- 80 ГО ПРИВОДА

3.1. Математическая модель системы «синхрон- 81 ный генератор - выпрямительная установка -тяговый электродвигатель»

3.2. Моделирование регулирования тягового 103 двигателя при буксовании

3.3. Выводы по третьей главе

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВОЗА С 117 ИЗМЕНЯЕМОЙ ЖЕСТКОСТЬЮ ТЯГОВОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

4.1. Цель экспериментального исследования те- 117 пловоза

4.2. Характеристики тепловоза при буксовании

4.3. Эксплуатационные испытания тепловоза

4.4. Выводы по четвертой главе

На основе прогноза ГИПРОТРАНСТЭИ принято, что для обеспечения объемов роста отправления грузов по дорогам необходимо обеспечить повышение производительности локомотивов в период с 2000г по 2010 на 15-20%.

Основные составляющие, позволяющие повысить производительность локомотивов следующие. Повышение среднего веса грузовых поездов в период с 2000 по 2005 гг. - с 3369 до 3570т ( + 6%), в период с 2005 по 2010 гг. - с 3570 до 3975т (+11.3%). Увеличение участковой скорости грузовых поездов в период с 2000 по 2005 гг. - с 38,1 до 43 км/ч (+12.9%), в период с 2005 по 2010 гг. - с 43 до 47 км/ч (+9.3%). Все факторы в комплексе позволят повысить производительность грузовых локомотивов; в период с 2000-2005гг. на 8-10%, с 2005-2010гг. на 1520% (по отношению 2000г.).

В любой отрасли хозяйственной деятельности государства главным является экономическая целесообразность используемых технических средств, и законы экономики побуждают к их совершенству. По расчетам и фактическим результатам на железных дорогах США увеличение средней массы грузового поезда приводит к снижению затрат на перевозку [1]. На перевозку массы поезда увеличенной на 100т затраты снижаются на 20% при увеличении эксплуатационных расходов не более чем на 5-10%. Расчеты для Российских дорог показали, что относительное увеличение веса поезда на 10% приводит к снижению себестоимости перевозок на 2% [2] . Поэтому важным аспектом деятельности дорог является не только наличие мощных магистральных тепловозов, но и эффективное использование их технических параметров при эксплуатации. Практически тяговые характеристики тепловозов на железных дорогах России используются не в полной мере, и масса перевозимых поездов снижена относительно возможной. Для снижения масс перевозимых грузов существует объективная причина - несовершенство системы электрической передачи мощности от дизеля к тяговым двигателям. При проектировании тепловозов мощность энергетической установки определялась по условиям, обеспечивающим требуемые экономические нормы загрузки участков железных дорог и средней скорости доставки грузов. Экономические нормы загрузки участков железных дорог во многом зависят of длины приемо-отправочных путей и в соответствии ,с этим формируется нормативный вес составов перевозимых грузов. Средние погонные нагрузки масс перевозимых поездов зависят от их характера: для угля и руды -бт/м, сырой нефти и нефтепродуктов 5-5.5т/м, для остальных грузов 4-4.5т/м [3]. Соответственно с этими средними показателями и длиной приемо - отправочных путей 850 или 1050м формируется транспортно выгодный состав . При полной загрузке по мощности энергетической установки тепловозов возникает проблема - сцепление колесных пар с рельсами. Поэтому одним из важнейших условием реализации тяговой характеристики тепловоза в эксплуатации является устойчивое сцепление колесных пар с рельсами. Загрузка локомотива определяется расчетными нормами, определенными «Правилами тяговых расчетов для поездной работы» (ПТР) и зависящими от условий реализации сцепления колес с рельсами, перегреву тяговых электрических двигателей, мощности энергетических установок. Расчетные нормы проверяются в опытных поездках и утверждаются начальником дороги [4] .

Исследования, проведенные авторами [1] на ряде наиболее загруженных дорог, показали, что условия эксплуатации локомотивов существенно отличаются от норм, предусмотренных ПТР. В частности из-за того, что невозможно учесть многообразие сцепных свойств колесных пар с рельсами одной эмпирической зависимостью, для тепловозов одной серий, работающих в различных климатических поясах. Авторы, в [б] на результатах практических наблюдений за локомотивами показали, что даже сезонное изменение коэффициента сцепления имеет значительный разброс. Если' учитывать снижение сцепных свойств рельсов за счет попадающих на рельсы грузов (угольная пыль, нефтепродукты и пр.), износа железнодорожного пути, нарушения поверхности катания бандажей, то становится очевидной сложность прогнозирования фрикционного состояния рельсов и соответственно сложность в выборе весовых норм для локомотивов. Однако планировать весовые нормы необходимо, поэтому на каждой дороге проводятся испытания по определению допустимых весов поездов для различных серий тягового подвижного состава. Естественно, что установленные таким образом нормативы отражают тяговые и противобуксовочные качества локомотивов в погодных условиях опытных поездок. Полученные таким образом данные обобщаются для участков дорог. Дальнейшая ответственность за доставку груза ложится на умение локомотивной бригады эффективно пользоваться подачей песка в контакт колес с рельсами, чтобы исключить разносное буксование и повреждения в колесно-моторных блоках. Явления, возникающие в контакте колеса с рельсами разнообразны и сложны по своей природе, и на настоящее время не имеют простых аналитических зависимостей. Многолетний опыт эксплуатации локомотивов позволил исследователям классифицировать причинно-следственные связи, возникающие при сцеплении колеса с рельсами [1,6]. Авторами [7] проведено ранжирование различных факторов влияющих на сцепление колес с рельсами, основываясь на 35 наиболее известных научных работ в этой области. Однако в ранжировании авторами преобладающее значение уделено факторам, связанным с физико-химическими и механическими взаимодействиями колеса с рельсом. Наиболее полная классификация явлений, связанная с .техническими решениями, оказывающими наиболее существенное влияние на процесс сцепления колес с рельсами в эксплуатации, проведена специалистами ВНИИЖТа. Анализ классифицированных явлений [6] показывает (рис.1), что на процесс сцепления влияют факторы, которые можно разделить условно на управляемые и неуправляемые, случайные (стохастические) и предопределенные (детерминированные).

Предопределенных факторов значительно меньше, что и определяет в целом процесс сцепления колес с рельсами как очень сложное физическое явление. Определить проблему сцепления колес с рельсами необходимо, чтобы наметить возможные пути снижения неблагоприятных случайных факторов на устойчивую реализацию тяговой характеристики тепловоза.

Рис.1.Факторы, влияющие на коэффициент сцепления

В настоящее время существует две основные гипотезы, объясняющие устойчивость явлений в контакте колесных пар с рельсами. Развитие этих гипотез отражены в практических и теоретических исследованиях Российских и зарубежных ученых: Д.К. Минова, Н.Н. Меншутина, О.А.Некрасова, А.М.Бабичкова, И.П.Исаева,

В.Е.Розенфельда, Ю.М.Лужнова, Л.А.Мугинштейна,

Р.Лоренца, Л.Лунца, Г.Вербека, И.Калкера, Ф.Картера и других. Основное различие гипотез заключается не столько в сущности происходящих явлений в контакте колеса с рельсом, как в определении повторяемости этих явлений. Существует подход к процессу сцепления определяющий его как детерминированное явление и, соответственно, сделана попытка, вывести аналитическую зависимость явлений. Приверженцы этой гипотезы основываются на результатах теоретических и практических исследований, полученных Д.К. Миновым, Н.Н. Меншутиным, О.А.Некрасоваым и другими. Другая группа ученых и исследователей расширила гипотезу тем, что наряду с детерминированными явлениями на процесс сцепления существенное влияние оказывает случайные процессы. Основным теоретическим вдохновителем данной гипотезы являются И.П.Исаев, Ю.М. Лужнов и их последователи. По мнению автора, диссертационной работы обе гипотезы суть одного достаточно сложного физического явления. Соответственно, у автора сложился следующий подход к этой проблеме .

Система управления электрической передачей, как и сама структура электрической передачи мощности, в зависимости от конкретных значений коэффициента сцепления, должны устойчиво обеспечивать максимально возможную силу тяги. Это означает, что главное в транспортном процессе - это доставка груза с оптимальной скоростью, а не исключение явления буксования колесных пар как такового. По мнению автора, системы управления должны строиться не по принципу минимизации проскальзывания скоростей колесных пар, а по принципу допустимых норм проскальзывания позволяющих обеспечить устойчивую транспортировку грузов с минимальными издержками на эксплуатационные расходы. Практические опыты показывают, что само явление сцепления колеса с рельсами носит явно выраженный случайный характер. Задавшись целью полностью исключить буксование как явление - значит заведомо недоиспользовать части тяговой мощности, в особенности при плохих фрикционных свойствах рельсов. Существует компромисс между стоимостью транспортного средства и эксплуатационными затратами на его содержание. Поэтому, допуская некоторое скольжение колесных пар, и соответственно увеличивая эксплуатационные расходы из-за этого на содержание пути и экипажной части локомотива, одновременно снижаются затраты на доставку груза из-за более полного использования мощности транспортного средства.

Основываясь на труды перечисленных выше авторов, можно сформулировать задачу диссертационной работы следующим образом. Необходимо найти технические решения и алгоритмические методы, позволяющие локомотиву реализо-вывать максимально возможное тяговое усилие при допустимых пробуксовках колес по рельсам. Понятие «максимально возможная сила тяги» предопределено мощностью дизельной установки тепловоза и скоростью движения по конкретному профилю железнодорожного пути. Допустимая скорость избыточного скольжения колесных пар по рельсам влечет за собой решение многих неоднозначных технических и экономических задач. Существуют мнения по допустимой скорости скольжения колес с рельсами [13], которое основано на частном опыте и во многом спорно по причине износа бандажей колесных пар и механического воздействия на колесно-моторный блок. Автор утверждает, что наивысший коэффициент сцепления достигается при избыточной скорости 4.10 км/час. Практический опыт многих авторов, занимающихся испытаниями тяговых свойств локомотивов, свидетельствует о наличии такого явления, как и повышения сцепных свойств колес с рельсами за счет значительной пробуксовки. Объяснение наблюдаемого явления [7] - очистка контактирующих поверхностей от окис-ных пленок, нарушение структуры контактирующего металла (возникновение наплывов и т.д.). В книге [38] приведены многочисленные расчеты влияния избыточной скорости скольжения на загруженность механических частей колес-но-моторного блока. Показано, что для электропередачи с коллекторными тяговыми двигателями последовательного возбуждения равновесная угловая скорость избыточного скольжения колес по рельсам должна быть не более 0,95 с" х, а максимальная скорость должна быть ограничена величиной 1,9 с"1, при выполнении этого условия в 4-5 раз снижается уровень нагрузок в элементах привода и особенно в осях колесных пар. Некоторые зарубежные источники [8] (в особенности для электропередач переменно-переменного тока) ссылаются на чрезвычайно сложные и дорогие устройства, которые позволяют движение колеса по рельсу с проскальзыванием не выше упругого,, т.е. до 2% от скорости движения. В основном это результаты, полученные на моделях [39], осциллограммы практических испытаний тяговых электроприводов переменного тока приводов [42] свидетельствуют о наличии избыточного скольжения колес на допустимом (до 1м/с) уровне, либо с более низким скольжением, но при этом значительно снижено тяговое усилие. По некоторым сообщениям [40], замечено снижение коэффициента сцепления на электровозах с использованием асинхронных тяговых электродвигателей, имеющих высокую динамическую жесткость тяговой характеристики. Это явление объясняется авторами смятием микровыступов на поверхности рельсов и внешней поверхности бандажа, приводящее к явлению «наклепа» на контактирующих поверхностях. Это еще одно практическое свидетельство против работы колесной пары со сцеплением не выше зоны упругих скольжений (зоны крипа по Ф. Картеру). Также вызывает сомнение, что можно исключить проскальзывания колесных пар выше упругих даже при использовании тележек с радиальной установкой в кривых малого радиуса. Понятия «допустимое буксование колесных пар» или «допустимая скорость избыточного скольжения колес» является ключевыми, определяющими основные технические решения, предлагаемые в работе.

Классическая наука по трибологии взаимодействия двух металлов, находящихся в непосредственном контакте и перемещающихся друг относительно друга, так характеризует эти явления. Исследования процесса взаимодействия в зоне трибологического контакта у металлов при их взаимном перемещении определяется следующими фазами [9] . Режим холодного задира или приработки (скорость взаимного перемещения контактирующих металлов 0,00250,5 м/с). Режим окисления или нормальный эксплуатационный режим при скоростях 0,5-1 м/с. Режим горячего задира и разрушения металла при скорости 1-5 м/с.

Автор в диссертационной работе не исследует физико-химические процессы возникновения сцепления колеса с рельсом, а рассматривает процесс сцепления как предопределенный какими-то случайными факторами. В работе делается попытка техническими средствами добиться максимального использования тепловозом коэффициента сцепления, при этом не теоретически возможного, а эксплуатационного. Известно, что на эксплуатационный коэффициент сцепления, оказывает влияние тип привода колесных пар - групповой или индивидуальный, электрический или механический, электрический постоянного тока или переменного, система управления, обеспечивающая подвод момента к колесным парам, система защиты от буксования. Таким образом, по мнению автора, при одинаковом физическом коэффициенте сцепления транспортные средства с различными приводами реализуют разные его доли. Многочисленные опыты позволили получить примерную зависимость коэффициента сцепления (или касательной силы тяги) от избыточной скорости скольжения колеса по рельсу [11], а также определить, что реализуемый коэффициент сцепления в существенной мере зависит от жесткости тяговой характеристики электродвигателя, равномерности распределения сцепного веса локомотива. От возможности индивидуально подводить к каждой оси движущий момент, от схемы соединения тяговых двигателей при подключению к источнику электрической энергии (параллельное, последовательное, последовательно-параллельное), от механической или электрической инерции механических масс электроприводов, от динамических процессов в электропередаче и колесно-моторных блоках. Коэффициент жесткости тяговых характеристик с коллекторными двигателями для электровозов постоянного тока меняется 0,15-0,25 с/м, для электровозов переменного тока около 0,5 с/м. [5]. Для магистральных тепловозов 2ТЭ10 и 2ТЭ 116 жесткость тяговой характеристики в длительном режиме составляет около 0,15 с/м. (для системы с изменяемой жесткостью тяговой характеристики и регулятором частоты вращения колесной пары в зависимости от условий сцепления динамически можно изменять от 0,2 до 4 с/м).

В ходе выполнения работы было необходимо решить следующие задачи: определить структуру и элементы электрической передачи тепловоза, выбрать средства автоматического управления электропередачей тепловоза, а также первичные датчики для измерения параметров регулирования, выбрать алгоритмы управления и регулирования электропередачей тепловоза, провести испытания выбранных решений, провести корректировку и довести решения до практического внедрения.

В результате проведенной научно- технической работы с 1998г начали модернизировать тепловозы 2ТЭ116, устанавливая на них микропроцессорные системы управления и регулирования электропередачи и изменяя электропередачу путем замены групповой выпрямительной установки шести-канальной управляемой. После эксплуатационных испытаний в период времени с 1999г по 2002г партии из шести тепловозов 2ТЭ116 на Юго-Восточной железной дороге, было принято решение проводить модернизацию тепловозов поступивших на капитальный ремонт на Воронежский ТРЗ. На настоящее время модернизировано 62 секции тепловозов 2ТЭ116, отправленных в рядовую эксплуатацию на Юго-Восточную и Свердловскую дороги. Выпущен тепловоз 2ТЭ116КМ имеющий мощность дизеля 3600л.е., который проходит тяговые испытания на Экспериментальном кольце ВНИИЖТа. Существенным достоинством модернизированных тепловозов является их устойчивость к буксованию, снижение скорости избыточного скольжения в 2-3 раза, исключение разносного буксования и связанного с ним повреждениями в колесно- моторном блоке, сниженный расход песка на 60-80% в зависимости от сезона, износ бандажей колесных пар, рельсов, возможность повышения весов перевозимых составов на 10-15%. Даже сохранение существующих норм для модернизированных тепловозов приведет к исключению «растяжек» поездов по причине низкого сцепления колесных пар с рельсами, а также создается более комфортная психологическая обстановка для локомотивной бригады. Как следствие повышение весовых норм является унификация весов между электровозной и тепловозной тягой, однако, для этого необходимо повышение мощности энергетической установки тепловоза до 3600л.с. и тяговые двигатели- с повышенным током номинального режима (типа ЭДУ 133) до 890А.

4.4. Выводы по четвертой главе

Попытка автора определить универсальный темп подвода касательной мощности к колесной паре, не приводящий к срыву в буксование, не привела к желаемому успеху, видимо, по следующим причинам. Условия сцепления меняются в широком диапазоне, вероятность получения в конкретный момент гарантированного коэффициента низка. Поэтому априори не известно, в какой мере будет снижен коэффициент сцепления. Ориентироваться на высокую вероятность коэффициента сцепления возможно, если этот коэффициент заведомо очень низкий. Но такой подход ведет к значительному недоиспользованию сцепных свойств локомотива. Таким образом, при значительном снижении темпа подвода касательной мощности к колесу можно повысить его устойчивость к буксованию и чем ниже темп, тем выше вероятность не сорваться в буксование. Этот путь ведет к значительным временным потерям при переходных процессах (а они ведут к значительному снижению к.п.д. локомотива) и, соответственно, к снижению средне-участковой скорости перемещения грузов по железной дороге, что является недопустимым по экономическим соображениям.

Установлено, что вычислением разностей угловых скоростей колесных пар и ускорений колесных пар можно эффективно управлять процессом реализации оптимального коэффициента сцепления. Причем неважно, какую естественную механическую характеристику будет иметь тяговый двигатель. Значение имеет лишь тот факт, как быстро ее можно менять (точнее динамическую жесткость) при срыве в буксование колесной пары.

Автор данной работы считает, что полностью исключать буксование колесных пар не имеет смысла по следующим очевидным причинам: избыточная скорость скольжения первой колесной пары повышает коэффициент сцепления для остальных (механическое очищающее воздействие), эксплуатационный коэффициент сцепления имеет размытый максимум в широком диапазоне скоростей скольжения колесных пар, и чем хуже сцепные свойства рельсов, тем шире диапазон, затраты на сложное дорогостоящее оборудование по обеспечению движения колеса в зоне упругого скольжения может значительно превысить затраты на обточку бандажей, к тому же механическая обработка бандажей необходима из-за подреза гребней в кривых. Опираясь на собственный опыт испытания тепловозов и опыт, полученный другими исследователями различного рода приводов локомотивов, автор считает, что допустимый оптимум скольжения колесных пар составляет 1 м/с. Касательно полученных результатов исследований в рамках представленной работы, можно сделать следующие выводы и рекомендации.

Результаты испытаний тепловоза показали, что возможна унификация весовых норм для тепловозной и электровозной тяги на участках железной дороги, имеющей 3 тип профиля, с весовыми нормами до 5000 тс. Тепловозы с изменяемой жесткостью тяговой характеристики в ближайшие годы позволят решить проблему увеличения провозной способности дорог без затрат на постройку новых серий тепловозов. Значительно сократить затраты сети дорог на перевозку грузов за счет унификации весовых норм. Модернизация существующего парка тепловозов с заменой дизеля 3000 л.с. на 3600 л.с. и заменой тяговых двигателей ЭД118 на тяговые двигатели большей мощности ЭДУ 133, как показали предварительные расчеты, позволит полностью провести унификацию весовых норм с электровозами постоянного и переменного тока основных серий (BJT8, BJI10, BJIll, BJ160, BJT80 к,р,с,т и т.д.). Для тепловозов с изменяемой жесткостью тяговой характеристики, находящихся в . рядовой эксплуатации, наиболее разумное увеличение весов перевозимых составов должно составлять 10-15%. Во время опытных поездок были показаны предельные возможности системы. Такая корректировка результатов позволит иметь устойчивый эксплуатационный запас на всякий непредвиденный случай, связанный с условиями сцепления и квалификацией локомотивных бригад. В дополнение рекомендуется использовать штатные средства подачи песка при значительном снижении поступательной скорости состава при боксовании колесных пар.

Найдено научно-техническое решение, обеспечивающее лучшее использование эксплуатационного коэффициента сцепления на локомотивах. Предлагаемые решения имеют свой сектор применимости - это локомотивы с электрической передачей мощности с коллекторными тяговыми двигателями и с асинхронными тяговыми двигателями при возможности их индивидуального управления. Таким образом, коллекторные тяговые двигатели в электропередаче должны иметь индивидуальные управляемые преобразователи напряжения (управляемые выпрямительные установки), асинхронные тяговые двигатели должны запитываться от индивидуальных преобразователей частоты и напряжения (инверторов напряжения). Существуют также эффективные системы увеличения используемого коэффициента сцепления, к примеру, групповой привод с механической связью колес. Существуют также эффективные системы увеличения используемого коэффициента сцепления, к примеру, групповой привод с механической связью колес. Однако предложенные автором решения улучшают в некоторых режимах работу тепловоза на пределе по сцеплению. Так в групповом приводе возможен срыв в буксовании всех механически связанных колесных пар, при этом режим буксования становится неуправляемым, и стабилизация достигается сбросом нагрузки. Те же явления присущи электроприводам: с использованием асинхронных тяговых двигателей. Для них слабое место - синхронное буксование колесных пар. В предложенной системе такой режим невозможен из-за управляемостью каждой буксующей колесной парой, даже если буксуют все обмоторенные оси. Снижение касательной мощности будет на величину, необходимую по условиям сцепления колес с рельсами. Еще одно положительное качество предложенной системы заключается в том, что существующее различие в нагрузках на оси тепловоза и, соответственно, разные коэффициенты использования сцепного веса выравниваются за счет перераспределения токовой нагрузки между компенсирующими и лимитирующими колесными парами. Таким образом, при буксовании коэффициент использования сцепного веса близок к единице. Найденное техническое решение апробировано на испытательных полигонах ВНИКТИ и ВНИИЖТ в предельных режимах буксования, а так же в реальных условиях эксплуатации. В настоящее время на Юго-Восточной, железно дороге и Свердловской железной дороге с 1998г. эксплуатируется около 62 секции модернизированных тепловозов 2ТЭ116К, две секции тепловоза 2ТЭ116КМ с повышенной силой тяги и мощностью по дизельной установке 3600 л.с. Спроектирован тепловоз 2ТЭ70 мощностью дизельной установки 4000 л.с. Проектируется тепловоз 2ТЭ25 с такой системой на Брянском машиностроительном заводе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Установлено, что система управления электропередачей тепловоза для реализации высоких коэффициентов тяги должна состоять и из трех основных контуров регулирования: передачи электрической мощности от дизеля к тяговому электродвигателю, динамического перераспределения касательной мощности между лимитирующими и компенсирующими колесными парами, а также частоты вращения каждой колесной пары.

2. На основании теоретических исследований доказано :

- для обеспечения эффективной защиты от буксования колесных пар с минимальной потерей тягового усилия необходимо подводимую касательную мощность регулировать в зависимости от избыточной скорости скольжения, углового ускорения и градиента углового ускорения колесной пары;

- снижать и восстанавливать касательную силу тяги на ободе колеса необходимо проводить по экспоненциальному закону. Уровень снижения касательной силы тяги у буксующей колесной пары необходимо осуществлять так, чтобы угловая частота вращения колесной пары не превышала 1 м/с, в плоть до полного снятия подводимого к колесной паре момента;

- для обеспечения эффективной защиты от буксования динамическая тяговая характеристика должна меняться в зависимости от избыточной скорости скольжения колесных пар;

- перераспределение касательной мощности между буксующими и не буксующими колесными парами должно осуществляться-, до тех пор, пока буксуют не более двух колесных пар, при увеличении числа буксующих колес должно происходить общее снижение передаваемой от дизеля электрической мощности.

3. Доказано, что для обеспечения в эксплуатации неоправданных снижений касательной силы тяги при случайных возмущениях (стыки и стрелки железнодорожного пути) , а также незначительные пробуксовки с самовосстановлением, порог срабатывания противобуксовочной защиты по разнице минимальной линейной скорости колесных пар должен быть не ниже 0,14 м/с и линейно увеличиваться с ростом скорости до 0,4 м/с на максимальной скорости, а по ускорению 0,6 м/с2.

4. Разработана методика вычисления оптимальной функции управления для заданного алгоритма ликвидации буксования колесных пар и известных характеристиках тяговых электрических машин.

5. Предложен алгоритм ликвидации возникшего буксования и технические средства его обнаружения, который позволяет осуществлять подавление избыточной скорости колесных пар за 2-2,5с.

6. Проведенные эксплуатационные испытания и опыт эксплуатации модернизированных тепловозов подтвердили работоспособность и эффективность технических решений, достоверность основных положений теоретических исследований и расчетов.

7. Подтвержденный экономический эффект от внедрения результатов исследования и предложенных схемных решений составляет 756,2 тыс. руб. на один тепловоз в год.

150

1. Лисицын А.Л., Мугинштейн Л.А. Нестационарные режимы тяги. Тяговое обеспечение перевозочного процесса. М.: Интекст, 1996,с.158.

2. Головатый А.Т., Исаев И.П., Горчаков Е.В. Независимое возбуждение тяговых двигателей электровозов. М.: Транспорт, 1976, с.150.

3. Развитие локомотивной тяги. Под ред. Фуфрянского Н.А., Бевзенко А.Н. М.: Транспорт, 1988, с.344.

4. Правила тяговых расчетов для поездной работы. М. : Транспорт, 1985, с.287.

5. Грибанов П.Ф. и др. Автоматическое управление независимым возбуждением тяговых двигателей электровоза BJ185: Труды ВЭлНИИ. Новочеркасск, 1987, с. 175.

6. Лисицын А.Л., Мугинштейн Л. А. Нестационарные режимы тяги. Сцепление. Критическая масса поездов. М. : Интекст, 1996, с.176.

7. Исаев И.П., Лужнов Ю.М. Проблемы сцепления колес локомотива с рельсами. М.:Машиностроение,1985, с.238.

8. Мейер Б. Локомотивы с высокими тягово сцепными качествами и регулируемым крипом: Железные дороги мира, 1989, №5.

9. Справочник по триботехнике Т1. Под ред. Хейбы М., Чичинадзе А.В., М.: Машиностроение, Варшава, 1989.

10. Минов Д.К. Повышение тяговых свойств электровозов и тепловозов с электрической передачей. М. :Транспорт, 1965, с.267.

11. Меньшутин Н.Н. Зависимость между силой сцепления и скоростью скольжения колесной пары локомотива: Вестник ВНИИЖТ/ I960, №7.

12. Вербек Г. Современное представление о сцеплении и его использовании: Железные дороги мира, 1974, №4.

13. Самме Г. В. Проблемы сцепления локомотива: Вестник ВНИИЖТ, 1997, №1.

14. Розельнфельд В.Е., Исаев И.П., Сидоров Н.Н. Теория электрической тяги. М.: Транспорт,1983, с.325.

15. Суевалов Л.Ф. Справочник по расчетам судовых автоматических систем. Л.: Судостроение,1977,с.375.

16. Исаев И.П. Случайные факторы и коэффициент сцепления. М.:Транспорт,1970,с.182.

17. Савоськин А.Н., Баранов Л.А., Плакс А. В., Фиоктистов. В. П. Автоматизация электроподвижного состава. М.: Транспорт,1990, с.310.

18. Павленко А.П., Павленко А.А., Чистяк В.Г. Совершенствование противобоксовочной системы локомотивов. В1СНИК Схл.дноукрал.нського нацл-онального ун1верситету: Транспорт, 2001, №1.

19. Голубененко А.Л., Смирный М.Ф., Малахов О.В., Кашура А. Л. Перспективы применения быстродействующих систем определения степени проскальзывания колесных пар локомотива. В1СНИК Схл.дноукрал.нського нацл.онального ун1верситету: Транспорт, 2001, №1.

20. Джонсон Н. , Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Методы обработки данных. М.: Мир,1980, с.610.

21. Павленко А.П., Ивахненко В.Н., Чистяк В.Г. Эксплуатационные испытания новой системы обнаружения ипредупреждения боксования локомотивов. В1СНИК

22. Схл.дноукрал.нського нацл.онального ун1верситету:1. Транспорт, 20 01, №1.

23. Фин X., Вейнхард М., Зевенховен Н. Опытный электровоз с тяговым двигателем трехфазного тока Нидерландских железных дорог. Измерение сил сцепления колеса с рельсом: Железные дороги мира,1980, №11.

24. Исаев И.П. Коэффициент сцепления как результат реализации нестационарного случайного процесса сцепления колес локомотива с рельсами: Железные дороги мира, 1972, №7.

25. Медведев Н.Ф., Волков Г.Ф.Влияние проката бандажей колесных пар на тяговые свойства электровоза: Вестник ВНИИЖТ, 1966, №7.25. -.Головатый А. Т., Некрасов О. А. Проблемы коэффициента сцепления электровозов: Вестник ВНИИЖТ, 1975, №7.

26. Меншутин Н.Н., Монахов Л.И. Повышение массы грузовых поездов.Методика анализа и контроля режимов эксплуатации локомотивов по прокату бандажей колесных пар: Труды ВНИИЖТ, 1985, №7.

27. Богданов В.М., Марков Д.П., Жаров И.А., Захаров С.М. Относительное проскальзывание в точках контакта колеса с рельсом: Вестник ВНИИЖТ, 1999, №3.

28. Черепашенец Р.Г., Лужнов Ю.М., Шевандин М.А. Зависимость сцепления электровозов от коэффициента трения на поверхности рельсов: Вестник ВНИИЖТ, 1978, №6.

29. Меншутин Н.Н. Исследование скольжения колесной пары электровоза при реализации силы тяги вэксплуатационных условиях: Труды ЦНИИ МПС, М.: Трансжелдориздат, I960, Выпуск 188, с.113-131.

30. Ефремов И.С., Карибов С.И. Об автоколебаниях в тяговом электроприводе локомотива при боксовании. Электричество, 1987, №9.

31. Клепиков В.Б. О природе низкочастотных колебаний при боксовании колес. Вестник ВНИИЖТ, 1987, №7.

32. Фаминский Г. В. Эффективность использования локомотивов с жесткими характеристиками. Вестник ВНИИЖТ, 1996, N'6.

33. Медведев Н.Ф., Волков Г.Н. Влияние проката бандажей колесных пар на тяговые свойства электровозов. Вестник ВНИИЖТ, 1966, №7.

34. Суворов А.Г. Влияние колебания тележки на реализуемую силу тяги при независимом и последовательном возбуждении тяговых двигателей. Вестник ВНИИЖТ, 1985, №8.

35. Гольдин C.JI. Влияние структуры системы автоматического регулирования на динамическую жесткость тягового электропривода независимого возбуждения. Вестник ВНИИЖТ, 1989, №1.

36. Некрасов О.А., Манджавидзе Н.Г. Опытно-расчетная зависимость коэффициента сцепления от жесткости механической характеристики электровозов.Вестник ВНИИЖТ, 1987, №6.

37. Покровский С. В. Влияние жесткости тяговых характеристик на эффективность использования потенциального сцепления электровозов. Вестник ВНИИЖТ, 1992, №1.

38. Павленко А. П. Динамика тяговых приводов магистральных локомотивов. М. : Машиностроение,1991, с.190.

39. Регулирование проскальзываний колес на электровозах с асинхронным трехфазным приводом: Железные дороги мира, 1994, №4.

40. Оптимальный коэффициент сцепления электровоза серии 12Х: Железные дороги мира, 2000,№6.

41. Шлюнеггер X. Использование коэффициента сцепления: Железные дороги мира, 1990, №9.

42. Бауэр Х.П. и др. Оптимальное использование сцепления на электровозе с трехфазным тяговым приводом: Железные дороги мира,1987, №8.

43. Оптимальное использование сил сцепления электровоз.ами с трехфазным приводом и крутизна характеристик сцепления: Железные дороги мира, 1996, №2.

44. Загребельский A.M., Кадышев С.А., Ребник Б.Н. Стоимость жизненного цикла электровоза: Железнодорожный транспорт, 1998, №12.

45. Исаев И. П. Случайные факторы и коэффициент сцепления. М.: Транспорт, 1970, с.182.

46. Мент С., Эрлер У., Лерьен М. Интегрированное регулирование двигателей в зависимости от сцепления. Коломна: Перевод ВНИКТИ, 2004, №2214.

47. Лержен М., Мейер М., Шауб К. Эксплуатационные измерения по определению статистических данных коэффициента сцепления электровоза: Elektrische Bahnen, Германия,1998, т.96, №6, с.191-200.

48. Бовэ Г.Е. Параметры уравнительных соединений при электрическом спаривании осей. Вестник ВНИИЖТ, 1975, №1.

49. Привалов В.В., Чернов Р.В. Расчет системы автоматического прекращения боксования. Вестник ВНИИЖТ, 1964, №3.

50. Дорошин Е.Р. Оптимальные режимы ликвидации боксования. Вестник ВНИИЖТ, 1964, №5.

51. Мишке Г.В. Границы эффективного действия песка при боксовании. Вестник ВНИИЖТ, 1965, №8.

52. Данзер Н. Тиристорный электровоз и сила сцепления. Вестник ВНИИЖТ, 1972, №8.

53. Гайдуков В.Е., Кузнецов Б. Г., Филиппов JI.K. Дискретное устройство для обнаружения боксования колесных пар и его основные параметры. Вестник ВНИИЖТ, 1973, №4.

54. Филиппов JI.К., Михневич Г.А., Симсарьян Р.А. Совершенствование тепловозных электропередач. Труды ЦНИИ МПС, 1968, Выпуск 349.

55. Домин Ф.А., Михневич Г.А. О выборе параметров схемы защиты от боксования. Вестник ВНИИЖТ, 1965, №4.

56. Дорошин Е.Р. Метод расчета эффективности противобоксовочных схем. Вестник ВНИИЖТ, 1967, №4.

57. Исаев И.П., Голубенко А. Л. Совершенствование экспериментальных исследований сцепления колеса локомотива с рельсом: Железные дороги мира, 1988,№10.

58. Хан К. Исследование на модели адаптивной системы регулирования скольжения колес для электроподвижного состава: Железные дороги мира, 1990, №11.

59. Меншутин Н.Н., Монахов Л.И. Удельный прокат бандажей как показатель загруженности локомотивов по сцеплению. Вестник ВНИИЖТ, 1982, №6.

60. Меншутин Н.Н. , Монахов Л.И. Повышение массы грузовых поездов. М.: Транспорт, с.52. Методика анализа и контроля режимов эксплуатации локомотивов по прокату бандажей колесных пар. Труды ВНИИЖТ,1985.

61. Фаминский Г.В., Меншутин Н.Н., Филатов Л.М. Улучшение тяговых свойств при поосном регулировании силы тяги с контролем сцепления.Кремниевые вентили на электроподвижном составе переменного тока. М. : Транспорт, 1968, Труды ЦНИИ МПС, Выпуск 378.

62. Будницкий А.А., Перегудов Ю.М., Сергеев В.Л., Варегин Ю.А. • Исследование электрических передач. Схемные решения, улучшающие тяговые показатели тепловоза с электрической передачей. Коломна: Труды ВНИТИ, 1977, Выпуск 45.

63. Меншутин Н.Н., Фаминский Г.В., Монахов Л.И. Эффективность локомотивов с жесткими характеристиками: Железнодорожный транспорт, 1984, №6.

64. Фаминский Г.Ф., Меншутин Н.Н., Монахов Л.И., Притыкин А.Э. Характеристика сцепления электровоза с независимым возбуждением тяговых двигателей. Вестник ВНИИЖТ, 1974, №6.

65. Перегудов Ю.М., Сергеев В.Л., Варегин Ю.А., Филиппов JI.K. Исследование электрических передач. Выбор места ввода сигнала на сброс нагрузки в систему регулирования дизель-генератора при боксовании тепловоза. Коломна: Труды ВНИТИ, 1977, Выпуск 45.

66. Привалов В.В., Чернов Р. В. Расчет схемы автоматического прекращения боксования. Вестник ВНИИЖТ 1964, №3.

67. Покровский С. В. Повышение сцепных свойств локомотивов. Вестник ВНИИЖТ, 1997, №4.

68. Сулейманов Р. Я. Противобоксовочная защита при импульсном регулировании тягового привода. Вестник ВНИИЖТ, 1988, №2.

69. Бирюков И.В., Львов Н.В. Влияние характеристик тягового привода на условия реализации сцепления. Физико- химическая механика сцепления. М. : Труды МИИТ, 1973, Выпуск 445.

70. Лужнов Ю.М., Черепашенец Р.Г. О механизме образования слоев загрязнений на поверхности трения железнодорожных колес и рельсов. Физико- химическая механика сцепления. М.: Труды МИИТ, 1973, Выпуск 445.

71. Лужнов Ю.М., Черепашенец Р.Г. Механизм действия и расход песка на увлажненных рельсах. Физико-химическая механика сцепления. М. : Труды МИИТ, 1973, Выпуск 445.

72. Лужнов Ю.М. Особенности трения на рельсах в зимних условиях. Физико- химическая механика сцепления. М.: Труды МИИТ, 1973, Выпуск 445.

73. Повышение эффективности электрической передачи тепловозов. Труды ЦНИИ МПС/ М.: Транспорт, 1971, Выпуск 429, с.3-44.

74. Электропередачи тепловозов на переменно-постоянном токе. М.: Транспорт,1978, с.150.

75. Костенко Е.В., Сипайлов Г.А., Хорьков К.А. Электрические машины (специальный курс). М.: Высшая школа., 1975, с.280.

76. Важнов А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока. JI. : Энергия, 1980, с.256.

77. Постников И.М. Обобщенная теория и переходные процессы электрических машин. М. : Высшая школа, 1975, с.320.

78. Костенко М.П., Пиотровский JI.M. Электрические машины. М--JI.: Энергия, часть 2., 1965, с. 7 04.

79. Пинский Г.В., Домбровский В.В. Расчет явнополюсных синхронных машин. JI. : Энергоатомиздат, 1984, с.134.

80. Баранов А.П. Судовые автоматизированные электроэнергитические системы. М. : Транспорт, 1988, с.328.

81. Полонский В. И. , Хайкин А. Б. Автоматизированные гребные электрические установки. М. : Транспорт,1976.

82. Поссе А.В. Обоснование замещения эквивалентных генераторов для расчета переходных процессов. Энергетика и транспорт, 1965, №4 , с. 19-34.

83. Ключев В. И. Теория Электропривода. М.: Энергоатомиздат, 2001, с.697.

84. Глебов И. А. Системы возбуждения мощных синхронных машин. Л.: Наука,1979, с.311.

85. Полонский В.И., Хайкин А.Б. Автоматизированные гребные электрические установки. М.: Транспорт, 1976.

86. Бочаров В.И., Вольвич А.Г., Малютин В.А., Щербаков В. Г. Основы тягового электропривода. Ростовский университет, Часть1, 1995, с.429.

87. Курбасов А.С., Седов В.И., Сорин Л.Н. Проектирование тяговых электродвигателей. М. :1. Транспорт, с.535.

88. Евстратов А.С. Экипажные части тепловозов. М. : Машиностроение,1987, с.134.

89. Андреев В.П., Сабинин Ю.А. Основы электропривода. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963, с.771.

90. Иоффе А.Б. Тяговые электрические машины. М.-Л.: Энергия,1965, с.231.

91. Тяговые электродвигатели электровозов. Под ред. Щербакова В.Г., Новочеркасск, 1998, с.667.

92. Глинтерник. Электромагнитные процессы и режимы мощных статических преобразователей. Л.:Наука, 1970, с.308.

93. Вольдек А.И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1974, с.839.

94. Соколов Т.Н. Электромеханические системы автоматического управления. М. : Госэнергоиздат,1952, с.252.

95. Исаев И.П. Анализ срыва сцепления колес локомотива с рельсами методами теории бифуркаций. Вестник ВНИИЖТ, 1987, №3.

96. Лужнов Ю.М., Кондратенко С.А., Волков И.В. К вопросу прогнозирования уровня сцепления колес локомотива с рельсами, находящимися в различных климатических условиях. Вестник ВНИИЖТ, 1991, №7.

97. Исаев И.П. Новые методы изучения природы коэффициента сцепления. Вестник ВНИИЖТ. 1988, №5.

98. Бычковский А. В. О коэффициенте сцепления при высоких скоростях движения. Вестник ВНИИЖТ, 1972,№7.

99. Розенфельд В.Е., Исаев И.П., Сидоров Н.Н. Теория электрической тяги. М.: Транспорт,1983, с.328.

100. Исаев И.П. Допуски на характеристики электрических локомотивов. М.: ГТЖИ,1958, с.369.

101. Тепловоз серии RD 20 с передачей переменно-постоянного тока с раздельным управлением колесных пар: ЦНИИТЭИ МПС, 1995, сер. П. Выпуск 4М.

102. Охияма Т. Сцепление при повышенных скоростях: Железные дороги мира, 1990, №11.

103. Оптимальное использование силы сцепления на железнодорожном пожвижном составе большой мощности. Коломна: Перевод ВНИТИ, 1995, №1924, с.22.

104. Повышение эффективности электрической передачи тепловозов. Труды ЦНИИ МПС. М.: Транспорт, 1971, Выпуск 429, с.3-44.

105. Емельянов В.И. Трехфазная мостовая схема. Передача энергии постоянным и переменным током. Известия НИИ постоянного тока, 1961 , с.171-211.

106. Шехтман М.Г. Режимы работы и внешние характеристики двенадцатифазной каскадно- мостовой схемы преобразования. Известия НИИ постоянного тока, 1960, №5, с.23-63.

107. Глебов А.И. Системы возбуждения СГ с управляемым выпрямителем. М. : Издательство АН СССР, I960.

108. Лейкин B.C., Семенов М.А. . Математическая модель системы генератор- выпрямитель- двигатель для исследования переходных процессов в гребных электроустановках. Судовая электротехника и связь. Л. : Судостроение. 1971, № 48, с.39-44.

109. Хайкин А.В., Васильев В.М., Полонский В.И. Автоматизированные гребные электрические установки. М. : Транспорт, 1986, с.424.

110. Автоматизация электрического подвижного состава, под. ред. Захарченко Д.Д. М.: Транспорт, 1978, с.280.112. , Луков Н.М. Автоматизация тепловозов, газотурбовозов, дизель- поездов. М. : Машиностроение,1988, с.270.

111. Жиц М.З. Переходные процессы в машинах постоянного тока. М.: Энергия, 1974, с.112.

112. Каган В.Г., Лебедев Г.В., Малинин Л. И. Полупроводниковые системы с двигателями последовательного возбуждения.

113. Домрачеев В.Г., Матвиевский В.Р., Смирнов Ю.С. Схемотехника цифровых преобразователей перемещений. Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1987, с.390.

114. Перегудов Ю.М. Имитационное моделирование при разработке систем регулирования электропередач тепловозов. Средства автоматики на тепловозах и путевых машинах. Коломна: Труды ВНИТИ, 1988, Выпуск 67.

115. Гриневич В.П., Прусаков B.C. Эксплуатационные испытания тепловозов ТЭМ2У с системой принудительного токораспределения по группам тяговых электродвигателей. Средства автоматики на тепловозах и путевых машинах. Коломна: Труды ВНИТИ, 1988, Выпуск 67.

116. Гриневич В.П. Исследование тяговых свойств тепловозов в 'зоне ограничения по сцеплению. Коломна: Труды ВНИТИ, 1999, Выпуск 79.

117. Видаль П. Нелинейные импульсные системы. М. : Энергия, 1974, с.335.

118. Рукавишников С. Б. Автоматизированные гребные электрические установки. Л.: Судостроение, 1983, с.240.

119. Фрейдзон И. Р. Судовые автоматизированные электроприводы и системы. Л. : Судостроение, 1988, с.468.

120. Острем К., Виттермарк Б. Системы управления с ЭВМ. М.: Мир, 1987, с.480.

121. Баранов Л.А. Анализ погрешностей цифровых способов измерения скорости и ускорения поездов. Автоматическое и телемеханическое управление движением поездов. М.: Труды МИИТ. 1980, Выпуск 661.

122. Баранов JI. А., Лызлов С. С. Анализ точности цифрового измерения скорости и ускорения поезда. Вестник ВНИИЖТ, 1994, №6,

123. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов. Вторая редакция. М.: Экономика, 2000.

124. Методические рекомендации по оценке инвестиционных проектов на железнодорожном транспорте. МПС России, 1998.

125. Методические рекомендации по обоснованию эффективности инноваций на железнодорожном транспорте. МПС России. М., 1999.