автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Моделирование системы "преобразователь-электродвигатель-колесная пара" как объекта управления при фрикционных автоколебаниях

Введение.

1. Обзор литературы и постановка задач исследования.

1.1. Фрикционные автоколебания и их исследования для рельсовых транспортных средств.

1.2. Модел1фование электродвигателей рельсовых транспортных средств при пульсациях тока.

1.3. Моделщювание преобразователей типа ШИП при питании от автономного источника энергии.

Т.4. Способы и устройства распознавания буксования и юза.

1.5. Постановка задач исследования.

2. Математическое моделирование механического звена "Передача колесной пары" при фрикционных автоколебаниях.

2.1. Математические модели механической передачи колесной пары.

2.2. Определение собственных частот системы.

2.3. Расчет амплитуд упругих колебаний.

2.4. Исследование устойчивости фрикционных автоколебаний

3. Моделщэование звеньев силовой электрической цепи.

3.1. Математическая модель тягового электродвигателя цри пульсациях возмущающего момента и питающего напряжения.

3.2. Математическая модель и электромагнитные процессы в ннфотно-импульсном преобразователе с переменной частотой модуляции.

3.3. Гармонический анализ момента тягового электродвигателя.

4. Взаимосвязи между звеньями системы и анализ ее свойств в режиме фрикционных автоколебаний.

4.1. Определение коэффициента электромеханической связи.

4.2. Особенности работы системы "Шип-двигатель-колесная пара" в режиме фрикционных автоколебаний.

4.3. Обобщенный алгоритм расчетов на ЭЦВМ электромеханических процессов.

4.3.1. Нестационарные режимы при изменении частоты модуляции и пуске электровоза.

5. Экспериментальная проверка основных теоретических выводов и предположений.

5.Т. Описание экспериментального стенда и порядок проведения эксперимента.

5.2. Определение исходных экспериментальных данных.

5.3. Расшифровка и анализ осциллограммы.

5.4. Сопоставление теоретических результатов расчета с экспериментальными данными из литературы.

Основные результаты, выводы и рекомендации. 140.

В экономике страны транспорту принадлежит одно из особо важных мест. Именно поэтому решениями ХХУ1 съезда КПСС предусматривается ускоренное развитие рельсового транспорта. Одной из причин, снижающих эффективность его работы, является избыточное проскальзывание колес, проявляющееся в виде боксования при тяговых режимах и в виде юза - при тормозных. Избыточное проскальзывание колес приводит к снижению тяговых (тормозных) усилий*, повышенному износу колес и рельсов, к увеличению потерь энергии, т.е. к ухудаению таких важнейших технико-экономических показателей как производительность, эксплуатационные расходы.Кроме того снижается безор.асность движения. Поэтому устранение боксования и юза и создание систем автоматического управления, обеспечивающих повьш1ение тяговых и тормозных свойств рельсового транспорта являются актуальной задачей.Особое значение проблема боксования и юза имеет для рудничного рельсового транспорта. .Во-первых, потому что, несмотря на определенные успехи в конвейеризации, он обеспечивает в горнодобывающих и угольных отраслях промьш1ленности 70 % подземных перевозок угля и 98 ^ перевозок руды. Во-вторых, потому что условия его эксплуатации (влага, угольная пыль, грязь) характеризуются, как правило, низким потенциальным значением коэффициента сцепления, что создает предрасположенность к боксованию (юзу). Кроме того габаритные ограничения и необходимость обеспечения взрывобезопасности, порождают дополнительные трудности при создании систем автоматического управления силой тяги (торможжения). В-третьих, потому что для шахтной рудничной откатки применяются в основном аккумуляторные электровозы более 80 ^, что обуславливает необходимость экономии электроэнергии.Известно, что в механизмах типа "пара трения", каким является, в частности, и пара "колесо-рельс", при проскальзывании наблюдаются так называемые фрикционные автоколебания, проявляющийся в форме упругих колебаний в оси колесной пары и порождающие в отдельных случаях резкое увеличение динамических нагрузок /I/.Целью настоящей диссертационной работы является разработка математической модели "преобразователь-электродвигатель колесная пара", как объекта управления и выдана рекомендаций для создания системы автоматического управления силой тяги электровоза на основе распознавания боксования (юза) колес по косвенным показателям, не' требующим установки дополнительного оборудования.В соответствии с поставленной целью: в первой главе производится обзор литературы, анализ состояния вопроса и конкретизация заДач исследования. Во второй главе - разрабатывается математическая модель механической передачи колесной пары в режиме фрикционных автоколебаний как звенья электромеханической системы, исследуется ее свойства, выводятся аналитические соотношения для инженерных расчетов. В третьей - производится моделирование тягового электродвигателя и преобразователя в режиме фрикционных автоколебаний, оценивается.взаимосвязь механической и электрической частей системы, исследуются свойства преобразователя, применяемого в рудничном электроприводе и определяются пульсация тока и момента электродвигателя при регулировании частоты модуляции преобразователя в частности в резонансных режимах. В четвертой - разрабатывается общая математическая модель системы "преобразователь-электродвигатель-колесная пара", исследуются ее свойства, в частности, совместимость механической передачи и электрической части при фрикционных автоколебаниях.В пятой - описывается экспериментальная установка,методика провдения эксперимента, проводится анализ экспериментальных данных и сопоставление их с теоретическими результатами. И формулируются рекомендации по созданию системы автоматического управления . 'силой тяги. В заключение сформулированы основные результаты и выводы диссертации.Настоящая работа выполнялась в соответствии с комплексными координационными программами Минвуза СССР "Оптимум" и Минвуза УССР "Автоэлектропривод".

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Разработана математическая модель системы широтно-им-пульсный преобразователь-электродвигатель-колесная пара в режиме фрикционных автоколебаний и изучены основные свойства системы, что необходимо при разработке САУ силой тяги (торможения) рудничного электровоза.

2. Аналитически показано с помощью асимптотического метода нелинейной механики, что фрикционные автоколебания в механической передаче колесной пары рудничного электровоза устойчивы, могут быть многочастотыми и имеют место на частотах близких и собственным.

3. Фрикционные автоколебания могут быть, как релаксационными, так и нераксационными в зависимости от скорости проскальзывания.

4. Математическая модель тягового электродвигателя рудничного электровоза в режиме фрикционных автоколебаний должна учитывать влияние вюфевых токов. При этом пульсациями магнитного потока можно пренебречь и учитывать его изменение по медленно меняющейся составляющей тока.

5. Коэффициент электромеханической связи электропривода рудничного электровоза в практическом диапазоне изменения нагрузок лежит в пределе - 10""^), что свидетельствует о весьма сло-бой взаимосвязи механической передачи колесной пары и электродвигателя по упругому моменту.

6. Благодаря стабильности частот, устойчивости фрикционных автоколебаний и довольно большой величине упругого момента, представляет возможным использовать пульсации тока электродвигателя от фрикционных автоколебаний, как достоверную информацию о возникновении буксования и юза. Датчики распознавания буксования должны настраиваться на частоты близкие к собственным частотам механических систем.

7. Питание электродвигателя от тиристорного преобразователя при частотах модуляции близких к собственным частотам системы вызывает резонансные явления, сопровождающиеся увеличением упругого момента в (5-7) раз превышающего номинальный момент электродвигателя.

8. Быстродействие САУ должно быть таким, чтобы обечпечить при интенсивном увеличении скорости проскальзывания, снижение выходного напряжения преобразователя до перехода рабочей точки на второй восходящий участок характеристики суммарного трения.

9. Снижение амплитуд уцругих колебаний на резонансных частотах эффективно достигается в нестационарных режимах при скорости изменения частоты модуляции.

10. При разработке САУ электроцривода рудничного электровоза с точки зрения снижения динамических нагрузок механической передачи, целесообразно выбрать тщзисторно-импульсного преобразователя отличной от собственных частот системы.

11. Экспериментальные исследования подтвердили основные выводы диссертации.

1. Шахтарь П.С., Ренгевич А.А. и др. Причины поломок осей рудничных электровозов. Сб. "Вопросы рудничного транспорта", М.: 1.62, с.192-203.

2. Минов Д.К. Повышение тяговых свойств электровозов и тепловозов с электрической передачей. М.: Транспорт, 1965, 266 с.

3. Исаев И.П. Случайные факторы и коэффициент сцепления. М.: Транспорт, 1970, 136 с.

4. Филиппов Л.К., ред. Улушение эксплуатационных качеств электрических передач тепловозов. Труды ВНИИЭКТ. Вып. 646, 1981.

5. Куценко С.М. Исследования по динамике локомотивов. Докторская диссертация. 1955.

6. Тулупов В.Д. Повышение эффективности системы электрического торможения локомотивов. М.: Транспорт, 1968, 112 с.

7. Волотковский С.А. Рудничная электровозная тяга. М.: Недра, I960, 221 с.

8. Кайдановский Н.Л., Хайкин С.Э. Механические релаксационные автоколебания. ЖТФ, 3, вып. I, 1933, с.91-107.

9. Каширин А.И. Исследования вибраций при резании металлов. АН СССР, М., 1954.

10. Кононенко В.О. Автоколебания при трении, близкие к гармоническим. Сб.:"Вопросы прочности конструкции и динамики машин", й 19, Киев, АН УССР, 1954, с.106-126.

11. B£ock A. Fundamental Mechanical aspects Of foundry РивгСсс/tCon. SAEi i/6, N$y /340.

12. Ишлинский А.Ю. 0 скачках при трении. ЖТФ, 14, вып.4-5,1944, с. 276-282.

13. Крагельский И.В. Трение и износ. Машиностроение. 1968, 480 с.

14. Щедров B.C. Исследование процессов трения и изнашивания на скользящем контакте машин. Диссертация, 1953.

15. Костерин Ю.И. Механические автоколебания при сухом трении. М.: АН СССР, 1969, 76 с.

16. Bowden F.R., ieSen L. The nature of seeding and the analysis of friction. Proc. Roy. Soc.; /09; M 338, /S3S.

17. Но 6м S.j Kirschstcin В. абег- das Ha ft en -Z&eHer- MeiaBtfiachen in VakuuM and die HeraSsetsuny des Hajtens dur-ch yewisse Gase. Wiss Verofjent Pichunyen aus den Semens, h/etken, Щ N/, /336.

18. Paper) hay sen P. J". Wriy v inyspeiven in Vet band Meihet SEippen Van /\uto8onen " De Tnyenleur" S3, №3.

19. Каудерер Г. Нелинейная механика. ИЛ. М.: 1961, 777 с.

20. Штейнвольф Л.И. Качественная теория фрикционных автоколебаний в механических передачах. Сб. "Теория механизмов и машин". Вып. 2, ХГУ, 1966. с.76-82.

21. Филиппов А.П. Колебания механических систем. Киев, "Наукова думка", 1965, 716 с. ,

22. Сорокин К.С. К теории внутреннего трения при колебанияхупругих систем. М.: Госстройиздат, I960, 131 с.

23. Пановко Я.Г. Внутреннее трение при колебаниях упругих сис7 тем. М.: Физматгиз, I960, 193 с.

24. Штейнвольф JI.И. Динамика механических передач силовых установок тепловозов. Докторская диссертация, Харьков, 1967.

25. GcteBCer- С. A. Hydra и Eis hce Krajtu £ел trogungsan воуеп in , £ sen 6а/щ 3)iese£trLeBfahrZeuyen in beir-C-26iCcher Erpro&uny Und 8ewd£hrung~ QueckSfr'ck Und Vorausshau; Fcsenbahntechnishe Hundshauj Ha/2, Sl//-so} N3;S73-84, /368.

26. Bo horn Fred rich . Der SchEeu der VorgongBeih Anfahrem Und Hani ere n Met Dieeefhyc/rctu» iischen Kar-dan weMenjetrie Senun Pocomotiven. QCassers Аппавеп, 84} /$60.

27. Суздальцев М.Я., Воробьев А.А. Исследования автоколебаний колесной пары локомотива при буксовании. Труды МИИЖТ, вып. 150, М.: 1962.

28. Иванченко Ф.К., Жерначук В.Д. Некоторые вопросы автоколебаний поворота конвертора. Сб. "Прикл.механ.оборудование и электропривод", вып.6, Харьков, 1970, с.33-37.

29. Штейнвольф Л.И., Григан О.А. Экспериментальное исследование фрикционных автоколебаний в механических передачах. Сб. "Теория механизмов и машин", вып.2, ХГУ, Харьков,1966,с.83-88.

30. Гатов Д.М. Исследование автоколебаний в трансмиссии автомобиля. Сб."Машиностроение и металлообработка", №2, Минск,1968.

31. Добрынин Л.К., Лысак В.А. Динамические нагрузки в трансмиссии тепловоза ТГМ-10. М.: Транспортное машиностроение, вып.4, ЦИНТИАМ, 1964.

32. Nouvion M.j 8er-na^d М. Connoi Sances А/ouveftes Sur 6edhe ranee des locomotives бвесбгсрес/s Revue Genera £e dee chernCns de fer V3; /36/,1. Р/ЗЪ -/57.

33. Лысак В.А. Исследование фрикционных автоколебаний колесных пар локомотивов. Автореф.на соиск.учен,степени канд.техн. наук, Харьков, 1971.

34. Казак С.А. Разрывные автоколебания в рельсоколесных механизмах передвижения при трогании с места. Сб. "Теория машин", вып. I, Свердловск, 1977, с.14-17.

35. Лисунов В.Н. Энергетика взаимодействия колеса с рельсом и рационального использования сцепления. Автореф.на соиск. д-ра техн.наук, Омск, 1982.

36. Шахтарь П.С. Рудничный локомотив. М.: Недра, 1982, 359 с.

37. Пономарев А.С., Штейнвольф 1.И. Фрикционные автоколебанияв трансмиссиях транспортных машин. Сб."Динамика и прочность машин", вып.16, Изд-во НУ, Харьков, 1972, с.130-134.

38. Пономарев А.С. Исследование фрикционных автоколебаний в многомассовых системах. Диссер.на соиск.ученой степени канд. техн.наук, Харьков, 1971.

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

40. Скобелев В.Е. Двигатели пульсирующего тока. Л.'.Энергия, 1968, 231 с.

41. Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер А.С. Теорид автоматизированного электропривода. М.: Энергия, 1979, 616 с.

42. Бессмертный А.И. Разработки двигателей для электрифицированных средств при импульсном питании. Автореф. на соиск. ученой степени канд.техн.наук. М.: 1983.

43. Степина Я., Бендл Я. Влияние пульсации тока выпрямителя на двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением. "Электротехническая промышленность за рз^бежом", ЦИНТИ, перевод П-56 29-11, I960.

44. Dunaiski R. ОЪе ej/ecf of rectifier Pomer Supply on Pa где Ж Motor, Power apparcrius and Systemsj л/3f 1360. P 253 ~ 259.

45. Курбаеов А.С. Улушение коммутации тяговых двигателей, работающих на пульсирующем токе. Вестник ВНИИЖГ, Трансжелдориз-дат, № 4, I96I-.

46. Ротанов Н.А., Тарасов Ю.Г. Коммутация тяговых двигателец, работающих на пульсирующем токе и пути повышения их коммутационной устойчивости. Труды МИИТ. Трансжелдориздат, №157, 1962, с.40-69.

47. Тиристорные выпрямители для тяговых электродвигателей. ВНИИЭМ, 1965.

48. Ермолин Н.П. Вопросы надежности и долговечности электрических машин. Учебное пособие. Л.: 1966, 35 с.

49. Флора В.Д. Расчет пульсации тока двигателя при импульсном питании. ЛИИЖГ, 1968.

50. Иоффе А.Б. Тяговые электрические машины. М.: Энергия, 1968, 420 с.

51. Попов Ю.В. О допустимой величине пульсации тока при питании. ЛИИЖГ, 1968.

52. Попов Ю.В. О допустимой величине пульсации тока при питании двигателя от тиристорного преобразователя. Извест.Ленин град, элекшротехн.ин-та. Л.: вып.81, 1969, с.141-147.

53. Иришков В.И., Кузьмин Б.П. Определение величины, допускающей индуктивность в цепи якоря при питании от тиристорного преобразователя. Сб.трудов аспирантов ленингр.ин-та механикии оптики, 1972.

54. Пироженко В.Х. Определение индуктивности двигателя и сглаживающих дросселей при импульсном регулировании. Электротехника, № I, 1974, с.20-22.

55. Яковенко В.А., Любарцев В.Г., Наевская И.И. Разработкаи исследования серии тяговых двигателей ДРТ и асинхронных тяговых двигателей для рудничных электровозов. Отчет. Харьков, 1975.

56. Проектирование тяговых электрических машин. Под ред. Наход-кина М.Д., М.: Транспорт, 1976, 624 с.

57. Глинтерник С.Р.' Электромагнитные процессы и режимы мощных статических преобразователей. Л.: Наука, 1968, 308 с.

58. Глазенко Т.А., Гончаренко Р.Б. Полупроводниковые преобразователи частоты в электроприводах. М.: Энергия, 1969, 184 с.

59. Бирзниекс Л.В. Импульсные преобразователи постоянного тока. М.: Энергия,-1974, 256 с.

60. Гольц М.Е. и др. Автоматизированные электроприводы постоянного тока с широтно-импульсными преобразователями. М.: ЭнерIгия, 1973, НО с.

61. Глазенко Т.А. Полупроводниковые преобразователи в электроприводах постоянного тока. Л.: Энергия, 1973, 304 с.

62. Чигиринский С.Е., Чернявский В.Н., Буряк А.Н. и др. Исследование тиристорного привода и различных систем управления рудничными электровозами АМ8, "Уголь Украины", № 6, 1973,с. 32-35.

63. Осташевский Н.А. Исследование тягового двигателя рудничного электровоза при импульсном регулировании скорости вращения. Автореф.на соик.учен.степени канд.техн.наук. Харьков,1973.

64. Бардаш Ю.Ф., Буряк А.Н., Чернявский В.Н. Тиристорный электропривод рудничного электровоза. М.: ЦНИЭИуголь, 1975.

65. Глазенко Т.А., Перман-Галкин С.Г., Эздрин Г.С. Принципы построения и нанализа тиристорных широтно-импульсных преобразователей. В кн.: Современные задачи преобразовательной техники. Викн.: Наук.думка, 1975, вып.5, с.147-156.

66. Глазенко Т.А., Иришков В.И. Тиристорные преобразователи с дросселями насыщения для систем электропривода. М.: Энергия: 1978, 136 с.

67. Глазенко Т.А. Полупроводниковые преобразователи в электроприводах постоянного тока. JI.: Энергия, 1979, 304 с.

68. Руденко B.C., Сенько В.И., Чиженко И.М. Преобразовательная техника. Киев: Вища школа, 1983, 431 с.

69. Кузнецов Б.Г., Гайдуков В.Е. и др. Устройство для противо-буксовочной защиты электроподвижного состава. Авторское свидетельство СССР № 588147, 1978.

70. Конюк B.JI., Килелев Я.М. Устройство для обнаружения буксования локомотива. Авторское свидетельство СССР № 578206, М.: 1977.

71. Гайдуков В.Е., Кузнецов Б.Г., Филиппов JI.K. Устройство для обнаружения буксования и юза колесных пар. Авторское свидетельство СССР № 461008, 1975.

72. Клепиков В.Б., Кутовой Ю.Н. Устройство для измерения скольжения колесных пар. А.с. № 286II39 (СССР) опубл. в Б.И. в 198I, № 23.

73. Егоров В.И., Росланас B.C. Устройство для измерения скольжения колесных пар транспортного средства. А.С. №319507 (СССР), 1969.

74. Шахов В.П. Устройство для обнаружения буксования и юза колеса транспортного средства. А.С. № 422642, (СССР), 1974.

75. А.с. № 47-16445, (Япония), 1972. Способ индикации буксования электроподвижного состава.

76. Филиппов JI.K., Гайдуков B.C. и др. Устройство для указания на пробуксовку колес. А.с. № 506525 (СССР), 1976.

77. Калиниченко А.Я. Устройство для защиты от буксования моторного вагона с регулированием напряжения на двигателях дискретной системой управления. А.с. № 557938 (СССР), 1977.

78. Квартальнов Б.В. Динамика электроприводов с упругими связями. М.: Энергия, 1965, 86 с.

79. Левитский Н.И. Теория механизмов и машин. М.: Наука, 1979. 576 с.

80. Гробов В.А. Теория колебаний механических систем. Киев: Вища школа, 1982, 183 с.

81. Боголюбов Н.Н., Митропольский Ю.А. Асимптотические методы в теории нелинейных колебаний. М.: Физматгиз, 1963.

82. Бояджиев Г. Асимптотични решения на нелинейни системы при многочастотен режим." Годишн.висш.техн.учебни завед.математика", 1965, № I, с.39-44.

83. Клепиков В.Б., Пономарев А.С., Угвусие О.С. Оптимизационные расчеты в динамике буксования рудничных электровозов. Тезисы докл. научн.семинар. "Проблемы оптимизации в машиностроении". Харьков, 1982, 289 с.

84. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. М.: Наука, 1967, 576 с.

85. Заде Л.А., Дезоар Ч.А. Теория линейных систем. М.: Наука, 1970, 704 с.

86. Ключев-В.И. Ограничение динамических нагрузок электропривода. М.: Энергия, 1971, 320 с.

87. Джорж Ланс. Численные методы для быстродействующих вычислительных машин, перевод с англ. М.: Машиностроение, 1972,208 с.

88. Рубаник В.П. Прохождение через резонанс в нелинейных системах со многими степенями свободы при воздействии многочастотных возмущающих сил. Проблемы прочности в машиностроении,

89. АН СССР. М.: 1962, с.3-18.

90. Голоскоков Ё.Г., Филиппов А.П. Нестационарные колебания механических систем. Киев: Наукова думка, 1066, 335 с.

91. Голоскоков Е.Г., Филиппов А.П. Нестационарные колебания деформируемых систем. Киев: Наукова думка, 1977, 336 с.

92. Бидерман В.Л. Теория механических колебаний. М.: Вища школа, 1980, 408 с.

93. Клепиков В.Б., Сизов А.Б., Кутовой Ю.Н. и др.Исследование пуско-тормозных режимов рудничного электровоза АМ8Д с помощью ЭВМ. Изв.вузов. Горный журнал, № II, 1980, с.48-52.

94. Кутовой Ю.Н. Динамика электропривода рудничного электровоза с учетом проскальзывания колес. Дисс.на соиск.учен.степени канд.техн.наук. Днепропетровск, 1984.

95. А.с. № 717606 (СССР), 1980. Устройство'для исследования рудничных локомотивов.

96. Ривин Е.И. Динамика привода стаканов. М.: Машиностроение, 1966, 204 с.

97. Маслов Г.С. Расчеты колебаний валов. М.: Машиностроение, 1980. 151 с.

98. Серебряников М.Г., Первозванский Л.А. Выявление вскрытых периодичностей. М.: Наука, 1965, 320 с.

99. Мэнли Р. Анализ и обработка записей колебаний. Перевод с англ. М.: Машиностроение, 1972. 368 с.