автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.01, диссертация на тему:Оценка тяговых качеств тепловозов с различными характеристиками электрической передачи при буксовании

ВВБЩЕНИЕ

Глава I. КОЭФШДОНТ СЦЕПЛЕНИЯ И ТЯГОШЕ КАЧЕСТВА

ТЕПЛОЕОЗШ.

1.1. Характеристика условий эксплуатации локомотивов на железных дорогах Объединенной Республики Танзании.

1.2. Факторы, влияющие на коэффициент сцепления колес локомотива с рельсами . II

1.3. Влияние характеристик электрической передачи на тяговые свойства тепловозов

1.4. Постановка задачи и метод исследования

1.5. Критерии оценки тяговых качеств тепловозов при буксовании

Глава П. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССОВ БУКСОВАНИЯ

ТЕПЛОВОЗА.

2.1. Передача с постоянной мощностью тягового генератора при буксовании

2.2. Передача с постоянным напряжением тягового генератора при буксовании

2.3. Передача с постоянным магнитным потоком тяговых электродвигателей при буксовании

Глава Ш. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ БУКСОВАНИЯ ТЕПЛОВОЗА

ПЕЙ «ЩСКРЕТНЫХ ИЗМЕНЕНИЯХ Vo И L.

3.1. Передача с постоянной мощностью тягового генератора при буксовании

3.2. Передача с жесткими динамическими характеристиками генератора (ЖДХ) при буксовании

3.3. Передача с постоянным напряжением тягового генератора при буксовании

3.4. Передача с постоянным магнитным потоком тяговых электродвигателей при буксовании

3.5. Сравнение процессов буксования тепловоза при различных характеристиках электрической передачи.

Глава СТАТИСТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ БУКСОВАНИЯ ТЕПЛОВОЗА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ХАРАКТЕРИСТИКАХ ЭЯЕКетЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ -.

4.1. Статистическая модель процессов буксования тепловоза.

4.2. Определение необходимого числа экспериментов

4.3. Статистическое исследование процессов буксования тепловоза при передаче с жесткими динамическими характеристиками тягового генератора

4.4. Статистическое исследование процессов буксования тепловоза при передаче с постоянным напряжением тягового генератора.

4.5. Статистическое исследование процессов буксования тепловоза при передаче с постоянным магнитным потоком тяговых электродвигателей.

ОСНОВНЫЕ вывода.ЗВ

Непрерывный рост грузовых и пассажирских перевозок на железнодорожном транспорте влечет за собой необходимость создания более мощных локомотивов, в том числе и тепловозов с электрической передачей с тем, чтобы повысить пропускную и провозную способность железных дорог.

Повышение мощности и силы тяги локомотивов наталкивается на ограничение в виде предельной силы тяги по сцеплению, в результате чего вероятность возникновения буксования колесных пар резко возрастает. Ограничение силы тяги по сцеплению определяется максимально возможной (потенциальной) силой сцепления, которая в свою очередь зависит от многих факторов:

- факторы, связанные с конструкцией и состоянием локомотива;

- факторы, связанные с конструкцией и состоянием верхнего строения пути;

- факторы, связанные с атмосферными условиями и состоянием поверхностей контакта колес с рельсами.

Характер протекания процессов буксования локомотивов определяется соотношением между силой тяги колесных пар и силами сцепления между колесами и рельсами. Существенное влияние на процессы буксования оказывают характеристики привода колесных пар, которые хотя и не имеют непосредственного отношения к уровню силы тяги перед срывом сцепления, но в значительной степени определяют характер развития начавшегося буксования. В настоящее время существуют многочисленные противобуксовочные системы и устройства, формирующие характеристики электрической передачи в процессе буксования. Особенности поведения системы "двигатель - колесо - рельс" при различных характеристиках электрической передачи проявляются в большей или меньшей склонности к буксованию и способности восстановления сцепления. В результате существенно различными оказываются реализуемые тепловозами тяговые качества при различных характеристиках электрической передачи. В то же время отсутствуют общепринятые способы и методы, по которым можно было бы оценить и сравнить различные противобуксовочные устройства и их влияние на тяговые качества. Поэтому задача оценки сравнительной эффективности различных противобуксовочных систем тепловозов является весьма важной и актуальной.

Сравнение тяговых параметров тепловозов, имеющих различные характеристики электрической передачи, до настоящего времени проводилось либо теоретически при детерминированных параметрах, либо на экспериментальной основе. Известно, однако, что в условиях эксплуатации действует множество факторов, случайно изменяющихся в процессе движения и влияющих на реализуемый в месте контакта колес с рельсами коэффициент сцепления.

При экспериментальном исследовании для объективной оценки тяговых качеств тепловозов необходимо проведение продолжительных исследований, учитывающих всё возможное многообразие факторов, влияющих на коэффициент сцепления. Вместе с тем, экспериментальное сравнение тяговых параметров тепловоза при различных противобуксовочных устройствах весьма затруднено из-за сложности или невозможности обеспечения идентичных условий в процессе проведения экспериментов.

Трудности чисто экспериментального исследования могут быть преодолены при использовании методов математического моделирования /1/ с учетом случайного изменения наиболее влияющих факторов. Исходя из этого и была поставлена задача разработки метода оценки тяговых качеств тепловозов с различными характеристиками электрической передачи при буксовании с целью оценки сравнительной эффективности различных противобуксовочных устройств в сопоставимых условиях.

В плане поставленной задачи рассматривается ряд вопросов:

- анализ влияния характеристик электрической передачи на тяговые качества тепловозов;

- анализ и выбор критериев сравнительной оценки тяговых качеств тепловозов при буксовании;

- выбор метода исследования;

- разработка математической модели для исследования процессов буксования при различных характеристиках электрической передачи;

- аналитическое исследование процессов буксования тепловоза без учета случайного изменения влияющих факторов;

- статистическое исследование процессов буксования тепловоза методом дискретного моделирования случайных процессов;

- сравнительная оценка тяговых качеств тепловоза при различных характеристиках электрической передачи.

Исследования процессов буксования тепловоза проводились на ЭВМ серии EC-I055, а по результатам исследования сделан ряд выводов и рекомендаций относительно путей обеспечения наилучших противобуксовочных свойств тепловоза.

основные вывода

1. Характеристики электрической передачи при буксовании, определяющие жесткость тяговых характеристик привода колесных пар, оказывают существенное влияние на тяговые качества тепловоза при нарушениях сцепления колес с рельсами.

2. Оценка различных конструктивных мероприятий, направленных на улучшение характеристик электрической передачи при буксовании, до сих пор проводилась экспериментальным путем, связанным с большим объемом работ и не дающим объективной оценки из-за невозможности обеспечения идентичных условий сравнения и сложности получения достоверных статистических данных.

3. Предложенный метод оценки путем математического моделирования процессов буксования тепловоза с различными характеристиками электрической передачи при дискретных значениях коэффициента сцепления и длины участка, на котором он действует, позволяет на основании выбранных критериев оценки тяговых качеств, предварительно сравнить различные конструктивные решения и выбрать наиболее рациональные.

4. Разработанный метод статистической оценки при случайных изменениях коэффициента сцепления, длины участка и вертикальной нагрузки на колесную пару обеспечивает достоверную оценку тяговых качеств тепловозов при различных характеристиках электрической передачи при минимальных затратах времени и материальных рес урсов.

5. Достоверность оценки обеспечивается использованием реальных вероятностных факторов, определяющих сцепление колес с рельсами и полной идентичностью условий экспериментов, в которых проводится сравнение различных вариантов.

6. Проведенное по разработанной методике сравнение тяговых качеств тепловоза с передачами, имеющими при буксовании постоянную мощность тягового генератора ( Рг = Const ), идеальные жесткие динамические характеристики генератора (ДЦХ), постоянное напряжение тягового генератора ( Ur - Const ) и постоянный магнитный поток тяговых электродвигателей при ЖДХ генератора ( = Const ), показало:

- из рассмотренных видов передач только передача с

Ф = Const и ЖДХ обеспечивает работу при ограничениях по сцеплению при минимальных потерях силы тяги, энергии и износах бандажей и рельсов;

- при равных условиях передача с Ф^Ь = Const обеспечивает потери энергии на 25% меньше, чем передача с Ur = Const , и на 54$ по сравнению с передачей с ЖДХ;

- избыточный путь колесных пар, пройденный при скольжении и характеризующий износ бандажей и рельсов, для передачи с Ф^Е = Const на TJo% меньше, чем для передачи с Ur = Const , и на 7С$ по сравнению с передачей с ЖДХ;

- максимальные скорости скольжения колесных пар равны соответственно ОД, 5-5,5 и 12-16 м/с при скорости тепловоза 6,9 м/с;

- передача с Рг = Const при нарушениях сцепления переходит в режим разносного буксования из-за перераспределения мощности и требует дополнительных воздействий (снижения мощности) для прекращения буксования;

- в некоторых случаях (3% от общего числа опытов) при глубоких и длительных нарушениях сцепления передача с = Const также попадает в режим разносного буксования и требует дополнительных воздействий.

7. Предложенный метод позволяет сравнительно просто видоизменить модель для исследования передач с другими характеристиками.

1. Самарский А.А. Современная прикладная математика и вычислительный эксперимент. Коммунист, 1983, № 18, с.31-42.

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

3. Менщутин Н.Н. Зависимость между силой сцепления и скоростью скольжения колесной пары локомотивов. Вестник ВБИИЖТ, № 7, I960, с.12-16.

4. Меншутин Н.Н. Исследование колесной пары электровоза при реализации силы тяги в эксплуатационных условиях. Труды ВНИИЖТ, вып.188, I960, с.113-133.

5. Бычковский А.В. О коэффициенте сцепления при высоких скоростях движения. Вестник ВНИИЭТ, вып.7, 1972, с.18-24.

6. Еычковский А.В. Новые методы экспериментального исследования сцепления между рельсами и одиночными осями электровозов и тепловозов. Вестник ВНИИЖТ, вып.2, 1958, с.52-54.

7. Гриневич В.П., Юнюшин В.В. Экспериментальные исследования характеристик сцепления колесных пар тепловозов с рельсами.

8. Труды ВНИТИ, вып.54, Коломна, 1981, с.10-21. §

9. Знвенховен Н. Экспериментальные исследования сцепления движущей оси с приводом трехфазного тока. Железные дороги мира, № 12, 1981, с.7-18.

10. Фин X., Вейнхард М., Зеевенховен Н. Опытный электровоз с тяговыми двигателями трехфазного тока нидерландских железных дорог. Измерение сил сцепления колес с рельсами. Железные дороги мира, № II, 1980, с.12-23.

11. Френкель Э.М. К вопросу о сцеплении колес с рельсом. Труды ЖТа, вып.23, 1953, с.106-113.

12. Наумов В.И. Влияние контактной прочности металла на силу сцепления колеса с рельсом. Труды ВНИИЖТ, вып.255, 1963, с.128-147.

13. Ларин Т.В. Износ и пути продления срока службы бандажей железнодорожных колес. Труды ВНИИЖТ, вып. 165, 1958, 166 с.

14. Лужнов Ю.М. Физические основы и закономерности сцепления колес локомотивов с рельсами. Дно. д-ра техн.наук. М., 1978. 384 с.

15. Под ред. И.П.Исаева. Физико-химическая механика сцепления. Труды ШИТ, вып.445, 1973, 186 с.

16. Вербек Г. Современное представление о сцеплении и его использование. Железные дороги мира, № 4, 1974, с.23-53.

17. Под ред. Н.А.Зуфрянского и А.Н.Бевзенко. Развитие локомотивной тяги. М., Транспорт, 1982. 303 с.

18. Розенфельд В.Е., Исаев И.П., Сидоров Н.Н. Теория электрической тяги. М., З^анспорт, 1983. 328 с.

19. Под ред. 0.А.Некрасова. Режимы работы магистральных электровозов. М., Транспорт, 1983. 231 с.

20. Мигунштейн А.А. Экспериментальные исследования режимов работы электровозов постоянного тока. Вестник ВНИИЖТ, вып.2, 1983, с.19-24.

21. Исаев И.П. Случайные факторы и коэффициент сцепления. М., Транспорт, 1970. 184 с.

22. Исаев И.П. и др. Вероятностная оценка увеличения коэффициента сцепления локомотивов с групповым приводом колесных пар. 1£уды МИИТа, вып.585, 1978, с.3-12.

23. Кожакин А.Ф. Исследование сцепления колес локомотивов с рельсами на промышленном транспорте. М., Транспорт, 1981, с.65-87.

24. Котов С.Г. Вероятностный метод исследования реализации силы сцепления колес электровозов с рельсами. Дис. канд.техн. наук, М., 1965. 167 с.

25. Лисунов В.Н. Реализация сцепления при случайных воздействиях. Омск, 1979, C.II-I6.

26. Исаев И.П., Петраковский С.С. Методика учета климатических и эксплуатационных факторов при определении весовых норм грузовых поездов железных дорог Крайнего Севера. Труды МИИТа, вып.524, 1976, с.7-20.

27. Филиппов Л.К. Повышение эффективности устройств обнаружения и прекращения буксования колес тепловозов с электрической передачей. 1£уды ВНИИЖТ, вып.272, 1964, с.101-164.

28. Филиппов Л.К., Михневич Г.А., Симсарян Р.А. Выбор рациональной схемы обнаружения и прекращения буксования для тепловозов с параллельным соединением тяговых электродвигателей. Труды ВНИИЖТ, вып.349, 1968, с.83-117.

29. Филиппов Л.К. Тепловозы 2ТЭ1Ш с комплексным электрическим противобуксовочным устройством. Электрическая и тепловозная тяга, № 1/2, 1971, с.15-19.

30. Филиппов Л.К. Результаты эксплуатационных испытаний на тепловозах 2ТЭ1СШ комплексного электрического протиЕобуксо-вочного устройства. Труды ВНИИЖТ, вып.527, 1974, с.42-72.

31. Перегудов Ю.М., Новиков И.А., Шевченко С.И. Система регулирования генератора, формирующая внешние характеристики повышенной жесткости. Труды ВНИШ, вып.56, 1982, с.3-13.

32. Варешн Ю.А., Перегудов Ю.М., Сергеев В.Л., Филиппов Л.К. Выбор места ввода сигнала на сброс нагрузки в систему регулирования дизель-генератора при буксовании тепловоза. Труды ВНИТИ, вып.45, 1977, с.146-151.

33. Рудая К.И., Беляев А.И. Статишжческие характеристики тяговых электродвигателей в режиме буксования при различных схемах их включения. Труды МИИТа, вып.402, 1972, с.116-126.

34. Головатый А.Т. Сцепные свойства электровозов при многовдат-ной тяге. Железнодорожный транспорт, й 10, 1976, с.55-57.

35. Фаминский Е.В., Меншутин Н.Н. Автоматическое регулирование возбуждения тяговых двигателей для повышения сцепления ло-комотиеов. Труды ВНИИЖТ, вып.396, 1969, с.3-19.

36. Фаминский Г.В., Менщутин Н.Н. Пути повышения сцепления у электровозов постоянного тока. Труды ВНИИЖТ, вып.396, 1969, с.20-29.

37. Лисунов В.И. О жесткости тяговых характеристик параллельно-работающих машин при буксовании. Труды ШИТ, вып.605, 1978, с.28-37.

38. Сергеев В.Л. О применении уравнительных соединений в противо-буксовочных схемах перспективных тепловозов. Труды ВНИТИ, вып.37, 1972, с.40-49.

39. Сергеев В.Л., Перегудов Ю.М., Ким С.И. Улучшение характеристик защиты в противобуксовочных схемах с уравнительными соединениями. Труды ВНШИ, вып.51, 1980, с.33-38.

40. Сергеев В.Л., Комиссарова Л.В. Перспективы использования уравнительных соединений на тепловозах большой мощности. Труды ВНИШ, вып.56, 1982, с. 19-27.

41. Фаминский Г.В. Увеличение нагрузок тяговых электродвигателей с жесткими противобуксовочными характеристиками. Труды ВНШЖТ, вып.541, 1975, с.69-74.

42. Чернов Р.В. О степени противобуксовочного воздействия методом ослабления поля. Труды УЭМИИТа, вып.62, 1979, с.31-34.

43. Аникиев И.П. Исследование тяговых качеств тепловозов с двигателями независимого возбуждения. Дис. канд.техн.наук, М., 1976. 184 с.

44. Бородзулин И.П. Результаты испытания тепловозов с тяговыми двигателями независимого возбуждения. Труды МИИТа, вып.486, 1975, с.13-23.

45. Фаминский Г.В., Меншутин Н.Н. и др. Характеристика сцепления электровоза с независимым возбуждением тяговых двигателей. Вестник ВНИИЖТа, вып.6, 1974, с.17-24.

46. Ликратов Ю.Н. Возможности улучшения тяговых свойств локомотивов. Железнодорожный транспорт, № 2, 1983, с.46-48.

47. Зольников С.С. Вертикальная динамика локомотивов. Вестник ВНИИЖТ, № 2, I960, с.24-29.

48. Беляев А.И. Стохастическая устойчивость работы тягового привода. Вестник ВНИИЖТ, № 4, 1973, с.32-36.

49. Беляев А.И. Влияние конструкции тягового привода на динамические нагрузки пути. Вестник ВНИИЖТ, 3, 1977, с.15-19.

50. Коняев А.Н., Андреев А.А. О возможности значительно лучшего использования сцепной массы локомотивов. Труды ЖИТа, вып.12, 1980, с.12-19.

51. Иванов В.Н., Беляев А.И. Экспериментальное определение оценок вероятностных характеристик случайного процесса вертикальной нагрузки колеса и колесной пары на путь. Труды МИИТ, вып.627, 1979, с.68-76.

52. Беляев А.И., Белов В.К. Вероятностные характеристики стохастических колебаний колесной пары тепловоза 2ТЭ1СШ. Вестник ВНИИЖТ, I, 1971, с.36-44.

53. Львов А.А. и др. Некоторые характеристики вертикальных неровностей пути. Вестник ВБИИЖТ, JS 3, 1971, с.39-40.

54. Беляев А.И. Вероятностные характеристики неровностей железнодорожного пути. Труды ВНИТИ, вып.42, 1975, с.77-85.

55. Исаев И.П. и др. Вычислительная техника в инженерных и экономических расчетах. М., Транспорт, 1977, 272 с.

56. Лису нов В.Н. Моделирование процессов реализации сцепления на ЭВМ. Омск, 1979, с.21-27.

57. Потапов А.С., Лисицын А.Л., Ребрик С.Б. Коэффициент сцепления грузовых электровозов. Труды ВНИИЖТ, вып.478, 1972,с.14-21.

58. Потапов А.С. Влияние расчетного коэффициента сцепления на провозную способность участка. Вестник ВНИИЖТ, № 8, 1976, с.1-9.

59. Под ред. В.В.Деева и Н.А.фуфрянского. Подвижной состав и тяга поездов. М., Транспорт, 1979. 368 с.

60. Львов Н.В. Влияние типа тягового привода и характеристик неровностей пути на сцепные свойства локомотивов. Дис. канд.техн.наук. М., 1979. 178 с.

61. Сергеев В.Л., Перегудов Ю.М. Критерии сравнения противобук-совочных свойств магистральных тепловозов. Труды ВНИТИ, вып.56, 1982, с.28-32.

62. Бородулин И.П., Кайлембо Р. Математическая модель тепловоза при буксовании. Труды МИИТ, 1984, вып.^1/! с.

63. Лисунов В.Н. Энергетические соотношения при реализации сцепления. Труда ОмИИТа, еып.186, 1977, с.3-8.

64. Лужнов Ю.М.,. Черепашенец Р.Г., Сазанова Н.А. О выборе расчетных коэффициентов сцепления. Электрическая и тепловозная тяга, № 6, 1977, с.38-40.

65. Правило тяговых расчетов для поездной работы. М., Транспорт, 1969, 319 с.

66. Исследование и разработка системы уравнительных соединений для тепловозов мощностью 6000 л.с. Отчет по НИР ВНИТЙ,

67. И-91-80, Коломна, 1980. 135 с.

68. Тарасов Б.Ф. Влияние силы трения в рессорном подвешивании на величину статического давления колес на рвльсы. Труды ЛИИЖТа, 1969, вып.232, с.24-28.

69. Исследование тягоеых свойств тепловозов 2ТЭ10Я и 2ТЭ10В е зоне ограничения по сцеплению. Технический отчет, !Ь И-07-77, ВШИ, 1977. 126 с.

70. Шрайбер Т.Дж. Моделирование на QPSS. М., Машиностроение, 1980. 592 с.

71. Ашмарин П., Васильев Н.Н., Амбросов В.А. Быстрые методы статистической обработки и планирование экспериментов. Изд. Ленинградского ун-та, 1971. 76 с.

72. Митропольский А.К. Техника статистических вычислений. М.: Наука, 1971. 576 с.

73. Боролулин И.П., Кайлембо Р. Оценка тяговых качеств тепловозов с различными характеристиками электрической передачипри буксовании.руК0ПИсь деп. в ЦНИИТЭИ МПС № 2810-84 Деп.

74. Захаров Е.К., Севастьянов Б.А., Чистяков В.П. Теория вероятностей. М.: Наука, 1983. 158 с.73» Longstone С.P. and others. Locomotive Frictioncreep studies. Trans. £SME, Journal of Engineering for Industries. Vol.102, № 3, 1980, p.275-281.

75. Collins A.H. and Pritchard C. Recent research on Adhesion. The Railway Engineering Journal, № 5, 1972, p.19-34.

76. T.A.Greaves. Traction Adhesion Problems. The Railway Engineering Journal, № 3, 1972, p.38-45.

77. Dobbs D.T. Plasma fourch proved for low speed application. Railway Garette, 1969, vol.125, № 21, p.37-39.

78. Ephraim M. Pacts about adhesion. Railway Garette International, London, 1981, vol.137, № 6, p.68-69.

79. Ohyama T. and Shirai S. Adhesion of higher speeds and its control. Quarterly Reports, Railway Technical Research Institute, Tokyo, 1982, vol.23, № 3, p.97-104.

80. Why do electrics have greater adhesion than diesels. Report of the ASME/IEEE joint railroad conference. Railway Locomotives and cars, 1972, vol.146, № 4, p.16-18.

81. The Great Afhesion Race. Railway Age, 1980, vol.181, № 7, p.17-18.

82. Dynamic loading at rail joints. Railway Garette, 1969, vol.125, № 15, p.616-619.

83. Vertical djmamics of a single wheel set on rails with periodical irregularities. Vehicle system dynamics, 1982, vol.11, № 2, p.107-120.