автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Прогнозирование переходных режимов в электромеханической системе электровоза

г* ^

') | На правах рукописи

ЗАРИФЬЯН Александр Александрович

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМОВ В ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОВОЗА

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Ростов-на-Дону - 1997

Работа выполнена в Новочеркасском государственном техническом университете. „ -Научный консультант:

- доктор технических наук, профессор,

действительный член Академии транспорта РФ НИКИТЕНКО А.Г.

Официальные оппоненты: ,

- доктор технических наук, профессор,

действительный член Академии транспорта РФ ТИБИЛОВ Т. А.

- доктор технических наук, профессор,

действительный член Академик транспорта РФ БАЛОН Л.В.

/

- доктор технических наук, профессор,

действительный член Академии транспорта РФ БАХВАЛОВ Ю.А.

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт электровозостроения (АО ВЭлНИИ).

Защита состоится "¿С " иасн4 1997 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 114.08.01 при Ростовском государственном

I

университете путей сообщения по адресу: -

344017, г.Ростов-на-Дону, пл.Народного Ополчения, 2. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГУПС.

Автореферат разослан «23 " а А.Л 1997 г.

Отзыв на автореферат, заверенньй печатью, просьба направлять по указанному выше адресу.

<

Ученый секретарь >

диссертационного совета, к. т.н.,'доцент М.Л. Лившиц

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При создании электровозов нового поколения возникает целый комплекс проблем, связанных с исследованием переходных процессов, отладкой систем автоматического управления и определением уровня динамических нагрузок. Особую остроту данным вопросам придает то, что на новых электровозах предусмотрено применение ряда таких конструктивных решений по механической и электрической часта, включая систему управления, которые на прежде выпускавшихся локомотивах не использовались, и только некоторые из них были ранее испытаны. Физическое моделирование процессов, происходящих при движении скоростных электровозов, затруднено вследствие высоких материальных затрат и может быть реализовано только на заключительной стадии работ. В связи с изложенным возникает потребность предоставления в распоряжение проектировщиков математических моделей как высокоэффективного инструмента, позволяющего на этапе конструктивных проработок исследовать динамические процессы для возможных вариантов исполнения как механической, так и электрической части электровоза и его системы управления в различных сочетаниях.

Из сказанного следует, что поставленная научная задача прогнозирования переходных режимов путем построения комплексной математической модели электромеханической системы электровоза является актуальной и тесно связана с проблемой создания новых отечественных локомотивов, что предусмотрено Постановлением Совета Министров СССР от 11.10.1990 года № 1001 "О программе технического перевооружения и модернизации железных дорог в СССР б 1991-2000 годах" и Постановлением Правительства России-

ской Федерации от 23.11.1996 года № 1400 "О федеральной целевой программе 'Разработка и производство пассажирского подвижного состава нового поколения на предприятиях России (1996-2005 годы)".

Цель и задачи исследования. Целью исследования является решение научной проблемы прогнозирования переходных режимов и изучения динамических процессов, возникающих при движении электровоза, рассматриваемого в качестве единой электромеханической системы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить задачу разработки комплексной компьютерной модели электромеханической системы электровоза, предназначенной для применения на этапе проектирования. Модель должна быть построена по модульному принципу, обладать гибкой и открытой структурой, позволять быстрое внесение дополнений и изменений в процессе исследования.

К задачам исследования относится расчет электромагнитных процессов, а также силовых потоков, обусловленных действием активных моментов, приложенных к валам тяговых двигателей (ТД) и получаемых в функции от принятого алгоритма управления. При этом должны приниматься во внимание взаимосвязь электрических и механических колебаний с учетом возмущений, возникающих при движении по пути, имеющему вертикальные неровности.

Научная новизна. Новизна научных результатов, полученных в диссертации, заключается в следующем:

а) Выполнены расчет и исследование переходных режимов в электромеханической системе электровоза, начиная от выбранного алгоритма управления вплоть до усилий, возникающих в контакте "колесо-рельс" для каждой из колесных пар. Изучены силовые потоки, возникающие под воздействием электромагнитных моментов на

валах ТД в режиме тяга, причем рассмотрены различные варианты конструкции электровоза (механическая часть с осевыми формулами 2о-2о и 2о-2о-2о, тяговый привод 1-го, П-го и Ш-го классов, электрическая часть с коллекторными и бесколлекторными двигателями).

Выявлены закономерности протекания возникающих динамических процессов в связях экипажной части и в тяговом приводе (рассчитаны моменты в тяговых муфтах, усилия в зубчатых передачах, в подшипниках, в подвесках корпусов двигателей и редукторов, силы в наклонных тягах и т.д., а также пространственные перемещения тел, входящих в состав расчетной схемы). Полученные результаты имеют значение при расчете на прочность, в особенности для тягового привода с асинхронными ТД;

б) Разработана новая компьютерная технология построения комплексной математической модели электровоза как единой полноразмерной электромеханической системы, состоящей из трех взаимодействующих между собой подсистем: механической части, электрической части и системы управления;

в) Создан высокоэффективный алгоритм моделирования механической части электровозов, опирающийся на современные метода! динамики систем твердых тел и позволяющий получать математическую модель для любой конкретной конструкции механической часта в автоматическом режиме по заданной исходной информации о ее топологии, кинематике, массо-инерционных характеристиках и действующих силах;

г) Математическая модель реализована в виде программного обеспечения, предназначенного для исследования динамических процессов. Пакет программ составлен с применением методов компьютерной алгебры и объектно-ориентированного программирова-

им, что дало возможность исследования динамики различных вариантов конструкции электровозов с минимальными затратами труда и времени.

Методы исследования и достоверность полученных результатов. Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, а также полученных результатов, обеспечивается:

а) применением фундаментальных принципов и методов механики и математики. При решении поставленной задачи использовалась методология системного анализа, применялись методы динамики систем твердых тел (формальный метод Ньютона-Эйлера), теории графов, компьютерной алгебры, а также численные методы интегрирования систем обыкновенных дифференциальных уравнений;

б) сравнением с имеющимися в литературе данными экспериментальных исследований, подтверждающим достоверность расчетных результатов;

в) критическим обсуждением результатов работы с экспертами по электровозостроению - ведущими специалистами АО "Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт электровозостроения" (АО ВЭлНИИ).

Практическая значимость и внедрение. Полученные результаты применены для решения конкретных практических вопросов, связанных с проектированием новых образцов электровозов. В частности, они использованы для расчета переходных процессов и определения уровня динамических нагрузок, возникающих в экипажной части и тяговом приводе четырехосного электровоза с асинхронными ТД. Существенная часть работы проводилась согласно договора АО ВЭлНИИ с МПС № 23-119/92 "Разработка, изготовле-

inie и поставка унифицированных грузовых электровозов постоянного и переменного тока и двойного питания с бесколлекторными тяговыми двигателями".

Значительная часть исследований выполнена в рамках научно-технической программы Государственного комитета РСФСР по делам науки и высшей школы "Фундаментальные и прикладные проблемы механики деформируемых сред и конструкций" (приказ №258 от 28.03.1991 г.), работы по теме "Исследование динамики высокоскоростных цилиндрических передач (применительно к зубчатым передачам перспективных, транспортных средств) и разработка специализированных методов взаимосвязанных прочностных и геометрических расчетов" проводились в 1991-95 г.г.

По результатам некоторых разделов работы издано и внедрено в учебный процесс подготовки студентов специальности 'Электрический транспорт" учебное пособие и пакет программ по элементам теории колебаний.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на ежегодных научных конференциях Новочеркасского государственного технического университета (НГТУ), на заседании научного семинара кафедры теоретической механики Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ), а также были представлены на Международной конференции "Состояние и перспективы развития локомоти-востроения", Новочеркасск, 7-9 июня 1994 г.; на Международном симпозиуме "Безопасность перевозочных процессов", Москва, МИИТ, 27 апреля 1995 г.; на 2-й и 3-й Международных конференциях "Новые компьютерные технологии в системах управления", Переславль-Залесский, 13-19 августа 1995 г. и 29 июля -2 августа 1996 г.; на 9-ом Всемирном Конгрессе по теории машин и механиз-

мов, Милан (Италия), 29 августа-2 сентября 1995 г.; на Международной научно-технической конференции ';Качество и долговечность зубчатых передач и редукторов", Севастополь, 17-21 сентября 1995 г.; па Международной конференщш "Устойчивость, управление и динамика твердого тела", Донецк (Украина), 2-6 сентября 1996 г.; на 2-й Европейской конференции по нелинейным колебаниям, Прага (Республика Чехия), 9-13 сентября 1996 г.; на Международной конференщш "Теория и практика зубчатых передач", Ижевск, 4-6 декабря 1996 г.

Работа полностью доложена и обсуждена на заседаниях научных семинаров кафедры теоретической механики МГУ им. М.В. Ломоносова под руководством академика РАН Д.Е.Охоцимского, профессоров В.В.Белецкого и Ю.Ф.Голубева, на заседании научно-технического совета АО ЮлНИИ, на расширенном заседании кафедры теоретической механики НГТУ, на заседании общественного совета докторов наук РГУПС, на заседании научного семинара Московского отдела Института проблем транспорта РАН, на совместном заседании кафедр "Локомотивы и локомотивное хозяйство" и "Вагоны и вагонное хозяйство" РГУПС.

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 27 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 414 страницах, состоит из введения, восьми глав, заключения и трех приложений. Список литературы содержит 147 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены современные тенденции развития конструкций отечественных электровозов, которые заключаются: а) по механической части, в переходе к тяговому приводу Н-го и Ш-го классов для универсальных, пассажирских и скоростных электровозов, б) по электрической части, в применении бесколлекторных тяговых двигателей, в) по системам управления, в переходе от аппаратного к программному принципу обработки информации. Для того, чтобы достичь на стадии проектирования лучшего noini-мания физических процессов, протекающих при движении электровоза, необходимо разработать единую моделирующую систему, интегрирующую в себе в качестве подсистем механическую и электрическую части, включая модуль управления. Как показывает анализ докладов, представленных на Международной конференции "Состояние и перспективы развития локомотивостроения" (Новочеркасск, Россия, 1994 г.) и на 14-м Симпозиуме Международной Ассоциации по динамике транспортных сисicm (Анн-Арбор, США, 1995 г.), а также других литературных источников, задача изучения динамики локомотивов в совместной электромеханической постановке является актуальной и привлекает внимание многих исследователей.

Различные аспекты задачи исследования взаимодействия электрической и механической частей электровоза рассмотрены в работах Т.А.Тибилова, В.П.Феоктистова, Г.С.Фроянца,

A.П.Павленко, В.В.Литовченко, Е.П.Блохина, А.М.Бондарева,

B.А.Браташа, В.Д.Дановича, Л.А.Манашкина, А.Л.Голубенко, А.И.Костюкевича, А.Н.Савоськина, B.C. Островского, В.П.Янова, Б.И.Хоменко, А. М.Сол одулов а, М.Ланге и других ученых. Отмечается, что в существующих системах моделирования тяговых приво-

дов электровозов используются только упрощенные модели механической части, как правило, не выходящие за рамки одного колесно-моторного блока. Однако для более точного моделирования переходных процессов с учетом взаимодействия между механическими и электрическими колебаниями необходима разработка полноразмерных моделей как механической, так и электрической частей.

Исследованию динамических процессов, возникающих в экипажной части железнодорожного подвижного состава и в тяговом приводе локомотивов, а также при взаимодействии пути и подвижного состава посвящены работы таких авторов как Л.В.Балон, А.И.Беляев, И.В.Бирюков, Г.П.Бурчак, М.Ф.Вериго, C.B. Вершшг-ский, АЛ.Голубенко, Л.О.Грачева, В.Н.Данилов, В.Д.Данович, Ю.В.Демин, А.С.Евстратов, В.Г.Иноземцев, И.П.Исаев, A.A. Кама-ев, В.А.Камаев, В.Н.Кашшисов, Н.А.Ковалев, А.Я.Коган, А.Н.Коняев, МЛ.Коротенко, А.И.Кравченко, Н.Н.Кудрявцев, С.М.Куценко, В.А.Лазарян, А. Л Лисицын, A.A. Львов, В.Б.Медель, Н.Н.Меншупш, Д.К.Минов, Г.С.Михальченко, ïvi.M. Соколов, Т.А.Тибилов, В.Ф.Ушкалов, В.Д.Хусидов, И.И.Челноков, В.Г. Щербаков, В.ФЛковлев, Ф.Картер, Й.Калкер, А. де Патер, Ж.П. Паскаль, К.Джонсон, Ж.Соваж и многих других.

Большое количество публикаций посвящено вопросам математического моделирования механических колебаний рельсовых транспортных средств. После представления расчетной схемы механической части локомотива в виде системы взаимосвязанных твердых тел (СТТ) с большим числом степеней свободы для получения дифференциальных уравнении (ДУ) движения традиционно применяется аппарат уравнений Лагранжа 2-го рода либо общее уравнение динамики. Необходимо отметить, что эти методы при исследовании СТТ требуют выполнения чрезвычайно большого объема

аналитических преобразований, выполняемых, как правило, вручную.

Однако, в последнее время появились новые методы исследования движения СТТ, отличающиеся гораздо более высокой эффективностью. В этой связи отметим работы таких авторов, как Й.Виттенбург, Л.К.Лшюв, В.Шилен, Э.Кройцер, Д.Ю.Погорелов, П.Физетт, Ж.-К.Самин, М.Рено, Ж.-П.Паскаль и других. В частности, Д.Ю.Погореловым разработан комплекс алгоритмов, предназначенных для исследования кинематики и динамики СТТ, причем для вывода системы ДУ движения используется формальный метод Ньютона-Эйлера, показавший свою эффективность при решении ряда сложных технических задач.

Выполненный в первой главе анализ состояния вопроса указывает на необходимость разработки математической модели электровоза с учетом взаимодействия механической и электрической частей, что позволит выполнить прогнозирование (то есть комплексное математическое моделирование на стадии проектных проработок) переходных режимов и динамических процессов для возможных вариантов конструкции, получая не только качественную картину изучаемых явлений, но и количественные оценки.

Во второй главе дана формулировка задачи математического моделирования динамики электровоза как единой полноразмерной электромеханической системы и изложены теоретические основы ее решения.

Электровоз относится к числу систем высокого уровня сложности, ядро подобных систем имеет механическую природу, в их состав входят также элементы электрического, пневматического и т.п. происхождения, электронные блоки управления и так далее, поэтому подход к решешпо задачи моделирования требует тесной

взаимосвязи многих инженерных дисциплин. При постооешш математической модели электровоза применен подход, заключающийся в разбиении локомотива как системы на взаимодействующие между собой подсистемы: блок управления, электрическую и механическую

Рис.1. Разбиение электровоза как системы на взаимодействующие между собой подсистемы (на примере четырехосного электровоза постоянного тока с асинхронными ТД).

Основные этапы процесса моделирования представляются следующим образом. Исходя из конструкции существующего либо проектируемого электровоза, осуществляется построение расчетных схем механической части, блока управления и электрической части.

На этом этапе принимаются основные допущения и предположения, задаются значешм параметров расчетных схем. Далее производится вывод систем ДУ, которые служат основой математической модели взаимосвязанных электромеханических процессов. Численное шгге-грирование, выполненное для конкретных, режимов движения, дает результаты, подлежащие сопоставлению с экспериментальными данными, после чего при необходимости вносятся уточнения и изменения в расчетные схемы и их параметры.

Расчетная схема механической части электровоза принята в виде СТТ, в состав которой входят кузов, рамы тележек, корпуса двигателей и редукторов, валы двигателей, колесные пары и т.д. Согласно формальному методу Ньютона-Эйлера, дифференциальные уравнения движения СТТ, имеющей N степеней свободы, представляются в следующем виде:

/) = /(дМ , (1)

здесь С[, С[ - матрицы-столбцы обобщенных координат, скоростей и ускорений размерности //X 1, Л£- глобальная матрица инерции размерности №х ДО, $ - матрицы-столбцы размерности N X \,

соответствующие активным и гироскопическим силам.

Для формирования матриц, входящих в (1), требуется располагать исходной информацией, содержащей описание: 1) топологии расчетной схемы, 2) ее кинематики, 3) массо-инерционных характеристик тел, входящих в состав расчетной схемы, 4) действующих силовых факторов. Аналитические преобразования по формированию матриц М_, f, 2, целесообразно выполнять в автоматическом режиме с использованием средств компьютерной алгебры.

Для описания топологии расчетной схемы механической часта используются понятия теории графов. Кузов электровоза может опираться на две либо на три тележки. При описании топологии тележек рассмотрены следующие варианты: 1) двухосная тележка с тяговым приводом 1-го класса (опорно-осевое крепление двигателя и редуктора) типа применяемой на электровозах ВЛ80, ВЛ85, ВЛ65; 2) двухосная тележка с тяговым приводом Н-го класса (опорно-рамное крепление двигателя и опорио-осевое крепление редуктора), которая разработана для электровоза ВЛ65-016; 3) двухосная тележка с тяговым приводом Ш-го класса (опорно-рамное крепление двиг ателя и редуктора), • предназначенная для перспективных моделей пассажирских, электровозов.

Структура взаимосвязей ориентированного графа расчетной схемы определяет единственным образом две целочисленные функции I * (а) и I (а), которые устанавливают соотношения между индексами его дуги вершин. Построены орграфы и составлены таблицы этих функций для электровозов с осевыми формулами 2о-2о и 2о-2о-2о, имеющих тяговый привод 1-го, II -го и Ш-го классов.

Выполнено описание кинематики расчетной схемы. Для задания угловой ориентации тел в пространстве применяются углы Кардана, которые в случае малых колебаний совпадают с углами боковой качки, галопирования и виляния. Получены в общем виде все расчетные зависимости для кинематических характеристик, необходимых при выводе ДУ движения (радиус-вектора центров масс тел, их скорости и ускорения; угловые скорости и ускорения тел), они записаны в функции обобщенных координат, скоростей и ускорений.

Пригашается во внимание влияние системы сил и моментов электромагнитного происхождения, что представляет собой главную

особенность задачи и отличает динамику локомотивов от динамики вагонов. Учитывается наличие прямой и обратной связи между процессами в механической и электрической частях электровоза: величины активных электромагнитных моментов на валах тяговых двигателей входят в правые части ДУ движения, а текущие значения угловых скоростей вращения валов ТД входят в ДУ электромагнитных процессов. Описание математической модели электрической части тягового привода и системы управления дано для вариантов использования коллекторных, асинхронных и вентильных (синхронных) двигателей.

Подробно рассмотрены силовые факторы, действующие на тела, входящие в состав расчетной схемы электровоза. Получены векторные выражения для сил и моментов, возникающих в пружинах, рессорах, гасителях колебаний и муфтах, установленных в соединениях элементов конструкции. Приводятся формулы для вычисления рамных сил в зависимости от взаимного перемещения рамы тележки и колесной пары. При определении сил в наклонных тягах используется кусочно-линейная характеристика жесткости, что позволяет изучать случай удара при полном выборе зазора в сайлент-блоке под нагрузкой. Взаимодействие шестерни и колеса в тяговых зубчатых передачах осуществляется путем передачи усилия, величина которого вычисляется с учетом упругой податливости зубчатого зацепления, определяемой методами теории упругости. При моделировании тягового привода учитывается влияние гироскопических моментов и "эффекта планетарного редуктора".

При определешш динамических усилий в контакте "колесо-рельс" принимаются во внимание упруго-тгерционные характеристики основания в рамках дискретной модели. Вертикальная неров-

aocib рельсовых нитей представлена как суперпозиция двух составляющих, периодической и стохастической.

В результате анализа литературных источников выбрана модель сил псевдоскольжения (крипа) в контакте "колесо-рельс". Для продольной составляющей принята нелинейная характеристика сцепления, представляющая собой аналитическую аппроксимацию кривой Н.Н.Меншутина, что позволяет изучать движение в режиме тяги, в том числе представляющие особый интерес процессы боксо-вания и юза, для поперечной - линейная.

В третьей главе приведено описание разработанного проблемно-ориентированного пакета программ, реализующего принципы моделирования электровоза как единой электромеханической системы. Применение средств компьютерной алгебры и объектно-ориентировашюго подхода позволило получить программный пакет с гибкой и открытой структурой, в котором полностью реализован принцип модульного построения. Использование пакета при проектировании дает возможность выполнять расчеты электромеханических процессов для различных вариантов конструкщш электровоза при минимальных затратах труда и времени, в результате чего разработчик освобождается от рутинной работы и выступает в роли эксперта. Пакет оформлен как высокоскоростное приложение к оболочке MicroSoft Windows.

Пакет программ состоит из следующих блоков (рис.2): а) препроцессор (подготовка файлов исходных данных в интерактивном режиме); б) блок символьных преобразований по выводу уравнений механической части; в) блок символьных преобразований по выводу уравнений электрической части; г) блок численного интегрирования; д) постпроцессор (обработка результатов расчета).

Все символьные преобразования выполняются в общем виде при помощи системы аналитических выкладок REDUCE 3.5. Тем самым удается избежать вывода уравнений вручную, что является одним из основных препятствий при математическом моделирова-шш сложных многомерных технических систем.

Этм млделирадлния \еглшшт «¿ми»}

Чисдегет ютегянроввте

Рис.2. Основное меню пакета программ.

Блок численного интегрирования написан с использованием методики объектно-ориентированного программировать, что дает возможность расчета любых вариантов механической и электрической частей в различных сочетаниях простой заменой подключаемых процедур. Численное интегрирование выполнен о при помощи метода Гира 4-го порядка, который относится к многошаговым неявным методам и специально разработан для интегрирования "жестких" систем ДУ. Постпроцессор осуществляет обработку результатов расчета, их представление в графической форме, что удобно для пользователя. Предусмотрена возможность использования средств компьютерной анимации.

Расчеты выполнялись на ПК РегПшт90 с объемом оперативной памяти 16 Мб.

В четвертой главе приведены основные результаты прогнозирования динамики электровоза переменного тока с осевой формулой 2о-2о и тяговым приводом 1-го класса на примере электровоза ВЛ80 СМ. Расчетная схема механической части принята в виде системы пятнадцати взаимосвязанных твердых тел, число степеней свободы равно пятидесяти. Ориентированный граф расчетной схемы показан на рис.3.

V

->

IV III и

Рис.3. Ориентированный граф расчетной схемы механической части секции электровоза ВЛ80 СМ. Обозначения: Яо- абсолютный базис; Л - кузов; Л,Л -рамы тележек; Л, 5«, Л», - корпуса ТД; Л, 5>, , Бы - валы ТД; 5} ,.£¡2,5л - колесные пары; соединения тел.

Найдены собственные частоты и коэффициенты относительного демпфирования свободных колебаний кузова и рам тележек (подпрыгивания, галопирования, боковой качки); расхождение с имеющимися в литературе опытными данными, полученными при сбросе электровоза с клиньев, находится в пределах ±10%. Построены АЧХ этих колебаний.

Чтобы выделить составляющую нагрузок и перемещений в экипажной части и в тяговом приводе, обусловленную действием возмущений со стороны пути, выполнен расчет для режима выбега (т.е. при отключенной электрической части) со скоростью 72 км/ч (20 м/с) по звеньевому пути, имеющему стохастические неровности. Получены графики возникающих линейных и угловых перемещешш, а также динамических усилий в контакте "колесо-рельс", сил продольного и поперечного крипа, рамных сил, усилий в моторно-осевых подшипниках и в подвесках корпусов тяговых двигателей, в зубчатых передачах и в наклонных тягах. В качестве примера на рис.4 показаны графики бокового относа, а на рис.5 - боковой качки кузова и рам тележек, просматривается основная частота, равная 0,8 Гц, соответствующая прохождению звеньевой составляющей неровности длиной 25 м со скоростью 20 м/с.

и рам тележек (Р15.Р59). и рам тележек (Р19.Р63).

Из сопоставления графиков этих колебаний видно, что при относе кузова вправо по ходу (отрицательные значения Y1) он кренится на правый бок (положительные значения fil), и соответственно при относе влево имеем крен на левый бок. Такая взаимозависимость колебаний бокового относа и качки характерна для движения экипажа с люлечной подвеской.

Для разделения составляющих динамических усилий, обусловленных тяговым усилием и возмущениями со стороны неровностей пути, прежде всего выполняем расчет нагрузок и перемещений, возникающих в режиме тяга со скоростью 72 км/ч по ровному горизонтальному пути под влиянием стационарной системы сил и моментов электромагнитного происхождения (в предположении, что коллекторные ТД имеют постоянное напряжение на зажимах). Найдены значения угловых скоростей вращения валов двигателей и колесных пар с учетом проскальзываний в контакте "колесо-рельс", токов в обмотках якорей, моментов и мощностей на валах, усилий и перемещений в связях экипажной части и тягового привода.

Далее рассмотрен режим тяги (коллекторные двигатели с постоянным напряжением на зажимах) со скоростью 72 км/ч по звеньевому пути, имеющему стохастические неровности. Определены все величины, перечисленные выше, и дана количественная оценка их отклонений, вызванных наличием неровностей. Представлены также результаты, показывающее картину взаимодействия процессов в механической и электрической частях: отклонения угловой скорости вращения вала двигателя от стационарного значения, вызванные "эффектом планетарного редуктора" при движении по пути с вертикальными неровностями, влекут за собой изменение тока в цепи якоря и активного электромагнитного момента на валу двигателя.

Исследованы переходные процессы и рассчитаны динамические нагрузки, возникающие при регулировании управляющего напряжения. Принято, что электрическая часть электровоза имеет коллекторные ТД, питающиеся от сети переменного тока частоты 50 Гц через вьшрямительную установку, имеющую в своем составе систему импульсно-фазового управления (СИФУ), трансформатор и

два вьшрямительно-шгеерторных преобразователя. Угол поворота штурвала контроллера машиниста соответствует Ш-ей зоне регулировать, пршшмаем ступенчатый закон изменения управляющего воздействия, приложенного к СИФУ, согласно рис.6. Выявлены закономерности изменения токов и моментов на валах ТД (рис.7), усилий в зубчатых передачах, сил сцепления колес с рельсами, усилий в наклонных тягах, угловых скоростей вращения колесных пар (рис.8) и т.д.

Выполненный расчет в полной мере показывает, что разработанная модель учитывает воздействие закона управления на протекание совместных электромеханических процессов, что открывает возможности для ее использовашы при отладке управляющих программ.

В пятой главе приведены основные результаты прогнозирования динамики проектируемого электровоза с осевой формулой 2о-2о и тяговым приводом II-го класса. В расчетную схему механической части входят девятнадцать твердых тел, число степеней свободы равно пятидесяти четырем. Ориентированный граф показан на рис.9.

Вьпхолнены расчеты с целью получения количественной оценки известного суждения о том, что локомотив с тяговым приводом II-го класса оказывает меньшее динамическое воздействие на путь, чем локомотив с тяговым приводом 1-го класса. Получено, что разшща значений максимального и минимального динамических нормальных усилий в контакте "колесо-рельс" (в расчете на одну ось) на выбеге со скоростью 72 км/ч по пути с неровностями, отнесенная к статическому усилию, составляет при прочих равных условиях для электровоза с приводом II-го класса 24%, тогда как для электровоза с тяговым приводом 1-го класса этот показатель равен

2 3 4 5

М, кНм

12,5 10 7,5 5

2,5

Рис.6. Закон регулирования управляющего напряжения.

М, кНм

12,5 10 7,5 5 2,3

О 123456789 1, с 0 12 3456789 ', с

ЪЛ,кНм

М ,кНм

12,5 10 7,5 5

2,5

12,5

0 123456789 1, <

О 123456789

1, с

Рис.7. Активные электромагнитные моменты на валах коллекторных ТД.

о 1 г з

Рис.8. Угловые скорости вращения колесных пар.

» , в

3 4

! 3

3 I

3 о

31%. Таким образом, согласно нашему расчету уменьшение динамического воздействия на путь за счет перехода к приводу II-го класса находится в пределах 7%.

S, V

P'îc.9. Ориентированный граф расчетной схемы механической части электровоза с осевой формулой 2о-2о (тяговый привод Н-го класса).

Обозначения: So- абсолютный базис; Si - кузов; Si ,Su - рамы тележек;

Ss ,S? ,Sn ,Su - валыТД; S4, S s, Sis, ^/-корпуса редукторов; Ss ,Si ,Si4, Sis -шестерни; A ,Sio ,Sis ,Sit- колесные пары; ui,...,m7- соединения тел.

Выполнен расчет для движения со скоростью 144 км/ч по звеньевому пути, имеющему стохастические неровности: а) для режима выбега; б) для режима тяги (коллекторные двигатели с постоянным напряжением на зажимах). Приводятся графики угловых скоростей вращения валов ТД и колесных пар с учетом проскальзываний в контакте "колесо-рельс", токов в обмотках якорей, моментов и мощностей на валах, возникающих линейных и угловых перемещений, а также сил продольного и поперечного крипа, рамных сия. усилий в подвесках корпусов тяговых редукторов, в зубчатых

передачах, и в наклонных тягах (рис.10). Построены также графики динамических моментов в тяговых муфтах.

к Н

Рис.1О.Уснлия в наклонных тягах.

Исследованы переходные электромеханические процессы для варианта электрической части с асинхронными ТД, принято, что каждый двигатель питается от индивидуального преобразователя частоты и числа фаз (автономный инвертор напряжения с нш-ротно-иштульсной модуляцией), подключенного через фильтр к контактной сети постоянного тока, см. рис.1. Рассмотрено несколько режимов движения, в том числе околостоповый режим (скорость электровоза равна 3,6 км/ч). Дано исследование возникающих силовых потоков. Найдено, что активные электромагнитные моменты на валах всех четырех АТД (рис.11) в первые 0,3 с направлены противоположно направлению вращения валов и достигают при этом значения 2,5 кНм, затем меняют знак и при ?=3 с выходят на среднее номинальное значение 8 кНм, имея пульсации с частотой около 20 Гц.

К II м

Рис.11. Активные электромагнитные моменты на валах АТД.

I..........-!-.......1..........1.........1......ь

Рис.12. Усилия в тяговых зубчатых передачах.

Прослежено изменение моментов на ведущих шестернях редукторов, усилий в зубчатых передачах (рис.12), в контакте "колесо-рельс" , сил в подвесках корпусов редукторов и в наклонных тягах. Определены вынужденные пространственные колебания рам тележек. Расчеты показали, что картина электромеханических переходных процессов прежде всего зависит от выбора закона и алгоритма управления инвертором напряжения АТД. Так, при их неудачном выборе были получены пульсации ша наблюдавшихся на электровозе ВЛ86Ф: момент на валу АТД изменяет свое направление пять

к

20

раз в течение первых двух секунд, причем его пиковое значение в четыре раза превосходит номинальное. Это совершенно неприемлемо с точки зрения прочности механической часта привода и несет опасность разрушения его элементов.

В шестой главе выполнено моделирование динамики электровоза с осевой формулой 2о-2о-2о и тяговым приводом 1-го класса (на примере универсального электровоза переменного тока BJI65). Расчетная схема механической части имеет 72 степени свободы, ее ориентированный граф отличается от показанного на рис.3 наличием субграфа, соответствующего средней тележке.

Выполнен расчет свободных колебаний подпрыгивания, галопирования и боковой качки для кузова и рам тележек, получено удовлетворительное совпадение с имеющимися в литературе экспериментальными данными, построены АЧХ этих колебаний. Специальный расчет позволил определить влияние угла установки амортизаторов между кузовом и крайними тележками на величину коэффициента относительного демпфирования колебаний боковой качки: показано, что при раздельном демпфировании этот коэффициент равен 0,22 против 0,13 при установке амортизаторов под углом 45 градусов.

Рассчитаны динамические нагрузки и перемещения, возникающие: а) на выбеге со скоростью 108 км/ч по звеньевому пути, имеющему стохастические неровности; б) в режиме тяги с такой же скоростью по ровному пути и по пути с неровностями (электрическая часть с коллекторными двигателями при постоянном напряжешш на зажимах).

В седьмой главе приведены основные результаты моделирования динамики электровоза с осевой формулой 2о-2о-2о и тяговым приводом П-го класса (на примере нового пассажирского электровоза пqэeиeннoгo тока ВЛ65-016). Расчетная схема механической части имеет в своем составе двадцать восемь твердых тел, число степеней свободы равно семидесяти восьми. Ориентированный граф отличается от показанного на рис.9 наличием субграфа, соответствующего средней тележке. Найдены характеристики свободных колебаний тел, входящих в состав расчетной схемы, отличие от экспериментальных данных находится в пределах ±10%.

Чтобы выделить составляющую нагрузок и перемещений'в экипажной части и в тяговом приводе, обусловленную действием возмущений со стороны пути, выполнен расчет для режима выбега со скоростью 144 км/ч по звеньевому пути, имеющему стохастические неровности. Приводятся графики возникающих линейных и угловых перемещений и динамических усилий.

Проведен полный расчет нагрузок и перемещение, возникающих в режиме тяги (коллекторные двигатели с постоянным напряжением на зажимах) со скоростью 144 км/ч: а) по ровному горизонтальному пути, б) по звеньевому пути, имеющему стохастические неровности. Найдены значения угловых скоростей вращения валов двигателей, ведущих шестерен редукторов и колесных пар с учетом проскальзываний в контакте "колесо-рельс", токов в обмотках якорей, моментов (рис.13) и мощностей на валах, а также усилий и перемещений. Обращает на себя внимание влияние "эффекта планетарного редуктора", выражающееся, при движении но пути с неровностями, в большем размахе колебаний динамического момента в тяговых муфтах (рис.14) по сравнешио с электромагнитными моментами на валах ТД.

муфтах.

Отмечены особенности поведения средней тележки, имеющей конструктивно заложенную отрицательную устойчивость. Получено, в частности, что в режиме тяги усилие в среддей наклонной тяге примерно на 15% превышает усилия в передней и задней наклонных тягах. Этот факт, отмеченный и при ходовых испытаниях (письмо МПС № ЦТЭН-13/153 от 31.01.96), объясняется различной конструкцией связей верхней ступени: если люлечное подвешивание, примененное на крайних тележках, оказывает восстанавливающее действие при смещении тележек вперед относительно кузова за счет тягового усилия, то опора кузова на среднюю тележку, выполненная в виде качающихся стержней большой длины с соосно расположенными сжатыми пружинами, выталкивает ее, и это дополнительное усилие воспринимается средней наклонной тягой. Сказанное справедливо и для электровоза ВЛ65.

В восьмой главе проанализирована расчетная схема перспективного пассажирского электровоза с осевой формулой 2о-2о и тяговым приводом Ш-го класса и представлены основные соотношения, необходимые для прогнозирования его динамического поведения.

Расчетная схема механической части принята в виде системы девятнадцати твердых тел (кузов, две рамы тележек с закрепленными на них корпусами двигателей и редукторов, четыре блока "вал двигателя - ведущая шестерня редуктора", четыре ведомых зубчатых колеса, четыре полых вала, четыре колесные пары). Выполнен анализ топологии расчетной схемы, построен ее орграф, число степеней свободы в трехмерном случае равно семидесяти четырем. Приводится описание действующих силовых факторов.

При нали'ши конкретных значении параметров, соответствующих этой проектируемой конструкции, на основе полученных общих зависимостей может быть выполнено моделирование динамики электровоза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе комплексно с единых методологических позиций решена научная проблема прогнозирования переходных режимов и динамических процессов, протекающих при движении электровоза, который рассматривается как совместная электромеханическая система. Актуальность проблемы обусловлена необходимостью создания в сжатые сроки отечественных локомотивов нового поколения.

В итоге работы получены следующие основные результаты:

I. Поскольку традиционные методы расчета не дают возможности быстро и эффективно осуществить на этапе проектирования всестороннюю оцежу динамического поведения электровозов, конструкция которых должна отвечать предъявляемым в настоящее время требованиям, разработана новая компьютерная технология построения математической модели электровоза как полноразмерной электромеханической системы, интегрирующей в себе в качестве

взаимодействующих подсистем механическую, электрическую части и блок управления. Модель предназначена для исследования переходных процессов, определения уровня динамических нагрузок и отладки программ автоматического управления.

2. Создан новый высокоэффективный алгоритм моделирования механической части электровозов, опирающийся на современные методы динамики систем твердых тел.

При расчете динамики принимается во внимание влияние системы переменных сил и моментов электромагнитного происхождения, что представляет собой главную особенность задачи. Изучена картина силовых потоков, возникающих в режиме тяги, учитывается наличие прямой и обратной связи между процессами в механической и электрической частях электровоза. Рассмотрены варианты использования электрической части как с коллекторными, так и с бесколлекторными тяговыми двигателями. Предлагаемый подход позволяет моделировать целый ряд явлений, характерных для динамики электровозов, таких как регулирование работы двигателей, изменение условий сцепления колес с рельсами, и так далее.

3. Применение средств компьютерной алгебры и объектно-ориентированного подхода позволило получить программный пакет с гибкой открытой структурой, в котором полностью реализован принцип модульного построения. Это предоставляет возможность изучения при проектировании нескольких вариантов исполнения подсистем в различных сочетаниях, обеспечивая минимальные затраты труда и времени. Благодаря наличию блока символьных преобразований удается избежать вывода дифференциальных уравнений движения и электромагви'шых процессов вручную.

4. Выполнен полный расчет динамического поведения четырех существующих либо проектируемых электровозов, имеющих

осевые формулы 2о-2о и 2о-2о-2о и тяговый привод 1-го и Н-го классов. Расчет производился в следующей последовательности: 1) определение характеристик собственных колебании, причем отклонение от экспериментальных данных составило не более ±10%; 2) нахождение нагрузок и перемещений на выбеге с некоторой скоростью по пути с вертикальными неровностями; 3) нахождение нагрузок и перемещений в рЭжиме тяги с такой же скоростью как по ровному, так и по неровному пути. В результате удалось разделить составляющие динамических нагрузок, обусловленные тяговым усилием и возмущениями со стороны неровностей пути, дать количественные оценки этих составляющих. При этом учитываются факторы, существенные при движении с высокими скоростями (влияние гироскопических моментов и "эффект планетарного редуктора").

Получено, в частности, что уменьшение динамического воздействия на путь за счет перехода от привода 1-го класса к приводу П-го класса, при прочих равных условиях, находится в пределах 7%.

Для электровозов ВЛ65 и ВЛ65-016 расчетным путем выявлены особенности, вызванные конструктивно заложенной отрицательной устойчивостью средней тележки: получено, что усилие в средней наклонной тяге примерно на 15% превышает усилия в передней и задней наклонных тягах, что обнаружено и при ходовых испытаниях.

5. Проведены исследование переходных режимов и расчет динамических нагрузок, возникающих при регулировании управляющего напряжения для электровоза переменного тока с коллекторными ТД. Дан расчет динамических процессов, начиная от задаваемого в функции времени закона регулирования вплоть до усилий, возникающих в контакте "колесо-рельс" для каждой из колесных пар. Выявлены закономерности изменения токов и моментов на ва-

лах двигателей, усилий в зубчатых передачах, сил сцепления колес с рельсами, усилий в наклонных тягах, угловых скоростей вращения колесных пар и т.д. Изучено поведение каждой из осей при изменении управления, представлена картина срыва осей в боксование и восстановления сцепления. Выполненный расчет показывает, что разработанная модель отражает воздействие закона управления на электромехашгческие процессы, что открывает возможности для ее использования при отладке управляющих программ.

6. Исследованы переходные электромеханические процессы для проектируемого электровоза постоянного тока с асинхронными ТД, в том числе в околостоповом режиме. Получены расчетным путем характерные пульсации электромагнитных моментов на валах. Изучены возникающие силовые потоки: прослежено изменение динамических моментов в тяговых муфтах, усилий в зубчатых передачах, в подвесках корпусов редукторов и в наклонных тягах, определены вынужденные пространственные колебания. Показано, что картина электромеханических переходных процессов прежде всего зависит от выбора закона и алгоритма управления инвертором напряжения АТД. При неудачно выбранном управлении возникают чрезвычайно большие знакопеременные динамические нагрузки, что несет опасность разрушения элементов механической части привода.

7. Выполнен анализ расчетной схемы механической части перспективного электровоза с осевой формулой 2о-2о и тяговым приводом Ш-го класса, получены все основные соотношения, необходимые для прогнозирования динамических процессов.

8. Использование разработанного пакета программ позволяет получить качественную и количественную оценку динамического поведения нового электроподвижного состава, сформулировать рекомендации по оптимальному выбору его параметров, и в итоге

обеспечить высокий уровень проектных разработок и сократить сроки проектирования, что послужило основанием для внедрения пакета в расчетную практику в АО ВЭ.тНИИ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Zarifian A. On the Dynamic Simulation of the Vehicles /7 Proc. of 9-th World Congress on the Theory of Machines and Mecanismes. Milano, Italy, August 29 / Septem. 2, 1995. - Vol.2. -P.1677- 1681.

2. Зарифьян A.A. Применение современных методов динамики систем твердых тел к задаче моделирования мехашгческой части перспективных электровозов / Новочерк.гос.техн.ун-т,- Новочеркасск, 1996,-52 е.-Деп. в ВИНИТИ 17.04.96, № 1258-В96.

3. Zarifian A., Kolpahchyan P. Elaboration of computer model of an electric locomotive // New Computer Technologies in Control Systems: Proc. of Intern. Workshop, August 13-19, 1995. - Pereslavl-Zalessky, Russia. 1995. - P.76-77.

4. Zarifian A., Kolpahchyan P., Lyachenko G. Software package for electric locomotive motion simulation // New Computer Technologies in Control Systems: Proc. of Intern. Workshop, July 29 -August 2, 1996,- Pereslavl-Zalessky, Russia, 1996. - P.65.

5. Зарифьян A.A. Применение методов динамики систем твердых тел к задаче моделирования движения электровоза. - Международная конференция "Устойчивость, управление и динамика твердого тела",- Донецк, Украина, Сент. 2-6, 1996. - С.116-117.

6. Зарифьян А.А. Компьютерное моделирование динамики электровозов // Известия высших учебных заведений. СевероКавказский регион. Технические науки. -1996. -№ 4. - С. 57 - 61.

7. Зарифьян А.А., Никитенко А.Г., Колпахчьян П.Г., Хоменко Б.И. Моделироваште переходных электромеханических процессов при движении электровоза // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. -1996. -№4,- С.52 -57.

8. Зарифьян А.А., Шоломов Н.М. Коэффициенты концентрации напряжений для цилиндрических прямозубых колес внешнего зацепления// Вестник машиностроения. -1985. -№ 2. -С. 24-26.

9. Зарифьян А.А., Шоломов Н.М. Податливость зубьев цилиндрических прямозубых колес внешнего зацепления // Вестник машиностроения. -1985,-№ 12. -С. 8-10.

Ю.Грибанов П.Ф., Зарифьян А.А., Земцова Г.Ю., Потерухин А.Н. Динамическая модель опорной тележки магистрального элек-

тровоза ВЛ-85// Изв.вузов. Электромехашша. - 1990. - № 10. - С. 6974.

11. Кабельков А.Н., Зарифьян A.A. Устойчивость и автоколебания в тяговой передаче магистрального электровоза ВЛ-85 // Изв.вузов. Электромеханика. - 1991. - № 7. - С. 82-88.

12. Зарифьян A.A.,Черненко Д.Г. Элементы теории колебаний. Механическое оборудование электроподвижного состава: Учебное пособие/ Новочерк.гос.техн,ун-т. - Новочеркасск : НГТУ, 1994. - 56 с.

13.Зарифьян A.A., Никитенко А.Г., Колпахчьян П.Г., Хоменко Б.И. О моделировашш переходных процессов при боксовании электровоза с вентильными тяговыми двигателями // Изв.вузов. Электромеханика. - 1994. - № 6. - С.32-38.

14. Колпахчьян П.Г., Зарифьян A.A., Никитенко А.Г., Хоменко Б.И. О выборе функциональной схемы противобоксовочной защиты электровоза с вентильными тяговыми двигателями // Электровозостроение: Сб.науч.тр. АО ВЭлНИИ - Новочеркасск, 1995. - Т.35. -С.52-61.

15. Кондратенко А.И., Зарифьян A.A. К расчету напряженно-деформированного состояния зубьев тяговых передач. // Качество и долговечность зубчатых передач и редукторов: Тезисы докладов Международной науч.- техн.конф. Харьков, 1995. - С.74.

16.Zarffian A., Nikitenko A., Kolpahchyan P., Khomenko В. Mathematical modelling of oscillatory processes in a traction drive with AC motors. / Proc. of the 2nd European Nonlinear Oscillations Conference. Prague, Czech Republic, Sept. 9-13, 19S6. - Vol. 2. - P.269-272.

17. Зарифьян A.A. Расчет динамических нагрузок в тяговых зубчатых передачах электровозов при регулировании управляющего напряжения // Труды Международной конференции "Теория и практика зубчатых передач". Ижевск, Россия, 4-6 декабря 1996 г. - С. 6166.

18. Зарифьян A.A. К расчету динамических процессов в экипажной части и тяговом приводе электровозов. // Изв.вузов. Электромеханика.- 1996. - № 5-6. - С. 41-45.

19. Зарифьян A.A., Никитенко А.Г., Колпахчьян И.Г., Хоменко Б.И. Переходные процессы в экипажной части и тяговом приводе электровоза при регулировании управляющего напряжения. // Изв.вузов. Электромеханика,- 1997. - № 1-2. - С. 58 - 61 .

20. Зарифьян A.A. Математическое моделирование динамики электровозов. // Материалы Международной научно-практической конференции: Тезисы докладов. - Ростов н/Д: РГСУ, 1997. - С. 85-86.