автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Снижение автоколебаний в тяговой передаче грузового магистрального тепловоза при индивидуальном управлении асинхронными двигателями

На правах рукописи

МАТЮШКОВ Сергей Юрьевич

СНИЖЕНИЕ АВТОКОЛЕБАНИЙ В ТЯГОВОЙ ПЕРЕДАЧЕ ГРУЗОВОГО МАГИСТРАЛЬНОГО ТЕПЛОВОЗА ПРИ ИНДИВИДУАЛЬНОМ УПРАВЛЕНИИ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 8 АПР ^

005052092

Брянск - 2013

005052092

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования (ФГБОУ ВПО) «Брянский государственный технический университет» на кафедре «Электронные, радиоэлектронные и электротехнические системы».

Научный руководитель

доктор технических наук, доцент Федяева Галина Анатольевна

Официальные оппоненты:

Савоськин Анатолий Николаевич,

доктор технических наук, профессор кафедры «Электрическая тяга» ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ)

Симонов Виталий Анатольевич,

кандидат технических наук, доцент кафедры «Подвижной состав железных дорог» ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет»

Ведущая организация

ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт».

Защита состоится « 9 » апреля 2013 года в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 212.021.04 при ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет», по адресу: 241035, г. Брянск, бульвар им. 50-летия Октября, 7, в учебном корпусе № 4, ауд. 101Б.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет».

Автореферат разослан « » марта 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Эманов Сергей Леонидович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Для производства подвижного состава нового поколения одним из основных направлений, определенных «Стратегией развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года, является применение на подвижном составе асинхронных тяговых двигателей (АТД), обладающих рядом известных преимуществ по сравнению с традиционными тяговыми двигателями постоянного тока. Использование АТД позволяет существенно повысить реализуемые локомотивом тяговые усилия, но при этом, даже при незначительном ухудшении погодных условий или состояния рельсов, возможно достижение предельных по сцеплению значений сил и попадание в нестабильную зону (на падающий участок характеристики сцепления).

Наиболее полное использование потенциальных условий сцепления удается получить при индивидуальном управлении асинхронными двигателями осей локомотива (поосном регулировании). Для мощных грузовых локомотивов с АТД является актуальным внедрение систем экстремального регулирования, позволяющих удерживаться в процессе разгона и торможения вблизи максимума характеристики сцепления, т. е., реализовать максимально возможные для данных погодных условий тяговые и тормозные усилия. Вместе с тем в таких режимах велика вероятность возникновения и развития фрикционных автоколебаний, вызванных попаданием рабочей точки электропривода на падающий участок характеристики сцепления. Поэтому в системе управления (СУ) целесообразно учесть происходящие при этом динамические процессы и предусмотреть контроль и предотвращение усиления автоколебаний, которые увеличивают динамические нагрузки, износ и могут вызвать поломки в тяговой передаче.

Цель диссертационной работы - снижение динамических нагрузок в электропередаче локомотива с индивидуальным регулированием асинхронных тяговых двигателей при реализации предельных тяговых усилий.

Задачи исследования, решенные в работе для достижения указанной цели:

1. Разработка математических и компьютерных моделей механической части (подсистемы) локомотива с опорно-осевым подвешиванием АТД, выполненных с различной степенью детализации, и поэтапный анализ динамических процессов в механической части тяговой передачи при изменении условий сцепления между колесом и рельсом.

2. Разработка функциональной схемы СУ и алгоритмов управления тяговой электропередачей локомотива с индивидуальным регулированием АТД на пределе по сцеплению колес с рельсами и предотвращением развития фрикционных автоколебаний в тяговом тракте.

3. Создание электромеханической компьютерной модели перспективного грузового тепловоза с СУ, обеспечивающей реализацию предельных тяговых и тормозных усилий и снижение фрикционных автоколебаний в тяговой передаче.

4. Исследование на основе численных экспериментов электромеханических динамических процессов в тяговой электропередаче грузового магистрального тепловоза с АТД и отработка алгоритмов управления разгоном и электрическим торможением локомотива на пределе по сцеплению колес с рельсами.

Методы исследования. Для решения сформулированных задач использованы методы математического моделирования электротехнических и механических систем и современные промышленные программные комплексы (ПК). Электрическая силовая и управляющая подсистемы тягового привода локомотива моделируются в ПК МаЙ^аЬ/^тиНпк с применением метода коммутационных функций, методов автоматизированного расчета электронных схем, положений теории электрических машин, теории электропривода, теории автоматического управления и теории электрической тяги. Механическая часть тепловоза моделируется на основе системы связанных твердых тел в ПК «Универсальный механизм» (иМ), разработанном на кафедре «Прикладная механика» Брянского государственного технического университета (БГТУ). Для получения единой электромеханической модели локомотива модель механической части, выполненная в ЦМ с высокой степенью детализации, включается в модель Ма1-ЬаЬ/8пгшПпк с использованием специального интерфейса, разработанного в БГТУ.

Достоверность результатов, полученных в диссертации, обеспечивается:

- сопоставлением и удовлетворительной сходимостью результатов моделирования динамических процессов в механической части тепловоза с опорно-осевым подвешиванием тяговых двигателей с опубликованными результатами расчетов и натурных испытаний магистральных грузовых тепловозов, оборудованных системами обнаружения предельных сил сцепления (СОПСС) по уровню колебаний и предупреждения буксования колесных пар подсыпкой песка;

- удовлетворительным совпадением результатов моделирования динамических процессов в электроприводе с системой прямого управления моментом асинхронных двигателей с осциллограммами экспериментальных исследований, выполненных на лабораторной установке кафедры «Электронные, радиоэлектронные и электротехнические системы».

Научная новизна работы заключается в следующем:

• применен новый методологический подход к моделированию электромеханической системы локомотива, основанный на включении модели механической подсистемы, выполненной в ПК им, в модель электрической части, разработанной в Ма1ЬаЬ/81тиПпк, в виде 8-функции с использованием специального интерфейса;

• созданы электромеханические математические и компьютерные модели перспективного грузового шестиосного тепловоза с реализацией предельных тяговых и тормозных усилий и предотвращением развития фрикционных автоколебаний;

• разработана функциональная схема и алгоритмы работы СУ тяговой электропередачей локомотива с индивидуальным регулированием асинхронных двигателей на пределе по сцеплению колес с рельсами и подавлением фрикционных автоколебаний в тяговом тракте.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Созданные в работе компьютерные модели и методики моделирования позволяют на стадии проектирования анализировать электромеханические процессы в тяговой передаче грузового локомотива с контролем и подавлением фрикционных автоколебаний в тяговом тракте и производить отработку новых алгоритмов управ-

ления тягой и торможением на пределе по сцеплению колес с рельсами при индивидуальном регулировании осей.

Определен качественный и количественный характер динамических нагрузок в элементах тяговой передачи при реализации предельных тяговых усилий и развитии буксования, показано, что использование в СУ для изменения задания на ускорение ротора АТД сигнала устройства обнаружения колебаний совместно с сигналом превышения максимума силы тяги позволяет подавить развитие колебаний и снизить нагрузки. Предложен способ управления тягой и торможением локомотива на пределе по сцеплению колес с рельсами, принципиальная новизна которого подтверждена патентами 1Ш 2446063,1Ш 2428326,1Ш 99390.

Результаты работы приняты Брянским машиностроительным заводом (БМЗ) для использования при разработке и совершенствовании тепловозов нового поколения. Отдельные элементы разработанных моделей и реализующие их программы внедрены в учебный процесс БГТУ.

Апробация работы. Диссертационная работа обсуждалась на совместном заседании кафедр «Электронные, радиоэлектронные и электротехнические системы» и «Локомотивы» в 2012 году. Основные результаты диссертационной работы и ее отдельные разделы были представлены на I Международной научно-практической конференции «Достижения молодых ученых в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании» (Брянск, 2009 г.), VI и VII Международных научно-технических конференциях «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты» (Санкт-Петербург, 2009 г., 2011 г.), XI и XII Научно-практических конференциях «Безопасность движения поездов» (Москва, 2010 г., 2011 г.), V и VI Международных симпозиумах «Элтранс-2009» и «Элтранс-2011» (Санкт-Петербург, 2009 г., 2011 г.), VI Международной (XVII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу (Тула, 2010 г.), Международной молодежной научной конференции по естественно-научным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу - творчество молодых» (Йошкар-Ола, 2011 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе две статьи в журналах, входящих в перечень ВАК РФ; получено два патента на изобретение и один на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы, включающего 123 наименования, и приложения. Работа содержит 137 страниц основного текста, включая 65 рисунков и 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации и дана краткая характеристика работы.

В главе 1 на основе обзора технической литературы, анализа особенностей динамических процессов в тяговой электропередаче (ТЭП) при движении на пределе по сцеплению колес с рельсами и путей повышения тяговых и динамических качеств локомотивов с АТД средствами управления ТЭП выбраны методы и сфор-

мулированы задачи исследования.

Исследованию ТЭП с АТД как единой управляемой электромеханической системы посвящены работы М. Бушера, А.Т. Буркова, A.A. Зарифьяна, П.Г. Колпахчьяна, Х.П. Котца, A.C. Курбасова, В.А. Кучумова, В.В. Литовченко, А.П. Павленко, П.Ю. Петрова, Е.М. Плохова, Г.А. Федяевой, В.А. Шарова, В. Эн-геля и других ученых.

Анализ научных работ показывает, что одной из наиболее перспективных, позволяющих развивать наибольшие тяговые и тормозные усилия, является структура силовой электрической части ТЭП с индивидуальным регулированием осей и питанием АТД от автономных инверторов напряжения, поэтому данная структура принята к исследованию в диссертационной работе. Однако применение АТД, способных развивать высокие электромагнитные моменты, может приводить при несовершенстве СУ к развитию фрикционных автоколебаний, повышению динамических нагрузок в 3...4 раза, износу и поломкам в тяговой передаче.

Вместе с тем использование АТД, имеющих современные быстродействующие микропроцессорные системы регулирования переменных состояния, позволяет ввести в СУ ТЭП функции регулирования проскальзывания колес вблизи максимума кривой сцепления с одновременным контролем фрикционных автоколебаний. Это позволит осуществить разгон и торможение локомотива в любых погодных условиях на пределе по сцеплению колес с рельсами (при максимальном использовании потенциальных условий сцепления) и предотвратить развитие автоколебаний.

Такие системы начинают разрабатываться в России и внедряться на отечественных тепловозах. Для создания и отработки перспективных систем и алгоритмов управления и дальнейшего совершенствования ТЭП локомотивов с АТД необходимо исследование динамических процессов в электропередаче на базе новых методологических подходов, разработка комплексных электромеханических моделей с применением совмещения промышленных программных комплексов и анализ на их основе динамических нагрузок при различных способах управления.

В главе 2 выполнена разработка математических и компьютерных моделей механической части (МЧ) ТЭП грузовых локомотивов с опорно-осевым подвешиванием АТД и анализ динамических процессов в МЧ при реализации предельных тяговых усилий. Моделирование МЧ можно выполнить с различной степенью детализации, при этом очевидно, что чем выше детализация, тем полнее, но сложнее модель и анализ полученных результатов, дольше время расчета. Поэтому моделирование велось по принципу «от простого к сложному», разработаны и использованы два типа моделей:

1. Упрощенные модели МЧ ТЭП оси локомотива составлены на основе принципа Даламбера или уравнений Лагранжа и использованы для предварительного анализа динамических процессов в ТЭП;

2. Модели шестиосных грузовых магистральных локомотивов с высокой степенью детализации, выполненные в ПК UM с применением методов моделирования динамики систем тел, использованы для уточнения расчетов: более полного учета

особенностей конструкции ходовой части и динамического перераспределения вертикальных нагрузок по осям локомотива в режиме тяги.

Промежуточное по сложности место между максимально упрощенными моделями, учитывающими только угловые колебания элементов, и полномасштабными моделями им занимает модель механической части ТЭП оси магистрального грузового локомотива, отражающая угловые, горизонтальные и вертикальные колебания основных элементов тяговой передачи в продольной вертикальной плоскости по отношению к оси пути (рис. 1).

Рис. 1. Расчетная схема механической подсистемы ТЭП оси тележки грузового локомотива

С учетом традиционных для решаемых задач допущений получена система дифференциальных уравнений движения механической подсистемы ТЭП: вращение (и угловые колебания) ротора двигателя

К = М -Р\сог -/исокі - (// +1)©,]- Мг; (¡г

dM, dt

угловые колебания блока редуктор - двигатель относительно оси колесной пары

(Jd + mr¿; + mdÜd )^-=j3r(fi +1 )[cor -ficoK, + 1)®J+(M + l)Mr-M dt

-(mdLd eos<p+ mrLr eos<p)<h;' -(mdL„ sin <p+ mrLr sin tp) ^- Д7 (vKt + / <od)-Md; dt dt

dMj

—jf =cJp(vKz+lpú)dK

вращение (и угловые колебания) первого (ближайшего к зубчатому зацеплению редуктора) колеса оси тележки

dt

¿Mo

—± = с0(о>к,-а>к2); at

MKl=FKt ^L;

вращение (и угловые колебания) второго (удаленного от зубчатого зацепления редуктора) колеса оси тележки

JK2 — " = Ро( <»к, - (окз ) + М„-МК2;

at

вертикальные колебания колесно-моторного блока

(ImK+md+mr)dv,r'- = ~(mdLd cos <p + mrLr cos <p) - /?„ (vKz - v„) - Fn -dt dt

"AO-* +lp<od)-Fd-Fz -P2vK:\ dF7

— = c,v, : A z

dt

горизонтальные колебания колесно-моторного блока

(тк +md+mr = FKI + FK2-( mdLd sin <p + mrLr sin <P)-°j¡--Av& ~ A "f

dF

a *&

Fk, = nkiVO,- k,: Fk2 = NK2 -yr^-k,;

NKI=(N0I + AN); Nk2=(N02+AN);

A4 = fln(v,i-vll) + Fn;

горизонтальное движение локомотива:

dt

где М- электромагнитный момент двигателя, определяемый из системы уравнений электрической части; Mr, Md и Ма - моменты упругих сил на валу ротора, в подвеске остова и на оси колесной пары соответственно; J.I - передаточное число редуктора; Cútt - угловая скорость корпуса двигателя относительно оси колесной пары; ¿4, й)к1 и С0к2 - угловые скорости ротора, первого и второго колеса (далее колес) относительно собственных осей соответственно; DK¡, DK2 - диаметры колес; N0/, Nfí2 и NKh Nk2 - статические и суммарные вертикальные нагрузки колес; AN - динамическая составляющая суммарной вертикальной нагрузки колес; МК1, МК2 и FK,, FK2 -тяговые моменты и силы тяги колес; щ, и Ща - потенциальные коэффициенты сцепления колес; k¡ и к2 - коэффициенты сцепления колес в относительных единицах; Vj, - линейная скорость локомотива (и поезда); vKz и vKx - линейные скорости вертикальных и горизонтальных колебаний оси колесной пары; v, = dr¡/dt - скорость изменения обобщенной вертикальной неровности r¡\ lp - база подвески двигателя; сг и со - эквивалентная угловая жесткость связи «ротор - колесная пара» и оси колесной пары; c¿ - линейная жесткость подвески двигателя; с-, сх, сп - эквивалент-

ные линейные жесткости буксового рессорного подвешивания, продольной связи колесной пары с тележкой, рельсового пути соответственно; Д, Д. Д, - эквивалентные коэффициенты демпфирования буксового рессорного подвешивания, продольной связи колесной пары с тележкой, рельсового пути соответственно; рп Д, Д/, -коэффициенты демпфирования связи «ротор - колесная пара», оси колесной пары, подвески двигателя соответственно; /-"г, и Рц - вертикальные упругие силы в буксовом подвешивании, подвешивании двигателя и со стороны пути соответственно; Гх - горизонтальная упругая сила продольной связи колесной пары с тележкой; - сила сопротивления движению; т„ т^ и тк - массы ротора двигателя, корпуса блока редуктор - двигатель и колесной пары соответственно; тд - масса локомотива (и поезда), приходящаяся на одну ось; Jd, ¿ки Л'2 - моменты инерции (относительно собственных осей) ротора двигателя, корпуса блока редуктор - двигатель и каждого колеса колесной пары соответственно (с учетом жестко связанных с ротором и первым колесом масс редуктора); 1р, 1^г,<р - базовый линейный параметр редуктора, расстояния вдоль централи редуктора от оси колесной пары до центров тяжести корпуса блока редуктор - двигатель и якоря двигателя, а также угол наклона централи редуктора к горизонтальной оси х соответственно.

Скорость ротора относительно корпуса двигателя которая входит в

уравнения электрической части ТЭП и определяющим образом влияет на электромагнитные процессы в двигателе, вычисляется по уравнению

= 2оУг -(ц + 1)оь -М 011.

Силы тяги колес определяются как произведения вертикальных нагрузок колес (N^1, ЫК2) на соответствующие потенциальные коэффициенты сцепления (у/щ, у/02), зависящие от линейной скорости локомотива (ул) и коэффициенты сцепления в относительных единицах (к1 и, к2), зависящие от скорости продольного проскальзывания колес, выраженной в относительных единицах или в процентах от скорости локомотива: у<жу= (ук/- у,)Л', , \'ск2= (ук2— где Ущ, \'к2 — линейные скорости колес. Зависимости к1=/(уск1) (характеристики сцепления) и Щц=Я\'л), 1=1,2 задаются таблично на основе опубликованных экспериментальных данных и правил тяговых расчетов с интерполяцией промежуточных значений. Для начала движения локомотива скорость проскальзывания колес задается в абсолютных единицах.

Данная математическая модель, а также упрощенная модель, учитывающая только угловые колебания элементов ТЭП, реализованы в основной библиотеке Ма^аЬ/ЗптшПпк. На созданных компьютерных моделях исследованы динамические процессы в ТЭП во временной и частотной области при различных характеристиках сцепления (для сухих и влажных рельсов), разной величине проскальзывания колес и скорости локомотива. В модели были подставлены параметры ТЭП грузовых тепловозов ТЭ116 и 2ТЭ25А.

Определен гармонический состав сигналов угловых скоростей и ускорений ротора, блока редуктор-двигатель, первого и второго колес, а также колесно-моторного блока. Выявлены центральные частоты, отвечающие резонансным максимумам соответствующих сигналов. Определено, что в сигналах углового ускорения блока редуктор-двигатель и линейного вертикального ускорения колесно-моторного блока проявляются пять резонансных частот модели (рис. 1), это частоты: собственных угловых колебаний блока редуктор-двигатель; горизонтальных колебаний колесно-моторного блока; вертикальных колебаний колесно-моторного

блока; угловых колебаний ротор - колесная пара; угловых колебаний колес на оси колесной пары.

Установлено, что при увеличении проскальзывания колес и попадании рабочей точки на падающий участок характеристики сцепления происходит увеличение амплитуды колебаний и изменение центральных частот резонансных максимумов. В частности, в начале развития процесса буксования при достаточной крутизне падающего участка характеристики сцепления появляются фрикционные автоколебания с узлом на оси колесной пары, имеющие резонансный максимум на частоте 68...76 Гц в зависимости от типа тепловоза и параметров МЧ; при работе на восходящем участке характеристики сцепления эти колебания практически отсутствуют

Рис. 2. Результаты моделирования МЧ ТЭП оси 2ТЭ25А в нормальных погодных условиях ((Со=0,3)

при плавном нарастании момента двигателя: а) скорость локомотива (Ул) и скорости колес оси (Укі,У,[2); б) крутящий момент на оси колесной пары (М0); г) крутящий момент на валу ротора (Мг)

При свободном развитии колебаний динамические нагрузки в оси колесной пары могут в 3-4 раза превышать нагрузки номинального режима (рис. 2.6). Фрикционные автоколебания с частотой 76 Гц с узлом на оси колесной пары проявляются также в зубчатом зацеплении редуктора и на валу ротора (рис. 2.в) и вызыва-

ют в этих звеньях ТЭП знакопеременный момент с амплитудой, превышающей номинальное значение в 1,5...2 раза.

Существенно увеличиваются при работе на падающем участке характеристики сцепления также амплитуды колебаний в остальных перечисленных звеньях, причем частота их резонансных максимумов изменяется при этом на 10...20 % по сравнению с работой на восходящем участке характеристики сцепления, в частности, увеличиваются колебания в частотном диапазоне 30...40 Гц и 6... 12 Гц. Результаты моделирования МЧ ТЭП с параметрами тепловоза ТЭ116 показывают удовлетворительное совпадение с опубликованными результатами расчетов и натурных испытаний магистральных грузовых тепловозов ТЭ116, оборудованных СОПСС.

Для более полного учета процессов в механической части ТЭП и последующей проверки алгоритмов управления АТД на пределе по сцеплению колес с рельсами в условиях, максимально приближенных к реальному объекту, целесообразно применять модели тепловозов, выполненные в ПК им с высокой степенью детализации и доработанные с целью учета упруго-диссипативных свойств осей колесных пар. На рис. 3 в качестве примера приведена модель тележки тепловоза 2ТЭ25А конструкции ВНИКТИ с мягким двухступенчатым рессорным подвешиванием, низко опущенным шкворнем и механизмом радиальной установки колесных пар. Расчетная схема тепловоза 2ТЭ25А включает 107 степеней свободы, для расчета сил крипа используется алгоритм ГАБТЗШ, моделирование падающего участка характеристики сцепления выполняется с применением методики О. Полаха, реализованной в ИМ.

Уточненное моделирование МЧ в ИМ дает существенное увеличение количества резонансных частот дополнительно к выявленным, показывает, что буксование различных осей развивается по-разному и подтверждает, что идентифицировать развитие буксования только по уровню колебаний весьма проблематично. Поэтому основным сигналом для СУ ТЭП должен быть сигнал о достижении максимума силы тяги оси или максимально допустимого уровня проскальзывания колес. Однако целесообразно включить сигнал СОПСС по уровню колебаний в СУ ТЭП на пределе по сцеплению колес с рельсами как дополнительный, позволяющий снизить уровень вибраций и динамические нагрузки при реализации предельных тяговых усилий.

В главе 3 разработана функциональная схема и алгоритмы работы СУ ТЭП локомотива с индивидуальным регулированием АТД на пределе по сцеплению колес с рельсами и подавлением фрикционных автоколебаний в тяговом тракте, а также математические и компьютерные модели электрической (силовой и управляющей) подсистемы ТЭП.

Анализировались два алгоритма, позволяющие осуществлять реализацию предельных тяговых усилий: экстремальное регулирование (самонастройка на максимум кривой сцепления) и релейное регулирование проскальзывания колес, в

Рис. 3. Модель тележки тепловоза 2ТЭ25А

каждом из которых предусмотрен контроль виброускорений корпуса АТД.

В качестве примера на рис. 4 приведена схема с релейным регулированием проскальзывания. В СУ используется внешний контур регулирования частоты вращения тягового двигателя по отклонению, где задание на частоту вращения двигателя, приведенную к ободу колеса, определяется путем интегрирования задания на ускорение, выбираемого из двух значений: а0, которое в режиме тяги на небольшую величину А а меньше линейного ускорения локомотива ал, и а¡, которое в режиме тяги на Аа больше ал (в режиме торможения наоборот), а также внутренний контур регулирования момента двигателя, входным сигналом которого является выходной сигнал регулятора частоты вращения с учетом ограничения по моменту, поступающего из СУ верхнего уровня.

Устройство обнаружения

буксования по уровню колебаний Регулятор скольжения колес

Г Г~ г~

Адаптация ускорения скорости

Тяга / Торможение

ЧІ

Ик AV CI Сіігнап

? UKmax ^яах a о -

lU*min tAV «0 -

lUxmin •і'¿Кап "l -

t UKmax > AV Проверить крегшеннеТЭП

T Uк max 1AVm„ ¿J4,ox «0 -

^Інтегратор

Регулятор частоты вращгннэ

J

Мз Регулирование тягового двигателя

Рис. 4. Функциональная схема системы управления ТЭП грузового локомотива

Чтобы удержаться вблизи максимума характеристики сцепления, регулирование момента тягового двигателя должно быть высоко динамичным, этому требованию удовлетворяют: 1) система векторного управления АТД; 2) система прямого управления моментом (Direct Torque Control, - сокращенно DTC). Задание на пото-косцепление АТД формируется в обеих системах в зависимости от скорости ротора с учетом ослабления поля.

Выбор между значениями а0- ад - Аа и а^ад + Аа (в режиме тяги) или а0= ад + Аа и ai=aj] — Аа (в режиме торможения) выполняется СУ в соответствии с таблицей переключений (рис. 4) с учетом сигналов двух устройств: 1) регулятора абсолютной величины скольжения AV = |Уд - Ул| (возможен вариант с регулированием относительной величины скольжения), имеющего релейную характеристику и переключающегося при увеличении АУ выше значения АУтах и уменьшении ниже значения /IV,,,;,, (где АУ - абсолютная величина скольжения, м/с, Уд - частота вращения ротора двигателя, приведенная к ободу колеса, Уд - линейная скорость локомотива); 2) устройства, анализирующего уровень вертикальных ускорений корпуса АТД UK в заданных частотных диапазонах, имеющего релейную характеристику и переключающегося при повышении уровня колебаний выше значения UKmax

и понижении ниже значения £/„,„■„. Значения максимального и минимального проскальзывания предварительно выбираются по известным результатам натурных испытаний локомотивов в следующих пределах: AVmin=0,15...0,17; AV„iax= 0,3...0,5 (с возможной адаптацией в зависимости от скорости локомотива). Скорость локомотива измеряется в данной схеме датчиком линейной скорости (возможно также применение косвенных методов определения скорости локомотива, основанных на использовании псевдобегунковой оси).

Разработана модель электрической части ТЭП в основной библиотеке MatLab/Simulink на основе уравнений АТД, представленного двухфазной обобщенной машиной, математического описания систем векторного управления и DTC с использованием пропорциональных (П) и пропорционально-интегральных (ПИ) регуляторов скорости ротора.

Для проверки адекватности модели электрической части ТЭП произведено сравнение результатов моделирования динамических процессов в электроприводе с DTC с осциллограммами экспериментальных исследований (рис. 5 а, б), выполненных на лабораторной установке. Установка оборудована преобразователем частоты ACS850 фирмы ABB с DTC, программным обеспечением для компьютерного отображения результатов, асинхронным электродвигателем А042 с электромагнитным тормозом, импульсным датчиком частоты вращения двигателя и электронным тахометром. Эксперимент проводился путем увеличения и дозированного снижения момента сопротивления на валу двигателя в замкнутой системе регулирования с П-регулятором скорости. Максимальное расхождение расчетных и экспериментальных данных по моменту составляет 8 %.

а) б)

Рис. 5. Расчетные и экспериментальные значения электромагнитного момента двигателя: а) эксперимент; б) расчет

В главе 4 созданы электромеханические компьютерные модели перспективного грузового шестиосного тепловоза с реализацией предельных тяговых и тормозных усилий и предотвращением развития фрикционных автоколебаний. Электромеханические модели выполнены, как в МаАьаЬ/ЗтиНпк, так и на основе совмещения программных комплексов с применением нового методологического подхода: модель механической подсистемы, разработанная в ПК им, включается в модель электрической части, разработанной в Ма1ЬаЬ/8тиНпк, в виде стандартного блока, - 8-функции, - с использованием специального интерфейса Со81ти1аиоп (рис. 6), разработанного на кафедре «Прикладная механика».

Выполнено моделирование динамических процессов в ТЭП локомотива с предложенной СУ при векторном управлении и прямом управлении моментом АТД и различных алгоритмах регулирования проскальзывания колес.

Matlab

Universal Mechanism

Simulink

Модель механической системы

CoSimulation

Модель системы управления

S - функция

і

к'

Рис. б. Иллюстрация совмещения MatLab/Simulink и UM

Моделирование движения локомотива с составом производилось на прямолинейном участке пути в диапазоне скоростей локомотива 0... 120 км/ч при различном состоянии пути (различных потенциальных коэффициентах сцепления щ, разной крутизне падающего участка характеристики сцепления и случайном разбросе положения максимума кривой сцепления) с учетом (и без учета) неровностей.

Моделировались режимы разгона и электрического торможения локомотива с конструкцией и параметрами механической части тепловоза 2ТЭ25А на пределе по сцеплению колес с рельсами при нормальных и ухудшенных условиях сцепления; движение при ослаблении магнитного потока (в зоне постоянства мощности); наезд на масляное пятно при различных скоростях локомотива.

Установлено, что алгоритмы экстремального регулирования и релейного регулирования проскальзывания дают очень хорошие результаты при разгоне и торможении локомотива в ухудшенных условиях сцепления (щ = 0,18...0,1 и ниже) и обеспечивают плавный разгон (торможение) с реализацией максимально возможных в данных погодных условиях тяговых (тормозных) усилий практически без развития автоколебаний (рис. 7).

Рис. 7. Результаты моделирования разгона локомотива при регулировании ТЭП на пределе по сцеплению в плохих погодных условиях ((%=0,-/): а) силы тяги колес 1.. .6 осей (Рв); б) сила тяги локомотива (Р„)

В удовлетворительных и хороших условиях сцепления (щ = 0,19...0,35 и выше) и достаточной крутизне падающего участка характеристики сцепления при движении на пределе по сцеплению колес с рельсами наблюдается развитие фрикционных автоколебаний, наиболее характерными являются колебания с узлом на оси колесной пары частотой 74 -76 Гц. При свободном развитии колебаний динамические нагрузки в отдельных элементах ТЭП (в частности, в оси колесной пары)

Гц,кН

а)

б)

могут в 3 раза превышать нагрузки номинального режима, но при возрастании автоколебаний происходит срабатывание устройства, анализирующего уровень вертикальных виброускорений корпуса АТД и переключение задания ускорения с а/ на а0 (рис. 4), что вызывает снижение тяговых (тормозных) усилий АТД и подавление фрикционных автоколебаний. Использование в СУ для изменения задания на ускорение ротора сигнала устройства контроля виброускорений совместно с сигналом превышения проскальзывания или максимума силы тяги позволяет подавить развитие колебаний и снизить динамические нагрузки в тяговой передаче от фрикционных автоколебаний при реализации предельных тяговых усилий до уровня, не превышающего 15 % усилий номинального режима даже в наиболее неблагоприятном случае при низком демпфировании в тяговой передаче (рис. 8, а, б). СУ обеспечивает снижение автоколебаний, как при векторном управлении АТД, так и при использовании БТС. Срабатывание устройства контроля колебаний при работе ТЭП на восходящем участке характеристики сцепления может говорить об ослаблении крепления узлов тяговой передачи, при этом предусмотрена выдача предупреждающего сигнала машинисту.

а) б)

Рис. 8. Результаты моделирования разгона локомотива с составом 4000 т

при регулировании ТЭП на пределе по сцеплению в нормальных погодных условиях (щ=0,2)\ а) моменты 1...6 осей (М0), работает регулятор проскальзывания колес, устройство контроля виброускорений отключено; б) моменты 1.. .6 осей (М0), работает регулятор проскальзывания колес, устройство контроля виброускорений включено

Сравнение алгоритмов экстремального регулирования и релейного регулирования проскальзывания колес при отключенном и действующем устройстве контроля виброускорений показывает, что оба алгоритма обеспечивают реализацию высоких тяговых и тормозных усилий: при контроле виброускорений можно добиться использования потенциальных условий сцепления на уровне не ниже 93 % и одновременно понизить динамические нагрузки в передаче. При релейном регулировании без контроля колебаний динамические нагрузки при нормальных условиях сцепления увеличиваются, а уровень использования потенциальных условий сцепления может понизиться до величины порядка 89 %.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие основные результаты: 1. Разработаны математические модели механической части грузового тепловоза с различной степенью детализации, выполнена оценка динамических нагрузок и развития колебаний элементов тяговой передачи тепловоза 2ТЭ25А при увеличении проскальзывания колес и переходе в зону буксования. Выявлено, что в удовлетворительных и хороших условиях сцепления (щ = 0,19...0,35 и выше) и достаточ-

ной крутизне падающего участка характеристики сцепления при движении на пределе по сцеплению возможно возникновение фрикционных автоколебаний с узлом на оси колесной пары, имеющих резонансный максимум в частотном диапазоне 74...76 Гц. Наиболее интенсивно автоколебания развиваются при высоких потенциальных коэффициентах сцепления щ > 0,3. Эти колебания передаются на корпус двигателя и зубчатое зацепление редуктора и хорошо фиксируются в частотном спектре вертикальных виброускорений корпуса АТД (блока редуктор-двигатель). При свободном развитии колебаний динамические нагрузки в оси колесной пары могут в 3 раза, а в зубчатом зацеплении в 1,5 раза превышать нагрузки номинального режима.

2. При переходе на падающий участок характеристики сцепления существенно увеличиваются амплитуды собственных угловых колебаний блока редуктор-двигатель, горизонтальных и вертикальных колебаний колесно-моторного блока, а также угловых колебаний ротор - колесная пара, причем частота их резонансных максимумов изменяется при этом на 10...20 % по сравнению с работой тяговой передачи на восходящем участке характеристики сцепления, в частности, увеличиваются колебания в частотных диапазонах 6... 12 Гц и 30...40 Гц. Названные собственные формы колебаний наиболее полно представлены в вертикальном ускорении корпуса двигателя и угловом ускорении корпуса относительно оси колесной пары.

3. Предложен способ управления тягой и торможением локомотива на пределе по сцеплению колес с рельсами, предусматривающий регулирование ТЭП вблизи максимума характеристики сцепления и виброзащиту.

4. Разработана функциональная схема СУ и алгоритмы управления тяговой электропередачей локомотива с индивидуальным регулированием АТД на пределе по сцеплению колес с рельсами и предотвращением развития фрикционных автоколебаний в тяговом тракте.

5. Применен новый методологический подход к моделированию электромеханической системы локомотива, основанный на включении модели механической подсистемы, выполненной в ПК ИМ, в модель электрической части, разработанной в Маи^аЬ/БтиНпк, в виде 8-функции с использованием специального интерфейса.

6. Созданы электромеханические компьютерные модели грузового тепловоза с СУ, обеспечивающей реализацию предельных тяговых и тормозных усилий при индивидуальном регулировании осей и снижение фрикционных автоколебаний в тяговой передаче.

7. На основе численных экспериментов исследовано функционирование СУ, реализующих максимальные тяговые усилия при применении для регулирования АТД систем векторного управления и прямого управления моментом. Установлено, что при векторном управлении и при прямом управлении моментом АТД использование в СУ для изменения задания на ускорение ротора сигнала устройства контроля виброускорений корпуса АТД совместно с сигналом превышения максимума силы тяги позволяет подавить развитие колебаний и снизить динамические нагрузки в тяговой передаче от фрикционных автоколебаний при реализации предельных тяговых усилий до уровня, не превышающего 15 % усилий номинального режима.

8. Выполнено сравнение алгоритмов экстремального регулирования и релейного регулирования проскальзывания колес при отключенном и действующем устройстве контроля колебаний. Установлено, что при контроле колебаний можно

добиться более полного использования потенциальных условий сцепления (свыше 93 %).

9. С применением разработанных моделей можно на стадии проектирования производить отработку различных алгоритмов регулирования АТД на пределе по сцеплению колес с рельсами при индивидуальном регулировании осей.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 11-01-00500-а.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Матюшков С.Ю. Система автоматизированного управления тяговым электроприводом с асинхронными двигателями / С.Ю. Матюшков, Д.В. Кочевинов, Г.В. Роговцев, Г.А. Федяева // Вест. Брянского техн. ун-та: Изд-во БГТУ.- 2012. - № 1,-С. 108-114.

2. Ковалев, Р.В. Совершенствование системы управления тяговым электроприводом грузового локомотива / Р.В. Ковалев, С.Ю. Матюшков, A.A. Пугачев, Г.В. Роговцев, Г.А. Федяева // Изв. Тульского гос. техн. ун-та. Технические науки,-2010.-Вып. 3.-Ч.2.-С. 109-114.

Документы на объекты интеллектуальной собственности:

3. Система регулирования асинхронного тягового электропривода локомотива на пределе по сцеплению колес с рельсами. Патент РФ на полезную модель RU 99390 / Матюшков С.Ю., Роговцев Г.В., Федяева Г.А., Федяев H.A. // Официальный бюллетень Российского агентства по патентам и товарным знакам. Изобретения. Полезные модели. Опубл. 20.11.2010.- Бюл. № 32.

4. Способ управления асинхронными тяговыми двигателями, подключенными параллельно к одному инвертору. Патент РФ на изобретение RU 2428326 / Федяева Г.А., Федяев H.A., Матюшков С.Ю., Роговцев Г.В. // Официальный бюллетень Российского агентства по патентам и товарным знакам. Изобретения. Полезные модели. Опубл. 10.09.2011.- Бюл. №25.

5. Способ управления тяговым электроприводом локомотива на пределе по сцеплению колес с рельсами. Патент РФ на изобретение RU 2446063 / Федяева Г.А., Федяев H.A., Матюшков С.Ю., Роговцев Г.В. // Официальный бюллетень Российского агентства по патентам и товарным знакам. Изобретения. Полезные модели. Опубл. 27.03.2012.-Бюл. № 9.

Публикации в прочих изданиях:

6. Матюшков, С.Ю. Система управления асинхронным тяговым приводом локомотива с использованием анализа динамических параметров тяговой передачи / С.Ю. Матюшков // Материалы I Международной научно-практической конференции «Достижения молодых ученых в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании» Брянск. - Из-во БГТУ. - 2009. - С. 45-48.

7. Матюшков, С.Ю. Система управления асинхронным тяговым электроприводом локомотива при групповом регулировании двигателей / С.Ю. Матюшков, Г.В. Роговцев, Г.А. Федяева // Тезисы V Международного симпозиума «Элтранс-2009». - С-Пб.: ПГУПС,- 2009,- С. 56.

8. Федяев, Н.А. Моделирование электромеханической системы тягового привода локомотивов при реализации предельных тяговых усилий / Н.А. Федяев, Г.А. Федя-ева, С.Ю. Матюшков // Тезисы докладов VI Международной научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты». - С-Пб: Изд-во ПГУПС, 2009. - С. 48-50.

9. Ковалев, Р.В. Моделирование мехатронных систем в программных комплексах Ма1ТаЬ и «Универсальный механизм» / Р.В. Ковалев, С.Ю. Матюшков, Г.В. Роговцев, Г.А. Федяева // Безопасность движения поездов: Труды X научно-практической конференции. - М: МИИТ, 2010. - 4.1, С. 41- 42.

10. Матюшков, С.Ю. Реализация локомотивом предельных тяговых усилий и виброзащита / С.Ю. Матюшков, Г.В. Роговцев, Г.А. Федяева. // Тезисы докладов УП Международной научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты». - С-Пб: Изд-во ПГУПС, 2011. - С. 22-24.

11. Федяева, Г.А. Управление тяговым электроприводом на пределе по сцеплению колес с рельсами и подавление фрикционных автоколебаний / Г.А. Федяева, С.Ю. Матюшков, Г.В. Роговцев, А.Н. Тарасов // Вест. Восточноукр. нац. ун-та. Технические науки Т. 1.-Луганск: Изд-во ВНУ, 2011.-№ 4.-С. 31-36.

12. Матюшков, С.Ю. Подавление фрикционных автоколебаний в асинхронном тяговом электроприводе грузового локомотива / С.Ю. Матюшков, Г.А. Федяева // Тезисы VI Международного симпозиума «Элтранс-2011». - С-Пб.: ПГУПС.- 2011.-С. 82-83.

13. Федяева, Г.А. Регулирование тягового электропривода на пределе по сцеплению колес с рельсами при групповом управлении асинхронными двигателями / Г.А. Федяева, С.Ю. Матюшков, Г.В. Роговцев // Сборник тезисов ХП Всемирного электротехнического конгресса 4-5 октября 2011 г. М: ВЭЛК. - 2011.- С. 71-72.

14. Матюшков, С.Ю. Подавление фрикционных автоколебаний в тяговых электроприводах с асинхронными двигателями / С.Ю. Матюшков, Г.В. Роговцев, Г.А. Федяева, Д.С. Шаховский // Безопасность движения поездов: Труды XII научно-практической конференции. - М: МИИТ, 2011. -4.1, С. 63-64.

15. Матюшков, С. Ю. Динамические процессы в системе «экипаж - тяговый электропривод - путь» / С. Ю. Матюшков, Г. В. Роговцев, Д. В. Кочевинов // Материалы «Международной молодежной научной конференции»: Йошкар-Ола. - 2011. -С. 91-93.

16. Кочевинов Д.В., Матюшков С.Ю., Тарасов А.Н., Федяева Г.А., Шаховский Д.С. Моделирование тяговых электроприводов в программных комплексах Ма1ГаЬ и «Универсальный механизм // Труды VI Международной (XVIII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2012. - Иваново: ИГ-ЭУ, 2012.- с.676-681.

17. Матюшков С.Ю., Федяева Г.А., Кравцова Н.В. Управление разгоном и торможением грузового тепловоза на пределе по сцеплению колес с рельсами / «Проблемы механики современных машин»: Материалы V Международной конференции. - Улан-Удэ: ВСГУТУ, 2012.- Т 2.- с. 255-259.

Л9"

Матюшков Сергей Юрьевич СНИЖЕНИЕ АВТОКОЛЕБАНИЙ В ТЯГОВОЙ ПЕРЕДАЧЕ ГРУЗОВОГО МАГИСТРАЛЬНОГО ЛОКОМОТИВА ПРИ ИНДИВИДУАЛЬНОМ УПРАВЛЕНИИ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Изд. лиц. № 020381 от 24.04.97. Подписано в печать

Формат 60x84 1/16 Бумага типографская № 2 Офсетная печать

Уел печ.л. 1 Уч - изд. л. 1 Т. 100 экз. Заказ № 94.

Издательство Брянского государственного технического университета

241035, Брянск, бульвар 50-летия Октября, 7, БГТУ

Лаборатория оперативной печати БГТУ, ул. Институтская, 16

Брянский государственный технический университет

На правах рукописи

Матюшков Сергей Юрьевич

04201355663

СНИЖЕНИЕ АВТОКОЛЕБАНИЙ В ТЯГОВОЙ ПЕРЕДАЧЕ ГРУЗОВОГО МАГИСТРАЛЬНОГО ТЕПЛОВОЗА ПРИ ИНДИВИДУАЛЬНОМ УПРАВЛЕНИИ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

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

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Федяева Г.А.

Брянск 2013

Содержание

Введение..................................................................................................................................................3

1. Анализ проблемы реализации предельных сил сцепления...................................................11

и снижения фрикционных автоколебаний средствами управления........................................11

Постановка задачи..............................................................................................................................11

1.1. Реализация предельных сил сцепления, динамические нагрузки и колебания подвижного состава....................................................................................................................................11

1.2. Реализация защиты от буксования в системах управления тяговой электропередачей.........25

1.3. Постановка задачи.........................................................................................................................44

2. Математическое и компьютерное моделирование механической подсистемы магистрального грузового тепловоза...................................................................................................46

2.1. Математическое моделирование механической подсистемы тяговой электропередачи оси тепловоза с опорно-осевым подвешиванием двигателей..................................47

2.2. Компьютерная модель механической подсистемы грузового магистрального

тепловоза.....................................................................................................................................................66

2.3. Выводы по главе 2.........................................................................................................................70

3. Электрическая подсистема тяговой передачи магистрального грузового локомотива с асинхронными двигателями.........................................................................................71

3.1. Управление разгоном и торможением локомотива на пределе по сцеплению с подавлением фрикционных автоколебаний............................................................................................72

3.2. Математическое моделирование электрической подсистемы тяговой передачи.................77

3.3. Лабораторные исследования электропривода с DTC и проверка адекватности модели электрической подсистемы........................................................................................................................91

3.4. Выводы по главе 3.........................................................................................................................93

4. Создание комплексных электромеханических моделей...................................................95

и исследование динамических процессов в тяговой электропередаче

локомотива при реализации предельных тяговых усилий..............................................................95

4.1. Создание комплексных электромеханических моделей............................................................95

4.2. Предварительный анализ динамических процессов при развитии буксования и отработка алгоритмов управления на упрощенных моделях.................................................................99

4.3. Исследование динамических процессов в тяговой передаче локомотива с системой контроля колебаний при реализации предельных тяговых усилий.....................................................107

4.4. Выводы по главе 4.......................................................................................................................121

Заключение........................................................................................................................................123

Список литературы..........................................................................................................................125

Введение

В результате изменений в структуре государства в 90-х годах XX века и реформирования всех институтов страны производящие отрасли страны оказались в упадке, что привело к снижению производства новых локомотивов, электропоездов и вагонов. Дальнейшее сокращение финансирования, отсутствие заказов породило снижение мощностей производства, а подчас и полное их исчезновение. Результатом этого явилось моральное и физическое старение парка подвижного состава. Так, по состоянию на 1 января 2005 г. истек нормативный срок службы почти каждого третьего грузового электровоза, 60% пассажирских электровозов постоянного тока, 52% маневровых и 45% магистральных грузовых тепловозов [17].

Эксплуатация подвижного состава за пределами срока службы ведет не только к снижению надежности, но и к увеличению расходов на содержание. Понимая сложившиеся положение, МПС РФ ещё в 2001 году утвердило комплексную программу: «Реорганизация и развитие отечественного локомотиво- и вагоностроения на период 2001-2010 г.г.». Данная программа предусматривала модернизацию уже эксплуатируемых локомотивов, и принимаемые меры не могли решить проблему устаревания парка, как физического так и морального.

В целях преодоления этого недостатка в ОАО «РЖД» в 2003-2004 г.г. разработаны программы создания и освоения производства нового подвижного состава на перспективу. Сформированы основные требования к электровозам и тепловозам нового поколения [17]:

• улучшение тяговых свойств на 15...20%;

• экономия энергоресурсов на 10... 15%;

• увеличение межремонтных пробегов в 2 раза;

• повышение коэффициента готовности машин за счет обеспечения их высокой надежности и ремонтопригодности;

• обеспечение КПД электровозов постоянного тока 90%, КПД электровозов переменного тока до 88%;

• срок службы магистральных локомотивов - 40...45 лет;

• срок службы маневровых локомотивов - 50 лет.

Создание качественно нового тягового и моторвагонного подвижного состава с использованием современных достижений мирового локомотивостроения должно обеспечить высокие потребительские качества, а универсальность - возможность его использования в изменяющихся условиях перевозок [17].

Распоряжением Председателя Правительства РФ 17 июня 2008 г. была утверждена «Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года», в плане которой предусмотрена организация производства подвижного состава нового поколения. Конструкция новых локомотивов должна предусматривать осевые нагрузки 27...30 тонно-сил, сокращение удельного расхода топлива и электроэнергии на тягу поездов на 10.. .15%, увеличение наработки локомотива на отказ на 30...40 %, ресурс бандажей не менее 1 млн. км и применение асинхронного тягового привода.

Для выполнения требований, предъявляемых к новым локомотивам, необходимы новые конструкторские решения в отечественном локомотивостроении. В первую очередь, это касается тягового привода, обеспечивающего передачу мощности от источника до контакта «колесо-рельс» и в значительной мере определяющего мощность, массу и затраты на эксплуатацию современного подвижного состава.

Внедрение регулируемого электропривода переменного тока началось как в промышленности, так и на транспорте, и было связано с развитием силовой электроники и микропроцессорной техники. Так применение на подвижном составе железных дорог асинхронных тяговых двигателей (АТД) с современными микропроцессорными системами управления (СУ) позволяет повысить мощность в ограниченных габаритах экипажной части, снизить материалоемкость и затраты на эксплуатацию.

С повышением производительности вычислительных устройств появилась возможность разработки систем непосредственного регулирования, которые с минимальной инерционностью позволяют динамично воздействовать на величину

магнитного потока и крутящий момент. В настоящее время разработкой и производством систем управления тяговым приводом переменного тока занимаются многие известные зарубежные фирмы, такие как Siemens, АВВ, Bombardier, General Electric и др., но отечественная промышленность ещё не освоила серийное производство систем тягового привода с АТД, оснащенных подобными системами.

Несмотря на то, что определение эффективности тягового привода непосредственно опирается на способность привода реализовать максимально возможную силу тяги, до сих пор нет единого подхода к формированию предельных тяговых усилий. Исследованиями в данной области занимались известные ученые, такие как Д.К. Минов, И.П. Исаев, Н.Н. Сидоров, Н.Н. Меншутин, В.Н. Лисунов, A.JI. Голубенко, В.Е. Розенфельд и другие. Применение новых систем управления, обладающих высокими показателями регулирования, позволило реализовать системы, качественно отличающиеся от систем тягового привода постоянного тока. Принципы управления двигателями переменного тока разработаны в трудах М.П. Костенко, И.И. Эпштейна, А.В. Башарина, Н.А. Ротанова и других ученых.

Актуальность темы. Для производства подвижного состава нового поколения одним из основных направлений, определенных «Стратегией развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года», является применение на подвижном составе асинхронных тяговых двигателей, обладающих рядом известных преимуществ по сравнению с традиционными тяговыми двигателями постоянного тока. Использование АТД позволяет существенно повысить реализуемые локомотивом тяговые усилия, но при этом, даже при незначительном ухудшении погодных условий или состояния рельсов, возможно достижение предельных по сцеплению значений сил и попадание в нестабильную зону (на падающий участок характеристики сцепления).

Наиболее полное использование потенциальных условий сцепления удается получить при индивидуальном управлении асинхронными двигателями осей локомотива (поосном регулировании). Для мощных грузовых локомотивов с АТД является актуальным внедрение систем экстремального регулирования, позволяющих удерживаться в процессе разгона и торможения вблизи максимума

характеристики сцепления, т. е., реализовать максимально возможные для данных погодных условий тяговые и тормозные усилия. Вместе с тем в таких режимах велика вероятность возникновения и развития фрикционных автоколебаний, вызванных попаданием рабочей точки электропривода на падающий участок характеристики сцепления. Поэтому в системе управления целесообразно учесть происходящие при этом динамические процессы и предусмотреть контроль и предотвращение усиления автоколебаний, которые увеличивают динамические нагрузки, износ и могут вызвать поломки в тяговой передаче.

Цель диссертационной работы - снижение динамических нагрузок в электропередаче локомотива с индивидуальным регулированием асинхронных тяговых двигателей при реализации предельных тяговых усилий.

Задачи исследования, решенные в работе для достижения указанной цели:

1. Разработка математических и компьютерных моделей механической части (подсистемы) локомотива с опорно-осевым подвешиванием АТД, выполненных с различной степенью детализации, и поэтапный анализ динамических процессов в механической части тяговой передачи при изменении условий сцепления между колесом и рельсом.

2. Разработка функциональной схемы СУ и алгоритмов управления тяговой электропередачей локомотива с индивидуальным регулированием АТД на пределе по сцеплению колес с рельсами и предотвращением развития фрикционных автоколебаний в тяговом тракте.

3. Создание электромеханической компьютерной модели перспективного грузового тепловоза с СУ, обеспечивающей реализацию предельных тяговых и тормозных усилий и снижение фрикционных автоколебаний в тяговой передаче.

4. Исследование на основе численных экспериментов электромеханических динамических процессов в тяговой электропередаче грузового магистрального тепловоза с АТД и отработка алгоритмов управления разгоном и электрическим торможением локомотива на пределе по сцеплению колес с рельсами.

Методы исследования. Для решения сформулированных задач использованы методы математического моделирования электротехнических и

механических систем и современные промышленные программные комплексы (ПК). Электрическая силовая и управляющая подсистемы тягового привода локомотива моделируется в ПК МаЛаЬ^тиНпк с применением метода коммутационных функций, методов автоматизированного расчета электронных схем, положений теории электрических машин, теории электропривода, теории автоматического управления и теории электрической тяги. Механическая часть тепловоза моделируется на основе системы связанных твердых тел в ПК «Универсальный механизм» (УМ или ЦМ), разработанном на кафедре «Прикладная механика» Брянского государственного технического университета (БГТУ). Для получения единой электромеханической модели локомотива модель механической части, выполненная в ЦМ с высокой степенью детализации, включается в модель МаиЬаЬ^тиНпк с использованием специального интерфейса, разработанного в БГТУ.

Достоверность результатов, полученных в диссертации, обеспечивается:

- сопоставлением и удовлетворительной сходимостью результатов моделирования динамических процессов в механической части тепловоза с опорно-осевым подвешиванием тяговых двигателей с опубликованными результатами расчетов и натурных испытаний магистральных грузовых тепловозов ТЭ116, оборудованных системами обнаружения предельных сил сцепления (СОПСС) по уровню колебаний и предупреждения буксования колесных пар подсыпкой песка;

- удовлетворительным совпадением результатов моделирования динамических процессов в электроприводе с системой прямого управления моментом асинхронных двигателей с осциллограммами экспериментальных исследований, выполненных на лабораторной установке кафедры «Электронные, радиоэлектронные и электротехнические системы».

Научная новизна работы заключается в следующем:

• применен новый методологический- подход к моделированию электромеханической системы локомотива, основанный на включении модели механической подсистемы, выполненной в ПК ЦМ, в модель электрической части, разработанной в МаЛаЬ/^тиНпк, в виде Б-функции с использованием

специального интерфейса;

• созданы электромеханические математические и компьютерные модели перспективного грузового шестиосного тепловоза с реализацией предельных тяговых и тормозных усилий и предотвращением развития фрикционных автоколебаний;

• разработана функциональная схема и алгоритмы работы СУ тяговой электропередачей локомотива с индивидуальным регулированием асинхронных двигателей на пределе по сцеплению колес с рельсами и подавлением фрикционных автоколебаний в тяговом тракте.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Созданные в работе компьютерные модели и методики моделирования позволяют на стадии проектирования анализировать электромеханические процессы в тяговой передаче грузового локомотива с контролем и подавлением фрикционных автоколебаний в тяговом тракте и производить отработку новых алгоритмов управления тягой и торможением на пределе по сцеплению колес с рельсами при индивидуальном регулировании осей.

Определен качественный и количественный характер динамических нагрузок в элементах тяговой передачи при реализации предельных тяговых усилий и развитии буксования, показано, что использование в СУ для изменения задания на ускорение ротора АТД сигнала устройства обнаружения колебаний совместно с сигналом превышения максимума силы тяги позволяет подавить развитие колебаний и снизить нагрузки. Предложен способ управления тягой и торможением локомотива на пределе по сцеплению колес с рельсами, принципиальная новизна которого подтверждена патентами 1Ш 2446063, 1Ш 2428326,1Ш 99390.

Результаты работы приняты Брянским машиностроительным заводом (БМЗ) для использования при разработке и совершенствовании тепловозов нового поколения. Отдельные элементы разработанных моделей и реализующие их программы внедрены в учебный процесс БГТУ.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.

В главе 1 на основе обзора технической литературы, анализа особенностей динамических процессов в тяговой электропередаче (ТЭП) при движении на пределе по сцеплению колес с рельсами и путей повышения тяговых и динамических качеств локомотивов с АТД средствами управления ТЭП выбраны методы и сформулированы задачи исследования.

В главе 2 выполнена разработка математических и компьютерных моделей механической части (МЧ) ТЭП грузовых локомотивов с опорно-осевым подвешиванием АТД и анализ динамических процессов в МЧ при реализации предельных тяговых усилий. Моделирование МЧ можно выполнить с различной степенью детализации, при этом очевидно, что чем выше детализация, тем полнее, но сложнее модель и анализ полученных результатов, дольше время расчета. Поэтому моделирование велось по принципу «от простого к сложному», разработаны и использованы два типа моделей:

1. Упрощенные модели МЧ ТЭП оси локомотива составлены на основе принципа Даламбера или уравнений Лагранжа и использованы для предварительного анализа динамических процессов �