автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Совершенствование работы гидропередачи локомотива в переходных процессах

На правах рукописи

005534493

ОСИПОВ Артем Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАБОТЫ ГИДРОПЕРЕДАЧИ ЛОКОМОТИВА В ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССАХ

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 О ОКТ 2013

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2013

005534493

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения» на кафедре «Локомотивы и локомотивное хозяйство»

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор МИХАЛЬЧЕНКО ГЕОРГИЙ СЕРГЕЕВИЧ

профессор кафедры «Подвижной состав железных дорог» ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технических университет»

Кандидат технических наук, доцент БАХОЛДИН ВАЛЕНТИН ИВАНОВИЧ

преподаватель Санкт-Петербургского техникума железнодорожного транспорта - структурного подразделения ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения»

Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» (ОАО «ВНИИЖТ»)

Защита диссертации состоится «25» октября 2013 года в 13:00 на заседании диссертационного совета Д218.00Е.05 на базе ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения» по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 9, ауд. 5 - 407.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения».

Автореферат разослан «...»_2013 года.

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный печатью, просим направлять в адрес ученого совета университета.

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор КРУЧЕК ВИКТОР АЛЕКСАНДРОВИЧ

Ученый секреташг диссертационного совет, д. т. н., доцент—

о совета/

Никитин Виктор Валерьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Практика эксплуатации промышленных тепловозов с гидравлической передачей мощности показывает, что работа гидропередачи определяется частой сменой режимов ее загрузки, которые характеризуются количеством переключений и распределением времени работы на каждом гидравлическом аппарате (ГА). Статистические данные эксплуатационных исследований демонстрируют, что продолжительность переходного процесса и количество переключений ГА, приходящихся на один час работы тепловоза под нагрузкой, оказывают существенное влияние н а средний эксплуатационный КПД гидравлической передачи мощности маневрового тепловоза.

Один из путей повышения эффективности работы гидропередачи тягового подвижного состава — это совершенствование системы автоматического управления (САУ). Решение поставленной задачи осуществляется созданием математических моделей (ММ) гидравлической передачи мощности, учитывающих не только её основные параметры, но и время переключения. Совершенствование САУ гидропередачей будет способствовать решению важной и актуальной задачи железнодорожного транспорта — создание тягового подвижного состава нового поколения с техническим уровнем, превышающим по экономичности, долговечности и надежности уровень эксплуатируемых машин.

Целью диссертационной работы является повышение КПД тепловозной гидравлической передачи мощности за счет координации процессов наполнения и опорожнения во время переключения ГА.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Созданы ММ гидромеханических систем с одним и с двумя ГА, позволяющие определять значения угловых скоростей, ускорений и моментов на входном и выходном валах систем, расходные

характеристики в зависимости от разных значений времени наполнения и опорожнения, а также удельного веса рабочей жидкости.

2. Совершенствование методики расчета уравнения баланса энергии ГА за счет учета дополнительных категорий гидравлических потерь и углов отклонения потока рабочей жидкости за лопастными колесами.

3. Определены изменения динамических нагрузок на элементы привода во время переключения ГА.

4. Определено влияние конструктивных решений САУ гидропередачей на распределение динамических нагрузок в элементах привода.

5. Разработаны практические рекомендации, направленные на улучшение технико-экономических показателей гидравлической передачи мощности тепловоза во время переключения ГА.

Объектом исследования является гидравлическая передача мощности тепловоза.

Предметом исследования являются переходные процессы гидравлической передачи мощности тепловоза во время переключения ГА.

Общая методика исследований. Поставленные в диссертационной работе задачи были решены с применением методов математического моделирования, законов гидромеханики, теоретической механики, теории вероятности и математической статистики, а также методов теории планирования экспериментов.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработана ММ гидромеханической системы с двумя ГА, позволяющая определять значения угловых скоростей, ускорений и моментов на входном и выходном валах системы, расходные характеристики в зависимости от разных значений времени наполнения и опорожнения.

2. Усовершенствована методика расчета уравнения баланса энергии ГА за счет учета дополнительных категорий гидравлических потерь и углов отклонения потока рабочей жидкости за лопастными колесами.

3. Разработан метод по координации процессов наполнения и опорожнения ГА гидравлической передачи мощности с учетом изменения удельного веса рабочей жидкости.

Практическую ценность работы составляют:

1. Рекомендации по выбору оптимального соотношения выходных углов лопастной системы ГА, позволяющие повысить эксплуатационный КПД гидравлической передачи мощности тепловоза.

2. Рекомендации по улучшению динамики переключения ГА за счет совмещения процессов наполнения и опорожнения ГА гидропередачи с учетом изменения удельного веса рабочей жидкости.

3. Предложения по совершенствованию САУ гидропередачей, позволяющие улучшить динамические качества гидравлической передачи мощности тепловоза во время переключения ГА.

Достоверность научных положений и результатов д иссертации подтверждена путем проверки сходимости результатов теоретического моделирования характеристик динамических моментов на насосном и турбинном валах гидротрансформатора (ГТР) и гидромуфты (ГМ) гидропередачи маневрового тепловоза в зависимости от вр емени наполнения и опорожнения круга циркуляции с данными, полученными в ходе экспериментальных исследований гидропередачи тепловоза на испытательном стенде. Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превысило 8 %.

Положения, выносимые на защиту:

1.ММ гидромеханической системы с двумя ГА, учитывающая изменение угловых скоростей, ускорений и моментов на входном и выходном валах системы, расходные характеристики в зависимости от

разных значений времени наполнения и опорожнения, а также удельного веса рабочей жидкости.

2. Усовершенствованная методика расчета уравнения баланса энергии, учитывающая дополнительные категории гидравлических потерь и углы отклонения потока рабочей жидкости за лопастными колесами.

3. Конструктивные решения САУ гидропередачей.

Апробация работы. Основные материалы диссертации поэтапно докладывались, обсуждались и получили одобрение на ЬХХ1 — ЬХХШ научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых ФГБОУ ВПО «ПГУПС» в 2011 - 2013 г. в г. Санкт-Петербурге; на XIII Международной научно-практической конференции

«Фундаментальные и прикладные исследования, разработки и применение высоких технологий в промышленности и экономике» в 2012 г. в г. Санкт-Петербурге; на Международной научно-методической конференции «Путь XXI века» ФГБОУ ВПО «ПГУПС» в 2013 г. в г. Санкт-Петербурге; на научно-практических семинарах кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» ФГБОУ ВПО «ПГУПС».

Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в семи научных публикациях, из них шесть - в ведущих рецензируемых научных изданиях из Перечня ВАК РФ, и в одном патенте на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка литературы и двух приложений. Материалы диссертации содержат 153 страницы основного текста, 74 рисунка, 9 таблиц. Библиографический список литературы включает 84 наименования. Общий объем работы составляет 178 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность представляемой темы, сформулированы цель, задачи и структура исследования. Обоснованы научная новизна и практическая ценность, положения, выносимые на защиту, сведения об апробации работы.

Первая глава посвящена исследованию переходных процессов гидромеханических передач мощности тепловозов и уравнению баланса энергии ГА. Основной вклад в исследование процессов переключения многоциркуляционных гидродинамических передач мощности тепловозов внесли ученые и специалисты: Лабут А. А., Степченков В. Т., Сидячев Н. В., Родионов И. Н., Габриэль В. 3., Ильин Ю. Н., Колотилин И. А., Пушкарев И. Ф., Сабуров Ф. Ф., Собенин JI. А., Попов Г. В., Мицкевич В. Г., Кудрявицкий В. В., Юшко В. И., Тресков Ю. П., Воробьев Н. В., Кутырев Ю. И., Жиндарев Ю. А., Дроздов Ю. Т. и др. Однако следует отметить, что данная проблема остается по-прежнему острой и актуальной.

Анализ научных работ многих ученых позволил классифицировать теоретические исследования по направлениям и темам, а также выявить в них некоторые недостатки. Было установлено, что основным недостатком ранее известных методов расчета гидравлических передач мощности, определяющих изменение значений касательной силы тяги тепловоза, является отсутствие учета уравнения баланса энергии ГА. С целью устранения имеющегося недостатка осуществлен анализ известных методов расчета уравнения баланса энергии ГА.

В качестве оценочных параметров эксплуатационных показателей гидромеханической передачи мощности тепловоза использовалась частота включений, среднее значение которой составляет 70-80 за один час работы тепловоза под нагрузкой, и продолжительность работы каждого ГА гидропередачи в разных видах эксплуатации (см. рис. 1, а, б).

а) б)

• ГТР1 Лй^ (в:!®!, • ГТР1

• ГТР2 Х^ННН • ГТР2

• гм I ■ ШШЯШ « гм

Ш/Шг

Рис. 1. Распределение времени работы на каждом ГА для тепловоза ТГМ6А: а,) маневровая работа; б) вывозная работа

Анализ экспериментальных исследований гидравлической передачи мощности тепловоза показал, что во время переходного процесса значение касательной силы тяги снижается на 50-60% от исходного.

Во второй главе представлены основные положения теории расчета и анализ уравнений динамики ГА, а также предложен способ совершенствования методики расчета уравнения баланса энергии на примере ГТР ТШ000М гидропередачи УГП750-1200 тепловоза ТГМ6А.

Уравнение баланса энергии, которое является основой теории расчета ГА, для неустановившихся режимов работы без учета механических и объемных потерь имеет следующий вид:

"с. (1)

где На], НС2, X«,- - соответственно напоры насосного и турбинного

колес, суммарный напор гидравлических потерь, суммарный инерционный напор, м.

Используя закон о моменте количества движения к потоку несжимаемой жидкости и основные понятия кинематики жидкости,

зависимость для определения напора на лопастном колесе ГА (ЯС12) запишется в следующем виде:

Я

г. \

Яг-с«2-Д. •£„,+-Ч

(2)

где д - расход жидкости через лопастное колесо, л<3/с; £ - ускорение свободного падения, м/с2; ш - угловая скорость лопастного колеса, рад/с; Р - угол между окружной и относительной скоростями, град; Рт - площадь проходного сечения лопастного колеса, л<2; Л, 2 - радиусы на входе и выходе в рассматриваемое колесо, м; си - проекция абсолютной скорости на окружное направление, м/с.

Уравнение инерционного напора лопастного колеса ГА (ящ) имеет

вид:

Л I Рт ч Л I

Я Л ¿, Л ¿.

(3)

Тогда обращаясь к методам расчета уравнения баланса энергии, зависимость суммарного напора гидравлических потерь ГА (Я „) примет следующий вид:

Л'Н^^К+К+^+Н.+к^, (4)

где Ии, А., А,г, А,, /гр, /¡^ - потери соответственно на удар, на сужение, на трение, на искривление, на расширение, диффузорные потери, м.

Во второй главе проведен расчет ГТР ТП1000М гидропередачи УГП750-1200 маневрового локомотива ТГМ6А с учетом изменения конструкционных параметров турбинного и реакторного колес, а также с использованием разных методов расчета уравнения баланса энергии (рис. 2, а, б).

В качестве изменяемых конструкционных параметров ГТР были приняты углы наклона лопастей при выходе из турбины Д, и реактора Д„ оригинальные значения которых равны Д,г = 15° и Дш = 59° соответственно.

Рис. 2. Гидравлический КПД ГТР ТП1000М: а) сравнение методик (1 - Ю. Н Лаптев, С. М Трусов; 2 - И. Ф. Семичастнов; 3 -усовершенствованная методика (4); б) изменение конструкционных параметров турбинного и реакторного колес

В расчете ГТР использовано уравнение баланса энергии (1), включающее усовершенствованную методику определения гидравлических потерь (4). Оценка предлагаемой методики выполнена по результатам расчета гидравлического КПД ГТР ТП1000М.

В третьей главе представлено математическое моделирование гидромеханических систем с одним и с двумя ГА в переходных процессах. Для описания процесса переключения, во время которого происходит изменение расхода жидкости в круге циркуляции в зависимости от времени наполнения или опорожнения, использовалась экспоненциальная функция. Дифференциальные уравнения, описывающие поведение гидромеханических систем с одним и с двумя ГА, составлялись при помощи уравнения Лагранжа второго рода.

Переходный процесс гидромеханической системы с двумя ГА описывается следующей системой уравнений:

Л +е13(й -<Р2) = Ма\

(/2 + /3)- -с13(й-й) = -Мст-е"'' -Л/ся2-(1-е"''

яи22 = яС22 + X я2еИ + X ;

где Мв - вращающий момент на валу двигателя, Нм; МС^.,МСТ. -гидравлические моменты на насосном и турбинном колесах ГТР, Нм; Мс - момент нагрузки, Нм; <рг..<рл - соответственно угол поворота сосредоточенных масс двигателя, насосного и турбинного колес, нагрузки; с13,с26 - соответственно жесткости между сосредоточенными массами двигателя и насосного колеса, турбинного колеса и нагрузки, Н-м! рад; /1.../4 - соответственное моменты инерции двигателя, насосного и турбинного колес с заполняющей их жидкостью, нагрузки, кг ■ м2; а,Р - постоянные аппроксимации, определяемые из экспериментальных данных.

В третьей главе приведены ММ гидромеханических систем гидропередачи УГП750-1200 тепловоза ТГМ6А, описывающие варианты процессов переключения ГТР - ГТР и ГТР - ГМ.

В четвертой главе осуществлен численный расчет и анализ гидромеханических систем с двумя ГА в переходных процессах. Расчет выполнен применительно к гидравлической передаче мощности УГП750-1200 тепловоза ТГМ6А во время переключения ГА с использованием метода Рунге-Кутта четвертого порядка точности. В результате расчета получены угловая скорость входного вала, моменты насосного и вторичного валов, а также значения касательной силы тяги тепловоза и КПД гидропередачи в зависимости от продолжительности процесса переключения.

Анализ расчетных зависимостей переходного процесса выполнен с помощью суммарного значения расхода жидкости в круге циркуляции и относительного изменения мощности (6) на выходном валу

гидромеханической системы в зависимости от времени и величины смещения (Я) процессов наполнения и опорожнения друг относительно друга (рис. 3, а, б). Величина относительного изменения мощности определяется по выражению:

'е N -N

5 = у в\/ B1 dt,

N.

(6)

где ЫВ1, - мощности на выходном валу гидравлической передачи УГП750-1200 соответственно в конце и в течение процесса переключения, кВт', г - время переходного процесса, с.

о)

б)

Рис. 3. Относительное изменение мощности локомотива ТГМ6А во время переходного процесса: а) ГТР - ГТР; б) ГТР - ГМ

Пятая глава посвящена экспериментальной проверке результатов теоретических исследований. Эксперимент проводился с целью получения характеристик динамических моментов на насосном и турбинном валах ГТР и ГМ гидропередачи маневрового тепловоза в зависимости от времени наполнения и опорожнения круга циркуляции.

Исследования осуществлялись на стенде ОАО «Северо-западный промышленный железнодорожный транспорт» кафедрой «Локомотивы и локомотивное хозяйство» ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения». Во время проведения экспериментальных исследований были определены характеристики динамических моментов на насосном и турбинном валах ГТР ТП1000М и ГМ М58 гидропередачи

УГП750-1200 маневрового тепловоза ТГМ6А в зависимости от времени наполнения и опорожнения круга циркуляции. Проведение натурного эксперимента показало, что расхождение результатов теоретических и экспериментальных исследований внешних характеристик ГА не превышает 11%.

Шестая глава посвящена оценке влияния удельного веса рабочей жидкости на характер переходного процесса гидромеханической системы во время переключения и конструктивным решениям САУ гидропередачей тепловоза.

Удельный вес рабочей жидкости зависит от её температуры и определяется с помощью известной зависимости:

где у, - удельный вес жидкости при температуре I в "С, — Кг ; у15 - удельный

м •с2

все жидкости при температуре 15° С, кг ; ¡3, - коэффициент объемного

Л( •с

расширения жидкости, °С~'.

Расчет гидромеханических систем выполнялся при равных и не равных удельных весах рабочих жидкостей наполняемого и опорожняемого ГА гидропередачи. Результаты расчета показали, что процесс переключения происходит эффективнее при разных значениях удельного веса рабочих жидкостей наполняемого и опорожняемого ГА (рис.4 а, б).

В шестой главе разработаны практические рекомендации по модернизации существующей САУ гидропередачей УГП750-1200 тепловоза ТГМ6А, которые позволят эффективно совмещать процессы опорожнения и наполнения ГА, а также регулировать величину смещения (Л) в зависимости от изменения удельного веса рабочей жидкости ГА,

добиваясь максимального КПД гидравлической передачи мощности тепловоза.

а)

-ио'е/ *4о'с

б)

I - I Я»" С; / • 40' С

\\

------

......

у . • V, 1=8 с

К'

Рис. 4. Относительная мощность во время переключения ГА гидропередачи УГП750-1200 тепловоза ТГМ6А в зависимости от величины смещения при разных значениях удельного веса рабочей жидкости: /, - температура рабочей жидкости опорожняемого ГА, "С; /2 - температура рабочей жидкости наполняемого ГА, "С: а) переключение ГТР - ГТР ; б) переключение ГТР - ГМ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований получены следующие результаты:

1. Разработаны ММ гидромеханических систем с одним и с двумя ГА, позволяющие определять значения угловых скоростей, ускорений и моментов на входном и выходном валах системы, расходные характеристики в зависимости от разных значений времени наполнения и опорожнения, а также удельного веса рабочей жидкости.

2. Выполнено совершенствование методики расчета уравнения баланса энергии ГА за счет учета дополнительных категорий гидравлических потерь и углов отклонения потока рабочей жидкости за лопастными колесами, позволившее повысить точность определения гидравлического КПД по сравнению с другими методиками от 2,2% до 7%.

3. Предложены рекомендации по выбору соотношения выходных углов лопастной системы ГТР ТП1000М гидропередачи УГП750-1200 тепловоза ТГМ6А. Уменьшение выходных углов турбинного и реакторного колес ГТР на один градус прив одит к увеличению К ПД гидропередачи тепловоза на 5% - 6%.

4. Разработаны рекомендации по выбору соотношения времен наполнения и опорожнения ГА во время переключения с учетом изменения удельного веса рабочей жидкости. Наименьшее снижение мощности во время переключения ГА гидропередачи УГП750-1200 тепловоза ТГМ6А сопровождается принятием величины смещения Л процесса опорожнения относительно наполнения в диапазоне 0,33-0,35 для ГТР - ГТР и 0,47-0,55 для ГТР - ГМ.

5. Произведена оценка влияния удельного веса рабочей жидкости на характер протекания переходного процесса. Процесс переключения ГТР рекомендуется осуществлять при разнице в температурах опорожняемого

и наполняемого ГА от +50°Г до +90°С, что способствует уменьшению относительного изменения мощности от 2% до 9 %. Во время переключения ГТР и ГМ рекомендуется сокращать разницу в температурах наполняемого и опорожняемого ГА, что способствует сокращению относительных потерь мощности от 2% до 20%;

6. Предложены практические рекомендации по совершенствованию работы и повышению надежности САУ гидропередачей УГП750-1200 тепловоза ТГМ6А. Реализация предлагаемых конструктивных решений позволяет повысить КПД гидравлической передачи мощности во время переходного процесса на 10-12% при переключении ГТР - ГТР и на 2022% при переключении ГТР — ГМ, а также обеспечить регулирование заданных величин смещения Л процессов опорожнения относительно наполнения с учетом изменения удельного веса рабочей жидкости.

Научные труды, опубликованные автором по теме диссертации, входящие в список ведущих рецензируемых научных изданий из Перечня ВАК РФ и приравненных к нему:

1. Осипов А. В., Кручек В. А ., КурилкинД.Н. Оценка качества процесса переключения гидротрансформаторов гидропередачи промышленного локомотива / «Известия ПГУПС», вып. №1, 2013. с. 128 -139.

2. Осипов А . В, Кручек В. А , Курилкин Д . Н . Работа гидротрансформатора гидропередачи промышленного локомотива в переходных процессах и неустановившихся режимах работы / «Известия ПГУПС», вып 2. 2012 г. с. 37 - 46.

3. Осипов А. В. Расчет потерь энергии в элементах тягового привода тепловоза с гидропередачей / «Известия ПГУПС», вып. 3. 2011 г. с. 211 — 217.

4. Осипов А . В., Кручек В. А ., Курилкин Д . Н ., Чурков H.A., Битюцкий А. А. Повышение эффективности работы системы автоматического управления гидропередачей маневрового тепловоза / «Известия ПГУПС», вып. 2. 2013 г. с. 142 - 184.

5. Осипов А. В . Переходные процессы в многоциркуляционных гидродинамических передачах тепловозов / Высокие технологии, экономика, промышленность. Т. 2, Часть 2.: Сборник статей Тринадцатой международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применением высоких технологий в промышленности и экономике». СПб., 2012. с. 119 — 124.

6. Осипов А. В., Кручек В. А., Курилкин Д. Н. О расчете уравнения баланса э нергии гидравлического аппарата / Путь и путевое хозяйство: Научно-популярный, производственно-технический журнал / Учредитель ОАО «РЖД». -№8. 2013 г. с. 29 - 31.

7. Пат. SU №128167. МПК В61С9/18, В61С9/14.Система автоматического управления гидропередачей / Осипов А. В., Кручек В. А., Курилкин Д. Н.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «ПГУПС». -№2012156987/11. заявл. 25.12.2012. опубл. 20.05.2013, Бюл. №14.

Подписано к печати «17» сентября 2013 Печ.л.-1,0

Печать - ризография Бумага для множит, апп. Формат 60*84 1М6

Тираж 100 экз. Зак. 887.

СР ПГУПС 190031, Санкт-Петербург, Московский пр. 9

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Петербургский государственный университет путей сообщения"

На правах рукописи

04201363266

Осипов Артем Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАБОТЫ ГИДРОПЕРЕДАЧИ ЛОКОМОТИВА В ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССАХ

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

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор В. А. Кручек

Санкт-Петербург 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ............................................................................... 6

Глава 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПЕРЕДАЧ МОЩНОСТИ И УРАВНЕНИЯ БАЛАНСА ЭНЕРГИИ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО АППАРАТА....................................................................... 11

1.1. Исследование процессов переключения многоциркуляционных гидродинамических передач тепловозов..... 12

1.1.1. Эксплуатационные исследования процессов переключения.......................................................... 12

1.1.2. Экспериментальные исследования процессов переключения....................................................... 15

1.1.3. Теоретические методы исследования процессов переключения.......................................................... 19

1.2. Методы исследования уравнения баланса энергии гидравлического аппарата............................................... 26

1.2.1. Исследование уравнения баланса энергии при установившихся режимах работы.............................. 28

1.2.2. Исследование уравнения баланса энергии при неустановившихся режимах работы.............................. 34

Глава 2. АНАЛИЗ УРАВНЕНИЙ ДИНАМИКИ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО

АППАРАТА...................................................................... 38

2.1. Основные положения теории расчета................................ 39

2.2. Уравнение напора лопастного колеса................................ 40

2.3. Уравнение инерционного напора лопастного колеса.............. 47

2.4. Категории гидравлических потерь.................................... 49

2.5. Отклонение потока за лопастным колесом.......................... 53

2.6. Расчет одноступенчатого гидротрансформатора ТП1000М..... 60

2.7. Анализ расчетных характеристик одноступенчатого гидротрансформатора ТП1000М............................................. 66

2.8. Выводы по главе 2....................................................... 68

Глава 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ В ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССАХ......................................................................................... 70

3.1. Изменение вращающего момента на валах гидравлического аппарата во время заполнения и опорожнения круга циркуляции................................................................. 71

3.2. Допущения, определяющие качество переходных процессов

во время переключения гидравлических аппаратов............... 72

3.3. Уравнения динамики гидромеханической системы с одним гидравлическим аппаратом............................................. 73

3.4. Уравнения динамики гидромеханической системы с двумя гидравлическими аппаратами.......................................... 76

3.5. Математическое описание процесса переключения гидротрансформаторов.................................................. 79

3.6. Математическое описание процесса переключения гидротрансформатора и гидромуфты................................. 86

3.7. Выводы по главе 3......................................................... 93

Глава 4. РАСЧЕТ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ДВУМЯ

ГИДРАВЛИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ В ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССАХ..................................................................... 94

4.1. Численное решение систем дифференциальных уравнений и основные исходные данные............................................. 94

4.2. Расчет гидромеханической системы с двумя гидротрансформаторами во время переключения........................ 96

4.3. Расчет гидромеханической системы с гидротрансформатором

и гидромуфтой во время переключения.............................. 99

4.4. Анализ результатов расчета гидромеханических систем в процессе переключения гидравлических аппаратов............... 102

4.5. Оценка качества переходных процессов в гидромеханических системах во время переключения гидравлических аппаратов... 107

4.6. Выводы по главе 4......................................................... 114

Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ............................................ 115

5.1. Объект, цели и задачи экспериментального исследования........ 115

5.2. Описание стенда............................................................ 116

5.3. Измерительная аппаратура............................................... 119

5.4. Проведение экспериментальных исследований гидротранфор-матора и гидромуфты.............................................................. 121

5.4.1. Определение динамических моментов насосного и турбинного валов гидравлического аппарата................... 121

5.4.2. Установление зависимостей изменения моментов на насосном и турбинном валах в зависимости от опорожнения рабочей полости гидравлического аппарата................................................................. 122

5.4.3. Определение характеристик изменения моментов на насосном и турбинном валах во время наполнения рабочей полости гидравлического аппарата................................ 123

5.5. Результаты исследования................................................. 124

5.6. Сопоставление теоретических и экспериментальных исследований гидротрансформатора и гидромуфты............... 128

5.6.1. Сравнение экспериментальных и расчетных динамических моментов в зависимости от наполнения и опорожнения круга циркуляции гидротрансформатора.................................................................... 128

5.6.2. Сравнение экспериментальных и расчетных динамических моментов в зависимости от наполнения и

опорожнения круга циркуляции гидромуфты.................. 131

5.7. Выводы по главе 5......................................................... 133

Глава 6. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ УДЕЛЬНОГО ВЕСА РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ НА ХАРАКТЕР ПЕРЕХОДНОГО ПРОЦЕССА ВО ВРЕМЯ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ И КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

ГИДРОПЕРЕДАЧЕЙ............................................................ 134

6.1. Основные исходные данные для расчета переходных процессов в гидромеханической системе во время переключения в зависимости от изменения удельного веса рабочей жидкости......................................................... 135

6.2. Расчет и анализ переходных процессов в гидромеханической системе во время переключения в зависимости от изменения удельного веса рабочей жидкости..................................... 137

6.2.1. Удельные веса рабочих жидкостей опорожняемого и наполняемого гидравлических аппаратов равны................ 137

6.2.2. Удельные веса рабочих жидкостей опорожняемого и наполняемого гидравлических аппаратов не равны........... 140

6.3. Конструктивные решения системы автоматического управления гидропередачей УГП750-1200 тепловоза ТГМ6А.. 144

6.4. Выводы по главе 6......................................................... 150

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................... 152

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................................ 154

ПРИЛОЖЕНИЕ........................................................................... 162

ВВЕДЕНИЕ

Транспортная стратегия Российской Федерации на период до 2030 года в области развития транспортной техники, технологий и информационного обеспечения направлена на совершенствование тягового подвижного состава промышленного железнодорожного транспорта. Решение поставленных задач главным образом должно быть осуществлено за счет создания нового поколения тепловозов с техническим уровнем, превышающим по экономичности, долговечности и надежности уровень современных машин.

Практика эксплуатации промышленных тепловозов с гидравлической передачей мощности показывает, что работа гидропередачи характеризуется частой сменой режимов ее загрузки. Частые смены режимов загрузки обусловлены спецификой выполняемой работы, которая включает маневровый и вывозной характер на производственных линиях и станционных путях соответственно. Режимы загрузки характеризуются количеством переключений и распределением времени работы на каждом гидравлическом аппарате (ГА).

Статистические данные, полученные в ходе эксплуатационных исследований, показывают, что продолжительность переходного процесса и количество переключений ГА, приходящихся на один час работы тепловоза, оказывает существенное влияние на средний эксплуатационный КПД гидравлической передачи мощности маневрового тепловоза [79].

Существенный вклад в исследование процессов переключения многоциркуляционных гидродинамических передач тепловозов внесли ученые и специалисты, такие как Лабут А. А., Степченков В. Т., Сидячев Н. В., Родионов И. Н., Габриэль В. 3., Ильин Ю. Н., Колотилин И. А., Пушкарев И. Ф., Сабуров Ф. Ф., Собенин Л. А., Попов Г. В., Мицкевич В. Г., Кудрявицкий В. В., Юшко В. И., Тресков Ю. П., Воробьев Н. В., Кутырев Ю. И., Жиндарев Ю. А., Дроздов Ю. Т. и др., однако на современном этапе развития силовых гидропередач тепловозов поставленный вопрос требует дальнейших исследований и поиска путей

совершенствования систем автоматического управления (САУ) гидропередачей тепловоза.

Целью диссертационной работы является повышение КПД тепловозной гидравлической передачи мощности за счет совмещения процессов наполнения и опорожнения во время переключения ГА.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Создание математических моделей (ММ) гидромеханических систем с одним и с двумя ГА, позволяющих определять значения угловых скоростей, ускорений и моментов на входном и выходном валах систем, расходные характеристики в зависимости от разных значений времени наполнения и опорожнения, а также удельного веса рабочей жидкости;

2. Совершенствование методики расчета уравнения баланса энергии ГА за счет учета дополнительных категорий гидравлических потерь и отклонения потока за лопастными колесами;

3. Определение изменений динамических нагрузок на элементы привода во время переключения ГА;

4. Оценка влияния конструктивных решений САУ гидропередачей на распределение динамических нагрузок в элементах привода;

5. Разработка практических рекомендаций, направленных на улучшение технико-экономических показателей гидравлической передачи мощности во время переключения ГА.

Объектом исследования является гидравлическая передача мощности.

Предметом исследования являются переходные процессы во время переключения ГА.

Общая методика исследований. Поставленные в диссертационной работе задачи были решены с применением методов математического моделирования, законов гидромеханики, теоретической механики, теории вероятности и математической статистики, а также методов теории планирования экспериментов. Математическое моделирование осуществлено с помощью численных методов.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработана ММ гидромеханической системы с двумя ГА, позволяющая определять значения угловых скоростей, ускорений и моментов на входном и выходном валах системы, расходные характеристики в зависимости от разных значений времени наполнения и опорожнения, а также удельного веса рабочей жидкости;

2. Усовершенствована методика расчета уравнения баланса энергии ГА за счет учета дополнительных категорий гидравлических потерь и углов отклонения потока за лопастными колесами;

3. Разработан метод по выбору соотношения времен процессов наполнения и опорожнения ГА гидравлической передачи мощности с учетом удельного веса рабочей жидкости.

Практическую ценность работы составляют:

1. Рекомендации по выбору соотношения выходных углов лопастной системы ГА, повышающие эксплуатационный КПД тепловоза с гидравлической передачей мощности;

2. Рекомендации по совмещению процессов наполнения и опорожнения с учетом удельного веса рабочей жидкости, улучшающие динамику переключения ГА;

3. Предложения по совершенствованию САУ гидропередачей, позволяющие сократить изменение мощности на выходном валу во время переключения ГА.

Достоверность научных положений и результатов диссертации подтверждена путем проверки сходимости результатов моделирования характеристик динамических моментов на насосном и турбинном валах гидротрансформатора (ГТР) и гидромуфты (ГМ) гидропередачи маневрового тепловоза в зависимости от времени наполнения и опорожнения круга циркуляции с данными, полученными в ходе экспериментальных исследований на стенде. Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 8 %.

Положения, выносимые на защиту.

1. ММ гидромеханической системы с двумя ГА, учитывающую изменение угловых скоростей, ускорений и моментов на входном и выходном валах системы, расходные характеристики в зависимости от разных значений времени наполнения и опорожнения, а также удельного веса рабочей жидкости;

2. Усовершенствованную методику расчета уравнения баланса энергии за счет учета дополнительных категорий гидравлических потерь и углов отклонения потока за лопастными колесами;

3. Конструктивные решения САУ гидропередачей.

Апробация работы. Основные материалы диссертации поэтапно докладывались, обсуждались и получили одобрение на ЬХХ1 - ЬХХШ научно-техничеких конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Санкт-Петербург, 2011 - 2013 г., ПГУПС), на XIII Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработки и применение высоких технологий в промышленности и экономике» (г. Санкт-Петербург, 2012 г, ПГУПС), на Международной научно-методической конференции «Путь XXI века» (г. Санкт-Петербург, 2013 г.) и на научно-практическом семинаре кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» ПГУПС.

Публикации. По материалам диссертационного исследования опубликовано 7 научных работ и получен патент на полезную модель.

Структура диссертационной работы представлена на рис.1

и

J

Растет и анализ гидромеханических систем с двумя гидравлическими аппаратами »о время переключения

Экспериментальная проверка результатов теоретического исследования

Рис. 1. Структура исследования процессов переключения многоциркуляционной гидродинамической передачи мощности

11

ГЛАВА 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПЕРЕДАЧ МОЩНОСТИ И УРАВНЕНИЯ БАЛАНСА ЭНЕРГИИ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО АППАРАТА

Основу современных тепловозных многоциркуляционных

гидродинамических передач мощности составляют главным образом два ГТР, один из которых пусковой, а другой - маршевый, и одна ГМ. Многоциркуляционные гидродинамические передачи мощности по сравнению с одноциркуляционными и комбинированными получили широкое распространение как в нашей стране, так и за рубежом [1, 31 - 33, 79, 82 - 84]. Прежде всего, это связано с надежным гидравлическим переключением ступеней скорости, а также реализацией в определенном диапазоне передаточных отношений высоких значений КПД ГТР и ГМ [5, 35].

Одним из важных вопросов эксплуатации тепловозов с многоциркуляционными гидродинамическими передачами мощности является повышение эффективности работы во время протекания переходных процессов, в частности процессов переключения ступеней скорости [17, 35, 60, 66, 67]. Под переходным процессом в данной работе понимается изменение угловой скорости или моментов на входном и выходном валах многоциркуляционной гидродинамической передачи мощности. Эксплуатационные исследования показывают, что работа промышленных и маневровых тепловозов характеризуется значительным количеством переключений ГА [26, 27, 75, 79], во время которых наблюдаются изменения касательной силы тяги [58, 66, 67, 69] и как следствие эксплуатационного КПД тепловоза.

Оценку переходных процессов гидродинамической передачи мощности можно производить с помощью мощностных характеристик, полученных на основании численных методов решения уравнений системы. Качество уравнений, описывающих данный процесс, зависит во многом от уравнения баланса энергии,

которое является центральной частью системы. От того, насколько верно представлено данное уравнение, будут зависеть результаты расчета характеристик всей системы.

В данной главе представляется анализ эксплуатационных, характеризующих специфику и режимы работы маневровых тепловозов, и экспериментальных исследований, отражающих степень изменения основных параметров гидропередачи и тепловоза, теоретических методов, разрабатывающих решения для оптимизации процессов переключения многоциркуляционных гидропередач тепловозов, а также рассматриваются методы расчета уравнения баланса энергии ГА.

1.1 Исследование процессов переключения многоциркуляционных гидродинамических передач тепловозов

1.1.1 Эксплуатационные исследования процессов переключения

Эксплуатационные исследования позволяют оценить разницу между паспортными характеристиками тепловоза при установившихся режимах работы и реальными характеристиками, и, тем самым, обозначить дальнейшие пути совершенствования тягового подвижного состава. Исследованием режимов работы маневровых тепловозов занимались такие ученые как Лабут А. А., Степченков В. Т., Сидячев Н. В., Родионов И. Н., Габриэль В. 3., Ильин Ю. Н., Колотилин И. А. и многие другие.

В работе Лабута А. А. [27] представляются статистические данные по количеству наполнений и опорожнений, а также продолжительности времени работы на каждом ГА. Данные, опис�