автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Улучшение сцепных свойств электровозов с бесколлекторными двигателями



МПС РФ

Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта

ПОКРОВСКИЙ Сергей Владимирович УДК 629.423.31; 629.4.028.311 ¡625.032.37

УЛУЧШЕНИЕ СЦЕПНЫХ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОВОЗОВ С БЕСКОЛЛЕКТОРНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Специальность 05.22.07 - . Подвижной состав железных дорог й тяга поездов

На правах рукописи

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение....................................................................................................... 5

1. Исследование особенностей эксплуатации электровозов в части нагруженности по сцеплению в современных условиях и путей повышения эффективности использования сцепления за счет средств

автоматизации................................................................................... 12

1.1 .Нагруженность по сцеплению и энергетика электровозов в

эксплуатации с учетом процессов боксования...................................... 12

1.2.Анализ отечественных и зарубежных исследований в области повышения сцепных свойств электровозов........................................ 32

1.3.Постановка задачи исследования......................................................... 54

2. Исследование эффективности электронных систем защиты от боксования на основе испытаний опытных электровозов с коллекторными двигателями........................... 57

2.1. Испытания электровозов ВЛ85 и ВЛ65 с электронной защитой от боксования.............................................................................................. 57

2.2. Исследование процессов боксования при автоматическом управлении распределенной подачей песка....................................... 64

2.3. Исследования особенностей возникновения синхронного боксования.............................................................................................. 84

2.4. Экспериментальная оценка эффективности защиты от

синхронного боксования........................................................................ 92

2.5. Выводы по разделу............................................................................... 103

3. Разработка комплекса технических средств управления || процессом реализации силы тяги бесколлекторным

тяговым электроприводом............................................................ 106

3.1. Теоретическое исследование эффективности поосного регулирования скорости проскальзывания колесных пар................... 106

3.1.1. Разработка обобщенной математической модели тягового

эл ектропри вода............................................................................. 106

3.1.2. Оценка эффективности использования сцепления при различной жесткости тяговых характеристик............................. 121

3.1.3. Классификация алгоритмов поосного регулирования скорости

* проскальзывания колесных пар и их моделирование................ 130

3.1.4. Оценка эффективности алгоритмов поосного регулирования

£

^ скорости проскальзывания колесных пар................................... 137

3.1.5. Особенности действия экстремально-поискового алгоритма регулирования скорости проскальзывания колесной пары....... 166

3.2. Экспериментальное исследование системы поосного регулирования скорости проскальзывания колесных пар на

опытном электровозе ВЛ80В с вентильными двигателями............... 171

З.З.Особенности синхронного боксования при поосном регулировании скорости проскальзывания колесных пар и разработка алгоритма общего динамического регулирования силы тяги электровоза........... 190

3.4.Принципы автоматического управления распределенной системой подачи песка с динамической стабилизацией силы тяги электровоза при поосном регулировании скорости проскальзывания колесных пар............................................................ 196

3.5.Комплексная система управления процессом реализации силы тяги бесколлекторным тяговым электроприводом....................................... 230

3.6. Выводы по разделу................................................................................ 240

4. Исследование динамических процессов в вентильном ц тяговом электроприводе при проскальзывании колесных

пар........................................................................................................... 245

4.1. Особенности протекания динамических процессов в вентильном тяговом электроприводе...................................................................... 245

4.2. Разработка математической модели для исследования динамических процессов в вентильном тяговом электроприводе при поосном электрическом регулировании проскальзывания колесных пар........................................................................................... 248

4.3. Исследование динамической устойчивости вентильного тягового электропривода при регулировании скорости проскальзывания

* колесных пар........................................................................................... 269

4.4 Выводы по разделу................................................................................. 283

Основные результаты и выводы........................................................ 284

Список использованной литературы................................................... 288

*

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время во всем мире широко внедряется электроподвижной состав (ЭПС) с бесколлекторными тяговыми двигателями. Такой тяговый электропривод позволяет заметно улучшить эксплуатационные качества электровозов и электропоездов. Осевая мощность современных электровозов достигает 1400...1600 кВт. Появляется техническая возможность создания ЭПС на скорость более 200 км/ч. Примерно в 2...4 раза снижаются затраты на ремонт и обслуживание ЭПС. Высокий уровень регулируемости бесколлекторного тягового электропривода позволяет более эффективно использовать сцепление колес с рельсами. Все это в полной мере представляет существенный интерес применительно и к российским условиям эксплуатации магистральных электровозов.

Известно, насколько актуально было повышение эффективности железнодорожной техники в условиях интенсивной эксплуатации, имевшей место в 80-е и в начале 90-х годов. Громадные объемы грузовых и пассажирских перевозок, большие массы грузовых и пассажирских поездов. На многих участках годовой грузооборот достигал величины 80...100 млн. тонно-километров брутто, а число пар поездов в сутки более 100. В последние пять лет объемы перевозок заметно снизились, тем не менее условия рыночной экономики ставят задачу всемерного снижения эксплуатационных затрат с не меньшей остротой.

В настоящее время эксплуатационные расходы по электровозным депо составляют 6,6 % от всех эксплуатационных затрат (данные по 1996 году). В абсолютном исчислении эта сумма эквивалентна примерно 2 миллиардам американских долларов. В таких условиях эксплуатационные преимущества бесколлекторного тягового электропривода позволят высвободить значительные трудовые и материальные ресурсы. Поэтому внедрение ЭПС нового поколения является одной из важнейших составляющих повышения эффективности работы отрасли. Все это в полной мере отражено в «Основных направлениях развития и социально-экономической политики

железнодорожного транспорта на период до 2005 года», принятых съездом железнодорожников в 1996 году, и в разрабатываемых Министерством путей сообщения приоритетных программах технического перевооружения железнодорожного транспорта.

Опыт эксплуатации магистральных электровозов в условиях интенсивных перевозок и в настоящее время показывает, что проблемы эффективного использования сцепления колесных пар локомотивов с рельсами были и остаются актуальными. В любых условиях экономически выгодно увеличивать массу и снижать число поездов. Исходя из этого для грузовых электровозов традиционно задают высокий расчетный коэффициент сцепления на уровне 0,25...0,29. В то же время физический коэффициент сцепления в зависимости от погодных условий и наличия загрязнений на поверхности рельсов колеблется в широком диапазоне от 0,10 до 0,40. Таким образом, когда физический коэффициент сцепления ниже расчетного, сцепные свойства электровозов во многом начинают определять качество перевозочного процесса. Чтобы скомпенсировать недостаток физического сцепления используют частую периодическую подачу песка. При этом возникают глубокие чередующиеся пробоксовки колесных пар. Интенсивное боксование резко увеличивает количество повреждений оборудования электровозов и, в первую очередь, тяговых двигателей и тяговых передач. Большой расход песка приводит к засорению балластной призмы и существенному увеличению затрат на ремонт верхнего строения пути. «Растяжки» грузовых поездов на тяжелых подъемах нарушают ритмичность работы линий.

В то же время, известно, что эффективность использования сцепления колесных пар локомотива с рельсами может быть заметно повышена за счет усовершенствования тягового электропривода на основе использования жестких тяговых характеристик. С начала 60-х годов в нашей стране был сделан ряд попыток реализации коллекторного тягового электропривода электровозов с улучшенными сцепными свойствами. В эксплуатации были небольшие партии электровозов с независимым возбуждением тяговых

двигателей и электрическим спариванием осей. Имели место и другие разработки. В целом, испытания и опытная эксплуатация этих электровозов подтвердили возможность повышения сцепных свойств электровозов. Однако, по ряду причин, широкого внедрения такие системы на электровозах с коллекторными тяговыми двигателями не получили.

Бесколлекторный тяговый электропривод с точки зрения сцепных свойств представляет принципиально новые возможности. Схемная специфика позволяет реализовать индивидуальное поосное или потележечное воздействие на величину силы тяги колесных пар. Есть возможность с высокой точностью определять скорость вращения колесной пары по частоте эдс вентильного тягового двигателя (ВТД) или по сигналам датчика частоты вращения ротора асинхронного тягового двигателя (АТД). Поэтому, для внедрения эффективных алгоритмов управления здесь необходимы только дополнения в системе управления, а если последняя реализована на основе микропроцессоров - то достаточно соответствующего программного обеспечения.

Все это позволило по мере развития преобразовательной техники бесколлекторного тягового электропривода подойти к новому витку исследований в области отработки эффективных алгоритмов управления тяговым электроприводом для улучшения сцепных свойств электровозов. С начала 70-х годов появились фундаментальные зарубежные исследования в этой области. Известны многочисленные публикации ведущих фирм мира, занимающихся производством локомотивов. Эти работы активно продолжаются и в настоящее время. Вместе с совершенствованием силовой преобразовательной техники и средств управления появляются новые эффективные алгоритмы и новые возможности регулирования.

В России разработки по созданию ЭПС с бесколлекторными тяговыми двигателями ведутся с середины 60-х годов. Были созданы опытные электровозы с вентильными и асинхронными тяговыми двигателями. Проводились всесторонние испытания этих локомотивов в том числе и в условиях эксплуатации при вождении графиковых грузовых поездов.

Значительный объем исследовательских и наладочных работ заняла отработка схем и конструкций тяговых полупроводниковых преобразователей, а так же алгоритмов управления. На определенном этапе работ была поставлена задача проведения комплекса исследований, необходимых для реализации улучшенных сцепных свойств электровозов нового поколения с бесколлекторными тяговыми двигателями.

В основу настоящей работы положены результаты теоретических исследований и испытаний, выполненных под руководством и при непосредственном участии автора на опытных и серийных электровозах с коллекторными и бесколлекторными тяговыми двигателями на Экспериментальном кольце ВНИИЖТа и в условиях эксплуатации на Северо-Кавказской, Красноярской и Восточно-Сибирской железных дорогах в период с 1985 по 1997 год.

Научной основой для постановки задачи стали фундаментальные исследования вопросов электрической тяги и теории сцепления колес локомотивов с рельсами в трудах видных отечественных ученых и специалистов Д.К.Минова, В.Е.Розенфельда, И.П.Исаева, Б.Н.Тихменева, О.А.Некрасова, А.Л.Лисицына, Л.А.Мугинштейна, В.Д.Тулупова, В.Н.Лисунова, Г. В. Фам и некого, Е.Г.Бовэ, Н.Н.Меншутина, Н.С.Назарова и других, а так же зарубежных специалистов.

Целью работы является разработка комплексной автоматической системы управления процессом реализации силы тяги с учетом использования песка для улучшения сцепных свойств перспективных электровозов с бесколлекторными тяговыми двигателями.

Общая методика исследований:

■ испытания электровозов, оборудованных опытными и макетными системами, регистрация и анализ физических процессов с помощью специальных измерительно-вычислительных средств;

■ математическое моделирование процессов в тяговом электроприводе, теоретический анализ и обобщение данных.

Разработка математических моделей и анализ расчетных и

экспериментальных данных проведены с использованием методов теории электрической тяги поездов, теории электропривода, теории автоматического регулирования, теории переходных процессов в синхронных машинах и теории работы вентильного электропривода.

Научная новизна работы:

■ произведено комплексное теоретическое и экспериментальное исследование, направленное на создание системы автоматического управления процессом реализации силы тяги электровоза с поосным регулированием проскальзывания колесных пар;

■ установлены физические закономерности, характеризующие работу грузовых электровозов ВЛ85 и пассажирских ВЛ65 в режиме прерывистого боксования при автоматической подаче песка. Показано, что для обеспечения высокой эффективности использования потенциального сцепления наиболее сложной является область работы электровоза на границе естественного сцепления;

■ установлена необходимость и практическая возможность комплексного решения задачи улучшения сцепных свойств электровозов на основе специально организованного взаимодействия подсистем автоматического общего регулирования силы тяги локомотива, поосного регулирования скорости проскальзывания колесных пар и управления подачей песка;

■ введено и обосновано теоретическое понятие коэффициента эффективности использования потенциального сцепления, отражающего долю предельной (потенциальной) средней силы сцепления колесной пары, которая может быть реализована с учетом проскальзывания колес;

■ выявлены закономерности, характеризующие влияние различных факторов на эффективность использования потенциального сцепления колесной пары. Установлено, что ключевым фактором для обеспечения эффективного регулирования скорости проскальзывания колесной пары является постоянная времени канала измерения скорости колесной пары;

■ показано, что эффективность использования потенциального

сцепления при регулировании относительной скорости проскальзывания колесных пар в пределах 3...5% практически не зависит от характера области экстремумов характеристик сцепления;

■ показано, что при поосном регулировании скорости проскальзывания колесных пар синхронное боксование колесных пар сопровождается насыщением общего и поосных регуляторов силы тяги;

■ на основе испытаний системы защиты от боксования и юза на электровозе ВЛ85 и теоретических исследований показана возможность повышения эффективности использования песка и динамической стабилизации силы тяги электровоза на автосцепке при автоматическом управлении распределенной системой форсунок;

■ определены области устойчивости вентильного тягового электропривода электровоза при поосном регулировании скорости проскальзывания колесных пар и рекомендован выбор параметров системы.

Проведенные исследования позволили разработать:

■ методику оценки среднеэксплуатационных показателей электровозов;

■ эффективные алгоритмы поосного регулирования скорости проскальзывания колесных пар электровоза;

■ принципы формирования общего динамического регулирования силы тяги электровоза и эффективного автоматического управления подачей песка;

■ методику качественной оценки эффективности алгоритмов общего динамического регулирования силы тяги и поосного регулирования скорости проскальзывания колесных пар электровоза по форме динамических характеристик проскальзывания для использования при проектировании, наладочных и тягово-энергетических испытаниях;

■ комплекс математических моделей для теоретических исследований динамических процессов в тяговых электроприводах различного типа при поосном регулировании проскальзывания колесных пар.

Внедрение:

■ разработаны и утверждены МПС технические требования к микропроцессорным системам защиты от боксования и юза для

перспективных электровозов с бесколлекторными тяговыми двигателями;

■ совместно с промышленностью разработана, доведена и внедрена в серийное производство усовершенствованная электронная система защиты от боксования и юза для электровозов ВЛ85 и ВЛ65 с коллекторными тяговыми двигателями, в том числе с переложением алгоритмов для микропроцессорной системы электровозов ЭП1;

■ совместно