Повышение провозной способности железных дорог при введении электрической тяги с линейным двигателем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.03, кандидат технических наук Макушкина, Елена Александровна

• Макушкина, Елена Александровна
• кандидат технических наук
• 1984

Оглавление диссертации кандидат технических наук Макушкина, Елена Александровна

ВВЕДЕНИЕ.ij

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ПРИМЕНЕНИЯ ЛИНЕЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ ДНЯ ПОВЫШЕНИЯ ПРОВОЗНОЙ СПОСОБНОСТИ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ.£

1.1. Современное состояние тяговых средств и перспективы применения линейных двигателей на железнодорожном транспорте.

1.2. Цель и содержание исследования./

1.3. Критерии исследования./S

1.4. Выводы

2. ЛИНЕЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ И ЕГО ПАРАМЕТРЫ. РАЗМЕЩЕНИЕ ПУТЕВОЙ СТРУКТУРЫ.и

2.1. Общая характеристика линейного двигателя.2i

2.2. Параметры линейного двигателя и показатель его технической эффективности.

2.3. Оптимизация размещения путевой структуры.3£

2.3.1. Постановка задачи и критерий оптимизации.

2.3.2. Метод оптимизации размещения путевой структуры.

2.4. Выводы.

3. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЛИНЕЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ В ПРОЕКТНЫХ РНПЕНИЯХ.М

3.1. Постановка задачи и критерии. 4/

3.2. Особенности определения тягово-эксплуатационных и технико-экономических показателей.

3.3. Оценка надежности тяговых средств с линейным двигателем.

3.4. Выводы.

L ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ СУЩЕСТВУЮЩЕЙ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ, ПАРАМЕТРОВ

ЛИНЕЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ И СТОИМОСТНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ТЯГИ С ЛИНЕЙНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ. 5Q

4.1. Общие положения 5Q

4.2. Анализ энергетических показателей.

4.3. Параметры трассы железной дороги.£

4.3.1. Ограничивающий уклон.£

4.3.2. Удельный вес напряженных ходов.?Z

4.3.3. Очертание профиля.

4.4. Грузопоток.

4.5. Коэффициент полезного действия линейного двигателя.8Z

4.6. Вариантные значения стоимостных показателей.

4.6.1. Стоимость электроэнергии.%

4.6.2. Дополнительные расходы по текущему содержанию и ремонту верхнего строения пути.

4.7. Пример использования электровоза с линейным двигателем на реальном участке железнодорожной сети.дз

4.8. Выводы.iOO

5. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ПРОВОЗНОЙ СПОСОБНОСТИ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ПРИ ВВЕДЕНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТЯГИ С ЛИНЕЙНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ.№

5.1. Общие положения.

5.2. Увеличение массы состава.

5.3. Увеличение скорости и пропускной способности.J0Q

5.4. Выводы.//

6. овдиБ вывода.нз

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение провозной способности железных дорог при введении электрической тяги с линейным двигателем»

телем. Линейный двигатель устанавливается на серийном локомотиве и используется как усилитель тяги при сохранении традиционной системы "колесо-рельс"» Идея использования линейного двигателя в качестве усилителя тяги локомоЖЕва и разработка соответствущей конструкции линейного двигателя принадлежат д.т.н., профессору Д»В.Свечарнику.Впервые разработка проблемы использования линейного двигателя в качестве усилителя тяги начата в 1974 г. S Московском институте инженеров железнодорожного транспорта (МййТе) на кафедрах "Электрические машины" (в части конструкции линейного двигателя и путевой структуры) и "Изыскания и проектирование железных дорог" {в части обоснования технико-экономической эффективности использования линейного двигателя как усилителя тяги на существующих и проектируемых железных дорогах).С 1979 по 1983 г.г. разработка этой цроблемы велась совместно со Всесоюзным научно-исследовательским институтом железнодорожного транспорта (ВНЙШТом). I. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ПРШЕНЕНШ ЛИНЕЙНЫХ ДВИГАТЫГБЙ ДДЯ ПОВШВНИЯ ПРОВОЗНОЙ СПОСОБНОСТИ ЖЕЛЕЗНЫ! ДОРОГ 1.1« Современное состояние тяговых средств и перспективы применения линейных двигателей на железнодорожном транспорте В настоящее время основными видами тяги на магистральных железных дорогах являются тепловозная и электровозная. Этими видами тяги выполняется 99,9з^ всего грузооборота /2/, По мнению специалистов на некоторых направлениях в будущем может получить развитие газотурбовозная тяга /3/. Повышение эффективности работы железных дорог в значительной степени зависит от дальнейшего развития и совершенствования ви дов тяги. По мере увеличения массы поездов, их скорости и интенсивности движения, роста грузонапряженности железнодорожных линий возрастают требования к локомотивам и локомотивному хозяйству.Дальнейшее увеличение объема перевозок непосредственно зависит от повышения массы поездов, их скорости, а следовательно, от мощности и силы тяги локомотивов, их надежности и экономичности.В нашей стране тепловозами обслуживается около 689^ протяженности железных дорог, на их долю приходится около 46^ грузооборота. Наибольший объем перевозочной работы на полигоне тепловозной тяги выполняется тепловозами ТЭЗ и 2ТЭ10. С 1972 года началась опытная эксплуатация тепловоза 2ТЭ11б с дизелем Д49 мощностью 2250 кВт, Из-за конструктивных недостатков дизеля Д49 и электрооборудования тепловозы 2ТЭ116 оказались в 3 раза менее надежными, чем серийные тепловозы 2ТЭ1бВ, при одинаковом пробеге. Ш. цена, трудоемкость и стоимость технического содержания в 1,5-2 раза выше тех же показателей для тепловозов 2ТЭ10В /4,5/. г Д1Ш повышения надежности тепловозов разработан проект тепловоза 2ТЭ116А, в котором наряду с комплексным внедрением усовершенствований основного оборудования предусмотрены принципиально новые конструктивные решения.В 1977 г* Ворошиловоградским производственным объединением тепяовозостроения построен первый опытный образец грузового двухсекционного тепловоза 2ТЭ121 мощностью 5884 кВт. Тепловоз 2T3I2I является опытным типом перспективного автономного грузового локомотива.К автономным локомотивам наряду с тепловозами относятся газотурбовозы. Первый опытный газотурбовоз был построен в нашей стране в 1959 году на Коломенском тепловозостроительном заводе.С 1965 по 1974 год он находился в рядовой эксплуатации в депо Льгов Московской железной дороги. Опыт эксплуатации показал, что газотурбовоз расходует в 2,5-3 раза больше топлива, чем тепловоз.Для газотурбовозов центральной проблемой является создание специальных локомотивных двигателей повышенной топливной экономичности. Для дальнейшего накопления опыта цроектирования и эксплуатации газотурбовозов производственное объединение "Тепловозостроение" в ВорошЕловограде работает над созданием опытных образцов грузовых газотурбовозов. Однако на ближайшую перспективу применение газотурбовозов на магистральных железных дорогах следует рассматривать как научную проблему, решение которой связано с успехами в общем развитии техники, металлургии и машиностроения.Ведр1ую роль на советских железных дорогах играет и в перспективе будет играть электровозная тяга. Известно, что электрифицированные железные дороги имеют самую высокую грузонапряженность. Она в 2,7 раза выше, чем на линиях с тепловозной тягой и составляет 46,8 млн.ткм на I км эксплуатационной длины линии я против 17,3 млн «тки при тепловозной тяге /2/.На переменном токе электрифицировано 16,1 тыс.км наиболее грузонапряженвых линий, на постоянном - 25,02 тыс*км.На наиболее грузонапряжешшх линиях перевозки осуществляются электровозами второго поколения - восьмиосными электровозами постоянного тока ВЯ10 и переменного тока ВЯ80.С 1976 г. начался выпуск модификации электровоза ВЯ10 - ВПО^ с нагрузкой от колесной пары на рельс 250 кН, что позволило в расчетном режиме довести силу тяги до 502 кН. На основе электровоза В И О разработан и создан электровоз BSII, который может работать в двух-, трех- и четырехсекционном исполнении по системе многих единиц.Грузовые восьмиосные двухсекционные электровозы В180 явились крупным шагом на пути совершенствования электрических локомотивов переменного тока* Помимо повышения мощности и силы тяги, обусловленного увеличением числа осей по сравнению с его предшественником - электровозом МбО, электровоз Щ 8 0 отличается более высокой надежностью ряда узлов. J!iaльнeйшee совершенствование электровозов было осуществлено в третьем поколении, к которому по ряду принципиальных технических решений следует отнести электровоз В180^* По сравнению с электровозами М 8 0 ^ и ВД80^ электровозы ВД80^ имеют значительные отличия в схемах и оборудовании, что позволило обеспечить им существенные преимущества: увеличенные пусковые, тяговые и тормозные силы, возврат электроэнергии цри рекуперации, удобство управления и др. Электровозы этой серии могут обеспечивать возврат свыше 10-15^ энергии от потребляемой на тягу поездов.Результатом дальнейшей работы по совершенствованию электровозов переменного тока явился созданный в I97I году первый в мире опытный электровоз М В О ^ с асинхронными двигателями, -^Короткозамкнутый асинхронный двигатель - простейшая по конструкции электрическая машина. В условиях сильного загрязнения, тряски и перепада температур, характерных для эксплуатации подвижного состава, этот двигатель обеспечивает высокую надежность работы.Наряду с ВЛ80^ в СССР была создана и другая система электровоза с беоколлекторными тяговыми электродвигателями. В 1975 г, Новочеркасскин электровозостроительным заводом построены два опытных электровоза В180^ с вентильнынш двигателями. В 1976 г. на том же заводе создан опытный электровоз ВЛЗЗ о мономоторными тележками и вентильными двигателями. В 1979 г. изготовлены опытные образцы электровоза ВЛ84, предназначенного для Байкало-Амурской магистрали.Этот электровоз рассчитан на работу в условиях широкого диапазона колебаний температуры окружающего воздуха, значительной высоты над уровнем моря, наличия наледей, снежной изморози, обильных снегопадов и сильных ветров.В I972-I974 г.г. выпущена партия электровозов двойного питания MQ2^f предназначенных для работы на дорогах как постоянного, так и переменного тока. На постоянном токе тяговые двигатели питаются непосредственно от контактной сети, а на переменном - через понижающий трансформатор и выпрямительную установку.Основные характеристики современных и перспективных локомотивов приведены в табл«1.1* Из приведенного обзора следует, что в СССР созданы и успешно эксплуатируются одни из самых мощных в мире грузовых электровозов переменного и постоянного тока и тепловозы с электрической передачей переменно-постоянного тока.Канд.техн.наук А.Л.Лисицын отмечает /6/, что сложившееся положение с ограничением массы поезда на полигоне значительной протяженности можно объяснить тем, что за последние 20 лет при совершенствовании конструкции электровозов, повышении их надежности расчетная сила тяги грузовых электровозов увеличилась незначительно.С 1957 г. практически не изменялась расчетная сила тяги электровозов постоянного и с 1964 г. переменного тока. Примерно такая же обстановка сложилась и в развитии тепловозов.Для вождения поездов повышенной массы и дяины в последние годы вынужденно применяются многосекционнне локомотивы. Однако применение такого способа сокращает полезную длину поезда, увеличивает число локомотивов в рабочем парке, объемы и стоимость технического обслуживания и ремонта локомотивов, численность эксплуатационного и ремонтного персонала. Кроме того, при большом шаге приращения секционной мощности часто имеет место ее недоиспользование, что приводит к снижению экономических показателей работы железных дорог.Одним из путей устранения этих недостатков и повышения массы состава, а следовательно, провозной способности железных дорог, является применение локомотивов переменной мощности, оборудованных усилителями тяги, которые могут включаться по мере необходимости. В качестве такого усилителя тяги в диссертации рассматривается линейный двигатель. iZ.Линейный тяговый электродвигатель представляет собой тяговую электрическую машину с прямолинейными "статором" и "ротором".Как и в обычных тяговых двигателях вращательного типа у линейных машин есть подвижное и неподвижное звенья, разделенные воздушным зазором, в котором действует магнитный поток.Однако для обычных двигателей необходимы подшипниковые узлы, обеспечивающие постоянный воздзгшный зазор и передачу тягового усилия, а также редуктор. Линейным же двигателям достаточно обеспечить определенное постоянство зазора, закрепив подвижный элемент на экипаже, а неподвижный - в пути.Благодаря своей конструкции линейный двигатель обладает следующими преимуществавш /7/ : - независимостью тягового усилия от коэффициента сцепления колеса с рельсом; - отсутствием вращающихся частей, центробежных сил и связанных с ними ограничений; - разнообразием конструктивных решений по расположению их на транспортном средстве; - повышенной надежностью и долговечностью, цростотой обслуживания; - наличием наряду с тяговым усилием нормальной к оси пути силы, пригодной для использования с целью повышения сцепной массы локомохжва.Области применения линейных электродвигателей могут быть самыми различными: в горнодобывающей промышленности для перемещения вагонеток, на метрополитене для обеспечения привода эскалаторов, в металлургии для перемещения расплавленного металла, где сам металл выполняет роль короткозамкнутой обмотки двигателя и т.д. /8/.Многие годы в нашей стране и за рубежом ведутся исследования /3. по созданию высокоскоростного наземного транспорта на базе линейного двигателя* В настоящее время ведущими странами в области высокоскоростного наземного транспорта являются ФРГ и Шония.3 ФРГ работы по созданию высокоскоростного наземного транспорта начались в 1969 году /9,10/, а в I97I году был создан поезд, продемонстрировавший принципиальную пригодность идеи магнитной подвески на полноразмерной модели "Трансрапид-ОЗ".На первом этапе разработки высокоскоростных систем в ФРГ были рассмотрены практически все возможные варианты магнитного подвеса, линейных двигателей, а также подвес на воздушной подушке.В результате определено техническое решение, положенное в основу дальнейших разработок высокоскоростных систем наземного транспорта и создан демонстрировавшийся на выставке в Гамбурге экипаж "Трансрапид-Об" на 68 пассажиров. Он основан на базе линейного синхронного двигателя с ферромагнитным статором, уложенным вдоль всего пути и электромагнитами возбуждения на экипаже.Недавно в ФРГ разработан экипаж "Трансрапид-Об" на 200 пассажиров и перспективный коммерческий экипаж "Трансрапид-FAf»? " на 240 пассажиров /7/.В Шонии автоматическая модель экипажа на магнитной подвеске проходит испытания на полигоне около города Миядзаки. Предполагается, что экипаж будет передвигаться со скоростью 630 км/ч.Опытные устройства для экипажей высокоскоростного наземного транспорта построены также в США, Англии и Франции.В нашей стране также начаты исследования систем бесколесного высокоскоростного транспорта на магнитном подвешивании /II/.Разработки проблем высокоскростного наземного транспорта с применением магнитного подвешивания экипажей и электрических линейных тяговых двигателей с 1976 г. ведут Всесоюзный научной. исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт электровозостроения (ВЭлШЗИ) Министерства электротехнической промышленности (в области электрического оборудования подвижного состава), Всесоюзный научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта С В Ш Ш Т ) Министерства путей сообщения ( в области электроснабжения, путевой структуры и общих требований к системе). Институт комплексных транспортных проблем при Госплане СССР СИКТП) (в области определения экономической эффективности), Всесоюзный научно-исследовательский институт вагоностроения Министерства тяжелого и транспортного машиностроения (по экипажам подвижного состава и его динамике). Всесоюзный научно-исследовательский институт транспортного строительства {по конструкции эстакад), Особое Конструкторское бюро линейных электродвигателей Киевского горисполкома (в области линейных тяговых электродвигателей) /12/, Московский институт инженеров железнодорожного транспорта (МШТ).Высокоскоростной наземный транспорт требует больших первоначальных затрат на сооружение пути. По предварительным расчетам стоимость I км двухпутной линии, предназначенной для движения со скоростью 400 км/ч составит около 2 млн.руб, причем стоимость пути составляет около 70^ затрат.Отделением экономики ВНИЙЖТ и ИКТП было установлено, что высокоскоростной транспорт такого вида может быть экономически целесообразным при очень больших размерах пассажиропотоков (около 25 млн.пассажиров в год в обоих направлениях) /11,13/. Этот результат совпадает с аналогичными исследованиями Министерства транспорта США, которым установлен критический пассажиропоток в 30 млн. пассажиров в год. Такие пассажиропотоки к 2000 году могут сложиться на направлениях Москва-Ленинград, Москва-SJr, а также между крупными городами и близлежащими аэропортами.По мнению ВНИИКТ и ИКТП в настоящее время нет оснований для /5: постройки линий высокоскоростного транспорта с электромагнитным подвешиванием /II/, однако исследования и испытания экспериментальных устройств продолжаются, Высокоскоростной назевшый транспорт не заменяет, а лишь дополняет существующие железные дороги» Вывод о преждевременности использования линейных двигателей для высокоскоростного наземного транспорта не исключает возможности использования в настоящее время линейных двигателей на отечественных железных дорогах для решения ряда других вопросов. Так, представляется перспективным использование линейных двигателей как усилителей тяги на обычных локомотивах при использовании традиционной системы "колеоо-рельо" /14,15/.При таком принципе использования л^инейного двигателя не требуется строительство специального пути в виде дорогостоящих железобетонных эстакад, необходимых для функционирования экипажей с линейным двигателем, основанных на магнитном подвешивании и обеспечивающих движение с высокими скоростями.Для работы системы усилителя тяги необходима лишь укладка в путь некоторых дополнительных элементов (путевой структуры) и установка на обычном локомотиве пакетов статора, представляющих собой первичную часть линейного двигателя, о чем более подробно будет сказано в гл.2.Наличие дополнительных элементов в пути не препятствует прохождению поездов с локомотивами, не оборудованными линейным двигателем.1.2. Цель и содержание исследования Основным показателем технической эффективности функционирования железной дороги является провозная способность, которая, как известно, определяется массой состава и пропускной способностью i6. линии, в свою очередь масса состава и пропускная способность являются функциями технических параметров проектирования железной дороги: ограничивающего уклона, полезной длины приемо-отправочных путей, числа главных путей, типа графика движения поездов, силы тяги и мощности локомотива* Одним из путей приращения мощности локомотива для увеличения провозной способности является применение линейного двигателя, который может быть использован для: 1) увеличения длины и массы состава; 2) увеличения скорости и пропускной способности; 3) одновременного увеличения и массы состава, и пропускной способности в таком сочетании, при котором обеспечивалось бы максимальное приращение провозной способности.Решение цроблемы введения линейного двигателя рассматривается в органическом сочетании с традиционными методами усиления тяги, о линейным двигателем и без него.Целью диссертации является разработка теоретического обоснования и методики определения технико-экономических сфер црименения линейного двигателя в качестве усилителя тяги электровозов для увеличения провозной способности железных дорог.Задачи диссертационного исследования включают: 1) разработку методики экономической оценки повышения провозной способности железных дорог за счет применения линейного двигателя; 2) разработку методики оценки надежности технических решений о применением линейного двигателя; 3) исследование взаимосвязи параметров трассы железной дороги, параметров линейного двигателя с показателями технической эффективности функционирования железных дорог; 4) исследование путей увеличения провозной способности а железных дорог на базе применения линейного двигателя.Диссертация состоит из пяти глав и общих выводов.В первой главе диссертащш освещается современное состояние тяговых средств; рассматриваются возможности применения линейных двигателей на железнодорожном транспорте; дается постановка задачи использования линейного двигателя в качестве усилителя тяги грузовых электровозов для повышения провозной способности железных дорог; формулируются цели исследования; излагается содержание работы; формируются критерии исследования.Во второй главе на основе анализа различных модификаций линейных двигателей устанавливается наиболее приемлемая модификация для работы в качестве усилителя тяги локомотива; устанавливается взаимосвязь между параметрами линейного двигателя и покагзателем его технической эффективности; разрабатываются методы размещения путевой структуры по дяине линии для решения задач повышения массы поезда и скорости его движения.В третьей главе разрабатывается методика оценки экономической эффективности и надежности применения линейного двигателя в проектных решениях.В четвертой главе на основе разработанной в главе 3 методики проводится анализ влияния параметров железнодорожных линий, линейного двигателя и стоимостных показателей на эффективность применения тяговых средств с линейным двигателем. Обосновываются технико-экономические сферы применения тяговых средств с линейным двигателем; приводится пример использования усшштеля тяги на конкретном участке железнодорожной сети.В пятой главе на основе выполненных в предыдущих главах исследований анализируются пути повышения провозной способности железных дорог за счет использования тяги с линейным двигателем.В заключение диссертации формулируются основные выводы. iS, 1.3. Критерии исследования В основу экономической оценки проектных решений, предусматривающих использование тяговых средств с линейным двигателем, положен общепринятый критерий технико-экономической эффективнооти - приведенные строительно-эксплуатационные затраты Эд = Eg . К + где С - ежегодные эксплуатационные расходы; К •» капитальные вложения; Bjj - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений.Линейный двигатель, как любой вид тяги, должен быть оценен с позиции надежности. Сформулируем критерий ее оценки.В диссертации основным объектом исследования является локо» мотив с линейным двигателем. Поэтому, о точки зрения надежности, наибольший интерес представляют коэффициенты готовности элементов, связанных с надежностью линейного двигателя, т.е. коэффициент готовности локомотива и собственно линейного двигателя. Коэффициенты готовности остальных элементов условно принимаются равными I, т.е. условно предполагается, что они абсолютно надежны /17/.Известно, что коэффициент готовности представляет собой вероятность пребывания системы в состоянии работоспособности, поэтому техническая эффективность фувкционирования железной дороги ее провозная способность может быть выражена как произведение номинальной провозной способности Гф и коэффициента готовности М(Г) = Г^ . Кр .Таким образом, в качестве критериев в диссертации рассматриваются: стоимостной - приведенные строительно-эксплуатационные затраты; надежностный - коэффициент готовности локомотивного парка; технической эффективности функционирования железных дорог математическое ожидание провозной способности.1.4. Выводы 1. Современные электровозы при их секционировании имеют большой шаг приращения мощности. Это обстоятельство приводит к недоиспользованию мощности в случае ограничения массы поезда полезной длиной привмо-отправочш1Х пзгтей. Недоиспользование мощности приводит к серьезному народнохозяйственному ущербу: - увеличению численности рабочего парка локомотивов; - увеличению стоимости технического обслуживания локомотивов; - увеличению численности обслуживающего персонала; - увеличению расхода электроэнергии.2. Устранение перечисленных недостатков может быть осуществлено путем внедрения локомотивов, оборудованных усилителем тяги, одним из вариантов которого является линейный двигатель. Исследованию эффективности его применения с целью повышения провозной способности железных дорог и посвещена диссертация.2. ЛИНЕЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ И ЕГО ПАРАМЕТРЫ. РАЗМЕЩЕНИЕ ПУТЕВОЙ СТРУКТУРЫ 2.1. Общая характеристика линейного двигателя "Линейным электроприводом называется электромагнитное устройство, создающее поступательное движение перемещаемой приводом массы непосредственно за счет электромагнитных взаимодействий между перемещающимися друг относительно друга элементами и обеспечивающее электрическое управление этим движением" /15/.Сила, создающая поступательное, линейное движение, называется силой тяги.Сила, перпендикулярная к оси пути, называется нормальной силой. Присутствие нормальной силы в линейных электрических машинах является их характерной чертой /8/» Линейный двигатель состоит из двух частей: первичной части статора, представляющего собой магнитопровод с обмотками, и вторичной части - ротора.Линейные двигатели могут быть односторонними, либо двусторонними.Наиболее распространенными в настоящее время являются двусторонние линейные двигатели. У таких двигателей в качестве вторичной части, размещаемой в пути, используется вертикальная шина.Этот тип двигателя наиболее перспективен для специализированного высокоскоростного наземного транспорта. Использовать его в качестве усилителя тяги на магистральных железных дорогах не представляется возможным, так как наличие в пути вертикальной шины препятствовало бы движению обычных локомотивов.При одностороннем линейном двигателе один и тот же путь использован как дяя локомотивов оборудованных, так и не оборудованных линейным двигателем. zt в зависимости от того, какая часть линейного двигателя размещается на экипаже, линейный электропривод может быть прямым или обращенным.Щ)Ямой линейный электропривод предусматривает размещение первичной части двигателя на экипаже, а вторичной - в пути. При этом вторичная часть двигателя носит название "путевой структуры".У обращенного электропривода первичная часть размещается в пути, а вторичная - на экипаже.Выбор типа электродвигателя, прямого или обращенного, в основном зависит от соотношения стоимости единицы длины первичной и вторичной частей привода, а также от предполагаемой интенсивности движения на проектируемом участке.Стоимость первичной части линейного двигателя намного больше стоимости вторичной его части. Поэтому применение варианта обращенного электропривода может быть экономически оправдано на очень коротких линиях с большой интенсивностью движения.По ориентировочным расчетам /15/ обращенный вариант экономически целесообразен при условии: где Д/ - количество экипажей с линейным двигателем; I - длина вторичной части линейного двигателя на экипаже; и - длина первичной части линейного двигателя в пути.Для магистральных железных дорог большой протяженности це* лесообразнее рассматривать прямой электропривод* Линейные электродвигатели подразделяются на асинхронные, синхронные и постоянного тока.Основными системами управления, пуска и регулирования ли«ейных lb. электроприводов являются системы о преобразователями частоты. Применение близких по выполнению, габаритам и надежности преобразователей делает подразделение электродвигателей на асинхронные, синхронные и постоянного тока достаточно условным /15/.Здесь приводится классификация, принятая в /15/.Электроприводом с линейным двигателем постоянного тока называется привод, механическая и регул11ровочная характеристики которого вдентичны характеристикам коллекторной машины постоянного тока.Синхронным называется привод, у которого полезное усилие имеет место только при заданной частоте питания /= 1^ А-г, где 'О' - скорость линейного движения; ^ - длина полюсного деления.Асинхронным называется привод, у которого при этой частоте нет полезного усилия.Тип машины не связан с тем, постоянный или переменный ток подается на вход преобразователя системы.В настоящей работе в качестве усилителя тяги рассматривается односторонний прямой линейный автосинхронный двигатель о двухфункциональной обмоткой на статоре и безобмоточной вторичной частью /18/.Двигатели такого типа могут работать от существующих систем энергоснабжения как на постоянном, так и на переменном токе. При этом будут иметь место только различия в схеме построения преобразователя, предназначенного для питания и управления линейным двигателем. Система энергоснабжения переменного тока позволяет существенно упростить схему преобразователя* 14.Принципиальная схема размещения линейного двигателя на локомотиве и в пути показана на рис.2.1« Первичная часть линейного двигателя, устанавливаемая на локомотиве, состоит из пакетов статора с обмоткой и коммутатора со схемой управления и датчиками положения.Пакеты статора набираются из шихтованной электротехнической стали, в пазы пакета укладывается обмотка.Вторичная часть - без обмоточная путевая структура размещается на железнодорожном пути. Она может быть выполнена сплошной в виде решетки с чередующимися ферромагнитными участками и "окнами" илио разрезными полюсами - в виде отдельных ферромагнитных брусьев.Как показали исследования /19/, следует отдать предпочтение вторичной части с разрезными полюсами, так как в этом случае уменьшается эффект противотяги, создаваемый взаимодействием потока обмотки якоря с потоком возбуждения.Уложенная на уровне головки рельса путевая структура образует при расположении над ней пакетов статора переменно-полюсную магнитную систему.Принципиальная схема устройства линейного двигателя изображена на рис.2.2.При включении двигателя необходимым условием пуска является определенное положение статора относительно путевой структуры.Правильное положение секций двигателя, т*е. обеспечение его синхронизации в процессе пуска и во время движения осуществляется датчиками положения и системой управления.Схема коммутации обеспечивает подключение секций линейного двигателя таким образом, что секции ^ расположенные между полюсами магнитопровода подключаются к цепи возбуждения, а секции, расположенные над полюсами - к якорной цепи.Принципиальная схема размещения линейного двигателя на локомотиве и в пути / ' R 5'; Зк у 1-колесная пара 2- пакет статора с обмотками З-комглутатор со схемой управления 4-датчик положения 5-путевая структура Рис.2.1 Принципиальная схема устройства автосинхронного линейного двигателя с двухфункциональной обмоткой якорь путевая структура Рис.2.2 IGВокруг секций возбзгждения при протекании по ним тока образуется магнитный поток, который замыкается по цепи: спинка якоря - зубцы якоря - два воздушных зазора - путевая структура.При взаимодействии магнитного потока с током секций, которые находятся в этот момент над полюсами (якорные секции) возникает сила тяги, которая вызывает перемещение статора линейного двигателя относительно путевой структуры, Кроме тягового усилия при работе линейного двигателя возникают силы притяжения между статором и путевой структурой.Для системы усилителя тяги наличие такой силы оказывается до некоторой степени полезным, так как позволяет поднять ограничение силы тяги по сцеплению основных тяговых двигателей электровозов. Ограничивающим фактором при этом является увеличение нагрузки на рельсы.В /15/ показано, что использование компенсационных обмоток на линейном двигателе может обеспечить снижение давления на рельсы. Однако при этом увеличивается расход меди и несколько снижается коэффициент полезного действия линейного двигателя.В диссертации возможность использования компенсационной обмотки не учитывалась.Показателем технической эффективности усилителя тяги является дополнительная сила тяги ( ^ F T )» получаемая за счет установки линейного двигателя на локомотиве и совместной их работы.Дополнительная сила тяги имеет двоякую природуУ2//. G одной стороны она складывается из силы тяги, создаваемой собственно линейным двигателем »Т/ 2 5,... ^ тиве. где ^ PrtAK. суммарная площадь пакетов статора на локомоС другой стороны линейный двигатель может рассматриваться как балласт, увеличивающий сцепную массу локомотива, а это позволяет получить дополнительную силу тяги от основных двигателей где V^ - расчетный коэффициент сцепления колес локомотива с рельсами.В последней формуле сумма в круглых скобках означает увеличение сцепной массы локомотива за счет: 1-е слагаемое - массы пакетов статора; 2-е слагаемое - массы преобразователя; 2^.3-е слагаемое - нормальной силы, возникающей между статором и ротором линейного электропривода, Следует отметить, что добалластировка локомотивов практикуется в современном локомотивостроении как самостоятельное средство повышения силы тяги. Так, например, у электровоза BJUO^ сцепная масса увеличена на 16 т по сравнению с электровозом ВЛГО. Следовательно, увеличение сцепной массы электровоза за счет установки на нем и работы линейного двигателя можно рассматривать как положительное, хотя и побочное явление.Таким образом, суммарная дополнительная сила тяги электровоза, оборудованного линейным двигателем может быть определена по следующей формуле Размеры пакетов статора определяются электротехническим расчетом и возможностью размещения их на электровозе.Линейные двигатели могут размещаться либо внутри, либо снаружи рельсовых нитей.Эскизная проработка показала /19/, что при размещении линейного двигателя снаружи рельсовых нитей пакеты статора закрепляются на раме тележки в средней ее части и на концах (рис.2.3)* Длина среднего пакета составляет 1,2 м, концевых - 0,9 м. При этом статор выполнается двухпакетным с шириной пакета-0,25 м.При расположении статоров внутри рельсовых нитей они представляют собой модули длиной 1,02 м.И в том и в другом случае на одной секции локомотива удается разместить статор общей длиной до б м при ширине 0,25 м.Величина удельной силы тяги существенно зависит от величины воздушного зазора и плотности тока в обмотках статора* Расчеты Схема размещения пакетов статора на тележке электровоза Рис.2.3 30. показали /19/, что одно и то же значение удельной силы тяги j ^ = 20 кН/м можно получить при небольшом зазоре о s 0,01-0,012 м и относительно низкой плотности тока, или при большем зазоре J « 0,02 м и соответственно большей плотности тока, От плотности тока зависит режим работы линейного двигателя. При небольшой плотности возможен продолжительный режим работы, при большой плотности тока продолжительность работы линейного двигателя ограничена величиной допустимого перегрева и не превышает 30 минут.На экспериментальном кольце В Ш Щ Т а были проведены испытания линейного двигателя, рассчитанного на продолжительность работы 30 минут. Испытания показали, что в форсированном режиме при большой плотности тока удельная сила тяги составляет 19,7 кН/м при коэффициенте притяжения 2,28; в длительном режиме - ^^^ 16,7 кН/л? при ^„к= 3,5.Автором диссертации было проведено обследование профильных условий части полигона существующих железных дорог общим протяжением свыше 3000 км (табл.2.1). Данные табл.2.1 свидетельствуют о том, что в реальных условиях эксплуатации на рассмотренном полигоне продолжительность работы линейного двигателя не превысит 20 минут.Полученные результаты позволили кафедре "Электрические маг шины" МИЙТа разработать ряд модификаций линейных двигателей, рассчитанных на продолжительность работы менее 30 минут /20/. Линейные двигатели, рассчитанные на время работы 20, 15, 10 и 5 минут могут реализовать удельную силу тяги соответственно 30,8; 41,7; 52,0 и 74,0 кН/м^.2*3• Оптимизация размещения путевой структуры 2.3.1• Постановка задачи и критерий

Заключение диссертации по теме «Изыскание и проектирование железных дорог», Макушкина, Елена Александровна

6. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1.Недоиспользование мощности современных локомотивов при их секционировании с целью повышения провозной способности железных дорог приводит к серьезному народнохозяйственному ущербу. Альтернативой секционирования является внедрение локомотивов, оборудованных усилителем тяги, одним из вариантов которого является линейный двигатель.

2. Анализ различных модификаций линейного двигателя показал, что наиболее целесообразным для использования на железных дорогах в качестве усилителя тяги является односторонний прямой автосинхронный двигатель с безобмоточной путевой структурой*

3. В диссертации разработан метод оптимизации размещения путевой структуры, позволяющий обеспечить заданный прирост провозной способности при минимальных затратах.

4. На основе предложенного в диссертации метода сравнительной оценки надежности работы двухсекционных локомотивов, оборудованных линейным двигателем, и трехсекционных локомотивов установлено, что црименение линейного двигателя увеличивает относительнуюнадежность локомотивного парка на 3-6$. Причем эта отно сительная надежность повышается с увеличением численности локомотивного парка.

5. Разработанная в диссертации методика оценки экономической эффективности применения линейного двигателя отражает специфические для условий применения линейного двигателя виды затрат и способы их определения. Выполненные на основе этой методики расчеты показали, что применение линейного двигателя приводит к экономии электроэнергии от 5 до 15$>,

6. Эффективность замены многосекционных электровозов двухсекционными о линейным двигателем возрастает с увеличением размеров перевозок. При увеличении грузопотока с 50 до 100 млн. т/км в год экономия в суммарных приведенных расходах увеличивается на 3,2 и 6,9 тыс. руб/км в год соответственно при норме массы состава 6000 т и 3000 т.

7. Эффективность применения электровозов с линейным двигателем повышается в районах с высокой стоимостью электроэнергии. Увеличение стоимости электроэнергии с 1,32 до 2,50 коп/кВт.ч приводит к относительному повышению экономической эффективности тяги с линейным двигателем на 2,4$, что составляет 6,2 тыс.руб/км в год.

8. Применение электровозов с линейным двигателем эффективно на участках с небольшим удельным весом напряженных ходов. Снижение удельного веса напряженных ходов на каждые 10$ приводит к повышению относительной эффективности применения электровозов с линейным двигателем на 1,0-1,5$. 4

9. Увеличение коэффициента полезного действия линейного двигателя с 0,72 до 0,9 приводит к снижению суммарных приведенных расходов на 1,2$ при большом удельном весе напряженных ходов.

При малом удельном весе напряженных ходов повышение коэффициента полезного действия линейного двигателя практически не влияет на экономическую эффективность применения усилителя тяги.

10. Расчеты, выполненные на участке существующей железнодорожной линии протяженностью 580 км показали, что замена многосекционных электровозов BJHI (12 осей) и 2ВЛ10 {16 осей) двухсекционными с линейным двигателем может привести к снижению приведенных расходов на 1,5-2,0 млн.руб (5-7 тыс.руб/км) в год и снижению расхода электроэнергии в среднем на 9-15$. Одновременно с улучшением экономических показателей на 3-6$ повысится надежность работы локомотивного парка.

II. Использование линейного двигателя в качестве усилителя тяги электровозов позволяет повысить провозную способность железных дорог за счет увеличения массы состава и повышения скорости движения поездов.

За счет повышения нормы массы состава провозная способность двухпутных линий повышается на 44$, однопутных - на 35-39$.

За счет повышения скорости движения поездов максимальная пропускная способность однопутных линий увеличивается на 10-15$, провозная способность - на 10-20$.

Анализ цроведенных расчетов показал, что наиболее эффективной мерой увеличения цровозной способности железных дорог за счет силы тяги линейного двигателя является увеличение массы состава.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Макушкина, Елена Александровна, 1984 год

1. Бартош Е.Т. Газотурбовозы и турбопоезда. М. Транспорт, 1978, 311 с.

2. Ардаев В. Цена модернизации. "Гудок" от 8 апреля 1983 г,

3. Развитие локомотивной тяги. Под ред.Фуфрянского Н.А. М. Транспорт, 1982, 304 с.

4. Лисицын*А.Л. Провозная способность, вес грузовых поездов и основные принципы выбора тяговых средств. Вестник ВНИИЖТа, 1980, М, с.1-9.

5. Бочаров В.И., Козаченко Б.В. Экипажи на магнитном подвешивании. "Электрическая и тепловозная тяга", 1982, МО, с.34-39, JH2,с.41-45.

6. Насар С.А., Болдеа И. Линейные, тяговые электрические машины. М.:Транспорт, 1981, 176 с.

7. Рогг Д. Разработка транспортных систем с магнитным подвесом в ФРГ. "Железные дороги мира", 1982, №7, с.13-16.

8. Липпл Е. Новые системы пассажирского и грузового транспорта. "Железные дороги мира", 1973, $5, с.53-63.

9. Высокоскоростной транспорт будущего. Труды ВНИИЖТа, вып.623, 1979, 80 с.

10. Луков Б.Е., Раков В.Е. Наземный транспорт будущего. "Железной дорожный транспорт", 1979, №3, с.56.

11. Молярчук B.C. Технико-экономические проблемы использования новых технических средств транспорта. М.:Наука, 1983, 232 с.

12. Свечарник Д.В. Возможности и проблемы применения линейного электропривода на электроподвижном составе. "Электричество",1978, Ш, с.48-54..

13. Свечарник Д.В. Линейный электропривод. М.:Энергия, 1979, 152с.

14. Комплексное поэтапное развитие пропускной и провозной способности железных дорог. Отчет ВНИИЖТа, М., 1980.

15. Козлов Б.А., Ушаков Й.А. Справочник по расчету надежности аппаратуры радиоэлектроники и автоматики. М.:Советское радио,1975, 472 с.

16. Свечарник Д.В. Линейный электрический двигатель. Авт.св. №501453, заявл.20*03.74, Ш16454/24-7, опубл.Бш.изобр.,1976,

17. Разработка линейных двигателей постоянного тока для транспортных объектов (эскалаторы метро, усилитель тяги): Отчет/МИИТ;4

18. Рук.темы Свечарник Д.В., Кантор Й.И. 47/82; М., 1982.-105с.

19. Разработка линейного двигателя усилителя тяги локомотива:

20. Отчет/МШТ; Рук.темы Свечарник Д.В.- 64/83; М., I983.-I46 с.

21. Свечарник Д.В., Кантор й.й., Григорович A.M. Анализ технико-экономической эффективности использования линейных двигателей как усилителей тяги на электрифицируемом участке БАМа.-Труды МИИТа, 1977, вып.515, с.ПО-119.

22. Горинов А.В., Кантор Й.И., Кондратченко А.П., Турбин И.В. Изыскания и проектирование железных дорог, т.1, М.:Транспорт,1979, 320 с.

23. Д;Уайльд. Методы поиска экстремума. М.:Наука, 1967, 153 с.

24. Пономарев В.А. Программирование для ЭЦВМ "МИР-1И. М.:Советское радио, 1975, 216 с.

25. К.Дкермейн. Программирование на IBM/360. М.:Мир, 1983, 872 о.

26. Методические указания по сравнению вариантов проектных решений железнодорожных линий, узлов и станций. М.: Оргтрансстрой Минтрансстроя, 1973, 440 с.

27. Типовая методика по определению экономической эффективностикапитальных вложений. М.: Экономика, 1969, 15 с.

28. Гибшман А.Е. Определение экономической эффективности проектных решений на железнодорожном транспорте. М.: Транспорт,1976, 234 с.

29. Гибшман А.Е., Фельдман Э.Д. Вце об определении стоимости в-час и лок-час. "Железнодорожный транспорт", 1973, $8, с.67-70.

30. Исследование возможности создания и применения на железнодорожном транспорте усилителя тяги на базе линейного двигателя: Отчет/ВНИИЖТ; Афанасьев B.H.-I26-Kp-8I, р.2; М., I98I.-27 с.

31. Кошута А. Модель цены на современную новую технику. "Вопросы экономики", 1973, &7, с.3-12.

32. Вентцель B.C. Исследование операций. М.:Советское радио, 1972, 552 с.

33. Оценка эффективности системы усилителя тяги и разработка предложений по ее практическому применению: Отчет/МИИТ; Свечар-ник Д.В., Кантор И.И. 48-У1/79; М., 1980.-156 с.

34. Оценка эффективности системы усилителя тяги и разработка предложений по ее практическому применению: Отчет/МИИТ; Рук.темы Свечарник Д.В., Кантор И.И. М., 1981, 140 с.

35. Нормы эксплуатационных расходов по ремонту и техническому обслуживанию грузовых и пассажирских локомотивов. 4.1, МПС, Гипротранстэи, М., 1980, 26 с.

36. Нормы эксплуатационных расходов по вагонному и путевому хозяйствам. 4.2, МПС, Гипротранстэи, М., 1981, 48 с.

37. Руководящие указания к использованию замыкающих затрат на топливо и электрическую энергию. М., Наука, 1973 г. 18 с.

38. Тихонов К.К. Выбор оптимальных веса и скорости грузовых поездов с помощью модели транспортного процесса. М., 1970, с.115-124.

39. ПеЙсахзон Б.Э. Вес и скорость поездов. М., Трансжелдориздат, 1957 |Труды ВНИИЖТ, вып.141), 201 с.