Совершенствование работы гидропередачи локомотива в переходных процессах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат наук Осипов, Артем Владимирович

• Осипов, Артем Владимирович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Осипов, Артем Владимирович

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ

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

1.1. Исследование процессов переключения многоциркуляционных гидродинамических передач тепловозов

1.1.1. Эксплуатационные исследования процессов переключения

1.1.2. Экспериментальные исследования процессов переключения

1.1.3. Теоретические методы исследования процессов переключения

1.2. Методы исследования уравнения баланса энергии гидравлического аппарата

1.2.1. Исследование уравнения баланса энергии при установившихся режимах работы

1.2.2. Исследование уравнения баланса энергии при неустановившихся режимах работы

Глава 2. АНАЛИЗ УРАВНЕНИЙ ДИНАМИКИ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО

АППАРАТА

2.1. Основные положения теории расчета

2.2. Уравнение напора лопастного колеса

2.3. Уравнение инерционного напора лопастного колеса

2.4. Категории гидравлических потерь

2.5. Отклонение потока за лопастным колесом

2.6. Расчет одноступенчатого гидротрансформатора ТП1000М

2.7. Анализ расчетных характеристик одноступенчатого гидротрансформатора ТП1000М

2.8. Выводы по главе 2

Глава 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ В ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССАХ

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

3.2. Допущения, определяющие качество переходных процессов

во время переключения гидравлических аппаратов

3.3. Уравнения динамики гидромеханической системы с одним гидравлическим аппаратом

3.4. Уравнения динамики гидромеханической системы с двумя гидравлическими аппаратами

3.5. Математическое описание процесса переключения гидротрансформаторов

3.6. Математическое описание процесса переключения гидротрансформатора и гидромуфты

3.7. Выводы по главе 3

Глава 4. РАСЧЕТ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ДВУМЯ

ГИДРАВЛИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ В ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССАХ

4.1. Численное решение систем дифференциальных уравнений и основные исходные данные

4.2. Расчет гидромеханической системы с двумя гидротрансформаторами во время переключения

4.3. Расчет гидромеханической системы с гидротрансформатором

и гидромуфтой во время переключения

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

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

4.6. Выводы по главе 4

Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

5.1. Объект, цели и задачи экспериментального исследования

5.2. Описание стенда

5.3. Измерительная аппаратура

5.4. Проведение экспериментальных исследований гидротранфор-матора и гидромуфты

5.4.1. Определение динамических моментов насосного и турбинного валов гидравлического аппарата

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

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

5.5. Результаты исследования

5.6. Сопоставление теоретических и экспериментальных исследований гидротрансформатора и гидромуфты

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

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

опорожнения круга циркуляции гидромуфты

5.7. Выводы по главе 5

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

ГИДРОПЕРЕДАЧЕЙ

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

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

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

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

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

6.4. Выводы по главе 6

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование работы гидропередачи локомотива в переходных процессах»

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, описывающие режимы работы маневрового тепловоза, фиксировались на протяжении одного года [26]. Среднее значение наполнений и опорожнений ГА многоциркуляционной гидропередачи

маневрового тепловоза за один час работы составило 71, а максимальное значение достигало 140 [27]. В работе Лабута А. А. приведены результаты исследований (рис. 1.1), полученные относительно продолжительности времени работы на различных ГА.

В статьях Степченкова В. Т., Сидячева Н. В., Родионова И. Н., Колотилина И. А. представлены эксплуатационные исследования режимов работы маневровых тепловозов разной мощности на металлургических предприятиях, а также в рядовой эксплуатации при выполнении транспортных операций [75, 79].

Исследование режимов работы маневровых тепловозов мощностью 400 - 500 л.с. с гидропередачей УГПЗ50-500 характеризуется частой сменой режима загрузки. Количество включений ГА за один час работы составляло от 119 до 176 [79], при этом средние эксплуатационные значения КПД гидравлической передачи мощности составили 38-46 %.

Исследование тепловоза ТГМ23Б на предприятии промышленного железнодорожного транспорта [79] сопровождалось частой сменой режимов работы гидравлической передачи мощности. Количество включений ГТР в течение одного часа работы дизеля под нагрузкой составляло 149 - 176, гидромуфт - от 5 до 96. Продолжительность непрерывной работы ГТР равнялась

ГТР1 ГТР2 ГМ

Рис. 1.1. Распределения времени работы маневрового тепловоза ТГМ5 на

ГТР1, ГТР2, ГМ

13,5 - 21,6 с, ГМ - 6,9 - 15,8 с. Результаты данной работы показывают, что во время эксплуатации в маневровом режиме средняя продолжительность непрерывной работы ГТР меньше, а ГМ - больше, чем при обычной эксплуатации. Так при эксплуатации в маневровом режиме доля работы, выполняемой на ГМ, значительно возросла и составила от 42,5% до 59,6%. Частые смены режимов работы ГА приводят к существенному снижению эксплуатационного КПД гидравлической передачи мощности, который составил от 38,4% до 53,3% в обычной эксплуатации и от 61,4% до 69% в маневровом режиме работы. Разница в значениях КПД обусловлена использованием разных типов ГТР в гидропередаче тепловоза.

Степченков В. Т., Сидячев Н. В., Родионов И. Н., Колотилин И. А. в работе [79] представляют эксплуатационные исследования тепловоза ТГМ6 мощностью 750 л. с. при выполнении транспортных операций металлургического завода.

Работа тепловоза ТГМ6 по данным исследователей сопровождалась частыми включениями ГА, максимальное количество которых за один час работы составляло 212 для маневровой работы и 128 - для вывозной. Авторы также приводят статистику по времени работы на каждом ГА для тепловоза ТГМ6, данные которой представлены на рис. 1.2. Частые смены режимов загрузки гидропередачи привели к снижению значения среднего эксплуатационного КПД на 10 - 11% по сравнению с результатами стендовых испытаний. Для тепловоза ТГМ6 в маневровой работе средний эксплуатационный КПД составил 65,7%, а в вывозной работе снижение среднего эксплуатационного КПД достигало 3 - 4% и его значение составило 81,8%.

В статье [8] Габриэль В. 3., Ильин Ю. Н., Сидячев Н. В. приводят результаты испытаний тепловозов ТГ102 с гидропередачей УГП750-1200. Исследование тепловоза проводилось в рядовой эксплуатации в объеме 22 поездок. По результатам исследования, количество топлива, расходуемое на каждой ступени гидропередачи и отнесенное к общему расходу под нагрузкой, составило: ГТР1 -33%, ГТР2 - 54%, ГМ - 13%.

# ГТР1

• ГТР2 ГМ

• ГТР1

• ГТР2 ГМ

а)

6)

Рис. 1.2. Распределение времени работы на каждом ГА для тепловоза ТГМ6:

Данные представленные исследователями по количеству наполнений, опорожнений, включений, распределения времени работы на каждом ГА дают возможность заключить, что переключение ГА в многоциркуляционной гидродинамической передаче мощности происходит достаточно часто, и от качества протекания процесса переключения, безусловно, будут зависеть эксплуатационные показатели тепловоза.

Экспериментальными исследованиями переходных процессов в многоциркуляционных гидродинамических передачах мощности занимались такие исследователи как Пушкарев И. Ф., Сабуров Ф. Ф., Собенин Л. А., Попов Г. В. и многие другие [59, 60, 66, 67, 69, 72, 73].

Во время проведения экспериментальных работ исследователи определяли изменение значений скорости и касательной силы тяги тепловоза, времени переходного процесса, давления масла в рабочей полости ГА и частоту вращения вала двигателя во время переключения.

а) маневровая работа; б) вывозная работа

1.1.2 Экспериментальные исследования процессов переключения

Сабуров Ф. Ф. в работе [69] представляет результаты экспериментального исследования процесса переключения, осуществленного с помощью разных вариантов перераспределения выходных моментов двух смежных ГА. Реализация каждого способа переключения сопровождается использованием разных устройств опорожнения ГА.

Согласно первому варианту переключения опорожнение первого ГА происходит быстрее, чем наполнение второго ГА. Во время переключения происходит значительное снижение силы тяги тепловоза, которое составляет около 50% на протяжении 5 - 7 с. Общая продолжительность переключения составляет 16 с.

Вторая схема переключения ГА характеризуется тем, что опорожнение первого ГА осуществлялось медленнее, чем наполнение второго. Суммарный момент на входном валу гидропередачи возрастает, что вызывает перегрузку дизеля и как следствие снижение силы тяги. Для осуществления второго варианта переключения автор использует мембранные клапаны, регулирующие опорожнение.

Третий вариант переключения ступеней скорости характеризуется оптимальным регулированием процессов опорожнения и наполнения ГА, как следствие - суммарный момент на выходном валу гидропередачи не изменяется. Реализация данного способа переключения предполагает увеличение времени опорожнения ГА, которое по сравнению с первым и вторым способом переключения будет значительно выше, и отключение питательного насоса от опорожняемого ГА во время замедленного опорожнения из него жидкости. В работе приведена осциллограмма процесса переключения ступеней скорости по третьему варианту, на которой суммарный момент на выходном валу гидропередачи практически не изменяется, а процесс переключения протекает около 13 с.

Пушкаревым И. Ф. и Сабуровым Ф. Ф. в статье [67] представлены результаты опытного исследования многоциркуляционной гидропередачи

тепловоза. Исследование гидродинамической передачи мощности выполнены с помощью разных программ переключения. Основные параметры гидропередачи в процессе переключения фиксировались с помощью метода тензометрирования с записью их на осциллограф.

Авторы предлагают следующие алгоритмы переключения смежных ступеней

' \ / ^ скорости:

1. Полное опорожнение ГА первой ступени - полное наполнение ГА второй ступени;

2. Наполнение ГА второй ступени - опорожнение ГА первой ступени;

3. Одновременное наполнение и опорожнение ГА смежных ступеней.

Переходные процессы по первой программе переключений исследовались на тепловозе ТГ102 с гидропередачей УГП750-1200. Исследование процессов переключения по второй и третьей программам производилось на стенде энергетической установки с гидропередачей Л60.

Согласно первой программе переключений совмещение процессов наполнения и опорожнения отсутствует. Процесс переключения продолжается значительное количество времени, что приводит к разрыву вращающего момента на выходном валу гидропередачи продолжительностью в 3 - 4 с. Отсутствие совмещения процессов наполнения и опорожнения приводит к уменьшению силы тяги на 60 - 70% и разгрузки дизеля на 60%.

Во время переключения ступеней скорости по второй и третьей программам происходит увеличение вращающего момента до 20%, вследствие значительной продолжительности совместной работы ГТР смежных ступеней. Продолжительность совместной работы ГА при прямом переходе составляет 10 с и 12 с - при обратном. Во время переключения происходит колебание величин вращающего момента на выходном валу гидропередачи с амплитудой достигающей 16 - 18% от установившегося значения.

Пушкаревым И. Ф. в работе [66] представлены экспериментальные исследования процессов переключения для тепловоза ТГ102 во время перехода с

первой ступени скорости на вторую и со второй ступени скорости на первую. Во время проведения исследований регистрировались сила тяги тепловоза, скорость вращения выходного вала гидропередачи, частота вращения коленчатого вала дизеля, давление масла в ГТР1 и ГТР2, а также время и момент переключения ГА.

По результатам исследования автором было установлено:

' » м » ■ ■ ' 1 ' 'к

- длительность переходного процесса во время прямого перехода

составляла 10 - 16 с;

- скорость вращения вала дизеля уменьшалась в процессе переключения ГА на 10- 15%;

- значение касательной силы тяги во время переключения с первой ступени скорости на вторую протекало с колебаниями в 50%, а обратный переход сопровождается колебаниями в 20%;

- изменение значений скорости составляло 0,3 км/ч.

Попов В.Г. в работах [59, 60] приводит экспериментальные исследования многоциркуляционных гидравлических передач УГП350-500 тепловоза ТГМ1 и УГП750-1200 тепловоза ТГ102 в период переключения ГА. Автор отмечает, что во время переключения ГА гидропередачи УГП350-500 снижение касательной силы тяги составляло от 25% до 65%. Продолжительность процесса переключения, которая обусловлена изменением касательной силы тяги от начала момента переключения до выхода на установившийся режим, составляет 16 с. Переключение ГА на гидропередаче УГП750-1200 сопровождалось провалами силы тяги до 30% продолжительностью 3 - 5 с. Попов В. Г. в работе [59] приводит анализ экспериментальных данных, который отражает зависимость продолжительности процесса переключения ГА от веса состава.

Результаты экспериментальных исследований, представленные в данном разделе, показывают, что процесс переключения ГА в многоциркуляционных гидропередачах тепловозов сопровождается значительным изменением значений касательной силы тяги тепловоза.

1. 1. 3 Теоретические методы исследования процессов переключения

Теоретическими исследованиями переходных процессов

многоциркуляционных гидродинамических передач мощности занимались Мицкевич В. Г., Кудрявицкий В. В., Пушкарев И. Ф., Юшко В. И., Сабуров Ф. Ф., Попов В. Г., Собенин Л. А., Тресков Ю.П., Воробьев Н. В., Кутырев Ю. И., Жиндарев Ю. А, Дроздов Ю. Т. и другие ученые [17, 20, 35 - 38, 48 - 55, 58, 59, 62 - 64, 70, 72, 81].

Обобщение теоретических исследований ученых, позволило классифицировать их работы в двух направлениях:

- определение изменения значения скорости тепловоза во время переключения ГА [38, 58, 59, 62, 64];

- определение изменения значения касательной силы тяги во время переключения ГА [35 - 38, 70, 72].

Переходный процесс во время переключения ГА многоциркуляционных гидродинамических передач мощности сопровождается изменением как минимум одного из обозначенных выше параметров.

Определение значения изменения скорости тепловоза во время переключения ГА способствовало выбору величин коэффициента возврата [58, 59, 62, 64], который определяется отношением скорости прямого и обратного переключения ГА, законов перемещения золотника управления [58, 64, 81], обеспечивающих наилучшее соотношение между процессами наполнения и опорожнения ГА.

Решение задач, связанных с определением значений касательной силы тяги во время переключения ГА, приводило к установлению значений времени совмещения процессов наполнения и опорожнения [37, 38], реализация которых могла быть выражена в законах перемещения золотников управления [81] или проектирования новой САУ гидропередачей тепловоза [48 - 55].

Для теоретического исследования изменения значения скорости тепловоза во время переключения ГА использовали аналитические методы решения дифференциальных уравнений [58, 59, 64], графические методы [62], методы математического моделирования с помощью электронных моделирующих устройств [63].

В работах Попова В. Г. [58, 59] основное внимание уделяется определению изменения скорости тепловоза во время переключения ГА. Автор утверждает, что при значительном снижении силы тяги от 30% до 40 % изменение скорости может произойти до значений соответствующих обратному переключению ГА, что в свою очередь приведет к предшествующему состоянию системы и возобновлению процесса переключения. Поповым В. Г. предлагается обоснованно подходить к выбору коэффициента возврата. В основе метода определения значений коэффициента возврата лежит интегрирование уравнения движения поезда. Для упрощения анализа уравнения автор принимает скачкообразное изменение касательной силы тяги во время переключения [59], которое графически представляется в виде высоты прямоугольника равновеликого по площади фигуре с тем же нижним основанием и боковыми сторонами, но с ограниченной сверху кривой действительной силы тяги. Решение уравнения движения поезда позволяет определять значения максимальной величины уклона, для которых может быть принят коэффициент возврата.

Чтобы проанализировать выполнимость полученных значений коэффициента возврата, Попов В. Г. предлагает аналитические зависимости, которые описывают движения золотника управления механической САУ гидропередачей, дающие возможность устанавливать конструктивные параметры золотника управления [58].

Пушкаревым И. Ф. для определения параметров САУ гидропередачей тепловоза во время переключения ГА применялись аналитические, графические и методы математического моделирования с помощью электронных моделирующих устройств [62 - 64].

Основой графического способа являются известные из тяговых расчетов зависимости скорости и времени движения от пути, а также значения постоянной времени ГА, которая представляет собой время наполнения ГА маслом. Использование данного способа справедливо лишь из предположения о кратковременном разрыве силы тяги [62].

Аналитические методы исследования САУ гидропередачей, которые использует в своих работах Пушкарев И. Ф. [64], отличаются от способов Попова В. Г. учетом характера связей и движений всех элементов САУ гидропередачей тепловоза. Основу данного способа составляют уравнения движения поезда и структурная схема замкнутой САУ гидропередачей. Касательной сила тяги в данном методе принимается из учета скачкообразного изменения. С помощью метода последовательного интегрирования устанавливаются аналитические зависимости, определяющие значения коэффициента возврата с учетом характера связей и движений всех элементов замкнутой САУ гидропередачей. Пушкарев И. Ф. исследует движение золотника управления механической САУ гидропередачей тепловоза, где в качестве рекомендации предлагается введение в САУ гидропередачей жесткой положительной обратной связи. Использование жесткой положительной обратной связи сокращает длительность переходного процесса, а также снизить падение силы тяги и скорости движения за счет увеличения входной величины центробежного измерителя.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Осипов, Артем Владимирович, 2013 год

БИБЛИОГРФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Агеев К.П. Рельсовые автобусы РА-1, РА-2. Устройство основных узлов, устройство аппаратов, электрические и пневматические схемы - М.: Центр Коммерческих разработок, 2007, 160 с.

2. Алексапольский Д. Я. Гидродинамические передачи. М.: Машгиз, 1963, 271 с.

3. Антонов А. С. и др. Гидромеханические и электромеханические передачи транспортных и тяговых машин. М. - Л. «Машгиз», 1963, с. 351

4. Башта Т. М. Гидравлика, гидравлические машины и гидравлические приводы. М.: Машиностроение, 1970. — 504 с.

5. Белов В.А. Повышение эффективности работы гидропередач промышленных тепловозов. М.: Диссертация МИИТ, 2002, 137 с.

6. Вольф Маурицио. Гидродинамические муфты и трансформаторы. Расчет и конструкция. Пер. с нем. инж. Тарнопольского В. М. и канд. техн. наук Рымаренко Л. И. М., «Машиностроение», 1967, с. 320

7. Габриэль В.З, Сидячев Ю. Н. Сравнительные тягово-экономические испытания маневровых тепловозов с электро- и гидро- передачами. М.: Транспортное машиностроение, 1963, №14.

8. Габриэль В. 3., Ильин Ю. Н., Сидячев Н. В. Результаты сравнительных экономических испытаний тепловозов ТГ102 с различными гидропередачами в эксплуатационных условиях. Транспортное машиностроение. М.: НИИИНФОРМТЯЖМАШ, 1968, вып. 13. с. 3 - 8.

9. Гавриленко Б. А, Минин В. А, Рождественский С. Н. Гидравлический привод. М.: Машиностроение, 1968, 502 с.

10. Гавриленко Б. А, Минин В. А. Гидродинамические муфты - М.: ОБОРОНГИЗ, 1959, 338 с.

11. Гавриленко Б. А., Семичастнов И. Ф. Гидродинамические муфты и трансформаторы. М., «Машиностроение», 1969, с. 392

12. Гавриленко Б.А, Семичастнов И.Ф. Гидродинамические передачи: Проектирование, изготовление и эксплуатация- М.: Машиностроение, 1980 г. -224 е., ил.

13. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1992. - 671 с.

14. Исследование режимов работы тепловозов ТГМ23Б с гидротрансформатором ТП500 и Т522 с опытной и серийной САУДТ при эксплуатации на промышленных предприятиях и оценка его эксплуатационной экономичности. Отчет по научно-исследовательской работе, Коломна, ВНИТИ №11, 114 с.

15. Корнеев Н. Н, Еремеев А. С. Результаты тягово-теплотехнических испытаний тепловозов ТГМЗА. Вестник ВНИИЖТа, 1963, №2, с. 16-19.

16. Кочкарев А .Я. Гидродинамические передачи - Д.: Машиностроение, 1971, 336 с.

17. Кудрявицкий В. В. Критерии оценки качества процессов включения и переключения ступеней в гидропередачах локомотивов. Труды МИИТ, вып. 484. М.: Транспорт, 1975. с. 23 -33.

18. Кудрявицкий В. В. Пути улучшения показателей гидродинамических передач маневровых тепловозов. М., 1966.

19. Кудрявицкий В. В. Пути улучшения тягово-экономических и эксплуатационных показателей гидропередач тепловозов. Труды МИИТ, вып. 232. М.: Транспорт, 1966. с. 9 - 20.

20. Кудрявицкий В. В., Мицкевич В. Г., Юшко В. И. Работа гидротрансформатора при частичном наполнении. Транспортное машиностроение. М.: НИИИНФОРМТЯЖМАШ, 1968, вып. 5-68-11. с. 26-31.

21. Кудрявцев А.П. Основы гидродинамического преобразования механической энергии (турбопередачи) - JL: Ленинград, 1934, 194 с.

22. Кудрявцев А.П. Турбопередачи для дизелей и двигателей легкого топлива. Л.: Ленинград, 1937, 148 с.

23. Кудрявцев А. П. Турбопередачи для судов. М., Оборонгиз, 1939, с. 248.

24. Кузьмин Г. Л. Динамический расчет гидротрансформатора. Тр. МИИТ, 1970, №316, с 25-41.

25. Курилкин Д.Н. Повышение тягово-экономических свойств локомотивов с поликарданной передачей. СПб.: Диссертация ПГУПС, 2004.

26. Лабут А. А. Исследование вопросов эксплуатации и ремонта маневровых тепловозов с гидропередачей. М., 1969.

27. Лабут А. А. Исследование работы маневровых тепловозов с гидропередачей. Вестник ВНИИЖТ, № 2, 1969, с. 16 - 19.

28. Лаптев Ю. Н, Ровный С. И. Отклонение потока за колесами гидротурбомашин на переходных режимах работы. Изв. вузов. Энергетика, 1978, №5.

29. Лаптев Ю.Н. Автотракторные гидротрансформаторы - М.: Машиностроение, 1973, 277 с.

30. Лаптев Ю. Н. Динамика гидромеханических передач. М., «Машиностроение», 1983. с. 104.

31. Логунов В.Н, Смагин В.Г. Устройство тепловоза ТГМ6А / М.: «Транспорт», 1989. - 320 с.

32. Лященко А. Е. Основные направления развития гидропередач в зарубежном тепловозостроении. Транспортное оборудование. М.: НИИИНФОРМТЯЖМАШ. 1978.

33. Лященко А. Е. Развитие гидравлических передач в отечественном тепловозостроении. Гидропередачи и гидроавтоматика. Часть 2. М.: ЦИНТИАМ. 1963. с. 27-38.

34. Лященко А. Е., Романенко М. Г., Тресков Ю. П. Гидропередачи зарубежных маневровых и промышленных тепловозов. М.: Транспортное машиностроение (НИИИНФОРМТЯЖМАШ). 1975.

35. Мицкевич В. Г. Пути улучшения процессов переключения в многоциркуляционных гидропередачах тепловозов. М., 1968.

36. Мицкевич В. Г., Кудрявицкий В. В. К теории переходных процессов в многоциркуляционных гидродинамических передачах тепловозов. Труды МИИТ, вып. 315. М.: Транспорт, 1968. с. 98 - 107.

37. Мицкевич В. Г., Кудрявицкий В. В. Оценка качества процесса переключения ступеней скорости гидросиловых установок. Транспортное машиностроение. М.: НИИИНФОРМТЯЖМАШ, 1968, вып. 5-68-12, с. 22 - 27.

38. Мицкевич В. Г., Кудрявицкий В. В. Улучшение переходных процессов в многоциркуляционных гидропередачах тепловозов. Транспортное машиностроение. М.: НИИИНФОРМТЯЖМАШ, 1968, вып. 5-68-11. с. 17 - 20.

39. Нарбут А. Н. Гидротрансформаторы - М.: Машиностроение, 1966, 216 с.

40. Осипов А. В., Кручек В. А., Курилкин Д. Н. О расчете уравнения баланса энергии гидравлического аппарата. Путь и путевое хозяйство: Научно-популярный, производственно-технический журнал. МПС России, РИТОЖ. - М.: Трансжелдориздат. 2013. - №8.

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

42. Осипов А. В. Переходные процессы в многоциркуляционных гидродинамических передачах тепловозов. «Высокие технологии, экономика, промышленность». Том 2, часть 2. СПб., 2012. с. 119 - 124.

43. Осипов А. В., Кручек В. А., Курилкин Д. Н., Чурков Н. А., Битюцкий А. А. Повышение эффективности работы системы автоматического управления гидропередачей маневрового тепловоза. «Известия ПГУПС», вып. 2. 2013 г.

44. 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.

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

46. Павленко А.П. Динамика тяговых приводов карданного типа транспортных машин. М. Известия ВУЗов. Машиностроение, 1969 №1 c.l 11.

47. Павленко А.П. Динамика тяговых приводов магистральных локомотивов. М.: Машиностроение, 1991, с. 192.

48. Пат. Би №1129440, И6Н41/22. Устройство для переключения гидротрансформаторов / Тресков Ю. П., Почтарь А. Ю., Иноземцева С. Н.; заявитель и патентообладатель Всесоюзный научно-исследовательский тепловозный институт. - №3511053/25-06. заявл. 12.11.1982. опубл. 15.12.1984, Бюл. №46.

49. Пат. 811 №218946, В61С. Золотниковая коробка многоциркуляционной гидропередачи тепловоза / Жиндарев Ю. А., Дроздов Ю. Т.; заявитель и патентообладатель Калужский машиностроительный завод. - №1096588/27-11. заявл. 12.08.1966. опубл. 30.05.1968, Бюл. №18.

50. Пат. Би №350685, В61С9/18. Система автоматического управления многоциркуляционной гидравлической передачи транспортной машины / Воробьев Н. В., Кутырев Ю. Н.; заявл. 16.03.1970 (№1416390/27-11). опубл.

13.09.1972. Бюл. №27.

51. Пат. 8И №405759, В61С9/14. Гидравлическая система управления переключением ступеней скорости гидравлической передачи локомотива / Жиндарев Ю. А., Дроздов Ю. Т.; заявитель и патентообладатель Калужский машиностроительный завод. - №1766775/27-11. заявл. 31.03.1972. опубл.

05.11.1973, Бюл. №45.

52. Пат. Би №405760, В61С9/14. Система переключением ступеней скорости гидравлической передачи локомотива / Жиндарев Ю. А., Дроздов Ю. Т.; заявитель и патентообладатель Калужский машиностроительный завод. -№1766776/27-11. заявл. 31.03.1972. опубл. 05.11.1973, Бюл. №45.

53. Пат. 8И №405761, В61С9/14. Гидравлическая система управления переключением ступеней скорости локомотивов с гидравлической передачей / Жиндарев Ю. А., Дроздов Ю. Т.; заявитель и патентообладатель Калужский машиностроительный завод. - №1766777/27-11. заявл. 31.03.1972. опубл. 05.11.1973, Бюл. №45.

54. Пат. 8и №418363, В61С14. Золотниковая коробка многоциркуляционной гидропередачи / Жиндарев Ю. А., Дроздов Ю. Т.; заявитель и патентообладатель Калужский машиностроительный завод. - №1127364/25-8. заявл. 20.01.1967. опубл. 05.03.1974, Бюл. №9.

55. Пат. БИ №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.

56. Повх. И. Л. Техническая гидромеханика. Л.: «Машиностроение», 1976, 504 с.

57. Пономаренко Ю. Ф. Испытание гидропередач. М.: «Машиностроение», 1968, 292 с.

58. Попов В. Г. О расчете устройств автоматики переключения тепловозных гидропередач. «Вестник ВНИИЖТ», 1961, № 8. с. 20-25.

59. Попов Г. В. Исследование центробежного переключателя системы автоматического управления ступенями скорости гидравлических передач. Труды ВНИИЖТ, вып. 254. М.: Трансжелдориздат, 1963. с. 4 - 72.

60. Попов Г. В., Миловидов Ю. И. Некоторые итоги и перспективы развития тепловозных гидравлических передач. М: ЦНИИ МПС, 1971, вып. 439, с. 3-22.

61. Прокофьев Ю. Н. Баланс энергии гидродинамического трансформатора при неустановившихся режимах работы. Тр. ВИГМ, 1963, вып. 32, с. 28 - 43.

62. Пушкарев И. Ф. Графическое определение устойчивости системы автоматического управления гидромеханической передачи тепловоза. Труды ЛИИЖТ, вып. 184. Л.: Транспорт, 1962. с. 35 - 44.

63. Пушкарев И. Ф. Исследование системы автоматического управления ступенчатой гидропередачи тепловоза на электронной моделирующей установке. Труды ЛИИЖТ, вып. 232. Л.: Транспорт, 1964. с. 44 - 59.

64. Пушкарев И. Ф. Способы улучшения переходных процессов системы автоматического управления гидродинамической передачи тепловозов. Труды ЛИИЖТ, вып. 254. Л.: Транспорт. 1966. с. 37 - 48.

65. Пушкарев И. Ф. Уравнения движения системы автоматического управления гидромеханической передачи тепловоза. Труды ЛИИЖТ, вып. 176. Л.: Транспорт, 1961. с. 70 - 79.

66. Пушкарев И. Ф. Эксплуатационные исследования системы автоматического управления гидропередачей тепловоза ТГ102. Труды ЛИИЖТ, вып. 206. Л.: Транспорт, 1963, с. 11 - 27.

67. Пушкарев И. Ф., Сабуров Ф. Ф. Переходные процессы в многоциркуляционной гидропередаче тепловозов. Труды ЛИИЖТ, вып. 254. Л.: Транспорт, 1966, с. 22 - 36.

68. Руднев В. С. Исследование пускового ГТР тепловозной передачи с общим турбинным валом. М.: Диссертация МИИТ, 1978, 227 с.

69. Сабуров Ф. Ф. Устройства для опорожнения и наполнения гидроаппаратов в многоциркуляционных передачах тепловозов и выбор схемы их работы. Труды ЛИИЖТ, вып. 254. Л.: Транспорт, 1966, с. 13-21.

70. Сабуров. Ф. Ф. Основные уравнения динамики переключения ступеней скорости в многоциркуляционных гидропередачах тепловозов. Труды ЛИИЖТ. Вып. 232. Л.: Транспорт, 1964. с. 133 - 141.

71. Семичастнов И. Ф. Гидравлические передачи тепловозов - М.: Машгиз, 1961,332 с.

72. Собенин Л. А. Исследование совместной работы гидроаппаратов многоциркуляционной гидравлической передачи тепловозов. Л., 1966, с. 16.

73. Собенин Л. А. К вопросу улучшения процесса переключения скоростей в гидропередаче. Труды ЛИИЖТ, вып. 254. Л.: Транспорт. 1966. с. 71 - 79.

74. Степанов Ю. Г. Основы теории лопаточных машин, комбинированных и газотурбинных двигателей. - М.: Машгиз, 1958, 348 с.

75. Степченков В. Т., Сидячев Н. В., Родионов И. Н. Исследование режимов работы и оценка эксплуатационной экономичности тепловозов серии ТГМЗ и ТГМ6 на металлургических предприятиях. Труды ВНИТИ, вып. 41, Коломна, ОНТИ, 1975, с. 31 -43.

76. Стесин С. П, Яковенко Е. А. Лопастные машины и гидродинамические передачи. М.: Машиностроение, 1990, 240 с.

77. Стесин С.П. Оптимизация параметров гидродинамических приводов строительных и дорожных машин - М.: «Машиностроение». 1996 г.

78. Трусов С. М. Автомобильные гидротрансформаторы - М. Машиностроение, 1977, 270 с.

79. Тягово-энергетические показатели маневровых тепловозов с гидропередачей и пути их совершенствования.. Реферативный сборник. Транспортное оборудование. М.: НИИИНФОРМТЯЖМАШ. 1977.

80. Филонов С.П., Гибалов А. И., Быковский В.Е. и др. Тепловоз 2ТЭ116. М.: «Транспорт», 1985, 328 с.

81. Юшко В. И., Мицкевич В. Г. О переходных процессах в многоциркуляционных гидродинамических передачах тепловозов. Труды МИИТ, вып. 243. М.: Транспорт. 1967. с. 135 - 141.

82. Яковлев Г.Ф. Ремонт гидравлических передач тепловозов. М.: «Транспорт», 1975, 264 с.

83. European diesel rivals revive electric versus hydraulic contest. Railway gazette international. July 2006.

84. Voith goes for Maxima impact. International railway journal. Volume 47, Issue 8. August. 2007.