Улучшение сцепных свойств электровозов с бесколлекторными двигателями тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, доктор технических наук Покровский, Сергей Владимирович

• Покровский, Сергей Владимирович
• доктор технических наук
• 1998

Оглавление диссертации доктор технических наук Покровский, Сергей Владимирович

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

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

автоматизации

1.1 .Нагруженность по сцеплению и энергетика электровозов в

эксплуатации с учетом процессов боксования

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

1.3.Постановка задачи исследования

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

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

2.2. Исследование процессов боксования при автоматическом управлении распределенной подачей песка

2.3. Исследования особенностей возникновения синхронного боксования

2.4. Экспериментальная оценка эффективности защиты от

синхронного боксования

2.5. Выводы по разделу

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

тяговым электроприводом

3.1. Теоретическое исследование эффективности поосного регулирования скорости проскальзывания колесных пар

3.1.1. Разработка обобщенной математической модели тягового

эл ектропри вода

3.1.2. Оценка эффективности использования сцепления при различной жесткости тяговых характеристик

3.1.3. Классификация алгоритмов поосного регулирования скорости

* проскальзывания колесных пар и их моделирование

3.1.4. Оценка эффективности алгоритмов поосного регулирования

£

^ скорости проскальзывания колесных пар

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

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

опытном электровозе ВЛ80В с вентильными двигателями

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

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

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

3.6. Выводы по разделу

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

пар

4.1. Особенности протекания динамических процессов в вентильном тяговом электроприводе

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

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

* колесных пар

4.4 Выводы по разделу

Основные результаты и выводы

Список использованной литературы

*

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Улучшение сцепных свойств электровозов с бесколлекторными двигателями»

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 с промышленностью разработана, доведена и внедрена в опытном порядке электронная система защиты от боксования и юза для модернизации электровозов ВЛ80Р;

■ разработана, доведена и внедрена система поосного регулирования проскальзывания колесных пар на грузовом электровозе ВЛ80В-1129 с вентильными тяговыми двигателями;

■ совместно с промышленностью разработана, доведена и внедрена в производство комплексная система управления процессом реализации силы тяги с поосным регулированием скорости проскальзывания колесных пар для пассажирских электровозов ЭП200.

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОВОЗОВ В ЧАСТИ НАГРУЖЕННОСТИ ПО СЦЕПЛЕНИЮ В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ И ПУТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СЦЕПЛЕНИЯ ЗА СЧЕТ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ

1.1. Нагруженность по сцеплению и энергетика электровозов в эксплуатации с учетом процессов боксования

Нагруженность по сцеплению грузовых электровозов в эксплуатации определяется уровнем силы тяги и условиями сцепления. Первое определяется массой поезда, скоростью движения и профилем пути. Второе зависит от многих факторов. Процесс реализации силы тяги колесной парой при движении в рельсовой колее формируется сложными физическими закономерностями. Мгновенная величина силы сцепления колесной пары с рельсами зависит от состояния поверхности рельсов (наличия влаги или масляной пленки), профиля поверхности рельсов и колес, положения колесной пары в колее, вертикальной силы давления колесной пары на рельсы [1-6]. Все эти факторы действуют одновременно, поэтому величина силы сцепления колесной пары имеет случайный характер. Однако, для достаточно протяженного участка пути в определенных условиях можно указать характерные нижнюю и верхнюю границы случайных колебаний силы сцепления. По отношению к этим границам области случайных колебаний силы сцепления режим работы локомотива можно разбить на три диапазона:

■ 1 диапазон - работа со средней силой тяги колесных пар меньше нижней границы области колебаний силы сцепления, что означает работу с запасом по сцеплению без боксования или со случайными редкими пробоксовками;

■ 2 диапазон - работа со средней силой тяги колесных пар в области колебаний силы сцепления, что можно назвать работой на границе сцепления, когда пробоксовки возникают часто, но развиваются относительно медленно и во многих случаях прекращаются без подачи песка;

л 3 диапазон - работа со средней силой тяги больше верхней границы области колебаний силы сцепления, что означает работу с превышением границы сцепления, когда движение без периодической подачи песка невозможно, и всякое выключение форсунок пескоподачи вызывает новый срыв сцепления с интенсивным развитием боксования.

Анализ статистических экспериментальных данных [3,5,6] позволяет оценить границы этих диапазонов по уровню коэффициента сцепления электровоза для трех характерных вариантов условий сцепления: сухих и чистых рельсов, влажных рельсов, рельсов с масляной пленкой (табл. 1.1).

Таблица 1.1.

Границы трех характерных диапазонов работы электровозов по уровню коэффициента сцепления для различных условий

Диапазоны Сухие и чистые рельсы Влажные рельсы Рельсы с масляной пленкой

Работа с запасом по сцеплению до 0,25 до 0,12 до 0,10

Работа на границе сцепления 0,25...0,30 0,12...0,17 0,10...0,15

Работа с превышением границы сцепления выше 0,30 выше 0,17 выше 0,15

Сухие и чистые рельсы позволяют работать преимущественно с запасом по сцеплению. Неблагоприятные погодные условия или смазывающие загрязнения на поверхности рельсов существенно снижают сцепление, и возникновение пробоксовок при коэффициентах тяги выше 0,10...0,12 практически неизбежно. В таких условиях реализовать коэффициент тяги выше 0,10...0,12 возможно только при подаче песка. Это показывают области опытных замеров относительной продолжительности подачи песка Тпес* и относительного избыточного пути проскальзывания колесных пар 8КП* в зависимости от коэффициента тяги Кх, полученные во время испытаний

электровоза ВЛ80РН на Красноярской ж.д. [5] (рис. 1.1 и 1.2). Данные соответствуют ручному управлению подачей песка по визуальным критериям оценки машинистом интенсивности боксования колесных пар электровоза. Для участка было характерно наличие на поверхности рельсов устойчивой масляной пленки (осевого масла).

Сопоставление данных таблицы 1.1 и рис. 1.1 и 1.2 показывает, что для режима работы на границе сцепления (Кт = 0,10...0,15) диапазон необходимой относительной продолжительности подачи песка составляет Тпес* = 10...75%. При этом, избыточный путь проскальзывания в среднем на одну колесную пару электровоза не превышает 8КП* = 3%. Более высокий коэффициент тяги требует повышения интенсивности подачи песка до ТПес* = 100% и сопровождается ростом избыточного пути проскальзывания в среднем до 4...5%.

В последние десять лет наблюдается заметное улучшение сцепных условий на большинстве участков железных дорог. Результаты проведенных учеными ВНИИЖТа исследований позволяют связать это с исключением из эксплуатации большого числа грузовых вагонов с подшипниками скольжения, которые были основным источником масляного загрязнения поверхности рельсов. На рис. 1.3 приведена зависимость общесетевого расхода осевого масла по годам. В настоящее время неблагоприятные условия сцепления стали характерны, главным образом, для соответствующих погодных условий. Это снизило среднеэксплуатационную интенсивность боксования колесных пар электровозов и расход песка. Однако проблема повышения эффективности использования сцепления магистральными электровозами не потеряла своей актуальности. Это показывают результаты исследования нагруженности электровозов в эксплуатации.

В процессе эксплуатации магистральные локомотивы развивают различную силу тяги в широком диапазоне скоростей. Продолжительность работы локомотива с той или иной силой тяги и скоростью определяется массой поезда, профилем пути, графиком движения, а также характерным набором установленных скоростей движения по перегонам и местных

Рис.1.1. Статистическая область расположения экспериментальных точек относительной продолжительности подачи песка от коэффициента тяги (при неблагоприятных условиях сцепления).

Рис.1.2. Статистическая область расположения экспериментальных точек относительного избыточного пути проскальзывания от коэффициента тяги (при неблагоприятных условиях сцепления).

Масса, тыс.

——Вост.-Сибирская ~Забай кал ьская —■Дальневосточная

I I I I I . . .

1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 Рис.1.3. Расход осевых масел по ряду дорог по годам.

1993

10ОО 1300 1600 1900 2200 2500 2800 3100 3300 3700 4000

Масса поезда, тонн

Рис.1.4. Гистограмма распределения масс грузовых поездов для восьмиосных электровозов на одной из дорог сети за несколько лет в начале 80-х годов.

ограничений скорости. В соответствии с Правилами тяговых расчетов [7] круглогодичная масса поезда на сети дорог выбирается по величине расчетного коэффициента сцепления который определяется тяговыми характеристиками электровоза. Исходя из многолетнего опыта эксплуатации грузовых электровозов, проектирование этих локомотивов ведется таким образом, чтобы сила тяги, развиваемая электровозом в расчетном режиме, была выше силы тяги в продолжительном режиме (табл.1.2).

При трогании и разгоне поезда допускается сила тяга электровоза в пределах уставки срабатывания реле защиты по току тяговых двигателей, которая выше тока продолжительного режима на 50...70%. Перегрузка по току в расчетном режиме составляет порядка 20...35%. Такое соотношение параметров продолжительного, расчетного и предельного режимов с учетом реальной работы электровоза на линии обеспечивает нормальную работу тяговых двигателей по нагреванию при ведении полновесного грузового поезда.

Экспериментальное исследование нагрузок тягового привода грузовых электровозов в эксплуатации при вождении поездов расчетной массы было выполнено учеными ОмГАПС Бабичем В.М., Баклановым A.A. и другими [8,9]. В [9] представлены результаты применительно к электровозам переменного тока BJ180K, ВЛ80Т и ВЛ80Р для трех характерных участков: холмисто-горного, холмистого и равнинного с унифицированной массой поезда соответственно 3600, 3600 и 6000 тонн (расчетные массы поездов для данных участков составляют 3800, 4000 и 6200 тонн). Из данных таблицы 1.3 видно, что средние статистические значения тока тяговых двигателей для разных профилей пути близки и составляют 65...73% от тока в продолжительном режиме. В то же время, для холмисто-горного участка характерно большее напряжение на двигателях и реализуемая мощность. В среднем использование мощности тяговых двигателей электровозов в режиме тяги составляет 40...60%, а продолжительность режима тяги от общего времени в пути - 50...70%.

Таблица 1.2.

Параметры основных типов грузовых электровозов в расчетном и продолжительном режимах

Серия электровоза ВЛ10 ВЛ11 ВЛ80С ВЛ80Р ВЛ85

Расчетный коэффициент сцепления 0,250 0,250 0,266 0,289 0,289

Расчетная сила тяги, кН 451 451 502 550 815

Сила тяги продолжительного режима, кН 313 313 401 401 633

Ток двигателей в расчетном режиме, А 550 550 975 1000 1000

Ток двигателей в продолжительном режиме, А 410 410 820 820 820

Коэффициент перегрузки в расчетном режиме по току тяговых двигателей 1,34 1,34 1,19 1,22 1,22

Таблица 1.3.

Результаты опытной оценки нагрузок тягового электропривода электровозов ВЛ80К, ВЛ80Т и ВЛ80Р в эксплуатации на трех характерных участках [9]

Параметр Ток якоря тяговых двигателей, А Напряжение на якоре тяговых двигателей, В

Направление Четное Нечетное Четное Нечетное

Холмисто-горный участок 568 540 776 718

Горный участок 563 521 637 600

Равнинный участок 530 490 650 650

Приведенные данные показывают среднюю нагруженность электровоза при ведении поездов с массой близкой к расчетной, но не позволяют оценить длительность работы в различных режимах с учетом реального разброса масс поездов. В [10] представлено статистическое распределение масс грузовых поездов на одном из грузонапряженных участков железных дорог в начале 80-х годов (рис1.4). Расчетная масса поезда на этом участке составляет 4000 тонн. В середине 90-х годов характер распределения масс грузовых поездов на том же участке для 8 и 12-осных грузовых электровозов остался прежним (рис.1.5 и 1.6). С учетом этих данных по разработанной автором методике определения среднеэксплуатационных показателей электровозов [11,12] был проведен анализ нагруженности грузовых электровозов по сцеплению и влияния потерь энергии от боксования колесных пар на интегральный КПД.

В основе этой методики лежат многовариантные тяговые расчеты по специально разработанной программе. В процессе расчетов формируются двухмерные массивы времени работы электровоза с различной скоростью и силой тяги Ту,Индексы V и f соответствуют интервалам величин скорости и силы тяги с разбиением по 2 км/ч и 25 кН. С учетом принятого распределения масс поездов получают массив усредненных величин Каждому элементу этого массива соответствуют:

- мощность электровоза на ободе колес

Рк=У*Рк/3,6, (1.1)

где V - скорость, соответствующая у-му индексу массива времени; Рк - сила тяги, соответствующая Г - му индексу массива времени;

- потери энергии от боксования колесных пар

ДРб = Рк*(1-Т1сц(Уск*») (1.2)

где Т|сц(Уск*) - КПД процесса сцепления в функции от относительной скорости проскальзывания колесной пары Уск*;

- мощность электровоза на токоприемнике

Рзл = (Рк + ДРб) / ты (V, Гк), (1.3)

где Лэл(У, Гк) - КПД электровоза в функции от скорости и силы тяги, соответствующих индексам \ nf массива времени.

р,%

500

1000

1500

3500

4000

2000 2500 3000

Масса поезда, тонн Рис.1.5. Гистограмма распределения масс грузовых поездов для восьмиосного электровоза на одной из дорог сети в середине 90-х годов.

Р.%

1000

2000 3000 4000

Масса поезда, тонн

5000

6000

Рис.1.6. Гистограмма распределения масс грузовых поездов для 12-осного электровоза на одной из дорог сети в середине 90-х годов.

По массивам мощностей определяют энергию, затраченную на тягу поезда

т л

ЕТ =Х X (Р«)уД*Х.Л (1.4)

у=1 £=1

и энергию, потребленную из контактной сети,

т л

Еэл = X X (Рэл) * Ту,г. (1.5)

Vй 1

Среднеэксплуатационный КПД электровоза за усредненную поездку составит

"эл = Ет/Езл. (1.6)

Аналогичным образом рассчитываются другие среднеэксплуатационные показатели. Погрешность такого способа не превышает 0,5%, что соответствует уровню точности экспериментального определения характеристик электровозов в процессе тягово-энергетических испытаний.

Для оценки среднеэксплуатационной нагружен ности электровозов по сцеплению приняты достаточно типичные участки с горным и равнинным профилем Красноярск - Тайшет и Москва - Смоленск протяженностью по 420 км. Сопоставление процентных распределений суммарных длин элементов с соответствующим уклоном по этим участкам (рис. 1.7 и 1.8) с типовыми профилями [13] говорит о приемлемой представительности.

Расчеты проведены с учетом действующих постоянных ограничений скорости по станциям и искусственным сооружениям для шести вариантов масс поездов применительно к восьмиосному грузовому электровозу. Для участка Красноярск - Тайшет эти массы составили: 3850; 3400; 2800; 2200; 1600 и 1350 тонн, а для участка Москва - Смоленск: 5280; 4675; 3850; 3025; 2200 и 1595 тонн. Для каждой массы поезда произведены расчеты для движения с различной участковой скоростью. Близкой к эксплуатации является величина участковой скорости 55...56 км/ч. Сравнение полученных массивов времени хода с различной скоростью и силой тяги в трехмерном графическом изображении (рис. 1.9 и 1.10) для масс поездов 3850 и 1350 тонн при движении по участку Красноярск - Тайшет с участковой скоростью 62 км/ч показывает,

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Покровский, Сергей Владимирович, 1998 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Минов Д.К. Повышение тяговых свойств электровозов и тепловозов с электрической передачей. М.: «Транспорт». 1965. 267 с.

2. Исаев И.П. Случайные факторы и коэффициент сцепления. - М.: Транспорт, 1977,184 с.

3. Режимы работы магистральных электровозов.- Под ред. О.А.Некрасова, М.: Транспорт, 1983,231 с.

4. Исаев И.П., Лужнов Ю.М. Поблемы сцепления колес локомотива с рельсами.-М.: Машиностроение, 1985.-е.238.

5. Мугинштейн Л.А., Лисицын А.Л. Нестационарные режимы тяги (Сцепление. Критическая норма массы поезда).-М.: Интекст, 1996. -176 с.

6. Лисицын А.Л. Мугинштейн Л.А., Нестационарные режимы тяги (Тяговое обеспечение перевозочного процесса). - М.: Интекст, 1996. -176 с.

7. Правила тяговых расчетов для поездной работы. М.Транспорт, 1985.

287 с.

8. Бабич В.М., Бакланов A.A. Анализ режимов работы магистральных электровозов. - Науч. тр./Омский ин-т инж. ж.-д. Транспорта, Омск, 1975, вып. 171, с. 27-34.

9. Бабич В.М., Полянин Г.Е. Анализ нагрузок тягового привода электровоза в эксплуатации. - Межвуз. сб. науч. тр."Исследование тягово-энергетических показателей электролодвижного состава"./Омский ин-т инж. ж,-д. Транспорта, Омск,1981, с. 9-14.

10. Капустин Л.Д., Копанев A.C., Лозановский А.Л. Надежность и эффективность электровозов ВЛ80Р в эксплуатации. Под ред. Л.Д.Капустина.-М.: Транспорт, 1986. - 240 с. (Надежность и качество).

11. Покровский C.B. Показатели среднеэксплуатационной энергетической эффективности электровозов. Вестник ВНИИЖТ, 1997, № 2, с.23-27.

12. Похель В.Б., Покровский СВ., Широченко H.H. Выбор параметров компенсатора реактивной мощности грузового электровоза с учетом среднеэксплуатационного баланса потребления активной и реактивной энергии. Вестник ВНИИЖТ. 1977. №4. С. 21...26.

13. Методические указания по определению технико-экономической эффективности новых и усовершенстваванных электровозов. Утв. МПС 17.08.1982. М.: Транспорт, 1986,117 с.

14. Определение оптимальной единичной мощности и силы тяги электровозов на перспективу. Отчет ВНИИЖТ по теме 05.31.06.1985.174 с.

15. Барский М.Р. и Сердинова И.Н. Экспериментальное исследование процессов боксования и юза электровозов. Сб. «Проблемы повышения эффективности работы транспорта» Вып.1. Изд-во Академии наук СССР. 1953.

16. Меншутин H.H. Зависимость между силой сцепления и скоростью скольжения колесной пары локомотива. Вестник ВНИИЖТ. 1960. № 7.

17. Меншутин H.H. Исследование скольжения колесной пары электровоза при реализации силы тяги в эксплуатационных условиях. - Тр. ЦНИИ МПС. 1960. Вып. 188, с. 113-132.

18. Минов Д.К. Боксование электровоза и процессы в электрической цепи тяговых двигателей. «Электричество». 1941, № 2.

19. Минов Д.К. Роль скольжения колес при реализации тягового усилия и структура коэффициента сцепления при электрической тяге. Известия АН СССР. ОТН. 1947. №4.

20. Минов Д.К. Теория процесса реализации сил сцепления при электрической тяге и способы повышения их использования. Сб. «Проблемы повышения эффективности работы транспорта». Вып.1. Изд-во Академии наук СССР. 1953.

21. Бовэ Е.Г. Противобоксовочная защита на электровозах. Сб. Новое в устройстве и содержании электровозов и тепловозов. Трансжелдориздат. 1962.

22. Чуверин Ю.И. Электрические противобоксовочные схемы электровозов. Вестник ВНИИЖТ, 1961, № 5.

23. Независимое возбуждение тяговых двигателей электровозов. Под ред. А.Т.Головатого. М.: «Транспорт». 1976. 152 с. Авт.: А.Т.Головатый, И.П.Исаев, Е.В.Горчаков.

24. Меншутин H.H., Фаминский Г.В., Монахов Л.И. Эффективность локомотивов с жесткими характеристиками. «Железнодорожный транспорт». 1984. № 6. С. 52-56.

25. Фаминский Г.В., Меншутин H.H., Филатова Л.М. Улучшение тяговых свойств электровозов при поосном регулировании силы тяги с контролем сцепления. - Тр. ЦНИИ МПС. 1968. вып.78. с 80 -110.

26. Тулупов В.Д. Автоматическое регулирование сил тяги и торможения электроподвижного состава. - М.: Транспорт, 1976, 368 с.

27. Васько Н.М., Пушкарев Н.Г. Электрическая схема электровоза ВЛ84. В сб. «Электровозостроение». № 22.1982. С.39 - 45.

28. Грибанов П.Ф., Малютин В.А., Наумов Б.М. Автоматическое управление независимым возбуждением тяговых двигателей электровоза ВЛ85. В сб. «Электровозостроение». № 28.1987. С. 40 - 54.

29. Гольдин С.Л., Капустин Л.Д., Находкин В.В., Ребрик Б.Н., Широченко H.H. Результаты испытаний электровоза ВЛ80РМ с новым комплектом тиристорных преобразователей и автоматической системой управления. Вестник ВНИИЖТ. 1988. № 4. С. 16-19.

30. Гольдин С. Л. Влияние структуры систем автоматического регулирования на динамическую жесткость тягового электропривода независимого возбуждения. Вестник ВНИИЖТ, 1989, № 1, с. 31-35.

31. Гольдин С.Л. Колесниченко H.H. Устройство контроля скольжения колесных пар локомотивов на основе радиолокационного измерителя скорости. В кн. Совершенствование технологии перевозок, улучшение эксплуатационной деятельности железных дорог и повышение надежности

технических средств железнодорожного транспорта. Сб.научн.тр. М.: Транспорт, 1987, с.45-54.

32. Мугинштейн.Л.А. Экспериметальные методы установления весовых норм грузовых поездов для электровозов постоянного тока. - В кн.: Повышение массы грузовых поездов: Сб. Науч. Тр. М.: Транспорт, 1985, с. 30-47.

33. Лисицын А.Л., Мугинштейн Л.А. Реальные режимы работы грузовых электровозов постоянного тока на грузонапряженных участках. - В кн.: Повышение массы грузовых поездов: Сб. Науч. Тр. М.: Транспорт, 1985, с. 11-29.

34. Меншутин H.H., Монахов Л.И. Методика анализа и контроля режимов экспуатации локомотивов по прокату бандажей колесных пар. - В кн.: Повышение массы грузовых поездов: Сб. Науч. Тр. М.: Транспорт, 1985, с. 63-76.

35. Некрасов O.A., Мугинштейн Л.А., Хацкелевич A.A., Андреев A.B. Закономерности динамического распределения нагрузок между тяговыми двигателями. Вестник ВНИИЖТ, 1992, № 2, с.38-42.

36. Головатый А.Т. Некрасов O.A. Проблемы коэффициента сцепления электровозов. Вестник ВНИИЖТ, 1975, № 7, с. 1-5.

37. Потапов A.C., Лисицын А.Л. Коэффициент сцепления грузовых электровозов. - В сб.: Электроподвижной состав с полупроводниковыми преобразователями. Труды ЦНИИ МПС, вып.473, М: Транспорт, 1972, с.14-21.

38. Головатый А.Т., Некрасов O.A., Палихов А.М. Сцепные свойства электровозов при многократной тяге. Железнодорожный транспорт, 1976, № 10, с. 55-57.

39. Бирюков И.В., Беляев А.И., Рыбников Е.К. Тяговые передачи электроподвижного состава железных дорог. - М.: Транспорт, 1986, 256 с.

40. Бирюков И.В., Львов Н.В. Влияние характеристик тягового привода на условия реализации сцепления. Труды МИИТа, № 445. М. 1973.

41. Львов H.B. Влияние типа тягового привода и характеристик неровностей пути на сцепные свойства локомотива. Труды МИИТа, № 605. М. 1978.

42. Лисунов В.Н. Пути улучшения тяговых свойств и рационального использования сцепления локомотивов. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: ВНИИЖТ, 1987.

43. Лисунов В.Н., Мельк В.О., Талызин A.C. Исследование электромеханических процессов групповой работы колесно-моторных блоков при реализации сцепления. Состояние и перспективы развития электровозостроения: Тез.докл. 5 Всесоюзн.конф. - М., 1981, с. 101-103.

44. Назаров Н.С., Макаров В.В. Эксплуатационные испытания электровоза ВЛ80Р с независимым возбуждением. Науч.-тех. конф. сотр. ИрИИТа и спец. экспл. и строит, ж. д. Сибири и БАМа. Тезисы докл. Иркутск, 1987.

45. Самме Г.В. Закономерности силы трения контакта «колесо-рельс» в режиме тяги локомотива. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: ВНИИЖТ, 1985.

46. Самме Г.В., Николаев И.И. Модернизация электровозов ВЛ8 и ВЛ10 для повышения реализуемой силы тяги по сцеплению. Сб. «Вопросы повышения сцепления колес электрических локомотивов с рельсами». М.: 1977. Сб.науч.тр. ВЗИИТа, вып.88.

47. Тихменев Б.Н., Басов Ю.А., Бовэ Е.Г. Перцовский М.Л. и др. Управление электровозами ВЛ80Р по системе многих единиц. Электрическая итепловознаятяга, 1987, № 11, с. 13-16.

48. Тихменев Б.Н., Кучумов В.А. Электровозы переменного тока с тиристорными преобразователями. - М.: Транспорт, 1988, 311 с.

49. Электроподвижной состав с асинхронными тяговыми двигателями. НАРотанов, А.С.Курбасов, Ю.Г.Быков, В.В.Литовченко; под ред. Н.А.Ротанова.- М.: Транспорт, 1991. -336 с.

50. Гридасов Э.В., Дядичко В.Я., Шапиро М.П., Кривцов А.Г. Результаты испытаний электровоза с асинхронными тяговыми двигателями типа ВЛ86Ф. В сб. науч.тр. Электровозостроение. Том 30. Новочеркасск, 1989, с.58-69.

51. Гордиенко П.И. Боксование электровозов с асинхронными тяговыми двигателями и двигателями пульсирующего тока с независимым возбуждением. В сб. науч.тр. Электровозостроение. Том 30. Новочеркасск, 1989, с.69-74.

52. Система автоматического регулирования электровоза серии 120. Гнездилов В.В. Электрическая и тепловозная тяга, 1988, № 7, с.46-48.

53. Оптимальное использование сцепления на электровозе с трехфазным приводом. Х.-П.Бауэр и др. Железные дороги мира. 1988, № 8, с. 10-24.

54. Дж. Душек, Дж.Шаршмидт. Моделирование электровозов с асинхронным трехфазным приводом. Железные дороги мира. 1994. № 9. С. 13-21.

55. Оптимальное использование сил сцепления электровозами с трехфазным приводом и крутизна характеристик сцепления. Железные дороги мира. №2,1996. С. 42-48.

56. Испытания сцепления, проведенные на линии Вадгассен - Харгартен. Сообщения БЭИ МСЖД. Железные дороги мира, 1973, № 12, с. 69-71.

57. Опытный электровоз с тяговым двигателем трехфазного тока Надерландских железных дорог. Измерения сил сцепления колеса с рельсом. Х.Фин, М.Вейнхард, Н.Зевенховен. Железные дороги мира, 1980, № 11, с.3-13.

58. Мейер Б. Локомотивы с высокими тягово-сцепными качествами и регулируемым крипом. Железные дороги мира, 1989, № 5, с. 18-25.

59. Бушер М. Регулирование проскальзываний колес на электровозах с асинхронным трехфазным приводом. Железные дороги мира, 1994, № 4, с.ЗО-45.

60. Испытания электровозов. Электровоз BJ185. Комплексные динамические и по воздействию на путь. Отчет ВНИИЖТ по теме 05.30.81. 1984. 90 с.

61. Капустин Л.Д., Находкин В.В., Покровский C.B. Результаты тягово-энергетических испытаний электровозов ВЛ85.-Вестник ВНИИЖТ, 1986, № 1, с. 21-25.

62. Покровский C.B., Логинов И.Я., Наумов Б.М. и др. Новая электронная защита от боксования и юза для электровозов ВЛ85 и ВЛ65. Локомотив, 1993, № 5, с.30-33.

63. Мугинштейн Л А, Хацкелевич A.A., Лисицын А. Л., Андреев A.B. Многоканальное устройство для сбора и предварительной обработки данных при испытаниях электроподвижного состава. Авт.св. № 928366.- Бюллетень изобретений, 1982, № 18.

64. Логинов И.Я., Наумов Б.М. Особенности построения САУ с учетом защиты от синхронных скольжений колесных пар электровоза. Сб.нуч.тр. ВЭлНИИ.-1990. Том 31. С.74-80.

65. Волков С.Г., Логинов И.Я., Наумов Б.М., Покровский C.B. Защита от боксования и юза колесных пар без использования датчиков частоты вращения. Тезисы докл.на науч.-техн.конф. Состояние и перспективы развития электровозостроения. Новочеркасск, 1994. С. 40-41.

66. Покровский C.B. Проблема синхронного боксования электровозов. Железнодорожный транспорт, 1998, №1, с.31-35.

67. Шаров В.А. Исследование электромагнитных переходных процессов в силовых цепях асинхронного тягового привода электрического локомотива. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МИИТ, 1981.

68. Автоматизация электрического подвижного состава. - Под ред. ДДЗахарченко. М.: Транспорт, 1978, 280 с.

69. Автоматизация электроподвижного состава. -Под ред. А.Н.Савоськина. М.: Транспорт, 1990, 311 с.

70. Солодунов A.M., Иньков Ю.М., Коваливкер Г.Н., Литовченко В.В. Преобразовательные устройства электропоездов с асинхронными тяговыми двигателями. - Рига: Зинатне, 1991, 351 с.

71. Кондратов В.Д. Математическая модель и устойчивость вентильного тягового двигателя при рекуперативном торможении. В кн.: Электрическое торможение электроподвижного состава: Сб.науч.тр. М.: Транспорт, 1984, с. 31-39.

72. Грибанов П.Ф. Система автоматического регулирования независимого возбуждения электровозов с вентильными тяговыми двигателями. В кн.: Электрическое торможение элекгроподвижного состава: Сб.науч.тр. М.: Транспорт, 1984, с.40-46.

73. Ключев В.И. Теория электропривода: Учебник для вузов.-М.: Энергоатомиздат, 1985. - 560 с.

74. Покровский C.B. Повышение сцепных свойств локомотивов. Вестник ВНИИЖТ, 1997, № 4, с. 35-39.

75. Покровский C.B. Разработка и испытания системы поосного регулирования силы тяги электровоза с вентильными тяговыми двигателями. Вестник ВНИИЖТ, 1989, № 3, с.18-22.

76. Покровский C.B. Устройство для регулирования тока возбуждения вентильного двигателя в групповом приводе для колесного транспортного средства. Авт.св. № 1721781.1991.

77. Покровский C.B. Влияние жесткости тяговых характеристик на эффективность использования потенциального сцепления электровозов. Вестник ВНИИЖТ, 1991, № 1, с. 42-46.

78. Некрасов O.A., Манджавидзе Н.Г. Опытно-расчетная зависимость коэффициента сцепления от жесткости механических характеристик. Вестник ВНИИЖТ, 1987, № 6, с.17-21.

79. Иващенко H.H. Автоматическое регулирование. Теория и элементы систем. М.: Машиностроение, 1973,606 с.

80. Вентильные двигатели и их применение на электроподвижном составе. - Под ред. Б.Н.Тихменева. М.: Транспорт, 1976, 280 с.

81. Покровский C.B. Исследование осевой силы тяги вентильного привода. Вестник ВНИИЖТ, 1985, № 4, с. 16-19.

82. Кучумов В.А., Покровский C.B. Особенности вентильного тягового привода. Электрическая и тепловозная тяга, 1986, № 11, с.36-37.

83. Кондратов В.Д., Широченко H.H., Покровский C.B. и др. Испытания электровоза с вентильными тяговыми двигателями. Электрическая и тепловозная тяга, 1989, № 2, с.28-29.

84. Кондрашов В.Д., Покровский C.B., Петровичев А.П. и др.Методика тягово-энергетических испытаний электроподвижного состава с бесколлекторными тяговыми двигателями. Вестник ВНИИЖТ. 1991. № 6. С.31-35.

85. Покровский C.B., Кондрашов В.Д., Викулин Д.Е. Испытания макетного преобразователя вентильного тягового электропривода. Вестник ВНИИЖТ. 1993. № 8. С. 36-40.

86. Аракелян А.К., Афанасьев A.A. Вентильные электрические машины и регулируемый электроппыргт - а о и* icu i электрические машины. М.: Энергоатомиздат, 1997, - 509 с.

87. Аракелян А.К., Афанасьев A.A. Вентильные электрические машины и регулируемый электропривод. В 2 кн. Кн.2. Регулируемый электропривод с вентильным двигателем. М.: Энергоатом издат, 1997, - 498 с.

88. Копылов И.П., Фрумин В.Л. Электромеханическое преобразование энергии в вентильных двигателях.- М.: Энергоатомиздат.1986,186 с.

89. Лукин В.Н., Романов М.Ф., Толкачев Э.А. Системный анализ электрических цепей и машин. - Л.: издательство Ленинградского университета, 1985, 136 с.

90. Шипилло В.П. Автоматизированный вентильный электропривод. - М.: Энергия, 1969,400 с.

91. Аракелян А.К., Афанасьев А.А., Чиликин М.Г. Вентильный электропривод с синхронным двигателем и зависимым инвертором. - М.: Энергия, 1977, 224 с.

92. Казовский Е.Я. Переходные процессы в электрических машинах переменного тока. - М.: изд. АН СССР, 1962, 624 с.

93. Кон корд иа Ч. Синхронные машины. Переходные и установившиеся процессы. М.: Госэнергоатомиздат, 1959, 272 с.

94. Жерве Г.К. Промышленные испытания электрических машин. М.: Энергия, 1959, 504 с.

95. Гаррис М., Лауренсон П., Стефенсон Дж. Системы относительных единиц в теории электрических машин. М.: Энергия, 1975,120 с.

96. F.Kock, M.Weinhardt. Tractive effort and wheel slip control of locomotive type 120. Autom. Contr.: Selec.pap. 10th Trienn World Congr. Inf.Fed.Autom.Contr., Munich 27-31 July,1987, Val.3 - Oxford etc. 1988.-p.259-270.

97. Weber H.H. Zur Entwicklung eines sechsachsigen Hochleistungs-Triebfahrzeuges fur 15 kV 16 2/3 Hz der SBB. Elektrische Bahnen, 1974, № 8, 174-178.

98. Krettek.O. Die Shleuderwahrscheinlichkeit von Schiertenfahr-zeugen und die Probleme bei der Berechnung. Elektrische Bahnen, 1976, №11, 266-271 und № 12,292-295.

99. S.Nishikata, S. Muto, T.Kataoka. Dynamic Performance Analysis of Self-Controlled Synchronous Motor Speed Control Systems. IEEE Transactions on industry applications, vol 1A-18, № 3, May/June 1982, p.205-211.

100. T.Kataoka. S.Nishikata. Transient Perfomance Analysis of Seif-Controlled Synchronous Motor. IEEE Transactions on industry applications, vol 1A-17, №2, March/April 1982, p.152-159.

101. V.Volouch. Linearised Mathematical Model of the Drive with a of Self-Controlled Synchronous Machine and its Frequency Characteristics. Acta Technica CSAV. 1981, № 6, p.667-687.