Підвищення ефективності протибуксувальних систем електровозів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ТРАНСПОРТУ ТА ЗВ'ЯЗКУ УКРАЇНИ

Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ПРОТИБУКСУВАЛЬНИХ СИСТЕМ ЕЛЕКТРОВОЗІВ

Спеціальність 05.22.09 - електротранспорт

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

КІЙКО АНАТОЛІЙ ІВАНОВИЧ

Дніпропетровськ - 2008

Анотація

Кійко А.І. Підвищення ефективності протибуксувальних систем електровозів - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.09 - електротранспорт. - Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, Дніпропетровськ, 2008.

Дисертація присвячена підвищенню ефективності протибуксувальних систем електровозів за рахунок створення й впровадження мікропроцесорних систем виявлення граничних сил зчеплення колісних пар з рейками. Кінцева мета роботи - підвищення тягово-зчіпних властивостей, зниження паливно-енергетичних й експлуатаційних витрат електровозів.

Запропоновані математична модель, методика й алгоритми моделювання на ПЕОМ, а також виявлені й досліджені закономірності динамічних процесів у системі «тяговий електропривод - колісна пара - рейкова колія - проти-буксувальна система» при різних їхніх параметрах й експлуатаційних режимах, на основі яких був розроблений і реалізований алгоритм функціонування мікропроцесорних СВГСЗ, що забезпечують попередження розвитку буксування (юза) колісних пар з обмеженням їхнього відносного проковзування не більше 2…5 % на всьому швидкісному діапазоні локомотивів.

Експлуатаційні випробування магістральних електровозів, обладнаних серійною партією розроблених мікропроцесорних систем попередження буксування, підтвердили їхню високу ефективність і стабільність функціонування, які забезпечують підвищення тягово-зчіпних властивостей електровозів на 12…18 % і зниження паливно-енергетичних затрат на 5…11 %.

Ключові слова: колісні пари, рейки, динамічні процеси, буксування, мікропроцесорний пристрій, система виявлення й попередження буксування.

Аннотация

Кийко А.И. Повышение эффективности противобуксовочных систем электровозов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.09 - электротранспорт. - Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, Днепропетровск, 2008.

Диссертация посвящена повышению эффективности противобуксовочных систем электровозов за счет создания и внедрения микропроцессорных систем обнаружения предельных сил сцепления колесных пар с рельсами. Конечная цель работы - повышение тягово-сцепных свойств, снижение топливно-энергетических и эксплуатационных затрат электровозов. На основании выполненного анализа показано, что противобуксовочные системы электровозов, которые используются сейчас, основаны на измерении и сравнении скоростей вращения или зависимых от них токов (напряжений) тяговых электродвигателей буксующих и небуксующих колесных пар и не способны предупреждать процесс их буксования. Они только принудительно прекращают уже развитый процесс буксования за счет сброса тягового момента, который действует на колесную пару. На основе результатов математического моделирования динамических процессов в системе «тяговый електропривод - колесная пара - рельсовый путь - противобуксовочная система» в различных эксплуатационных режимах разработан алгоритм функционирования и само микропроцессорное устройство обнаружения предельных сил сцепления (УОПСС) колесных пар с рельсами, которое обеспечивает предупреждение процессов буксования за счет кратковременной предупредительной подачи песка под соответствующие колесные пары, автоматически регулируемой УОПСС посредством анализа динамических процессов в тяговом приводе каждой колесной пары.

Разработанная микропроцессорная система обнаружения предельных сил сцепления (СОПСС) основана на анализе динамических процессов в тяговом приводе каждой колесной пары и позволяет обнаруживать и предупреждать возможное развитие процессов буксования за счет упреждающей кратковременной подачи песка (длительностью 0,4-0,7 с) под колесные пары в момент времени достижения ними предельных сил сцепления с рельсами, что регулируется автоматически.

Разработана методика выбора и наладки параметров микропроцессорных систем обнаружения предельных сил сцепления (СОПСС), которая позволяет в условиях локомотивного депо определить и установить рациональные параметры СОПСС, которые обеспечат ее дальнейшее стабильное функционирование. Экспериментально подтверждена возможность одноразовой настройи основных параметров СОПСС (центральных частот и порогов отпирания полосовых фильтров) для каждой серии электровозов независимо от срока их эксплуатации.

Эксплуатационные испытания магистральных электровозов, оборудованных серийной партией разработанных микропроцессорных систем предупреждения буксования, подтвердили их высокую эффективность и стабильность функционирования по сравнению с эксплуатируемыми противобуксовочными системами, которые по своему принципу не способны предупреждать процессы буксования, а лишь принудительно прекращают уже развившееся буксование за счет сброса тягового момента, действующего на колесные пары.

Разработанная микропроцессорная СОПСС обеспечивает повышение тягово-сцепных свойств электровозов на 12-18 % и снижение топливно-энергетических затрат на 5-11 %.

Ключевые слова: колесные пары, рельсы, динамические процессы, буксование, микропроцессорное устройство, система обнаружения и предупреждения буксования.

Abstract

Kiyko A.I. Increase of efficiency of electric locomotive antiskid system. - Manuscript.

The dissertation on competition for a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.22.09 - electrical transport. - Dniepropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Dnipropetrovs'k, 2008.

The Thesis deals with raising the efficiency of electric locomotive antiskid systems by means of creating and establishing microprocessor systems of fixing top forces of wheel set-rail cohesion. On the basis of the results of dynamic process mathematical modelling in the system of traction electric drive - wheel set - rail track - antiskid system in different maintenance regimes the algorithm of functioning and micropcessor device of fixing top forces wheel set-rail cohesion have been developed. This micropcessor device ensures provention of skid process due to the transitory preventive feed of sand under corresponding wheel sets. The process is automatically regulated by microprocessor device by means of analysis of dynamic processes in an electric drive of every wheel set.

Maintenance thets of main line electric locomotives equiped with a serial lot of skid prevention microprocessor systems confirmed theis high efficiency and stability of functioning as compared to antiskid systems used nowadays which are not able to prevent skid processes but can only stop skidding which has already been developed. This is done due to throwing off tractive power (traction moment), acting on the wheel sets.

Key words: wheel sets, rail, dynamic processes, skid/slip, microprocessor device, the system of fixing and provention of skid (fixing and provention skid system).

1. Загальна характеристика роботи

До найважливіших техніко-економічних показників електровозів, що експлуатуються і створюються, відносятся сила тяги, яка реалізується на розрахунковому підйомі, питомі паливно-енергетичні й експлуатаційні витрати на одиницю вантажів, які перевозяться. Серед багатьох чинників, що впливають на зазначені показники, важливу роль відіграє ефективність роботи протибуксувальних систем локомотивів.

Актуальність теми. Режими буксування і юза, які виникають, коли тяговий (або гальмівний момент), прикладений до колісної пари, перевищує граничну його величину за умов зчеплення коліс з рейками, є насправді аварійними режимами роботи. У процесі розвитку вказаних режимів більше як в 2,5…3 рази зростає динамічна навантаженість елементів колісно-моторного блоку, різко підвищується спрацювання колісних пар і рейок, знижуються тягові зусилля локомотивів, що у сукупності призводить до суттєвого зростання паливно-енергетичних й експлуатаційних витрат.

Протибуксувальні системи, що застосовують до останнього часу на вітчизняному й зарубіжному рухомому складі, засновані на порівнянні швидкостей обертання або залежного від них струму (напруги) у тягових електродвигунах буксуючих і небуксуючих колісних пар, і через принцип їх дії в переважній більшості випадків неспроможні попереджувати розвиток буксування. Вони виявляють процеси буксування, коли останні вже достатньо інтенсивно розвинулись і для їхнього припинення необхідне зниження тягового зусилля на 40…70 % з подальшим його відновленням. Зазначені перехідні режими скидання й наступного набору позицій контролера машиніста викликають додаткове зростання паливно-енергетичних й експлуатаційних витрат.

Сучасна мікропроцесорна техніка дозволяє створювати протибуксувальні системи, засновані на аналізі динамічних процесів у тяговому приводі колісних пар. Такі системи, на відміну від тих, що експлуатуються, включають мікропроцесорні пристрої виявлення граничних сил зчеплення (ПВГСЗ) колісних пар з рейками, і спроможні попереджувати можливий розвиток буксування без скидання машиністом тягового зусилля за рахунок попереджувальної (тривалістю 0,4…0,8 с) подачі піску під колісні пари, що автоматично регулюється ПВГСЗ. Розробці і дослідженню вказаних протибуксувальних систем присвячена дана робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на основі досліджень, проведених у 2002-2005 рр. по Научно-исследовательской опытно-конструкторской работе (НИОКР) № П/Т 021452/НЮ «Модернизация грузовых электровозов за счет оборудования их системой обнаружения предельных сил сцепления (СВГСЗ) колесных пар с рельсами» и НИОКР № 22.31.02.02 «Разработка модифицированного варианта и оборудование 10-ти електровозов ВЛ82М системой обнаружения предельних сил сцепления колесных пар с рельсами» у відповідності до плану рабіт Укрзалізниці та Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, науково-дослідної роботи № 22.29.01.05-918.01.05 ЦТех (№ ДР 0101U006460) «Проведення експлуатаційно-ремонтних випробувань дослідної партії електровозів ДЕ-1. Визначення критичних вагових норм вантажних поїздів» у відповідності до плану робіт Укрзалізниці та Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна.

Робота виконувалась у відповідності з концепцією і програмою реструктуризації на залізничному транспорті України, які підтверджені рішеннями колегії Міністерства транспорту України відповідно 18.06.1997 р. (прото- кол № 14) і 18.08.1998 р. (протокол № 30).

Мета й задачі дослідження. Метою дослідження є підвищення ефективності роботи електровозів, що виражається в суттєвому зниженні їхніх енергетичних та експлуатаційних витрат за рахунок удосконалення протибуксувальних систем шляхом створення і впровадження мікропроцесорних систем виявлення граничних сил зчеплення і попередження буксування колісних пар.

Для досягнення поставленої мети в дисертації сформульовано і вирішено наступні задачі:

- обґрунтування найбільш перспективних напрямів і засобів підвищення ефективності протибуксувальних систем електричного рейкового транспорту з позицій підвищення їхньої швидкодії й здатності попереджувати розвиток процесів буксування (юза) колісних пар;

- розробка методики й алгоритмів математичного моделювання на ЕОМ динамічних процесів у системах «і-й тяговий електродвигун (ТЕД)-колісна пара-рейкова колія-СВГСЗ» у різних експлуатаційних режимах роботи локомотивів;

- дослідження закономірностей розвитку динамічних процесів у системах «ТЕД-колісна пара-рейкова колія-СВГСЗ» й факторів, які впливають на швидкодію й ефективність протибуксувальних систем;

- розробка структури й алгоритму функціонування мікропроцесорних пристроїв виявлення граничних сил зчеплення (СВГСЗ) колісних пар локомотивів;

- експериментальна перевірка ефективності роботи мікропроцесорних протибоксувальних систем електровозів (СВГСЗ).

Об'єкт дослідження. Динамічні процеси в електромеханічних системах «ТЕД-колісна пара-рейкова колія-СВГСЗ» в режимах реалізації граничних сил зчеплення з переходом до режиму боксування.

Предмет дослідження. Система виявлення й попередження буксування колісних пар локомотивів з мікропроцесорними ПВГСЗ.

Методи дослідження. Сформульовані в роботі задачі вирішено на основі комплексного використання методів математичного моделювання динамічних процесів в електромеханічних системах тягових приводів на ПЕОМ й експериментальних методів у процесі натурних випробувань СВГСЗ, що досліджуються, із застосуванням сучасних комп'ютерних технологій.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Розроблено математичну модель динамічних процесів в електромеханічній системі «тяговий електропривод-колісна пара-протибуксу-вальний пристрій» вантажних і вантажопасажирських електровозів, яка на відміну від існуючої моделі включає модель пристрою виявлення граничних сил зчеплення (ПВГСЗ) і поздовжні коливання координати колісної пари, що дозволило обґрунтовано аналізувати квазістаціонарні режими тяги, а також режими реалізації граничних сил зчеплення з переходом до режиму буксування.

2. Вперше встановлено закономірності впливу конструктивних і експлуатаційних факторів тягових електроприводів та екіпажної частини електровозів (кута нахилу централі тягового редуктора, кутової жорсткості зв'язків якорів і колісних пар, швидкості руху) на амплітудно-частотні характеристики системи «тяговий електродвигун-редуктор-колісна пара-рейки», що дозволило більш точно оцінювати й тим самим впливати на ефективність протибуксувальних систем у режимах реалізації граничних сил зчеплення колісних пар, а отже упереджувати процес розвитку буксування, а не ліквідовувати вже розвинутий процес буксування.

3. Обґрунтовано методи вибору найважливіших параметрів системи виявлення граничних сил зчеплення (СВГСЗ), типу і місця розташування датчиків вхідних сигналів, раціональної кількості смугових фільтрів мікропроцесорних пристроїв виявлення граничних сил зчеплення (ПВГСЗ), діапазону і значень центральних частот, а також ширини смуг пропускання сигналів фільтрів. Зазначені методи відрізняються від існуючих тим, що вони базуються на виявлених в роботі кількісній і якісній різницях амплітудно-частотних характеристик тягового електропривода.

4. Виявлено механізм виникнення і розвитку фрикційних автоколивань у системі «тяговий електродвигун-редуктор-колісна пара-рейкова колія-протибуксувальна система» у момент початку подальшого розвитку буксування колісних пар, що дозволяє надійно прогнозувати характер стійких автоколивань, а отже, і значення ряду центральних частот смугових фільтрів пристрою виявлення граничних сил зчеплення (ПВГСЗ).

5. Запропоновано обґрунтований і експериментально підтверджений метод вибору в експлуатаційних умовах раціональних параметрів мікропроцесорних пристроїв виявлення граничних сил зчеплення (ПВГСЗ), які забезпечують ефективне функціонування протибуксувальних систем електровозів.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені в дисертації методика, алгоритми математичного моделювання й виявлені на їхній основі закономірності розвитку динамічних процесів у системі «тяговий електродвигун-колісна пара-рейкова колія-СВГСЗ» при реалізації граничних сил зчеплення, а також розроблений алгоритм функціонування мікропроцесорних ПВГСЗ дають можливість створювати і виготовляти мікропроцесорні ПВГСЗ, для електровозів, які проектуються.

Розроблені мікропроцесорні ПВГСЗ, порівняно з аналогічними пристроями, що застосовувались раніше і працювали на аналоговому принципі, дозволяють:

- суттєво спростити конструкцію, зменшити габарити ПВГСЗ й довести до мінімуму вплив зовнішніх факторів (кліматичних умов, навмисного втручання в роботу пристрою та ін.) на змінення основних параметрів ПВГСЗ;

- кардинально полегшити й спростити процедуру налагодження й подальшого контролю основних параметрів ПВГСЗ, а також датчиків вхідних сигналів у процесі технічного обслуговування ПВГСЗ при експлуатації;

- забезпечити надійний захист від хибного спрацювання СВГСЗ при проходженні стрілочних переводів, стикових з'єднань та ін.

Мікропроцесорними СВГСЗ було обладнано у 2002-2003 рр. вісім електровозів ВЛ82М (локомотивне депо Куп'янськ Південної залізниці) та чотири електровози ВЛ11М у 2008 р. (локомотивне депо Львів-захід Львівської залізниці).

Проведені експлуатаційні випробування підтвердили основні теоретичні висновки дисертації.

Особистий внесок здобувача:

- розробка методики й алгоритму математичного моделювання динамічних процесів у системі «тяговий електродвигун-колісна пара-рейкова колія- СВГСЗ» у режимі реалізації граничних сил зчеплення [1; 5; 6];

- розробка алгоритму й елементів програмного забезпечення функціонування мікропроцесорного варіанту ПВГСЗ [2; 7; 8];

- аналіз, узагальнення й виявлення закономірностей розвитку процесів у системах «тяговий електродвигун-колісна пара-рейкова колія-СВГСЗ» при реалізації граничних сил зчеплення з рейками й буксуванню колісних пар [4; 5; 6];

- участь у випробуваннях й узагальнення результатів натурних експериментальних досліджень мікропроцесорних СВГСЗ на електровозах [3].

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати роботи доповідались й одержали схвалення на:

-XII, XIII і XIV міжнародних науково-технічних конференціях «Проблеми розвитку рейкового транспорту» (Крим, 2002, 2003, 2004 рр.);

- V і VI міжнародних науково-технічних конференціях «Проблемы механики горно-металлургического комплекса» (м. Дніпропетровськ, 2002, 2004 рр.);

- III міжнародній науково-технічной конференції «Подвижной состав XXI века. Идеи, требования, проекты» (Санкт-Петербург, 2003 р.).

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету й задачі роботи, визначено об'єкт і предмет досліджень, приведено основні наукові положення, подано відомості про практичне значення результатів роботи, апробацію і публікацію матеріалів досліджень.

У першому розділі приведено аналіз стану роботи, яка досліджується.

У результаті проведеного аналітичного обзору й систематизації існуючих протибуксувальних систем електровозів з урахуванням тенденцій їхнього розвитку показано, що переважна більшість протибуксувальних систем, які експлуатуються, основаних на реєстрації й кількісній оцінці різностей швидкостей обертання або залежного від них струму (напруги) в тягових електродвигунах буксуючих і небуксуючих колісних пар або похідних у часі від вказаної різниці, в принципі не здатні попереджувати розвиток буксування колісних пар. Вони виявляють уже достатньо інтенсивно развинуте буксування й примусово припиняють його за рахунок різкого зниження тягового моменту на відповідних колісних парах. Застосування радарних та інших пристроїв для визначення швидкості поступального руху локомотивів з подальшим його порівнянням зі швидкістю точок на ободі бандажів різних колісних пар лише трохи покращує чутливість подібних систем до виявлення буксування, але в більшості випадків не дозволяє попереджувати розвиток вказаних процесів. І тільки використання СВГСЗ, які базуються на аналізі динамічних процесів у системах «тяговий електродвигун-тяговий редуктор-колісна пара-рейкова колія» приводу кожної колісної пари із застосуванням сучасних мікропроцесорів і комп'ютерних технологій, дозволяє надійно попереджувати розвиток процесів буксування електровозів.

Аналіз конкретних робіт як вітчизняних, так і зарубіжних вчених в галузі протибуксувальних систем дозволив обґрунтувати задачі, що розглядаються в дисертації, й намітити шляхи до їх вирішення.

Другий розділ дисертації присвячено математичному моделюванню динамічних процесів в електромеханічних системах магістральних електровозів - «тяговий електродвигун-тяговий редуктор-колісна пара-рейкова колія-СВГСЗ» у квазістаціонарних режимах тяги і - реалізації граничних сил зчеплення, а також у нестаціонарних режимах буксування колісних пар.

Обґрунтовано вибір розрахункової схеми (рис. 1) і розроблена математична модель [рівняння (1)] для дослідження особливостей динамічних процесів у системах, які розглядають.

(1)

де - відповідно миттєва величина моменту й статична тягова характеристика ТЕД, електромагнітна постійна кола ТЕД; , , - характеристика зчеплення s-го колеса, безрозмірна характеристика зчеплення коліс і потенційне значення коефіцієнта зчеплення; , , , , , , , - відповідно маси й моменти інерції відносно центральних вісей корпуса блоку «редуктор-ТЕД», якоря ТЕД, колісної пари й кожного її s-го колеса з урахуванням жорстко пов'язаних з ними мас редуктора (, , ); - передатне число редуктора й узагальнююча вертикальна нерівність рейкової колії під s-м колесом, що задається як у детермінованій, так і у випадковій формі через спектральну щільність; - базовий линійний параметр редуктора, відстані вздовж централі редуктора від вісі колісної пари до центрів ваги корпуса блоку «ТЕД-редуктор» і якоря ТЕД, а також кут нахилу централі редуктора до горизонтальної вісі x.

Наявність протибуксувальної системи, головним вузлом якої (рис. 2) є мікропроцесорне ПВГСЗ, яке включає (рис. 3) блок вузькосмугових фільтрів по m фільтрів () на кожну колісну пару з центральними частотами й порогами їхнього відпирання , враховується шляхом додаткової системи з m диференціальних рівнянь у вигляді

. (2)

Вхідним сигналом є нормована величина вертикального прискорення вібродатчика 1, який закріплюють на корпусі блоку «тяговий електродвигун-редуктор» (див. рис. 1)

, (3)

де - миттєва величина (усереднення за малий проміжок часу) вертикального прискорення вібродатчика; - прискорення датчика, замірене й усереднене на відрізку часу тривалістю 0,5…5 секунд.

Обрана розрахункова схема і запропонована математична модель (1)-(3) використовується в роботі при розв'язанні поставлених задач стосовно до вантажних електровозів з опорно-вісевою підвіскою ТЕД - і двосторонньою передачею моменту від ТЕД до колісної пари і до - вантажно-пасажирських електровозів з опорно-рамною підвіскою ТЕД і вісевими редукторами. В останньому випадку в рівняннях (1) необхідно прийняти , , , а також відкорегувати значення параметрів , , , .

Розроблено методики і алгоритми їхньої реалізації на ПЕОМ для дослідження квазістаціонарних режимів тяги і реалізації граничних сил зчеплення, коли нелінійні функції , , , що входять до рівняння (1), лінеаризують поблизу рівновісного режиму. Це відповідає точці перетину приведеної до вісі колісної пари тягової характеристики тягового електродвигуна і кривої зчеплення (точка відповідає режиму тяги, точка - режиму реалізації граничних сил зчеплення - див. рисунок 1), а також для аналізу режимів буксування, коли використовуються чисельні методи (метод Рунге-Кутта 4-го порядку) для рішення нелінійних рівнянь (1).

У випадку квазістаціонарних режимів лінеаризовані нелінійні члени рівняння (1) мають вигляд:

(4)

де , , , - приведені до вісі колісної пари тяговий момент тягового електродвигуна, крутизна його тягової характеристики, зчеплення s-го колеса і безрозмірної характеристики зчеплення колісної пари в рівновісному режимі, коли швидкість просковзування коліс дорівнює або .

Задавшись конкретним видом узагальненої нерівності колії в детермінованій або випадковій формі на швидкісному інтервалі і використовуючи матричні методи рішення рівнянь (1) з урахуванням (4), було одержано амплітудно-частотні характеристики АЧХ для узагальнених фазових координат системи, які зацікавили (1). При цьому в рівняннях (1) і (4) крутизна характеристики зчеплення s-го колеса (див. рисунок 1) мала значення при квазистаціонарних режимах тяги і приймалась в режимах реалізації граничних сил зчеплення.

Моделювання режимів реалізації електровозами граничних сил зчеплення з переходом до буксування при км, коли вимушеними коливаннями екі-пажу можно знехтувати, вбачаючи в (1) , здійснювали двома характерними для реальної експлуатації способами: а) за рахунок пришвидшеного набору позицій контролера машиніста, що рівнозначно при моделюванні на ПЕОМ стрибкоподібному підйому в момент часу тягової характеристики паралельно її попередньому положенню, коли , , до рівня, що відповідає перетину кривих і в точці; б) за рахунок стрибкоподібного зменшення на 5…50 % потенційного значення коефіцієнта зчеплення з подальшим його відновленням через 0,3…2 с (наїзд на пляму мастила). При цьому початкові значення фазових координат системи в момент визначали за допомогою рівнянь (1) за умов реалізації передуючого рівноважного режиму, коли швидкості просковзування коліс , а узагальнене прискорення системи , , , , дорівнює нулю.

Додатково в кожному з указаних двох випадків розглядали режим вимикання СВГСЗ від виконавчої частини протибуксувальної системи, коли не враховували рівняння (2), і режим вмикання СВГСЗ, коли враховували повну систему рівнянь (1), (2), і розроблена обчислювальна програма передбачала у випадку перевищення вхідного сигналу для будь-якого m-го смугового фільтру (або для кількох одночасно) його порогового значення стрибкоподібне збільшення потенціального коефіцієнта в 1,1…1,8 разу з запізненням с.

Для уточненого дослідження особливостей динамічних процесів у системі і вибору раціональних параметрів ПВГСЗ за умов експлуатаційних режимів, які розглядаються на швидкісному інтервалі , був застосований експериментально-апаратурний метод моделювання, суть якого в наступному. За допомогою спеціального вимірювального комплексу разом з комп'ютером типу Note Book записувалися до пам'яті комп'ютера сигнали від датчиків прискорення кожної колісной пари електровоза в реальних режимах його експлуатації (режими тяги, вибігу, буксування, проходу стикових з'єднань і стрілочних переводів). Сигнали з вібродатчиків, записані в пам'ять комп'ютера в реальних режимах руху електровозу, після у стаціонарних умовах подаються будь-яке число разів на вхід мікропроцесорного ПВГСЗ при різних параметрах останнього (центральних частот, порогов відмикання смугових фільтров та ін.).

У результаті математичного моделювання квазістаціонарних режимів тяги й граничних сил зчеплення на швидкісному інтервалі й аналізу одержаних амплітудно-частотних характеристик різних вихідних процесів системи при варіюванні її інерційних, пружно-дисипативних і конструктивних параметрів було встановлено таке:

1) суттєва кількісна і якісна відмінність енергетичних спектрів (АЧХ) вихідних процесів системи в режимах тяги (вибігу) електровоза складає 6…32 %. Це має місце, коли крутизна характеристик зчеплення колісних пар з рейками, що реалізуються, максимальна, порівняно з режимами реалізації граничних сил зчеплення, коли вказана крутизна відповідно дорівнює нулю або від'ємна;

2) найбільшою інформативністю стосовно виявлення всіх можливих резонансних максимумів кривих АЧХ вихідних процесов системи має АЧХ вертикального прискорення колеса вісі локомотива ;

3) за умов надійності «спрацювання» мікропроцесорних ПВГСЗ, головною ланкою яких є блок смугових фільтрів, число вказаних фільтрів повинно складати не менше 2…5 для кожної колісної пари;

4) суттєвий вплив на частоти резонансних максимумів кривих АЧХ (див. рис. 4) впливає швидкість поступального руху локомотивів (особливо в інтервалі швидкостей км/год), а також приведена до вісі колісної пари еквівалентна кутова жорсткість с зв'язку якоря ТЕД з колісною парою і кут нахилу централі тягового редуктора до площини колії;

5) теоретично обґрунтовано можливість одноразового й ідентичного настроювання параметрів ПВГСЗ для електровозів однієї серії поза залежністю від величини їхнього післяремонтного пробігу.

Математичне моделювання режимів реалізації граничних сил зчеплення з наступним переходом до режиму буксування, коли СВГСЗ вимкнуто від виконавчої системи подачі піску під колісні пари або зниження діючого на них тягового зусилля, а також в режимах спільної роботи СВГСЗ і виконавчої протибуксувальної системи дозволило проаналізувати вплив різних значень пружно-дисипативних і конструктивних параметрів розрахункової схеми на характер розвитку фрикційних автоколивань, що збуджуються силами зчеплення коліс з рейками, коли швидкість ковзання коліс відповідає падаючій ділянці (з від'ємною кутизною) кривої зчеплення. Зокрема вивчено вплив указаних факторів на інтенсивність (у часі) збудження, умов усталеного розвитку й наступного затухання фрикційних автоколивань, на їх частотний склад, рівень динамічних сил, що виникають при цьому, і моментів в різних вузлах системи.

З використанням експериментально-апаратурного методу моделювання вивчено характер динамічних процесів у системі при проходженні електровоза з поїздом стикових з'єднань, стрілочних переводів при швидкості , а також у режимах реалізації граничних сил зчеплення з переходом до режиму буксування при швидкостях км/год.

Проведене моделювання дозволило узагальнити закономірності розвитку динамічних процесів в системах, які розглядаються, для різних експлуатаційних режимів, сформулювати технічні вимоги й надати рекомендації щодо вибору структури й раціональних параметрів ПВГСЗ, що забезпечують їхню максимальну швидкодію й ефективність. Зокрема встановлено, що основними динамічними процесами, які забезпечують появу інформативного сигналу від датчика 1 для «спрацювання» ПВГСЗ, є фрикційні автоколивання у системі, коли швидкість руху потягу порівняно невелика (0?V<15 км/год), і вимушені коливання, обумовлені збуреннями з боку рейкової колії, коли швидкість локомотиву .

Третій розділ присвячено обґрунтуванню структури, алгоритму функціонування, а також розробці методики вибору й налагодження основних параметрів мікропроцесорних ПВГСЗ.

Розроблений за участю автора мікропроцесорний ПВГСЗ складається з корпуса й двох інтегральних плат, одна з яких є блоком живлення, а друга - безпосередньо мікропроцесорним модулем, що має i однотипних каналів (і дорівнює числу датчиків вхідних сигналів ). Аналоговий вхідний сигнал від кожного і-го датчика) після проходження блоку підсилювачів і аналогово-цифрового перетворювача (АЦП) надходить на вхід блоку j паралельно до включених смугових фільтрів (), які нормально замкнені, якщо тяговий момент, що реалізується і-ю колісною парою, менший граничного за умов зчеплення коліс з рейками, і відмикаються при досягненні колісною парою межі по зчепленню і при подальшому її можливому буксуванню. Після прохода j-го порогового фільтра сигнал випрямляється й згладжується (усереднюється на заданому інтервалі часу ), і в подальшому надходить на вхід виконавчої протибоксувальної системи (подачі піску під і-ту колісну пару або регулювання тягового моменту і-го тягового електродвигуна).

В роботі запропоновано алгоритм функціонування мікропроцесорного ПВГСЗ, в основі якого закладена процедура формування нормованого сигналу кожного j-го порогового фільтра стосовно до і-му каналу у вигляді:

, (5)

де - усереднена за малий проміжок часу (0,01…0,3 с) величина вихідного сигналу j-го порогового фільтра; , - усереднена за порівняно «значний» проміжок часу (0,8…7 с) величина сигналу і-го датчика після проходження його блоку АЦП і деяке мінімальне значення вказаного сигналу; - константа (), яку вибирають у процесі настроювання ПВГСЗ.

Кожний j-й порогів фільтр і-го вхідного каналу ПВГСЗ вважається «відкритим» (пропускає сигнал до блоку аналізу перешкод і далі до блоку АБО), якщо виконується умова

(6)

і вважається «закритим», якщо .

Слід підкреслити, що запропонований алгоритм функціонування мікропроцесорних ПВГСЗ, який математично описаний виразами (5) і (6), з урахуванням установлених в розділі 2 закономірностей зміни АЧХ вихідних сигналів системи при переході від режиму нормальної тяги до режимів реалізації граничних сил зчеплення забезпечує автоматичне обчислення і видачу на відповідний компаратор напруг порогів відмикання порогового фільтра , , …, при одноразово вибраних параметрах ПВГСЗ (центральних частот , величин ,, інтервалу часу усереднення вихідного сигналу і-го датчика і j-го ПФ - ) без залежності від величини швидкості локомотива і стану рейкової колії.

Викладено методику вибору й налагодження вказаних параметрів ПВГСЗ, наведено технічні характеристики реалізованих і тих, що пройшли експлуатаційні випробування мікропроцесорних ПВГСЗ.

Четвертий розділ присвячено експериментальним дослідженням ефективності роботи мікропроцесорних СВГСЗ в умовах реальної експлуатації обладнаних ними електровозів подвійного живлення ВЛ82М.

Викладено методику і результати експлуатаційних випробувань СВГСЗ, що тривали з жовтня 2002 р. до березня 2004 р. на різних електровозах серії ВЛ82М з різними за вагою поїздами.

До найважливіших технічних характеристик СВГСЗ, які випробовуються, підлягають експериментальній перевірці і визначають у кінцевому рахунку ефективність їхньої роботи, відносяться:

1) чутливість системи до виявлення реалізації кожною колісною парою граничних сил зчеплення і попередженню боксування, яка характеризується часом в секундах від моменту початку нарощування (сплеску) відповідних гармонік вихідного сигналу датчика прискорення до моменту «спрацювання» СВГСЗ;

2) завадозахищеність системи або відсутність хибних «спрацювань» СВГСЗ тривалістю, яка допускає вмикання системи подачі піску під колісні пари при проходженні стикових з'єднань і стрілочних переводів.

Результати експлуатаційних випробувань мікропроцесорних СВГСЗ повністю підтвердили основні теоретичні положення і результати математичного моделювання, покладені в основу алгоритму функціонування й вибору параметрів ПВГСЗ. Випробування підтвердили стабільність і високу ефективність роботи СВГСЗ порівняно зі штатними протибуксувальними системами, яка проявляється у здатності СВГСЗ надійно попереджувати розвиток буксування колісних пар без скидання і наступного відновлення тягового моменту, за рахунок попереджувальної короткочасної (тривалістю 0,4…0,7 с) подачі піску під колісні пари, яка автоматично регулюється СВГСЗ. Якщо при вимиканні СВГСЗ і реалізації граничних сил зчеплення машиніст був змушений, як правило, через 2…4 с скидати навантаження з тягового електродвигуна, щоб зупинити розносне буксування колісних пар (при цьому штатна протибуксувальна система «спрацьовувала», як правило, лише на кінцевому етапі буксування за 0,2…0,3 с до скинення навантаження), то при увімкнутій СВГСЗ і реалізації граничних сил зчеплення протягом 15…60 і більше секунд, виникнення реального буксування зафіксувати не було можливим. Це пояснюється періодичним «спрацюванням» мікропроцесорних ПВГСЗ з подачею піску під відповідні колісні пари.

У кінці розділу на основі результатів експлуатаційних випробувань СВГСЗ і наявних даних технічних характеристик кращих зарубіжних протибуксувальних систем виконано попередній розрахунок економічної ефективності впровадження мікропроцесорних СВГСЗ на вітчизняному рухомому складі.

Висновки

У дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-технічна задача підвищення ефективності протибуксувальних систем електровозів за рахунок розробки і застосування мікропроцесорних систем виявлення граничних сил зчеплення й попередження буксування колісних пар. Виконані в роботі теоретичні й експериментальні дослідження дозволяють зробити наступні висновки.

1. Протибуксувальні системи, що застосовують сьогодні, базуються переважно на вимірюванні і подальшому порівнянні швидкостей обертання або залежних від них напруг, струмів у ланцюгах тягових електродвигунів боксуючих і небуксуючих колісних пар (або похідна в часі від названих величин), принципово нездатні попереджувати розвиток буксування, вони тільки усувають вже розвинений процес буксування за рахунок скидання моменту тягових електродвигунів на 40…70 %. Найбільш перспективними, що мають більш високі техніко-економічні показники, є протибуксувальні системи, які ґрунтуються на аналізі динамічних процесів у тягових приводах колісних пар з використанням мікропроцесорних ПВГСЗ, що забезпечують попередження процесів буксування.

2. Розроблено математичну модель, методики й алгоритми математичного й експериментально-апаратурного моделювання динамічних процесів у системі «тяговий електродвигун-колісна пара-рейкова колія-протибуксувальна система» для різних експлуатаційних режимів: тяги, реалізації граничних сил зчеплення, режимів буксування.

3. Вперше виявлено й вивчено закономірності впливу на характер динамічних процесів у системі «тяговий електродвигун-колісна пара-рейкова колія-протибуксувальна система» при реалізації режимів тяги, граничних сил зчеплення й буксування колісних пар експлуатаційних і конструктивних факторів: швидкості руху електровоза, жорсткісних і дисипативних характеристик системи, кута нахилу централі тягового редуктора до вісі колії. Виявлені суттєві кількісні (на 6…32 %) і якісні відмінності амплітудно-частотних характеристик динамічних процесів у вказаній системі в режимах буксування й реалізації граничних сил зчеплення (порівняно з квазістаціонарними режимами тяги) покладені в основу розробки алгоритму функціонування й методики вибору параметрів ПВГСЗ.

4. Основною причиною появи інформаційного вхідного сигналу для «спрацювання» ПВГСЗ при досягненні колісними парами межі зчеплення є фрикційні автоколивання, які виникають у системі «тяговий електродвигун-колісна пара-рейкова колія-протибуксувальна система» в режимі зрушування електровоза з місця і руху його з малими швидкостями км/год, і - вимушені резонансні коливання у вказаній системі від збурень з боку колії при км/год.

5. Розроблено алгоритм функціонування мікропроцесорних ПВГСЗ, що включає процедуру формування нормованих сигналів смугових фільтрів і наявності ланки розпізнавання перешкод, який усуває недоліки, характерні для аналогових ПВГСЗ, і забезпечує надійне виявлення реалізації колісними парами граничних сил зчеплення і попередження розвитку буксування. Мікропроцесорний ПВГСЗ, створений на основі запропонованого алгоритму його функціонування, не має аналогів в Україні й закордоном і може бути застосованим для будь-якої тягової одиниці рейкового транспорту.

6. Розроблено методику вибору та налагодження параметрів мікропроцесорних ПВГСЗ, яка дозволяє в умовах локомотивного депо визначити й встановити раціональні параметри ПВГСЗ, що забеспечують подальше їхнє стабільне функціонування. Експериментально підтверджено можливість одноразового настроювання основних параметрів ПВГСЗ (центральних частот і порогів відмикання смугових фільтрів) для кожної серії електровозів поза залежністю від тривалості експлуатації.

7. Експлуатаційні випробування електровозів ВЛ82М, обладнаних мікропроцесорними СВГСЗ, на ділянках з мережею змінного й постійного струму, підтвердили основні теоретичні положення дисертації, а саме:

- високу ефективність роботи СВГСЗ порівняно зі штатними протибуксувальними системами, яка виражається у здатності попереджувати розвиток буксування колісних пар без скидання й наступного поновлення тягового моменту ТЕД, а за рахунок СВГСЗ, яка автоматично регулює подачу піску під колісні пари тривалістю 0,4…0,7 с;

- надійність роботи запропонованого алгоритму функціонування мікропроцесорних ПВГСЗ, що забезпечують попередження розвитку буксування колісних пар з обмеженням їхнього відносного сковзання менше 2…5 % і несприйнятливість до перешкод при проходженнні стиків і стрілок, в той час як кращі зарубіжні протибуксувальні системи забезпечують обмеження відносно проковзування коліс в інтервалі 6…24 %;

- здатність СВГСЗ під час руху електровоза з поїздом на підйомі виконувати функції автоматичної системи керування оптимальними зчіпними (і тяговими) характеристиками електровоза, яка забезпечує рух електровоза без буксування.

8. Визначено оцінку економічної ефективності впровадження СВГСЗ на електрорухомому складі. Економічний ефект за рік на один електровоз становить 77,6 тисяч гривнів. Термін окупності витрат при оснащенні електровозів мікропроцесорного СВГСЗ складає біля 0,4 роки.

мікропроцесорний буксування електровоз

Основні положення та результати дисертації опубліковано у таких працях

1. Кийко А.И. Моделирование динамических процессов в системе «тяговый электродвигатель-колесная пара-рельсовый путь-противобуксовочная система» / Кийко А.И., Павленко А.П. // Днепропетровск. Сб. трудов нац. горного ун-та, 2002. - № 13, т. 3. - С. 47-51.

2. Павленко А.П. Микропроцессорная система предупреждения буксования и юза локомотивов / Павленко А.П., Павленко А.А., Павленко В.А., Кийко А.И. // Луганск, 2002. - Вісник Східноукр. нац. ун-ту ім. В. Даля. Технічні науки, Серія «Транспорт». - № 6 (52). - С. 39-42.

3. Павленко А.П. Результаты эксплуатационных испытаний микропроцессорной противобуксовочной системы локомотивов / Павленко А.П., Павленко В.А., Касторный П.М., Кийко А.И. // Луганск, 2003. - Вісник Східноукр. нац. ун-ту ім. В. Даля. Технічні науки. Серія «Транспорт». - № 9 (57). - С. 16-19.

4. Кийко А.И. Моделирование динамических процессов в тяговых приводах локомотивов для различных эксплуатационных режимов / Кийко А.И. // Днепропетровск, 2004. - Сборник трудов Днепропетровского нац. ун-та жел.-дор. транспорта им. акад. В. Лазаряна. - № 4. - С. 44-50.

5. Павленко А.П. Моделирование системы «тяговый электропривод - микропроцессорное устройство предупреждения буксования колесных пар» грузовых електровозов / Павленко А.П., Кийко А.И., Осиновский О.А. // Луганськ, 2004. - Вісник Східноукр. нац. ун-ту ім. В. Даля. Технічні науки. Серія «Транспорт». - № 8 (78), частина 1. - С. 271-277.

6. Павленко А.П. Особенности моделирования динамических процессов в системе тягового электропривода рельсового транспорта при буксовании колесных пар / Павленко А.П., Кийко А.И., Осиновский О.А. // Днепропетровск, 2004. - Сборник научн. трудов нац. горного ун-та. - № 19, т. 4. - С. 54-60.

7. Павленко А.П. Универсальная микропроцессорная система предупреждения буксования и юза тяговых единиц рельсового транспорта / Павленко А.П., Касторный П.М, Кийко А.И., Осиновский О.А. // Днепропетровск, 2004. - Сборник научн. трудов нац. горн. ун-та. - № 19, т. 5. - С. 166-169.

8. Павленко А.П. Свідоцтво про реєстрацію авторського права на твір № 14851. Твір науково-технічного характеру «Мікропроцесорна система виявлення граничних сил зчеплення (СВГСЗ) та попередження буксування колісних пар локомотивів» / Павленко А.П., Павленко А.А., Павленко В.А., Кійко А.І., Касторний П.М., Осиновський О.А. Дата реєстрації 01.12.2005. - 25 с.

Размещено на Allbest.ru