CC BY
41
7. Podust S. F. Experimental studies of noise and vibration during the movement of passenger and high-speed trains [Eksperimental'nyye issledovaniya shuma i vibratsii pri dvizhenii passazhir-skikh i skorostnykh poyezdov]. Bulletin of RostovTransport University, 2015, no. 2, рр. 30 - 35.
8. Solonina A. I. Tsifrovaya obrabotka signalov v zerkale MATLAB (Digital Signal Processing in the MATLAB Mirror). St. Petersburg: BHV-Petersburg, 2018, 560 р.
9. Baranov V. M. Akusticheskaya emissiya pri trenii (Acoustic emission in friction). Moscow: Energoatomizdat, 1998, 254 p.
10. Panfilov A. N., Pogorelov A. S. The decision-making model based on fuzzy information [Model' prinyatiya resheniy na osnove nechetkoy informatsii]. Materialy mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii «Modelirovaniye. Teoriya, metody i sredstva» (Proceedings of the Int. scientific-practical conference «Modeling. Theory, methods and means») - Novocherkassk, 2013, рр. 59 - 62.
11. Shtovba S. D. Proyektirvaoniye nechetkikh sistem sredstvami MATLAB (Projecting fuzzy systems by means of MATLAB). Moscow: Hot line - Telecom, 2007, 288 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Войтенко Владимир Афанасьевич
Луганский национальный университет им. В. Даля (ЛНУ).
Молодежный кв., д. 20 а, г. Луганск, 91034.
Кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Микро- и наноэлектроника», ЛНУ.
Тел.: +380 (072) 161-70-10.
E-mail: [email protected]
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Войтенко, В. А. Шумовые характеристики дискового тормоза с плавающей тормозной колодкой [Текст] / В. А. Войтенко // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2018. - № 3 (35). - С. 11 - 19.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Voytenko Vladimyr Afanasyevich
Vladimir Dahl Lugansk National University (LNU).
20 A, Molodyozhny qu., Lugansk, 91034.
Ph. D. in Engineering, Docent, Head of the department «Micro- and Nanoelectronics», LNU.
Phone: +380 (072) 161-70-10.
E-mail: [email protected]
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Voytenko V. A. Noise characteristics of the disc brake with floating brake pad. Journal of Transsib Railway Studies, 2018, vol. 3, no 35, pp. 11 - 19 (In Russian).
УДК 004.94:629.423.1:625.1.032.3
Ю. А. Давыдов, А. К. Пляскин, Д. Ю. Дроголов
Дальневосточный государственный университет путей сообщения (ДВГУПС), г. Хабаровск,
Российская Федерация
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОТИВОБОКСОВОЧНОЙ СИСТЕМЫ С УРАВНИТЕЛЯМИ
Аннотация. Развитие тягового подвижного состава тесно сопряжено с увеличением максимальной силы тяги по сцеплению колес с рельсами. Негативным фактором в этом аспекте развития является боксование. В статье предложен новый способ защиты от боксования колесных пар электровозов 2(3)ЭС5К «Ермак». Способ подразумевает перераспределение тяговых усилий между колесными парами и минимизацию подсыпки песка. В статье рассмотрены принцип работы противобоксовочной системы и принципиальная схема силовой части, проведено моделирование некоторых режимов боксования колесных пар в программном пакете
Ключевые слова: боксование, противобоксовочная система, электровоз, сцепление, МыШзт.
Yuri A. Davydov, Artem K. Plyaskin, Denis Yu. Drogolov
Far Eastern State Transportation University (FESTU), Khabarovsk, the Russian Federation
INVESTIGATION OF ANTI-SLIP SYSTEM WITH EQUIPMENT
Abstract. The development of traction rolling stock is closely associated with an increase in the maximum traction force for adhesion the wheels to the rails. The negative factor in this aspect of development is slipping. The article proposes a new method ofprotection against slipping of wheel sets of electric locomotives 2(3)ES5K «Ermak». The method implies redistribution of tractive forces between wheel sets and minimization of sanding. The paper discusses the principle of operation of the anti-slip system and the principle circuit of the power section, and simulates some modes of wheel sets in the Multisim software package.
Keywords: slipping, traction control system, electric locomotive, adhesion, Multisim.
На протяжении 10 лет (2006 - 2015 гг.) Новочеркасский электровозостроительный завод (НЭВЗ) поставлял новые локомотивы на Дальневосточную железную дорогу (ДВЖД). За этот период в парке приписки ТЧЭ-8 «Смоляниново» был закреплен 91 электровоз серии 2ЭС5К и 54 электровоза серии 3ЭС5К. В свою очередь эксплуатационное локомотивное депо «Хабаровск-II» за аналогичный период получило 31 электровоз серии 2ЭС5К и 168 электровозов серии 3ЭС5К [1]. В настоящее время электровозы 2(3)ЭС5К «Ермак» остаются основными грузовыми локомотивами Дальневосточной железной дороги.
Однако эксплуатация данных электровозов не ограничивается исключительно границами ДВЖД. Так, Забайкальская, Восточно-Сибирская и Октябрьская железные дороги по соответствующим эксплуатационным депо «Чита», «Вихоревка» и «Кандалакша» также относятся к категории основных эксплуатантов указанных электровозов. В январе 2018 г. начались поставки электровозов 2(3)ЭС5К на Красноярскую железную дорогу в эксплуатационное локомотивное депо «Абакан-II».
Одним из критериев улучшения технико-экономических показателей подвижного состава согласно целям «Стратегии развития железнодорожного транспорта в РФ до 2030 года» [2] является повышение производительности локомотивов на 18,2 %.
В свою очередь повышение производительности локомотивов можно осуществить за счет улучшения их тягово-сцепных свойств. Это позволит увеличить длину и массу грузовых поездов. Стоит отметить, что в настоящее время условия сцепления колеса с рельсом являются одним из определяющих факторов ограничения максимальной силы тяги. Исходя из этого критическая масса поезда вычисляется через расчетный коэффициент сцепления. Однако он часто, не равен действительному коэффициенту сцепления, который зависит от множества факторов и достаточно вариативен.
Широкий диапазон изменения действительного коэффициента сцепления зависит от таких особенностей электровозов: вида тяговой характеристики, диаметра бандажей колесных пар, соответствия характеристик и схемы соединения тяговых электродвигателей, развески локомотива. Все это оказывает значительное влияние на сцепные свойства электровоза и при негативном сценарии может способствовать развитию боксования, что непосредственно снизит тяговые возможности электровоза.
Предложенный в статье [3] вариант модернизации электровозов «Ермак» противобоксо-вочной системой с уравнителями может нивелировать проблему боксования через увеличение жесткости тяговых характеристик.
Противобоксовочная система с электрическими уравнителями обеспечивает перераспределение тяговых усилий между боксующими и небоксующими колесными парами, уменьшение скорости проскальзывания боксующих колесных пар, а также автоматическую дозированную подачу песка под боксующую секцию электровоза.
Подключение системы уравнителей производится к «средним точкам» всех четырех тяговых электродвигателей в секции. Схема подключения представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Схема подключения системы уравнителей
В статическом состоянии (без боксования) «средние точки» всех двигателей имеют очень близкие потенциалы, а небольшой уравнительный ток компенсируется системой уравнителей. При возникновении боксования ток якоря боксующего двигателя снижается, что приводит к уменьшению потенциала его «средней точки» по отношению к потенциалам «средних точек» других тяговых двигателей. Под действием этой разности потенциалов начинают протекать уравнительные токи, подпитывающие обмотку возбуждения боксующе-го двигателя. В результате этого скорость его вращения уменьшается и процесс боксования прекращается.
Снижение скорости проскальзывания колес при боксовании система электрических уравнителей осуществляет следующим образом: при возникновении боксования на двигателе № 1 уменьшится ток, протекающий по якорной обмотке, в результате этого можно говорить об уменьшении потенциала средней точки двигателя № 1 по отношению к потенциалам средних точек остальных тяговых двигателей секции. Эта разность потенциалов вызывает появление уравнительного тока, протекающего по следующим контурам:
контур первый (сплошная линия): «плюс» выпрямительно-инверторного преобразователя №1 (ВИП-1) - якорь двигателя № 2 - система уравнителей - обмотка возбуждения двигателя №1 - (ОВ-1) - «минус» ВИП-1;
контур второй (пунктирная линия): «плюс» ВИП-2 - якорь двигателя № 3 - система уравнителей - ОВ-1 - «минус» ВИП-2;
контур третий (штрихпунктирная линия): «плюс» ВИП-2 - якорь двигателя № 4 - система уравнителей - ОВ-1 - «минус» ВИП-2.
Таким образом, боксование первого двигателя вызывает перераспределение нагрузки между остальными двигателями в секции электровоза и одновременную подпитку его собственной обмотки возбуждения уравнительным током. В результате подвозбуждения боксую-щего двигателя увеличивается «жесткость» его характеристики и, следовательно, уменьшается скорость проскальзывания связанной с ним колесной пары. Характер перераспределения нагрузки между небоксующими двигателями зависит от разброса характеристик электрического оборудования конкретного локомотива (ТЭД, индуктивные шунты) и системы уравнителей.
Усовершенствованная принципиальная схема силовой части системы уравнителей изображена на рисунке 2.
Рисунок 2 - Усовершенствованная силовая схема электрических уравнителей
Блоки диодных уравнителей (БД1 и БД2) обеспечивают протекание уравнительных токов между всеми тяговыми двигателями секции электровоза. Система управления (СУ) по сигналу с датчиков определяет наличие боксования и по необходимости дает команду драйверу ЮБТ-модуля, а также управляет электропневматическими вентилями «песочниц» электровоза. Автоматический быстродействующий выключатель QF2 защищает оборудование от аварийного уравнительного тока, например, при круговом огне на коллекторе. Сглаживающий дроссель ДР ограничивает скорость нарастания аварийного тока. ЮБТ-модуль служит в качестве «ключа» электрической цепи системы уравнителей, управляющее напряжение на который подается через драйвер (Д).
Принцип работы силовой схемы системы ЭСО заключается в следующем. Датчик напряжения (ДН) фиксирует величину разности потенциалов, возникающую из-за разброса характеристик тяговых двигателей. В статическом состоянии (без боксования) управляющее напряжение на ЮБТ-модуль не подается, что соответствует его закрытому режиму работы. В состоянии боксования система управления при помощи драйвера полностью открывает ЮБТ-модуль, что способствует беспрепятственному протеканию уравнительных токов. Величина уравнительного тока измеряется датчиком ДТ, сигнал с которого поступает в систему управления.
В программном пакете МиШБт была собрана схема силовых цепей электровоза 2ЭС5К [4], оборудованная системой уравнителей (рисунок 3).
Рисунок 3 - Модель секции электровоза «Ермак» в прикладном пакете Multisim
На рисунке 3 тяговый трансформатор ОНДЦЭ-4350/25 представлен блоком Т1 с напряжением первичной обмотки 25000 В и количеством витков на первичной обмотке 873, на вторичных - по 11 витков [5].
Тяговые электродвигатели НБ-514Б представлены блоками М1-М4 DC_MACHINE_ WOUND_FIELD с параметрами, указанными в источнике [6].
Выпрямительно-инверторный преобразователь ВИП-4000М-УХЛ2 [6] представлен подсхемами VIP1 и VIP2 и работает на второй зоне регулирования. В качестве тиристоров Т353-800 выбраны максимально приближенные по параметрам тиристоры 2N6405.
Нагрузка на тяговые электродвигатели задается через подсхемы Vn1 - Vn4 при помощи элементов U1 - U4 ARBITRARY_LOAD, на которых регулируется скорость электровоза.
Элемент GEARS моделирует зубчатую передачу электровоза с коэффициентом редукции, указанным в Руководстве [8], и имеет обозначение U5.
Система уравнителей представлена блоками диодов D1 - D8, индуктивным шунтом L5, являющимся моделью ИШ-009 [5], и IGBT-транзистором IRGTIN075M12, имеющим обозначение Q1. Управление IGBT-транзистором производится за счет подачи управляющего напряжения от источника V5 через размыкатель S2.
Мультиметры ХММ1 - ХММ4, работающие в качестве датчиков напряжения, измеряют величину разности потенциалов между средними точками тяговых электродвигателей M1 - M4.
Графики токов тяговых электродвигателей снимаются с помощью элемента СиККЕЖ_С0ЖЯ0ЬЬЕБ_У0ЬТЛ0Е_80иЯСЕ. Токи якорей фиксируются датчиками VI - У4, а уравнительные токи - датчиками У01 - У04 и передаются на осциллографы ХБС1 и ХБС3 соответственно.
В ходе моделирования были исследованы несколько видов боксования: боксование колесных пар одного тягового электродвигателя (ТЭД), боксование колесных пар двух тяговых электродвигателей как от одного ВИПа, так и от разных и боксование при разности диаметров бандажей колесных пар.
В процессе моделирования было подтверждено, что после начала боксования ток боксу-ющего двигателя начинает снижаться по отношению к токам других тяговых двигателей (рисунок 4), а показания датчиков напряжения зафиксировали появление существенной разности потенциалов между средними точками ТЭД (рисунок 5).
Рисунок 4 - Токи якорей ТЭД при начале боксования
Мультиметр-ХММ2 X
ш га га га
Параметры
Рисунок 5 - Величина напряжений между средними точками ТЭД при боксовании: а - между 1 и 2 ТЭД; б - между 2 и 3 ТЭД; в - между 3 и 4 ТЭД; г - между 4 и 1 ТЭД
После сигнала с датчика напряжения о начавшемся боксовании происходит открытие ЮБТ-транзистора и начинается процесс перетекания уравнительных токов (рисунок 6), причем уравнительный ток соседствующего с боксующим ТЭД превышает уравнительные токи, исходящие от двигателей, подключенных к другому выпрямительно-инверторному преобра-
зователю (ВИПу). Процесс окончания боксования сопровождается постепенным выравниванием токов всех ТЭД (рисунок 7).
Рисунок 6 - Осциллограмма уравнительных токов: 1 - ток подпитки ТЭД боксующей колесной (КП); 2 - токи от ТЭД другого ВИПа; 3 - уравнительный ток от соседствующего с боксующей КП ТЭД
Рисунок 7 - График токов ТЭД в процессе окончания боксования одной КП
В ситуации возникновения боксования колесных пар двух ТЭД, питаемых как от одного ВИПа, так и от разных, протекание уравнительных токов равномерно распределяется между двумя ТЭД боксующих и двумя ТЭД небоксующих колесных пар.
Электровозы «Ермак» имеют номинальный диаметр КП по кругу катания 1250 мм [8]. Руководством по эксплуатации [8] устанавливается, что допустимо устанавливать КП с диаметром не менее 1205 мм, причем у комплекта колесных пар, подкатываемых под электровоз, разница диаметров бандажей не должна превышать 8 мм.
Производилось моделирование наихудших условий. Для этого были приняты диаметры бандажа одной КП 1205 мм, а другой - 1213 мм.
В результате моделирования было установлено, что наличие разности диаметров бандажей колесных пар несущественно увеличивает разность потенциалов в статическом режиме, а в случае возникновения боксования величина уравнительного тока, подпитывающего обмотку возбуждения боксующего ТЭД, повышается на 10 - 15 А.
Предлагаемая обновленная противобоксовочная система позволит повысить тяговые и эксплуатационные характеристики локомотивов, снизить износ бандажей колесных пар и рельсов. Внедрение в эксплуатацию данной системы в рамках модернизации электровозов или тепловозов с тяговыми двигателями постоянного тока является одним из шагов к снижению издержек на восстановление бандажей и рельсов, а также к увеличению скорости и нормы перевозимых грузов по сети железных дорог.
Список литературы
1. TRAINPIX [Электронный ресурс]: Железнодорожная фотогалерея, 2009. - Режим доступа: https: //trainpix.org
2. Об утверждении «Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года» и плана мероприятий на 2008 - 2015 годы по ее реализации [Текст]: Постановление Правительства РФ [принято 17 июня 2008 г. № 877-р] // Собрание законодательства Российской Федерации. - 2008. - № 29. - Ст. 3537.
3. Доронин, С. В. Модернизация электровозов противобоксовочной системой с уравнителями на IGBT-транзисторах [Текст] / С. В. Доронин, Д. Ю. Дроголов // Вестник института тяги и подвижного состава / Институт тяги и подвижного состава. - М. - 2015. - № 11. -С. 20 - 22.
4. Дядичко, В. Я. Электровоз магистральный 2ЭС5К (3ЭС5К). Кн. 1. Описание и работа. Электрические схемы [Текст]: Руководство по эксплуатации / В. Я. Дядичко / ВЭлНИИ. -Новочеркасск, 2006. - 266 с.
5. Аманатиди, Д. С. Электровоз магистральный 2ЭС5К (3ЭС5К). Кн. 4. Описание и работа. Электрические аппараты и оборудование [Текст]: Руководство по эксплуатации / Д. С. Аманатиди / ВЭлНИИ. - Новочеркасск, 2004. - 270 с.
6. Гаврилов, И. Б. Электровоз магистральный 2ЭС5К (3ЭС5К). Кн. 3. Описание и работа. Электрические машины [Текст]: Руководство по эксплуатации / И. Б. Гаврилов / ВЭлНИИ. - Новочеркасск, 2004. - 35 с.
7. Родимушкина, Г. Н. Электровоз магистральный 2ЭС5К (3ЭС5К). Кн. 5: Описание и работа. Электронное оборудование. Преобразователи [Текст]: Руководство по эксплуатации / Г. Н. Родимушкина / ВЭлНИИ. - Новочеркасск, 2005. - 165 с.
8. Андрющенко, А. А. Электровоз магистральный 2ЭС5К (3ЭС5К). Кн. 6: Описание и работа. Механическая часть [Текст]: Руководство по эксплуатации / А. А. Андрющенко / ВЭлНИИ. - Новочеркасск, 2004. - 66 с.
References
1. TRAINPIX (railway photo gallery), 2009. Access mode: https://trainpix.org.
2. Ob utverzhdenii Strategii razvitiya zheleznodorozhnogo transporta v Rossijskoj Fe-deracii do 2030 goda i plana meropriyatij na 2008 - 2015 gody po ee realizacii (On the approval of the Strategy for the Development of Railway Transport in the Russian Federation until 2030 and the Action Plan for 2008 - 2015 for its implementation (decree of the RF Government). Collection of Legislation of the Russian Federation, 2008, no. 29, art. 3537.
3. Doronin S. V., Drogolov D. Yu. Modernization of electric locomotives with anti-slipping system with equalizers on IGBT-transistors [Modernizatsiya elektrovozov protivoboksovochnoy sistemoy s uravnitelyami na IGBT-tranzistorakh]. Bulletin of the Institute of traction and rolling stock, 2015, no. 11, pp. 20 - 22.
4. Dyadichko V. Ya. Elektrovoz magistral'nyy 2ES5K (3ES5K). Kniga 1: Opisaniye i rabota. Elektricheskiye skhemy (Electric locomotive 2ES5K (3ES5K). Book 1: Description and work. Electrical circuits). Novocherkassk: VELNII, 2006, 266 p.
5. Amanatidi D. S. Elektrovoz magistral'nyy 2ES5K (3ES5K). Kniga 4: Opisaniye i rabota. Elektricheskiye apparaty i oborudovaniye (Electric locomotive 2ES5K (3ES5K). Book 4: Description and work. Electrical apparatus and equipment). Novocherkassk: VELNII, 2004, 270 p.
6. Gavrilov I. B. Elektrovoz magistral'nyy 2ES5K (3ES5K). Kniga 3: Opisaniye i rabota. Elektricheskiye mashiny (Electric locomotive 2ES5K (3ES5K). Book 3: Description and work. Electric machines). Novocherkassk: VELNII, 2004, 35 p.
7. Rodimushkina G. N. Elektrovoz magistral'nyy 2ES5K (3ES5K). Kniga 5: Opisaniye i rabota. Elektronnoye oborudovaniye. Preobrazovateli (Electric locomotive 2ES5K (3ES5K). Book 5: Description and work. Electronic equipment. Converters). Novocherkassk: VELNII, 2005, 165 p.
8. Andryuschenko A. A. Elektrovoz magistral'nyy 2ES5K (3ES5K). Kniga 6: Opisaniye i rabota. Mekhanicheskaya chast' (Electric locomotive 2ES5K (3ES5K). Book 6: Description and work. Mechanical part). Novocherkassk: VELNII, 2004, 66 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Давыдов Юрий Анатольевич
Дальневосточный государственный университет путей сообщения (ДВГУПС).
Серышева ул., д. 47, г. Хабаровск, 680021, Российская Федерация.
Доктор технических наук, профессор кафедры «Транспорт железных дорог», ректор, ДВГУПС.
Тел.: +7 (4212) 407-700.
E-mail: [email protected]
Пляскин Артем Константинович
Дальневосточный государственный университет путей сообщения (ДВГУПС).
Серышева ул., д. 47, г. Хабаровск, 680021, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Транспорт железных дорог», ДВГУПС.
Тел.: +7 (4212) 407-097.
E-mail: [email protected]
Дроголов Денис Юрьевич
Дальневосточный государственный университет путей сообщения (ДВГУПС).
Серышева ул., д. 47, г. Хабаровск, 680021, Российская Федерация.
Аспирант кафедры «Транспорт железных дорог», ДВГУПС.
Тел.: +7 (4212) 407-689.
E-mail: [email protected]
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Давыдов, Ю. А. Исследование противобоксовоч-ной системы с уравнителями [Текст] / Ю. А. Давыдов, А. К. Пляскин, Д. Ю. Дроголов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2018. -№ 3 (35). - С. 19 - 27.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Davydov Yuri Anatolievich
Far Eastern State Transportation University (FESTU).
47, Serysheva st., Khabarovsk, 680021, the Russian Federation.
Ph. D. in Engineering, Associate Professor of the department «Railway transport», rector, FESTU.
Phone: +7 (4212) 407-700.
E-mail: [email protected]
Plyaskin Artem Konstantinovich
Far Eastern State Transportation University (FESTU).
47, Serysheva st., Khabarovsk, 680021, the Russian Federation.
Ph. D. in Engineering, Associate Docent of the department «Railway transport», FESTU.
Phone: +7 (4212) 407-097.
E-mail: [email protected]
Drogolov Denis Yurievich
Far Eastern State Transportation University (FESTU).
47, Serysheva st., Khabarovsk, 680021, the Russian Federation.
Postgraduate student of the department «Railway transport», FESTU.
Phone: +7 (4212) 407-689.
E-mail: [email protected]
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Davydov Yu. A., Plyaskin A. K., Drogolov D. Yu.. Investigation of anti-slip system with equipment. Journal of Transsib Railway Studies, 2018, vol. 3, no 35, pp. 19 - 27 (In Russian).
