Определение режима загруженности по сцеплению локомотивов с асинхронными тяговыми двигателями Текст научной статьи по специальности «Физика»

компенсатора жесткости [Текст] / Е. Г. Гурова, В. Ю. Гросс// Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока: Сб. науч. тр. / Новосибирская гос. акад. водного трансп. - Новосибирск, 2010. - № 1. - С. 307 - 309.

3. Гурова, Е. Г. Виброизолирующие подвески транспортных энергетических установок с нелинейными электромагнитными компенсаторами жесткости [Текст] / Е. Г. Гурова / Новосибирский гос. техн. ун-т. - Новосибирск, 2012. - 156 с.

4. Зуев, А. К. Высокоэффективная виброизоляция судового энергетического оборудования [Текст] / А. К. Зуев, О. Н. Лебедев / Новосибирская гос. акад. водного трансп. - Новосибирск, 1997. - 119 с.

5. Зуев, А. К. Основные положения теории виброизоляции произвольных пространственных колебаний [Текст] / А. К. Зуев // Снижение вибрации на судах: Сб. науч. тр. / Новосибирский ин-т инженеров водного трансп. - Новосибирск, 1991. - С. 4 - 17.

6. Пат. 97783 Российская Федерация, МПК F 16 F 6/00, F 16 F 15/03. Виброизолятор с электромагнитным компенсатором жесткости [Текст] / Гурова Е. Г., Гросс В. Ю.; заявитель и правообладатель Новосибирский ин-т инженеров водного трансп. № 2010121808/11; заявл. 28.05.10; опубл. 23.06.10, Бюл. № 26. - 7 с.

УДК 629.4.015: 629.42: 625.1.03

А. Г. Ламкин, С. Б. Олешко, М. Ю. Пустоветов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМА ЗАГРУЖЕННОСТИ ПО СЦЕПЛЕНИЮ ЛОКОМОТИВОВ С АСИНХРОННЫМИ ТЯГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Разработан метод определения режима загруженности локомотивов по сцеплению на основе статистического критерия Фишера. Представлены результаты применения метода к данным опытных поездок с электровозом 2ЭС10 на Свердловской железной дороге.

В России осуществляется серийное производство и ввод в эксплуатацию грузовых локомотивов с асинхронными тяговыми двигателями (АТД). В связи с этим актуальна задача установления критических норм масс (КНМ) поездов для вождения локомотивами, оснащенными АТД. Одним из критериев, по которым в настоящее время устанавливается КНМ для электровозов с коллекторными тяговыми двигателями, является режим загруженности локомотива по сцеплению [1]. Согласно выводам в работах [1, 2] различают четыре режима загруженности локомотива по сцеплению: экономный, рациональный, интенсивный и недопустимый. Временная методика [1] устанавливает численные значения критериев проскальзывания колесных пар локомотива для разграничения режимов загруженности по сцеплению лишь для ограниченного количества эксплуатировавшихся ко времени ввода в действие документа серий электровозов переменного и постоянного тока. В связи с этим рекомендации работы [1] не применяются к автономным локомотивам и локомотивам с АТД.

Предлагается оценивать режим загруженности локомотивов по сцеплению на основании сравнения кривой расчетного коэффициента сцепления для выбранной серии локомотива и полученных в результате опытных поездок кривых расчетного коэффициента тяги утк. Примем допущение о примерном соответствии кривой рациональному режиму загруженности локомотива по сцеплению. Коэффициент тяги определяется как отношение мгновенной реализуемой локомотивом силы тяги к сцепной массе локомотива. является предельным значением [3]. Можно получить утк как тренд измеренных значений в виде дробно-линейной функции (используется в источниках [4, 5] для описания локомотивов), вычислив коэффициенты А, В, С, D, Е:

14) 3

A + ■

B

C + D ■ v

E ■ v.

(1)

где V - скорость движения поезда.

В выражении (1) можно использовать скорость движения локомотива, что тем более справедливо для асинхронного тягового электропривода, так как он значительно меньше склонен к боксованию по сравнению с коллекторным приводом из-за большей жесткости механических характеристик, плавного и поосного регулирования силы тяги.

В основе методики оценки режима загруженности локомотивов по сцеплению лежит статистический односторонний критерий Фишера [6], позволяющий оценить, можно ли считать сравниваемые выборочные дисперсии 512 и оценками одной и той же генеральной дисперсии. Иными словами, критерий позволяет выяснить для заданного уровня значимости р , можно ли считать, что набор числовых значений, полученных одним способом, и набор числовых значений, полученных другим способом (утк и ук), являются описанием одного и того же процесса (сцепления колес локомотива с рельсами). Более конкретно количественно при помощи критерия Фишера и качественно путем анализа расположения кривой ук относительно кривой утк в функции V решается задача о степени совпадения этих двух кривых. На основании

этого делается вывод о режиме работы локомотива в смысле загруженности по сцеплению.

22

Таким образом, необходимо вычислить и подвергнуть сравнению и 5тк . для правомерности

использования одностороннего критерия Фишера необходимо, чтобы выполнялось нера-

22

венство 51 > б2 . Односторонний критерий Фишера представляет собой выражение:

у

\ < Fx_ „ (n -1, щ -1),

(2)

где F\.p (n\ - 1, n2 - 1) - табличное [6] или вычисленное значение квантиля Фишера.

Уровнем значимости называют оценку, характеризующую возможное количество ошибок в серии испытаний, т. е. при сопоставлении кривых vTk(v) и Vk(v). Например, p = 0,05 означает, что рискуем ошибиться в пяти из ста испытаний.

Электронные таблицы Excel позволяют вычислить значение квантиля Фишера при помощи функции <^РАСПОБР».

Для Vtk(v) выборочная дисперсия s

1

-1

тк рассчитывается по выражению:

(Утк1 + УткК + ... + Уткпж )

2 \

Vh + VL +

. + Vt

(3)

, 2 для vk(v) выборочная дисперсия sk вычисляется по уравнению:

4 =

1

п..

2 2 2 Vk1 + VK2 + ... + Укп

(Ук1 + Укк + ... + УкпК )2

п..

(4)

V у

где индексы тк и к означают принадлежность к расчетному коэффициенту тяги и расчетному коэффициенту сцепления;

п - число испытаний.

делать выводы о загруженности локомотива по сцеплению для анализируемого интервала скоростей движения предлагается следующим образом.

Если неравенство (2) не верно и при этом график уткСу) проходит не выше графика ук(у), то локомотив работает в экономном режиме загруженности по сцеплению.

Если неравенство (2) верно и при этом график утк(у) проходит не выше графика ук(у), то локомотив работает в рациональном режиме загруженности по сцеплению.

Если неравенство (2) верно и при этом график утк(у) полностью или частично проходит выше графика укУ), то локомотив работает в интенсивном режиме загруженности по сцеплению.

к

s

к

к

s

1

К

0

ИЗВЕСТИЯ Транссиба 17

Если неравенство (2) не верно и при этом график ^TK(v) полностью или частично проходит выше графика yK(v), то локомотив перегружен по сцеплению, т. е. КНМ для данных условий эксплуатации завышена, что соответствует недопустимому режиму эксплуатации локомотива.

Аналитическое выражение и графический вид ^(v) для электровоза 2ЭС10 опубликованы в работе [5]. При v > 5 км/ч зависимость близка к линейной. Это тем более справедливо при рассмотрении не полного диапазона скоростей движения поезда, а отдельных его интервалов (чаще всего при определении КНМ практически важным является рассмотрение режима преодоления расчетного подъема).

В ходе опытной поездки в функции времени t или пройденного пути S фиксируются сила тяги и V. На основании этих данных строятся зависимости ук(0 и ут(0 или ук(£) и ут(£). Для более подробного анализа выбираются те участки, где наблюдается близость значений ут и ук. Причем если значения ут и ук близки, но все мгновенные значения ут расположены не выше значений ук, то режим загрузки по сцеплению рациональный или экономный. Наиболее интересны для анализа участки, где все или часть значений ут расположены выше значений ук. Такие случаи целесообразно рассматривать подробно.

В ноябре 2012 г. ОАО «ВНИИЖТ» при участии представителей ПКБ ЦТ и РГУПСа проводились опытные поездки с электровозом 2ЭС10 на Свердловской железной дороге. Данные, полученные в ходе поездок, послужили материалом для статистического анализа на предмет определения режимов загруженности 2ЭС10 по сцеплению.

При рассмотрении совокупно большого количества измеренных в опытных поездках значений ут для случаев близкого расположения зависимостей ук(0 и ут(0 выявлено, что распределение значений ут подчиняется нормальному закону. Так как, с одной стороны, средствами распространенных электронных таблиц Excel затруднительно получить для множества значений ут тренд утк(у) в виде (1), а с другой стороны, для всех рассмотренных по итогам опытных поездок случаев диапазон изменения скорости движения позволяет считать график ^(v) близким к прямой, то допустимо получать графики ^(v) в виде линейных трендов.

Для иллюстрации практического использования разработанного метода оценки режима загруженности электровоза с АТД по сцеплению рассмотрим результаты поездок (фрагменты): Пермь - Екатеринбург от 11 ноября 2012 г. с поездом массой 6304 т (рисунки 1, 2); Екатеринбург - Пермь от 13 ноября 2012 г. с поездом массой 6249 т (рисунки 3, 4); Екатеринбург - Дру-жинино от 6 ноября 2012 г. с поездом массой 5151 т (рисунки 5, 6). Выводы сведены в таблицу.

45 км/ч 35 30 25 20 15 10 5

ш

п О ОС

о

Си

Ё

(D

ц,

<г> jj

I-

о О CL О

о

о 22

2^4 ^ Л 1

/ Л \__

4s

JM _____ч t \ ++ \ ж*

г * 1 < .V*. __ * S»

# / t j

/ з * * \ % *+ >

* ф ♦

0,45 0,4 0,35 0,3 0,25

0,15 0,1 0,05 0

00:29 22:07:41 22:14:53

Время астрономическое

22:22:05

Рисунок 1 - Зависимости (жирная кривая 1), (точки 2), тонкая кривая 3 - скорость электровоза в функции астрономического времени для части поездки Пермь - Екатеринбург от 11 ноября 2012 г.

с поездом массой 6304 т

0,33 0,32 0,31 0,30

0,29 * 0,23 0,27 0,26

1 ( |

: < Л» -1 1- у = 0,0003 1^=0 -! х + 0,3292 ,0009

|

1

* \1 ♦

1 ♦ ( ► 2

39,0 39,5 40,0 40,5 Скорость электровоза —

41,0

км/ч

42,0

Рисунок 2 - Зависимости от скорости электровоза (кривая 1), (точки 2) и утк (прямая 3) для рисунка 1

0,3

70 км/ч

60

го

го

о 55 ш о о.

Ё 50

Ф с, о л

45

о

а 40 о

1С

О

!

■ /

/ ** ф ♦ * **. * 2 *

4 ♦ ♦ *

\_♦ * _, 3 _Л .. ч * ♦

♦ V АЛ а *

* * -Ф- ♦

0,25 0,2 , 0,15

0,1 э-

0,05 0

10:45:07 10:45:50 10 46:34

Время астрономическое

10:47 17 10:48:00 ->

Рисунок 3 - Зависимости (жирная кривая 1), (точки 2), тонкая кривая 3 - скорость электровоза в функции астрономического времени для части поездки Екатеринбург - Пермь от 13 ноября 2012 г.

с поездом массой 6249 т

0,29

0.28

0,26 Э" 0,25 0,24 0,23

1 /

* ----- 2

ч > >

> У - 0,001х + Н2= 0:0 0,2124

¥ 041

49,0 49,5 50,0 50,5 Скорость электровоза

51,0 км/ч ——>

52,0

Рисунок 4 - Зависимости от скорости электровоза (кривая 1), (точки 2) и утк (прямая 3) для рисунка 3

Рисунок 5 - Зависимости (жирная кривая 1), (точки 2), тонкая кривая 3 - скорость поезда в функции времени для части поездки Екатеринбург - Дружинино от 6 ноября 2012 г. с поездом массой 5151 т

Рисунок 6 - Зависимости от скорости поезда (кривая 1), (точки 2) и утк (прямая 3) для рисунка 5

2

При построении в Excel тренда yTR(v) можно вывести на экран его уравнение и R - коэффициент детерминации, говорящий о том, в какой мере данный тренд объясняет расположение исходных точек ут (см. рисунки 2, 4, 6). В приведенных в статье примерах величина R весьма мала. Как показал опыт обработки результатов опытных поездок, для линейных трендов R редко превышает 0,7. Тем не менее, по мнению авторов, нет смысла стремиться к высокому значению R , усложняя геометрию кривой yTR(v). Аппроксимация множества точек прямой линией yTR(v), получаемая в виде тренда средствами Excel, является наилучшим вариантом аппроксимации в заданном классе функций (линейных). При этом имеем наглядное представление о взаимном расположении yTR(v) и yR(v).

Режимы загруженности электровозов по сцеплению, описанные в источниках [1, 2], интересны для установления КНМ потому, что тесно связаны с повреждаемостью оборудования локомотива, количеством растяжек поездов, затратами на ремонт и содержанием локомотивного и путевого хозяйства. Для надежной и достоверной увязки этих характеристик с

20 ИЗВЕСТИЯ Транссиба | № 2(14)

; = —

показателями проскальзывания колесных пар, значениями коэффициента тяги или другим критерием в случае новых локомотивов, в том числе с АТД, требуется анализ огромного количества статистической информации о процессе эксплуатации. В этой связи важно, чтобы статистика могла быть собрана в возможно краткий срок, чему, по мнению авторов, отвечает описанный в настоящей статье метод: применение статистического критерия для определения режима загруженности локомотива по сцеплению дает возможность автоматизировать этот процесс; метод допускает использование скорости локомотива, т. е. использование записей бортовых регистраторов (допустима обработка данных по одной секции локомотива).

Выводы по фрагментам поездок

Иллюстрации Количество про-анали-зиро-ванных точек Характеристика участка Значение квантиля Фишера при уровне значимости р = 0,05 Положение линейного тренда относительно Щ,/ значимость отличия Режим загруженности по сцеплению

Рисунки 1, 2 375 1435,8 - 1440,7 км перегона Пермь -Бахаревка (начало расчетного подъема) 11,406 1,186 выше / значимое недопустимый

Рисунки 3, 4 63 1739,8 - 1739 км перегона Бойцы -Коуровка (подъем до 8,8 %о, кривые с минимальным радиусом 620 м) 1,017 1,524 ниже / незначимое рациональный

Рисунки 5, 6 660 1592,1 - 1590,1 км перевала через вершину расчетного подъема на перегоне Ревда - Ильмовка. Начинается на участке с уклоном 7,7 % с множественными кривыми (радиусы первых двух - 541 и 595 м) 26,493 1,137 ниже / значимое экономный

В случае проведения опытной поездки с тягово-энергетическим вагоном-лабораторией метод позволяет минимизировать количество измерительных каналов для определения режима загруженности локомотива по сцеплению. Требуется измерять скорость движения поезда по показаниям расторможенной колесной пары вагона-лаборатории, а также силу тяги на автосцепке вагона. При этом силу тяги на автосцепке следует пересчитывать в касательную силу тяги локомотива.

В ближайшее время планируется провести анализ результатов опытных поездок с локомотивом, оснащенным коллекторным тяговым приводом постоянного тока.

Список литературы

1. Временная методика и инструкция по проведению опытных поездок для определения критических норм масс грузовых поездов при электровозной тяге [Текст]: утв. зам. министра путей сообщения Рос. Федерации А. Н. Кондратенко 29.03.95.

2. Мугинштейн, Л. А. Нестационарные режимы тяги (Сцепление. Критическая норма массы поезда) [Текст] / Л. А. Мугинштейн, А. Л. Лисицын. - М.: Интекст, 1996. - 176 с.

3. Осипов, С. И. Основы тяги поездов [Текст] / С. И. Осипов, С. С. Осипов/ УМК МПС России. - М., 2000. - 592 с.

4. Правила тяговых расчетов для поездной работы [Текст]. - М.: Транспорт, 1985. - 287 с.

5. Экспериментальное определение коэффициента сцепления колес электровоза 2ЭС10 с рельсами [Текст] / В. А. Кучумов, Р. В. Мурзин и др. // Транспорт Урала / Уральский гос. ун-т путей сообщения. - Екатеринбург, 2012. - №« 1 (32). - С. 114 - 118.

6. Пустыльник, Е. И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений [Текст] / Е. И. Пустыльник. - М.: Наука, 1968. - 288 с.