CC BY
57
УДК 629.4.018
ЧернякЮ.В., к.т.н., доцент, (ДонИЖТ) Матвиенко С.А., студент (ДонИЖТ)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИЛЫ ТЯГИ ЛОКОМОТИВА ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ТЯГОВО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ
Для оценки эффективности использования локомотивов в процессе эксплуатации, установки и проверки критических весовых норм на участках их обращения, проверки перегонных времен хода, определения сил, действующих в поезде, а также установления энергооптимальных режимов вождения поездов производят тягово-энергетические испытания локомотивов. В большинстве случаев такие испытания проводят с
помощью специализированных измерительно-испытательных комплексов - тягово-энергетических вагонов-лабораторий (ТЭЛ).
Одной из важнейших задач тягово-энергетических испытаний среди перечисленных выше является определение соответствия тяговых свойств конкретного локомотива паспортным данным, т.е. проверка его тяговой характеристики. Данная задача сводится к определению величины силы тяги локомотива Fк в зависимости от скорости и режима движения.
В основе определения силы тяги, в кгс, по методике ТЭЛ Донецкой железной дороги лежит формула
р = и д I э КЩт 0,367
где ид - напряжение на тяговом электродвигателе (ТЭД), В;
Ки - коэффициент напряжения, зависящий от вида соединения;
1э - ток электровоза, А;
Уф - фактическая скорость движения, км/ч;
Ппоз - коэффициент полезного действия (КПД) электровоза.
Изначально в формуле (1) использовалось постоянное значение КПД локомотива, что является в корне неверным, так как расчетные значения КПД изменяются в достаточно широких пределах как в зависимости от скорости, так и от режима работы: вида соединения ТЭД и ступени ослабления возбуждения (КПД имеет порядок 0,65...0,95 на ходовых
позициях, в условиях реостатного пуска снижается до 0,05). Поэтому уточнить расчет можно, если использовать в формуле (1) КПД, рассчитанный по электромеханическим характеристикам.
КПД, зависящий от скорости V и вида соединения ТЭД, определяется из электромеханических характеристик ТЭД локомотива данного типа по формуле
шГ эм еу
П =-(2)
/по3 з,биэIэ ' 1)
где Бэм - сила тяги ТЭД по электромеханическим характеристикам,
кгс;
т - число движущих колесных пар;
иэ - напряжение, подводимое к электровозу, В;
1э- ток электровоза, А, при данной скорости.
Однако и в такой методике уязвимым местом представляется введение в расчет КПД электровоза, определение которого является весьма затруднительным, во-первых потому, что значение скорости для данной ступени ослабления возбуждения зависит не только от тока, проходящего через ТЭД, но и от подведенного напряжения (при низком напряжении -более низкое значение скорости), а при составлении скоростных характеристик напряжение принимается постоянным и равным номинальному для данного вида соединения. Таким образом, работа ТЭД в реальных условиях реостатного пуска при ступенчато повышающемся напряжении отличается от условий их стендовых испытаний, и в этом случае значения сил тяги, определенные по данной методике, являются сильно завышенными (в моменты трогания поезда со станции завышения значительно превосходили расчетное ограничение силы тяги по сцеплению). Во-вторых, в реальности даже на ходовых позициях подведенное к ТЭД напряжение отличается от номинального из-за колебания напряжения контактной сети, что также не позволяет применять данный расчет.
Исключить указанные ошибки, отойдя от определения КПД, позволяет следующая предлагаемая методика.
Как известно [1,2], сила тяги ТЭД пропорциональна произведению тока и магнитного потока. Для двигателей последовательного возбуждения магнитный поток также зависит от тока, и таким образом сила тяги является однозначной функцией тока, проходящего через ТЭД. С учетом потерь выражение для силы тяги одного ТЭД, Н, имеет вид
Гд = 3,бСФ1д -АГд , (3)
где Ф - магнитный поток, Вб; 1д - ток ТЭД, А;
Бд - сила, затрачиваемая на преодоление механических и магнитных потерь в ТЭД и потерь в зубчатой передаче тягового редуктора, Н; С - постоянная для данного локомотива величина
С =
0,188£
С1 - конструкционная постоянная ТЭД;
^ - передаточное число тягового редуктора;
Б - диаметр движущего колеса, м.
Следовательно, ошибка в определении силы тяги складывается только из ошибки определения тока.
Суть предлагаемой методики заключается в том, чтобы используя результаты измерений ТЭЛ, определять силу тяги непосредственно интерполируя ее значение из таблиц электротяговых характеристик данного типа ТЭД в зависимости от протекающего через двигатель тока.
Экспериментально составленные электротяговые характеристики учитывают весь комплекс зависимостей, описываемых формулой (3). При этом следует отметить, что характеристики ТЭД практически не меняются в процессе его эксплуатации, и единственное изменение характеристики возможно за счет изменения передаточного числа редуктора (что встречается редко) или диаметра движущего колеса, который может быть меньше номинального вследствие износа поверхности катания и ее обточки. При допустимом изменении диаметра колеса ДБ=70 мм для номинального диаметра Бном=1200 мм ошибка в определении силы тяги может составить ДВ/Бном=5,8%. В таком случае необходимо выполнить пересчет значений силы тяги по формуле
Г = Рнт Г (4)
кдф р. кдном ? V /
ПФ
где Бкдф, Ркдном - соответственно фактическое и номинальное (табличное) значения сил тяги;
Бф, Бном - соответственно фактический и номинальный диаметр движущего колеса.
Предлагается определять фактический диаметр как разность номинального диаметра колеса DH0M и двойного изменения толщины бандажа по кругу катания 2Ah
Бф = DHOM - 2Ah = DHOM - 2(hHOM - кф), (5)
где h^, hф - соответственно номинальная и фактическая толщина бандажа по кругу катания.
Фактическую толщину бандажа легко измерить с помощью шаблона непосредственно на том колесе испытуемого локомотива, для которого измеряется ток его ТЭД.
Согласно описанной методике была разработана программа в пакете Mathcad для обработки данных опытных поездок ТЭЛ, при этом ставилась задача проверки правильности расчета путем построения продольного профиля участка испытаний и сравнения его с табличным профилем пути.
Рассмотрим расчет по предлагаемой методике на примере опытной поездки, состоявшейся 30.03.2006, с поездом №2167 (масса Q=6066 т, 272 оси, композиционные тормозные колодки, расчетный тормозной коэффициент в пересчете на чугунные колодки 0р=0,389) во главе с электровозом ВЛ8-1703 (сцепная масса Р=184 т, D=DTOM) по участку Красный Лиман (Дон. ж.д.)-Лозовая (Южн. ж.д.). В пути следования была единственная остановка по ст.Бравенково, где был прицеплен подталкивающий электровоз ВЛ8-669 (сцепная масса Р=184 т, D=DTOM), далее до ст.Дубово поезд следовал двойной тягой (условно принимается удвоенная сила тяги, рекуперативное торможение применял только головной локомотив).
Исходные данные для расчетов представляют собой массивы замеров параметров по результатам опытных поездок, и сведены в единый файл данных для каждой поездки, откуда данные экспортировались в Mathcad через редактор MS Excel. Принцип расположения данных в исходном файле является универсальным. Фрагменты матриц данных имеют вид, представленный на рисунке 1.
Из матрицы данных М выбраны векторы значений замеров:
2-й столбец - индекс вида соединения ТЭД (в программе обозначен COED);
5-й столбец - количество полученных импульсов от счетчика оборотов колеса (Ni);
6-й столбец - время между соседними замерами (Ti), мс;
7-й столбец - ток электровоза (1э), А;
8-й столбец - напряжение контактной сети (иэ), В;
9-й столбец - напряжение на 8-м ТЭД (ид), В;
10-й столбец - ток 8-го ТЭД (1д), А.
1-й, 3-й, 4-й столбцы, обозначающие соответственно индекс показаний светофора, пройденный путь согласно нумерации километров и текущее время, в расчетах не участвуют.
М :=
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 1 1 0.101 14:53" 144 4096 375 3398 80 375
2 1 1 0.103 14:57" 240 4160 384 3387 100 384
3 1 1 0.105 15:01" 279 4096 274 3436 83 274
4 1 1 0.107 15:05" 299 4096 193 3458 71 193
5 1 1 0.109 15:09" 340 4096 364 3408 117 364
6 1 1 0.112 15:13" 428 4096 427 3387 147 427
7 1 1 0.116 15:17" 517 4096 451 3383 171 451
8 1 1 0.12 15:21" 628 4096 465 3385 199 465
9 1 1 0.125 15:25" 736 4096 459 3369 223 459
10 1 1 0.131 15:29" 851 4096 482 3372 255 482
М1 :=
1 2
1 0 0
2 0 0
3 0 0
4 0 0
5 0 0
6 0 0
7 0 0
8 0 0
9 0 0
10 0 0
Рисунок 1 - Вид матриц исходных данных
Расшифровка индексов вида соединения и ступени ослабления возбуждения ТЭД приведена в таблице 1.
Таблица 1 - Индексы видов соединения и ослабления поля ТЭД
Реостатная Вид соединения ТЭД
позиция/ С СП П Выбег
ослабление поля
Реостатная поз. 1 2 3
Ходовая поз. - ПП 65 66 67
ОП1 5 6 7 А 1
ОП2 13 14 15 41
ОП3 29 30 31
ОП4 61 62 63
Матрица М1 содержит признаки:
1-й столбец - пневматического торможения (Т): лог. «0» при постоянном давлении в тормозной магистрали (ТМ), лог. «1» при снижении давления свыше 0,5 атм;
2-й столбец - рекуперативного торможения (Я), лог. «1» при производстве рекуперативного торможения, лог. «0» в иных случаях. При этом сила рекуперации условно принималась равной по абсолютному значению силе тяги при данном токе якоря и степени ослабления поля, и противоположной ей по знаку.
Индексация элементов указанных векторов производится по порядковому номеру замера, начиная с единицы.
Также необходимо ввести характеристики подвижного состава (указанные выше параметры Р, Q, 0р, осевую нагрузку д0, число движущих колесных пар локомотива т), координаты участка подталкивания, электротяговые характеристики данного вида ТЭД (в виде векторов значений тока и силы тяги для каждой ступени ослабления возбуждения). Табличный профиль пути задается векторами значений длин элементов и соответствующих им уклонов.
Дальнейший расчет производится для каждого замера, и для удобства индексы замеров опускаются.
Пройденный путь определяется через число импульсов, поступивших от датчика частоты вращения колеса в течение времени между соседними замерами, м
5 = N1 • р, (6)
где р - цена одного импульса, м
О
Р =
гК ред
Бкв - диаметр колеса, на котором установлен датчик скорости, м, Бкв =0,910 м;
ъ - число зубьев датчика скорости;
Кред - передаточное число редуктора привода датчика скорости, Кред =4,28,
п 0,910
р =-^-= 0,007 м.
96 • 4,28
Накопленное значение пути, пройденного до п-го замера, км
z S
=
i=1
1000
(7)
Скорость движения в момент замера, км/ч
v = ■
3600S Ti
(8)
Далее интерполируется значение силы тяги Бкд в зависимости от протекающего тока 1д и ступени ослабления поля (COED) ТЭД, при этом для нахождения промежуточных значений из электротяговых характеристик применяется линейная интерполяция, что вполне отвечает характеру зависимости силы тяги от тока. Фрагмент программы с подпрограммой определения силы тяги представлен на рисунке 2.
Fd := n
B ^
1 if COED = 1 v COED = 2 v COED = 3 nnn
1 if COED = 65 v COED = 66 v COED = 67
nnn
2 if COED = 5 v COED = 6 v COED = 7
nnn
3 if COED = 13 v COED = 14 v COED = 15
nnn
4 if COED = 29 v COED = 30 v COED = 31
nnn
5 if COED = 61 v COED = 62 v COED = 63
nnn
0 if COED = 41 n
linterp(lB, FB, Idn) ifB * 0 0 otherwise
Рисунок 2 - Подпрограмма определения силы тяги в зависимости от проходящего через ТЭД тока и степени ослабления возбуждения
В данной подпрограмме с помощью вспомогательного индекса В определяются в зависимости от ступени ослабления поля векторы значений тока и силы тяги для осуществления операции интерполяции. Сила тяги локомотива условно принимается равной
F = mF„,
(9)
где m - число движущих колесных пар локомотива.
Для оценки энергетических показателей работы ТЭД и локомотива в целом определяются их КПД (в режиме тяги) как отношение реализуемой на ободе колеса механической мощности к подведенной электрической:
для одного ТЭД
п = иг, (10)
и д1 д
для электровоза в целом
П= . (11)
и I
э э
КПД электровоза (реализуемую мощность) также можно подсчитать по работе, совершаемой на преодоление сил внешнего сопротивления с учетом изменения кинетической энергии, результат при этом получится одинаковым с предыдущим расчетом.
Отметим, что как того и следовало ожидать, при езде на реостатных позициях КПД электровоза оказывается существенно (в 4...5 раз для малых скоростей движения) ниже, чем КПД ТЭД, затем при выходе на ходовые позиции они сравниваются.
Значение уклона профиля пути в момент замера, %о, определяется по формуле
. = Гк+ РкКкп-(РКувw'o + )-ктЪт(РКув + Р)Г + 4,17(уН -Ук2) (12) ' РКув + 0 + 5 ' ( )
где Я'- модифицированный признак рекуперации: «1» если электровоз следует в режиме тяги, «-1» если электровоз рекуперирует;
Ккт - коэффициент кратной тяги: «1» если поезд входит на участок подталкивания, «0» в противном случае;
Кув - коэффициент увеличения веса поезда (учитывает влияние массы подталкивающего локомотива), принимается в зависимости от соотношения масс головного и подталкивающего локомотивов на участке подталкивания;
- удельные силы основного сопротивления движению соответственно локомотива и состава, Н/кН, расчетные формулы взяты из [3];
Ът - удельная тормозная сила, Н/кН, в зависимости от вида колодок пересчитывается на чугунные
Ът = 1000^, (13)
фкр - расчетный коэффициент трения для чугунных колодок [3];
0р - расчетный тормозной коэффициент поезда, кН/кн.
£р , (14)
Кр - расчетное значение нажатия колодок соответствующего вида на колеса одной оси, тс [3], в пересчете на чугунные колодки;
кТ - коэффициент торможения, характеризующий уменьшение 0р (а соответственно и ЬТ) в зависимости от величины разрядки тормозной магистрали (ступени торможения), определяется в соответствии с [3, табл. 6];
Ун, Ук - скорости движения, км/ч, соответственно в начале и конце участка пути длиной Б, м.
Вычисленное значение уклона { принимается постоянным на участке пути длиной Б (с индексом соответствующего замера). Превышения точек профиля вычисляются по формуле
с
Ъ = Ип , (15)
п 1000 п
где Ип+1 - превышение последующей точки профиля, м,
Ип - превышение предыдущей точки профиля, м.
Начальное превышение (для нулевой координаты пути) условно принято равным нулю.
Построенная таким образом кривая расчетного профиля участка испытаний и совмещенная с ней кривая действительного профиля пути представлены на рис.3. Из анализа и сопоставления кривых видно, что расчетный профиль в целом повторяет очертания действительного (путейского) профиля, в то время как профиль, используемый ТЭЛ, расходится с ним (кроме того, из-за завышенных значений сил тяги в момент трогания профиль ТЭЛ на станции имеет уклоны до 10...20%о, что противоречит действительности). Расчетная кривая представляет собой профиль, спрямленный под поездом, что является следствием инерционности процессов изменения тока ТЭД при изменении нагрузки (переломы профиля пути), а также переходных процессов при переключении схем соединения ТЭД и ступеней возбуждения.
10
ч ч к
-е
о л с
ей
н о о К
и §
К л
ч
(U
н К о о К н
о
0 0 " «
'ч\ " « \ч ■ • • % 0 % *
« % % «
V-. уЧ^ ♦ % % %
Ч > * * /> % т у ^— т % % а т
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Путь, км
расчетный профиль; действительный (путейский) профиль; ............. профиль, используемый ТЭЛ
Рисунок 3 - Сравнение продольных профилей участка анализируемой поездки
В расчет по формуле (12) неточность вносит лишь необходимость учета тормозной силы поезда Ьт (например, участки пробы тормозов 2,5 км и регулировочного торможения около 6 км). Программой опытов ТЭЛ не предусмотрена регистрация параметров тормозных процессов (величина снижения давления в ТМ и т.п.), а датчик торможения реагирует на минимальное снижение давления (соответствующее ступени торможения) от зарядного и имеет показания вида «отпуск»/«торможение», чего явно недостаточно для полного учета тормозной силы.
В дальнейшем ТЭЛ предлагается разработать методику учета тормозной силы и соответствующую аппаратуру для регистрации параметров торможения (например, датчик давления в ТМ, поскольку зная величину снижения давления для конкретного случая применения торможения можно было бы подбирать соответствующий коэффициент k-r для более адекватного учета тормозной силы).
Таким образом, учитывая искажающее влияние процесса торможения на характер кривой профиля, которое было по возможности учтено в расчетах, можно считать расчетный профиль сходящимся с
действительным на участках отсутствия торможения, и следовательно предложенная методика определения силы тяги по току ТЭД применима на практике.
Выводы:
1. Применяемая ТЭЛ методика расчета силы тяги приводит к завышению (особенно при трогании поезда) реальных значений силы тяги вследствие того, что в расчетной формуле участвует КПД локомотива.
2. Уточнить расчет можно за счет использования значений КПД локомотива, вычисленных по электромеханическим характеристикам ТЭД, что также не учитывает условия реальной эксплуатации локомотивов.
3. Наиболее верным из косвенных методов определения силы тяги представляется вычисление значения силы тяги ТЭД в зависимости от проходящего через двигатель тока по электротяговым характеристикам ТЭД. Правильность расчета по предлагаемой методике подтверждает схождение расчетного и табличного профилей участка.
4. Оборудование ТЭЛ датчиками регистрации параметров тормозных процессов (снижения давления в ТМ) даст возможность уточнить расчет по построению кривой продольного профиля участка.
Список литературы
1. Осипов С.И., Миронов К. А., Ревич В.И. Основы локомотивной тяги: Учебник для техникумов ж.-д. трансп. - М.: Транспорт, 1979. - 440 с.
2. Рациональные режимы вождения поездов и испытания локомотивов/Под ред. С И. Осипова. - М.: Транспорт, 1984. - 280 с.
3. Правила тяговых расчетов для поездной работы.-М.: Транспорт, 1985. - 287 с.
4.Астахов П.Н., Гребенюк П.Т., Скворцова А.И. Справочник по тяговым расчетам. - М.: Транспорт, 1973. - 256 с.
5.Черняк Ю.В., Матвиенко С. А. Применение интегрированного пакета программ МаШсаё при проведении тяговых расчетов для поездной работы//Зб. наук. пр./ Дон. шт. залiзнич. трансп. - Донецьк: Дон1ЗТ, 2006. - Вип. 8. - С.144-161.
6. Черняк Ю.В., Матвиенко С.А. Оптимизация режимов вождения поездов//Зб. наук. пр./Укр. держ. акад. залiзнич. трансп. - Х.: УкрДАЗТ, 2006. - Вип. 72. - С.130-137.
УДК 629.4.083
