Повышение тяговых свойств тепловозов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Современные технологии - транспорту 91

8. Пат. 2259284 Российская Федерация, МКИ3 B 60 M 3/06, B 60 L 7/12. Тяговая подстанция постоянного тока со сверхпроводниковым индуктивным накопителем энергии / Быкадоров А. Л., Заруцкая Т. А., Петрушин А. Д., Фигурнов Е. П. ; заявитель и патентообладатель Быкадоров А. Л., Заруцкая Т. А., Петрушин А. Д., Фигурнов Е. П. -№ 2003104912/11; заявл. 18.02.03; опубл. 27.08.05, Бюл. № 24 (I ч.). - 6 с. : ил.

9. Основы теории зарядных цепей емкостных накопителей энергии / И. В. Пентегов. - Киев : Наукова думка, 1982. - 213 с.

10. Анализ схемы заряда сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии через промежуточный емкостный накопитель / Е. Г. Середа // Известия Петербургского университета путей сообщения. - 2009. - № 2. - С. 60-70.

Статья поступила в редакцию 25.05.2010;

представлена к публикации членом редколлегии В. В. Сапожниковым.

УДК 629.424.1 А. В. Фролов

ПОВЫШЕНИЕ ТЯГОВЫХ СВОЙСТВ ТЕПЛОВОЗОВ

Рассматривается проблема повышения тяговых свойств локомотивов. Анализируются теоретические и практические методы борьбы с боксованием на тяговом подвижном составе. Для исследования переходных процессов в электрической передаче тепловоза разработана математическая модель, построенная в программном пакете MatLab.

тяговый электродвигатель тепловоза, боксование колёсной пары, сцепление колеса с рельсом.

Введение

С ростом пассажирских перевозок и повышением веса грузовых поездов вопрос о сцеплении в зоне колесо-рельс продолжает быть актуальным. Нарушение сцепления приводит к резкому снижению реализуемой на ведущем колесе касательной силы тяги и способствует развитию вредоносного явления боксования в режиме тяги и явления юза в режиме торможения.

Эта проблема встала особенно остро после внедрения в качестве тяги электропривода. Как известно, электродвигатели постоянного тока последовательного возбуждения наряду с хорошими тяговыми свойствами обладают повышенной склонностью к боксованию.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2011/1

92

Современные технологии - транспорту

Если при паровой тяге последствия боксования или юза ограничивались износом рельса (рис. 1) и прокатом бандажа колёсных пар, то с применением электродвигателей неуправляемый рост частоты вращения, увеличение амплитуды колебаний (до ударных нагрузок) вследствие ускорений боксующей колёсной пары приводит к таким серьёзным повреждениям тяговой электрической машины, как круговой огонь, вылет обмотки якоря, что может повлечь за собой исключение его из эксплуатации или потребность ремонта в объёме СР.

Рис. 1. Износ рельса вследствие боксования колёсной пары

Кроме того, разносное боксование может привести к заклиниванию колёсной пары и остановке поезда на перегоне.

Особенно актуальна эта проблема на электроподвижном составе, где весовые нормы требуют реализации тяговой характеристики на границе сцепления [1]. В тепловозах сила тяги ограничена допустимой температурой нагрева обмоток электрических машин и границы сцепления не достигает, поэтому в тепловозной тяге в настоящее время указанной проблеме уделяется меньшее внимание.

Но в тяговых расчётах используют характеристику тепловозов для 8-й или 15-й (в зависимости от типа тепловоза) позиции контролера машиниста, т. е. номинальной. В эксплуатации же тепловозы большую часть времени работы проводят на гораздо меньших позициях либо на холостом ходу. В таких режимах и особенно при малых скоростях движения значение касательной силы тяги может достичь и превысить предел по сцеплению.

Применяемые сегодня системы защиты от боксования на тепловозах достаточно надёжно защищают локомотив в номинальном режиме работы, но в указанных выше условиях становятся уязвимыми. Поэтому исследования в области сохранения сцепных свойств локомотива всё ещё актуальны и для тепловозов.

2011/1

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

93

1 Теоретические исследования, направленные на повышение тяговых свойств локомотивов

Ещё в начале XIX века Хедлеем и Стефенсоном было установлено [2], что наибольшая сила тяги, которая может быть реализована в месте контакта колесо-рельс, пропорциональна и не должна превышать некоторого критического значения произведения вертикальной нагрузки от колеса на рельс и коэффициента, названного позже коэффициентом сцепления:

F <у-Р, (1)

где F - касательная сила тяги, развиваемая колесом в месте контакта его с

рельсом, кгс; Р - вертикальная нагрузка, приходящаяся от колеса на рельс, кгс; ^ - коэффициент сцепления.

Это выражение называют основным (или первым) законом локомотивной тяги. Так как вес локомотива ограничен конкретной допустимой нагрузкой на рельсы, решение проблемы повышения тяговых свойств локомотива заключается в коэффициенте сцепления.

В тяговых расчётах [1] используют расчётный (эксплуатационный) коэффициент сцепления, определяемый в виде эмпирической зависимости от скорости движения на основе обобщения результатов многочисленных опытов, проводимых в эксплуатации.

Определение же реального (физического) коэффициента сцепления является очень трудной задачей. В течение длительного времени во многих странах продолжается изучение процесса взаимодействия колеса и рельса. Несмотря на повышенный интерес к данной проблеме, до сих пор нет единой теории или методики, позволяющей с точностью прогнозировать изменение этого коэффициента.

Можно выделить три наиболее значимых направления, используемых учёными-исследователями в процессе разрешения указанной проблемы.

Первый подход сводится к накоплению результатов экспериментальных исследований в эксплуатации и на опытных стендах с целью выявления зависимостей коэффициента сцепления от влияющих на него различных факторов. Важную роль в таком анализе играет характеристика сцепления - зависимость коэффициента сцепления от скорости скольжения (проскальзывания) колеса.

Под скоростью скольжения колеса понимают относительную (иногда абсолютную) разность между скоростью вращения колеса и его центра (скоростью локомотива).

На рисунке 2 показано, что в процессе изменения сцепления при изменении скольжения колеса условно можно выделить три зоны. В первой зоне скольжение изменяется пропорционально увеличению коэффициента сцепления. Эту зону можно считать зоной устойчивой реализации силы тяги. Во второй зоне рост скольжения начинает опережать рост сцепления.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2011/1

94

Современные технологии - транспорту

В этой зоне наблюдается неустойчивая реализация силы тяги. С дальнейшим ростом проскальзывания после достижения максимального значения коэффициент сцепления начинает резко снижаться. В третьей зоне наступает боксование.

г Z

S

\ 3

fez

Рис. 2. Характеристика сцепления

Для оценки сцепления в защитных системах, как правило, задаётся какая-то одна конкретная зависимость коэффициента сцепления от скорости скольжения, но, основываясь на результатах экспериментов [3], можно говорить о том, что нет единой абсолютной характеристики сцепления, а существует семейство характеристик, вид которых зависит от процесса боксования. Кроме того, ряд исследований показывает, что характер изменения сцепления от скольжения не ограничивается тремя зонами. Так с увеличением относительной скорости скольжения (7.. .15 %) в третьей зоне после непродолжительного снижения коэффициент сцепления может быть увеличен на 35...50 % [3]. Следует отметить, что характер изменения сцепления при скоростях движения ниже 10 км/ч также мало изучен.

Второй подход заключается в изучении физики процессов взаимодействия в точке контакта колеса и рельса средствами молекулярномеханической теории трения [4]. Цель исследований этого направления заключается в углублении познаний о базовых трибологических закономерностях взаимодействия колеса с рельсом.

Приверженцы третьего направления [5] предлагают дополнить описанные выше исследования аппаратом теории вероятности, отмечая, что ряд факторов, влияющих на сцепление, носят случайный характер.

2011/1

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

95

Все факторы, влияющие на сцепление колеса с рельсом, можно разделить на три группы:

а) состояние поверхности контакта колесо-рельс;

б) геометрические характеристики колеса и рельса;

в) силы, действующие в области контакта.

К первой группе относят климатические условия, посторонние вещества (грязь, оксидная пленка), подаваемый машинистом локомотива песок.

Во второй группе факторов существенное влияние оказывают прокат бандажа, износ головки рельса, радиус кривых и возвышение наружного рельса.

Силы, действующие в точке касания колеса и рельса, зависят от профиля пути, динамических характеристик состава, типа тягового привода, скорости движения, развески локомотива, динамики управления тягой локомотива машинистом и др.

Рассчитать только перечисленные факторы достаточно сложно, и даже современные системы противобоксовочной защиты ещё не в состоянии учесть их все.

2 Способы и средства защиты тепловозов от боксования

В эксплуатации локомотивов методика борьбы с боксованием разбивается на два этапа: выявление боксования и его устранение.

Для прекращения боксования требуется восстановить условие (1). Для этого применяют:

а) увеличение сцепление колеса с рельсом;

б) кратковременное снижение силы тяги (вращающего момента двигателя);

в) кратковременное приложение тормозной силы.

Увеличение физического коэффициента сцепления достигается путём внесения в зону контакта колеса и рельса абразивного материала, например сухого песка. Данный метод позволяет повысить сцепление колеса примерно в 1,6 раз и ввиду своей простоты и относительной экономичности широко применяется на тяговом подвижном составе. Следует подчеркнуть, что внесение постороннего вещества в зону контакта приводит к увеличению сопротивления движению и повышенному износу колеса и рельса. Кроме того, эффективность данного метода зависит от действий машиниста, т. к. чрезмерный расход песка приводит к загрязнению поверхности катания и, как следствие, не приведет к должному увеличению сцепления.

В зарубежных странах в качестве абразивного материала, помимо песка, предлагали использовать специальные твёрдые материалы (окислы хрома, алюминия, кремния) и жидкости, обработанные ультразвуковым излучением.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2011/1

96

Современные технологии - транспорту

Второй способ заключается в снятии питания с якорей тяговых электродвигателей путём кратковременного отключения возбуждения тягового генератора. Существенным недостатком такой системы является снижение силы тяги на всех (в том числе небоксующих) колесных парах.

Приложение тормозной силы достаточно эффективно устраняет бок-сование, т. к. прикладываемая к колесу тормозная колодка очищает поверхность катания и одновременно снижает крутящий момент. Однако автоматическое подтормаживание при боксовании из-за опасности ложного срабатывания на практике не применяется, но может быть использовано опытным машинистом.

На серийных тепловозах также используют метод автоматического формирования жёстких характеристик генератора [6], где система автоматического регулирования напряжения генератора удерживает постоянным напряжение генератора, не позволяя развиться уже начавшемуся боксова-нию.

Из сказанного выше следует, что эффективность ликвидации избыточного скольжения зависит от степени его развития. Теоретически для прекращения боксования достаточно своевременно подать ограниченное количество песка. К сожалению, применяемые в серийных тепловозах и электровозах системы позволяют выявить боксование слишком поздно, когда подача песка уже не восстановит сцепление. Здесь на передний план выходит второй этап - выявление.

Принцип выявления избыточного скольжения сводится к сравнению значений выбранного параметра боксующей колесной пары с тем же параметром небоксующей пары или, если это возможно, с параметром локомотива.

Боксование выявляют:

1) по разности скоростей вращения колёсных пар;

2) по ускорению колёсной пары;

3) по разности напряжений (или токов) электрических двигателей;

4) по скорости изменения напряжения (или тока) двигателей;

5) по механическим колебаниям (вибрациям) колёсно-моторного блока;

6) по инфракрасному излучению в плоскости круга катания колеса;

7) по непосредственному измерению скольжения.

В отечественной практике широкое распространение получил метод выявления боксования по разности напряжений (токов) в силовой цепи электродвигателей. Исполнительным механизмом таких систем является реле боксования [7], подключаемое между двигателями. В зависимости от схемы его подключения [6] реле срабатывает при разности напряжений или токов в цепях двигателей боксующей и небоксующей колёсной пары. Однако если сцепление потеряют обе связанные с реле колесные пары, защита не сработает.

2011/1

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

97

На серийных тепловозах этот метод доработан в комплексное проти-вобоксовочное устройство, в котором идёт сравнение напряжений (потенциалов) на всех двигателях. Такой подход позволяет выявлять нарушение сцепления при наличии хотя бы одной небоксующей колёсной пары.

За последние десять лет на новых тепловозах внедряется метод выявления избыточного скольжения по разности скоростей вращения колёсных пар, реализованный с применением осевых датчиков частоты вращения колёсных пар. Проблемой в таком методе является наличие погрешности (обусловленной, в частности, геометрическими характеристиками колеса) при определении фактической скорости локомотива.

Методы, основанные на оценке механических колебаний привода и инфракрасного спектра поверхности колеса, являются более точными, однако по ряду технических и экономических соображений массового применения они пока не нашли.

Самым перспективным остаётся непосредственное измерение скольжения. В мировой практике продолжаются изыскания в этом направлении, но практического воплощения этот метод ещё не получил.

3 Моделирование переходных процессов в электрической передаче мощности тепловоза переменно-постоянного тока

Для исследования боксования была построена компьютерная математическая модель переходных электрических процессов в передаче мощности тепловоза с использованием программного пакета MatLab и его приложения Simulink.

Моделирование процессов в электрических машинах осуществляется по классической схеме обобщенной электрической машины [8], представляющей собой комбинацию двух пар обмоток, перемещающихся относительно друг друга. Это допущение оправдано тем, что симметричные многофазные многополюсные электрические машины всегда могут быть приведены к двухфазной двухполюсной машине.

Для машины, схема которой показана на рисунке 3, можно записать следующие дифференциальные уравнения:

и = + i r ;

с dt я с

d ¥ дп

и - = — + i r ;

д.п dt я д п

d¥a .

и = + i r + e,

я dt яя

(2)

где ис, ид.п, ия - напряжения соответственно на обмотке последовательного возбуждения, добавочных полюсов и обмотки якоря, В;

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2011/1

98

Современные технологии - транспорту

/я - ток якоря, А;

rc, гд.п, гя - активные сопротивления обмотки последовательного возбуждения, добавочных полюсов и обмотки якоря, Ом; e - ЭДС вращения, В;

^ - потокосцепление обмоток;

d W - ' d’> + Iм

—- = Ц.—

dt dt

dt

d W u т д.п = L dL - + LM d<,

dt д.] 11 dt д.1 п я dt

d W ,d dt = Lnd di, dt + LM я.с dK. dt ’

d W Hq = Lq di. + l“ d/

dt яq dt я.д.] п dt '

(3)

где L - полные индуктивности соответствующих индексам обмоток, Гн;

LM - взаимные индуктивности между обмотками, Гн.

Рис. 3. Математическая модель машины постоянного тока: wnq, wnd - приведённая обмотка якоря в координатах qd; wc - обмотка последовательного возбуждения; юдп - обмотка добавочных полюсов; юр - частота вращения

Индексы обмоток характеризуют взаимные индуктивности. Например, ЦМя.с - взаимная индуктивность между якорной и обмоткой последовательного возбуждения.

2011/1

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

99

С целью повышения скорости счёта при анализе не учитывалось изменение взаимоиндуктивностей при вращении ротора. Уравнение электромеханического преобразования энергии [8] в общем виде можно записать:

M 1 . с d¥

M = -1 (--^ +---

2 dt dt

д.п

d ¥ яd d¥

яq

dt

dt

).

(4)

Расчёт дифференциальных уравнений производился численным методом Рунге-Кутта [9]. Оценка адекватности модели производилась путем сравнения полученных характеристик двигателей с характеристиками, приведёнными в справочной литературе [1], [5].

В качестве примера для моделирования передачи мощности были взяты электродвигатель ЭД118А, синхронный генератор ГС501А и дополнительное электрооборудование, применяемое на тепловозе 2ТЭ116. Работа системы автоматического регулирования тягового генератора имитировалась вручную.

Разработанная модель позволяет оценить быстродействующие переходные процессы (рис. 4) в электрических цепях привода и позволит приблизиться к решению проблемы выявления боксования на ранней стадии его развития.

Заключение

Тяговые свойства локомотива зависят от сцепных свойств ведущих колес с рельсом и, как следствие, от качества работы противобоксовочных и противоюзных устройств. Применяемые сегодня системы защиты при работе локомотива на промежуточных позициях чаще всего выявляют бок-сование в момент, когда подача песка или работа по жёсткой характеристике генератора уже не способны восстановить сцепление.

Для повышения скорости срабатывания системы защиты целесообразно рассмотреть быстротечные переходные электрические процессы

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2011/1

100

Современные технологии - транспорту

привода. Современные системы обработки данных позволяют снять значения параметров цепи в переходных режимах, но на практике не используются.

Поэтому анализ переходных процессов на построенной в программном пакете MatLab математической модели позволит выработать методики по усовершенствованию существующих систем противобоксовочной защиты тепловозов, применение которых будет способствовать повышению тяговых свойств локомотивов.

Библиографический список

1. Правила тяговых расчетов для поездной работы. - М. : Транспорт, 1985. -

287 с.

2. Развитие локомотивной тяги / ред. Н. А. Фуфрянский, А. Н. Бевзенко. - М. : Транспорт, 1988. - 344 с.

3. Фрикционное взаимодействие колёсных пар локомотива с рельсами : монография / Г. В. Самме. - М. : Маршрут, 2005. - 80 с.

4. Взаимосвязь коэффициента трения с проскальзыванием в условиях взаимодействия колеса с рельсом / Д. П. Марков // Вестник ВНИИЖТа. - 2003. - № 3. - С. 29-31.

5. Проблемы сцепления колёс локомотива с рельсами / И. П. Исаев, Ю. М. Лужнов. - М. : Машиностроение, 1985. - 238 с.

6. Электрическое оборудование тепловозов / К. И. Рудая. - М. : Транспорт, 1973. - 280 с.

7. Электрооборудование тепловозов / В. С. Марченко. - М. : ИКЦ «Академкнига», 2003. - 248 с.

8. Электрические машины / И. П. Копылов. - М. : Энергоатомиздат, 1986. -

360 с.

9. Modern Numerical Methods for Ordinary Differential Equations / G. Hall and

J. M. Watt. - Clarendon Press, Oxford, 1976. - 312 р.

10. Микропроцессорные системы автоматического регулирования электропередачей тепловозов / ред. А. В. Грищенко.- М. : Маршрут, 2003. - 118 с.

Статья поступила в редакцию 22.11.2010;

представлена к публикации членом редколлегии А. В. Грищенко.

2011/1

Proceedings of Petersburg Transport University