улучшение сцепных свойств локомотивов при нестационарных

ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ
УДК 625.1.032.3.001.5
УЛУЧШЕНИЕ СЦЕПНЫХ СВОЙСТВ ЛОКОМОТИВОВ ПРИ НЕСТАЦИОНАРНЫХ
ПРОЦЕССАХ РЕАЛИЗАЦИИ СИЛЫ ТЯГИ
Шапран Е.Н., Тасанг Э. Х.
Восточноукраинский национальный университет им. В. Даля, г. Луганск
Введение. Тенденции развития транспортной
сети Украины тесно связаны с ростом грузооборота
железнодорожного
транспорта.
При
этом
повышение весовых норм поездов и низкий уровень
коэффициентов
сцепления
на
некоторых
грузонапряженных участках железных дорог
порождает нестационарные процессы реализации
силы тяги локомотивами. Они заключаются в
продолжительных
и
глубоких пробуксовках
колесных пар, которые плохо предотвращаются
интенсивной подачей песка.
В настоящее время известен ряд систем
противобуксовочной
защиты
локомотивов,
построенных на различных принципах действия в
зависимости
от
используемых
сигналов,
отражающих
начало
развития
процессов
буксования. Наиболее часто используется сравнение
скоростей колесных пар с эталонной скоростью или
их сравнение между собой, сравнение угловых
ускорений колесных пар и т.д. [1]. Таким образом,
все эти системы защиты имеют общий недостаток,
заключающийся в том, что они вступают в работу
тогда, когда уже произошел срыв сцепления и
начался процесс буксования колесной пары, т.е. они
реагируют не на причину нарушения сцепления, а
на ее следствие.
Цель работы – построение противобуксовочной
системы локомотива, избирательно воздействующей
на вращающие моменты тяговых двигателей (ТД) в
зависимости от изменения силы тяги на автосцепке,
вызывающей динамическое перераспределение
вертикальных усилий на колесные пары.
Материал и результаты исследований. С
целью исследования предлагаемой системы была
уточнена
математическая
модель
движения
тепловоза с вагонами [2], представляющая собой
сочетание нескольких функциональных блоков,
таких как:
1. Блок моделирования электромеханических
переходных процессов в цепях тяговых двигателей,
питающихся от тягового генератора (ТГ) или
выпрямительной установки (ВУ).
2. Блок
моделирования
механических
процессов, связанных с передачей крутящего
момента от якоря тягового двигателя через зубчатый
редуктор к оси колесной пары с учетом
характеристик сцепления каждого колеса с рельсом.
3. Блок моделирования процессов движения
локомотива с составом, учитывающий все виды
сопротивления движению поезда.
Необходимо отметить, что в существующую
модель [2] введен блок динамического расчета
нагрузок от осей колесных пар на рельсы в
зависимости от силы тяги локомотива.
На рис. 1, а приведена схема экипажной части
тепловоза 2ТЭ116 для расчета распределения
нагрузок по колесным парам в зависимости от силы
тяги. На схеме приняты следующие обозначения:
2А, 2С – расстояния между внутренними и
внешними опорами кузова на тележки; 2В –
расстояние между осями средних колесных пар
тележек; D – расстояние между осями колесных пар
L Ä – расстояние от оси до
в тележке;
подвески ТД; H A , H ØÊ – высота от головки рельса
до середины автосцепки и шкворня; RК – радиус
колеса по кругу катания.
Рисунок 1 - Экипажная часть тепловоза 2ТЭ116:
а) схема подвешивания; б) схема действующих сил
На расчетной схеме сил (рис. 1, б), тепловоз
разбит на три колеблющиеся массы: кузов и две
тележки.
Между
кузовом
и
тележками
предусмотрена
упруго-диссипативная
связь,
показанная
реакциями
опор
R Т1  R Т 4 ,
моделирующих
вторую
ступень
рессорного
подвешивания.
От
тележек
через
упругодиссипативную связь первой ступени рессорного
подвешивания, показанную реакциями R1  R 6
нагрузка, передается на колесно-моторные блоки
Вісник КДПУ. Випуск 3/2006 (38). Частина 2
53
ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ
(КМБ). Кроме того, дополнительно показаны
разгружающие переднюю и догружающие заднюю
тележки реакции от подвески ТД в КМБ R П1  R П6 ,
которые
определяются
по
следующим
зависимостям:
R
R Пi  Fi K ,
LD
где i - номер колесной пары локомотива; Fi – сила
тяги i-й колесной пары.
Математическая модель динамического расчета
нагрузок от осей колесных пар на рельсы в
зависимости от силы тяги представляет собой
систему дифференциальных уравнений равновесия
сил и моментов второго порядка, которые
составлены для каждой массы экипажной части кузова, передней и задней тележек. При этом за
положительные направления перемещения масс
( z K , zT 1 , zT 2 ) приняты направления, догружающие
связи кузова с тележками и тележек с КМБ, т.е.
перемещения вниз и по часовой стрелке (для
угловых перемещений масс  К ,Т 1 ,Т 2 ).
Таким образом, уравнения равновесия сил и
моментов кузова будут иметь вид:
d 2z K
mK
 Q K  R T1  R T 2  R T3  R T 4 ;
dt 2
JK
d 2K
2
 R T1C  R T 2A  R T3A 
mT 2 
dt 2
R
 FT 2  K ;
LД
JT2 
 R1D  R 3D  F1
(3)
RK
 (D  Ld ) 
LД
первой и второй тележек; QK , QT1, QT 2 , QКМБ соответственно веса кузова, тележек и КМБ.
Реакции в опорах кузова (вторая ступень
подвешивания) можно определить по таким
уравнениям:
R T1  G 2 z K  z T1  K C  T1 (C  B) 
 2 v K  vT1 ;
R T 2  G 2 [z K  z T1  K A  T1(B  A) 
 2 v K  vT1 ;
(1)
R T 3  G 2 [z K  z T1  K A  T 2 (B  A) 
(4)
 2 v K  vT 2 ;
R T 4  G 2  [z K  z T1  K C  T 2 (C  B) 
d z T1
 QT1  R T1  R T 2  R1  R 2  R 3 
dt 2
R
 FT1 K ;
LД
 R T1 (C  B)  R T 2 (B  A) 
 R T3  (B  A)  R T 4 (C  B) 
RK
R
 L Д  F6  K  (D  L Д ) 
LД
LД
 FТ 2  (H ШК  R К ).
В уравнениях (1-3) приняты следующие
обозначения: mK , mT1, mT2 , J K , J T1, J T2 – массы и
моменты инерции кузова и тележек (обрессоренная
составляющая); FT1, FT2 – суммарные силы тяги
m T1
dt 2
dt 2
 F5 
2
d 2T1
d 2T1
 QT 2  R T3  R T 4  R 4  R 5  R 6 
 R 4  D  R 6  D  F4 
dt
 R T 4C  FA (H А  H ШК ).
Силы и моменты для первой тележки:
J T1
d 2z T 2
 2 v K  vT 2 ,
где
– жесткость и коэффициент
G 2 , 2
демпфирования опор второй ступени рессорного
подвешивания;
vT1  dzT1 ,
vK  dzK ,
dt
dt
dz
T
2
– скорости перемещения кузова и
vT 2 
dt
тележек в вертикальной плоскости.
Кроме того, реакции в пружинах связи тележек с
колесными парами (первая ступень подвешивания)
будут равны:
R1  G1 (z T1  T1D)  1v T1;
(2)
RK
(D  Ld ) 
LД
RK
R
L Д  F3 K (D  L Д ) 
LД
LД
 FТ1  (H ШК  R К ).
Силы и моменты для второй тележки:
 F2
R 2  G1z T1  1v T1;
R 3  G1 (z T1  T1D)  1v T1;
R 4  G1 (z T1  T1D)  1v T1;
(5)
R 5  G1z T1  1v T1;
R 6  G1 (z T1  T1D)  1v T1,
где
–
жесткость
и
коэффициент
G1, 1
демпфирования
первой
ступени
рессорного
подвешивания.
Из уравнений (1-5) можно определить нагрузки
от колесных пар на рельсы алгебраическим
суммированием необрессоренных масс КМБ,
Вісник КДПУ. Випуск 3/2006 (38). Частина 2
54
ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ
реакций
от
первой
ступени
рессорного
подвешивания и реакций от подвески ТД в КМБ
R Ï 1  R Ï 6 в таком виде:
P1  Q КМБ  R1  R П1; P2  Q КМБ  R 2  R П 2 ;
тяги на автосцепке FA постоянно для каждой
колесной пары во всех режимах движения
локомотива.
Если
принять
равномерное
распределение тягового усилия между колесными
парами, то эта зависимость будет иметь вид:
Pi  PСТ
 ki ,
(7)
FCР
P3  Q КМБ  R 3  R П3 ; P4  Q КМБ  R 4  R П 4 ; (6)
P5  Q КМБ  R 5  R П5 ; P6  Q КМБ  R 6  R П 6 .
На основании приведенных уравнений (1-6) в
интерактивной среде SIMULINK разработана блоксхема моделирования динамических нагрузок от
осей колесных пар на рельсы (рис. 2).
Исследование процессов перераспределения
нагрузок от колесных пар на рельсы показали, что
отношение приращения динамической нагрузки Pi
относительно ее статического значения Рст к силе
где FСР  FА
– значение силы тяги без учета
6
перераспределения нагрузки.
Так, например, для шестиосного тепловоза
2ТЭ116 получены следующие коэффициенты:
К1=-0,0463; К2=-0,0139; К3=0,0178; К4=-0,0178;
К5=0,0139 и К6=0,0463.
Рисунок 2 - Блок-схема моделирования динамических нагрузок от осей колесных пар на рельсы при
нестационарных процессах реализации силы тяги локомотива
на рельсы путем предварительной регулировки
Выводы.
1. Динамическое перераспределение нагрузок
токов тяговых двигателей в соответствии с
от осей колесных пар на рельсы при
полученными коэффициентами К1-К6.
нестационарных процессах реализации силы тяги
3. В дальнейших исследованиях необходимо
можно учитывать по приведенным коэффициентам
разработать адаптивные алгоритмы управления
К1-К6, индивидуальным для каждого типа
электропередачами
тепловозов,
которые
бы
локомотива.
учитывали не только процессы перераспределения
2. Для
улучшения
сцепных
свойств
нагрузок от осей колесных пар, но и позволяли бы
локомотивов и снижения вероятности развития
определять фактические параметры колеснопроцессов буксования целесообразно создавать
моторных блоков и коэффициентов сцепления
превентивные
противобуксовочные
системы
непосредственно в процессе движения локомотива.
управления электропередачами тепловозов, которые
4. Необходимо продолжение исследований по
бы
априорно
учитывали
динамическое
разработке технических средств для реализации
перераспределение нагрузок от осей колесных пар
алгоритмов поосного регулирования тяговых
Вісник КДПУ. Випуск 3/2006 (38). Частина 2
55
ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ
двигателей
существующих
электропередач
постоянного и переменно-постоянного тока с целью
модернизации эксплуатируемого парка локомотивов
для повышения их тяговых свойств.
ЛИТЕРАТУРА
1. Минов Д.К. Повышение тяговых свойств
электровозов и тепловозов с электрической
передачей. – М.: Транспорт. – 1965. - 267 с.
2. Тасанг Э.Х., Шапран Е.Н. Моделирование
динамических процессов в тяговых передачах
локомотивов. // Вісн. Східноукр. нац. ун-т. Часть II.
– 2005.–№8(90). С. 83-88.
Стаття надійшла 25.04.2006 р.
Рекомендовано до друку
д.т.н., проф. Загірняком М.В.
Вісник КДПУ. Випуск 3/2006 (38). Частина 2
56