WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

ФЕДЯЕВ Владимир Николаевич ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ПОДСИСТЕМ МАГИСТРАЛЬНОГО ТЕПЛОВОЗА НА РЕАЛИЗАЦИЮ ПРЕДЕЛЬНЫХ ТЯГОВЫХ УСИЛИЙ 05.22.07 Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Брянск – 2006 2

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Брянский государственный технический университет» на кафедре «Локомотивы» Научный руководитель доктор технических наук, профессор Михальченко Георгий Сергеевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Савоськин Анатолий Николаевич кандидат технических наук, Клименко Юрий Иванович Ведущее предприятие – ЗАО УК «Брянский машиностроительный завод»

Защита состоится «29» декабря 2006 года в «11» часов на заседании диссертационного совета К 212.021.02 Брянского государственного технического университета по адресу: 241035, г. Брянск, бульвар им.50-летия Октября, 7, ауд. № 220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Брянского государственного технического университета.

Автореферат разослан «28» ноября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Реутов А.А.

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Повышение тяговых свойств тепловозов требует реализации предельных тяговых усилий для всех осей локомотива. Движение на пределе по сцеплению каждой оси достигается при индивидуальном управлении приводом осей за счет формирования тяговых характеристик с регулируемой жесткостью.

Проектирование новых машин с традиционными тяговыми двигателями постоянного тока (ДПТ) и индивидуальным (поосным) регулированием, повышающим жесткость электромеханических характеристик двигателей последовательного возбуждения при буксовании, делает весьма актуальным исследование влияния электрической и механической подсистем магистрального тепловоза на реализацию предельных сил тяги и выработку рекомендаций по дальнейшему улучшению тяговых качеств тепловоза.

Цель и задачи работы. Целью работы является определение путей повышения тяговых свойств магистрального тепловоза с индивидуальным регулированием тяговых двигателей постоянного тока последовательного возбуждения.

Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:

- разработка электромеханической модели магистрального тепловоза на базе совмещения программных комплексов (ПК) MatLab и «Универсальный механизм» (UM), позволяющей исследовать динамические и тяговые качества тепловоза в квазистационарных и нестационарных режимах;

- исследование на основе численных экспериментов тяговых свойств магистрального тепловоза с индивидуальным регулированием осей и различной конструкцией ходовой части при реализации предельных тяговых усилий в процессе пуска и разгона;

- анализ влияния электрической и механической подсистем магистрального тепловоза на реализацию предельных сил тяги, и выработка рекомендаций по повышению тяговых свойств локомотива.

Методы исследования и достоверность полученных результатов.

Для решения сформулированных задач использованы современные методы математического моделирования. Электрическая (силовая и управляющая) подсистема тягового привода тепловоза моделируется в ПК MatLab с применением топологического метода анализа электрических цепей, положений теории электрических машин, теории электропривода, теории электрической тяги и теории автоматического управления. Механическая часть тепловоза моделируется в ПК UM на основе системы связанных твердых тел. Для получения единой электромеханической модели тепловоза модели MatLab интегрируются в модели ПК UM с помощью специального программного модуля, разработанного на кафедре «Прикладная механика» Брянского государственного технического университета (БГТУ).

Достоверность результатов моделирования подтверждена сравнением их с результатами экспериментальных исследований, полученных Всероссийским научно-исследовательским и конструкторско-технологическим институтом подвижного состава (ВНИКТИ МПС).

Научная новизна:

разработана электромеханическая модель перспективного магистрального тепловоза с тяговыми двигателями постоянного тока на базе совмещения программных комплексов MatLab и «Универсальный механизм» (UM), позволяющая исследовать динамические и тяговые качества тепловоза в нормальных и нестационарных режимах работы при различных конструкциях ходовой части;

установлен качественный и количественный характер динамических процессов в тяговом приводе магистрального тепловоза с поосным регулированием и различными типами тележек: серийными тележками тепловоза 2ТЭ116, тележками с низко опущенным шкворнем и тележками с наклонными тягами при реализации максимальных по условиям сцепления тяговых усилий;

выявлены закономерности динамического перераспределения нагрузок по осям тепловоза в квазистационарных и нестационарных режимах тяги при различной конструкции тележек;

установлено, что быстродействие замкнутой системы тягового привода магистрального тепловоза 2ТЭ25К при буксовании всех осей локомотива недостаточно для получения коэффициента использования сцепного веса более 0,8 в диапазоне скоростей 1-15 км/ч.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Создана электромеханическая модель магистрального тепловоза с поосным регулированием и тремя вариантами конструкции экипажной части. Выработаны рекомендации по улучшению тяговых свойств магистрального тепловоза с индивидуальным регулированием тяговых двигателей постоянного тока последовательного возбуждения.

Результаты работы приняты на ЗАО УК "БМЗ-Тепловоз" для использования при разработке магистральных тепловозов с тяговыми двигателями постоянного тока, работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 05-01-00756.

Модель тепловоза 2ТЭ25К, а также реализующие ее программы внедрены в учебный процесс БГТУ и используются на кафедре «Локомотивы» и «Автоматизированный электропривод» при курсовом и дипломном проектировании.

Апробация работы. Диссертационная работа обсуждалась на расширенном заседании кафедры «Локомотивы» и научных семинарах кафедр «Автоматизированный электропривод» и «Прикладная механика» БГТУ в 2006 году. Основные результаты диссертационной работы и ее отдельные разделы докладывались на 57-й Научной конференции профессорско-преподавательского состава БГТУ (2005г.), XV Международной научно-технической конференции “Проблемы развития рельсового транспорта” (Крым, 2005 г.), LXVI Международной научнопрактической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (Днепропетровск, ДИИТ, 2006г).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе одна в рецензируемом журнале, входящем в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы, включающего 133 наименования, и приложения. Содержит 125 страниц основного текста, включая 52 рисунка, 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и дана краткая характеристика работы.

В главе 1 на основе обзора методов повышения тяговых качеств локомотивов и анализа особенностей режимов движения тепловоза при срыве сцепления обоснована принятая для исследования структура привода, выбраны методы и сформулированы задачи исследования.

Тяговый привод тепловоза с электропередачей является сложной динамической системой, обобщенная структура которой для перспективного шестиосного тепловоза с двигателями постоянного тока и индивидуальным регулированием осей представлена на рис. 1.

Источником питания для тягового электропривода (ТЭП) служит дизельгенераторная установка Д-СГ, включающая дизель Д и синхронный генератор СГ, далее электроэнергия поступает на полупроводниковый статический преобразователь СП, состоящий из шести незаРис. 1. Обобщенная структурная схема ТЭП тепловоза висимых выпрямительных установок ВУ1ВУ6, к которым подключены 6 тяговых электродвигателей Д1-Д6, вращающий момент от двигателей передается через механические передачи МП1-МП6 нагрузке Н (локомотиву и поезду) через контакт колесо-рельс. Сигналы управления для дизель-генераторной установки и статического преобразователя формируются под контролем системы управления СУ, обрабатывающей сигналы с датчиков. Общую систему ТЭП укрупненно можно разбить на две части (подсистемы): электрическую, в которую входят СГ, СП, Д1-Д6, СУ и механическую, включающую МП1-МП6, Н.

Исследованию динамических процессов в механической части локомотивов, проблем взаимодействия колеса и рельса и улучшения использования потенциальных условий сцепления посвящены работы А.И. Беляева, И.В. Бирюкова, М.Ф. Вериго,, И.И. Галиева, А.Л. Голубенко, И.П. Исаева, Й. Калкера, В.С. Коссова, В.Н. Кашникова, В.А. Лазаряна, В.Н. Лисунова, Ю.М. Лужнова, Н.Н. Меншутина, Д.К. Минова, Г.С. Михальченко, А. де Патера, Г.В. Самме и многих других ученых.

Проблемы автоматизации управления тяговыми электродвигателями проработаны в трудах А.А. Баранова, Ю.М. Инькова, Ю.И. Клименко, Д.С. Киржнера, В.А. Кучумова, Е.Ю. Логвиновой, А.В. Плакса, П.Ю. Петрова, Н.А. Ротанова, В.Д. Тулупова, В.П. Феоктистова и других.

Исследованию ТЭП как единой электромеханической системы посвящены работы А.А. Зарифьяна, П.Г. Колпахчьяна, В.В. Литовченко, А.П. Павленко, А.Н. Савоськина, Т.А. Тибилова, В.А. Шарова и других ученых. Но в большинстве этих работ используется упрощенное представление механической подсистемы, кроме трудов двух первых авторов, которые выполнены для электровозов.

Упрощенное моделирование механической части может привести к утрате некоторых существенных при движении на пределе по сцеплению явлений, таких, например, как перераспределение осевых нагрузок локомотива в режиме тяги, которое решающим образом зависит от конструкции экипажа.

В главе 2 с целью предварительного анализа динамических процессов в ТЭП разработана модель тягового привода оси тепловоза с использованием для моделирования электрической части контурных топологических уравнений в матричной форме, что дает возможность моделировать различные схемы привода с двигателями постоянного и переменного тока. Модель электрической части включает источник питания, статический преобразователь и двигатель. Расчетная схема механической части ТЭП выполнена в виде одноосной модели, но она позволяет учесть основные виды колебаний колесно-моторного блока, определяющим образом влияющие не только на механические процессы при срыве сцепления, но и на электромагнитные процессы в тяговых двигателях. Моделирование выполнено в среде Delphi. На основе расчета ТЭП с двигателями постоянного и переменного тока произведена оценка влияния формы естественных динамических механических характеристик двигателей на развитие буксования при стабилизации питающего напряжения.

Глава 3 посвящена разработке электромеханической модели тепловоза. Моделирование электрической подсистемы ТЭП тепловоза выполнено в среде MatLab/Simulink. На магистральном тепловозе 2ТЭ25К используется силовая электрическая схема с индивидуальным регулированием осей (рис. 2) (цепи ослабления поля на схеме не показаны). Питание каждого двигателя ЭДУ133 последовательного возбуждения производится от собственного управляемого выпрямителя (ВУ1 - ВУ6), благодаря чему можно осуществлять защиту от буксования, изменяя напряжение на двигателе буксующей оси.

Рис. 2. Расчетная силовая схема тепловоза с индивидуальным регулированием осей При моделировании ДПТ последовательного возбуждения для уточнения модели в нормальных, и особенно в аварийных и нестационарных режимах следует учесть влияние вихревых токов, индуцируемых в магнитопроводе при изменении потока двигателя.

Для моделирования тягового двигателя с учетом вихревых токов в данной работе применен упрощенный подход, при котором реальный контур вихревых токов заменяют фиктивным (с числом витков W0 и сопротивлением R0), расположенным по продольной оси обобщенной машины (рис. 3) и связанным с потоком Ф по данной оси коэффициентом связи, равным единице. При этом в фиктивном контуре течет ток I0, обмотки якоря и возбуждения двигателя обтекаются одним и тем же током Iя (ослабление поля в данном случае не учитывается).

В цепь якоря входят суммарная индуктивность Lя и суммарное сопротивление Rя, включающие соответственно индуктивности и сопротивления обмоток якоря и дополнительных полюсов, а также собственная индуктивность обмотки возбуждения Lв, сопротивление обмотки возбуждения Rв и ЭДС двигателя Eя. Система уравнений двигателя в осях - (рис. 3) имеет вид LU I ( Rя Rв ) с Ф( I ) L I0 RdI я я ; (1) dt L ( Lя Lв( I )) L /, dI0 I0 R0( Lя Lв ) LU I я( Rя Rв ) с ФI dt L ( Lя Lв( I )) L Wгде I I I'0 - ток намагничивания; I'0 I0 - вихя Wв ревой ток, приведенный к току обмотки возбуждения;

WвWв – число витков обмотки возбуждения; R'0 R0 Wприведенное сопротивление контура вихревых токов; Lв ( I ) – индуктивность обмотки возбуждения, рассчитываемая на основе кривой намагничивания;

L Lв ( I ) L - приведенная взаимная индуктивность обмотки возбуждения и контура вихревых токов; L - индуктивность рассеяния главных полюсов; Ф( I ) магнитный поток двигателя, определяемый по характеристикам машины; с – постоянная двигателя; - угловая скорость вращения ротора.

Выходными параметрами для электрической подсистемы тепловоза и входными для механической являются электромагнитные моменты двигателей М с Ф( I ) I. Скорости роторов, входящие в уравнение (1) электрической я части, являются выходными параметрами механической подсистемы и определяются при расчете механической части в ПК UM. Кривые Ф( I ) и Lв( I ) в MatLab задаются таблично с интерполяцией промежуточных значений.

Моделирование дизель-генераторной установки тепловоза и системы управления двигателями выполняется на основе приведения динамических процессов в синхронном генераторе СГ (рис. 2) и выпрямительных установках (ВУ1-ВУ6) к звену постоянного тока (к выходу тягового модуля). Для каждой позиции контроллера машиниста (КМ) задается величина мощности дизеля РДi, приведенная к звену постоянного тока. При переключении позиций контроллера инерционность процессов в дизеле учитывается введением инерционного звена первого порядка. Далее формируются внешние характеристики генератора, приведенные к звену постоянного тока, по уравнениям U k1Iогр Iмn Iогр Iмn dt,если (Udз Iмn ) PДi ;

dз T PДi иначе Udз Iмn ;

(2) если Udз Udmaxi,тоUdз Udmaxi ;

Pages:     || 2 | 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.