СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ

СПІРЯГІН Максим Ігорович

УДК 629.4:531.46

Поліпшення зчеплення коліс з рейками шляхом удосконалення системи керування

рейковИМ транспортнИМ засобОМ

05.22.07 - Рухомий склад залізниць та тяга поїздів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Луганськ - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі „Залізничний транспорт” навчально- наукового інституту рейкового транспорту Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля Міністерства освіти та науки України

Науковий керівник кандидат технічних наук, доцент,

ГОРБУНОВ Микола Іванович,

Східноукраїнський національний університет імені

Володимира Даля, доцент кафедри „Залізничний транспорт”

Офіційні опоненти доктор технічних наук, доцент,

МАСЛІЄВ Вячеслав Георгійович,

Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, професор кафедри „Електричний транспорт та тепловозобудування”

кандидат технічних наук, доцент,

КРАМАР Микола Максимович,

Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля,

доцент кафедри "Прикладна математика"

Провідна установа Київський університет економіки і технологій транспорту, кафедра “Рухомий склад залізниць”, Міністерства транспорту України, м. Київ.

Захист відбудеться “ 05 ” липня 2004 р. о 13-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 29.051.03 Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а.

Автореферат розісланий “ 03 ” червня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Осенін Ю.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ.

Створення сучасних конкурентноздатних одиниць залізничного рухомого складу нерозривно зв'язано з використанням мікропроцесорних систем керування і регулювання. Застосування даних систем визначає технічний рівень рейкового транспортного засобу і дозволяє поліпшити його техніко-економічні параметри, що багато в чому залежать від принципів і алгоритмів керування мікропроцесорної системи.

Актуальність теми. Від рівня реалізації зчеплення коліс локомотивів з рейками визначається багато технічних і економічних показників роботи залізниць (маса і швидкість руху поїздів, витрата енергії, витрати на експлуатаційні і відновні роботи й ін.). Для підвищення розрахункових коефіцієнтів зчеплення провадиться вдосконалювання, як самих технічних засобів, так і методів їхньої експлуатації. Разом з тим реалізовані коефіцієнти зчеплення коліс локомотива з рейками відрізняються від розрахункових на ±40%. Це, з одного боку, свідчить про наявні резерви, а з іншого боку - про додаткові витрати.

У ряді випадків для поліпшення зчеплення коліс з рейками пропонується збільшення кількості піску, подаваного локомотивами на рейки, тому що через низьку вартість пісок є основним матеріалом, що застосовується для підвищення тертя у контакті колесо-рейка. У результаті застосування піску виникає вереск коліс і розвивається хвилеподібний знос рейок з короткими вертикальними нерівностями. Використання піску приводить до забруднення верхньої будови колії. Невисока точність подачі необхідної кількості піску в зону контакту приводить до влучення піску на бічну поверхню гребеня, що сприяє зростанню інтенсивності зносу гребенів коліс.

Аналіз заходів, що спрямовані на підвищення коефіцієнта зчеплення коліс локомотива з рейками показав, що в даний час не існує технічно досконалих систем підвищення рівня коефіцієнта зчеплення, тому виникає необхідність розробки нових технологій.

Аналіз вітчизняного і закордонного досвіду підтвердив реальну можливість рішення такої задачі за рахунок використання мікропроцесорних систем керування для перспективних рейкових транспортних засобів.

Однак найбільш важливим елементом роботи мікропроцесорних систем є принципи й алгоритми регулювання, для яких не повною мірою обґрунтовані і вирішені науково-практичні задачі забезпечення стійкої роботи локомотива у режимі найбільш ефективного використання зчеплення. Рішення даних задач з урахуванням трибологічного стану, кінематики і динаміки контактування коліс з рейками забезпечить поліпшення зчіпних якостей рейкового транспортного засобу в режимі тяги і гальмування. У зв'язку з цим тема роботи є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана відповідно до державної програми “Розвиток рейкового тягового складу соціального призначення для залізничного транспорту і міського господарства” (рег. №02-02-104/01-99 від 20.08.98); програмою по створенню нової техніки холдингової компанії “Луганськтепловоз” “Розробка і модернізація тягового рухомого складу потужністю 2000-4000 к.с. у секції для водіння пасажирських і приміських вагонів” (№ держ. рег. 0197U018162); додатковою угодою №12 від 06.11.2002 до договору з Укрзалізницею №39/34 від 10.02.94 “Виготовлення і постачання першого експериментального зразка дизель-поїзда”; науковими дослідженнями Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля по НІР “Дослідження процесів реалізації сили тяги при впливі на локомотив зовнішніх динамічних збурювань” (№ держ. рег. 81012271); “Наукові основи, концепція і теорія створення перспективних конструкцій транспорту з поліпшеними енергетичними й екологічними характеристиками” (№ держ. рег. 0196U021048). Автор є виконавцем по всіх наведених науково-дослідних роботах.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка і реалізація технічних рішень по поліпшенню зчеплення в режимах тяги й гальмування за рахунок визначення і вибору стратегії керування роботою мікропроцесорної системи рейкового транспортного засобу.

Задачі дослідження:

· уточнити математичну модель контактної взаємодії колісної пари з рейковою колією в залежності від фрикційного стану контактування при наявності граничного тертя, проміжних тіл і вплив на них поля ковзань, температури і напруг;

· розробити математичну модель просторового руху рейкового транспортного засобу, що враховує характеристики тягового електроприводу, фізико-механічні процеси в контакті при наявності мікропроцесорної системи керування;

· розробити структурно-функціональну схему мікропроцесорної системи для поліпшення тягових і гальмових показників рейкового транспортного засобу;

· розробити алгоритм повісного регулювання швидкості прослизання колісних пар, що дозволяє здійснювати індивідуальне регулювання величини прослизання по колісним парам;

· розробити алгоритм реалізації тягових і гальмових характеристик локомотива, що дозволяє підвищити силу зчеплення;

· розробити алгоритм керування подачею піску для зменшення витрати піску і підвищення зчіпних якостей.

Об'єкт дослідження. Фрикційні процеси в контакті колеса з рейкою.

Предмет дослідження. Система керування рейковим транспортним засобом.

Методи дослідження. У дисертаційній роботі використано: математичне моделювання контактної взаємодії колісної пари з рейковою колією з урахуванням різних фрикційних станів контакту; математичне моделювання процесу руху рейкового транспортного засобу; математичне моделювання взаємодії електричної і механічної частини екіпажу; чисельні методи рішення алгебраїчних і диференціальних рівнянь; математичне моделювання системи керування; методи теорії імовірностей при моделюванні й обробці результатів обчислень.

Правильність отриманих результатів підтверджується результатами експериментальних досліджень і ґрунтується на коректному використанні математичного апарата.

Наукова новизна отриманих результатів:

· у результаті проведення теоретичних досліджень дістала подальший розвиток математична модель взаємодії колеса з рейкою, що відрізняється від існуючих урахуванням граничного тертя в контакті при наявності проміжних тіл, поводження яких характеризується розподілом дійсних ковзань по поверхні контакту, зв'язаних з ними тепловиділень і тисків;

· у результаті проведення теоретичних досліджень уперше розроблена математична модель просторового руху рейкового транспортного засобу з урахуванням фізико-механічних процесів у контактах кожного колеса з рейкою при наявності мікропроцесорної системи керування з запропонованими алгоритмами роботи;

· у результаті проведення теоретичних і експериментальних досліджень отримана нова залежність сили зчеплення від величини відносного ковзання і реальних характеристик контактування, що дозволяє поліпшити тягові і гальмові властивості рейкового транспортного засобу при застосуванні мікропроцесорної системи керування;

· у результаті проведення теоретичних і експериментальних досліджень отримані нові теоретичні й експериментальні залежності по керуванню тяговою електропередачею з метою максимального використання зчеплення в режимах тяги і гальмування при наявності мікропроцесорної системи керування рейковим транспортним засобом.

Практичне значення отриманих результатів. Результати роботи використані при проведенні дослідницько-конструкторських робіт з доведення вузлів дизель-поїзда, а також при створенні мікропроцесорної системи керування тяговою передачею дизель-поїзда ДЕЛ-01. Дані види робіт виконані ДП “Електроважмаш” разом із ХК “Луганськтепловоз”. У результаті експлуатаційної перевірки дизель-поїзда ДЕЛ-01 отримані дані, що підтверджують правильність вибору основних принципів і алгоритмів керування, викладених у дисертації.

Розроблені моделі руху екіпажа і фрикційної взаємодії колеса з рейкою і пакет прикладних програм для ЕОМ використовуються ХК “Луганськтепловоз” при створенні нових конструкцій рейкових транспортних засобів.

Особистий внесок здобувача:

· уточнено математичну модель контактної взаємодії колісної пари з рейковою колією з урахуванням різних фрикційних станів контакту [1, 4];

· розроблено математичну модель просторового руху рейкового транспортного засобу з урахуванням характеристик тягового електропривода і фізико-механічних процесів у контакті кожного колеса з рейкою [2, 3];

· на основі моделі зчеплення колеса рейкового транспортного засобу з рейкою отримана залежність сили зчеплення від величини відносного ковзання[1, 3, 4, 5, 6, 9];

· розроблено принципи й алгоритми мікропроцесорної системи керування тяговою електропередачею локомотива [4, 5, 6, 8, 9].

При участі автора розроблено конструктивні рішення, на які видано 1 патент України [7] та отримано рішення про видачу деклараційного патенту на винахід [9].

Апробація результатів дисертації проводилася на X і XI Міжнародної науково-технічної конференції “Проблеми розвитку рейкового транспорту”, 2-й Міжнародній спеціалізованій виставці "Транспорт і логістика", м. Київ у 1999 році, а також на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу і наукових співробітників СНУ імені Володимира Даля в 1999-2003 р.

Публікації. По темі дисертаційної роботи було опубліковано 6 робіт у наукових журналах, одна теза з повідомленням, отримано 1 патент України на винахід та одне рішення про видачу деклараційного патенту на винахід.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з п'яти глав і трьох додатків. Повний обсяг роботи 185 сторінок, у тому числі 48 рисунків на 41 сторінці; 3 таблиці на 4 сторінках; 138 літературних джерел на 15 сторінках, 3 додатка на 7 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтована актуальність обраної теми дослідження, сформульована мета роботи. Представлені основні шляхи рішення задачі за рахунок використання алгоритмів керування рейковим транспортним засобом, що враховують реальний стан об'єкта регулювання.

У першому розділі проведено аналіз досліджуваного питання й огляд літератури, зв'язаної з тематикою дисертації, а також сформульовані мета і задачі дослідження.

Над шляхами вирішення проблеми зчеплення працювали і працюють у даний час багато закордонних, радянських вчених і вчені країн СНД. Це П.П.Мельніков, М.П.Петров, М.Є.Жуковський, В.А.Лазарян, Д.К.Мінов, Н.Н.Меншутін, І.П.Ісаєв, М.Ф.Веріго, Г.В.Самме, Ю.М.Лужнов, В.Б.Медель, О.Л.Лісіцин, Л.О.Мугінштейн, Н.А.Буше, Є.П.Блохін, Ю.В.Дьомін, О.Л.Голубенко, М.Л.Коротенко, С.М.Куценко, Р.Г.Черепашенец, Ю.І.Осенін, В.П.Ткаченко, Е.Д.Тартаковський, Г.Закс, Х.Фромм, Картер, Калкер, К.Мюллер, Х.Хейман, О.Креттек, Х.П. Ендрюс, Ф.Д.Нувіон, Лабрійн, Ф.Т.Барвелл та ін., які зробили внесок у розвиток науки про взаємодію колеса і рейки.

Виконаний провідними виробниками залізничного рухомого складу пошук можливостей підвищення зчіпних властивостей показав наявність значних технічних складностей реалізації зазначених можливостей стосовно до колекторних тягових електродвигунів і привів до створення локомотивів з безколекторними тяговими двигунами.

Вітчизняний досвід з оцінки й удосконалення зчіпних властивостей локомотивів з безколекторними тяговими двигунами, накопичений до початку даних досліджень, недостатній.

Закордонні дослідження у даній області великі і багатопланові, але стосуються переважно робіт по синхронному тяговому електроприводу.

Аналіз літератури показав, що у всіх розробках простежується єдиний підхід до рішення задачі оптимізації використання зчеплення локомотивом. Більшість фірм використовують величину прискорення колісної пари як індикатор розвитку буксовання. Однак, як правило, порушується також питання контролю абсолютної швидкості прослизання. При цьому основою визначення абсолютної швидкості прослизання є штучна імітація величини лінійної швидкості локомотива.

Проблемою поліпшення зчіпних властивостей локомотивів займаються відомі фірми: Siemens, Hitachi, Ansaldo, General Motors та інші. Важливо відзначити, що за кордоном на локомотивах з асинхронним тяговим електроприводом для поліпшення зчіпних властивостей локомотивів використовуються не природні жорсткі характеристики асинхронного тягового електродвигуна (АТЕД) при фіксації частоти струму статора, а досить складні алгоритми динамічного регулювання сили тяги колісних пар на основі спостереження за швидкістю прослизання.

При цьому можна відзначити, що зчіпні властивості локомотивів можуть бути підвищені за рахунок додання тяговому електроприводові визначених властивостей. Використання природних жорстких характеристик двигунів не може забезпечити високі зчіпні властивості локомотива з урахуванням всіх експлуатаційних факторів. Основою для вирішення цієї задачі є поосне регулювання швидкості прослизання колісних пар.

Безколекторні тягові електроприводи, з конструктивної точки зору, у максимальному ступені пристосовані до впровадження ефективних алгоритмів регулювання. Силові ланцюги і напівпровідникові перетворювачі дозволяють реалізувати поосне регулювання швидкості прослизання колісних пар або повізкове при паралельному живленні двох АТЕД від одного інвертора. Таким чином, реалізація зчіпних властивостей на локомотивах з безколекторними тяговими двигунами забезпечується введенням необхідних алгоритмів керування.

Проведений аналіз стратегій регулювання прослизування коліс щодо рейки показав, що всі методи мають багато загального. Більшість з них використовують сигнали швидкості рейкового транспортного засобу як вхідні. Розходження лежить у тому, як інтегрувати й обробляти ці сигнали.

При наявності мікропроцесорної системи ця задача вирішується відповідними програмними засобами.

Застосування електронних автоматичних систем для тягового рухомого складу дає можливість більш ефективно реалізувати роздільне керування тяговими двигунами, підвищити використання потужності, поліпшити якість технічної діагностики при експлуатації і ремонті з одночасним зниженням усіх видів витрат.

Аналіз рейкових екіпажів і використовування у них мікропроцесорних систем дозволив сформувати принципові напрямки досліджень - рішення трибологічної задачі контактної взаємодії колеса з рейкою, розробка математичної моделі “екіпаж - тяговий привід - шлях” і створення способів підвищення зчіпних якостей тягової одиниці за рахунок контролю мікропроцесорною системою фрикційних процесів у контакті коліс з рейками.

Другий розділ присвячен побудові математичної моделі процесу зчеплення, заснованої на рішенні контактної задачі котіння.

Задачу контактної взаємодії колісної пари з рейковою колією можна сформулювати таким чином. Знайти реакцію з боку рейкової колії при заданих фрикційних умовах контактування, нормальному навантаженню, векторі жорсткого ковзання, формі, пружних і теплофізичних властивостях матеріалів контактуючих тіл. Для рішення задачі прийняті й обґрунтовані подальші допущення: контактуючі тіла зовсім пружні, однорідні й ізотропні (задовольняється закон Гука); у зоні контакту мають місце тільки пружні деформації; розміри контактних площадок менше розмірів контактуючих тіл; матеріали колеса і рейки мають однакові пружні властивості. Прийняті допущення дозволяють розділити вихідну задачу на дві: нормальну і тангенціальну.

Рішення нормальної задачі здійснюється загальноприйнятими методами і способами.

При рішенні тангенціальної задачі метою є визначення поля дотичних напружень (сили зчеплення колеса з рейкою) і поля дійсних ковзань у зоні контакту. Для цього необхідно вирішити однорідні рівняння рівноваги пружного середовища в півпросторі з граничними умовами, знесеними на загальну дотичну площину:

де - залежність коефіцієнта тертя спокою від питомого тиску; - залежність коефіцієнта тертя ковзання від питомого тиску і температури в зоні контакту; - температура в зоні контакту; - швидкість дійсного ковзання.

Функції і визначені експериментально.

Таким чином, контактна задача стаціонарного котіння з прослизанням і зчепленням формулюється так: при заданих функціях , , , в області Е знайти вектор-функції і , де визначається в ході рішення задачі, причому швидкість дійсного ковзання може бути записана в наступному вигляді:

Оператор являє собою швидкість пружних деформацій, а - вектор жорсткого ковзання.

Аналіз формули швидкості жорсткого ковзання показав: якщо критичне ковзання на характеристиці зчеплення перевищує 1%, то в зоні контакту взагалі може не бути зони зчеплення при будь-якому ковзанні, і впливом пружних властивостей контактуючих тіл на поле дійсних ковзань у зоні контакту можна зневажити. Зате ведучу роль здобуває зміна фрикційного стану контактуючих поверхонь за рахунок тепловиділення в зоні контакту при їхньому відносному ковзанні.

Рішення задачі котіння з ковзанням, що враховувало би вплив пружних властивостей матеріалів колеса і рейки на поле дійсних ковзань і вплив тепловиділення в зоні контакту на фрикційні властивості поверхонь, у даний час не отримано.

При рішенні поставленої задачі використовувався добре розроблений у роботах О.Л.Голубенка, И.Калкера, А.А. Спектора, Р.П.Федоренка алгоритм рішення просторової контактної задачі котіння з прослизанням і зчепленням.

Складність рішення задачі полягає в тому, що невідомо поле температур у зоні контакту.

Для розрахунку значень температур на взаємодіючих поверхнях колеса і рейки скористаємося вираженням

,

де t - поточне значення часу, k - коефіцієнт, що характеризує умови контактування між колесом і рейкою ( , де - максимальне значення нормальної напруги), л - теплопровідність, м - коефіцієнт тертя, а - довжина площадки контакту уздовж рейки.

Формула дозволяє розглянути вплив ряду факторів, таких як площа контакту Е, осьове навантаження Р, діаметр колеса Дк (зважаючи на те, що ), швидкість ковзання е і швидкість руху Vдв , на зміну значень температури в контакті колеса і рейки.

Коефіцієнт k можна визначити в такий спосіб:

де a, b - півосі еліпса контакту (мають різні значення для різних ступенів зносу коліс і рейок).

Особливим випадком реалізації сили зчеплення є режим зрушення з місця. Відмінна риса режиму - можливість розглядати коефіцієнт зчеплення як коефіцієнт тертя спокою. Однак у дисертації процес зчеплення в момент зрушення з місця вивчався на основі рішення просторової статичної контактної задачі з прослизанням і зчепленням.

Розроблена математична модель фрикційної взаємодії колеса локомотива з рейковою колією є основою для методики визначення тягових і гальмових властивостей рейкових транспортних засобів на стадії проектування і дає вихідні характеристики для створення алгоритму керування тяговою передачею.

Третій розділ вирішує задачі теоретичних досліджень і розробки математичної моделі просторових коливань рейкового транспортного засобу типу дизель-поїзд ДЕЛ-01.

При складанні математичної моделі були проаналізовані моделі, розроблені у ВНІТІ і СНУ імені Володимира Даля.

Розрахункова схема дизель-поїзда приведена на рис.1. У розрахунковій схемі застосовані прямокутні праві системи координат.

У системі 68 тіл (4 кузова, 8 візків, 4 АТЕД, 4 якоря АТЕД, 3 автозчеплення, 16 колісних пар і 32 рейки).

Початки цих систем координат поміщені в центрах мас відповідних тіл.

Геометричні параметри, що враховуються при складанні математичної моделі, приведені на розрахунковій схемі.

Математична модель шляху у вертикальній площині прийнята дискретною з приведеними до колеса масою, жорсткістю і демпфіруванням, у горизонтальній площині шлях безінерційний, пружний.

Макрогеометрія шляху на кривих ділянках враховує наявність перехідних кривих, на яких реалізується узвишшя зовнішньої рейки і розширення колії, і кривій постійного радіуса.

На ідеальну геометрію шляху накладені випадкові вертикальні і горизонтальні нерівності рейок.

Диференціальні рівняння коливань рейкового транспортного засобу, складені з використанням рівнянь Лагранжа другого роду, мають вигляд:

Рис. 1 Розрахункова схема рейкового транспортного засобу

Конструкція транспортного засобу використовує тягову електропередачу з асинхронними тяговими двигунами. У математичній моделі використано закон керування роботою АТЕД за критерієм регулювання обертального моменту з одночасним урахуванням різних факторів, таких як просторові коливання, електродинамічні процеси в тяговому приводі кожної колісної пари, фізико-механічні процеси в контакті колесо-рейка.

Для даної математичної моделі розроблено програмне забезпечення, за допомогою якого досліджено рух транспортного засобу з асинхронним приводом (дизель-поїзд

ДЕЛ-01).

Як вихідні характеристики визначені сили зчеплення, вертикальні і горизонтальні сили взаємодії коліс з рейками, вертикальні, подовжні і поперечні переміщення і прискорення різних елементів транспортного засобу.

Результати розрахунків даної математичної моделі порівнювалися з експериментальними даними динамічних іспитів дизель-поїзда ДЕЛ-01, що були проведені ХК “Луганськтепловоз”. Відмінність експериментальних даних від розрахункових складає приблизно 20-25%, що дозволяє судити про адекватність моделі.

На рис. 2 представлені залежності сили зчеплення від швидкості руху при різних фрикційних умовах контактування.

Рис. 2. Залежність сили зчеплення від швидкості руху при різних фрикційних умовах контактування (передня колпара переднього головного вагона; задня колпара переднього головного вагона; передня колпара заднього головного вагона; задня колпара заднього головного вагона)

а) дизельне паливо; б) рейка волога; в) рейка чиста, суха; г) мастило СТП+пісок.

Результати розрахунку сил зчеплення використані при створенні програми моделювання системи керування тяговою передачею.

Четвертий розділ містить у собі опис розробленої мікропроцесорної системи керування, а також принципи й алгоритми керування електричною тяговою передачею.

Розроблювана система містить у собі такі пристрої: мікропроцесор, що входить до складу мікропроцесорного блоку; блок керування тяговим електродвигуном; блок керування тиском повітря в гальмових циліндрах; блок діагностичних пристроїв; блок визначення лінійної швидкості локомотива; блок керування подачею піску під колеса локомотива. Структурна схема показана на рис.3.

Рис. 3. Структурна схема розробленої системи керування і контролю.

Зазначені блоки працюють з датчиками, установленими на візку рейкового транспортного засобу, і контролюють наступні параметри: частоту обертання колісної пари; температуру обмоток тягового електродвигуна; струми обмоток якоря тягового електродвигуна; відносне переміщення колісної пари в буксовому вузлі; тиск повітря в гальмових циліндрах; подачу піску під колісні пари і продуктивність піскової системи.

Для визначення лінійної швидкості використовується серійний пристрій - радар, заснований на ефекті Доплера.

Сигнали датчиків, установлених на візку, надходять до блоку діагностичних пристроїв, у якому вони перетворюються на вхідні сигнали, необхідні для подачі на мікропроцесорну систему (комплекс). Отримана інформація обробляється за допомогою спеціальної керуючої програми. При визначенні частоти обертання колісної пари керуючою програмою робиться поправка, яка враховує знос бандажів коліс і положення осі колісної пари щодо буксового вузла. За результатами обробки формуються сигнали і спрямовуються виконавчим механізмам для коректування режиму роботи.

Для створення системи керування розроблена програма моделювання, що складається з наступних компонентів: системи регулювання прослизання коліс, регулятора моменту обертання, тягового перетворювача з проміжною ланкою постійної напруги і схемою керування, асинхронного трифазного двигуна, візка з обертовими масами тягового тракту і контакту колесо-рейка. Структурна схема наведена на рис. 4. На малюнку використовуються такі позначення: Fт - закладене значення сили тяги, яке вводиться машиністом; nп, nз - частота обертання передньої і задньої колісних пар; Uп, Uз - трифазна система напруг у перетворювачах передньої і задньої осі; Іп, Із - струми, споживані фазами переднього і заднього двигуна; Мп, Мз - момент передньої і задньої колісних пар; Fсц.п., Fсц.з. - сила зчеплення в контакті колесо-рейка на передній і задній колісній парі; Vп.к.п., Vз.к.п. - швидкості передньої і задньої колісних пар; хп, хз - зсув при коливаннях передньої і задньої колісних пар; Fт.п., Fт.з. - сили тяги передньої і задньої колісних пар; Рп, Рз - навантаження на передню і задню колісні пари відповідно.

При моделюванні використана класична схема регулювання моменту обертання, орієнтована на зміну магнітного потоку. Цим досягається висока динаміка регулювання електромагнітного моменту асинхронного двигуна.

Для візка з обертовими масами тягового тракту застосована схема заміщення коливальної системи. Програма моделювання дозволяє задати характеристику зчеплення будь-якої форми для кожної колісної пари, щоб утворити модель контакту колесо-рейка. Усі характеристики в процесі моделювання можна було змінювати.

На основі математичного моделювання системи керування з урахуванням моделі зчеплення колеса локомотива з рейкою розроблено алгоритм роботи керування тяговою передачею. Структурна схема системи регулювання подана на рис. 5. Ключовим елементом у даному алгоритмі є отримана залежність сили зчеплення від величини відносного ковзання і реальних характеристик контактування, що записується в такому вигляді:

,

де A1, A2, A3, A4, A5 - коефіцієнти рівняння; - вектор ковзання; - відносне ковзання, [%]; B=T1T3T5T6; T1, T2 - коефіцієнти, що враховують фрикційний стан поверхонь контакту, T3, T4 - вертикальне навантаження, T5 - швидкість руху, T6, T7 - поперечне переміщення колеса щодо рейки, T8 - кут набігання, , T9 - коефіцієнт запасу зчеплення при гальмуванні.

Наведена залежність підтверджена великою кількістю проведених раніше експериментальних досліджень, зокрема трибологічними дослідженнями, виконаними на кафедрі “Залізничний транспорт” Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля.

Рис. 4. Структурна схема програми моделювання

Рис. 5 Структурна схема системи регулювання

Розроблена система відрізняється від систем, що застосовувалися раніше, можливістю регулювання спільного або почергового використання електричного і пневматичного гальма.

При режимі гальмування пневматичним гальмом можна забезпечити практично ті ж режими гальмування, що й при застосуванні електричного гальма. Це здійснюється шляхом регулювання тиску в циліндрах при використанні мікропроцесорної системи для керування пневматичними позиціонерами, що спричиняє зміну натискання колодок на колесо.

Для забезпечення ефективної роботи піскової системи за рахунок керування її продуктивністю і запобігання злежування сипучого матеріалу розроблена форсунка піскової системи (патент України №38096А МКИ В61С15/10), опис якої також наводиться в даному розділі.

Розроблені технічні рішення органічно вписуються в загальний мікропроцесорний комплекс рейкового транспортного засобу, використовуючи в разі необхідності елементи, що містяться в ньому .

П'ятий розділ містить експериментальні дослідження і приклад практичної реалізації заходів щодо підвищення зчіпних якостей у режимі тяги і гальмування за рахунок використання мікропроцесорної системи.

Теоретичні принципи й алгоритми і рекомендації даної роботи були частково використані при розробці мікропроцесорної системи керування тяговою електропередачею при проведенні робіт з модернізації, налагодженню й іспитах електропередачі дизель-поїзда ДЕЛ-01, розробленої НДІ ДП “Електроважмаш” разом із ХК “Луганськтепловоз”.

Розробка програмного забезпечення для дизель-поїзда ДЕЛ-01 здійснювалася за допомогою мови ассемблер і мови високого рівня Сі (ANSI C). Процес розробки програмного забезпечення здійснювався для процесора TMS320LF2407 фірми Texas Instruments, що використовується в мікропроцесорному блоці МП-01.

Для проведення налагоджувальних робіт і наступних випробувань дизель-поїзда, у зв'язку з високим ступенем складності системи керування електропередачі, розроблена система реєстрації й індикації даних (СРД). Система включає персональний комп'ютер типу Notebook, канал зв'язку з картою доступу і програмне забезпечення.

Поїзні випробування дизель-поїзда проводилися на шляхах Укрзалізниці з базуванням на станції “Кондрашевська Нова” Донецької залізниці.

Відповідно до затвердженого графіка регулювальних і доводочних робіт по забезпеченню приймально-здавальних випробувань дизель-поїзда ДЕЛ-01 були проведені випробування дизель-поїзда в пробігу на ділянці “Кондрашевська Нова” - “Старобільськ” - “Кондрашевська Нова” - 3 поїздки- і “Кондрашевська Нова” - “Довжанська” - “Кондрашевська Нова” - 2 поїздки з реалізацією максимально дозволеної швидкості до 100 км/г.

За допомогою системи СРД велися контроль і реєстрація основних параметрів електропередачі.

Застосування розробленої системи керування тяговою електропередачею дозволило підвищити к.п.д. на 1..2%, а також підвищити використання зчіпної маси локомотива приблизно в 1,4 рази. Крім цього, застосування такої електропередачі в порівнянні з традиційною, з колекторними тяговими двигунами, знизило витрату міді в співвідношенні 1:8 (з урахуванням кабелів і контактної апаратури) і знизило витрати на поточне утримання більш ніж у 2 рази.

ВИСНОВКИ

Результати представлених у даній дисертаційній роботі теоретичних і експериментальних досліджень дозволяють зробити такі висновки:

1. Уточнено математичну модель контактної взаємодії колісної пари з рейковою колією з урахуванням фрикційного стану контактування при наявності граничного тертя, проміжних тіл і впливу на них поля ковзань, температури і напруг, довільного розташування колісної пари щодо колії. Розглянуто випадки реалізації сили зчеплення колеса рейкового транспортного засобу з рейкою в режимі зрушення, тяги і гальмування. Отримані результати використані при створенні математичної моделі просторового руху рейкового транспортного засобу.

2. Розроблено математичну модель просторового руху рейкового транспортного засобу (дизель-поїзд ДЕЛ-01) з урахуванням характеристик тягового електроприводу, фізико-механічних процесів у контакті за наявності мікропроцесорної системи керування. Для даної математичної моделі створена програма обчислення, за якою обчислювалися значення сили зчеплення при різних фрикційних умовах контактування в системі колесо-рейка.

3. На підставі створеної моделі зчеплення колеса рейкового транспортного засобу з рейкою, автором отримана залежність сили зчеплення від величини відносного ковзання і реальних характеристик контактування.

4. Розроблено конструкцію мікропроцесорної системи, що поліпшує тягові, гальмові показники рейкового транспортного засобу. Розроблена система дозволяє максимально використовувати можливості тягових електродвигунів у режимі тяги і гальмування. По запропонованій конструкції мікропроцесорної системи керування отримано рішення про видачу деклараційного патенту на винахід.

5. Розроблено алгоритми керування тяговою електропередачею локомотива: алгоритм повісного регулювання швидкості прослизання колісних пар; алгоритм реалізації тягових і гальмових характеристик локомотива; алгоритм керування подачею піску.

6. За участю автора розроблено конструктивне рішення, що дозволяє досліджувати і поліпшити процес реалізації сил зчеплення рейковим транспортним засобом у контакті колесо-рейка, по якому отримано патент України № 38096A.

7. Результати даної роботи використані при проведенні дослідницько-конструкторських робіт з доведення вузлів дизель-поїзда, а також при створенні мікропроцесорної системи керування тяговою передачею дизель-поїзда ДЕЛ-01. У результаті експлуатаційної перевірки дизель-поїзда ДЕЛ-01 отримані дані, що підтверджують правильність вибору основних принципів і алгоритмів керування, викладених у дисертації.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Голубенко А.Л., Кашура А.Л., Горбунов Н.И.. Спирягин В.И., Спирягин М.И. Результаты экспериментального исследования на машине трения фрикционных свойств контакта колесо-рельс//Новые технологии железнодорожного транспорта: подготовка специалистов, организация перевозочного процесса, эксплуатация технических средств. Сб. научн. стат. с международн. участием Омского гос. ун-та путей сообщения. - Омск: ОмГУПС - 2000. - С. 274-277.

2. Горбунов Н.И., Спирягин В.И., Спирягин М.И., Заратуйченко А.А., Сун Енпин. Совершенствование стенда для исследования сцепления колеса с рельсом и испытания элементов буксового рессорного подвешивания//Вістник Східноукр. держ. ун-ту. - Луганськ: СУДУ. -2000. - Вип. 7(29). -С. 79-83.

3. Горбунов Н.И., Голишевский А.Г., Белоброва И.А., Спирягин М.И. Определение поперечных скольжений колесных пар относительно рельсовой колеи// Вісн. Східноукр. нац. ун-ту ім. В. Даля. - Луганськ: СНУ. -2001. - Вип. 7(41). -С. 27-32.

4. Горбунов Н.И., Кашура А.Л., Спирягин В.И., Спирягин М.И. Улучшение тягово-тормозных свойств локомотивов за счет применения микропроцессорных систем// Перспективні задачі інженерної науки. - Дніпропетровськ:GAUDEAMUS. - 2002. - Вип. 4.- С.168-172.

5. Спирягин М.И. Регулирование проскальзования колеса по силе сцепления для рельсовых экипажей с асинхронным тяговым приводом// Вісн. Східноукр. нац. ун-ту ім. В. Даля. - Луганськ: СНУ. -2003. - Вип. 9(67). -С. 67-70.

6. Спирягин М.И. Повышение эффективности тяги и торможения за счет совершенствования алгоритма управления тяговой передачей рельсового транспортного средства// Вісн. Східноукр. нац. ун-ту ім. В. Даля. - Луганськ: СНУ. -2003. - Вип. 12(70). -С. 144-149.

7. Патент України №38096А, МПК 6 В 61С15/10, опубл. 15.05.2001, бюл №4. “Форсунка пісочної системи локомотива” Горбунов М.І., Спірягін В.І., Міхєєв О.С., Тасанг Э.Х., Ігнатьєв О.Л., Спірягін М.І.

8. Осенин Ю.И., Спирягин М.И. Микропроцессорная система управления характеристиками движения транспортного средства// Тези доп. 2-й Міжнародної спеціалізованої виставці “Транспорт + логістика”. - Київ - 1999.- С.169-170.

9. Рішення про видачу деклараційного патенту на винахід №27176/а від 23.12.2003. Заявка №2003065488. “Микропроцесорна система керування тяговою передачею локомотива” Спірягін М.І., Спірягін В.І., Горбунов М.І., Кашура О.Л., Вівденко Ю.Г., Поляченко О.Ю., Белозьорова В.В.

АНОТАЦІЯ

Спірягін М.І. “Поліпшення зчеплення коліс з рейками шляхом удосконалення системи керування рейковим транспортним засобом”. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.22.07 - Рухомий склад залізниць і тяга поїздів. - Східноукраїнський національний університет ім. В.Даля, м. Луганськ, 2004.

Захищаються 7 наукових праць, один патент та одне рішення про видачу деклараційного патенту на винахід, що містять дослідження з підвищення тягово-динамічних властивостей рейкового транспортного засобу і застосування мікропроцесорних систем керування на залізничному транспорті.

У дисертаційній роботі уточнена математична модель контактної взаємодії колісної пари з рейковою колією з урахуванням різних фрикційних станів контакту і довільного розташування колісної пари щодо колії. Отримано закономірності залежності сили зчеплення від величини відносного ковзання. Результати дослідження з даної математичної моделі були використані при створенні математичної моделі просторового руху рейкового транспортного засобу (дизель-поїзд ДЕЛ-01) з урахуванням характеристик тягового електропривода.

Розроблено конструкцію мікропроцесорної системи, що поліпшує тягові і динамічні показники рейкового транспортного засобу.

Розроблено принципи й алгоритми керування тяговою електропередачею локомотива: алгоритм поосного регулювання швидкості прослизання колісних пар; алгоритм реалізації тягових і гальмових характеристик локомотива; алгоритм керування подачею піску.

У результаті експлуатаційної перевірки дизель-поїзда ДЕЛ-01 отримані дані, що підтверджують правильність вибору основних принципів і алгоритмів керування, викладених у дисертації.

Ключові слова: рейковий транспортний засіб, дизель-поїзд, зчеплення, прослизання, мікропроцесорна система керування, тягова електропередача.

АННОТАЦИЯ

Спирягин М.И. “Улучшение сцепления колес с рельсами путем совершенствования системы управления рельсовым транспортным средством”. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов. - Восточноукраинский национальный унивеситет им. В.Даля, г.Луганск, 2004.

Защищаются 7 научных работ, один патент и одно решение про выдачу декларационного патента, содержащие исследования по повышению тягово-динамических свойств рельсового транспортного средства и применению микропроцессорных систем управления на железнодорожном транспорте.

В диссертационной работе уточнена математическая модель контактного взаимодействия колесной пары с рельсовой колеей с учетом различных фрикционных состояний контакта и произвольного расположения колесной пары относительно колеи. Получены закономерности зависимости силы сцепления от величины относительного скольжения. Результаты исследования по данной математической модели, были использованы при создании математической модели пространственного движения рельсового транспортного средства (дизель-поезд ДЭЛ-01) с учетом характеристик тягового электропривода.

Разработана конструкция микропроцессорной системы, улучшающая тяговые и динамические показатели рельсового транспортного.

Разработаны принципы и алгоритмы управления тяговой электропередачей локомотива: алгоритм поосного регулирования скорости проскальзывания колесных пар; алгоритм реализации тяговых и тормозных характеристик локомотива; алгоритм управления подачей песка.

В результате эксплуатационной проверки дизель-поезда ДЭЛ-01 получены данные, подтверждающие правильность выбора основных принципов и алгоритмов управления, изложенных в диссертации.

Ключевые слова: рельсовое транспортное средство, дизель-поезд, сцепление, проскальзование, микропроцессорная система управления, тяговая электропередача.

THE SUMMARY

Spiryagin M.I. The improvement of adhesion between wheels and rails by means of the modernization of the control system for railway vehicles.

Thesis in competition of a scientific degree of the cadidate of engineering science on a speciality 05.22.07 - rolling stocks and train traction. Vladimir Dal’s East Ukrainian National University, Lugansk, 2004.

The scientific position is presented in 7 scientific technical articles, 1 patent and one positive decision for issue of patent, which are research for the improvement of tractive and dynamic properties and the application of microprocessor control system on railway transport.

In the thesis work, review of publications, articles and patents for solving a problem of adhesion with usage of control and adjustment system for railway vehicles was made.

Document analysis shows that the most of companies use asynchronous tractive motors for solving this problem and the same method for optimization of adhesion for railway vehicles is used. The method is based on the determination of a value for wheel pairs’ acceleration, which is an indicator of wheels’ slip. However, as a rule, the method of the control for absolute slip velocity is applied too. The basis for the determination of a value for absolute slip velocity is artificial imitation of a value for vehicle velocity.

The control strategy analysis shows that most of the methods have the same approach to a problem for slip detection. A lot of strategies use signals of vehicle velocity and the adhesion as input signals for their control system. The differences are how to use and interpret these signals. Usage of microprocessor control systems allows for the application of different control strategies by means of the software change.

The mathematical model of the interaction between wheel pairs and rails for different adhesive conditions and arbitrarily assigned position of wheel pairs relatively rails was made. Realization of adhesive force for tractive, starting and breaking modes was researched. Patterns for the definition of adhesive force depending on relative slip of wheel relatively rail for different adhesion conditions were developed. This model is a basis for the method of determination tractive and braking properties for railway vehicles on design stages and gives input characteristics for a development of the control strategies for microprocessor control system with asynchronous tractive motors.

Calculation results of the mathematical model of the interaction between wheel pair and rails were used for developing of DEL-01 train modeling. In this model, mutual work of mechanical and electric parts of vehicle has been taken into account. The software for this mathematical model was created by using of programming language C. The values of adhesion forces for different adhesive conditions were calculated. Adequacy verification of the given model has been proved by comparing the result of computation with experimental data.

The structure of microprocessor control system, which improved tractive and dynamic characteristics of railway vehicles, was proposed. The improvements are reached by means

of optimization for cooperation using of pneumatic and electric braking systems, adjustment of pushing efforts for braking shoes on a wheel, adjustment of braking torques for tractive motors by using the criterion for adhesive force and by using the maximum possibilities of tractive motors in tractive mode.

The principles and algorithms for control and adjustment of tractive electricity transmission were developed: the algorithm of slip velocity adjustment for the each axle, the algorithm of realization tractive and braking characteristics for railway vehicles and the algorithm for the operation of