ОСИНОВСЬКИЙ ОЛЕГ ОЛЕКСАНДРОВИЧ

УДК 629.4.060

ПОЛІПШЕННЯ ТЯГОВО-ЗЧІПНИХ І ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ ЯКОСТЕЙ ТЕПЛОВОЗІВ ЗА РАХУНОК УДОСКОНАЛЕННЯ

ПРОТИБОКСОВОЧНИХ СИСТЕМ

Спеціальність: 05.22.07 – Рухомий склад залізниць та тяга поїздів

Автореферат

дисертації на здобуття вченого ступеня
кандидата технічних наук

Луганськ, 2007

Дисертація є рукописом.

Робота виконана на кафедрі залізничного транспорту Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Павленко Альберт Прокопович, генеральний директор Науково-виробничого підприємства “Вібротранс Ко ЛТД”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Маслієв В'ячеслав Георгійович, Національний технічний університет “ХПІ”, професор кафедри “Електричний транспорт і тепловозобудування”,

кандидат технічних наук, доцент Малахов Олег Володимирович, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, завідувач кафедрою автоматизації та комп’ютерно- інтегрованих технологій.

Захист відбудеться 15 листопада 2007 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 29.051.03 Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а, СНУ ім. В. Даля, корпус 1.

З дисертацією можна ознайомитись в науковій бібліотеці Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а, СНУ ім. В. Даля, наукова бібліотека.

Автореферат розісланий “12” жовтня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради __________ _____ Ю. І. Осенін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Магістральні тепловози з електричною передачею й електровози є на сьогоднішній день основними тяговими одиницями залізничного транспорту, на частку яких припадає домінуюча частина вантажних і пасажирських перевезень. У різних країнах Європи, Азії, Америки тепловозною тягою здійснюється від 30 до 90% всіх вантажопасажирських перевезень. Головним критерієм при створенні нових і модернізації експлуатованих магістральних тепловозів є підвищення їхніх тягово-зчіпних якостей при одночасному зниженні паливно-енергетичних і експлуатаційних витрат. Одним з результативних напрямків досягнення зазначених цілей є вдосконалення конструкції й підвищення ефективності роботи протибоксовочних систем тепловозів.

Актуальність теми. Процеси боксування та юза дуже характерні для магістральних локомотивів особливо у весняний та осінньо-зимовий період року, істотно знижують ефективно реалізовані тягові й гальмові зусилля, приводять до різкого зростання (більш ніж в 2 - 5 разів) динамічної завантаженості ланок колісно-моторних блоків (тягових електродвигунів (ТЕД), тягових редукторів, колісних пар) й інтенсивному зношуванню колісних пар і рейок, що у свою чергу викликає значне зростання паливно-енергетичних й експлуатаційних витрат. Домінуючі на сьогоднішній день на експлуатованих в країнах СНД та далекого зарубіжжя тепловозах і електровозах протибоксовочні системи, побудовані на порівнянні кутових швидкостей обертання або залежних від них струмів (напруг) тягових електродвигунів боксуючих та небоксуючих колісних пар (або - від похідних за часом від зазначених величин), у принципі не здатні попереджати боксування (юз) колісних пар, тому що виявляють зазначені процеси, коли останні вже досить інтенсивно розвилися й для їхнього припинення необхідне лише зниження тягового моменту відповідних ТЕД на 40-70%.

Сучасна мікропроцесорна техніка й комп'ютерні технології дозволяють створити й впровадити на експлуатованих (і знову створюваних) тепловозах більш ефективні й принципово відмінні від нині застосовуваних протибоксовочні системи, побудовані на аналізі динамічних процесів у системах “ТЕД - тяговий редуктор - колісна пара - рейковий шлях” (ТЕД - ТР - КП - РШ) кожної осі локомотива й здатні попереджати в більшості випадків розвиток процесів боксування (юзу) без зниження тягового моменту колісних пар.

Розробці й удосконаленню зазначених протибоксовочних систем виявлення граничних сил зчеплення (СВГСЗ) стосовно до магістральних тепловозів на основі поглиблених досліджень особливостей динамічних процесів у системах “ТЕД - ТР - КП - РШ - СВГСЗ” у режимах граничної сили тяги й боксування присвячена дана робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на основі й у розвиток досліджень, проведених в 1998-2006 рр. відповідно до НДДКР № 358.95.97 ЦТЕХ “Розробка системи виявлення й підвищення реалізації граничних сил зчеплення локомотивів” (№ держ. реєстрації 01964021202), № Д-2-92 “Розробка системи попередження боксування та юза колісних пар вантажного тепловоза”, № ЛТ-1-2003 “Розробка, виготовлення, монтаж і настроювання параметрів системи виявлення граничних сил зчеплення (СВГСЗ) магістральних тепловозів”, за замовленням і на підставі плану НДДКР Державної адміністрації залізничного транспорту України (Укрзалізниці), холдингової компанії “Луганськтепловоз”, компанії “SKINLAT PROJEKT” (Латвія).

Мета й завдання дослідження. Метою роботи є підвищення тягово-зчіпних якостей магістральних тепловозів шляхом установлення закономірностей протікання динамічних процесів у системах “ТЕД - тяговий редуктор - колісна пара - рейковий шлях” і вибору на їхній основі раціональної структури й базових параметрів мікропроцесорної системи виявлення граничних сил зчеплення (СВГСЗ) і попередження боксування колісних пар магістральних тепловозів.

Для досягнення поставленої мети в дисертації сформульовані й вирішені такі завдання:–

обґрунтування технічної й економічної доцільності застосування мікропроцесорних СВГСЗ на тепловозах;–

розробка й подальший розвиток методики й алгоритмів моделювання динамічних процесів у єдиних електромеханічних системах “j-й ТЕД - ТР - КП - РШ - СВГСЗ” магістральних тепловозів для різних режимів їхньої експлуатації;–

виявлення й узагальнення методами моделювання закономірностей розвитку динамічних процесів у розглянутих системах при зміні їхніх параметрів у режимах тяги й реалізації граничних сил зчеплення з переходом у режим боксування;–

обґрунтування й реалізація технічних вимог і рішень по вибору типу й характеристик вхідних сигналів, структури й раціональних параметрів основних блоків мікропроцесорних СВГСЗ тепловозів, а також методології вибору, настроювання й контролю зазначених параметрів в експлуатаційних умовах;–

експериментальна оцінка ефективності застосування мікропроцесорних СВГСЗ для тепловозів.

Об'єкт дослідження. Динамічні процеси в електромеханічних системах “ТЕД - ТР - КП - РШ” магістральних тепловозів у різних експлуатаційних режимах.

Предмет дослідження. Закономірності взаємозв'язку узагальнених характеристик динамічної взаємодії елементів тягового електроприводу й екіпажної частини тепловозу на момент реалізації граничних сил зчеплення й боксування колісних пар при взаємодії із СВГСЗ.

Методи дослідження. При виконанні поставлених завдань використовувалися сучасні методи математичного моделювання нелінійних коливальних систем, включаючи процедури лінеаризації по першому наближенню нелінійних функцій й чисельного рішення вихідних рівнянь, а також експериментальні методи випробувань натурних зразків СВГСЗ у реальних умовах експлуатаційних тепловозів.

Наукова новизна отриманих результатів обґрунтована так:–

уперше теоретично встановлена й експериментально підтверджена полігармонійна закономірність сигналу, що відображує динамічні процеси в елементах тягового приводу кожної колісної пари й виникаючого в момент реалізації граничних сил зчеплення коліс із рейками й при наступному боксуванні (число гармонік сигналу може досягати п'яти й більше);–

одержала подальший розвиток методика математичного моделювання динамічних процесів у системі “ТЕД - ТП - КП - РШ - СВГСЗ” з використанням безрозмірних тягових і зчіпних характеристик локомотивів;–

уперше виявлені й узагальнені закономірності розвитку й взаємозв'язку із СВГСЗ динамічних процесів у тяговому приводі й екіпажній частині магістральних тепловозів при реалізації граничних сил зчеплення й боксування колісних пар, які характеризують інформативність вихідних сигналів (стосовно їхніх частотних і амплітудних характеристик) у різних елементах динамічної системи “ТЕД - ТР - КП - РШ”;–

уперше дана кількісна оцінка припустимих величин чутливості СВГСЗ по виявленню процесів реалізації колісними парами граничних сил зчеплення з рейками й швидкодії виконавчої частини протибоксовочних систем з умов попередження процесів боксування.

Практичне значення отриманих результатів:–

запропоновані в роботі математична модель, методика й алгоритми моделювання динамічних процесів у тяговому приводі колісних пар і екіпажної частини дозволяють вибирати оптимальну для будь-якої конструкції тягового рухомого складу структуру й раціональні параметри основних блоків мікропроцесорної СВГСЗ; –

сформульовані в роботі технічні вимоги до структури, основних характеристик СВГСЗ, а також до датчиків вхідних сигналів, покладені в основу конструкції серійних зразків мікропроцесорних СВГСЗ для магістральних локомотивів;–

запропонована в роботі методика математичного моделювання динамічних процесів у системі “ТЕД - ТП - КП - РШ - СВГСЗ” забезпечує можливість узагальнення результатів моделювання для будь-якої конструкції тягового рухомого складу й видачі рекомендацій з місця розташування, типу й характеристик датчиків СВГСЗ; –

запропоновані в роботі технічні рішення по конструкції, монтажу основних блоків мікропроцесорних СВГСЗ знайшли своє відображення в технічному проекті модернізації тепловозів типу 2ТЕ116, а також в інструкціях для експлуатації й технічного обслуговування СВГСЗ і прийняті до використання Даугавспілським тепловозоремонтним заводом і ВАТ ХК “Луганськтепловоз”.

В 2006 р. обладнаний мікропроцесорною СВГСЗ і перебуває в постійній експлуатації магістральний тепловоз 2ТЕ116 (локомотивне депо Іру, Естонія). Позитивний досвід експлуатації тепловозу створює передумови для впровадження в 2007-2009 рр. мікропроцесорної СВГСЗ на магістральних тепловозах у країнах Балтії й в Україні.

Особистий внесок здобувача в опублікованих роботах. Здобувачем особисто:–

дано обґрунтування вибору розрахункових схем, особливостей побудови математичних моделей, запропоновані методика й алгоритми математичного моделювання динамічних процесів для єдиних електромеханічних систем “j-й ТЕД - ТП - КП - РШ - СВГСЗ” різних конструкцій тепловозів у режимах реалізації ними граничних сил зчеплення й боксування колісних пар [3, 4, 5];–

досліджені й узагальнені закономірності розвитку динамічних процесів у розглянутих електромеханічних системах тепловозів у режимах нормальної тяги й при реалізації граничних сил зчеплення, представлені обґрунтування вибору найбільш раціональних місць установки й типу датчиків вхідних сигналів для ПВГСЗ [5];–

проведений аналіз та виявлені особливості розвитку динамічних процесів у системах “j-й ТЕД – ТП – КП – РШ” тепловозів для режимів реалізації граничних сил зчеплення й боксування колісних пар за наявності й відсутності СВГСЗ, обґрунтовані вимоги до чутливості СВГСЗ з виявлення й попередження боксування колісних пар [2, 3];–

дано обґрунтування особливостям конструкції й функціонування СВГСЗ тепловозів, а також рекомендації з їхнього технічного обслуговування [1, 7, ];–

здійснювалося планування натурних експлуатаційних випробувань СВГСЗ, проводились аналіз і узагальнення їхніх результатів [8,9].

Апробація результатів дисертації. Основні положення й результати роботи доповідалися й одержали схвалення на:

VI-й міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми механіки гірничо-металургійного комплексу” (м. Дніпропетровськ, 2004 р.);

XIV, XV і XVI-й міжнародних науково-технічних конференціях “Проблеми розвитку рейкового транспорту” (Крим, 2004, 2005, 2006 рр.);

міжнародній науково-технічній конференції “Наука в транспортному вимірі” (Київ, 2005 р.);

LXVI-й міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми й перспективи розвитку залізничного транспорту” (м. Дніпропетровськ, 2006 р.);

Дисертація в цілому доповідалася й одержала схвалення на науковому семінарі кафедри “Залізничний транспорт” Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля (2006 р.)

Публікації. Основні положення й результати дисертації опубліковані в 9-ти друкованих працях, з яких 6 – статті в збірках наукових праць, 1 – авторське свідоцтво України, 2 – тези доповідей на міжнародних науково-технічних конференціях.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота має вступ, чотири розділи, загальні висновки, список використовуваних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи становить 202 сторінки, з яких 126 сторінок основного тексту, 70 рисунків, 4 таблиці, список використовуваних джерел із 110 найменувань, 2 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульовані мета й завдання роботи, визначені об'єкт, предмет і методологія досліджень.

У першому розділі наведений аналіз стану розглянутої проблеми.

Виконаний аналітичний огляд існуючих протибоксовочних систем локомотивів і тенденцій їхнього розвитку показав, що переважна більшість експлуатованих протибоксовочних систем, що базуються на реєстрації й кількісній оцінці різностей швидкостей обертання або залежних від них струмів (напруг) у тягових електродвигунах боксуючих та небоксуючих колісних пар, не здатні попереджати розвиток боксування колісних пар. Вони виявляють процес боксування, що розвивається, для припинення якого необхідне інтенсивне скидання (зниження) тягового моменту на боксуючих колісних парах.

Застосовувані в останні роки в закордонному локомотивобудуванні радарні й інші пристрої для виміру швидкості поступального руху локомотиву з наступним порівнянням її з миттєвими швидкостями точок на поверхнях катання колісних пар дозволяють поліпшити характеристики зазначених протибоксовочних систем. Однак у багатьох випадках (особливо при рушанні локомотива із складом з місця й русі його з малими швидкостями) зазначені системи не забезпечують попередження процесів боксування. Показано, що лише застосування протибоксовочних систем, складовою частиною яких є системи виявлення граничних сил зчеплення (СВГСЗ) колісних пар з рейками, побудовані на аналізі динамічних процесів у системах тягового приводу кожної колісної пари “j-й ТЕД - тяговий редуктор - колісна пара - рейковий шлях” (“j-й ТЕД-ТР-КП-РШ”), надійно забезпечує попередження процесів боксування локомотивів без зниження тягового моменту ТЕД. Зазначені системи підтвердили свою високу ефективність у процесі їхньої експлуатації в 2001-2004 рр. на електровозах постійного й змінно-постійного струму. Що стосується магістральних тепловозів, що мають якісно відмінні від електровозів структури й параметри підсистем “j-й ТЕД-ТР-КП-РШ” і системи регулювання тягових характеристик електродвигунів, то для успішного застосування СВГСЗ на тепловозах необхідне проведення додаткових поглиблених теоретичних і експериментальних досліджень.

У розробку розглянутої й пов'язаної з нею проблем зчеплення й взаємодії колісних пар локомотивів з рейками, дослідження динамічних процесів у системах “екіпаж - тяговий електропривод - рейковий шлях”, удосконалення протибоксовочних систем локомотивів великий внесок зробили вітчизняні й закордонні вчені: А.І.Бєляєв, І.В.Бірюков, Є.П.Блохін, М.Ф.Вериго, О.Л.Голубенко, Г.К.Гетьман, В.Д.Данович, Ю.В.Дьомін, А.С.Євстратов, В.Н.Іванов, І.П.Ісаєв, В.Б.Клєпіков, А.Я.Коган, І.К.Колесник, О.М.Коняєв, М.Л.Коротенко, С.М.Куценко, В.А.Лазарян, В.Н.Лисунов, Л.А.Манашкін, В.Г.Маслієв, У.Б.Медель, Н.Н.Меншутін, Д.К.Мінов, Г.С.Міхальченко, С.В.Мямлін, А.П.Павленко, О.С.Петров, Ю.І.Осенін, С.Ф.Редько, Е.Д.Тартаковський, В.П.Ткаченко, В.Ф.Кожухів, В.Ф.Ушкалов, В.Н.Хлебніков, V.Garda, I.Kisilowski, R.Knothe та ін.

Наступний аналіз ряду робіт зазначених вчених та їхніх учнів, а також досліджень і патентів в галузі протибоксовочних систем інших авторів дозволив остаточно сформулювати завдання, розв'язувані в дисертації, і визначити шляхи й методи їхнього розв’язання.

Другий розділ дисертації присвячений моделюванню, й насамперед математичному моделюванню динамічних процесів у системах тягового електропривода тепловозів “j-й ТЕД-ТР-КП-РШ-СВГСЗ” у різних експлуатаційних режимах: квазістаціонарних режимах тяги, у режимах реалізації граничних сил зчеплення й у режимах боксування на всьому швидкісному інтервалі їхнього руху.

Для рішення сформульованих у роботі завдань обґрунтований вибір розрахункової схеми (див. рис. 1) і побудована відповідна математична модель /див. рівняння (1)/, що враховує специфіку конструкції екіпажної частини магістральних тепловозів (у тому числі наявність однобічної передачі тягового моменту від ТЕД до колісної пари, наявність пружних гумо-металевих елементів у зубчастих колесах тягового редуктора), особливості системи регулювання характеристик ТЕД тепловозів, а також нелінійність характеристики зчеплення s-го колеса тепловоза з рейками як функції кутової або лінійної швидкості ковзання коліс, а також нелінійність статичної характеристики ТЕД :

(1)

а б

Рис. 1. Розрахункова схема динамічної системи “j-й ТЕД- тяговий редуктор - колісна пара - рейковий шлях - СВГСЗ” магістральних тепловозів:
а - привод з осьовою підвіскою ТЕД; б - привод з рамною підвіскою ТЕД; в - наведені до осі колісної пари тягові й зчіпні характеристики ; 1 – датчик вхідного сигналу (віброприскорень) ПВГСЗ

де – абсолютні кути повороту навколо осей, що проходять через центри ваги, якоря ТЕД, корпусу блока “тяговий двигун-редуктор”, відповідних коліс осі локомотива;

mр, Jр, mя, Jя, Jк, mкs, Jкs – відповідно маси й моменти інерції щодо центральних осей корпусу блока “редуктор - ТЕД”, якоря ТЕД, колісної пари й кожного її s-го колеса з врахуванням жорстко пов'язаних з ними мас редуктора (, , s = 1,2);

– деформації пружних ланок системи;

– відповідно наведені до осі якорі ТЕД кутова твердість і коефіцієнт еквівалентного грузлого тертя зв'язку якоря ТЕД із зубчастим колесом редуктора й інші пружно-дисипативні параметри системи;

– передаточне число редуктора й узагальнена вертикальна нерівність рейкового шляху під s-м колесом;

– базовий лінійний параметр редуктора, відстані уздовж централі редуктора від осі колісної пари до центрів ваги корпусу блока “ТЕД - редуктор” і якоря ТЕД, а також кут нахилу централі редуктора до горизонтальної осі x і радіус s-го колеса тепловоза по кругу катання;

– відповідно миттєва величина електромагнітного моменту на валу якоря ТЕД і його статична характеристика, електромагнітна постійна часу ланцюга ТЕД;

– статичні й динамічні складові вертикального навантаження на рейки; ;

– безрозмірна характеристика зчеплення й потенційне значення коефіцієнта зчеплення s-го колеса.

Функціонування СВГСЗ як складової частини системи “j-й ТЭД-ТР-КП-РШ-СВГСЗ” (рис. 1), структура якої для j-ї колісної пари включає датчик вхідного сигналу й мікропроцесорне ПВГСЗ, представлена на рис. 2, описується системою з “m” диференційних рівнянь

(2)

де – центральні частоти вузькосмугастих фільтрів у діапазоні частот від 30 до 350 Гц;

– нормований вхідний сигнал для ПВГСЗ, що представляє собою відношення величини вертикального прискорення точки закріплення датчика прискорень 1 (рис. 1), усередненої за малий проміжок часу (від 0,1 до 0,08 с), до деякого усередненого значення прискорення в тій же обчислюваній точці за більш тривалий час усереднення (від 1,5 до 5 с).

Якщо величина вихідного сигналу ym будь-якого “m” -го смугового фільтра ПВГСЗ перевищить якусь наперед задану граничну величину [ym], то СВГСЗ “спрацьовує” і подає керуючий сигнал на виконавчу частину протибоксовочної системи тепловоза (подачі піску під колісні пари або зниження тягового моменту на відповідному ТЕД на задану відносну величину). Фізично це означає, що через певний час, що відповідає постійній часу виконавчої системи Ти (Ти = 0,05 – 0,5 с) пісок попадає на рейки, що рівносильно стрибкоподібному збільшенню потенційного коефіцієнта зчеплення ш0 на 20 – 40 % або стрибкоподібному зменшенню тягового моменту на 5 – 20 %. Якщо в наступний момент часу ym, зменшуючись, досягає величини ym < [ym], то СВГСЗ “вимикаються” і відповідні ланцюги виконавчої системи знеструмлюються.

Запропонована математична модель системи “j-й ТЭД-ТР-КП-РШ-СВГСЗ” (1), (2) може бути застосована (що й проілюстровано в дисертації) для дослідження розглянутих динамічних процесів у всіх характерних конструкціях тягових приводів магістральних тепловозів: з опорно-осьовою підвіскою ТЕД за наявності “пружного” і “твердого” зубчастого колеса тягового редуктора (тепловози типу 2ТЕ116) і з опорно-рамною підвіскою ТЕД (тепловози типу 2ТЕ121 і типи ТЕП 75).

Рис. 2. Структурно - монтажна схема СВГСЗ магістрального тепловоза

Розроблено методики й алгоритми моделювання на ПЕОМ динамічних процесів у системах “j-й ТЕД-ТР-КП-РШ-СВГСЗ” для всіх 3-х розглянутих експлуатаційних режимів тепловозів при спільній роботі СВГСЗ і виконавчої протибоксовочної системи, а також при відключеній СВГСЗ від останньої. У всіх зазначених випадках алгоритм моделювання припускає використання рекомендованих у роботі віднесених до однієї колісної пари безрозмірних зчіпних , і безрозмірних тягових , характеристик як функцій лінійної або кутової швидкості ковзання коліс (див. рис. 3):

(3)

де , – наведена до колісної пари характеристика ТЕД.

Використання безрозмірних характеристик (3) істотно розширює можливості й підвищує ефективність застосування запропонованих алгоритмів моделювання при дослідженні різних конструктивних варіантів локомотивів.

Алгоритм моделювання системи (1) – (3) для квазістаціонарних режимів тяги й реалізації граничних сил зчеплення включає попередню лінеаризацію (див. вираз (4) нелінійних функцій , що входять у зазначені рівняння, в околі рівноважних режимів, що відповідають точкам перетину тягових і зчіпних характеристик (точка відповідає режиму тяги, а також – режиму реалізації граничних сил зчеплення - див. рис. ).

Рис. 3. Безрозмірні тягові й зчіпні характеристики локомотивів

(4)

де – наведені до осі колісної пари тяговий момент ТЕД, крутість його тягової характеристики, крутість характеристики зчеплення s-го колеса й безрозмірної характеристики зчеплення колісної пари в рівноважному режимі, коли швидкість проковзування коліс дорівнює або (див. рис. 1).

Приймаючи далі конкретний вид узагальненої нерівності шляхи в детермінованій або у випадковій формі на швидкісному інтервалі 0 < V < Vmax і використовуючи матричні методи рішення лінійних рівнянь (1) - (4), отримані амплітудно-частотні характеристики (АЧХ) для динамічних характеристик системи, що нас цікавлять. При цьому в рівняннях (1) і (4) крутість характеристики зчеплення s-го колеса (див. рис. 1) у квазістаціонарних режимах тяги завжди позитивна ( > 0) і приймається такою, що дорівнює нулю ( = 0) у режимах реалізації граничних сил зчеплення.

Методика моделювання на ПЕОМ режимів реалізації граничних сил зчеплення з можливим переходом у режим боксування на швидкісному інтервалі 0 ? V ? 15 км, при відключеній СВГСЗ, коли рівняння (2) не враховуються, і при спільній роботі СВГСЗ і виконавчої частини протибоксовочної системи, коли розглядаються спільно рівняння (1) і (2), у яких узагальнена нерівність рейкового шляху приймається такою, що дорівнює 0, базується на чисельному інтегруванні нелінійних рівнянь (1). При цьому початкові умови руху системи (1) при t=t0=0 відповідають рівноважному квазістаціонарному режиму, коли швидкості проковзування коліс тепловозів (див. рис. 1, в), а режими боксування безпосередньо реалізуються двома способами:

1) за рахунок стрибкоподібного зменшення на 5-70% потенційного значення коефіцієнта зчеплення з наступним його відновленням через 0,2 – 1,5 секунди (наїзд на масляну пляму);

2) за рахунок прискореного набору позицій машиніста, що рівнозначно стрибкоподібному підйому в момент часу t = t0 = 0 тягової характеристики (див. рис. 1, в) або безрозмірної її величини паралельно своєму попередньому положенню, коли .

Для режиму спільної роботи СВГСЗ і протибоксовочної системи розроблений алгоритм моделювання передбачає стрибкоподібне збільшення потенційного коефіцієнта зчеплення в 1,1 – 1,8 разу або скидання тягового моменту на 5-7-% із запізнюванням у часі (ts =0,1 - 1 с) на момент перевищення вихідного сигналу будь-якого m-го смугового фільтра (або декількох одночасно) його граничного значення ¦ym¦.

При дослідженні динамічних процесів у системі (рис. 1) у діапазоні швидкостей руху тепловоза із складом 15 км/ч ? V ? Vmax був використаний експериментально-апаратурний метод, що припускає попередній запис у пам’ять комп'ютера сигналів датчиків віброприскорень у режимах реалізації граничних сил зчеплення з переходом у режим боксування, а також у нормальних тягових режимах з наступною подачею зазначених сигналів на вхід ПВГСЗ при різних параметрах настроювання останнього.

Виконане математичне моделювання динамічних процесів у системі рис. при квазістаціонарних режимах тяги й реалізації граничних сил зчеплення на швидкісному інтервалі 0 < V < Vmax при широкому варіюванні пружно – дисипативних та конструктивних параметрів систем стосовно до магістральних тепловозів і наступний порівняльний аналіз амплитудно-частотних характеристик (АЧХ) різних узагальнених координат, швидкостей і прискорень системи (див. рис. 4) дозволило виявити й узагальнити наступну важливу закономірність; значне кількісне ( від 6-40%) і якісне розходження кривих АЧХ вихідних процесів системи, й насамперед частот, що відповідають максимумам АЧХ (див. рис. 4), у режимах тяги й у режимах реалізації граничних сил зчеплення. Зазначене розходження тим сильніше виражене, чим менше швидкість локомотива й чим більше еквівалентна кутова твердість “с” зв'язку якоря ТЕД з колісною парою. Установлено також, що найбільшу інформативність щодо виявлення всіх резонансних максимумів кривих АЧХ вихідних процесів системи рис. 1 стосовно магістральних тепловозів має АЧХ вертикального прискорення точки 1 блока “тяговий редуктор – ТЕД” і АЧХ кутового прискорення одного з коліс осі колісної пари тепловоза . Зазначене дослідження дозволило обґрунтувати вимоги й рекомендації з вибору типу й місця установки датчиків вхідних сигналів ПВГСЗ для магістральних тепловозів з опорно-осьовою й опорно-рамною підвіскою ТЕД (тепловози типу ТЕП 70), а також на вибір необхідного оптимального числа смугових фільтрів (не менше 4-5) для кожного каналу ПВГСЗ, число яких відповідає числу колісних пар тепловозів, і ширини смуги пропускання смугових фільтрів (4-5 Гц).

Рис. 4. Нормовані значення АЧХ вертикального прискорення точки кріплення датчика вхідного сигналу (рис. 1) у режимах тяги ( ? 0) і в режимах реалізації граничних сил зчеплення ( = 0)

У результаті виконаного математичного моделювання динамічних процесів у системі рис. 1 з використанням безрозмірних характеристик при реалізації граничних сил зчеплення з переходом у режими боксування при відключеній СВГСЗ і при її спільній роботі із протибоксовочною системою тепловозів на діапазоні швидкостей руху 0 ? V ? 15 км/ч були виявлені й узагальнені закономірності розвитку фрикційних автоколивань залежно від пружно-дисипативних параметрів системи, швидкості руху тепловоза, стану поверхонь кочення коліс і рейок. Дані дослідження дозволили сформулювати додаткові вимоги до чутливості СВГСЗ по виявленню процесу реалізації колісними парами граничних сил зчеплення й швидкодії виконавчою частиною протибоксовочної системи (системи подачі піску або регулювання тягового моменту ТЕД) з умов попередження боксування.

а б

Рис. 5. Кутова деформація пружної ланки Д і динамічний

момент на валу якоря ТЕД (а) і аналогічні величини в осі колісної пари (б) у режимі боксування при відключеній СВГСЗ (а, б) і включеній СВГСЗ (в)

Моделювання динамічних процесів у системі рис. 1 на швидкісному діапазоні руху 15 км/ч ? V ? Vmax тепловозів 2ТЕ116 експериментально-апаратурним методом дозволило виробити рекомендації до вибору алгоритму блока розпізнавання перешкод у функціональній схемі ПВГСЗ, а також виявити й підтвердити положення, що для зазначеного діапазону швидкостей визначальним інформаційним сигналом від датчика прискорень для ПВГСЗ по попередженню розвитку процесів боксування є резонансні змушені коливання, обумовлені збурюваннями з боку шляху, а не фрикційні автоколивання, як це має місце для швидкісного діапазону 0 ? V ?15 км/ч (рис.5).

Третій розділ присвячений реалізації технічних вимог до вибору структури, параметрів, характеристик окремих блоків і в цілому мікропроцесорних ПВГСЗ, сформульованих на основі досліджень розділу II, а також оптимізації й настроюванню базових параметрів мікропроцесорних СВГСЗ із умов максимальної ефективності їхнього функціонування на магістральних тепловозах.

На основі аналізу особливостей конструкції тягових приводів і екіпажної частини, а також систем автоматичного регулювання тягових характеристик тепловозів у порівнянні з електровозами були розроблені й реалізовані за участі автора зазначені вимоги й технічні рішення при відпрацьовуванні конструкції й алгоритму функціонування зразків серійних партій мікропроцесорних ПВГСЗ.

Конструкція зазначених ПВГСЗ містить у собі корпус і дві інтегральні плати, одна з яких є спеціальним блоком живлення, а інша – безпосередньо мікропроцесорним модулем, що містить i однотипних каналів (число каналів дорівнює числу колісних пар в одній секції локомотива). У свою чергу кожний вхідний канал, крім датчика вхідного сигналу, підсилювача й аналого-цифрового перетворювача (АЦП), включає базовий блок з j (j = 4-5) паралельно включених вузькосмугастих фільтрів (ВСФ), які нормально замкнені, якщо реалізоване i-ю колісною парою тягове зусилля менше граничного за умовами зчеплення коліс із рейками, і – відмикаються при досягненні зазначеного зусилля граничних або перевищуючих їхніх значень за умов зчеплення коліс із рейками. Сигнал, що пройшов j-й ВСФ, далі випрямлюється й згладжується (усереднюється на заданому інтервалі часу Тj ) і надходить у блок формування нормованого сигналу qij (в j-й компаратор), що включає процедуру формування напруги порогу відмикань Uj зазначеного ВСФ. Пройшовши потім блок аналізу наявності перешкоди й блок АБО, нормований сигнал надходить на вхід і вмикає виконавчу частину протибоксовочної системи (автоматичну подачу піску під i-у колісну пару або за необхідності – регулювання тягового зусилля i-го ТЕД).

Алгоритм функціонування мікропроцесорного ПВГСЗ базується на процедурі формування нормованого сигналу кожного j-го ВСФ стосовно i-го каналу:

(5)

де – усереднена за “малий” проміжок часу (0,01 – 0,3 с) величина вихідного сигналу j-го ВСФ;

усереднена за порівняно “великий” проміжок часу (0,8 – 7 с) величина сигналу і-го датчика після проходження його блоку АЦП і деяке мінімальне значення зазначеного сигналу;

– константа (0 < <1), обрана в процесі настроювання ПВГСЗ.

У роботі викладається методика раціонального вибору й наступного настроювання основних (базових) параметрів мікропроцесорних ПВГСЗ (центральних частот , величин , , часу усереднення вихідного сигналу і-го датчика Ti і - j-го ВСФ – (Tj ) з використанням результатів математичного й експериментально-апаратурного моделювання динамічних процесів у системі рис. 1, виконаних у розділі 2. Наводяться остаточні технічні характеристики й значення основних параметрів для реалізованих й таких, що пройшли експлуатаційні випробування на тепловозах 2ТЕ116 мікропроцесорних ПВГСЗ.

Четвертий розділ присвячений експериментальній перевірці стабільності й ефективності роботи реалізованих відповідно до рекомендацій, сформульованих в розділах 2 і 3, зразків серійної партії СВГСЗ на тепловозах 2ТЕ116 в умовах постійної експлуатації.

Випробування проводилися в червні 2005 р. та в січні 2006 р. на Південній залізниці й у квітні 2006 р. – на обладнаному СВГСЗ і зданому в постійну експлуатацію тепловозі 2ТЕ116-1698 (локомотивне депо Іру, Естонія).

У процесі натурних випробувань експериментальної перевірки піддавалися такі найважливіші характеристики СВГСЗ, що визначають стабільність і ефективність її роботи на вантажних тепловозах 2ТЕ116:

1) чутливість системи до виявлення “виходу” j-ї колісної пари на межу по зчепленню й попередженню можливого її боксування без зниження (або при мінімальному зниженні) на нього тягового зусилля, що діє (у порівнянні зі штатними протибоксовочними системами);

2) перешкодозахищеність СВГСЗ або відсутність помилкових її “спрацьовувань” тривалістю, що допускає автоматичне включення подачі піску при проході стрілочних переводів і стикових з'єднань.

Проведені експлуатаційні випробування повністю підтвердили правомірність основних теоретичних положень, результатів моделювання, вимог і рекомендацій з вибору структури, параметрів і характеристик основних блоків СВГСЗ, сформульованих у розділах 2 і 3. Експериментально підтверджені: базове положення роботи про полігармонійний характер виникаючого вхідного сигналу для ПВГСЗ від датчиків віброприскорень у момент реалізації колісної пари граничних сил зчеплення або розвитку її боксування, що обґрунтувало необхідність мати в структурі кожного каналу мікропроцесорного ПВГСЗ не менше 4 – 5 УПФ; рекомендації з вибору раціонального діапазону зміни центральних частот, ширини смуги пропущення сигналу УПФ, а також вимоги до чутливості ПВГСЗ колісними парами граничних сил зчеплення, що визначає стабільність і високу ефективність роботи СВГСЗ у процесі натурних випробувань. Так, при відключеній СВГСЗ від виконавчої частини протибоксовочної системи тепловоза (див. рис. 6,а) і розвитку боксування завжди “спрацьовував” перший щабель штатної системи захисту від боксування зі зменшенням на 50% тягового зусилля.

Рис. 6. Результати натурних випробувань СВГСЗ на тепловозах 2ТЕ116:

а – СВГСЗ відключена від протибоксовочної системи; б – спільна робота СВГСЗ і РС; 1 – сигнал спрацьовування РБ1 штатної протибоксовочної системи; 2 – сигнал спрацьовування СВГСЗ

При цьому СВГСЗ виявляла вихід колісної пари на межу по зчепленню й розвиток наступного боксування на 2,8-2,5 сек раніше, ніж “спрацьовував” перший щабель захисту штатної протибоксовочної системи (див. рис. 6,а). При спільній роботі СВГСЗ і виконавчої частини штатної протибоксовочної системи “спрацьовування” першого її щабеля (реле РБ1) не спостерігалося у всіх випадках тривалої (15-40 с) реалізації граничних величин тягових зусиль тепловоза. Це пояснюється періодичними “спрацьовуваннями” (тривалістю 0,4-0,7 с) мікропроцесорних ПВГСЗ із автоматичною подачею піску під відповідні колісні пари (рис. 6,б) без зниження на них тягового зусилля.

Наводиться порівняльна оцінка очікуваної економічної ефективності оснащення СВГСЗ магістральних тепловозів за рахунок наступного збільшення їхніх тягово-зчіпних якостей на 10-15%, зниження паливних витрат до 8%, зменшення витрат на ремонт елементів колісно-моторного блока до 15% внаслідок скорочення загальної тривалості боксування колісних пар.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішене актуальне науково-технічне завдання істотного поліпшення тягово-зчіпних і експлуатаційних якостей магістральних тепловозів за рахунок оснащення їх мікропроцесорними системами виявлення граничних сил зчеплення (СВГСЗ) і попередження боксування колісних пар, структура й параметри основних блоків яких обрані відповідно до отриманих в роботі рекомендацій:

Виконане дослідження дозволяє зробити такі висновки:

1. Обґрунтовано можливість і перспективність істотного поліпшення тя-гово-зчіпних й експлуатаційних якостей магістральних тепловозів за рахунок розробки й оснащення їх мікропроцесорними СВГСЗ, побудованими на аналізі динамічних процесів у тягових приводах, що забезпечують попередження процесів боксування з обмеженням відносного проковзування коліс .

2. Обґрунтовано вибір розрахункових схем та отримані математичні моделі електромеханічної системи “j-й ТЕД - тяговий редуктор - колісна пара - рейковий шлях - СВГСЗ” стосовно до магістральних тепловозів з опорно-осьовою підвіскою ТЕД і з “пружним” або з “твердим” вінцем зубчастого колеса редуктора, а також при опорно-рамній підвісці ТЕД, що дозволяють досліджувати специфіку динамічних процесів у розглянутих системах при квазістаціонарних режимах тяги й у режимах реалізації граничних сил зчеплення з переходом у режим боксування.

3. Розроблені й одержали подальший розвиток методика й алгоритми математичного моделювання динамічних процесів у розглянутих системах “j-й ТЕД - ТП - КП - РШ - СВГСЗ” для різних експлуатаційних режимів з використанням безрозмірних тягових і зчіпних характеристик локомотивів як функцій лінійної швидкості проковзування коліс, що забезпечують універсальність алгоритмів і можливість узагальнення результатів моделювання для будь-якої конструкції локомотивів.

4. Уперше методами математичного моделювання виявлені, вивчені й узагальнені особливості розвитку динамічних процесів у системі “j-й ТЕД - ТП - КП - Рш - СВГСЗ” у режимах тяги, реалізації граничних сил зчеплення й боксування колісних пар залежно від конструктивних, жорсткісних, дисипативних параметрів систем і швидкості тепловоза. У тому числі: 1) виявлені характерні кількісні відмінності на 3-52 % значень частот резонансних максимумів на графіках АЧХ динамічних процесів, включаючи відсутність окремих максимумів, при переході від режимів тяги до режимів реалізації граничних сил зчеплення й режимів боксування; зазначені відмінності частот тим значніші, чим вище еквівалентна кутова твердість зв'язку якоря ТЕД з колісною парою й менше швидкість руху тепловозу; 2) виявлені й узагальнені особливості розвитку фрикційних автоколивань у розглянутих системах при боксуванні колісних пар і зміні їхніх конструктивних, інерційних і пружно-дисипативних параметрів. Установлені закономірності, покладені в основу вибору структури й раціональних параметрів мікропроцесорних ПВГСЗ.

5. Доведено, що найбільшою інформативністю відносно виявлення наявних резонансних максимумів динамічних процесів у системах тягового приводу тепловозів з опорно-осьовою підвіскою тягових редукторів і різною підвіскою ТЕД є датчик вертикальних прискорень точок корпусу блока “ТЕД - тяговий редуктор” поблизу вузла його підвіски до рами візка, а також – датчик кутових прискорень (кутових швидкостей) одного з коліс осі тепловоза (з боку тягового редуктора). Останній доцільно використати для тепловозів з опорно-рамною підвіскою ТЕД і тягових редукторів.

6. Уперше обґрунтовані й сформульовані вимоги до характеристик вхідних сигналів СВГСЗ і самої СВГСЗ (до необхідного числа смугових фільтрів для кожного каналу ПВГСЗ, до діапазону зміни центральних частот й ширини смуги пропущення сигналів зазначених фільтрів, до “чутливості” спрацьовування СВГСЗ із умови попередження процесів боксування магістральних тепловозів).

7. Уперше на підставі теоретичних досліджень і рекомендованих технічних рішень розроблені й реалізовані для постійної експлуатації на магістральних тепловозах зразки серійної партії мікропроцесорної СВГСЗ.

8. Натурні експлуатаційні випробування тепловозів 2ТЕ116, обладнаних мікропроцесорними СВГСЗ, підтвердили основні теоретичні результати й висновки роботи, покладені в основу структури, параметрів і характеристик функціонування ПВГСЗ. Експериментально підтверджена здатність СВГСЗ попереджати розвиток процесів боксування колісних пар тепловоза без зниження й наступного відновлення тягового зусилля, а за рахунок автоматично регульованої СВГСЗ короткочасної (тривалістю 0,4-0,7 с) подачі піску під колісні пари.

9. Проведена порівняльна оцінка очікуваної економічної ефективності оснащення СВГСЗ магістральних тепловозів за рахунок наступного збільшення їхніх тягово-зчіпних якостей на 10-15%, зниження паливних витрат на 5-8%, зменшення витрат на ремонт елементів колісно-моторного блока – до 15%.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.