Введение к работе
Актуальность работы. Проблема совершенствование и развитие электромеханических устройств железнодорожной автоматики и телемеханики (УЭМЖАТ), отвечающих современным требованиям железнодорожного транспорта, является одной из важнейших задач в деле повышения пропускной способности и обеспечение безопасности движения поездов. Для обеспечения перевозок на железных дорогах постоянно ведется большая работа по совершенствованию технологических средств и созданию новых систем автоматического регулирования и обеспечения безопасности движения поездов. Значительную роль в этом играют электромеханические устройства стрелочных переводов железнодорожной автоматики и телемеханики УЭМЖАТ (СП), основными базовыми устройствами которых являются: электропривод (состоящий из: электродвигателя, редуктора, фрикционной муфты, автопереключателя, запирающего механизма), схема управления стрелкой (построенная на релейной основе), пусковая аппаратура, стрелочные гарнитуры, линия питания, путевое электромеханическое реле, схема управления устройствами электрообогрева стрелочных переводов. Надежная работа этих устройств значительной степени определяет качество технологического процесса перевозок грузов и пассажиров.
Подтверждением изложенных выше соображений является тот факт, что по данным железных дорог и метрополитенов за период 2000-2010 г.г. отказы на элементы УЭМЖАТ(СП) распределились следующим образом: электроприводы и их базовые элементы-25%, электродвигатели-30%, пусковая аппаратура-10%, кабельная линия-10%, схема управления электроприводом-10%, стрелочные гарнитуры-5%., электрообогрев стрелочных переводов-5%, электромеханическое реле-5%. Эти данные показывают, насколько высокой степенью неустойчивой работы в условиях эксплуатации отмечаются УЭМЖАТ(СП), что полностью соответствует анализу работы технических средств систем электротехники и электромеханики стрелочного комплекса железнодорожного транспорта и метрополитена Российской Федерации в целом за период 2000-2010 гг.
В диссертации изложены научно обоснованные технические решения по совершенствованию и созданию современных систем УЭМЖАТ(СП) и их базовых элементов, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса на транспорте.
Цель и задача работы: состоит в разработке научных основ и решение проблемы совершенствования УЭМЖАТ(СП) и их базовых элементов, имеющие важное отраслевое и хозяйственное значение. Для достижения этой цели в диссертации решались следующие задачи:
-
Аналитическое и экспериментальное исследования существующих схем и основных узлов УЭМЖАТ(СП), создание их математических моделей, анализ метода исследования, структурный синтез указанных устройств.
-
Совершенствование конструкции и характеристик электрических микромашин для стрелочных приводов постоянного и переменного тока.
-
Выбор параметров и обоснование принципов оптимальных режимов работы УЭМЖАТ(СП) и их базовых элементов.
-
Исследование переходных процессов в реальной линии питания, реверса и пуска стрелочного электродвигателя. Расчет режима работы асинхронного стрелочного электродвигателя при питании от несимметричной линии.
-
Совершенствование методов расчета электрических микромашин.
-
Моделирование стрелочного электропривода с фрикционной и электромагнитной муфтой, получение систем дифференциальных уравнений. Разработка управляемых бесконтактных электромагнитных муфт для стрелочного электропривода взамен традиционных механических муфт.
-
Выполнение структурного анализа стрелочных электроприводов на основе предъявляемых к нему технических требований, классификационных признаков, анализа отечественного и зарубежного опыта и поиска новых конструктивных решений.
-
Совершенствование схемы управления стрелочным электроприводом.
-
Совершенствование схемы управления электрообогрева стрелочных переводов.
-
Исследование вероятностных характеристик параметров путевого приемника (электромеханического реле) и определение влияния изменения этих параметров на величину времени срабатывания пусковой аппаратуры с учетом длины предстрелочных участков.
-
Экспериментальная проверка прочности элементов стрелочного электропривода и его гарнитуры при воздействии динамических сил.
-
На основе обширного статистического материала и проведенных исследований - разработка, экспериментальная проверка и внедрение рекомендаций по совершенствованию электромеханических устройств и их базовых элементов УЭМЖАТ(СП) в условиях эксплуатации на железнодорожном транспорте и метрополитенах РФ и СНГ.
Методы исследований. При решении поставленных задач в диссертационной работе использовались математические и экспериментальные методы исследований, методы теории электротехники и электромеханики, теории программирования, информационные компьютерные технологии и программные пакеты. Из методов математики в работе применялись матричная алгебра, гармонический и векторный анализ. В области электротехники и электромеханики использовались методы теории поля, теории электрических цепей, проводимостей зубцовых контуров, индуктивных коэффициентов, симметричных составляющих, эквивалентных тепловых и электрических схем замещения. Одновременно выбирались методы исследования исходя из постановок решаемых задач с учетом исследуемых объектов и включают: анализ опыта эксплуатации отечественных и зарубежных электроприводов и их основных узлов, конструкций электродвигателей и стрелочных гарнитур, схемы управления электроприводом и др., структурный и корреляционный анализы, стохастический - градиентный метод и метод множителей Лагранжа, метод параметрической оптимизации, метод теории оптимального управления с использованием принцип максимума Л.С.Понтрягина для определения критерии оптимальности с учетом требования минимального времени перевода стрелки, математической статистики, а также экспериментальные исследования, используя вероятные оценки и прогнозы. Такой подход позволил наилучшим образом изучить все аспекты поставленной задачи, обобщить полученные количественные и качественные результаты, сформулировать итоговые оценки и наметить перспективы развития.
Достоверность полученных результатов теоретических расчетов и машинного моделирования подтверждена экспериментальной проверкой, испытаниями опытных образцов новых устройств в реальных условиях, а также результатами их широкого внедрения и опытной эксплуатации.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
1. Теоретически обоснованы необходимости создания новых усовершенствованных УЭМЖАТ(СП) и их базовых элементов, наиболее полно отвечающие современным эксплуатационно-техническим требованиям, и на уровне изобретений предложены способы их технической реализации.
2. Решена задача параметрической оптимизации для УЭМЖАТ(СП). С этой целью был модифицирован один из методов оптимального проектирования - метод внутренней точки, позволяющий его применения и для условной оптимизации при отдельно заданных целевой функции и ограничениях.
3. В работе нашла дальнейшее развитие теория фриттингов Р.Хольма, в которой не учитывалась первоначальная проводимость контакта МПТ, которая создается механическим разрушением политуры коллектора при скольжении по нему щеток, а также контактная разность, обусловленная различием материалов контактной пары.
4. Разработан математический аппарат с применением ЭВМ и впервые реализован на практике метод построения электрических микромашин с магнитоэлектрической системой возбуждения.
5. Доказано преимущество электродвигателей стрелочных приводов с магнитоэлектрической системой возбуждения по сравнению эксплуатируемых в настоящее время электродвигателей с электромагнитной системой возбуждения.
6. Впервые сформулирован критерий качества коммутации машин постоянного тока без дополнительных полюсов с магнитоэлектрической системой возбуждения.
7. Разработана математическая модель стрелочного электродвигателя с четырех полюсной магнитоэлектрической системой возбуждения с мощностью 350 ватт, имеющий более высокие пусковые и коммутационные характеристики.
8. Разработана математическая модель шестиполюсного асинхронного стрелочного электродвигателя с мощностью 300 ватт с массивным ферромагнитным ротором.
9. Получены конфигураций реальных электрических машин стрелочных переводов постоянного и переменного тока с распределением магнитного поля в воздушном зазоре;
10. Методом физического моделирования магнитного поля в воздушном зазоре между постоянным магнитом и якорем для коэффициента полюсного перекрытия получено новое эмпирическое соотношение, которое позволяет определить распределение индукции в воздушном зазоре в стрелочных коллекторных электродвигателях.
11. В работе решена задача теоретической и практической оценки возможности создания электромагнитной фрикционной муфты стрелочного привода, лишенной недостатков фрикционных механических муфт, выполненной на принципиально иной основе - электромагнитного сцепления ведомой и ведущей частей.
12. Целью унификации и повышение эксплуатационной надежности даны принципиальные решения по применению в качестве путевого приемника на метрополитенах электромеханическое реле типа ДСШ-15, имеющие значительные высокие технические характеристики и контактную формулу;
13. Исследованы переходные процессы в реальной линии питания, что позволили определить дальность управления нового электродвигателя без дублирования кабельных жил.
14. Впервые в отечественной практике были измерены экспериментальным путем динамические силы, действующих на элементах стрелочного электропривода от колес подвижного состава; это позволило дать оценку прочности электропривода и его гарнитуры с новых позиции, в том числе и при высокоскоростной движении.
15. Экспериментальным путем автором получен ряд новых соотношений и формул, имеющих теоретическое значение для науки.
16. Предложены усовершенствованные методы расчетов стрелочных электродвигателей специального назначения.
Практическая ценность. Проведенные в диссертационной работе теоретические исследования позволили определить пути совершенствования УЭМЖАТ(СП), оценивать эффективность технических средств, повышения безотказности и ремонтопригодности систем электромеханики стрелочного комплекса железнодорожной автоматики и телемеханики.
Диссертация вносит весомый вклад в теорию и практику для решения вопросов повышения работоспособности устройств электромеханики, базирующихся на применение методов параметрической оптимизации.
В результате были созданы и внедрены более надежные и экономичные конструкции ряда УЭМЖАТ(СП), обладающих более рациональными параметрами по сравнению с ныне эксплуатируемыми.
Основные научные положения диссертации обоснованы теоретическими исследованиями, экспериментальной проверкой и практической реализацией полученных результатов при разработке электродвигателей стрелочных переводов постоянного и переменного тока типа МСП-0,35М с четырех полюсной магнитоэлектрической системой возбуждения и типа МСТ-0,3М с массивным ферромагнитным ротором, бесконтактной управляемой электромагнитной фрикционной муфтой электропривода с двумя зонами захвата, перспективной трех проводной схемы управления электроприводом для ЭЦ, контактных колодок автопереключателя новой конструкции, схемой управления устройствами электрообогрева стрелочных переводов на микропроцессорной технике и другие.
Реализация результатов работы. На основания выполненных в диссертации исследований разработаны и внедрены на транспорте:
1. Составлено ТЗ на электродвигателя постоянного тока типа МСП-0,35М с магнитоэлектрической системой возбуждения и проводится лабораторные испытания на макетных образцах в МГУ ПС.
2. Изготовлены макетные образцы асинхронного стрелочного электродвигателя типа МСТ-0,3М двух модификации: чередующейся глубокопазной обмоткой ротора и двухслойным ротором для лабораторных испытаний. В разработках использован патент РФ №65697 на полезную модель автора: «Электродвигатель реактивный переключаемый». Опубликовано 10.08.2007 Бюл.№22. Институт ГТСС считает целесообразным применение усовершенствованного асинхронного стрелочного электродвигателя типа МСТ-0,3М с массивным ферромагнитным ротором в проектах электрической централизации.
3. Контактные колодки автопереключателя электропривода новой конструкции освоено в серийном производстве Люберецким заводом "Пластмасс" и Армавирским электромеханическим заводом и внедрены на Московском метрополитене и Московской ж.д. Они были разработаны на основании патента РФ на изобретение №2353536 автора: «Автопереключатель». Опубликовано: 27.04.2009 Бюл. №12. Технический результат заключается в повышении надежности и прочности конструкции.
4. Макетные образцы электромагнитной муфты нового образца для стрелочного электропривода (взамен фрикционной ) прошли лабораторные испытания для дальнейшего испытания на Московской ж.д.
5. Усовершенствованная схема электрообогрева стрелочных переводов в 2001-2003 г.г прошла опытную эксплуатацию на ст. Орудьево Московской ж.д., в 2007-2008г.г. была внедрена на ст. Решетниково Октябрьской ж.д. Указанная схема электрообогрева управлением «Путь и путевое хозяйство» ОАО «РЖД» рекомендована для внедрения и на других железных дорогах РФ. Проект одобрен институтом ГТСС (Заключение ГТСС №20/30 от 24.07.08г.). Алгоритм работы схемы с применением микропроцессорной техники показан в принципиальной схеме электрообогрева.
6. Разработанный на основание изобретения стрелочный асинхронный электродвигатель нового поколения (патент РФ №2315412 автора «Электродвигатель реактивный переключаемый». Опубликовано 20.01.2008 Бюл.№2.) повышает надежность работы электропривода и снижает стоимость изготовления электродвигателя.
7. С целью унификации аппаратуры и повышения эксплуатационной надежности дано принципиальное решение по применении в качестве путевого приемника на метрополитене реле типа ДСШ-15, широко используемого на магистральном ж. д. транспорте (Заключение ГТСС №32-07/36 от 13.08.04г ).
8. Разработанная трех проводная схема управления для ЭЦ с двигателем с магнитоэлектрической системой возбуждения прошла лабораторные испытания в институте" Гипротранссигналсвязь".
Практическая реализация результатов выполненных исследований позволила повысить качество работы электрической централизации на станциях, улучшить технический уровень автоматизации УЭМЖАТ(СП), обеспечивая тем самим значительный народнохозяйственный эффект. А это своей стороны способствует улучшению эксплуатационной деятельности и повышению провозной способности отрасли, экономию трудовых и энергоресурсов в масштабах железных дорог и метрополитенов РФ.
Новизна технических решений разработанных устройств подтверждена авторскими патентами, полезными моделями и заявками на изобретения.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались, обсуждались и были одобрены на международной конференции молодых ученых железнодорожных ВУЗ (в г. Гомель, БЖТ 1998г); в службе технической политики Московской железной дороги.
(г. Москва, 2000г. и 2011г); на кафедре «А и Т на ж.д.» (г. Москва, РГОТУПС, 2001г.); на кафедре «Безопасность движения» Российской академии путей сообщения (г. Москва, 2004 г.); на кафедре «Электрические машины», МИИТ (г. Москва, 2005-2006г.г.); на кафедре «Электроэнергетические, электромеханические и биотехнические системы (г. Москва, МАИ, 2008г.); на кафедре «Тяговый подвижной состав» (г. Москва, МИИТ, 2009г.).
Монография Абусеридзе З.В. «Параметрическая оптимизация устройств железнодорожной автоматики и телемеханики»: Научное издание. – Москва: депонирована в институте ВИНИТИ РАН, №2, 2004, Б\О 238, 126с. полностью отражающая содержание диссертации, разослана по списку 24 организации Российской Федерации, специализирующиеся в области исследований по теме диссертации.
Публикации. Автор 49 научных работ. По теме диссертации опубликованы 34 печатных работ и 1 монография, в том числе 21 статей в журналах входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, получены 2 патента на изобретения и один патент на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Она содержит 283 страниц основного текста, 59 иллюстраций, 35 таблиц, список литературы из 188 наименований и 3 приложений. Всего работа изложена на 450 страницах машинописного текста.
