Введение к работе
Актуальность работы. Промышленный железнодорожный транспорт выполняет перевозки грузов на территории предприятий и осуществляет доставку сырья от места его добычи к местам переработки. Развернутая протяженность его путей составляет 71% длины линий общего пользования, а выполняемый объем перевозок почти в 3 раза превышает этот показатель.
Работа промышленного транспорта характеризуется более тяжелыми эксплуатационными условиями. Его особенностью является низкая, по сравнению с магистральным, скорость движения, в основном не превышающая 40-50 км/ч. Поезда при этом имеют большую массу, часто близкую к нормам магистральных железных дорог. В качестве тягового подвижного состава используются тяговые агрегаты (ОПЭ1, ПЭ2М, НП1), тепловозы, электровозы отечественного (ВЛ41, НПМ2), и зарубежного производства (серии EL).
На сегодняшний день используемые на промышленном железнодорожном транспорте технические средства морально устарели, практически полностью выработали свой эксплуатационный ресурс и нуждаются в замене. Поэтому при значительных эксплуатационных расстояниях и достаточно больших объемах перевозок возникла необходимость применения в качестве тягового подвижного состава магистральных локомотивов, которые не приспособлены для непосредственной эксплуатации в условиях промышленного транспорта, т.к. имеют малую осевую нагрузку 23 - 25 тс/ось и достаточно высокую расчетную скорость движения (около 50 км/ч). В результате, использование для тяги поездов магистральных электровозов постоянного тока сопровождается неполным использованием мощности их тяговых двигателей. Указанные особенности этих локомотивов являются основой проблемы, связанной с необходимостью реализации максимальной силы тяги при пониженной скорости. Таким образом, можно сделать вывод, что характеристики тяговых двигателей магистральных электровозов постоянного тока не соответствуют условиям и режимам их работы на промышленном железнодорожном транспорте.
Кроме этого на магистральных линиях железных дорог существуют участки с трудным профилем, наличие которых приводит к снижению величины унифицированной массы поезда на направлении. Ее увеличение при одиночной тяге и отсутствии подталкивания возможно только за счет улучшения тяговых свойств эксплуатируемых локомотивов.
Цель работы состоит в улучшении тяговых свойств магистральных электровозов постоянного тока в условиях работы на промышленных предприятиях, а также на участках железных дорог с трудным профилем за счет регулирования жесткости их характеристик.
Для достижения указанной цели были решены следующие задачи:
определены факторы, влияющие на реализацию электровозом максимальной силы тяги в условиях ограниченной скорости движения;
выполнен анализ существующих способов питания обмоток возбуждения тяговых двигателей и оценено их влияние на характеристики локомотива;
для усиления возбуждения разработан способ использования суммы токов якорей смежных параллельных ветвей;
выполнен расчет тяговых характеристик электровоза при регулировании тока возбуждения статическим преобразователем;
проанализировано влияние разных способов регулирования возбуждения тяговых двигателей на работу электрооборудования локомотива;
выполнены экспериментальные исследования на лабораторном стенде, состоящем из двух тяговых двигателей мощностью 55 кВт и маховика;
проведены эксплуатационные испытания опытного электровоза ВЛ10У-580 при следовании с поездами на участках ОАО "Апатит".
Методика исследований. Для решения указанных задач использовались методы теории электрических цепей и машин, локомотивной тяги, а также математическое моделирование.
Научная новизна работы заключается в следующем:
l.Ha основе обзора существующих способов и систем усиления возбуждения тяговых двигателей предложено техническое решение, обеспечивающее реализацию указанного режима без использования дополнительных источников питания;
2.Разработаны и обоснованы схемотехнические решения, позволяющие осуществлять управление жесткостью тяговых характеристик электровоза, а также определена область их эффективного использования;
3.Выявлены факторы, влияющие на эффективность использования магистральных электровозов постоянного тока в условиях работы на промышленных предприятиях, а также на участках железных дорог с тяжелым профилем;
4.Разработана математическая модель, позволяющая исследовать установившиеся и нестационарные режимы в силовой цепи опытного электровоза, вызванные изменением величины питающего напряжения (в т.ч. полным его прекращением) и перегруппировкой двигателей при разных способах их возбуждения;
5.Предложена методика определения величины пульсаций тока якорей тяговых двигателей в режиме усиленного возбуждения при импульсном регулировании сопротивления шунтирующей цепи;
6.Оценена эффективность предложенных рекомендаций по устранению разности токов параллельных ветвей групп якорей тяговых двигателей за счет регулирования возбуждения и величины сопротивления стабилизирующих резисторов.
Практическая ценность работы. Результаты работы могут быть использованы при создании и модернизации эксплуатируемых магистральных электровозов постоянного тока. По результатам математического моделирования даны рекомендации по улучшению качества переходных процессов в силовой цепи электровоза.
К защите представляются следующие основные положения:
Способ и схемотехнические решения, позволяющие реализовать режим усиленного возбуждения без применения дополнительного источника энергии и осуществлять поддержание заданного тока возбуждения;
Результаты теоретических и экспериментальных исследований эффективности применения режима усиленного возбуждения тяговых двигателей магистральных электровозов постоянного тока с целью улучшения их тяговых свойств;
Методика определения величины пульсаций тока якорей тяговых двигателей в режиме усиленного возбуждения при импульсном регулировании;
Рекомендации по улучшению качества переходных процессов в силовой цепи электровоза при работе в режиме усиленного возбуждения.
Использование результатов диссертационной работы. Результаты работы использованы при модернизации магистральных электровозов ВЛ10У, эксплуатируемых в ОАО "Апатит". Разработанные схемо-технические решения позволили увеличить массу поезда на 8-10%, увеличить провозную способность, что в результате позволяет уменьшить эксплуатационные расходы на перевозочный процесс.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры "Электрическая тяга" ПГУПС (г. Санкт-Петербург), на научно-техническом семинаре кафедры "Электрическая тяга" УрГУПС (г. Екатеринбург), расширенном заседании кафедры "Электрический транспорт" ЮРГТУ (НПИ) (г. Новочеркасск), на научно-технических конференциях ПГУПС "Неделя науки-2006" и "Неделя науки-2008", на заседании научно-технического совета ОАО "ВЭлНИИ" (г. Новочеркасск).
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 12 печатных работ общим объемом 5,5 п.л., в том числе 5 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК. По теме работы получено 4 патента на полезные модели.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ
