Содержание к диссертации
Введение 5
1. Обзор и анализ применяемых электронных аппаратура управления электроподвижным составом /6
1.1 Эффективность функционирования - наиболее общая характера тика электронной аппаратуры управления 16
1.2 Электронная аппаратура управления электровозами
серии Re шведской фирмы A SEA /f
1.3 Электрошая аппаратура управления электровозами типов 1/41.001 и /43.1076 20
1.4 Электр онная аппаратура управления электровозами Szi 24
1.5 Электронная аппаратура управления, применяемая на электровозах МВОТи ВД80С 2%
1.6 Электронная аппаратура управления электровозами ВП80Р 30
1.7 Анализ применяемых электронных аппаратур управления электроподвижным составом Выводы
2. Повышение эффективности электронной аппаратуры управления в режиме тяги
2.1 Проблема использования силы сцепления
2.2 Основные функции, выполняемые системой автоматического регулирования в режиме тяги
2-3 Качественный анализ особенностей функционирования системы автоматического регулирования при боксоваши
2.4 Повышение динамической жесткости характеристик тяговых двигателей средствами автоматики.. Теоретические пред-посылки
2.5 Сравнительная оценка способов автоматического регулирования токов тяговых двигателей при боксовании. Выявление областей эффективного применения 5Ц
2.6 Улучшение тяговых свойств путем снижения вероятности возникновения боксования 58
2.6.1 Автоматическое перераспределение нагрузок тяговых двигателей 58
2.6.2 Устройство для автоматического включения контакторов, ослабления поля 6/
2.7 Схемные решения 66
2.8 Экспериментальные исследования 7/
2.8.1 Устройство для автоматического регулирования токов при буксовании
2.8.2 Устройство для автоматического включения контакторов ослабления поля °
Выводы
3. Повышение эффективности электронной аппаратуры управления- в режиме электрического торможения
3.1 Усовершенствование алгоритма управления М
3.2 Схемные решения 92.
3.3 Теоретические исследования системы автоматического регулирования тормозной силы в режиме стабилизации скорости движения на спуске 96
3.4 Экспериментальные исследования /00
Выводы /05
4. Повышение энергетических показателей и надежности
тиристорних преобразователей средствами электронной аппаратуры управления /07
4.1 Условия включения тиристоров преобразователей с параллельным и последовательным соединением выпрямительных мостов /0$
4.2 Пути обеспечения надежного включения тиристоров и повышения энергетических показателей магистральных электровозов в режиме тяги Ц6
4.3 Обеспечение надежного включения тиристоров преобразователей в режиме рекуперации
Выводы 128
5. Исследование вопросов безотказности электронной аппаратуры управления 129
5.1 Проблема надежности электронной аппаратуры управленш 129
5.2 Актуальность исследования вопросов безотказности электронной аппаратуры управления
5.3 Аналитическая оценка показателей надежности электронной аппаратуры управления "
5.4 Эффективность резервирования электронной аппаратуры управления и методы ее количественной сценки 132
5.5 Оценка влияния технического обслуживания на эффективность резервирования 1 7
5.6 Обоснование периодичности технического обслуживания электронной аппаратуры управления электровоза ВП80Р /54
5.7 Экспериментальная оценка показателей надежности электронной аппаратуры управления электровоза М80Р 157
5.8 Некоторые вопросы повышения надежности электронной аппаратуры управления /61
Выводы 167
6. Практическое использование результатов исследования /72
7. Основные результаты работы и выводы 179
8. Литература 179
9. Приложение I /90
10. Приложение 2
Введение к работе
В утвержденных XXУІ съездом КПСС "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981 - 1985 года и на период до 1990 года" намечена широкая программа повышения эффективности работы железнодорожного транспорта /на долю которого приходится более 60$ всех грузовых перевозок/ в направлении совершенствования технических средств, широкого внедрения новейших достижений науки и техники, наиболее прогрессивных видов подвижного состава /I/.
Повышение эффективности работы транспорта определяется объективными требованиями социально-экономического развития страны и повышения её научно-технического и производственного потенциала.
Большие возможности повышения эффективности электроподвижного состава /ЭПС/ открывает использование тиристорных преобразователей, позволяющих улучшить тяговые и тормозные свойства локомотивов, повысить надежность, точность и быстродействие регулирования основных параметров, повысить безопасность движения и упростить управление, а также получить эффективный электрический тормоз. Это направление является генеральным в техническом развитии ЭПС /2 - б/. Однако, богатые потенциальные возможности тиристорных преобразователей в полной мере могут быть реализованы только совершенной электронной аппаратурой управления /ЭАУ/, выполняющей определенные функции при высокой надежности, т.е. характеристиками ЭАУ.
Наиболее общей характеристикой ЭАУ является эффективность её функционирования. Таким образом, преимущества электровозов с тиристорними преобразователями в значительной степени определяется эффективностью функционирования ЭАУ. Под эффективностью ЭАУ в самом общем смысле понимают свойство, отражающее способность ЭАУ получать требуемые результаты /7 - 10/. Обеспечение надежности ЭАУ рассматривается как часть более общей проблемы - повышения эффективности её функционирования.
Составляющими эффективности ЭАУ, применительно к ЭПС, являются тяговые и тормозные свойства электровозов, качество электромагнитных и электромеханических переходных процессов, энергетические показатели электровозов и их надежность, безопасность движения, степень загрузки машиниста операциями по управлению и т.д., короче говоря, все те качественные и количественные показатели работы ЭПС, на которые прямо или косвенно влияет ЭАУ в процессе её функционирования. Таким образом, исследование вопросов эффективности диктует комплексный подход к процессам функционирования ЭАУ.
В данной работе эффективность ЭАУ употребляется в указанном выше смысле.
Обзор и анализ применяемых ЭАУ, обобщение опыта эксплуатации ЭАУ на отечественных и зарубежных электровозах показали, что имеются большие резервы повышения эффективности функционирования ЭАУ, применяемой на отечественных электровозах.
Это обстоятельство, а также то, что в недалеком будущем начнется выпуск новых, более мощных электровозов, на которых будут реализованы все достижения отечественного электровозостроения, обусловило необходимость исследования вопросов повышения эффективности ЭАУ.
Обзор, проведенный в данной работе, показал, что тиристор-ные преобразователи и ЭАУ находят все более широкое применение на ЭПС, как у нас в стране, так и зарубежом.
В СССР работы по созданию электровозов с применением тиристорних преобразователей и ЭАУ ведутся с 1964 года во ВШИЖТ, ВЭлНИИ, НЭВЗ, МЭИ, ВНИИЭМ, НИИ завода "Электровыпрямитель11, МИИТ, ЛИШ1ІТ и других организациях.
Результатом этих работ является запуск в серию электровозов ВЛ80Т с электрическим реостатным торможением и электровоза BJI80P
- первого в СССР и одного из первых в мировой практике магистрального электровоза переменного тока с плавным многозонным регулированием выпрямленного напряжения тяговых двигателей и рекуперативным торможением. Освоен выпуск экспортных электровозов для поставок в Финляндию типа St і , изготовлены опытные образцы электровозов ВЛ80А и ВЛ80В с асинхронным и вентильными тяговыми двигателями соответственно.
В работе на основе обзора и анализа ЭАУ, применяемых на отечественном и зарубежном ЭПС, анализе литературных источников /II
- 16/ и обобщении опыта эксплуатации первых отечественных электровозов с ЭАУ /27 - 33/ выявлены основные тенденции развития и более широкого применения ЭАУ, а также намечены основные пути совершенствования ЭАУ с целью повышения эффективности её функционирования.
Внедрение ЭАУ на ЭПС идет по принципу "от простого к сложному". Вначале создавались и внедрялись простые, разомкнутые системы ручного управления, обеспечивающие выполнение минимально-необходимого числа функций управления /22, 23, 24/. По мере освоения и накопления опыта эксплуатации, появления новой элементной базы /интегральной микроэлектроники/, ЭАУ усложняется за счет увеличения числа выполняемых функций с целью повышения эффективности её функционирования.
В настоящее время уровень электронной схемотехники и системотехники таков, что позволяет реализовать алгоритмы управления практически любой сложности, получить любые качественные показатели при удовлетворительных для ЭПС весо-габаритных, стоимостных, мощностных, надежностных, энергетических и других показателей.
Большие возможности повышения эффективности ЭАУ заключаются в применении замкнутых систем автоматического регулирования основных параметров электровозов (САР). Эффективность САР заключается в улучшении тяговых и тормозных свойств, повышении точности и быстродействия регулирования основных параметров, в упрощении процесса управления электровозом и снижении нервно-психической нагрузки машиниста, а также повышении безопасности движения /II, 12, 20, 25, 33, 36/.
В результате обзора и анализа принципов и методов построения систем автоматического управления тиристорными электровозами была выбрана наиболее рациональная схема системы автоматического управления электровозом, которая в самом общем случае представляет собой многоконтурную структуру с подчиненным регулированием параметров /П, 26, 37, 38/.
Однако, применение на ЭПС САР, принципы построения которых разработаны на основе теории автоматического регулирования применительно к общепромышленному тиристорному электроприводу, характеризуется рядом специфических режимов их функционирования, которые в настоящее время или недостаточно исследован, или вообще не исследовались. Эти режимы в решающей степени определяют эффективность применения автоматики на ЭПС.
Специфическим режимом функционирования автоматики в тяге является режим автоматического регулирования токов тяговых двигателей при боксовании колесных пар, названный в работе /42/ динамическим управлением, а в работе /43/ - системой автоматической стабилизации сцепления. Исследования, проведенные в данной работе /28/, показали, что применение системы автоматического регулирования токов тяговых двигателей, обеспечивающей пуск с заданным и автоматически поддерживаемым током, приводит к тому, что автоматика, стремясь поддержать пусковой ток, усугубляет начавшийся процесс боксования колесных пар, что выражается в резком нарастании напряжения на тяговых двигателях, и как следствие, увеличении скорости проскальзывания колесных пар. Традиционная схема защиты от боксования /электромеханическое реле, включенное в эквипотенциальные точки тяговых двигателей/ в некоторых случаях / например, при одновременном боксовании двух осей одной тележки/ не реагирует, и быстро развивающийся процесс боксования перерастает в разносной. Это приводит к тяжелым последствиям для тяговых двигателей.
Таким образом, проведенные исследования привели к выводу о несовместимости традиционной схемы защиты от боксования с замкнутой системой автоматического регулирования тока тяговых двигателей.
Известно, что процесс развития боксования в существенной мере определяется динамической жесткостью характеристик тяговых двигателей. Возможны два пути повышения динамической жесткости: изменение конструкции тяговых двигателей /переход на независимое и смешанное возбуждение/ и средствами ЭАУ.
В работе теоретически обоснована и экспериментально подтверждена принципиальная возможность повышения динамической жесткости характеристик тяговых двигателей средствами автоматики -путем корректировки вставки регулятора тока на величину, пропорциональную производной по времени одного из параметров, характеризующих процесс боксования колесных пар, что обеспечивает автоматическое восстановление сцепления при их одновременном боксовании. Показано также, что для обеспечения нормального функционирования автоматики и автоматического восстановления сцепления во всех эксплуатационных режимах боксования необходима корректировка уставки регулятора тока не только на величину производной по времени одного из параметров, характеризующих процесс боксования, но и на величину, пропорциональную разнице значений параметра, характеризующего процессы в двигателях бок-сующей и небоксующей колесных пар. Оба вида коррекции взаимодополняют друг друга /28, 48, 49/.
Известно, что максимальная сила тяги, которую может развивать электровоз, определяется пределом по сцеплению передней оси, который ниже предела остальных осей электровоза, т.к. при реализации силы тяги происходит разгрузка передней тележки и догрузка осей задней тележки. Показана возможность снижения вероятности возникновения боксования средствами автоматики путем автоматического уменьшения нагрузки тяговых двигателей передней тележки относительно задних, а также снижения бросков тока тяговых двигателей при включении контакторов ослабления поля /46, 50, 51/.
Специфичным режимом функционирования автоматики на ЭПС при электрическом торможении является режим стабилизации скорости на спуске со сложным профилем пути. Эксплуатация показала, что при автоматическом регулировании тормозной силы электровоза ВЛ80Т на участках со сложным профилем пути в автосцепках поезда возникают нежелательные реакции. Объясняется это тем, что в режиме стабилизации скорости на спуске при выходе электровоза со спуска на площадку, вследствие равенства действительной и заданной скорости и отсутствии скатывающей силы, автоматика сбрасывает тормозную силу до нуля. При этом сцепки ослабляются и состав растягивается. При переходе на последующий уклон происходит разгон состава, затем автоматическое включение реостатного тормоза, и, вследствие набегания задних вагонов, в передней части состава возникают резкие динамические толчки /27, 38/.
В работе /38/ показано, что для исключения отрицательных реакций в составе поезда необходимо усовершенствовать алгоритм регулирования тормозной силы таким образом, чтобы тормозная сила не опускалась ниже определенного минимального уровня независимо от соотношения действительной и заданной скоростей движения. В соответствии с этим в данной работе усовершенствована функцио нальная и разработана структурная схема системы автоматического регулирования тормозной силы, исследована устойчивость системы и определена область допустимых значений коэффициента усиления разомкнутой системы, при которых обеспечивается устойчивость замкнутой /55, 56, 57/.
Обобщение опыта эксплуатации ЭАУ электровозов ВЛ80Р показало, что имеются резервы повышения энергетических показателей электровоза и надежности тиристорних преобразователей средствами ЭАУ /29, 32, 33/.
На основе анализа потенциальных условий работы тиристоров преобразователей обоснована необходимость использования для управления тиристорними преобразователями с параллельным соединением мостов устройства слежения за напряжением на тиристорах с изменяющимся /при переходе с одной зоны на другую/ уровнем срабатывания порогового элемента. Обоснована необходимость отсечки в момент начала инверторной коммутации 6 управляющих импульсов тиристоров, осуществляющих /регулирование тока рекуперации /63, 6V.
На основе теоретических исследований разработаны электронные устройства, экспериментальные исследования и эксплуатация на серийных электровозах которых показали их высокую эффективность, обеспечивающую улучшение тяговых и тормозных свойств и повышение надежности и энергетических показателей электровозов.
В данной работе проблема обеспечения надежности ЭАУ рассматривается как часть более общей проблемы - повышения эффективности её функционирования, т.к. уровень надежности в значительной степени определяет её эффективность.
Обобщение опыта эксплуатации ЭАУ электровоза Ш80Р /33/ выявило резервы повышения её надежности, которая, в принципе, должна быть выше, по сравнению с контактными системами управления. Проблема обеспечения надежности ЭАУ усугубляется еще и тем, что, как следует из вышеизложенного, происходит её усложнение путем увеличения числа выполняемых функций с целью повышения её эффективности /ЗО, 31, 32, 33/.
Показано, что основной составляющей надежности ЭАУ как комплексного свойства в период нахождения электровоза в эксплуатации и до возвращения его в депо или на пункт технического осмотра является её безотказность относительно отказов 1-го рода.
Сделаны аналитическая оценка и анализ эксплуатационной надежности ЭАУ электровоза ВЛ80Р.
Разработана методика оценки эффективности резервирования ЭАУ с использованием математического аппарата теории марковских случайных процессов с дискретными состояниями и непрерывным временем, позволяющая установить закономерности изменения количественных характеристик надежности в зависимости от кратности резервирования и наработки.
Показано, что эффективность резервирования является функцией наработки..Для ЭАУ электровоза ВЛ80Р наработку, равную 4000 ч, можно считать критической, т.к. при этой наработке эффекта от резервирования практически нет, а интенсивность отказов 1-го рода резервированной ЭАУ приближается к нерезервированной. Кроме того, даже при кратности резервирования т = 4 вероятность безотказной работы относительно отказов 1-го рода настолько низкая /0,3/, что ЭАУ практически не может выполнять возложенные на неё функции.
Эффективность резервирования растет с увеличением кратности резервирования. Однако, с ростом кратности резервирования прирост эффективности уменьшается. Наибольший прирост эффективности при кратности - резервирования т - I и т = 2.
Особенность ЭАУ электроподвижного состава состоит в, том, что контроль и восстановление ее работоспособности должно производиться на одном из видов ТО или ТР,установленных для электровозов.
Показано, что показатели надежности резервированной ЭАУ зависят от того, на каком из установленных для ЭПС видов ТО или ТР происходит контроль и восстановление ее работоспособности. Полученные соотношения позволяют рассчитать показатели надежности резервированной ЭАУ относительно отказов 1-го рода.
Показано, что интенсивность отказов 1-го рода резервированной ЭАУ ЭПС характеризуется мгновенным значением, имеющим пилообразную форму, и постоянным средним значением. Рассмотрены области применимости мгновенного и среднего значений. При рассчев вероятности безотказной работы относительно отказов 1-го рода за интервал наработки, равный периодичности между проверками и восстановлением работоспособности ЭАУ, необходимо использовать мгновенное значение интенсивности отказов. Если же наработка, при которой вычисляется вероятность безотказной работы, намного превышает периодичность контроля и работоспособности ЭАУ, то необходимо использовать среднее значение интенсивности отказов. Непосредственно наблюдаемой в эксплуатации величиной интенсивности отказов 1-го рода резервированной ЭАУ является ее средняя интенсивность отказов.
Обоснован критерий выбора периодичности контроля и восстановления работоспособности резервированной ЭАУ, заключающийся в том, что необходимо брать наибольшую из установленных для ЭПС периодичности ТО и ли ТР, на которой обеспечивается практическая безотказность ЭАУ относительно отказов 1-го рода.
Показано, что практическая безотказность относительно отказов 1-го рода электровоза ВЛ80Р обеспечивается на интервале наработки, равной периодичности Т02. Переход на новую элементную базу - интегральный схемы низшей и средней степени интеграции позволит снизить величину интенсивности отказов примерно на порядок. Применение разработанной методики позволило оценить показатели надежности и эффективность резервирования ЭАУ электровоза ВЛ80Р. При этом дана оценка нижнего гарантированного уровня надежности. Сравнение теоретических и экспериментальных данных показывает, что точность теоретических оценок не превышает 15%. Указанная методика используется в ВЭлНИИ на стадии проектирования ЭАУ.
Результаты исследований, проведенных в данной работе, были использованы при разработке, доводке до серийного производства и организации технического обслуживания ЭАУ электровозов ВЛ8СТ, ВЛ80С, ВЛ80Р,5 /.
Электронные устройства, разработанные на основе исследований, внедрены в серийное производство на указанных электровозах.
В комплексе все основные положения данной работы будут использованы на перспективных электровозах, предназначенных для БАМ, начало выпуска которых намечено на конец текущей пятилетки.
Новизна разработок подтверждается а.с. 747747$ 709417, 651988, 530412, 653718, 768674, 1068305.
Технико-экономическая эффективность, подробно рассмотренная в соответствующих разделах, заключается в улучшении тяговых и тормозных свойств и энергетических показателей электровозов, уменьшении износа бандажей и рельсов и расхода песка, повышении надежности как самой электронной аппаратуры управления, так и силового оборудования, с которым она прямо или косвенно связана /тиристорных преобразователей, тяговых двигателей/, уменьшении количества поврежденных силовых тиристоров преобразователей, а также уменьшении расходов на производство и эксплуатацию аппаратуры и связанного с ней оборудования.
Документальное подтверждение внедрения результатов исследований и полученная при этом технико-экономическая эффективность в количественном выражении, полученная на ЮВЗе, приведены в приложении к диссертации.
