Введение к работе
Актуальность темы. При создании электровозов нового поколения возникает целый комплекс проблем, связанных с исследованием переходных процессов, отладкой систем автоматического управления и определением уровня динамических нагрузок. Особую остроту данным вопросам придает то, что на новых электровозах предусмотрено применение ряда таких конструктивных решений по механической и электрической части, включая систему управления, которые на прежде выпускавшихся локомотивах не использовались, и только некоторые из них были ранее испытаны. Физическое моделирование процессов, происходящих при движении скоростных электровозов, затруднено вследствие высоких материальных затрат и может быть реализовано только на заключительной стадии работ. В связи с изложенным возникает потребность предоставления в распоряжение проектировщиков маїемаютеских моделей как высокоэффективного инструмента, позволяющего на этапе конструктивных проработок исследовать динамические процессы для возможных вариантов исполнения как механической, так и электрической части электровоза и его системы управления в различных сочетаниях.
Из сказанного следует, что поставленная научная задача прогнозирования переходных режимов путем построения комплексной математической модели электромеханической системы электровоза является актуальной и тесно связана с проблемой создания новых отечественных локомотивов, что предусмотрено Постановлени-ем Совета Министров СССР от 11.10.1990 года № 1001 "О программе технического перевооружения и модернизации железных дорог в СССР б 1991-2000 годах" и Постановлением Правительства России-
ской Федерации от 23.11.1996 года № 1400 "О федеральной целевой программе 'Разработка и производство пассажирского подвижного состава нового поколения на предприятиях России (1996-2005 годы)".
Цель н задачи исследования. Целью исследования является решение научной проблемы прогнозирования переходных режимов и изучения дішамических процессов, возникающих при движении электровоза, рассматриваемого в качестве единой электромеханической системы.
Для достижения поставленной цели необходимо решить задачу разработки комплексной компьютерной модели электромеханической системы электровоза, предназначенной для применения на этапе проектирования. Модель должна быть построена по модульному принщшу, обладать гибкой и открытой структурой, позволять быстрое внесение дополнений и изменений в процессе исследования.
К задачам исследования относится расчет электромагнитных процессов, а также силовых потоков, обусловленных действием активных моментов, приложенных к валам тяговых двигателей (ТД) и получаемых в функции от принятого алгоритма управления. При этом должны приниматься во внимание взаимосвязь электрических и механических колебаний с учетом возмущений, возникающих при движении по пути, имеющему вертикальные неровности.
Научная новизна. Новизна научных результатов, полученных в диссертации, заключается в следующем:
а) Выполнены расчет и исследование переходных режимов в электромеханической системе электровоза, начиная от выбранного алгоритма управлеїшя вплоть до усилий, возникающих в контакте "колесо-рельс" для каждой из колесных пар. Изучены силовые потоки, возникающие под воздействием электромагнитных моментов на
валах ТД в режиме тяга, причем рассмотрены различные варианты конструкцій! электровоза (мехаїшческая часть с осевыми формулами 2о-2о и 2о-2о-2о, тяговый привод 1-го, П-го и Ш-го классов, электрическая часть с коллекторными и бесколлекторными двигателями).
Вьтявлеїш закономерности протекания возникающих динамических процессов в связях экипажной части и в тяговом приводе (рассчитаны моменты в тяговых муфтах, усилия в зубчатых передачах, в подшипниках, в подвесках корпусов двигателей и редукторов, силы в наклонных тягах и т.д., а также пространственные перемещения тел, входящих в состав расчетной схемы). Полученные результаты имеют значение при расчете на прочность, в особенности для тягового привода с асинхронными ТД;
б) Разработана новая компьютерная технология построения
комплексной математической модели электровоза как единой пол
норазмерной электромеханической системы, состоящей из трех вза
имодействующих между собой подсистем: механической части, элек
трической части и системы управления;
в) Создан высокоэффективный алгоритм моделирования ме
ханической части электровозов, опирающийся на современные ме
тоды динамики систем твердых тел и позволяющий получать мате
матическую модель для любой конкретной конструкции механи
ческой часті! в автоматическом режиме по заданной исходной ин
формации о ее топологии, кинематике, массо-инерционных характе
ристиках и действующих силах;
г) Математическая модель реализована в виде программного
обеспечения, предназначенного для исследования динамических
процессов. Пакет программ составлен с применением методов ком
пьютерной алгебры и объектно-ориентированного программирова-
шш. что дало возможность исследования динамики различных вариантов конструкции электровозов с минимальными затратами труда и времени.
Методы исследования и достоверность полученных результатов. Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, а также полученных результатов, обеспечивается:
а) применением фундаментальных принципов и методов ме
ханики и математики. При решении поставленной задачи использо
валась методология системного анализа, применялись методы дина
мики систем твердых тел (формальный метод Ньютона-Эйлера),
теории графов, компьютерной алгебры, а также численные методы
интегрирования систем обыкновенных дифференциальных уравне
ний;
б) сравнением с имеющимися в литературе данными экспе
риментальных исследований, подтверждающим достоверность рас
четных результатов;
в) критическим обсуждением результатов работы с экспер
тами по электровозостроению - ведущими специалистами АО
"Всероссийский научно-исследовательский и проектно-
конструкторский институт электровозостроения" (АО ВЭлНИИ).
Практическая значимость и внедрение. Полученные результаты применены для решения конкретных практических вопросов, связанных с проектированием новых образцов электровозов. В частности, они использованы для расчета переходных процессов и определения уровня динамических нагрузок, возникающих в экипажной части и тяговом приводе четырехосного электровоза с асинхронными ТД. Существенная часть работы проводилась согласно договора АО ВЭлНИИ с МПС № 23-119/92 "Разработка, изготовле-
іше и поставка уішфшцірованньїх грузовых электровозов постоянного и переменного тока и двойного питания с бесколлекторными тяговыми двигателями".
Значительная часть исследований выполнена в рамках научно-технической программы Государственного комитета РСФСР по делам науки и высшей школы "Фундаментальные и прикладные проблемы механики деформируемых сред и конструкций" (приказ №258 от 28.03.1991 г.), работы по теме "Исследование динамики высокоскоростных цилиндрических передач (применительно к зубчатым передачам перспективных транспортных средств) и разработка специализированных методов взаимосвязанных прочностных и геометрических расчетов" проводились в 1991-95 г.г.
По результатам некоторых разделов работы издано и внедрено в учебный процесс подготовки студентов специальности 'Электрический транспорт" учебное пособие и пакет программ по элементам теории колебаний.
Апробация работы. Основные положения и результаты дис-сертации докладывались и обсуждались на ежегодных научных конференциях Новочеркасского государственного технического университета (НГТУ), на заседании научного семинара кафедры теоретической механики Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ), а также были представлены на Международной конференции "Состояние и перспективы развития локомоти-востроения", Новочеркасск, 7-9 июня 1994 г.; на Международном симпозиуме "Безопасность перевозочных процессов", Москва, МИИТ, 27 апреля 1995 г.; на 2-й и 3-й Международных конференциях "Новые компьютерные технологии в системах управления", Переславль-Залесский, 13-19 августа 1995 г. и 29 июля -2 августа 1996 г.; на 9-ом Всемирном Конгрессе по теории машин и механиз-
мов, Милан (Италия), 29 августа-2 сентября 1995 г.; на Международной научно-технической конференции ';Качество и долговечность зубчатых передач и редукторов", Севастополь, 17-21 сентября 1995 г.; на Международной конференщш "Устойчивость, управлением динамика твердого тела", Донецк (Украина), 2-6 сентября 1996 г.; на 2-й Европейской конференщш по нелинейным колебаниям, Прага (Республика Чехия), 9-13 сентября 1996 г.; на Международной конференщш "Теория и практика зубчатых передач", Ижевск, 4-6 декабря 1996 г.
Работа полностью доложена и обсуждена на заседаниях научных семинаров кафедры теоретической механики МГУ им. М.В. Ломоносова под руководством академика РАН Д.Е.Охоцимского, профессоров В.Б.Белецкого и Ю.Ф.Голубева, на заседании научно-технического совета АО ЮлНИИ, на расширенном заседают кафедры теоретической мехаїшки НГТУ, на заседашш общественного совета докторов наук РГУПС, на заседании научного семинара Московского отдела Института проблем транспорта РАН, на совместном заседании кафедр "Локомотивы и локомотивное хозяйство" и "Вагоны и вагонное хозяйство" РГУПС.
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 27 печатных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 414 страшщах, состоит из введешія, восьми глав, заключения и трех приложений. Список литературы содержит 147 наименований.
