Введение к работе
Актуальность. Железнодорожный транспорт России играет важную роль в создании условий перехода на инновационный путь развития национальной экономики и обеспечения ведущих позиций в мировой экономической системе. В «Стратегии развития железнодорожного транспорта Российской Федерации до 2030 года» отмечается необходимость повышения экономии энергетических ресурсов, увеличения пропускной и провозной способности железных дорог.
Важнейшим показателем эксплуатационных качеств локомотива является реализуемая им сила тяги. Изменяющийся в широких пределах коэффициент сцепления колеса с рельсом существенно ограничивает эффективное использование мощности электродвигателей (тэд) электрического подвижного состава (эпс) в режимах тяги и электрического торможения. Песок, подаваемый для улучшения сцепления, загрязняет верхнее строение пути, повышает износ бандажей колесных пар, увеличивает сопротивление движению.
Боксование колесных пар снижает силу тяги электровоза вследствие изменения нагрузки двигателей и ухудшает условия работы элементов тягового привода. Например, в 2011 году на Северной железной дороге выявлено 2837 боксований (рис.1).
Рис. 1. Распределение числа случаев боксований на Северной железной дороге
Для своевременного предупреждения, обнаружения и ликвидации скольжения колесных пар эпс, которое может привести к разносному боксованию при тяге или заклиниванию колесных пар в режимах торможения, необходимо совершенствовать применяемые и разрабатывать
новые схемные решения устройств обнаружения процесса скольжения,
методы и средства ликвидации его на начальной стадии, создавать условия для наиболее эффективной реализации силы тяги и торможения, за счет использования полупроводниковых приборов и преобразователей на их основе (рис.2).
Рис.2. Способы улучшения тяговых свойств подвижного состава с двигателями постоянного тока
Для снижения вероятности возникновения скольжения колесных пар целесообразно применять очистку поверхности рельсов от загрязнений, например, с помощью лазеров, при которой не расходуются дополнительные материалы (вода, эмульсия, химические вещества, электроды), поверхность рельсов не нарушается, остаточные химические вещества отсутствуют, воздействие на экологию незначительно.
Целью работы является улучшение условий реализации тяговых свойств электрического подвижного состава с двигателями постоянного тока за счет очистки поверхности рельсов лазером.
Для достижения сформулированной цели были поставлены и решены следующие задачи:
-
Произвести анализ существующих способов улучшения реализации тяговых свойств подвижного состава.
-
Обосновать целесообразность применения лазера для очистки поверхности рельсов.
-
Определить требуемые параметры лазерного излучения.
-
Выполнить экспериментальные исследования эффективности данного способа очистки.
-
Оценить влияние лазерного излучения на обрабатываемые поверхности.
Методика исследований. В диссертационной работе использованы методы расчета электрических и магнитных цепей, теория электрической тяги, методы планирования эксперимента, экспериментальные и аналитические исследования.
Научная новизна диссертационной работы:
-
На основе анализа процесса реализации силы тяги выявлено, что наряду с использованием устройств обнаружения и ликвидации скольжения колесных пар эпс необходимо для предупреждения развития боксования и юза применять очистку поверхности рельсов от загрязнений, плавное регулирование напряжения на тяговых двигателях и изменение жесткости тяговых характеристик. На схемные решения систем обнаружения и ликвидации боксования колесных пар получено пять патентов на полезные модели.
-
Доказана возможность улучшения использования тяговых свойств электрического подвижного состава за счет воздействия лазерного излучения на поверхность рельсов.
-
Рекомендован к применению для очистки поверхности рельсов лазер волоконного типа.
-
Выявлена зависимость коэффициента трения между колесом и рельсом от параметров лазерной установки с помощью функционального метода интерполяции точек.
-
Доказано, что лазерное излучение не оказывает влияние на структуру рельсовой стали.
На защиту выносится:
-
Комплекс мер, включающий в себя эффективную очистку поверхности рельсов, выявление начальной стадии развития и ликвидации процесса скольжения колесных пар и регулирование жесткости тяговых характеристик электровоза.
-
Целесообразность использования лазерной технологии очистки поверхности рельсов.
-
Рекомендации по выбору типа лазера для очистки рельсов.
-
Зависимость между параметрами лазера и коэффициентом трения колеса с рельсом.
5. Результаты экспериментальных исследований влияния лазерной очистки рельсов на реализацию силы тяги двигателей. Практическая ценность:
-
Показана возможность использования лазеров для очистки поверхности рельсов в пусковых режимах эпс.
-
Определены необходимые параметры рекомендуемого волоконного лазера (мощность излучения, плотность мощности, диаметр выходного пучка).
-
Предложены устройства выявления боксования колесных пар, отличающиеся быстродействием и независимостью от влияния расхождения диаметров колесных пар и характеристик тяговых двигателей.
-
Получены выражения для оценки пульсаций тока возбуждения в обмотках тяговых двигателей с регулируемой жесткостью тяговых характеристик при питании от импульсных преобразователей.
-
Выявлено функциональным методом интерполяции точек влияние параметров лазерной системы очистки на коэффициент трения колес о рельсы.
Достоверность основных теоретических положений и работоспособность предложенных технических решений подтверждена результатами экспериментальных исследований на лабораторных стендах и электровозе ВЛ10.
Реализация и внедрение результатов работы. Изготовлен лабораторный стенд лазерной очистки поверхности рельсов.
Апробация работы. Диссертационная работа обсуждалась на заседаниях кафедры «Электрическая тяга» в 2007 - 2012 годах. Основные результаты работы прошли апробацию на: научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Шаг в будущее», Санкт-Петербург, ПГУПС в 2007 - 2010 годах; международных симпозиумах «El'trans' 2007, 2009, 2011», СПб, ПГУПС, 2007, 2009, 2011; Всероссийской научно-технической конференции «Транспорт, наука, бизнес: проблемы и стратегия развития». - Екатеринбург, УрГУПС, 2008; Международной научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки. -Хабаровск, ДВГУПС, 2008; Международной конференции «Современные технологии - транспорту», СПб, ПГУПС, 2009; International Conference "Fundamentals of Laser Assisted Micro - and Nanotechnologies" (FLAMN -
10). - СПб, СПб ИТМО, 2010; X Международная конференция «Трибология и надежность», СПб, ПГУПС, 2010.
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 17 печатных работах, из них 4 публикации в изданиях, которые входят в перечень, рекомендованный ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.
Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 144 страницы состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников (121 наименование) и 3 приложений. В работе 14 таблиц и 80 рисунков.
