Содержание к диссертации
Введение
1. Повышение тяговых свойств тепловозов. Анализ проблемы, постановка задачи и методы исследований . 11
1.1. Тепловоз как тепло-электромеханическая система 11
1.2. Пути повышения тяговых свойств тепловозов 13
1.3. Основные типы систем защиты от буксования тепловозов с двигателями постоянного тока последовательного возбуждения 21
1.4. Постановка задачи 36
2. Математическая модель тягового привода оси тепловоза 37
2.1. Модель электрической части тягового привода оси 38
2.2. Модель механической части тягового привода оси 46
2.3. Сравнение процессов буксования приводов с различными типами тяговых двигателей при использовании жесткости естественных механических характеристик двигателей 51
3. Электромеханическая модель тепловоза 56
3.1. Моделирование электрической части тепловоза 57
3.1.1. Математическая модель тягового двигателя 58
3.1.2. Математическая модель дизель-генераторной установки 61
3.1.3. Моделирование системы управления тяговыми двигателями в режиме буксования 64
3.2. Моделирование механической части тепловоза 72
3.2.1. Математическая модель механической части тепловоза в ПК UM 74
3.2.2. Моделирование кривой сцепления 78
3.3. Проверка адекватности электромеханической модели тепловоза 81
4. Исследование влияния электрической и механической части на реализацию предельных тяговых усилий 83
4.1. Оценка распределения веса по осям при разгоне локомотива с различной конструкцией тележек 83
4.2. Моделирование режимов движения в зоне ограничения по току при использовании тележек различной конструкции 88
4.3. Моделирование режимов движения в зоне постоянства мощности при ухудшенных условиях сцепления 101
4.4. Влияние алгоритма работы и инерционности системы управления на регулирование силы тяги 108
4.5. Выводы по четвертой главе 111
Заключение 114
Список литературы 116
Приложение 131
- Пути повышения тяговых свойств тепловозов
- Сравнение процессов буксования приводов с различными типами тяговых двигателей при использовании жесткости естественных механических характеристик двигателей
- Моделирование системы управления тяговыми двигателями в режиме буксования
- Моделирование режимов движения в зоне ограничения по току при использовании тележек различной конструкции
Введение к работе
Актуальность. Повышение тяговых свойств тепловозов требует реализации предельных тяговых усилий для всех осей локомотива. Движение на пределе по сцеплению каждой оси достигается при индивидуальном управлении приводом осей за счет формирования тяговых характеристик с регулируемой жесткостью. Проектирование новых машин с традиционными тяговыми двигателями постоянного тока (ДПТ) и индивидуальным (поосным) регулированием, повышающим жесткость электромеханических характеристик двигателей последовательного возбуждения при буксовании, делает весьма актуальным исследование влияния электрической и механической подсистем "магистрального тепловоза на реализацию предельных сип тяги и выработку рекомендаций по дальнейшему улучшению тяговых качеств тепловоза. "
Цель и задачи работы. Целью работы является определение путей повыше-' пня тяговых свойств магистрального тепловоза с индивидуальным регулированием тяговых двигателей постоянного тока последовательного возбуждения.
Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:
- разработка электромеханической модели магистрального тепловоза на
базе совмещения программных комплексов (ПК) MatLab и «Универ
сальный механизм» (UM), позволяющей исследовать динамические и
тяговые качества тепловоза в квазистационарных и нестационарных
режимах;
исследование на основе численных экспериментов тяговых свойств магистрального тепловоза с индивидуальным регулированием осей и различной конструкцией ходовой части при реализации предельных тяговых усилий в процессе пуска и разгона;
анализ влияния электрической и механической подсистем магистрального тепловоза на реализацию предельных сил тяги, и выработка рекомендаций по повышению тяговых свойств локомотива. '
Методы исследования н достоверность полученных результатов.
Для решения сформулированных задач использованы современные методы математического моделирования. Электрическая (силовая и управляющая) под-система тягового привода тепловоза моделируется в ПК MatLab с применением топологического метода анализа электрических цепей, положений теории электрических машин, теории электропривода, теории электрической тяги и теории автоматического управления. Механическая часть тепловоза моделируется в ПК UM иа основе системы связанных твердых тел. Для получения единой электромеханической модели тепловоза модели MatLab интегрируются в модели ПК UM с помощью специального программного модуля, разработанного на кафедре «Прикладная механика» брянского государственного технического университета (БГТУ).
Достоверность результатов моделирования подтверждена сравнением их с результатами экспериментальных исследований, полученных Всероссийским научно-исследовательским и конструкторско-технологическим институтом подвижного состава (ВНИКТИ МПС).
Научная новизна: разработана электромеханическая модель перспективного магистрального тепловоза с тяговыми двигателями постоянного тока на базе совмещения программных комплексов MatLab и «Универсальный механизм» (TJM), позволяющая исследовать динамические и тяговые качества тепловоза в нормальных и нестационарных режимах работы при различных конструкциях ходовой части; «установлен качественный и количественный характер динамических процессов в тяговом приводе магистрального тепловоза с поосным регулированием и различными типами тележек: серийными тележками тепловоза 2ТЭ116, тележками с низко опущенным шкворнем и тележками с наклонными тягами при реализации максимальных по условиям сцепления тяговых усилий; выявлены закономерности динамического перераспределения нагрузок по осям тепловоза в квазистационарных и нестационарных режимах тяги при различной конструкции тележек;
5' , .
установлено, что быстродействие замкнутой системы тягового привода магистрального тепловоза 2ТЭ25К при буксовании всех осей локомотива недостаточно для получения коэффициента использования сцепного веса более 0,8 в диапазоне скоростей Ы 5 км/ч.
-- Практическая ценность н реализация результатов работы.
Создана электромеханическая модель магистрального тепловоза с пооснъш
регулированием и тремя вариантами конструкции экипажной части. Выработа
ны рекомендации по улучшению тяговых свойств магистрального тепловоза с
индивидуальным регулированием тяговых двигателей постоянного тока после
довательного возбуждения. " ' '
Результаты работы приняты на ЗАО УК "БМЗ-Тепловоз" для использования при разработке магистральных тепловозов с тяговыми двигателями постоянного тока, работа выполнена при поддержке РФФИ, грант'№ 05-01-00756.
Модель тепловоза 2ТЭ25К, а также реализующие ее программы внедрены а учебный процесс БГТУ и используются на кафедре «Локомотивы» и «Автоматизированный электропривод» при курсовом и дипломном проектировании.
Апробация работы. Диссертационная работа обсуждалась на расширенном заседании кафедры «Локомотивы» и научных семинарах кафедр «Автоматизированный электропривод» и «Прикладная механика» БГТУ в 2006 году. Основные результаты диссертационной работы и ее отдельные разделы докладывались на 57-й Научной конференции профессорско-преподавательского состава БГТУ (2005г.), XV Международной научно-технической конференции "Проблемы развития рельсового транспорта" (Крым, 2005 г.), LXVI Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (Днепропетровск, ДИИТ, 200бг).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано б печатных работ, в том числе одна в рецензируемом журнале, входящем в перечень ВАК. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы, включающего 133 наименования, и приложения. Содержит 125 страниц основного текста, включая 52 рисунка, 4 таблицы.
Пути повышения тяговых свойств тепловозов
Отличительной чертой тягового электропривода является наличие контакта "колесо-рельс", именно в этом месте происходит преобразование энергии вращения колесной пары в энергию поступательного движения локомотива. Этот процесс является следствием взаимодействия поверхности рельса и бандажа колесной пары. Результат взаимодействия колеса и рельса характеризуется коэффициентом сцепления v/. Процессы, происходящие в контакте колесо-рельс очень сложны и для их объяснения и математического представления выдвинуто множество гипотез [15, 31, 32, 61, 62, 63, 64, 49, 21, 65, 66]. На процесс сцепления оказывают влияние как детерминированные, так и случайные явления. Экспериментальными исследованиями установлено, что коэффициент сцепления зависит от скорости движения локомотива и скорости проскальзывания колес относительно рельсов. Вопросы взаимодействия колеса и рельса и изменения коэффициента сцепления подробно освещены в работах И. П. Исаева [15, 16], Д.К. Минова [21], А.Л. Голубенко [28,29]. Коэффициент сцепления ці устанавливает связь между силой сцепления FK, обеспечивающей перемещение экипажа по рельсам при приложении вращающего момента от ТЭД, и сцепным весом (силой вертикального нажатия) колеса на рельс П
В отечественной литературе принято использовать для расчетов нелинейную экспериментальную зависимость коэффициента ц/ от скорости проскальзывания колеса относительно рельса vCK, называемую характеристикой сцепления y/=f(vcy) [24,67].
Для удобства использования характеристику сцепления часто представляют в относительных единицах к = f (vCK %), где к = ц//щ относительный коэффициент сцепления, vCKo/o=—xlOO% -относительная скорость проскальзывания в процентах от поступательной скорости локомотива УЛ. Вид характеристики сцепления к =f(vCKi %) при ул = 50 км/ч представлен на рис. 1.2. На кривой можно выделить четыре участка: восходящий, в котором в свою очередь выделяют начальный (ОА); собственно восходящий (АВ); промежуточный (ВС), в пределах которого коэффициент сцепления снижается до ц/с у/0, и падающий. Аналитическое представление ветвей характеристики сцепления, согласно [21] при изменении ул в м/с, a vCK в процентах имеет вид
Первые два участка соответствуют упругому скольжению. При vCK VCKC скольжение становится избыточным, а функциональная зависимость определяется падающим участком характеристики сцепления.
Коэффициент сцепления является определяющим понятием при рассмотрении тяговых свойств тепловозов. На значение коэффициента сцепления оказывают влияние многие случайные и регулярные факторы, проявляющиеся при движении, которые можно свести к трем основным группам [21]:
1) конструкция и состояние механической части локомотива (конструкция тележек, расположение оборудования, подвеска тяговых двигателей, жесткость тяговой передачи, конструкция пути);
2) электрическая схема и состояние электрооборудования (возможность быстрого и точного регулирования тягового усилия, жесткость тяговой характеристики, возможность компенсации влияния расхождения скоростных характеристик и диаметров кругов катания колес на отклонения в силах тяги колесных пар);
3) метеорологические условия, состояние поверхности рельсов и бандажей (снижение коэффициента сцепления при неблагоприятных погодных условиях (дождь, снег, гололед), при загрязнении поверхности рельсов и колес, при износе бандажей и рельсов).
В эксплуатационных условиях коэффициент сцепления является величиной случайной, имеющей статистический разброс ± 50% от среднего значения [15]. В связи с этим принято использовать потенциальный - максимально возможный в данных условиях ц/0 и расчетный ц/ коэффициенты сцепления. Улучшение тяговых свойств тепловозов, в конечном счете, заключается в приближении величины VJ/ к ц/0.
Три отмеченные группы факторов, оказывающих влияние на величину коэффициента vj/, определяют три направления его повышения, т.е. повышения тяговых свойств локомотива:
1) совершенствование механической части привода;
2) совершенствование электрической части привода;
3) улучшение условий сцепления колес с рельсами.
В [21] Д.К. Минов сформулировал ряд конструктивных и эксплуатационных мероприятий, повышающих тяговые свойства локомотива. Основными требованиями к конструкции механической части локомотива являются: тележки - двухосные, бесшкворневые; подвешивание -ступенчатое (желательно без применения листовых рессор) с установкой гасителей колебаний; буксы - бесчелюстные; связь тележек с кузовом - через наклонные тяги; упругая связь редуктора с каждой колесной парой; обладающая демпфирующими свойствами; желательно применение группового редуктора на каждую тележку.
Отмечено также, что для повышения тяговых свойств локомотива необходимо поддерживать рельсовый путь в хорошем состоянии. Желательно иметь бесстыковой путь, а стыковой - с увеличенной длиной рельсового звена.
Суммарный допуск на расхождение скоростных характеристик двигателей не должен превышать к„ф = ±2,5%.
Кроме этого в [21] подчеркивается, что необходимо иметь:
1) электрическую схему, препятствующую развитию буксования и способствующую его затуханию при устранении вызвавшей его причины (превентивная противобуксовочная схема);
2) тяговый привод с широкими пределами регулирования скорости локомотива, обеспечивающий использование кинетической энергии поезда для прохождения трудных участков пути небольшой длины;
3) устройства для повышения значения коэффициента сцепления \/о и восстановления его нормального значения на загрязненных рельсах;
4) в случае недостаточной эффективности превентивной противо-буксовочной схемы - автоматически действующее устройство, прекращающее за 1-2 с избыточное буксование колес и восстанавливающее первоначальное значение силы тяги.
При соблюдении всех условий, рассмотренных выше, можно обеспечить значение к (рис. 1.2) в диапазоне 0,95-0,93 при \j/0 = 0,3.
Для повышения тяговых свойств в [68, 69] предлагается автоматическое поосное регулирование силы тяги с контролем сцепления. Предложен автоматический стабилизатор сцепления, работа которого основана на воздействии на соотношение силы тяги и силы сцепления путем регулирования магнитного потока ТЭД и в конечном итоге жесткости тяговой характеристики привода. Стабилизация сцепления осуществляется под контролем блока управления, вырабатывающего команду на снижение силы тяги при возникновении избыточного скольжения.
На основе положений [21] В.Д.Тулупов [35] обосновывает необходимость автоматизации регулирования силы тяги для повышения тяговых качеств локомотива, подчеркивая, что в случае параметрического управления повышение жесткости тяговых характеристик привода не может дать приемлемых результатов.
Сравнение процессов буксования приводов с различными типами тяговых двигателей при использовании жесткости естественных механических характеристик двигателей
Для различных ТЭП с двигателями постоянного и переменного тока, анализируя на основе моделирования динамические процессы при буксовании, можно оценить влияние формы характеристик двигателей на развитие буксования [108 109]. Естественные механические характеристики электродвигателей всех типов обладают той или иной степенью жесткости, и желательно эту жесткость использовать для защиты от буксования. Чтобы сравнить динамические процессы буксования при работе двигателей по естественным характеристикам, применим законы регулирования, обеспечивающие при буксовании постоянство напряжения для ДПТ, а для АТД - постоянство напряжения и частоты. Этого можно достичь введя в систему обратную связь не по скорости ротора ТЭД, а по скорости локомотива, обладающего высокой инерционностью. Если напряжение вычисляется по скорости локомотива, то оно меняется относительно медленно и его можно принять практически постоянным за время развития буксования.
Например, классический закон управления Ui/fi=const (Ui-амплитуда напряжения АД, fr частота напряжения АД) в АТП с АИН позволяет при ведении частоты напряжения АД по скорости поезда (приведенной к валу двигателя) использовать естественную жесткость механических характеристик АД (рис. 2.11). Здесь моделируется ухудшение условий сцепления путем снижения потенциального коэффициента сцепления % до 0,2. Из графиков видно, что при увеличении скорости ротора, благодаря жесткости характеристик АД, электромагнитный момент двигателя снижается и сцепление восстанавливается, но наблюдаются периодические колебания электромагнитного момента и скорости.
В электроприводах с ДПТ независимого возбуждения при срыве сцепления и изменении напряжения питания в процессе пуска пропорционально скорости поезда наблюдаются периодические колебания (рис. 2.12, Ч о снижается до 0,2 после 4 с) аналогичные колебаниям в тяговых приводах с АТД.
При использовании двигателей последовательного возбуждения развитие процессов буксования зависит от жесткости участка электромеханической характеристики, на котором в момент аварии работает двигатель: в режиме насыщения могут возникнуть колебания как у двигателя независимого возбуждения; в режимах с меньшими токами, где насыщение отсутствует, буксование может переходить в разносное (рис.2.12, % снижается до 0,2 после 8 с).
При моделировании АТД используются параметры двигателя ДАТ305, при расчете ДПТ - параметры двигателя ЭД118А (параметры и характеристики моделируемых тяговых двигателей приведены в приложении, табл. П1, П2, рис. ПІ, П2). Для моделирования двигателя независимого возбуждения магнитный поток двигателя ЭД118А принимался постоянным и равным номинальному, в якорную цепь включалась постоянная индуктивность.
На основе проведенного анализа можно сделать следующие выводы.
1. Для ДПТ независимого возбуждения и асинхронных двигателей стабилизация напряжения при срыве сцепления позволяет избежать разносного буксования, но возникают колебания момента и тока двигателей с частотой 4 - 7 Гц. У ДПТ последовательного возбуждения при работе с малым насыщением магнитной цепи возможно разносное буксование.
2. Задачей любой системы управления тяговым электроприводом при пуске в нормальном режиме является обеспечение постоянства заданного пускового момента, то есть формирование идеально мягкой тяговой характеристики. Но в режиме буксования для подавления избыточного скольжения колесных пар тяговая характеристика должна быть жесткой. При срыве сцепления для предотвращения разносного буксования целесообразно в системах управления, где это позволяет структура системы, предусмотреть ис 55
пользование естественной жесткости механических характеристик, которой в той или иной мере обладает любой двигатель, путем автоматической стабилизации подводимого к двигателю напряжения.
3. В системах электропривода, где естественная жесткость механических характеристик двигателя недостаточна для подавления разносного буксования или приводит к значительным колебаниям силы тяги и скорости, целесообразно применять автоматическую коррекцию питающего двигатели напряжения [108, 109,110, 127].
4. Повышение жесткости механических характеристик с использованием методов автоматического регулирования требуется, прежде всего, ДПТ последовательного возбуждения, так как у них стабилизация напряжения не предотвращает разносного буксования. Для анализа работы системы регулирования с учетом динамического перераспределения осевых нагрузок необходима электромеханическая модель тепловоза.
Моделирование системы управления тяговыми двигателями в режиме буксования
В нормальных режимах движения тепловоза угол управления тиристорами выпрямителей а=0 (тиристоры работают как диоды), и формирование питающего двигатели напряжения осуществляется в контуре регулирования генератора (по кривым вида рис. 3.5). При нормальных условиях сцепления напряжение UdB, вычисленное в соответствии с (3.3), подается непосредственно на инерционное звено первого порядка, включенное перед каждым двигателем и учитывающее динамические процессы в выпрямителе, и далее -на тяговые двигатели. Следовательно, напряжение Udn, идущее на двигатель в нормальном режиме где Тв - постоянная времени выпрямителя.
При буксовании, когда скорость скольжения колес станет выше заданного порогового значения срабатывания защиты, включается контур регулирования напряжения выпрямителя. Система регулирования строится по традиционному принципу обратной связи.
Общий вид замкнутой системы регулирования, построенной по принципу обратной связи [114,115], приведен на рис. 3.7.
Системы с обратной связью или, что то же самое, системы, работающие по принципу отклонения, являются основным видом замкнутых систем автоматизированного электропривода. Их характерным признаком служит подача на вход электропривода ЭП (рис. 3.7) сигнала обратной связи К0.с, пропорционального выходной величине Хвых. Этот сигнал сравнивается с задающим сигналом Х3, и результирующий сигнал X (сигнал рассогласования) является входным управляющим сигналом электропривода [117]. Если производится регулирование нескольких координат электропривода, то в системе используется соответствующее число обратных связей. Обратные связи могут быть линейными (описываемые линейными уравнениями) и нелинейными.
При регулировании двух или нескольких координат электропривода применяются две основные структурные схемы систем управления: схема с общим усилителем и схема с подчиненным регулированием координат. В качестве примера на рис. 3.8 приведена схема с общим усилителем и нелинейными обратными связями.
Основным принципом данной схемы является применение общего усилителя, на который подается алгебраическая сумма сигнала задающего Х3 и обратных связей по всем координатам ХосЬ Хох2, Хохз. Достоинство схемы заключается в ее простоте, недостаток - невозможность регулирования координат независимо друг от друга и, как следствие этого, трудность достижения оптимального регулирования одновременно всех координат. В современных электроприводах для таких схем применяется модальное регулирование [119,93].
Отличительной особенностью систем подчиненного регулирования координат является равенство (соответствие) количества усилителей и замкнутых контуров числу регулируемых координат. При этом замкнутые контуры располагаются так, что выходной сигнал внешнего контура является входным (задающим) сигналом внутреннего контура. Тем самым каждый внутренний контур оказывается подчиненным внешнему контуру, откуда и произошло название данных систем.
Названные схемы управления с модальными и подчиненными регулированием координат электропривода довольно легко синтезируются для линейных объектов управления с заранее известными параметрами. При изменении параметров нарушаются условия оптимизации, заложенные при синтезе соответствующих регуляторов, и динамические показатели электропривода ухудшаются. Особенно чувствителен к изменениям параметров способ подчиненного регулирования, который основывается на принципе компенсаций больших постоянных времени. Для сохранения показателей качества электропривода в условиях изменяемости его параметров возникает задача адаптации, т.е. приспосабливаемости к данным условиям. Эта задача решается автоматическим путем - изменением параметров регуляторов, а также формированием дополнительных воздействий к действиям регуляторов.
Характерной особенностью тяговых приводов является изменение момента инерции и нелинейное (со стохастическим разбросом) изменение момента сопротивления при буксовании, что усложняет синтез систем регулирования. В связи с этим в современных ТЭП с асинхронными двигателями применяется скользящий режим управления и построение систем управления на основе методов нечеткой логики [92].
Для магистрального тепловоза 2ТЭ25К моделируется система регулирования тяговых двигателей при буксовании, построенная по принципу аналогичному рис. 3.8. Кроме отработки сигнала рассогласования по скорости используется дополнительная коррекция по ускорению. При увеличении скорости проскальзывания колес выше заданного порогового значения срабатывает защита от буксования и напряжение UJB, подаваемое на звено (3.4), учитывающее инерционность выпрямителя и подводимое далее к буксующему двигателю, регулируется по закону (3.5) [50] UdB = UdoB -kIb-A V- k2b -аю (3.5) где UdB - задание на напряжение на буксующем двигателе; UdoB - задание напряжения на буксующем двигателе в момент, предшествующий буксованию; к/ь - коэффициент усиления по разности скоростей; AV= VK - Vn - разность между линейной скоростью обода колеса буксующей оси (VJ и скоростью локомотива (Vn); аК - ускорение обода колеса буксующей оси; к2ь - коэффициент усиления по ускорению.
Исследовался также вариант управления, когда в формулу (3.5) вместо величины UdoB подставлялось напряжение UdB, вычисленное по выражению (3.3). Коэффициенты кіь и к2ь, нелинейно зависящие от AVCK и аК, задаются таблично с интерполяцией промежуточных значений, их величина подбирается при моделировании.
Следует отметить, что моделирование тиристорного выпрямителя инерционным звеном первого порядка (3.4) является традиционным [90], но весьма приближенным. Тиристорный преобразователь (ТП) в динамических режимах представляет собой сложную нелинейную импульсную систему [93] с изменяющимся интервалом дискретности Т (рис 3.9).
При возрастании а величина Т увеличивается, а при снижении а -уменьшается. Однако при замене реальной выпрямленной ЭДС преобразователя e/t) на усредненные на интервалах Тп величины е /ср, можно представить Тп линейным импульсным звеном с переменной во с неизменным периодом дискретности Т = Тп. Сформированный таким образом импульс еп [пТп ] вносит в динамике некоторую неточность Aedcp, которая тем меньше, чем меньше диапазон изменения угла открывания а. В установившемся режиме Де ср=0.
Моделирование режимов движения в зоне ограничения по току при использовании тележек различной конструкции
Движение локомотива в зависимости от величины тока и напряжения тягового генератора возможно в трех зонах (рис. 4.8): 1 - ограничения по напряжению, 2 - постоянства мощности; 3 - ограничение по току. В зоне 1 токи и электромагнитные моменты тяговых двигателей, а значит тяговые усилия и вероятность буксования, невысоки. Кроме того, в этой зоне грузовые тепловозы работают относительно редко. В большинстве случаев, при движении тепловоза, реализуются токи и напряжения согласно участку 2 (постоянство мощности), однако в процессе разгона при реализации максимальной силы тяги тепловоз работает в зоне 3 (ограничения по току). Такой режим является наиболее тяжелым для тягового электропривода, поскольку в этом случае реализуются максимальные электрические и механические нагрузки. В то же время данный режим позволяет максимально быстро разогнать состав.
Для оценки тяговых свойств тепловозов с различной конструкцией ходовой части будем применять коэффициент использования сцепного веса локомотива т] [21]: где Рсц - сцепной вес локомотива (справочные данные), FMaKC - наибольшая сила тяги, которую может реализовать локомотив без буксования осей (до срабатывания системы поосного регулирования) либо средняя сила тяги, которую реализует локомотив при работающей системе поосного регулирования. Значение FMaKC определяется при моделировании.
Величину г), рассчитанную таким образом, можно назвать также коэффициентом использования потенциальных условий сцепления.
В качестве иллюстрации работы системы поосного регулирования, рассмотрим результаты расчета разгона одной секции локомотива 2ТЭ25К с применением тележек типа 2 и составом 3000 т с начальной скорости 1 м/с. Представлены основные результаты моделирования на участке движения, где реализуется наибольшая сила тяги, и начинается буксование первой оси. Как показано на рис. 4.9, а, линейная скорость точки на ободе колеса регулируемой оси возрастает при буксовании на 0,13 м/с, что в относительный единицах составляет около 8% от скорости состава (рис. 4.9, б). Видим, что на самой разгруженной оси (первой) происходит регулирование силы тяги (рис. 4.9, в) путем снижения напряжения на первом тяговом двигателе (рис. 4.9, г), при этом соответственно падает его электромагнитный момент (рис. 4.9, д). v,Mc
Для оценки влияния конструкции тележек на тяговые качества было выполнено сравнение работы тепловоза с различными типами тележек в одних и тех же режимах движения. Рассмотрим в качестве примера разгон секции тепловоза 2ТЭ25К с составом 4000 т и тележками типа 3 при выводе позиций КМ с 1 по 15. Начальная скорость 1м/с, щ = 0,32. Моделирование в этом и последующих опытах производилось на ровном горизонтальном участке. На рис. 4.10-4.12 приведены графики процесса движения. Из графиков видно, что буксования колесных пар не наблюдается, следовательно, участие системы поосного регулирования в формировании силы тяги не требуется. При повторении данного режима с варьируемым щ (до срыва сцепления первой оси) был получен коэффициент использования сцепного веса т]= 0,935.
При разгоне в тех же условиях тепловоза с тележками типа 2, из-за большей разницы вертикальных нагрузок по осям в режиме близком к максимуму силы тяги по сцеплению начинают буксовать наиболее разгруженные оси - первая и четвертая (рис. 4.13, а). Система поосного регулирования перераспределяет мощность и догружает остальные колесные пары, кроме этого, из-за регулирования тягового момента буксующих осей возникают колебания вертикальных нагрузок (рис. 4.13, б), и небуксующие колесные пары последовательно достигают предела по сцеплению. В результате начинают регулироваться все колесные пары, что обуславливает снижение общей силы тяги более чем на 20 % (рис. 4.13, в).
Это наиболее сложный с точки зрения регулирования режим. Здесь уже не остается небуксующих осей, которые можно было бы «догрузить», избежав существенного снижения силы тяги, - все оси регулируются, реализуя динамически изменяющийся коэффициент сцепления. Для наглядности на рис. 4.14 представлен коэффициент сцепления реализуемый левым колесом первой оси тепловоза при регулировании всех осей (рис. 4. 14).
В таком режиме тяговые свойства тепловоза при заданных параметрах двигателя и механической передачи определяются, прежде всего, крутизной падающего участка характеристики сцепления, настройкой коэффициентов нелинейных регуляторов (3.5), порогом срабатывания защиты и быстродействием системы управления.
Очевидно, что задача системы управления - удержаться как можно ближе к максимуму коэффициента сцепления (рис. 4.14) и получить максимально возможную для данных потенциальных условий силу тяги, - максимальный коэффициент использования потенциальных условий сцепления в идеале был бы равен 1. Однако численные эксперименты показывают, что это невозможно даже для кривой сцепления без падающего участка (вида рис. 3.16, для влажных рельсов), так как работа системы управления, вызывающая изменение электромагнитных моментов двигателей, приводит не только к снижению скорости скольжения, но и к колебаниям вертикальных нагрузок колес.
При наличии в кривой сцепления падающего участка это тем более недостижимо из-за электромагнитной и механической инерции элементов системы тягового электропривода (двигателя, колесных пар, фильтров системы управления и.т.д.). Инерционность аналоговых элементов можно скомпенсировать на основе форсирования двигателя с использованием методов теории автоматического управления. Но дискретные элементы электрической части ТЭП, такие как выпрямитель, датчики скорости выдают сигналы, неизменные в пределах интервала дискретности.
Минимальное значение постоянной времени выпрямителя Тв (3.4) можно приближенно принять равным периоду проводимости (3.6), для тепловоза 2ТЭ25К Тп 0,002 с. Однако, чтобы учесть задержку сигналов датчиков скорости, составляющую, как минимум, 0,01 с [50], при моделировании было принято Тв = 0,012 с. Для такого значения Тп при регулировании всех осей тепловоза 2ТЭ25К в диапазоне поступательных скоростей движения 1 15 км/ч не удается получить коэффициент использования потенциальных условий сцепления TJ более 0,8 для всех типов тележек.
На основе расчета режима разгона с тележками типа 2 при варьировании \/0 можно констатировать, что для реализации примерно такой же средней величины силы тяги, как с тележками типа 3, нужно иметь потенциальный коэффициент сцепления i]/0 = 0,34 (рис. 4.15, а). Однако и при таком коэффициенте наблюдается буксование части осей. Первая и четвертая оси имеют избыточные скорости проскальзывания (рис. 4.15, б), поэтому величина напряжения, подаваемого на двигатели соответствующих осей, снижается, как показано на рис.4.14, в. Колебания вертикальных нагрузок при регулировании двух осей значительно меньше, чем в предыдущем примере (рис. 4.15, г), электромагнитные моменты двигателей приведены на рис. 4.15, д. Коэффициент использования потенциальных условий сцепления г/, благодаря работе системы поосного регулирования для двух буксующих осей и догружения небуксующих, приближается в данном опыте к 0,87. Коэффициент использования сцепного веса, получаемый при моделировании с варьируемым 1/0 без системы поосного регулирования для тележек типа 2 составляет 0,85.
