close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Оценка тяговых качеств тепловозов с электропередачей с учетом воздействия электрического тока на зоны контакта колес с рельсами.

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ПЕТРАКОВ Дмитрий Иванович
ОЦЕНКА ТЯГОВЫХ КАЧЕСТВ ТЕПЛОВОЗОВ С
ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧЕЙ С УЧЕТОМ ВОЗДЕЙСТВИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА ЗОНЫ КОНТАКТА КОЛЕС С
РЕЛЬСАМИ
05.22.07 – Подвижной состав железных дорог, тяга поездов
и электрификация
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Брянск - 2013
2
Работа выполнена на кафедре «Подвижной состав железных дорог»
ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет».
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Кобищанов В.В. – директор учебно-научного
института транспорта ФГБОУ ВПО «Брянский
государственный технический университет»
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Тихомиров В.П. – заведующий кафедрой «Детали
машин» ФГБОУ ВПО «Брянский государственный
технический университет»
кандидат технических наук, доцент
Чучин А.А. – доцент кафедры «Электрическая
тяга» МГУПС «Московский университет путей
сообщения»
Ведущая организация – ОАО «Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава» (Коломна).
Защита состоится 21 мая 2013 г. в 14 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.021.02 Брянского государственного технического
университета по адресу: 241035, г.Брянск, бульвар 50-летия Октября, 7, конференц-зал учебного корпуса №4.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО
«Брянский государственный технический университет».
Автореферат разослан «_____» апреля 2013 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
кандидат технических наук
С.Л. Эманов
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Стремление к увеличению провозной и пропускной способности железных дорог неизменно ведет к росту скорости движения и массы поездов, а, следовательно, секционной мощности локомотивов.
Связанное с этим увеличение ускоряющих, замедляющих и направляющих
сил, передаваемых через пару трения «колесо-рельс», обусловило ужесточение требований к ее фрикционным свойствам. При этом главным ограничивающим фактором является коэффициент сцепления, изменяющийся в зависимости от условий контакта в диапазоне 0,1…0,5.
Стабилизация коэффициента сцепления на Российских и зарубежных
железных дорогах осуществляется подачей в зону контакта колес с рельсами
кварцевого песка, который наряду с обеспечением требуемого значения коэффициента сцепления 0,3 (за исключением случаев эксплуатации подвижного состава в экстремальных погодных условиях) способствует повышению
износа рабочих поверхностей колес и рельсов, повышению сопротивления
движению состава и засорению балластного покрытия пути.
Следствием этого явилось включение в программу стратегических
направлений научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» указаний о разработке способов увеличения коэффициента сцепления
до значения 0,3 и улучшения тяговых свойств локомотивов на 20…30% без
увеличения нагрузки на оси колесных пар к 2015 г, что подчеркивает актуальность темы диссертационной работы.
Диссертационные исследования поддержаны государственным Фондом
содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере
по госконтракту №8688 р/14017 от 14.01.2011 г.
Цель работы. Исследование тяговых качеств тепловозов с электропередачей, направленное на установление закономерностей повышения коэффициента сцепления при воздействии электрическим током на зоны контакта
колес с рельсами.
Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели
необходимо решить следующие задачи:
разработать и создать натурный экспериментальный стенд для исследования тяговых качеств локомотивов;
определить количественные показатели коэффициента сцепления колес
локомотива с рельсами при воздействии на зоны их контакта постоянным,
переменным и выпрямленными электрическими токами и при различном состоянии контактирующих поверхностей по степени загрязнения;
определить качественные показатели силы тяги тепловоза с электропередачей при подаче в зоны контакта колес с рельсами тока тягового генератора;
сформулировать основные технические требования к системе повышения тяговых качеств тепловозов, предложить вариант системы, основанный на
подаче тока тягового генератора тепловоза в зоны контакта колес с рельсами.
4
Методы исследований. Экспериментальные испытания проводились с
использованием современных средств контроля и обработки данных на
ПЭВМ. Обработка результатов экспериментов велась с использованием известных общепризнанных методик, базирующихся на современном аппарате
математической статистики, математических методах обработки экспериментальных данных, теории планирования экспериментов. Теоретические исследования базировались на двух теориях расчета сил крипа: моделях Минова и
FastSim.
На защиту диссертации вынесены следующие основные положения:
обоснование использования разработанного натурного экспериментального стенда для проведения исследований тяговых качеств локомотивов
при воздействии электрическим током на зону контакта колеса с рельсом;
методика получения достоверных математических зависимостей величины коэффициента сцепления от силы тока, проходящего через зону контакта колеса с рельсом, и силы вертикального нагружения колеса;
оценка влияния тока тягового генератора на силу тяги тепловоза с
электропередачей;
анализ результатов компьютерного моделирования процесса трогания с
места и разгона тепловоза с учетом роста коэффициента сцепления, обусловленного воздействием электрическим током.
Научная новизна. Исследования, выполненные в рамках настоящей
диссертации, дали ряд результатов, которые можно отнести к научной новизне работы:
получены математические модели коэффициента сцепления колес локомотива с рельсами при воздействии на зоны их контакта постоянным, переменным и выпрямленными электрическими токами и при различном состоянии контактирующих поверхностей по степени загрязнения;
получены характеристики сил крипа, распределения нормальной
нагрузки по колесным парам и угловых ускорений колесных пар в режиме
трогания с места и разгона тепловоза при росте коэффициента сцепления по
нескольким законам.
Достоверность и обоснованность научных результатов обеспечена:
сравнением полученных результатов с имеющимися в литературе данными;
проверкой разработанной математической модели тепловоза с системой повышения тяговых качеств путем сопоставления результатов, полученных на основании разных моделей расчета сил крипа;
критическим обсуждением результатов работы на научно-технических,
в том числе международных, конференциях.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
разработан и создан научно-исследовательский натурный стенд, позволяющий проводить эксперименты, направленные на изучение процессов
сцепления колеса локомотива с рельсом, и обеспеченный патентной защитой;
5
полученные математические модели коэффициента сцепления позволяют прогнозировать на этапе проектирования тяговые качества локомотивов
при прохождении электрического тока через зоны контакта колес с рельсами;
сформулированные в работе основные технические требования могут
быть полезны при разработке систем повышения тяговых свойств локомотивов, основанных на подаче электрического тока в зоны контакта колес с
рельсами;
оборудование тепловозов с электропередачей системой повышения тяговых качеств, предложенной в работе, позволит значительно увеличить их
эксплуатационную эффективность.
Реализация результатов работы. Проведены натурные испытания
грузового магистрального тепловоза 2ТЭ10У, оборудованного макетной системой повышения тяговых качеств тепловоза, на базе ремонтного локомотивного депо Брянск-Льговский, показавшие эффективность предлагаемой
системы.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и
обсуждались на следующих научных конференциях:
64-я студенческая научная конференция БГТУ 2009;
Международный молодежный форум «Инновации 2010. Современное
состояние и перспективы развития инновационной экономики», Брянск,
2010 г.;
VI международный симпозиум по трибофатике, Республика Беларусь,
Минск, 2010 г.;
III конференция «Энергосбережение и ресурсосберегающие технологии
на железнодорожном транспорте – инвестиции в будущее», Москва, 1 декабря 2010 г.;
Международная конференция молодых ученых Transcom 2011, Словакия, Жилина, 2011 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в
том числе 5 работ в изданиях ВАК и 1 патент РФ на изобретение
RU №2469287.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех
глав, общих выводов, списка использованной литературы из 146 наименований. Работа изложена на 138 страницах машинописного текста, включая 54
рисунков и 25 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение содержит обоснование актуальности и цели работы.
Первая глава включает анализ работ в области исследования сцепных
свойств колеса локомотива с рельсом и способов воздействия на них.
Анализ факторов, оказывающих влияние на коэффициент сцепления,
позволил разделить их на две группы: конструктивные параметры локомотива и пути и фрикционные характеристики пары трения «колесо-рельс». При
6
этом только вторая из них позволяет добиться существенного увеличения тяговых качеств подвижного состава.
Фрикционные характеристики пары трения «колесо-рельс» зависят в
основном от состояния контактирующих поверхностей, которое главным образом определяется наличием промежуточной среды. Среди исследователей,
занимавшихся этой проблемой, наиболее известны Самме Г.В., Исаев И.П.,
Лужнов Ю.М., Черепашенец Р.Г., Барский М.Р., Сердинова И.Н., Попов В.А.,
Седов Г.М., Марков Д.П., Топоров Ю.П., Вербек Г., Коллинз А., Причард К.,
Barwell F.J., Woolacot R.G., Takashige T., Andrews H.J., Ozawa Y. Исследования показали, что в условиях сильно загрязненных рабочих поверхностей колеса и рельса коэффициент сцепления может упасть до значения 0,01 и даже
подсыпка кварцевого песка в зону контакта зачастую оказывается неэффективной.
Вопросом повышения коэффициента сцепления посредством улучшения фрикционных свойств пары трения «колесо-рельс» занимались как отечественные, так и зарубежные ученые и исследовательские коллективы. Среди них можно выделить таких исследователей, как В.П. Андрейченко,
М.В. Астэл-Флетчер, Г.В. Багров, Д.В. Воробьев, В.Е. Гайдуков, И.П. Исаев,
Н.Н. Каменев, С.И. Косиков, Б.Р. Лазаренко, Ю.М. Лужнов, Д. Машер,
Д.К. Минов, В.С. Мицкович, Г.В. Самме, В.П. Тихомиров, Д. Хофман,
Н.С. Цвиркун и др. Результатом их деятельности стало появление большого
числа способов увеличения коэффициента сцепления, посредством воздействия на его молекулярную и механическую составляющую: различные виды
очистки рабочих поверхностей колес и рельсов, воздействие на поверхность
катания высокими энергиями, применение модификаторов трения и др. Некоторые из предложенных способов показали достаточную эффективность,
но большая стоимость и сложность конструкции сделали их внедрение на
подвижном составе нецелесообразным.
Лабораторные исследования показали возможность существенного
увеличения коэффициента сцепления колеса локомотива с рельсом путем
воздействия электрическим током на зону контакта, однако, в силу их ограниченности вопрос остается открытым.
Также нельзя не отметить вклад ученых, не занимавшихся непосредственно проблемой сцепления колес с рельсами, но работы которых оказали
существенное влияние на ход ее развития. В их число входят трибологи:
Н.А. Буше, И.Г. Горячева, Б.В. Дерягин, И.В. Крагельский, Э.В. Рыжов,
А.В. Чичинадзе и др.
Во второй главе приводится описание разработанного и созданного на
кафедре «Подвижной состав железных дорог» ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет» натурного экспериментального
стенда для исследования тяговых свойств подвижного состава (рис. 1), который позволяет в лабораторных условиях с большой точностью воссоздать
процесс взаимодействия колеса локомотива с рельсом.
7
Стенд включает в
10 себя механическую часть,
состоящую из пары тре12 ния «колесо-рельс» 1, 2,
7
15 двух челюстных буксовых узлов, тягового при11
8 вода 3, 4, 5, главной рамы
6, элементов крепления
2 системы вертикального
3
14 нагружения 7, устройства
для закрепления образца
4
8,
бокового
1 рельса
нажимного устройства 9
5
16 и нагружающего устройства 10, создающего
9 нагрузку 15 т, и электри13
ческую, в которую входит измерительная сиРис. 1. Общий вид стенда
стема 11, 12, тяговый
электродвигатель 13 с системой управления 14, а также система подачи электрического тока в зону контакта, состоящую из источника тока 15 и скользящего контакта 16 на оси колеса. Кроме того, стенд оснащен системой формирования рабочей поверхности колеса (на рисунке не показана).
В третьей главе рассмотрены вопросы планирования, проведения и
анализа экспериментальных исследований по влиянию силы и формы электрического тока, а также степени загрязнения рабочих поверхностей колеса
локомотива и рельса на величину коэффициента сцепления, проведенных на
натурном стенде, а также результаты натурных испытаний тепловоза с электропередачей, оборудованного макетной системой повышения тяговых
свойств.
Исследования проводились при подаче в зону контакта колеса и рельса
четырех видов электрического тока: постоянного, переменного, выпрямленного однополупериодного и выпрямленного двухполупериодного, - в условиях чистых и сухих рабочих поверхностей, с добавлением в зону контакта
воды, машинного масла и их комбинации. В общей сложности проведено 16
циклов экспериментов, каждый из которых выполнен согласно рототабельному плану второго порядка.
Для обеспечения необходимой достоверности результатов испытаний на
экспериментальном стенде диапазоны варьирования внешних факторов, оказывающих влияние на тяговые качества локомотивов, были выбраны в соответствии с их рабочими характеристиками и техническими возможностями.
Диапазон значений вертикального нагружающего усилия Fв принят в соответствии с анализом нагрузок на ось тепловозов, находящихся в эксплуатации на
отечественных железных дорогах, в соответствии с которым нагрузка на ось
6
8
варьируется от 170 кН (17 тс) для тепловоза ТГМ6 до 230 кН (23 тс) для
ТЭ10. Для одного колеса нагрузка составила 85 кН ≤ Fв ≤ 115 кН. Границы
диапазона значений силы электрического тока I выбраны на основании анализа рабочих характеристик современных тяговых генераторов и зависимостей токов тяговых генераторов от скорости движения тепловозов, используемых на железнодорожном транспорте России, и составили 600 А ≤ I ≤ 3000 А
на колесо.
В ходе эксперимента фиксировалась касательная сила тяги на ободе
колеса, прямо пропорциональная коэффициенту сцепления (рис. 2).
Рис. 2. Осциллограмма одного цикла экспериментов на натурном стенде по
воздействию переменного электрического тока на коэффициент сцепления
при наличии машинного масла и воды на рабочей поверхности рельса
После определения значений коэффициентов регрессии, их значимости, перехода от кодированных величин к именованным, - получены
уравнения, характеризующие рассмотренные процессы (табл. 1). На
основании полученных математических моделей построены поверхности
отклика (рис. 3).
Анализ осциллограмм и зависимостей предельного коэффициента
сцепления ψ0 от силы тока I и силы вертикального нагружения Fв,
построенных на основании уравнений регрессии показал следующее.
1. Независимо от формы электрического тока I, подаваемого в зону контакта колеса локомотива и рельса, его увеличение приводит к росту предельного коэффициента сцепления ψ0.
2. Увеличение силы вертикального нагружения Fв приводит к снижению
коэффициента сцепления ψ0, составляющему 3…7 % в диапазоне изменения
силы вертикального нагружения колеса от 85 до 115 кН.
9
Таблица 1
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Результаты экспериментов на натурном стенде
Состояние контакта
колеса с рельсом, форМатематическая модель
ма электрического тока
Постоянный ток, маψ 0 = 0,1765 − 7,13 ⋅10 −6 ⋅ FB + 1,62 ⋅ 10 −5 ⋅ I + 1,09 ⋅ 10 −8 ⋅ I 2
шинное масло
Постоянный ток, маψ 0 = 0,177 − 7,13 ⋅ 10 −6 ⋅ FB + 1,62 ⋅ 10 −6 ⋅ I + 1,09 ⋅ 10 −8 ⋅ I 2
шинное масло и вода
Постоянный ток,
ψ 0 = 0,365 − 8,93 ⋅ 10 −6 ⋅ FB + 2,36 ⋅ 10 −5 ⋅ I + 1,29 ⋅ 10 −8 ⋅ I 2
вода
Постоянный ток, чиψ 0 = 0,49 − 1,11 ⋅ 10 −5 ⋅ FB + 2,82 ⋅ 10 −5 ⋅ I + 1,47 ⋅ 10 −8 ⋅ I 2
стый сухой контакт
Переменный ток, маψ 0 = 0,174 − 6,87 ⋅ 10 −6 ⋅ FB + 1,62 ⋅ 10 −5 ⋅ I + 1,05 ⋅ 10 −8 ⋅ I 2
шинное масло
Переменный ток, маψ 0 = 0,266 − 6,33 ⋅ 10 −6 ⋅ FB + 1,17 ⋅ 10 −5 ⋅ I + 1,05 ⋅ 10 −8 ⋅ I 2
шинное масло и вода
Переменный ток,
ψ 0 = 0,362 − 8,33 ⋅ 10 −6 ⋅ FB + 1,37 ⋅ 10 −5 ⋅ I + 1,43 ⋅ 10 −8 ⋅ I 2
вода
Переменный ток, чиψ 0 = 0,462 − 8,67 ⋅ 10 −6 ⋅ FB + 2,56 ⋅ 10 −5 ⋅ I + 1,44 ⋅ 10 −8 ⋅ I 2
стый сухой контакт
Однополупериодный
ψ 0 = 0,177 − 6,27 ⋅ 10 −6 ⋅ FB + 1,67 ⋅ 10 −5 ⋅ I + 1,06 ⋅ 10 −8 ⋅ I 2
ток, машинное масло
Однополупериодный,
ψ 0 = 0,264 − 6,2 ⋅ 10 −6 ⋅ FB + 8,67 ⋅ 10 −6 ⋅ I + 5,9 ⋅ 10 −9 ⋅ I 2
машинное масло и вода
Однополупериодный
ψ 0 = 0,346 − 6,67 ⋅ 10 −6 ⋅ FB + 1,62 ⋅ 10 −5 ⋅ I + 1,06 ⋅ 10 −8 ⋅ I 2
ток, вода
Однополупериодный,
ψ 0 = 0,466 − 9,47 ⋅ 10 −6 ⋅ FB + 2,48 ⋅ 10 −5 ⋅ I + 1,32 ⋅ 10 −8 ⋅ I 2
чистый сухой контакт
Двухполупериодный
ψ 0 = 0,191 − 7,4 ⋅ 10 −6 ⋅ FB + 8,33 ⋅ 10 −8 ⋅ I + 1,11 ⋅ 10 −8 ⋅ I 2
ток, машинное масло
Двухполупериодный,
ψ 0 = 0,258 − 5,73 ⋅ 10 −6 ⋅ FB + 5,08 ⋅ 10 −6 ⋅ I + 8,68 ⋅ 10 −9 ⋅ I 2
машинное масло и вода
Двухполупериодный
ψ 0 = 0,363 − 8,47 ⋅ 10 −6 ⋅ FB + 1,83 ⋅ 10 −5 ⋅ I + 1,19 ⋅ 10 −8 ⋅ I 2
ток, вода
Двухполупериодный,
ψ 0 = 0,488 − 1,17 ⋅ 10 −5 ⋅ FB + 2,67 ⋅ 10 −5 ⋅ I + 1,4 ⋅ 10 −8 ⋅ I 2
чистый сухой контакт
3. На коэффициент сцепления ψ0 оказывает влияние состояние контакта
колеса и рельса по степени загрязнения. Так, при наличии в контакте
машинного масла и при подаче в его зону постоянного тока в диапазоне
600…3000 А коэффициент ψ0 увеличивался в среднем от 0,1 до 0,25. Для
переменного тока увеличение ψ0 составило 0,1…0,24, для выпрямленного
двухполупериодного – 0,1…0,22, а для однополупериодного – 0,1…0,21.
При смачивании рабочих поверхнотей колеса и рельса водой с добавлением машинного масла для всех исследуемых видов тока коэффициент
сцепления увеличивался в среднем от 0,2 до 0,3. При наличии воды в
контакте рост ψ0 составляет 0,28…0,45.
10
ψ0
а)
Fв, кН
В случае сухих обезжиренных рельсов
увеличение
коэффициента
сцепления
составило в среднем от 0,38 до 0,57.
Для случая воздействия на зону конI, А
такта постоянным электрическим током поверхности отклика имеют вид, представленный на рис. 3.
Самыми массовыми тепловозами,
находящимися в эксплуатации на железных
дорогах России, являются тепловозы с электропередачей типа ТЭ10 (около 2300 единиц). С целью прогнозирования тяговых
качеств этих локомотивов при прохождении электрического тока через зоны контакта колес с рельсами были построены заI, А
висимости ψ0 = f (I) предельного коэффициента сцепления от силы электрического тока, проходящего через контакт
колеса локомотива с рельсом (рис. 4).
Приведенные графики указывают на
возможное увеличение наибольшей по сцеплению касательной силы тяги тепловозов. Основные результаты вычислений уравнений
регрессии (табл. 1) и силы Fкл для рассматриваемого случая приведены в табл. 2.
Для проверки работоспособности
I, А способа повышения тяговых свойств
тепловоза с электропередачей 2ТЭ10У, последний был оборудоан макетной системой
подачи тока тягового генератора в зону
контакта колеса с рельсом, для чего схема
силовых электрических цепей первой
секции была собрана согласно рис. 5.
Fв, кН
Рис. 3. Зависимости предельного коэффициента сцепления от силы
постоянного тока I и силы вертикального
I, А
нагружения Fв :
а – при наличии в контакте колеса и рельса
машинного масла;
б – при наличии в контакте машинного масла
и воды;
в – при наличии в контакте воды;
г – для сухого и чистого контакта.
Fв, кН
ψ0
б)
Fв, кН
ψ0
ψ0
в)
г)
11
Таблица 2
Результаты расчета прогнозируемых тяговых качеств тепловозо типа ТЭ10
Значение коэффици- ПрогнозиСостояние контакта колеса с рельруемое
ента сцепления ψ0
№
сом, форма электрического тока
увеличение
I = 600 А I = 3000 А
Fкл, %
1 Постоянный ток; машинное масло
0,1
0,24
140
2 Переменный ток; машинное масло
0,1
0,23
130
Выпрямленный двухполуперионый
3
0,1
0,2
100
ток; машинное масло
Выпрямленный однополуперионый
4
0,1
0,18
80
ток; машинное масло
Постоянный ток; вода с добавлени5
0,19
0,29
53
ем машинного масла
Переменный ток; вода с добавлени6
0,19
0,285
50
ем машинного масла
Выпрямленный двухполуперионый
7 ток; вода с добавлением машинного
0,19
0,28
47
масла
Выпрямленный однополуперионый
8 ток; вода с добавлением машинного
0,19
0,275
45
масла
9 Постоянный ток; вода
0,26
0,46
77
10 Переменный ток; вода
0,26
0,45
73
Выпрямленный двухполуперионый
11
0,26
0,43
65
ток; вода
Выпрямленный однополуперионый
0,26
0,42
62
12
ток; вода
13 Постоянный ток; сухой, чистый
0,36
0,58
61
14 Переменный ток; сухой, чистый
0,36
0,57
58
Выпрямленный двухполуперионый
15
0,36
0,56
55
ток; сухой, чистый
Выпрямленный однополуперионый
16
0,36
0,55
53
ток; сухой, чистый
На опытном тепловозе был осуществлен подвод постоянного тока тягового генератора в зоны контакта колес первой колесной пары с рельсами
через элементы колесно-моторного блока.
Для создания необходимого сопротивления движению вторая секция
тепловоза использовалась в качестве тормозной единицы, при этом в ходе
испытаний не только включалась система пневматического торможения, но и
устанавливались башмаки под колеса секции.
Для регистрации силы тяги первой секции тепловоза было разработано
и изготовлено специальное измерительное устройство, помещенное в авто-
12
Рис. 4. Зависимости предельного коэффициента сцепления от
силы тока I при Fв = 115 кН:
1 – постоянный ток;
2 – переменный ток;
3 – двухполупериодный ток;
4 – однополупериодный ток.
сцепки предварительно расцепленных между собой секций. С
измерительного устройства посредством анализатора спектра
сигнал подается на ПЭВМ, где
преобразуется в графическую
информацию с помощью программного комплекса ZETLab.
Испытания проведены в
условиях как отсутствия явных
загрязнений поверхности катания так и при наличии на рабочих поверхностях рельсов машинного масла. В процессе их проведения фиксировалась величина тока генератора и сила тяги тепловоза.
Рис. 5. Электрическая схема силовых цепей опытного тепловоза 2ТЭ10У
13
Испытания показали, что при
воздействии на зоны контакта колес с
рельсами током генератора менее
800 А на колесо увеличения силы тяги тепловоза, а, следовательно, и коэффициента сцепления не наблюдается. При достижении током генератора значения 1000 А на колесо и
выше сила тяги тепловоза выросла на
10…15% в случае отсутствия явных
загрязнений рельсов и 20…25% при
наличии машинного масла на поверхностях катания.
В четвертой главе приведены
результаты математического моделирования процесса трогания с места
тепловоза ТЭ10 с составом массой
3000 т, оборудованного системой повышения тяговых качеств. Моделирование произведено с использованием двух методов подсчета сил крипа:
алгоритма FastSim и метода Минова,
- с целью сравнения полученных результатов.
В результате воссоздания предельных для тепловоза условий смоделирован срыв сцепления (рис. 6).
Моделирование движения состава на основе обеих примененных
моделей контакта (метод Минова и
FastSim) показало близкие результаты, из которых видно, что по мере
роста крутящего момента на роторах
тяговых электродвигателей увеличивалась разгрузка колесных пар первой (по ходу движения) тележки, и по
достижению ею критического значения (по методу FastSim оно составило
9,1 %, по методу Минова – 10,5 % от
изначального значения) произошел
срыв сцепления колесных пар первой
тележки, а затем и остальных осей
тепловоза.
а)
б)
в)
Рис. 6. Результаты моделирования
срыва сцепления тепловоза ТЭ10 с
составом массой 3000 т:
а – продольные силы крипа;
б – вертикальная нагрузка от колес
на рельсы;
в – угловое ускорение вращения
колесных пар.
14
В момент срыва сцепления
первой колесной пары тепловоза
значение ее углового ускорения по
методу FastSim составило 4,15 рад/с2,
по методу Минова – 6,1 рад/с2, после
чего резко увеличилась интенсивность его наростания (рис. 6). При
пересчете угловых ускорений колесных пар тепловоза на линейные
ускорения точки на поверхности катания колеса имеем 0,35 м/с2 и 0,51
м/с2 соответственно, что хорошо соРис. 7. Результаты моделирования
гласуется с эксплуатационными дан- функционирования системы повышеными.
ния тяговых свойств тепловоза
При компьютерном моделировании процесса функционирования системы повышения тяговых свойств
тепловоза в момент времени, соответствующий пределу сцепления колесной
пары, первой сорвавшейся в разнос, увеличивался коэффициент сцепления
колес локомотива с рельсом в соответствии со значениями, полученными в
гл. 3 с 0,25 до 0,4. При этом указанное увеличение в момент включения
системы происходило скачкообразно.
Анализ результатов моделирования показал, что срыва сцепления
удалось избежать, однако на графиках видно (рис. 7), что скачкообразное
увеличение коэффициента сцепления ведет к возник-новению возмущающих
воздействий в тяговом приводе тепловоза, что негативно сказывается на
динамике состава: перераспределению нагрузки по колесным парам,
возникновению дополнительных ускорений на кузове и т.д.
В ходе дальнейшего моделирования определены параметры системы
повышения тяговых качеств тепловоза, при которых наряду с устранением
возможности возникновения боксования колесных пар минимизируются вызванные ее функционированием дополнительные возмущающие воздействия
в тяговом приводе. Таким образом, предлагаемая система должна срабатывать в момент достижения одной из колесных пар локомотива (как правило
первой по ходу движения) значения углового ускорения 3,6 рад/с2 (0,3 м/с2
при пересчете на линейное ускорение точки на ободе колеса), то есть с опережением момента срыва сцепления. При этом темп увеличения коэффициента сцепления должна превышать темп убывания сил крипа (рис. 8).
На основании экспериментальных исследований и математического
моделирования сформулированы основные технические требования к системе повышения тяговых качеств тепловозов с электропередачей, в соответствии с которыми разработана принципиальная схема указанной системы
(рис. 9).
15
а)
б)
Рис. 8. Результаты моделирования срабатывания системы с опережением в
момент достижения угловым ускорением вращения первой колесной пары
значения 3,6 рад/с2: а – продольные силы крипа; б – угловое ускорение
вращения колесных пар.
Рис. 9. Система повышения тяговых свойств тепловозов с электропередачей
Система снабжена блоком управления 1, который обладает функцией
измерения ускорений вращения тяговых электродвигателей 2 посредством
датчиков скорости 3 и фиксирует возникновение и окончание режима боксования колесных пар 4. Коммутирующее устройство 5 по сигналу управления
при срыве сцепления производит отключение прямого электрического соединения тяговых электродвигателей с якорем тягового генератора 6. Цепи
колесных пар тепловоза оборудованы собственными коммутаторами 7, которые по сигналам блока 1 обеспечивают последовательное соединение к цепи
якоря тягового генератора 6 только двух колесных пар, находящихся режиме
боксования. После выхода локомотива из зоны боксования его работа осуществляется по обычной схеме.
16
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Сформулированы основные технические требования и создан натурный
экспериментальный стенд для исследования тяговых качеств локомотивов.
Стенд позволяет проводить исследования тяговых качеств существующих
тепловозов с электропередачей при воздействии постоянным, переменным и
выпрямленными электрическими токами на зоны контакта колес с рельсами
и при различном состоянии контакта по степени загрязнения, что позволило
решить поставленные в настоящей работе задачи.
2. Значение предельного коэффициента сцепления ψ0 зависит от силы
электрического тока I, подаваемого в зону контакта колеса локомотива и
рельса, а также от силы вертикального нагружения колеса Fв. Увеличение I
приводит к существенному росту ψ0. С увеличением Fв происходит небольшое
снижение ψ0, которое достигает 3…7% в диапазоне нагрузок Fв,
соответствующем диапазону нагрузок колес современных локомотивов.
3. Сравнение результатов исследований коэффициента сцепления при
подаче в зону контакта колеса и рельса токов различного вида не выявило
значительного расхождения значений ψ0 в одинаковых условиях по
загрязнению контакта. Так для значения силы электрического тока 3000 А
при наличии на рабочих поверхностях воды с добавлением машинного масла
коэффициент сцепления в среднем увеличивался от 0,2 до 0,3, только воды –
от 0,28 до 0,45, при сухих обезжиренных рабочих поверхностях – от 0,38 до
0,57. Исключение составили эксперименты, проведенные при наличии машинного масла в контакте. Так, при подаче в его зону постоянного тока в
диапазоне 600…3000 А коэффициент ψ0 увеличивался в среднем от 0,1 до 0,25.
Для переменного тока увеличение ψ0 составило 0,1…0,24, для выпрямленного
двухполупериодного – 0,1…0,22, а для выпрямленного однополупериодного
– 0,1…0,21.
4. Получены регрессионные модели предельного коэффициента сцепления локомотива, позволяющие с достаточной степенью точности прогнозировать тяговые качества локомотивов при воздействии электрическим током на зоны контакта их колес с рельсами.
5. Прогнозируемое увеличение касательной силы тяги локомотивов при
подаче электрического тока величиной 3000 А в зоны контакта колес с рельсами составило: при наличии машинного масла в контакте – 100-150 %, при
наличии воды с добавлением машинного масла – 50-60 %, при наличии воды
– 65-80% и для чистого, сухого контакта – 55-65 %.
6. Проведены испытания одной секции тепловоза типа 2ТЭ10У при
воздействии током тягового генератора на контакты передней колесной пары
с рельсами. Результаты испытаний дали основания для проведения дальнейших натурных исследований в области повышения сцепных качеств локомотивов при воздействии электрическим током на зоны контакта колес с рельсами.
17
7. Определены параметры системы повышения тяговых качеств тепловоза, согласно которым предлагаемая система должна срабатывать в момент
достижения одной из колесных пар локомотива значения углового ускорения
3,6 рад/с2 (0,3 м/с2 при пересчете на линейное ускорение точки на ободе колеса).
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
В журналах из списка ВАК:
1. Ивахин, А.И. Моделирование пятна контакта колеса с рельсом в
устройствах для исследования динамических процессов в тяговом приводе
локомотива / А.И. Ивахин, В.И. Травиничев, Д.И. Петраков // Тяжелое машиностроение. – 2012. – №1. – С. 33-36.
2. Ивахин, А.И. Стенд для исследования тяговых свойств в системе колесо-рельс железнодорожных транспортных средств / А.И. Ивахин, В.И. Травиничев, Д.И. Петраков // Тяжелое машиностроение. – 2011. – №4. – С. 2-5.
3. Ивахин, А.И. Управление тяговыми качествами тепловозов с электрической передачей мощности / А.И. Ивахин, Д.И. Петраков // Тяжелое машиностроение. – 2011. – №3. – С. 11-16.
4. Кобищанов, В.В. Исследование влияния электрического тока на
сцепление колеса локомотива с рельсом / В.В. Кобищанов, А.И. Ивахин, Д.И.
Петраков // Мир транспорта и технологических машин. – 2012. – №3(38). –
С. 50-55.
5. Петраков, Д.И. Использование натурных испытательных установок
для исследования тяговых качеств подвижного состава / Д.И. Петраков //
Мир транспорта и технологических машин. – 2011. – №4. – С. 51-55.
Документы на объекты интеллектуальной собственности:
6. Пат. 2469287 Российская федерация. Стенд для исследования взаимодействия колеса с рельсом железнодорожных транспортных средств / А.И.
Ивахин, Е.А. Садовский, В.И. Травиничев, Д.И. Петраков.
Публикации в других изданиях:
7. Ивахин, А.И. Экспериментальный стенд для исследования сцепных
свойств локомотивов / А.И. Ивахин, Д.И. Петраков // Труды VI междунар.
симп. по трибофатике МСТФ 2010, Минск, 25 ок. – 1 нояб. 2010. в 2 ч. Ч.2 –
Минск: БГУ, 2010. – 727 с. – С. 85-87.
8. Петраков, Д.И. Повышение тяговых качеств тепловозов с электрической передачей мощности / Д.И. Петраков, А.И. Ивахин // Инновации 2010.
Современное состояние и перспективы развития инновационной экономики:
материалы междунар. молодежного форума, 21-22 апр. 2010 г., г. Брянск /
под ред. А.В. Матвеева. – Брянск, 2010. – С. 613-617.
9. Петраков, Д.И. Стенд для исследования коэффициента сцепления
колеса локомотива с рельсом / Д.И. Петраков, М.Б. Сафранков // тезисы докладов 64-й студенческой научной конференции БГТУ 2009, 20-25 апр. 2009
г., г. Брянск. – Брянск, 2009. – С. 20-21.
18
10. Петраков, Д.И. Улучшение взаимодействия колеса электроподвижного состава с рельсом / Д.И. Петраков // Энергосбережение и ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте – инвестиции в будущее: сборник докладов конференции, 1 дек. 2010 г., г. Москва. – Моска, 2010.
– С. 70.
11. Petrakov, D. Experimental Bench for Research of Interaction of Wheel
and Rail / D. Petrakov // Transcom 2011: 9-th European conference of young research and scientific workers, June 27-29, 2011, Zilina, Slovak Republic. – Zilina,
2011. – P. 169-172.
19
ПЕТРАКОВ Дмитрий Иванович
ОЦЕНКА ТЯГОВЫХ КАЧЕСТВ ТЕПЛОВОЗОВ С
ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧЕЙ С УЧЕТОМ ВОЗДЕЙСТВИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА ЗОНЫ КОНТАКТА КОЛЕС С
РЕЛЬСАМИ
05.22.07 – Подвижной состав железных дорог, тяга поездов
и электрификация
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Подписано в печать 02.03.13
Офсетная печать.
Формат 60×80 1/16.
Усл. печ. л. 1,1
Бумага офсетная
Тираж 100 экз.
Заказ 214.
Брянский государственный технический университет.
241035, г. Брянск, БГТУ, бульвар 50-летия Октября, 7. Телефон 55-90-49.
Лаборатория оперативной полиграфии БГТУ, ул. Институтская, 16.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа