Системы управления тяговым электроприводом для улучшения сцепных свойств электровоза постоянного тока

Железнодорожный транспорт — важнейшее звено в обеспечении нормального функционирования экономики. Железнодорожный транспорт должен обеспечить своевременное, качественное и полное удовлетворение потребностей промышленности, сельского хозяйства и населения в перевозках грузов и пассажиров с минимальными затратами.

Рост потребностей в перевозках грузов и пассажиров требует решения задач повышения пропускной и провозной способности железных дорог. Основной рост объема перевозок на железных дорогах будет обеспечиваться главным образом за счет увеличения размеров движения и массы поездов [!]¦

В Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года [2], утвержденной Правительством Российской Федерации в 2008 году, предусмотрено повышение массы грузовых поездов и скорости их движения.

Проблема повышения массы поезда требует комплексного решения широкого круга задач, среди которых первостепенное значение имеет усиление тяговых средств. Работы коллективов специалистов, занимающихся этой проблемой, координируются Международной Ассоциацией Тяжеловесного Движения [3].

Для реализации, принятой Стратегии развития железнодорожного транспорта, на Южно-Уральской железной дороге увеличили массу поезда с 5200 т до 6000 т на трех участках движения. На этих участках у электровозов ВЛ10 при работе с массами поездов 5200 т. на одинарной тяге имели место растяжки поездов и вынужденная работа электровозов на низких ходовых позициях. Потери объема перевозок в этих условиях были на уровне 8,5%. Количество растяжек у электровозов ВЛ10 за период 1987;1990 на ЮУЖД в среднем за год было 12.

В справке Заместителя начальника дороги А. О. Абрамова на оператив- • ный приказ № 989 Дирекции тяги отмечено что «по итогам работы за 2009 и первое полугодие 2010 года на участках Челябинск — Кропачёво, ЧелябинскКарталы и Челябинск — Курган с использованием электровозов серии BJI10 было допущено вынужденных остановок на перегонах и станциях 320 случаев. В том числе по боксованию 64 случая».

При массе поезда 6000 т потери объема перевозок будут на уровне 27% от запланированного объема перевозок, если не принять меры по обеспечению устойчивой работы электровозов по сцеплению.

Чтобы уменьшить потери объема перевозок из-за указанных негативных явлений планировали произвести замену электровозов BJI10 двенадца-тиосными электровозами, но это не было сделано. Для сохранения движения тяжеловесных поездов электровозами BJI10 начальник дороги приказом потребовал строго соблюдать условия безостановочного пропуска поездов по станциям перед подъемами со скоростью не менее 40, 60, 70 км/ч в зависимости от профиля участка. На некоторых участках предусмотрено использование толкачей.

На основании изложенного, следует сделать вывод, что задачи проблемы сцепления весьма актуальны и требуют неотлагательного решения.

Для обеспечения работы тяжеловесных поездов необходимы научно-технические решения, которые гарантировали бы устойчивое движение поездов массы 6000 т. и повышение участковой скорости движения.

В числе работ в области проблемы сцепления следует отметить работы: Д. К. Минова, И. П. Исаева, Н. Н. Меншутина, A.JI. Лисицина, J1.A. Мугинштейна, В. Д. Тулупова, A.B. Бычковского, М. Р. Барского, И. Н. Сердиновой, Самме Г. В., С. М. Андриевского, А. Н. Савоськина, O.A. Некрасова, А. Л. Голубенко, Ю. М. Лужнова, Ю. В. Бабкова, Г. Вербе-ка, О. Креттека, Ф. Барвела.

Путей повышения участковой скорости движения поездов несколько. Это повышение полезной мощности локомотивов за счет увеличения мощности тяговых двигателей или повышение реализуемой существующей мощности локомотивов по сцеплению. Увеличение мощности тяговых двигателей локомотивов можно достичь путем разработки нового подвижного состава. В данных экономических условиях менее затратным способом является повышение реализуемой мощности существующих локомотивов, ограниченных сцеплением за счет проведения незначительной модернизации локомотивов.

В работах Российской открытой академии транспорта (РОАТ) доказана реальная возможность совершенствования электровозов постоянного тока путем оснащения их устройствами повышения реализуемой силы тяги по сцеплению (УПС).

При решении вопроса модернизации электровозов руководством ЮУЖД были сформулированы требования к разработке проекта модернизации электровозов BJI10 для работы в условиях Южного Урала: модернизированный электровоз не должен иметь растяжек и после вынужденной остановки на подъеме обеспечивать реализацию пуска и работу на ходовой позиции без ограничения времени. Модернизированные электровозы по проекту ПКБ ЦТ Э2045.00.00. «Оборудование электровоза устройством повышения реализуемой силы тяги по сцеплению» решали поставленную задачу. Электровозы BJI10−1549 и BJT10−1507 приписки локомотивного депо Челябинск, оборудованные по данному проекту, проработали более 35 лет на ЮУЖД без единой растяжки поезда.

Комиссионные испытания модернизированных электровозов в процессе их эксплуатации проводились по приказам Вице-президента ОАО «РЖД» В. А Гапановича, заместителя Министра путей сообщения А. Т. Головатого, заместителя начальника Главного управления локомотивного хозяйства В. В. Яхонтова и первого заместителя начальника Департамента локомотивного хозяйства ОАО «РЖД» B.C. Черного.

На основании опытной эксплуатации модернизированных электровозов и обработки осциллограмм регистрации работы электровозов с УПС были разработаны автоматизированные системы повышения сцепления.

АСПС). Был разработан проект АСПС, модернизирован электровоз ВЛ10−1507 и проведены испытания на участках Челябинск — Металлургическая и Челябинск — Златоуст. Как показали опытные поездки, с регистрацией работы данного электровоза, с помощью АСПС может быть решена задача по обеспечению экономного режима работы электровоза на «С» и «СП» соединениях тяговых электродвигателей (ТЭД). Реализуемый коэффициент сцепления электровоза с АСПС порядка 0,29 при минимальном расходе песка, износе бандажей и экономии электроэнергии на тягу поездов.

В технико-экономическом обосновании применения АСПС установлен срок окупаемости, который составил 0,236 года, при этом не учтено обслуживание верхнего строения пути связанное с засорением балласта песком, потеря участковой скорости из-за требования пропуска тяжеловесных поездов с заданной скоростью по разъездам и станциям и вынужденного применения толкачей.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

Целью настоящей диссертационной работы является разработка автоматизированной системы повышения сцепления колесных пар электровоза постоянного тока (АСПС).

В соответствии с поставленной целью в диссертации решены следующие задачи:

• выполнено исследование процессов боксовании колесно-моторных блоков электровоза с различными системами управления,.

• определены значения параметров элементов системы на основании анализа поведения колесно-моторных блоков при боксовании,.

• разработана АСПС для электровозов постоянного тока,.

• проведены эксплуатационные испытания электровоза ВЛ10, оборудованного АСПС.

На защиту выносится разработанная на основе теоретических исследований и натурных испытаний автоматизированная система повышения сцепления колесных пар электровоза постоянного тока (АСПС).

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.

Так как сложность проблемы сцепления заключается в том, что сцепление колес с рельсами зависит от множества факторов и эксплуатационных условий локомотива, исследование поведения колесно-моторных блоков при боксовании базировалось в основном на материалах регистрации процессов боксования при испытании электровозов В Л10 с различными значениями же-, сткости тяговых характеристик двигателей боксующих колесных пар. Для регистрации процессов реализации тяги использовали вагон-лабораторию ТЭВЛ № 72 522, оборудованную автоматизированным комплексом сбора данных (АКСД). Используя материалы регистрации процессов боксования, можно было по зафиксированным временным зависимостям тягового усилия и скорости скольжения //(/), строить зависимости силы сцепления от скорости скольжения Fcц (ll). Аналитические исследования необходимы были для выяснения влияния происходящих явлений и процессов во фрикционном. контакте колесо-рельс на характеристики сцепления.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ.

В результате выполненных исследований:

• определены условия устойчивости колесно-моторного блока в равновесных точках характеристик;

• установлена связь между устойчивым режимом боксования и жесткостью тяговой характеристики двигателя боксующей колесной пары;

• установлено, что при скорости скольжения до 23 км/ч и ограниченном времени боксования, после прекращения боксования действиями машиниста или системы микропроцессорного управления, потенциальный коэффициент сцепления принимает большие значения по сравнению со значением до боксования;

• установлено, что с помощью управления процессом боксования можно обеспечить повышение потенциального коэффициента сцепления, а тем самым, и реализуемого коэффициента сцепления.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ.

Применение разработанных автором диссертации автоматизированных систем повышения сцепления (АСПС) позволит увеличить провозную способность дорог на 10 — 18%, снизить расход песка и износ бандажей в несколько раз. Выполненным расчетом экономической эффективности применения АСПС на электровозах ВЛ10 ЮУЖД установлен годовой экономический эффект на дороге в размере 1 млрд. 600 млн руб.

ПУБЛИКАЦИИ.

По результатам исследований опубликовано 6 печатных работ, в том числе три работы опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК, и получено 2 патента.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы из 41 наименований, основных выводов и приложений. Работа содержит 124.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАБОТЫ.

1. Определены условия устойчивости колесно-моторного блока в равновесных точках характеристикустановлена связь между устойчивым режимом боксования и жесткостью тяговой характеристики двигателя бок-сующей колесной парыустановлено, что с помощью управления процессом боксования можно обеспечить повышение потенциального коэффициента сцепления, а тем самым, и реализуемого коэффициента сцепления.

2. На основании теоретических, экспериментальных исследований и натурных испытаний определены процессы, при которых возможен рост потенциального коэффициента сцепления. Определены требования к разработке устройств повышения потенциального коэффициента сцепления.

3. Доказана возможность и целесообразность применения систем для повышения потенциального коэффициента сцепления на электровозах постоянного тока. Системы проверены в опытной эксплуатации.

4. Для определения значений параметров элементов системы выполнено исследование процессов боксования электровоза с АСПС.

5. Разработаны АСПС в трех вариантах для применения на электровозах постоянного тока. Обоснованно выбран второй вариант, в котором необходимый режим боксования обеспечивается изменением уставки реле боксования.

6. Проведены натурные испытания электровоза, оборудованного АСПС, которые установили работоспособность и эффективность применения АСПС.

7. На основании результатов натурных испытаний и опыта эксплуатации электровозов ВЛ10 с АСПС в течение шести лет установлено, что за счет применения АСПС на электровозах ВЛ10 может быть обеспечено повышение реализуемого коэффициента сцепления на 18 и более процентов, снижение износа бандажей и расхода песка в несколько раз.

8. Выполненный расчет экономической эффективности применения АСПС на электровозах ВЛ10 установил срок окупаемости 0,236 года. При оборудовании АСПС электровозов ВЛ10 на ЮУЖД годовой экономический эффект составит 1600 млн руб. С точки зрения технической эффективности на ЮУЖД можно будет отказаться от толкачей, не требовать безостановочного пропуска тяжеловесных поездов на станциях пред подъемами, свести к минимуму количество растяжек поезда. Электровозы с АСПС обеспечат существенное увеличение провозной способности дороги.

9. Для электровозов, оборудованных системой автоведения, разработано микропроцессорное устройство повышения сцепления.