Прогнозирование боксования колесных пар локомотива по характеристикам динамических процессов в системе экипаж – тяговый привод – путь

На правах рукописи

Коропец Петр Алексеевич

ПрогнозИРОВАНИЕ боксования

колесных пар локомотива

ПО ХАРАКТЕРИСТИКАМ динамических процессов

в СИСТЕМЕ "экипаж – тяговЫЙ привод – ПУТЬ"

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов

и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Ростов-на-Дону

2007

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» (РГУПС)

Научный руководитель – доктор технических наук,

профессор

Волков Игорь Васильевич

Официальные оппоненты – доктор технических наук

Коссов Валерий Семенович

кандидат технических наук,

доцент

Олешко Сергей Борисович

Ведущая организация – Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт электровозостроения

(ОАО «ВЭлНИИ»)

Защита диссертации состоится ____ ___________ 2007 г. в _____ часов на заседании диссертационного совета Д 218.010.01 при Ростовском государственном университете путей сообщения по адресу: 344038, Ростов-на-Дону, пл. им. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан ____ ___________ 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 218.010.01

доктор технических наук, профессор Соломин В.А.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Стратегия развития железнодорожного транспорта России ставит своей целью обеспечить потребности экономики в перевозках с одновременным доведением их качества до мирового уровня. Для решения поставленных задач нужен тяговый подвижной состав нового поколения, созданный с использованием современных и перспективных технологий и систем управления.

Тяговые качества локомотивов зависят от конструкции его механической части, системы управления мощностью, а также от дополнительных устройств, обеспечивающих устойчивую реализацию силы тяги как при трогании с места, так и в движении.

Максимальная сила тяги, развиваемая локомотивом, ограничивается пределом по сцеплению колес с рельсами и опасностью развития боксования.

Процесс боксования известен со времен паровой тяги. Также хорошо известны негативные стороны этого явления: снижение эффективной тяги, высокие (часто – предельные) динамические нагрузки в тяговом приводе, в несколько раз возрастающий износ колес и рельсов. Поэтому предотвращение боксования остается актуальной задачей, решение которой позволит получить экономию электроэнергии (топлива) и снизить затраты на ремонт подвижного состава и пути.

Учитывая, какие средства расходуют ведущие мировые лидеры локомотивостроения на разработку противобуксовочных систем, а также сложность и стоимость этих систем, следует признать, что проблема борьбы с боксованием остается актуальной.

Характерной особенностью всех известных противобоксовочных систем является то, что они обнаруживают уже начавшееся боксование, когда уже превышен предел по сцеплению и скорость скольжения колесной пары достигла определенной величины.

Эффективность борьбы с боксованием зависит от того, как быстро оно обнаружено и приняты меры по его устранению. Наиболее эффективным во всех отношениях является недопущение боксования при реализации максимальных по условиям сцепления тяговых сил. Но для этого необходимо постоянно знать тот предел тяги, превышение которого неизбежно приведет к боксованию.

Прогнозирование боксования позволяет своевременно принять меры по его предотвращению (изменение тягового режима, упреждающая подача песка или модификатора сцепления) и тем самым исключить боксование при реализации максимальной силы тяги.

Предмет исследования. При движении локомотива максимальные силы сцепления могут изменяться в широких пределах и зависят от многих факторов (состояния поверхностей колеса и рельса, температуры и влажности окружающей среды, величины нормальных и касательных нагрузок и пр.), которые невозможно точно измерить или учесть заранее. Задача определения сил сцепления дополнительно усложняется тем, что нормальные и касательные динамические нагрузки в контакте колес с рельсами, обусловленные колебаниями экипажа и привода, имеют главным образом случайный характер.

В то же время, характеристики колебаний привода и экипажа зависят от свойств и состояния фрикционной системы "колесо-рельс" и изменяются с увеличением среднего тягового (или тормозного) момента, приложенного к колесной паре. Следовательно, экспресс-анализ динамических процессов в системе "экипаж-привод-путь" позволяет определить параметры фрикционного контакта колеса с рельсом, соответствующие текущему режиму.

Таким образом, предметом исследования являются динамические процессы в системе "экипаж – тяговый привод – путь" в режимах перехода от тяги к боксованию.

Цель и задачи исследования. Целью данной работы является разработка методов и средств контроля и прогнозирования состояния фрикционного контакта колес локомотива с рельсами для предотвращения боксования в режимах реализации максимальной тяги.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

• исследовать специфику и важнейшие закономерности динамических процессов в тяговых приводах локомотивов в режимах устойчивой тяги, а также – в режимах реализации предельных сил сцепления колес с рельсами;
• на основе выявленных закономерностей динамических процессов в тяговых приводах разработать критерий оценки устойчивости максимального по условиям сцепления тягового момента, реализуемого колесной парой;
• сформировать информативные признаки переходного процесса от режима тяги к режиму боксования;
• разработать устройство обнаружения предельных сил сцепления для предупреждения боксования колесных пар локомотива;
• провести экспериментальную проверку полученных теоретических результатов и принципов, заложенных в разработанном устройстве.

Методика исследования. Основу работы составляют методы математического моделирования линейных и нелинейных динамических систем с последующей экспериментальной проверкой результатов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработаны математические модели, методика и алгоритм исследования динамических процессов в тяговых приводах локомотивов в режимах перехода от устойчивой тяги к боксованию;

- определен и обоснован критерий оценки устойчивости максимального тягового момента, реализуемого колесной парой в условиях возмущенного движения;

- установлены закономерности режима перехода от тяги к боксованию, в частности: возрастание амплитуд динамических составляющих обобщенных координат системы, изменение структуры и собственных частот системы, проявление асимметрии в колебательных процессах;

- сформированы информативные признаки переходного (от тяги к боксованию) процесса, которые позволяют по пространственным ускорениям буксы идентифицировать динамический режим и состояние фрикционного контакта колеса с рельсом;

- на основе выявленных закономерностей разработано устройство обнаружения предельных сил сцепления в контакте колес с рельсами, алгоритм работы которого обеспечивает автоматическую адаптацию к изменяющимся характеристикам фрикционного контакта (патент РФ № 2175612);

- создан и испытан автоматический испытательный комплекс (АИК), регистрирующий пространственные колебания букс локомотива в интересующих режимах без участия оператора.

Достоверность полученных результатов и выводов. Достоверность разработанных моделей, алгоритмов и принципов подтверждена строгостью теоретического обоснования и результатами натурных (поездных) испытаний.

Практическая ценность работы. Разработанные модели, установленные закономерности и сформированные информативные признаки перехода от тяги к боксованию позволяют создать электронное устройство, способное прогнозировать боксование до его развития, а также – осуществить оптимальное управление мощностью, исключающее боксование при реализации максимальной (по условиям сцепления) силы тяги.

Результаты выполненных исследований в полной мере могут быть использованы при разработке противоюзовых устройств и создании эффективных систем управления тормозами.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлялись, обсуждались и были одобрены на:

- 5-й всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электровозостроения в стране", Новочеркасск, 1981г.);

- всесоюзной научно-технической конференции "Создание и техническое обслуживание локомотивов большой мощности", (Ворошиловград, 1985г.);

- II Международный трибологический симпозиум INSICONT,(Краков, 1986г.);

- 6-й всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электровозостроения в стране", (Тбилиси, 1987г.);

- 59-й вузовской научно-технической конференции, (Ростов-на-Дону, 2000г.).

- заседании кафедры "Электроподвижной состав" РГУПС, (Ростов-на-Дону, 2007г.);

- совместном заседании кафедр "Электроподвижной состав" и "Локомотивы и локомотивное хозяйство" РГУПС, (Ростов-на-Дону, 2007г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 печатных работ, включая патент РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Работа содержит 136 страниц основного текста, 8 таблиц, 36 рисунков, список использованных источников из 149 наименований и приложения на 27 страницах.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, поставлены цель и задачи работы, определены направления исследования.

Первая глава "Состояние проблемы и задачи исследования" содержит обзор исследований в области сцепления колеса с рельсом, анализ систем и методов обнаружения боксования и обзор работ по динамике тягового привода локомотива. В ней обоснованы цель, задачи и методы исследования.

Изучение взаимодействия колес с рельсами началось одновременно с появлением железных дорог. На протяжении многих десятилетий этой проблемой занимались видные зарубежные и отечественные ученые: Беляев А.И., Бирюков И.В., Вербек Г., Голубенко А.Л., Исаев И.П., Коган А.Я., Коняев А.Н., Лисицын А.Л., Лужнов Ю.М., Марков Д.П., Меншутин Н.Н., Минов Д.К., Самме Г.В., Шаповалов В.В., Barwell F.T., Hirotsu T., Johnson K.L., Kalker J.

Попытки выяснить механизм образования тяги, а также уточнить количественные соотношения фрикционных характеристик контакта колеса с рельсом продолжаются и в настоящее время.

В то же время совершенно недостаточно изучено влияние динамики тяговых приводов и экипажей локомотивов на реализацию сцепления. Опыты по определению коэффициента сцепления под действием разного рода факторов даже на однородном участке пути дают значительный разброс его реализованной величины. Результат взаимодействия колес с рельсами в режиме тяги зависит от конструкции ходовой части локомотива, тягового привода и системы управления мощностью. Усилиями специалистов решены многие важные вопросы теории сцепления, однако нет точного количественного описания зависимости коэффициента сцепления от скорости движения локомотива и скорости скольжения колес, что связано с нестабильностью самой характеристики сцепления. Поэтому при решении задач динамики привода необходимо разрабатывать такие методики и критерии, которые бы однозначно определяли результат взаимодействия колеса с рельсом и оставались справедливыми при любом виде и параметрах характеристики сцепления.

Обзор противобоксовочных систем показал, что подавляющее большинство российских и зарубежных локомотивов оснащены системами обнаружения боксования по факту появления избыточного скольжения колесных пар. Основным (помимо прочих) недостатком таких систем является их неспособность анализировать состояние фрикционного контакта и прогнозировать боксование.

Динамические процессы, протекающие в приводе в режиме тяги и в режиме боксования, имеют ряд существенных отличий, которые обусловлены именно свойствами и состоянием фрикционного контакта колес с рельсами. Попытки создания систем, способных обнаруживать боксование по динамическим процессам в тяговом приводе, имеют единичный характер, и в настоящее время их следует считать пока безуспешными. Разработка такой системы возможна на основе глубокого исследования динамики тягового привода локомотива в различных эксплуатационных режимах.

В области динамики экипажа и тягового привода локомотива большие исследования проведены Бирюковым И.В., Беляевым А.И., Добрыниным Л.К., Ивановым В.Н., Камаевым А.А., Камаевым В.А., Каменевым Н.Н., Карминским Д.Э., Коссовым В.С., Куценко С.М., Меделем В.Б., Павленко А.П., Пахомовым М.П., Перевозчиковым С.Н., Рыбниковым Е.К., Савоськиным А.Н., Суздальцевым М.Я., Тибиловым Т.А., Щепетильниковым В.А. и др.

Но, несмотря на огромный объем выполненных теоретических и экспериментальных работ, режимы реализации максимальной тяги изучены не достаточно, а основные трудности при исследовании динамики привода заключаются в отсутствии достоверной информации о параметрах подсистемы "колесо-рельс" и возмущающих воздействиях.

Во второй главе "Квазистационарные режимы работы тягового привода" рассмотрены закономерности создания силы тяги при возмущенном движении.

На примере опорно-осевого привода (рис.1а) в соответствии с разработанной методикой показаны особенности динамических процессов, связанные с режимом работы привода (тяга, выбег, реверс) и направлением движения колесно-моторного блока. Основные положения методики исследования режимов тяги (линеаризация системы дифференциальных уравнений, частотные методы анализа) приняты за основу при анализе динамических процессов в тяговом приводе и в переходном режиме от тяги к боксованию.

Классификация динамических режимов работы тягового привода локомотива основана на положении равновесной точки а, отражающей равенство тягового момента и момента сцепления ­на характеристике сцепления колеса с рельсом (рис.1б).

Многочисленные исследования показали, что зависимость момента сцепления от угловой скорости скольжения колеса имеет восходящий и падающий участки, где – критическая угловая скорость скольжения, соответствующая максимальному моменту сцепления.

Если точка а находится на восходящем участке характеристики сцепления и не выходит за его пределы, то привод реализует устойчивый режим тяги (или выбега – при ). Если точка а находится на падающем участке характеристики сцепления, то имеет место боксование.

Момент сцепления колесной пары с рельсами определяется выражением

, (1)

где - радиус колеса;

- статическая нагрузка от колесной пары на рельсы;

- вертикальная динамическая составляющая в контакте колесной пары с рельсами, обусловленная колебаниями экипажа;

- безразмерная характеристика сцепления;

- мгновенный коэффициент сцепления;

- потенциальный (максимальный) коэффициент сцепления.

Так как является функцией времени, то и момент сцепления является во времени величиной переменной – .

Тяговый момент, приложенный к колесной паре , имеет динамическую составляющую, обусловленную угловыми колебаниями привода:

(2)

В процессе возмущенного движения равновесная точка а совершает флуктуации в окрестности стационарного режима . Форма области флуктуаций зависит от величины динамических составляющих и , а также фазовых соотношений между ними и по мере увеличения среднего тягового момента смещается к вершине восходящего участка характеристики сцепления . При этом возможен кратковременный заход равновесной точки на падающий участок характеристики с последующим возвращением (или не возвращением) на восходящий участок.

Режим, при котором зона флуктуаций равновесной точки охватывает и восходящий, и падающий участки в окрестности вершины характеристики сцепления, является режимом реализации максимальной силы тяги или переходным режимом. Этот режим занимает промежуточное положение между режимами устойчивой тяги и боксования.

Устойчив или неустойчив данный режим, можно судить по тому, как ведет себя равновесная точка: если она возвращается на восходящий участок кривой , то режим устойчив. Если же заход равновесной точки на падающий участок сопровождается её дальнейшим движением в область высоких скоростей скольжения, то считается, что устойчивая реализация тяги нарушена, и начинается боксование. Поэтому боксование традиционно регистрируется по факту роста скорости скольжения колес относительно рельсов.

Практически невозможно заранее предсказать, при каком среднем тяговом моменте произойдет "срыв" к боксованию, так как характеристика сцепления не стабильна, а колебания экипажа и привода имеют случайный характер. Поэтому задача прогнозирования "предбоксовочного" состояния колесной пары на первый взгляд кажется неразрешимой или решаемой весьма не точно.

Так как переходный режим формируется из режима тяги, то его исследование начинаем с рассмотрения закономерностей режима тяги, а затем, увеличивая тяговый момент, исследуем эволюцию поведения системы и особенности переходного режима до потери системой устойчивости и начала боксования.

Движение модели, показанной на рис.1а, описывается системой дифференциальных уравнений:

(3)

Система (3) получена из уравнений Ланранжа II рода с учетом соотношения , где - передаточное отношение тягового редуктора;

- кинематическая неровность пути.