CC BY
155
УДК 629.423:629.4.053.3
А. Н. Савоськин, О. Е. Пудовиков
НОВАЯ СТРУКТУРА РЕГУЛЯТОРА СКОРОСТИ ДЛЯ ГРУЗОВЫХ ЛОКОМОТИВОВ
Величина продольных сил, действующих в поезде при движении по перегону, определяется темпом изменения сил тяги и торможения, их величиной, профилем пути, на котором находится поезд. Предлагается новая структура системы автоматического регулирования скорости движения, позволяющая существенно снизить продольные силы, действующие в составе поезда.
регулятор скорости локомотива, темп изменения силы тяги, продольные колебания. Введение
В настоящее время на сети железных дорог России и стран СНГ эксплуатируются электровозы однофазно-постоянного тока ВЛ80Р, ВЛ85, ВЛ65, ЭП1, оборудованные системой плавного регулирования напряжения на зажимах тяговых двигателей и устройствами внутренней автоматики -системами автоматического регулирования (САР) тока тяговых двигателей и скорости движения [1], [2].
Эксплуатация в течение ряда лет этих серий локомотивов выявила некоторые недостатки в работе данных САР. Основным недостатком систем является то, что параметры регуляторов (тока, скорости, силы торможения, тока возбуждения) не зависят от характеристик поезда - веса, количества осей и т. п. Результатом этого является возможность появления значительных по величине продольных сил, действующих в составе поезда, обусловленных ошибочными действиями локомотивной бригады. Следует отметить, что величины этих сил могут значительно превышать значения, максимально допустимые в эксплуатации.
В данной работе рассматривается система автоматического регулирования скорости, позволяющая значительно снизить величины продольных сил, действующих в поезде, а также обеспечить более полное использование сцепных свойств локомотивов.
1 Функциональная схема САР скорости движения
Функциональная схема предлагаемой САР скорости представлена на рисунке 1. Она состоит из задатчика ускорения За контроллера машиниста, задающего максимальную величину ускорения при разгоне (замедления при торможении); задатчика параметров поезда ЗПП, позволяющего ввести в систему управления характеристики поезда - вес и количество осей; задатчика скорости Зг контроллера машиниста, вводящего в систему величину заданной скорости, и вышестоящей системы автоведения АВ, за-
дающей величину заданной скорости v32. Элемент ИЛИ-min 1 выбирает минимальное из двух заданных значений скорости va1 и va2. Сигнал с выхода элемента ИЛИ-min 1 поступает на вход задатчика интенсивности ЗИ, формирующего кривую заданной скорости.
Рис. 1. Функциональная схема системы автоматического регулирования скорости подвижного состава
В отличие от САР скорости электровозов ВЛ80Р и подобных в данном случае задатчик интенсивности вынесен из охваченной части системы и представляет собой звено с переменной структурой. Задатчик интенсивности реализован на базе двух апериодических звеньев второго порядка с характеристикой, представленной на рисунке 2, а. При работе первого звена (рис. 2, б, кривая а{) осуществляется разгон (торможение) поезда с ускорением (замедлением), составляющим 0,2 от величины заданного; второе звено подключается (кривая а2) по истечении времени Арог, необходимого для растяжения сжатого (или сжатия растянутого) поезда и определяемого на основании характеристик поглощающих аппаратов, величины заданного ускорения, веса поезда и количества вагонов, при этом разгон (торможение) осуществляется с полным ускорением (замедлением) (кривая а 1+2).
Для работы ЗИ используется информация о параметрах поезда, величине заданного ускорения, информация с выхода регулятора скорости, датчика скорости и признак включения режима выбега.
а)
б)
t, с
Рис. 2. Диаграммы, иллюстрирующие работу задатчика интенсивности: а - временная характеристика апериодического звена второго порядка; б - кривые, формируемые задатчиком интенсивности
Сигнал с выхода задатчика интенсивности через элемент сравнения ЭС1, вычисляющий рассогласование между заданным и фактическим значениями скорости, поступает на вход регулятора скорости РС, обеспечивающего выполнение сформированной задатчиком интенсивности кривой скорости. Регулятор скорости реализован на базе интегрирующего звена. Сигнал с выхода регулятора, представляющий собой величину заданной силы тяги (торможения), поступает на один из входов элемента ИЛИ-min 2. На второй вход этого элемента поступает сигнал с выхода программного элемента ПрЭ, в котором заложены ограничения на тяговые характеристики данного типа подвижного состава.
Введение программного элемента, позволяющего учесть тяговые характеристики подвижного состава, делает рассматриваемую САР универсальной, подходящей для реализации на любом типе подвижного состава -мотор-вагонном, пассажирском или грузовом с локомотивной тягой. С выхода элемента ИЛИ-min 2, выбирающего минимальный из двух входящих сигналов, величина заданной силы тяги (торможения) поступает на вход исполнительного элемента, представляющего собой тяговый электропривод и пневматический или электропневматический тормоз. Величина фактической скорости через чувствительные элементы, представляющие со-
бой датчики скорости (тахогенераторы) поступает на входы задатчика интенсивности ЗИ, элемента сравнения ЭС и программного элемента ПрЭ.
2 Исследование работы рассматриваемой САР. Анализ результатов расчётов
Расчёты по исследованию переходных процессов, протекающих в контуре скорости исследуемой САР, выполнялись с использованием модели поезда, описывающей его как систему твёрдых тел [4]. На рисунке 3, а, б, в, г представлены результаты расчётов для однородного грузового поезда весом 5500 тонн, состоящего из 80 вагонов, величина заданного ускорения составляла 0,1 м/с .
В начальный момент времени величина заданной скорости равнялась 25 км/ч, затем, в момент времени примерно через 300 секунд после начала движения, её значение увеличивалось до 40 км/ч. Как видно из представленных результатов расчётов (рис. 3, а), САР обеспечивает разгон поезда до заданной величины скорости и поддержание её на этом уровне независимо от профиля участка пути. Характер изменения кривой скорости - монотонный, без выраженных резких изменений, свидетельствующих о возникновении оттяжек и толчков. Величина силы тяги А"к (рис. 3, б) также изменяется плавно. На кривой F видны участки, соответствующие изменению величины заданного ускорения в процессе работы задатчика интенсивности (0-30 секунд 0,1 аз, 30-90 секунд аз; 280-330 секунд 0,1 аз, 330-350 секунд аз). Кроме того, регулятор скорости отслеживает меняющиеся условия движения (профиль, основное сопротивление движению) соответствующим изменением силы тяги. На рисунке 3, в представлен фрагмент рисунка 3, б, соответствующий процессу трогания поезда с места. Видно, что регулятор скорости обеспечивает увеличение силы тяги F в ответ на трогание с места каждого экипажа (возрастает усилие на автосцепке между локомотивом и первым вагоном, кривая Fi-2).
На рисунке 3, г представлены диаграммы сил, действующих в серединах первой FI, второй FII и третьей FHI третях состава. Характер изменения этих сил является удовлетворительным, так как в сечениях поезда отсутствуют рывки и толчки; кроме того, максимальные значения сил, действующих в поезде (рис. 3, б, в, г) значительно меньше максимально допустимых в эксплуатации.
Для сравнения на рисунке 4, а, б, в представлены результаты расчётов процессов, протекающих в контуре скорости САР электровоза ВЛ85. Параметры поезда приняты аналогичными предыдущему варианту, интенсивность разгона также примерно соответствует интенсивности разгона, принятой для предыдущего варианта.
а)
v, км/ч
100
200
300
400 t, с
б)
г)
Рис. 3. Переходные процессы в контуре скорости предлагаемой САР: а — скорость движения; б - сила тяги и усилие на автосцепке первого вагона; в - фрагмент кривых силы тяги и усилия на автосцепке первого вагона; г - усилие в первой, второй и третьей третях состава
а)
V, км/ч
б)
FK, кН; Fi_2, кН
Рис. 4. Переходные процессы в контуре скорости электровоза ВЛ85: а - скорость движения; б - сила тяги и усилие на автосцепке первого вагона; в - усилие в первой, второй и третьей третях состава
Как видно из представленных результатов, параметры переходных процессов существенно уступают аналогичным процессам, рассмотренным ранее. Так, наблюдается значительная неравномерность увеличения скорости локомотива в процессе разгона, свидетельствующая о возникновении значительных по величине реакций в поезде. Это подтверждается характером кривых изменения силы тяги и усилия на автосцепке первого вагона (рис. 4, б), а также усилий в различных сечениях поезда (рис. 4, в). Максимальное значение сил, действующих в составе поезда (более 1 МН), также значительно превышает аналогичный параметр, полученный в предыдущем варианте.
Заключение
Предлагаемая структура САР скорости подвижного состава позволяет значительно улучшить качество процесса регулирования скорости движения, обеспечив благоприятный характер протекания переходных процессов в контуре скорости и значительно снижая величины продольных динамических сил, действующих в составе поезда.
Библиографический список
1. Автоматизация электроподвижного состава : учебник для вузов ж.-д. трансп. / А. Н. Савоськин, Л. А. Баранов, А. В. Плакс, В. П. Феоктистов; ред. А. Н. Са-воськин. - М.: Транспорт, 1990. - 311 с.
2. Электровоз ВЛ 85 : руководство по эксплуатации / Б.А. Тушканов, Н. Г. Пушкарёв, Л. А. Позднякова и др. - М.: Транспорт, 1992. - 480 с.
3. Устройство для автоматического регулирования скорости тягового подвижного состава / А. Н. Савоськин, О. Е. Пудовиков. - Патент на изобретение № 2202481, 2003. Опубл. 20.04.2003. - Б. И. № 46.
4. Расчеты и испытания тяжеловесных поездов / Е. П. Блохин, Л. А. Манашкин, Е. Л. Стамблер и др.; ред. Е. П. Блохин. - М.: Транспорт, 1986. - 263 с.
УДК 621.314
В. П. Феоктистов
ОЦЕНКА ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТЯГИ
В статье рассмотрены перспективы развития электрических железных дорог России, показана целесообразность использования систем тяги постоянного и переменного тока.
электрификация, род тока, тяговый двигатель.
Железные дороги в России выполняют основной объем по грузо- и пассажирообороту (до 80% всей перевозочной работы в стране). В развитых странах мира (США, странах Евросоюза, Японии) доля железнодорожного транспорта в перевозочной работе общей транспортной системы значительно ниже, но она имеет четкую тенденцию к росту. Обеспечивается государственная поддержка железнодорожного транспорта, быстро осваиваются новые виды эксплуатационной и коммерческой работы (высокоскоростные пассажирские поезда, интермодальные перевозки, включая контейнерные и контрейлерные маршруты).
Указанные предпочтения (а также конкретные дотации и субвенции) железнодорожному транспорту, в частности перед автомобильным транспортом, определяются в основном теми преимуществами, которые вытекают из применения на железных дорогах электрической тяги. До 80-85% всей перевозочной работы в станах ЕС, Японии и России выполняется электроподвижным составом (ЭПС), что обеспечивает экологическую чистоту, снижает нефтяную зависимость для транспортной системы и для страны в целом, способствует снижению себестоимости перевозок.
Столь значительная роль электрической тяги делает необходимым тщательное осмысление путей ее развития и совершенствования с учетом как достигнутого технического уровня, так и возможностей использования новейших достижений научно-технического прогресса. Одна из главных проблем - применение нескольких систем электрификации, причём исторически первой была система постоянного тока. Затем в Западной Европе и в США была освоена система переменного тока пониженной частоты. Появление наиболее прогрессивной системы переменного тока 25 кВ
