Особенности динамики дизель-генераторных установок тепловозов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Математическое моделирование. Оптимальное управление Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2012, № 5 (2), с. 107-112

УДК 004.942; 62-843.6

ОСОБЕННОСТИ ДИНАМИКИ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНЫХ УСТАНОВОК ТЕПЛОВОЗОВ

© 2012 г. М.И. Киселев, А.С. Комшин

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

kozyr.ru@mail.ru

Поступила в редакцию 10.09.2012

Рассмотрена многофакторная математическая модель дизель-генератора, применяемого на отечественных тепловозах, на примере тепловоза 2ТЭ25А с асинхронным приводом мощностью 2x2500 кВт.

Ключевые слова: фазохронометрия, математическая модель, интервалы времени, дизель, генератор, асинхронный двигатель, привод.

С общих позиций оценки перспектив научно-технического прогресса облик машиностроения XXI века представляется как высокотехнологичное наукоемкое производство интеллектуальных машин и механизмов, способных адаптироваться к изменениям, как внешней среды, так и собственного технического состояния.

Сложное техническое оборудование на транспорте и во многих других отраслях промышленности требует постоянного информационно-измерительного сопровождения. Неизбежное при длительной эксплуатации нарастание степени изношенности основных фондов приводит к возникновению чрезвычайных ситуаций техногенного характера.

По данным Федеральной службы государственной статистики физический износ оборудования на тепловых электростанциях достиг критического уровня 70%, на гидроэлектростанциях - 80%. Нормативный парковый ресурс безаварийной эксплуатации выработан на 41% на ТЭС и на 50% на ГЭС. В угледобывающей отрасли износ фондов составляет 80%. Износ подвижного состава железных дорог России - 80%, а общий износ основных фондов порядка -60%.

В 2008 году была принята и утверждена Стратегия развития Российских железных дорог до 2030 года, которая призвана обозначить основные направления дальнейшего развития российских железных дорог и укрепить их материально-технической базу. Согласно этой стратегии планируется:

- полная замена подвижного состава и технических средств с истекшим сроком службы на новую технику с высокой производительно-

стью, экономичностью (включая и энергопотребление) и низкой ремонтоемкостью;

- увеличение маршрутных скоростей пассажирских поездов на основных направлениях на 12-15%;

- снижение уровня отказов технических средств на 20%;

- модернизация существующего локомотивного парка с повышением технико-экономического уровня и энергоэкономичности;

- создание мультисистемного пассажирского электровоза с асинхронным тяговым приводом и др.

Безусловно, ни одна из этих задач не может быть в полной степени решена без привлечения науки и внедрения самых современных передовых разработок. В то же самое время, применяемое в отрасли измерительное оборудование, приборы и средства метрологического обеспечения не обеспечивают получения достоверных и своевременных сведений о состоянии контролируемых технических объектов. Предсказание и предупреждение технических аварий и техногенных катастроф невозможно без проведения высокоточных измерений.

Для повышения надежности функционирования машин и механизмов необходима полная и своевременная информация о состоянии элементов конструкции, состоянии узлов, условиях эксплуатации. Проблему информационно-метрологического сопровождения и аварийной защиты циклических электромеханических узлов позволяет решить фазохронометрический метод сопровождения машин и механизмов [1].

В отличие от традиционных средств и методов технической диагностики, основанных на линейно-угловых измерениях и амплитудных

(преимущественно виброакустических) принципах, фазохронометрический метод базируется на регистрации продолжительности характерных этапов (фаз) рабочих циклов машин и механизмов. Переход от линейных, угловых и виброакустических измерений к фазохронометрическим позволил снизить относительные погрешности измерений на функционирующих объектах до уровня 5-10-4 % на промышленной частоте [2, 3]. Данный способ и его техническая реализация, сочетая в себе фактически рекордную точность и быстродействие, дает возможность эффективного применения компактных встраиваемых систем непосредственно на функционирующих объектах.

Наряду с измерительными комплексами обязательно применение уточненных многофакторных математических моделей изучаемого объекта в фазохронометрическом представлении. Основной задачей математического моделирования при фазохронометрическом подходе является установление взаимосвязи результатов эксперимента (полученных рядов интервалов времени) с конструкцией изучаемого объекта и режимами его работы, имитирование возможных дефектов и проведение вычислительных экспериментов аварийных режимов работы, которые невозможно реализовать экспериментально [4].

Особого внимания заслуживает состояние дел именно в электромеханике систем с сосредоточенными массами, используемых в энергетическом и транспортном машиностроении. Здесь, наряду с характерными для теплоэлек-троэнергетики проблемами обеспечения устойчивости работы турбоагрегатов, вновь приобретает остроту задача оптимизации применяемых на транспорте систем ДВС (дизель) - электрогенератор.

Рассмотрим математическую модель дизель-генератора, применяемого на отечественных тепловозах. Чтобы выявить наиболее существенные явления, происходящие в тяговом электроприводе, необходимо моделировать его как единую электромеханическую систему. При этом в модель следует включать силовую электрическую схему, механическую часть привода с учетом сил сцепления, систему управления вентилями статических преобразователей силовой схемы [5]. При описании математической модели необходимо также учитывать зубчатую передачу от двигателя на колесную пару и асинхронный (синхронный) двигатель.

Описываются математические модели каждой из составных частей системы. В качестве объекта исследования выбран грузовой магист-

ральный двухсекционный тепловоз 2ТЭ25А -первый российский магистральный двухсекционный тепловоз с асинхронным приводом мощностью 2x2500 кВт, с электрической передачей переменно-переменного тока, с поосным регулированием силы тяги. Асинхронные двигатели позволяют кратно увеличить тяговые свойства локомотива и убрать из конструкции множество тяжеловесного и энергоемкого оборудования, которое управляет привычными коллекторными двигателями. Основные характеристики приведены в табл. 1.

Таблица 1

Основные характеристики тепловоза 2ТЭ25А

Назначение тепловоза Грузовой

Число секций 2

Тип дизеля (число цилиндров) 12ЧН26/26 (12)

Колея, мм 1520

Осевая формула 2х(3о-3о)

Служебная масса, т 2х(144)

Нагрузка от колесной пары на рельсы, кН 240

Длина тепловоза, мм 2х(20000)

Конструкционная скорость, км/ч 120

Мощность по дизелю, кВт 2х(2500)

Сила тяги (при трогании с места/продолжительная), кН 2х(440/390)

Тип передачи электрическая переменного тока

1. Математическая модель V-образной дизельной установки

На тепловозе установлен дизель-генератор 21-26ДГ-0.

Уравнения движения поршневой группы имеют следующий вид:

J10 + F12vS COS 0-F12hS sin 0= Мш1 + Mv ,

J2 j Y j + F32v (L -1)cos Y j - F32h (L - l)sin Y j +

+ Fi2vl COS Y j - F12hl Sin Y j = -Мш1 + Мш 2,

m2 jx2 j + C1X2 + C(±2 j +Y jy2 j ) = -F32h + F12h,

* m2 jy2 j + C1y2 j + C(y2 j -Y jX2 j ) = -F32v - G2 + F12v, m3j X3 j + C1X3 j + c(x3 j +Y ]Уз j ) = F32h - F4 (t) COS 0-

- F4 sin 0 + (x3 j /| x3 j |) F4ktr3, (1)

m3 jy3 j + C1 y3 j + c(y3 j -Y jx3 j ) = - F32v -

- F4 (t) sin 0- F4 cos 0- (У3 j /|У3 j |)F4ktr3 - G3,

M ш2 + F4n + M опор = 0, j = 1,12

В системе дифференциальных уравнений приняты следующие обозначения: J1, J2j - моменты инерции коленчатого вала и шатунов; 0, Yj - углы поворота коленчатого вала и шатунов; Мш1,

Мш2 - моменты трения в шарнирах, Нм; - си-

лы взаимодействия между звеньями механизма; Г^) - сила давления газа в цилиндре; с - коэффициент внешнего трения при изгибных колебаниях; с - коэффициент внутреннего трения при изгибных колебаниях; х-, у- - координаты центров звеньев механизма в точках измерения изгибных колебаний; т- - соответствующие сосредоточенные массы звеньев механизма, £?г3

- коэффициент трения.

Рис. 1. Кинематическая схема кривошипно-шатунного механизма

Учитывая то, что У-образный двигатель дизель-генератор 21-26ДГ-0 имеет 12 цилиндров, система уравнений рассматривается для каждого из 12 цилиндров, независимо от такта двигателя.

При помощи математической модели могут быть продиагностированы различные дефекты работы двигателя. Одним из таких примеров является диагностика разгерметизации питающего тракта, в результате чего в одном из цилиндров уменьшается масса впрыскиваемого топлива, как следствие, снижается мощность двигателя [6].

На рис. 2, 3 приведены примеры хронограмм вращения двух питающих трактов с дефектом и без дефекта.

Рис. 2. Пример хронограммы вращения вала при разгерметизации питающего тракта

0 500 1000 1500 угол,град

Рис. 3. Пример хронограммы вращения при опережении угла зажигания в одном цилиндре

2. Математическая модель генераторной установки

Переходные электромеханические процессы, протекающие в генераторе, описываются уравнениями Парка - Горева для идеализированной модели синхронной машины с постоянными параметрами в продольных и поперечных осях С, д, жестко связанных с ротором [7]:

У191 + кНІЬід ( Ьс Ьд ) 1Л1д = .^Д ,

ГІС + ^й1с - шЬдІд - кН& = - и 0Ъ

шЬС1С + ГІд + ЬдІд - кН ШІЬ = -и СО8 0^

‘гьіь + 44 =иь + кн1 с, (2)

ю = юи +Д01,

Хй = ш0,

Хд =®0Ьд ,

где сумма слагаемых первого уравнения кНіЬІд - (4 - Ьд)ІаІд - электромагнитный момент; г - активное сопротивление; Ьд, Ьс - индуктивности цепи статора по продольной и поперечной осям; Хд , Хс - синхронное индуктивное сопротивление по продольной и поперечной осям; Ь'с - сверхпереходная индуктивность по

поперечной оси; ш - частота вращения ротора, приведенная к угловой частоте ш и напряжения

и на выводах генератора; Іа, Ід - проекции

векторов полного тока І статора машины на продольную и поперечную оси машины; гЬ -активное сопротивление обмотки возбуждения; ЬЬ - индуктивность обмотки возбуждения; иь

- напряжение обмотки возбуждения; ІЬ - ток возбуждения; Мд - механический момент двигателя; 01 - угол поворота ротора генератора; кн - коэффициент пропорциональности; ши -угловая частота напряжения на выводах; ґ -время; J1 - момент инерции ротора генератора.

Математическая модель дает интерпретацию экспериментальных данных (спектр крутильных колебаний, собственные частоты, хронограмма вращения), позволяет осуществить переход от экспериментальных данных к индивидуальным характеристикам системы (моменты инерции, жесткости, габаритно-массовые, электрические параметры), что обеспечивает возможность сопровождения механизма и измерения девиации параметров системы через связь экспериментальных данных и коэффициентов математической модели. Примеры моделирования параметров электромеханической системы приведены на рис. 5 и 6.

Рис. 5. Изменение угла качания генератора ТВВ-220-2

А/, А

3. Математическая модель редуктора тележки тепловоза

Тележка содержит одноступенчатый редуктор с прямозубыми цилиндрическими колесами. Расчетная схема представлена на рис. 7 [8, 9].

(3)

0 0.5 1.0 1.5 2.5 t, с

Рис. 6. Изменение тока по оси d генератора ТВВ-220-2

Рис. 7. Расчетная схема одноступенчатого зубчатого редуктора с прямозубыми цилиндрическими колесами

•ЛФ: + М4>1 Ф2 ) + ^1(Ф1 -Ф2) = Pr1 + Мъ

J 2ф2 + Мф2 -ф1) + ^1(Ф2 -Ф1) = Pr2 + 2,

m1X1 + CjXj + cc1x1 + c( X1 + Ф1 уг + Ф1 уг) =

= -Pr + cc1 e cosф1 + cc2 e2 cosф2, m1 У + c У + ccx У1 + c( у1 + Ф1Х1 + ф1Х1) =

= -Pr + cc1 .e1 sin Ф1 + cc2 e2 sin Ф2, m2 X2 + c2 X2 + cc2 X2 + c( X2 + Ф2 У2 + Ф2 У2):

= -Pr + cc2je2 cosф2 + cc1 e cosФ1,

m2 У2 + c2 У2 + cc2 У2 + c( У2 + ф2 X2 + ф2 X2) =

= -Pr + cc2 e2 sin Ф2 + cc1 j.e1 sin Ф1,

с[2)812 = с21)821 = Pr,

X1 + Г01Ф1 + ^12 = X2 + Г02Ф2 + ^21.

В системе приняты следующие обозначения: J1, J2 - моменты инерции относительно собственной оси вращения зубчатого колеса; m1, m2 -массы зубчатых шестерней; ф1, ф 2 - углы поворота дисков; r01, r02 - радиусы основных окружностей зубчатых колес; q1 - крутильная жесткость вала; k12 - коэффициент, характеризующий вязкость вала; c1 - коэффициент внешнего трения при изгибных колебаниях; c - коэффициент внутреннего трения при изгибных колебаниях; cc1, cc2 - изгибные жесткости вала;

с[2),с21), S12,821 - приведенные к линии зацепления изгибно-контактные жесткости и деформации зубьев колес; Pr - реакция зацепления; e1, e2 - эксцентриситеты зубчатых колес; Xj, Уj -координаты центров зубчатых колес в точках измерения изгибных колебаний; g - ускорение силы тяжести.

Наиболее целесообразно использовать в со-

ставе фазохронометрической информационноизмерительной системы в качестве первичных преобразователей угловых перемещений в соответствующие им прецизионные отсчеты интервалов времени растровые кинематометры с высоким угловым разрешением, выпускаемые отечественной промышленностью.

В качестве примера-аналога можно привести полученные на кафедре «Метрология и взаимозаменяемость» результаты исследования роликового редуктора [10]. Полученные при этом хронограммы выявили совершенно неожиданно ярко выраженный стоп-стартовый режим вращения системы. Анализ обнаруженного явления показал, что в его основе - влияние сухого трения, присутствующего в системе торможения на экспериментальном стенде.

4. Математическая модель асинхронного привода

На тепловозе 2ТЭ25А применяется электрическая передача переменного тока с поосным регулированием силы тяги, с тяговыми статическими преобразователями частоты на базе автономных инверторов напряжения, асинхронными тяговыми двигателями ДАТ-350, обеспечивающая повышение тяговых свойств тепловоза.

В асинхронной машине поле статора вращается со скоростью га1, а механическая скорость ротора “Р =юх (1 - £), поле ротора вращается относительно ротора с ю1 +юР =ю1 £, а в пространстве скорости полей статора и ротора одинаковы и неподвижны относительно друг друга (£ - скольжение асинхронной машины). Это свойство используется в координатных осях асинхронной машины. Координатные оси и, V статора и ротора вращаются синхронно, также неподвижны относительно друг друга, как и оси С, д [11].

При этом уравнения Парка - Горева для асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в синхронно вращающихся координатах и, V при одинаковых с синхронным генератором токах и напряжениях фаз, имеют вид:

-д + 4 +мССС+“1 (ідь£ + Мі2д)=и- ’

йід йі2д

ІдГД + -----+ -----+ “і (ІдL£ + .^^2 — ) = ид ,

„ д Д £ сії А 1 д£ 2С д (4)

і2йг2 + +М~Сс + (“1 ~“р )(І2д^я + Мід) = 0

Сі2д йід

І2дГ2 + + М~С% + (“1 Р )(і2С^К +Мі-) = 0

где Гд , г2 - активные сопротивления обмотки фазы статора и ротора асинхронного двигателя; Ь£, Ьк - полные индуктивности фазы обмотки статора и ротора асинхронного двигателя; “ -частота вращения ротора, приведенная к угловой частоте юи напряжения и на выводах генератора; іс, ід - проекции векторов полного тока статора машины на продольную и поперечную оси машины; і2С, і2 д - проекции векторов полного тока ротора машины на продольную и поперечную оси машины; М - взаимная индуктивность обмоток; ш1, “Р - скорости ращения поля статора и ротора асинхронного двигателя.

Заключение

Состояние тягового подвижного состава железнодорожного транспорта должно соответствовать самым высоким техническим требованиям, а также требованиям надежности и безопасности. Данная задача не может быть эффективно решена без применения самых современных средств информационно-метрологического сопровождения и диагностики. Одним из таких методов может стать фазохронометрический метод контроля технического состояния железнодорожного транспорта. Поскольку ни одна современная система диагностики невозможна без проведения многофакторного мАтематического моделирования, в статье построена многофакторная математическая модель дизель-генератора, применяемого на отечественных тепловозах, на примере тепловоза 2ТЭ25А с асинхронным приводом мощностью 2^2500 кВт.

Математическая модель включает в себя следующие составляющие:

- математическая модель дизельной установки;

- математическая модель генератора;

- математическое моделирование редуктора тележки тепловоза;

- математическая модель асинхронного привода.

Математическое моделирование обеспечивает отработку критических режимов, имитацию возможных дефектов функционирования системы, имитацию приближенных к аварийным режимов, отработку конструкции и др. Имитационное математическое моделирование дизель-генератора тепловоза существенно экономит время на конструкторско-технологическую отработку изделия и уменьшает неопределенность знаний об объекте.

Список литературы

1. Киселёв М.И., Пронякин В.И. Проблема точности при метрологическом обеспечении производства и эксплуатации машин и механизмов // Проблемы машиноведения: точность, трение и износ, надежность, перспективные технологии / Под ред. В.П. Булатова. СПб: Наука, 2005. С. 7-24.

2. Киселёв М.И., Пронякин В.И. Фазовый метод исследования циклических машин и механизмов на основе хронометрического подхода // Измерительная техника. 2001. №9. С. 15-18.

3. Пронякин В.И. Проблемы диагностики циклических машин и механизмов // Измерительная техника. 2008. №10. С. 9-13.

4. Комшин А.С. Имитационное математическое моделирование экспериментального определения параметров деградирующей колебательной системы // Измерительная техника. 2008. №10. С. 5-8.

5. Федяева Г.А., Федяев В.Н. Математическое моделирование электромеханических процессов в

асинхронном тяговом приводе тепловоза ТЭМ21 // Вестник ВНИИЖТ. 2005. №6.

6. Новик Н.В. Математическое моделирование хронометрического контроля работы циклических механизмов. Дис...канд. техн. наук. М., 1999. 108 с.

7. Костюк О.М., Соломаха М.И. Колебания и устойчивость синхронных машин. Киев: Наукова думка, 1991. 200 с.

8. Динамические расчеты приводов машин: монография / В.Л. Вейц, А.Е. Кочура, А.М. Мартыненко. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние., 1971. 352 с.

9. Филлипов А.П. Колебания деформируемых систем. М.: Машиностроение, 1970. 736 с.

10. Орлова О. С. Оценка вибрологической корректности стендовых испытаний роликовых редукторов // Измерительная техника. 2009. №1. С. 41-43.

11. Мишин В. И. и др. Математическая модель автономной системы «синхронный генератор - асинхронный двигатель» // Енергетика та електрифікація. 2006. №10. С. 30-36.

SPECIFIC FEATURES OF DIESEL GENERATOR SET DYNAMICS M.I. Kiselev, A.S. Komshin

A multiple-factor mathematical model for a diesel generator set applied in Russian diesel locomotives is considered, using diesel locomotive 2TE25A with 2x2500 kW capacity asynchronous drive as an example.

Keywords: phase chronometry, mathematical model, time intervals, diesel engine, generator, induction motor, drive.