CC BY
25
Список литературы
1. Хомич А. З., Жалкин С.Г., Тартаковский Э.Д. Диагностика и регулировка тепловозов. - М.:Транспорт, 1977. - 222 с.
2. Локомотив: диагностика, эксплуатация. / А. З. Хомич, А.Д. Шевчук, С. Г. Жалкин, Э. Д. Тартаковский - Харьков: Прапор, 1975. - 112 с.
3. Биргер И. А. Техническая диагностика. - М.: Машиностроение, 1978. - 240 с.
4. Харкевич А. А. Теория информации. - М.: Наука, 1973. - 523 с.
5. Круглов В. В., Дли М.И., Голунов Р. Ю. Нечеткая логика и искусственные нейронные сети. - М.: Нолидж, 2002. - 226с.
УДК 629.4.016:621.313.222
Горобченко О. М., к.т.н., доцент (Дон1ЗТ) Кривошея Ю. В., к.т.н., доцент (Дон1ЗТ) ГатченкоВ.О., шженер (Дон1ЗТ)
РОЗРОБКА КОМПЛЕКСНО? МАТЕМАТИЧНО1 МОДЕЛ1 СИЛОВОГО КОЛА ЕЛЕКТРОВОЗА З ВИКОРИСТАННЯМ ПРОГРАМНОГО ПАКЕТУ МЛТЬЛБ.
Постановка проблеми. В тепершнш час проведения наукових дослщжень на зашзничному транспорт значно ускладнилося. До основних причин цього явища вщносяться брак кош^в, потрiбних на придбання вщповщного обладнання i апаратури, а також достатньо тривалий i непростий процес отримання дозволу на будь-як конструктивы змши в рухомому складь Тому при проведенш експериментального шдтвердження розроблених теоретичних положень на перший план замють фiзичного моделювання виступае математичне. Воно не спроможне в повнш мiрi замiнити практичний дослщний матерiал, але при достатнiй деташзацн розрахункiв дае досить iмовiрнi результати. Умови для всебiчного впровадження математичного моделювання створив розвиток комп'ютерних технологш i програмного забезпечення. Це дозволило значно тдвищити якiсть i скоротити час розрахунюв таких складних процеЫв, що протiкають на рухомому складi пiд час реашзацн тягового зусилля.
AHaMi3 дослiджень i публЫацш. Математичний апарат для розрахунку основних вузлiв i агрега^в локомотивiв та процеЫв в них розроблений на достатньо високому рiвнi: вiд мехашчно! частини [1-3] до тягових двигушв [4-7] i зони зчеплення колеса з рейкою [8-11]. Однак розробка математично! моделi силового кола електровоза в цшому проводилася дуже рщко по причинi складностi розрахункiв.
Постановка завдання. Використання обчислювальних машин для визначення конструкци локомотивiв запропоновано ще в 60-х роках минулого столггтя [12] i ставило за мету розрахунок окремих вузлiв. Розвиток шформацшних технологiй обумовлюе завдання використання останшх розробок в цiй галузi для моделювання роботи складових залiзничного транспорту, зокрема електровозiв. Завдяки цьому з'явилась можливють створення комплексно! математично! моделi тягово! одиницi з урахуванням впливу характеристик кожного агрегату на протшання внутршшх робочих процесiв i показники реашзацп тягового зусилля.
Виклад основного матерiалу. У наш час кнуе ряд програм для математичного i вiртуального моделювання рiзних електричних i електронних систем. До них вщносяться пакети P-CAD, OrCAD, MatLab, MathCAD, Electronics Workbench i iнших. З точки зору моделювання роботи силових електричних схем найбшьш пiдходячим е пакет MatLab. Програма Simulink е складовою MatLab [13]. Це шструмент для моделювання, iмiтацi! i анашзу динамiчних систем, що дае можливють будувати графiчнi блок-дiаграми, iмiтувати i дослiджувати працездатнiсть систем i вдосконалювати проекти.
У бiблiотецi блокiв SimPowerSystems е модель DC Machine - машини постiйного струму [14]. У стандартному виглядi для моделювання тягового електродвигуна схема, приведена в Simulink не придатна. У схему були внесет наступш змши (рисунок 1): додано шдсистему t1, що забезпечуе визначення температури обмоток двигушв; додано блоки Controlled Current Source, Fcn, Fcn1, Product, Add для iмiтацii' температурно! змши опору обмоток; у блок Mechanics уведений блок обчислення магнггного потоку для послщовного збудження з урахуванням впливу вихрових струмiв.
З урахуванням зазначених змш у вжно параметрiв електродвигунiв (рисунок 2) вводяться зверху вниз наступнi параметри: ошр i iндуктивнiсть обмотки якоря; ошр i iндуктивнiсть обмотки збудження; конструкцшна постiйна по е.р.с., помножена на коефщент вiдхилення потоку; шерщя при обертаннi вала якоря (з урахуванням шерци руху по!зда); коефщент грузлого тертя; реактивний момент опору; початкова кутова швидюсть вала двигуна.
¡A
- a—1 <> -
R3 1
FC&d
FCEM
Measiiertiint lift
Mechanics
L
F- Voltjha Mesui
Rf Lf
MOiil
1
Fcf,
©
Ccntrelfed Cv
imant
fe nt Scarce
F roJud
Ad<J
u^Rj+Rfi
Foil
PncyHOK 1 - CxeMa Mogem T^roBoro gBHrym noerrnHoro cipyMy
PncyHOK 2 - 3MiHeHe BiKHO yBegeHHa napaMeipiB e^eKipogBHryHa
Для перевiрки працездатност моделi були введет вихщт данi для двигуна НБ-406Б и вiртуально знята швидкiсна характеристика двигуна при напрузi живлення 1500 В. У райош струмiв навантаження вщ 200 до 430 А рiзниця мiж отриманими значеннями i реальною швидкiсною характеристикою не перевищуе 0,85%, за межами цього штервалу погрiшнiсть досягае 2,14%. Це дае шдставу говорити про достатню точшсть моделi електродвигуна.
Для моделювання навантаження i створення сили тяги локомотивом створений блок , позначений LOAD. Його схема представлена на рисунку 3.
Рисунок 3 - Схема блоку LOAD
Блок мае 9 входiв: V - сигнал швидкост руху, М1-М8 - сигнали момент1в, що розвиваються тяговими електродвигунами. Сигнал V
надходить на блок Fcn, що обчислюе отр руху по формулi, залежно вiд типу локомотива i вагошв по!зда. Пiсля цього сигнал про ошр руху дiлиться на число рушшних осей локомотива i розгалужуеться по блоках D1-D8. Там вш множиться на величину Di/Dn (Di - дiаметр бандажа i-о! колюно! пари, Dn - номiнальний дiаметр бандажа). Цим ураховуеться вплив рiзницi бандажiв на момент опору якорю електродвигуна. Шсля блокiв D1-D8 сигнали подаються на входи TL вщповщних двигунiв.
Сигнали вiд М1-М8 надходять на блоки Fcn2-Fcn9, де обчислюеться сила тяги кожного колюно-моторного блоку. Далi цi сигнали пiдсумовуються i на виходi Fк маемо дотичну силу тяги локомотива. Пропорцшно Fк вiдбуваеться розподiл навантажень вiд осей на рейку. Розраховуються щ навантаження в блоках Fkmax razgruzka i Fkmax dogruzka, значення виводяться на диспле! 1,2,5,6 k i 3,4,7,8 k.
Якщо величина сили тяги колюно-моторного блоку вище величини його динамiчного розвантаження, то блок порiвняння If подае сигнал про наявшсть буксування на дисплей Display of boxing (замють «0» з'явиться «1»).
Також обчислюються величини параметра os, навантаження колюно! пари, що лiмiтуе, основного коефiцiента використання зчiпно! маси локомотива i передаються на осцилограф 1.
Попередньо в модель необхщно внести наступш данi: маса по!зда, ухил, кшьюсть рушiйних осей локомотива, база тдвшування локомотива, висота автозчеплення, кшьюсть секцiй i маса локомотива, коефщент зчеплення, номiнальний дiаметр бандажiв колюних пар, передаточне число тягового редуктора, фактичш дiаметри бандажiв.
Загальний вид моделi представлений на рисунку 4.
Джерелом напруги (контактна мережа) е блок Contakt - кероване джерело напруги. До нього приеднаний блок керування Var voltage, що дозволяе мшяти напругу як плавно, так i стрибками.
Для вимiру струмiв i напруг у колi встановлеш вимiрювальнi пристро! Current Measurement i Voltage Measurement. Вихщним сигналом блоку е звичайний сигнал Simulink, що може використатися будь-яким Simulink-блоком. Витрату електрично! енергi! розраховуе блок Power Measur, що iнтегруе добуток миттевих значень струму i напруги i вiдправляе сигнал, на Display power.
Тяговi електродвигуни на рисунку 4 з'еднаш у вiдповiдностi зi схемою паралельного з'еднання електровоза. Кожний з них мае вихщ m, з якого на осцилографи подаються сигнали про частоту обертання якоря, струм якоря, струм збудження, момент двигуна.
ö ♦ ^
13
S • ^
on
а р
г
о р
п в
а в и т о м о к
0 л
1
л
е
д
о
о н ч и
ати
м е
ате
а р
тур
к
у
р
т с а н ь
аг З
к о
н
у
с и Р
Також можна контролювати значення сили тяги локомотива (блок Бк kN), температури нагрiвання якiрних обмоток (блок Display temperature), шлях, пройдений локомотивом (блок km), поточне значення швидкост руху (блок km/h). Для можливост моделювання роботи силово! схеми в режимi реального часу i ручного керування змодельований контролер машишста.
На моделi було поставлено експерименти, результати яких показаш нижче. Вихщними даними були такi: локомотив ВЛ8 рухаеться на шдйом 8%о з по!здом масою 4000 т з навантажених чотиривюних вагонiв по прямш дiлянцi. Дiаметри всiх бандажiв 1200 мм. З'еднання П. У першу гшку включенi двигуни з вщхиленням швидкiсно! характеристики +3%, у другу - -3%, у третю - +3%, у четверту - -3%.У режимi вiдновлення напруги на струмоприймачi при русi електровоза кидки струму по двох паралельних гiлках показаш на осцилографi на рисунку 4.34.
На рисунку 5 представлен ^mi змiни частоти обертання, струму якоря, струму збудження, моменту двигуна при перепадах напруги контактно! мережi (з 3000 до 2500 i з 2500 до 3000).
Рисунок 5 - Осцилограми параметрiв тягового електродвигуна при перепадах напруги в контактнш мережi
При зривi на буксування передньо! ос параметри першого двигуна будуть виглядати як показано на рисунку 6. У цьому випадку змодельований режим ОП2 при з'еднанш П.
За допомогою представлено! математично! моделi доцшьно зрiвняти ефективнiсть використання зчшно! маси в локомотивiв з рiзними варiантами установки колiсно-моторних блоюв. Припустимо, на локомотив по краях установлен колiсно-моторнi блоки, що розвивають бiльшi тяговi зусилля в порiвняннi з iншими - Р5>Г0 i ¥0 -тягове зусилля лiмiтуючоl i усереднено! колюно! пари). Його характеристики використання зчшно! маси наведеш на рисунку 7. За час моделювання загальний час буксування склав при перепадах напруги 18,3 с. Рiзниця струмiв по гiлках становила в середньому 9 А. Локомотив про!хав за час моделювання 13,84 км i затратив 1569 кВт. Наприкшщ моделювання рiзниця по температурах на^вання обмоток склала 2оС.
Рисунок 6 - Осцилограми параметрiв тягового електродвигуна при зривi на буксування i вiдновленнi нормального зчеплення
Рисунок 7 - Змши основного коефщента використання зчшно! маси локомотива, параметра о8 при перепадах напруги контактно! мережi
На рисунку 8 показаш результати моделювання за тих самих умов, але на крайш осi встановленi колюно-моторш блоки, що розвивають сили тяги менш^ чим iншi.
Рисунок 8 - Змши основного коефщента використання зчшно! маси локомотива, параметра о8 при перепадах напруги контактно! мережi
Загальний час буксування при цьому склав 5,3 с. Рiзниця струмiв по гшках становила в середньому 8 А. Локомотив про!хав за час моделювання 14,72 км i затратив 1601 кВт. Наприкшщ моделювання рiзниця по температурах нагрiвання обмоток склала 1,5оС.
При порiвняннi осцилограм на рисунках 8 i 9 видно що при другому варiантi розмщення колiсно-моторних блокiв коефщент використання зчшно! маси в сталому режимi був бшьше (0,986) нiж у першому (0,958). Крiм того, у другому варiантi питома витрата електроенергi! виявився нижче (108,76 кВт/км) шж у першому (113,36 кВт/км).
Висновки. На пiдставi юнуючих теоретичних розробок за допомогою пакета МайаЬ розроблена комплексна комп'ютерна математична модель силового кола електровоза постiйного струму, що дозволяе контролювати струми в будь-якiй дшянщ кола, витрату електроенергi!, температури на^вання двигунiв, змiни коефiцiента використання зчшно! маси, швидюсть руху, пройдений шлях та шше. За допомогою представлено! математично! моделi вдалось виконати порiвняння ефективностi використання зчiпно! маси у локомотивiв з рiзними варiантами установки колюно-моторних блокiв. Доведено, що найбшьш повно використовуеться зчiпна маса локомотива, у якого на крайш ос встановленi колiсно-моторнi блоки, що розвивають мiнiмально припустимi сили тяги. Судячи з осцилограм перехщних процесiв, модель е адекватною i достатньо точною. Таким чином, можна зробити висновок, що !! доцшьно використовувати в подальших дослiдженнях роботи електричного рухомого складу за умови модершзаци з урахуванням конкретних завдань експерименлв.
Список лтератури
1. Хлебников В. Н. Конструкция электровозов. Механическая часть. - М.: Машиностроение, 1964. - 188 с.
2. Бирюков И. В., Савоськин А. Н., Бурчак Г. П. и др. Механическая часть тягового подвижного состава. - М.: Транспорт, 1992. - 440 с.
3. Медель В. Б. Проектирование механической части электроподвижного состава. -М.: Трансжелдориздат, 1963. - 225 с.
4. Некрасов О. А. Взаимосвязь между условиями работы электроподвижного состава и нагреванием обмоток тяговых двигателей. Тр. ЦНИИ МПС вып. 576 -М., 1977. - С. 40—65.
5. Павленко А.П., Осиновский О.А. Математическое моделирование динамических процессов в системе тягового электропривода тепловозов. Вюник Схщно-укра!нського нацюнального ушверситету 1м. В. Даля. - Луганськ, 2004. - С. 3442.
6. Павленко А.П., Кийко А.И., Осиновский О.А. Моделирование систем «тяговий электропривод-микропроцессорное устройство предупреждения боксования колесных пар» грузовых локомотивов. Вюник Схщноукрашського нащонального ушверситету iM. В. Даля. - Луганськ, 2004. - С. 72-83.
7. Захарченко Д. Д., Ротанов Н. А., Горчаков Е. В. Тяговые электрические машины и трансформаторы - М.: Транспорт, 1979. - 303 с.
8. Moreau A. Characteristics of wheel/rail contact. // Rail Engineering. International Edition, 1992, No 3, p. 15 -22.
9. Шарпан С.М. Науковi основи удосконалення протибуксовочних систем тепловозiв. Вюник Схщноукрашського нащонального ушверситету iм. В. Даля. -Луганськ, 2004. - С. 43-50.
10. Минов Д. К. Повышение тяговых свойств электровозов и тепловозов с электрической передачей. - М.: Транспорт, 1965. - 268 с.
11. Головатый А. Т., Некрасов О. А. Проблемы коэффициента сцепления электровозов. // Вестник ВНИИЖТ. - 1975. - № 7. - С. 1—5.
12. Исаев И. П., Перова А. А., Бурчак Г. П. Расчет конструкции электроподвижного состава на вычислительных машинах. - М. Транспорт, 1966. - 175 с.
13. Потемкин В.Г. Введение в Matlab (v 5.3) М.:, 2001.- [Цит. 2007, 15 липня].-Дocтyпний з: < http://matlab.exponenta.ru/ml/book1/matlab/chapter0/0_0.php>.
14. Черных И.В. "Simulink: Инструмент моделирования динамических систем" -М.:, 2005.- [Цит. 2007, 5 липня].- Дocтyпний з:< http://matlab.exponenta.ru. >.
УДК 629.4.067.3:629.4.027.11
Петухов В. М., инженер (УкрГАЖТ)
БУКСОВАЯ ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ
Разрабатываемая технология непосредственного контроля и диагностики буксовых узлов с помощью бортовых диагностических станций призвана обеспечить раннее обнаружение и предупреждение о неисправностях букс[1], [2]. Для данной технологии на кафедре «Вагоны» УкрГАЖТ был разработан и изготовлен экспериментальный образец буксовой диагностической станции (БДС).
В данной статье приводятся устройство, основные характеристики и принцип работы буксовой диагностической станции.
