Визначення сили тяги пасажирського електровоза при вирішенні задач тягового забезпечення Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 656.224.022.846

С. В. АРПУЛЬ (ДНУЗТ)

Кафедра Електрорухомий склад, Днтропетровський нацюнальний университет зал1зничного транспорту ¡меш академка В. Лазаряна, вул. Лазаряна 2, Днтропетровськ, Украша, 49010, тел.: (056) 373-15-31, ел. пошта: загри!@1.иа

ВИЗНАЧЕННЯ СИЛИ ТЯГИ ПАСАЖИРСЬКОГО ЕЛЕКТРОВОЗА ПРИ ВИР1ШЕНН1 ЗАДАЧ ТЯГОВОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ

Вступ

Проблема оновлення пасажирсысого тягового рухомого складу затзниць Украши в нишш-шй час набула першочергового значения. За данный Укрзатзнищ [1] на сьогодш середшй зное парку електровоз1в складае 90 % 1 до 2015 року з швентарного парку через зношешеть необхщно вилучити близько 95 % електровоз1в серп ЧС2 та 75 % серп ЧС4 у яких закшчився вже подовжений до 45 рою в термш служби.

Необхщшсть оновлення парку пасажирських електровоз1в Укрзатзнищ викликана не тшьки морально та ф1зично застаршим станом парку пасажирських електровоз1в але й необхвдшетю освоения зростаючих обсяпв пасажирських пе-ревезень, планованим на перспективу шдви-щенням швидкост1 руху пощцв, введениям в експлуатащю прискорених та швидюсних пасажирських П01зд1в.

Для виршення таких проблем вкрай необ-хщним е насичення парку сучасними пасажир-ськими електровозами.

У зв'язку з охарактеризованим вище станом парку пасажирських електровоз1в перед Укрза-л1зницею постае задача по вибору параметр!в перспективних електровоз1в використання яких забезпечить висою значения показниюв екс-плуатащйно! роботи.

Проблема вибору параметр ¡в номшального режиму тягових засоб1в перебувала в пол1 зору галузево! науки практично протягом вс1е! ¡сто-р11" впровадження та експлуатацп затзничного транспорту. I в цш обласп отримано ряд най-важливших ршень вщомими вченими-затзничниками [2-4].

Проведений анаттичний огляд вщомих ро-01т показав, що для ршення тако! задач 1 можна використовувати шдходи, розроблеш для ван-тажних електровоз1в [3], однак реатзащя 1х стосовно до пасажирських електровоз1в вима-гае ршення ряду самостшних задач.

Постановка задач1

Розв'язання задач тягового забезпечення не можливе без виконання тягових розрахунюв [3]

в зв'язку з чим виникае необхщшсть у розробщ методики визначення керуючих параметр!в рь вняння руху по!зда при не в1 дом их тягових характеристиках електровоза. В зв'язку з цим в данш робот1 пропонуеться тдхщ до визначення тягових характеристик пасажирських електро-воз1в з колекторним та асинхронним тяговим приводом.

Основними зовшшшми параметрами пасажирських електровоз1в е потужшеть 1 швидисть руху но м 1 нал ь но го режиму. Разом з тим ряд 1х най важл и в1 ш их експлуатащйних характеристик залежить вщ пусково! швидкосп, пусково! сили тяги 1 залишкового прискорення при конструк-щйшй швидкосп. Тому розв'язання задач 1 визначення ном¡нально!' потужносп зводиться до мо-делювання взаемозв'язку цих параметр! в та отри-мання 1х рацюнально! комбшацп.

Потужшеть номшального режиму пасажирсь-кого електровоза може бути визначена за виразом

Ун = 2,725-10"3 (кР -ку)'1 кВт (1)

де Уи - пусков! сила тяги та швидюсть електровоза;

кр, ку - вщношення пусково! сили тяги та швидкост! руху електровоза вщповщно до сили тяги та швидкост! руху ном ¡наль но го режиму.

Пускову силу тяги електровоза визначимо з умови реатзаци заданого пускового прискорення за наступним виразом

^кп = Кад + *' + Ю2ап(1 + У)](Р + о), (2)

де м?0 - основний питомий ошр руху по!зда;

/ - величина ухилу на якому вщбуваеться пуск;

ап - максимальне значения прискорення по!-зда при пусковш швидкост! (пускове прискорення);

(1+у) - коефщ1ент шерци обертових мае по!-зда;

Р, <2 - маса електровоза та складу пасажир-ського по!зда.

В вираз (2) входить значения маси електровоза, яка при виршанш задач тягового забезпечення на перспективу е невщомою, в зв'язку з

О Арпуль С. В., 2013

чим виникають певн1 труднощ1 при визначен1 сили тяги та потужносп електровоза.

Моделювання маси пасажирського електровоза

Для визначення пусково! сили тяги можна скористатися анал1тичним виразом, який пред-ставляе собою вщношення маси електровоза до маси состава [4] пасажирського по!зда <2 I за умов повного використання сили зчеплення може бути визначений як

<п +1%г +/+102ап(1 + ус)

Р Q 1000 ч/кп-Кп+j+ 102Опа + Ул)]

(3)

Де ИОП ■ ИОП ~ основнии питомии ошр руху локомотива в режим 1 тяги I пасажирського состава при пусковш ш в ид к ост к

и^пг - додатковий питомий ошр руху пасажирського состава вщ шдвагонних генератор1в;

(1+ус). (1+ул) - косфщ!енти шерцн обертових мае состава та електровоза.

А нал п залежносп (3) показав, що значения коефщента кр визначають тип тягового приводу, пускова швидюсть Уи та пускове приско-рення ап (рис. 1) \ для виршання практичних задач можна апроксимувати залежнють (3) по-л1 номом виду

кр =b0+bxVn+b2an, коефщенти якого наведен! в табл. 1.

(4)

Таблиця 1 Значения косфииснтш форму ли (4)

Тип ЕР С h h Ь2

постшного струму -0.061 0,0022 1,0146

змшного струму -0.044 0,0019 0,8171

з асинхронними ТЕД 0,009 0,0011 0.5704

Використовуючи залежнють (3), анал1тичш вирази для визначення пусково! сили тяги 1<\,„. основного опору руху по!зда м?0 та потужносп номшального режиму пасажирського електровоза можна записати у виглядк

^кп = (1 + кр)[м>о(Уп) + / + 102ап(1 + у)]0; (5)

1 + кг

(6)

-Ч (X+kD)

=2,725-10 [w0(yn) + ; + lQ2an(l + Y)]Vn6V, , ■

К J7" К~\/

(7)

Рис. 1. Залсжносп кр в1д пускового прискорення та пусково! швидкостг а - колекторний привод; б - асинхронний привод

Аналгз параметр: в юнуючих електровоз1в показав, що при розв'язанш практичних задач коефщ1енти ку \ кр можуть бути прийшт р1в-ними 0,85 1 1,7 вщповщно. Таким чином, при задан 1Й масл состава задача визначення потуж-ност! ном шального режиму пасажирських еле-ктровозт зводиться до визначення пусково! швидкосп V,,.

У якосп одного з показншав рацюнальност1 вибору пусково! швидкост! руху електровоза дощльно вибрати витрати електроенергп на тягу при заданому чаа руху по!зд1в. Визначення витрат електроенергп та часу ходу по!зд1в базуються на результатах тягових розрахунюв, для виконання яких потр1бно встановити обме-ження облает! припустимих керувань для режиму тяги, тобто визначити координати тягово! характеристики електровоза.

Визначення тягових характеристик пасажирського електровоза

Для пасажирського електровоза тягова характеристика може бути представлена графиками показаними на рис. 2. На штервал1 швидкосп [0; ¥п] (вирпок аЬ на рис. 2) сила тяги обмеже-на максимальним припустимим струмом тягових двигушв або максимальною силою зчеплення 1 може бути визначена за виразом (5).

О АрпульС. В., 2013

/Пшя Ьс гранично! характеристики вщпов!-дае реал!заци иотужност!, р!вшй потужносп при пусков!й швидкост! Уп. При використанш колекторних тягових двигушв сила тяги на цш дшянщ 1''кц1С) забезпечуеться регулюванням збу-дження! визначаеться як

FK(bc)(V) =

F V г кп уп

V

(8)

Сила тяги на д!лянщ сс! (рис. 2а) визначаеться ступенем допустимого ослабления збуджен-ня Ртт та насиченням магштного кола машини. I! можна визначити за допомогою виразу

* ( * ' ^к [V |^кп

к

к (cd)

^Fß min

(9)

де (V ) - ун!версальна тягова характеристика.

Анатз тягових характеристик сучасних еле-ктровоз!в постшного та змшного струму показав можлив!сть використання ун!версальних тягових характеристик - залежнють сили тяги в!д швидкост! в одиницях тривалого режиму. Для практичних розрахунюв можна апроксиму-вати щ характеристики аналиичним вир азом виду

'к =

1

ci+cjV +С3У

*2

(10)

коефщенти якого визначен! за методом най-менших квадрапв ! наведеш в табл. 2.

Таблиця 2 Значения коефщштв в формул! (10)

Тип ЕРС Cl С2 Сз

постшного струму 0,036 -1,42 2,353

змшного струму 1,852 -4,56 3,703

К,

(cd)

V2

(11)

V. V

0 V V V V

и с * к

Рис. 2. Гранична тягова характеристика пасажир-ського електровоза:а - колекторний привод; б - асинхронный привод

В питомих одиницях ви\пру координата гранично! тягово! характеристики визначимо за виразом

7 К(У) = тт{/Ш1(У) + /фс)(У) + /кМ)(^)},

для визначення складових якого отримаш форму ли:

/кп =won +z +Ю2ап(1 + у);

(12)

/к (bc)(v) =

-/кп^п .

V

Анал1з похибок визначення тягових характеристик електровоз1в за допомогою ушверса-льних тягових характеристик показав, що оцш-ки математичного оч!кування т та середньок-вадратичного в!дхилення о похибок для елект-ровоз1в поспиного струму р1вш: т = 0,0013 \ о = 0,037, а для електровоз1в змшного струму: т = 0,0005 1 о = 0,024.

У електровоз1в з асинхронними тяговими д вигу нами (рис. 26) на дшянщ сс! сила тяги обернено пропорцшна квадрату швидкост! руху 1 може бути визначена за виразом

* У

fK(cd)(V) = FK kVT7~

V У л

/к

п J

min

(13)

Параметри перспективних електровоз1в встановлюють за умов можливосп реал1защ! при конструкцшнш швидкост! руху Ук надлиш-кового прискорення а0 > а03, де а0 3 - заданий р1вень надлишкового прискорення. Для перев1-рки виконання названо! умови скористаемося виразом

Лп

Vn J ^ßmin який отримано з урахуванням (13).

[102(1 +у)] ^

(14)

©АрпульС. В., 2013

*

Сшвставляючи (12), (13) 1 (14) доходимо ви-сновку, що як координата гранично! тягово! характеристики /К(У), так 1 залишкове ириско-рення а0 е функщями параметр!в - иусково! швидкост1 V,, 1 прискорень ап та а03.

Висновок

Використання заироионованих ушверсаль-них граничних тягових характеристик 1 методу

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Сергиенко Н. И. Решение проблем подвижного состава железных дорог Украины через взаимодействие государственного и частного секторов экономики / Н. И. Сергиенко // Локомотив-информ. -2010,-№6.-С. 40-46.

2. Сломянский А. В. Выбор типов магистральных локомотивов / А. В. Сломянский // Тр. ВНИИЖТа. - М.: Трансжелдориздат, 1960. - № 184. - 164 с.

3. Гетьман Г. К. Моделирование ограничений области допустимых управлений уравнения движения поезда в задачах тягового обеспечения / Г. К. Гетьман // Вюник Харшвського державного шштехшчного ушверситету: зб. наук.пр. - Харшв: ХДПУ, 1999. - № 85. - С.44-51.

4. Гетьман Г. К. Определение оптимальной по минимуму расхода энергии на движение поезда мощности локомотива // Транспорт. Математичне мо-делювання в ¡нженерних та сконо\пчни\ задачах транспорту: 36. наук.пр. / Ред. кол.: Босов А. А. /гол. ред./ та ш. - Дшпропетровськ: Слч. 1999. - С. 177182.

Надшшла до дру ку 18.04.2013.

визначення зчшнет маси електровоза дозволяе визначити обмеження керуючих параметр!в р1вняння руху ио!зда (w0 та /к) у в игл яд i залеж-ностей, що не е функщями маси состава. Ця обставина суттево сирощуе ршення задач тягового забезиечення.

REFERENCES

1. Sergienko N. I. Reshenie problem podvizhnogo sostava zheleznykh dorog Ukrainy cherez vzaimodeystvie gosudarstvennogo i chastnogo sektorov ekonomiki [The solution of the problems of the rolling stock of Railways Ukraine through the interaction of public and private sectors of economy] / N. I. Sergienko // Lokomotiv-inform. - 2010. - №6. - p. 40-46.

2. Slomyanskiy A. V. Vybor tipov magistralnykh lokomotivov [Selection of the locomotive types] / A. V. Slomyanskiy // Tr. VNIIZhTa. - M.: Transzheldorizdat, 1960.-№ 184.- 164 p.

3. Getman G. K. Modelirovanie ogranicheniy ob-lasti dopustimykh upravleniy uravneniya dvizheniya poezda v zadachakh tyagovogo obespecheniya [Modeling of the limitations of the tolerance departments of the equations of motion of the train in the tasks of traction ensure] / G. K. Getman // Visnik Kharkivskogo derzhavnogo politekhnichnogo universitetu: zb. nauk.pr. - Kharkiv: KhDPU, 1999. - № 85. - pp. 44-51.

4. Getman G. K. Opredelenie optimalnoy po mini-mumu raskhoda energii na dvizhenie poezda moshchnosti lokomotiva [Determination of optimal on a minimum consumption of energy for the movement of the trains of the the locomotive power] // Transport. Matematichne modelyuvannya v inzhenernikh ta ekonomichnikh zadachakh transportu: Zb. nauk.pr. / Red. kol.: Bosov A. A. /gol. red./ ta in. - Dniprope-trovsk: Sich, 1999. - pp. 177-182.

Статтю рекомендовано до друку д.т.н., профссором /'. К. Гетъманом

Специфка визначення керуючих параметра ртняння руху в задачах тягового забезпечення полягае у в1дсутност1 тягових характеристик i даних про величину маси електровоза.

У po6oTi запропоновано ршення цiei задач1 за рахунок вводу вщносноТ маси локомотива i використання ушверсальних тягових характеристик, отриманих для електровозт з колекторними тяговими двигунами поспйного i пульсуючого струму, а також з асинхронним тяговим приводом. В результат запропоноваш анал1тичш вирази для визначення основного питомого опору руху i гранично! тяговоТ характеристики для BCix зон регулювання потужносп основних титв тягових приводт.

Запропоновано анал1тичну залежшеть для визначення маси електровоза. Анал1з якоТ показав, що осно-вними параметрами, що визначають масу електровоза при фксованш маа складу, е: тип тягового приводу i прискорення поТзда при пусковий швидкосп.

Основною особливютю отриманих виразт для визначення керуючих параметра р1вняння руху е те, що вони не включають в якосп параметра масу складу i електровоза. Це дае можливють ршення поставлено! задач1 базувати на результатах тягових розрахунюв.

Ключов1 слова: пасажирський електровоз, прискорення поТзда, пускова швидк1сть, пускова сила тяги, основний питомий onip руху, тягова характеристика, ушверсальна характеристика.

О Арпуль С. В., 2013

УДК 656.224.022.846

С. В. АРПУЛЬ (ДНУЖТ)

Кафедра Электроподвижной состав, Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел.: (056) 373-15-31, эл. почта: sarpul@i.ua

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИЛЫ ТЯГИ ПАССАЖИРСКОГО ЭЛЕКТРОВОЗА ПРИ РЕШЕНИИ ЗАДАЧ ТЯГОВОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

Специфика определения управляющих параметров уравнения движения в задачах тягового обеспечения состоит в отсутствии тяговых характеристик и данных о величине массы электровоза.

В работе предложено решение этой задачи за счет ввода относительной массы локомотива и использования универсальных тяговых характеристик, полученных для электровозов с коллекторными тяговыми двигателями постоянного и пульсирующего тока, а также с асинхронным тяговым приводом. В результате предложены аналитические выражения для определения основного удельного сопротивления движению и предельной тяговой характеристики для всех зон регулирования мощности основных типов тяговых приводов.

Предложена аналитическая зависимость для определения массы электровоза. Анализ которой показал, что основными параметрами, определяющими массу электровоза при фиксированной массе состава, являются: тип тягового привода и ускорение поезда при пусковой скорости.

Основной особенностью полученных выражений для определения управляющих параметров уравнения движения является то, что они не включают в качестве параметра массу состава и электровоза. Это дает возможность решение поставленной задачи базировать на результатах тяговых расчетов.

Ключевые слова: пассажирский электровоз, ускорения поезда, пусковая скорость, пусковая сила тяги, основной удельное сопротивление движению, тяговая характеристика, универсальная характеристика.

Статью рекомендовано к печати д.т.н, профессором Г. К. Гетъманом

UDC 656.224.022.846

S. V. ARPUL (DNURT)

Department of Electric rolling-stock, Dnepropetrovsk National University of Railway Transport named after academician V. Lazaryan, 2 Lazaryan Street, Dnepropetrovsk, Ukraine, 49010, tel.: (056) 373-15-31, e-mail: sarpuKSi.ua

TRACTION FORCE OF PASSENGER ELECTRIC DEFINITION FOR TRACTION PROVIDING SOLVE

The specificity of the definition of governing parameters of the equations of motion in the tasks of traction security is the lack of traction characteristics, data on the amount of the mass of an electric locomotive.

In the work of the proposed solution to this problem at the expense of input in the relative weight of the locomotive and the use of universal traction characteristics obtained for the electric locomotive with collector traction motors and DC pulsating current, as well as with asynchronous traction drive. As a result of the proposed analytical expressions for determining the principal of specific resistance movement and maximum tractive characteristics for all of the zones of the power of the main types of traction drives.

Proposed analytical dependence for determining the mass of an electric locomotive. The analysis of which showed that the main parameters determining the mass of the locomotive with fixed mass ended, are follows: type of traction drive and the acceleration of the train with starting speed.

The main feature of the obtained expressions for determination of the parameters of the equation of motion is that they do not include the mass of the composition and of the locomotive. It gives the opportunity to the solution of the problem based on the results of traction calculation.

Keywords: passenger electric locomotive, the acceleration of the train, starting speed, starting tractive force, the main specific resistance movement, tractive characteristics, universal characteristic.

Prof. G. K. Getman, D. Sc. (Tech.) recommended this article to be published.

©Арпуль C.B., 2013