CC BY
23
УДК 629.423.2
Черняк Ю. В., к.т.н., доцент (ДонИЖТ) Горобченко А. Н., инженер (ДонИЖТ)
ВЛИЯНИЕ ОТКЛОНЕНИЯ СКОРОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НА ТОКИ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
Постановка проблемы. Особую роль в обеспечении надежности и долговечности подвижного состава играет строгое соблюдение норм и правил его эксплуатации. Для снижения затрат на ремонт и восстановление узлов и агрегатов локомотивов необходимо организовать их эксплуатацию таким образом, чтобы максимально предупредить отказы и выходы из строя. Одной из наиболее ответственных частей электровозов является тяговый электродвигатель (ТЭД). От его надежной работы во многом зависит бесперебойность перевозок. Поэтому необходимо разрабатывать и внедрять новые технические решения, которые бы позволили продлить ресурс электродвигателей и устранить причины их выхода из строя.
Для этого нужно всесторонне изучить весь спектр эксплуатационных, конструкционных и ремонтных факторов, влияющих на основные показатели и характеристики электродвигателей. Частью этой задачи является исследование величин токов в силовой цепи локомотива при работе в тяговом режиме, а также факторов, оказывающих влияние на их изменение.
Анализ исследований и публикаций. Изучение тяговых электрических машин и их характеристик проведено А. Е. Алексеевым [1], В. А. Винокуровым [2], многими другими. Внимание проблеме неравномерного распределения токов и нагрузок тяговых электродвигателей уделили в своих работах Б. Н. Тихменев и Л. М. Трахтман [3]. Они указывают, что отклонение характеристик обусловлено различием магнитных потоков из-за неидентичности магнитной системы двигателей. Общее отклонение характеристик, отнесенных к ободу колес (с учетом разницы диаметров бандажей) может достигнуть 7—9%.
При параллельном соединении групп двигателей отклонение нагрузок существенно увеличивается вследствие влияния жесткости скоростных характеристик.
На основании контроля распределения токов были предложены подходы к решению проблемы боксования и более полного использования сцепного веса локомотива [4, 5].
Постановка задачи. Для того чтобы применить эффективные средства предотвращения неравномерности нагрузок в ТЭД, необходимо разработать математическое обоснование для расчета токов по параллельным ветвям силовой цепи локомотива. Поэтому возникает задача количественной оценки величин отклонения токов в параллельных ветвях электровозов при различных способах соединения ТЭД. Также для качественной оценки режима работы двигателя необходимо иметь реальные абсолютные значения токов в них. Решение этой задачи позволит смоделировать и спрогнозировать изменения основных параметров тяговой передачи в зависимости от различных эксплуатационных условий.
Основной материал. Согласно документу [6], допускаемое отклонение в скоростных характеристиках тяговых электродвигателей составляет ±3%. Необходимо выяснить, как это отклонение может повлиять на абсолютные значения токов по ветвям, на их величины относительно друг друга при прочих равных параметрах применительно к электровозу ВЛ8.
Проверку скоростной характеристики у электродвигателей [7] производят при часовом режиме в обоих направлениях вращения якоря после испытаний на нагрев. Допуск на отклонение действительной частоты вращения от номинальной составляет ±4% для электродвигателей, спроектированных до 1/У1 1966 г., и ±3% — для электродвигателей, спроектированных после указанного срока. Разность между частотой вращения в одну и другую сторону, выраженная в процентах от среднего арифметического обеих частот вращения, не должна превышать 4%.
Согласно скоростной характеристике (рис. 1) при часовом режиме двигателя (ток 380А [8]) частота вращения его якоря должна быть равной 735 об/мин. Допустимое отклонение составляет ±22 об/мин и колеблется от 713 до 757 об/мин. Приближенный расчет разницы в скоростях, которые будут стремиться развивать колесно-моторные блоки электровоза при таком отклонении, можно произвести по формуле 1:
V = пВп • 60/^.
(1)
где п - передаточное число редуктора;
Б - диаметр колеса;
п - частота вращения якоря электродвигателя.
Не учитывая влияние на V многих случайных факторов, приняв диаметр бандажа по кругу катания 1200 мм и передаточное число зубчатой передачи тягового редуктора 3,905, получаем нижнюю границу скорости для локомотивов ВЛ8 - 41,28 км/ч, верхнюю - 43,8 км/ч. Разница по этим скоростям 2,52 км/ч.
П.ф'мин М,кГм
т.
т щ т Ш ж т т ш
Рисунок 1 - Электромеханические характеристики тягового двигателя НБ-406Б
При вычисленных значениях необходимо оценить величины токов, которые будут протекать в каждом двигателе, а также как будет изменяться их разница при изменении нагрузки и скорости.
Для того чтобы вычислить Д1 аналитически, необходимо получить выражение зависимости и=Г(1). Как известно, формула частоты вращения имеет вид:
и - Я ■ I
п =-^ (2)
■ ф
где и - напряжение двигателя;
Я - сопротивление якорной цепи двигателя;
I - ток двигателя;
се - постоянная машины, зависящая от конструктивных параметров;
Ф - магнитный поток.
Исходя из зависимостей Ф(1) (рисунок 2) на участках 0 < I < 200 и 380 < I < 600 ее можно представить линейными уравнениями Ф=0.000588 1 и Ф=0,000089551+0,11197 соответственно. А после аппроксимации кривой на участке 200 < I < 380 (с помощью программы МаШСЛО 2001 РгоГеББ^па!) имеем выражение Ф=1,54321-10"9-!а3 -1,74537-10-6 +0,00076824Ыа+0,021421.
Поэтому формула для определения п в аналитической форме для двигателя НБ-406Б имеет вид:
и - Я ■ I
при 0 < I < 200
п = <
е
е„ ■ 0,000588 ■ I
и - Я ■ I
се ■ (1,54321-10 -Г -1,74537-10 -12 - 0,000768241 1 + 0,021421)
и - Я ■ I
при 380 < I < 600
при 200 < I < 380(3)
се ■ 0,00008955 ■ I + 0,11197)
Рисунок 2 - Зависимость Ф(1)
Аналитические выражения зависимости п(1), приведенные выше, справедливы для двигателя, имеющего эталонную скоростную характеристику. Для реальных электродвигателей необходимо вводить некоторую поправку на отклонение характеристик.
При проверке ТЭД на частоту вращения, согласно правилам испытания, величины и и I (2) остаются постоянными, се -конструктивная постоянная. Величины Я хоть и являются индивидуальными для каждого двигателя, но их отклонения весьма незначительно влияют на п. Поэтому, имея после испытаний разные значения п двигателей при одинаковых условиях, можно сказать, что на
отклонение характеристик влияет разность магнитных потоков Ф двигателей. Для дальнейших расчетов вводим коэффициент кп отклонения магнитного потока, который показывает, на сколько Ф реального двигателя отличается от эталонного Ф при данных условиях.
кп пэт^пст (4)
где пэт - эталонная (паспортная) величина частоты вращения (для НБ-406Б пэт=735 об/мин - частота вращения при часовом токе);
пст - частота вращения, измеренная на стенде при испытаниях ТЭД.
Тогда
и - Я ■ I
Пст = -Г^ (5)
■ кп ■ Ф
или
n =
U - R ■ I
при 0 < I < 200
ce ■ kn ■ 0,000588 ■ I
U - R ■ I
ce ■ kn ■ (1,54321-10 -I3 -1,74537-10-12 - 0,000768241 ■ I + 0,021421)
U - R ■ I
при 380 < I < 600
при 200 < I < 380
ce ■ kn ■ 0,00008955 ■ I + 0,11197)
Задаваясь различными значениями n от 550 до 1400 об/мин и имея данные протоколов испытаний (по ним определяются kn согласно формулы (4), из выражений (5) находим значения I для каждого n. Разность этих значений является отклонением тока AI вследствие отклонения скоростной характеристики. Этот расчет является трудоемким, поэтому для автоматизации процесса вычислений использована программа MathCAD 2001 Professional.
Проанализируем разницу по токам при различных скоростях движения (оборотах двигателя) для наихудшего варианта установки ТЭД под электровозом: когда в одну ветвь установлены двигатели, имеющие
максимально завышенную скоростную характеристику (&п=1,03), а в другую ветвь - максимально заниженную (^п=0,97).
Результатом этих вычислений служит кривая 1 (рисунок 3), согласно которой максимально возможная разница в токах с увеличением скорости движения уменьшается. При скорости длительного режима локомотива ВЛ-8, равной 44,3 км/ч, разница Д1 может достигнуть 48 А, а при снижении скорости до 35 км/ч - 85 А. Все эти данные приведены для режима полного поля ТЭД.
Ошибка! Ошибка связи.
Д1
1
2
1 - при наихудших возможных условиях установки ТЭД на локомотив и при параллельном их соединении;
2 - для среднего значения отклонения характеристик в рамках одного локомотива при левом вращении (см. табл.1)
Рисунок 3 - Кривая зависимости изменения абсолютного значения отклонения токов в ветвях от частоты вращения при соединении П на
полном поле
Но вероятность возникновения наихудшей ситуации, которая смоделирована выше, очень небольшая. Поэтому необходимо знать какие характеристики имеют двигатели и как они на самом деле расположены на электровозах.
Таблица 1- Статистические данные по электровозам ВЛ8 ст. Ясиноватая Донецкой железной дороги
Тип электродвигателя НБ-406Б
Частота вращения п часового режима, об/мин 735
Среднее значение п при правом вращении, об/мин 747,2
Среднее значение отклонения п при правом вращении, % 1,66
Среднее значение п при левом вращении, об/мин 749,7
Среднее значение отклонения п при левом вращении, % 2
Максимальная встречающаяся разница в характеристиках (при левом вращении),% 4,56
Максимальная встречающаяся разница в характеристиках (при правом вращении),% 5,52
Среднее отклонение п в рамках одного локомотива (правое вращение) % 2,54
Среднее отклонение п в рамках одного локомотива (левое вращение) % 2,41
Данные для составления таблицы 1 взяты из протоколов испытаний тяговых электродвигателей. Из них мы видим, что в эксплуатации средняя частота вращения якорей завышена (при анализе выборки протоколов выявлено, что 84 из 88 имеют частоту выше 735 об/мин). Это свидетельствует о пониженном значении основного магнитного потока в диапазоне рабочих токов. Исходя из таблицы 1 при левом вращении кп=0,98, при правом вращении кп=0,984. Снижение магнитного потока приводит к снижению момента и силы тяги, развиваемой электродвигателем. Этот факт требует, чтобы при различных расчетах учитывалась реальная величина силы тяги локомотива, которая в эксплуатации может быть снижена, согласно данным статистики, на величину до 3.5%.
Проанализировав статистические данные о средних отклонениях скоростных характеристик в пределах одного локомотива можно построить кривую зависимости абсолютной величины отклонения Д1 от частоты вращения якоря (скорости движения локомотива). Для случая
параллельного соединения ТЭД при полном поле эта кривая показана на рисунке 3. Из данного графика видно, что среднестатистический локомотив ВЛ8 (для ст. Ясиноватая), работая в районе скоростей близких к расчетной, подвержен влиянию неравномерного распределения токов в параллельных ветвях силовой цепи величиной 30-35 А (не учитывая ряд дополнительных факторов, которые могут как увеличивать, так и уменьшать это значение).
Выводы. В работе представлен новый метод аналитического расчета разности токов в параллельных ветвях, вызываемой разностью скоростных характеристик применительно к локомотивам ВЛ8. Расчет отражает только зависимость отклонения тока нагрузки на различных режимах от отклонения скоростной характеристики и является составной частью полной математической модели влияния ряда факторов на токи. Данный метод вычисления базируется только на аналитических выражениях и не использует ссылки на графические зависимости. Преимущество такого подхода в том, что этот расчет легко может быть представлен в виде программы для ЭВМ, что и сделано для автоматизации вычислений. Приведенные графики (рисунок 3) свидетельствуют о том, что если в скоростных характеристиках тяговых электродвигателей одного локомотива существует разница, то наибольшее влияние на распределение токов она окажет на самых нагруженных режимах работы, и ее влияние сглаживается на режимах максимальных скоростей и пониженных токов.
Согласно статистическим данным, средняя величина частоты вращения якорей двигателей, установленных на локомотивах, снижена на 2%. Это приводит к уменьшению силы тяги на номинальных режимах. Таким образом, отклонения характеристик напрямую влияют на основные технико-экономические показатели электроподвижного состава.
Следующим этапом, после расчета токов, должно стать определение влияния их расхождения на нагрев обмоток машин, противобоксовочные свойства, силу тяги локомотива в целом и другие эксплуатационные показатели.
Список литературы:
1 Алексеев А.Е. Тяговые электрические машины и преобразователи. Л.:Энергия, 1976. 445 с
2 Винокуров В.А, Попов Д.А. Электрические машины железнодорожного транспорта. М.: Транспорт,1986. 511 с.
3 Тихменев Б. Н., Трахтман Л. М. Подвижной состав электрифицированных железных дорог. Теория работы электрооборудования. М.: Транспорт, 1980. 471с.
4 Павленко А.П., Осиновский О.А. Математическое моделирование динамических процессов в системе тягового привода тепловозов. Вюник Схщноукрашського нацюнального ушверситету iм.. В. Даля, 2004
5 Шарпан С.М. Науковi основи удосконалення протибуксовочних систем тепловозiв. Вюник Схщноукрашського нацiонального унiверситету iм.. В. Даля, 2004
6 ЦТ-0063 Правила ремонту електричних машин електровозiв i електропоiздiв,
2003
7 Денисова Т. В. Ремонт электрооборудования тепловозов. М. Транспорт, 1980.
295с.
8 Электровоз ВЛ8. Руководство по эксплуатации. М.: Транспорт, 1971. 311 с.
9 Минов Д. К. Роль скольжения колес при реализации тягового усилия и структура коэффициента сцепления при электрической тяге. «Известия ОТН АН СССР» №4, 1947
УДК 662.76
Грицук И.В., к.т.н. доцент, Савенко Э.С., ассистент (Донбасская национальная академия
строительства и архитектуры) Белай А.В., преподаватель (Мариупольский строительный
техникум)
ПУТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА В СИСТЕМАХ ПИТАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ТРАНСПОРТНЫХ
СРЕДСТВ
Традиционными моторными топливами на транспорте, является бензин и дизельное топливо.
Мероприятия, направленные на экономию нефти, не могут решить проблему недостатка нефтяного сырья для производства моторных топлив. Поэтому во всех странах мира продолжается поиск заменителей традиционных жидких нефтяных топлив. К таким альтернативным топливам относят сжатый или сжиженный природный газ, сжиженный
