Регулирование тяги с высоким использованием сил сцепления на поездах. (стр. 1 из 3)

Регулирование тяги с высоким использованием сил сцепления

В 80-е годы с широким развитием тягового привода на базе асинхронных трехфазных двигателей значительно увеличилась удельная мощность локомотивов. Четырехосные электровозы серии 120 Государственных железных дорог Германии (DBAG) в настоящее время способны выполнять работу использовавшихся ранее шестиосных электровозов с коллекторными двигателями переменного тока и позволяют осуществлять рекуперативное торможение.

Эти мощные локомотивы лишь в очень редких случаях полностью используют тот максимальный крутящий момент, который обеспечивается тяговым приводом, так как слишком высокие силы тяги или торможения чреваты соответственно боксованием или юзом. Эти два нежелательных режима ведут к возникновению крутильных колебаний в тяговом тракте. Особую опасность представляют колебания силы сцепления между колесом и рельсом. Повышенное сцепление в контакте колесо - рельс в этих случаях приводит к чрезмерному износу контактирующих поверхностей. Циклический характер процесса способствует возникновению усталостных явлений в маханических элементах тягового привода. Оба фактора ведут к повышенному износу деталей и узлов тягового привода, а следовательно, к сокращению срока службы.

Последние исследования и опытные поездки показали, что вопрос использования сил сцепления все еще недостаточно изучен. Негативная роль таких явлений, как износ в тяговом тракте и особенно переменные составляющие сил на полом карданном валу, должна быть оценена в полной мере. Для активного подавления упомянутых переменных составляющих разработана новая система регулирования тягового привода.

Анализ электромеханической системы

В нижней части рис. 1 приведена кинематическая схема тягового привода с полым карданным валом электровоза серии 120. Этот тяговый тракт в проведенных ранее исследованиях моделировался как колебательная система с шестью сосредоточенными массами. На базе системного анализа она без особых потерь качества может быть преобразована в систему из трех масс.

Рис. 1. Схема замещения тягового тракта моторной оси электровоза и блок-схема системы режимного регулирования: i - вектор тока статора; u - вектор напряжения на статоре; s - сигнал управления; ASM - асинхронный трехфазный тяговый двигатель; J1, J2, J3 - моменты инерции соответственно редуктора, первого и второго колес моторной оси; ML1, ML2 - нагрузочные моменты на первом и втором колесах (входная нагрузочная функция)

Такая система применительно к большинству современных мощных локомотивов имеет характеристические собственные формы. Первая из них с частотой 0 Гц, относящаяся к смещениям жестко закрепленных масс, здесь не рассматривается. Вторая с частотой около 20 Гц вызывает крутильные колебания колесной пары относительно ротора двигателя и скручивающие усилия на полом валу. Под действием третьей каждое из колес моторной оси колеблется относительно другого с частотой около 50 Гц. При этом крутильные колебания ротора двигателя имеют очень небольшую угловую амплитуду, в связи с чем на тяговом двигателе эту собственную форму зарегистрировать относительно трудно.

Степень гашения колебаний третьей формы в большой степени зависит от крутизны характеристики сцепления в рабочей точке для обоих колес. На рис. 2 показаны такие характеристики для разных состояний рельсов.

Рис. 2. Характеристики сцепления для разного состояния рельсов

Для сухих рельсов нестабильная область лежит справа от максимума сцепления, а стабильная слева. Дополнительное гашение колебаний колес со стороны рельсов пропорционально крутизне характеристики в рабочей точке. Это значит, что в зоне отрицательной крутизны характеристик сцепления происходит отрицательное гашение, то есть усиление колебаний и переход в нестабильную область.

Приведенные характеристики сцепления являются идеализированным приближением к реальным. Измерения показали, что реальная функция изменения сил в контакте колесо - рельс имеет стохастический характер (рис. 3).

Рис. 3. Измеренные значения коэффициента сцепления

Как видно из рисунка, существует определенная полоса разброса значений, ограниченная двумя кривыми. Отчетливо видна нестабильная область. Если в ней лежит рабочая точка, то здесь возможен эффект самовозбуждения колебаний в тяговом тракте. Опыт эксплуатации показывает, насколько важно иметь достаточно большое гашение колебаний в тяговом тракте во всех рабочих областях, чтобы обеспечивался минимальный износ и исключались повреждения элементов тягового привода. Это может быть достигнуто одним из двух способов:

использованием стабильного участка характеристик сцепления, особенно зоны II (см. рис. 2);

активным повышением естественного гашения колебаний тягового тракта с помощью техники регулирования, например введением режимного регулирования.

Концепция регулирования

На блок-схеме рис. 1 показана возможность принципиального совмещения обоих способов снижения колебаний - их активного подавления и регулирования сил сцепления. Для этого задаваемое значение момента в магнитном зазоре Msoll формируется блоком режимного регулирования, входными величинами которого являются расчетный момент в магнитном зазоре двигателя Mr и измеренное значение угловой скорости ротора 1. Другие параметры, вводимые в блок режимного регулирования, не измеряются, а рассчитываются в блоке оценки. Речь идет об угловых скоростях обоих колес 2 и 3, а также о моментах на полом валу M12 и оси колесной пары M23. В блок режимного регулирования вводится также задаваемое значение угловой скорости soll, которое в блоке логики слежения формируется на базе задаваемого значения силы тяги Fsoll. С помощью воздействия на цепь регулирования частоты вращения можно активно повышать демпфирование колебаний в тяговом тракте. При этом должен охватываться весь рабочий диапазон угловых скоростей, включая самые низкие, чем обеспечивается жесткость регулирования.

Активное подавление колебаний

Поводом для исследования возможностей режимного регулирования применительно к тяговому приводу послужили результаты других исследований, проведенных Институтом электротехники при Техническом университете в Клаустале. Там была, например, разработана методика, с помощью которой для привода прокатного стана можно было определить зависимость увеличения срока службы от применяемых методов регулирования. Модель привода представляла собой колебательную систему из двух масс. Результаты исследования приведены на рис. 4, где показано относительное увеличение срока службы в зависимости от метода регулирования.

Рис. 4. Влияние метода регулирования на срок службы тягового привода

За исходный принят срок службы (L0) системы с обычным регулированием частоты вращения. Как видно из диаграммы, наилучшие результаты получены при режимном регулировании.

В исследовании тягового привода режимное регулирование распространено на модель, представляющую собой колебательную систему из трех масс. В качестве исходных величин, определяющих состояние (или режим работы) системы, в ней использованы значения угловой скорости 1, 2 и 3 трех вращающихся масс с моментами инерции J1, J2 и J3, моменты на полом валу M12 и оси колесной пары M23, а также расчетный момент в магнитном зазоре Мr. В результате получается система 6-й степени. Векторы обратной связи формируются или заданием величины сигнала смещения, или оптимизацией квадратичной добротности колебательной системы (регулятор Риккати). Первый способ предпочтителен при самонастраивающихся режимных регуляторах. Опыт показывает, что при режимном регулировании колебательной системы из трех масс собственные формы в зависимости от используемого управляющего воздействия можно сдвигать в сторону большего гашения колебаний, чем при обычных (пропорциональных или изодромных) системах регулирования частоты вращения.

Важной проблемой при режимном регулировании является получение реальных значений всех параметров режима. На практике при использовании этого метода известными величинами являются лишь частота вращения тягового двигателя 1 и расчетное значение магнитного момента в зазоре Mr. На рис. 5 показан расчетный блок, построенный в форме устройства слежения (система Лауэнбергера) и адаптированный к рассматриваемой колебательной системе.

Рис. 5. Структура следящего устройства непрерывного типа для колебательной системы из трех масс: М - электромагнитный момент в зазоре; M12r - расчетное значение момента на полом валу; ML1r - расчетное значение нагрузочного момента на первом колесе моторной оси; M23r - расчетное значение момента на оси колесной пары; ML2r - расчетный нагрузочный момент на втором колесе; MLr - общий расчетный нагрузочный момент; 1r - 3r - расчетные значения угловой скорости трех масс системы

Он восстанавливает первоначальное состояние системы при возникновении отклонений параметров, сравнивая расчетное значение частоты вращения r с измеренным 1 и подавая полученную разность в виде вектора обратной связи I в модель колебательной системы тягового привода.