Повышение тяговых свойств электровозов при помощи накопителей энергии

Актуальность работы. Одной из основных задач, предусмотренных «Стратегией развития железнодорожного транспорта в РФ до 2030 года» [1], является создание достаточных провозных способностей и необходимых резервов для полного удовлетворения спроса на перевозки. В связи с интенсивным ростом добычи полезных ископаемых, а также в связи с планируемым увеличением транзитных перевозок к 2030 году ожидается значительный рост грузопотоков: на Байкало-Амурской магистрали — в 7 — 10 разна выходах из Урала и подходах к нему — в 1,5 — 2 разана выходах из Кузбасса — в 1,3−1,8 разана подходах к морским портам — в 1,5−2,5 раза.

Задача обеспечения необходимых размеров перевозок на рассматриваемом участке железной дороги может быть решена тремя основными методами [2]: повышением массы и длины грузовых поездов, увеличением скоростей их движения, а также увеличением количества пар поездов. На большинстве грузонапряженных линий частота движения поездов приближается к предельно возможной и увеличение ее без проведения капитальной реконструкции линии невозможно. Из первых двух методов с экономической точки зрения более предпочтителен первый, так как увеличение провозной способности за счет увеличения массы и длины поездов, как правило, обходится дешевле, чем за счет повышения скорости.

Максимальная сила тяги современных локомотивов, как правило, ограничивается условиями сцепления колеса с рельсом [3], поэтому критическая масса поезда определяется исходя из зависимостей коэффициента сцепления, приведенных в [4]. Однако в эксплуатационных условиях значение коэффициента сцепления определяется множеством случайных факторов и может существенно отличаться от расчетного как в большую, так и в меньшую сторону [5].

На большинстве грузонапряженных направлений загруженность локомотивов по сцеплению приближается к предельной. Снижение коэффициента сцепления ниже расчетного значения на таких участках зачастую приводит к остановкам поездов на подъемах (т.н. «растяжкам») и, соответственно, нарушению графика движения поездов [6].

Вместе с тем, на реализацию потенциального коэффициента сцепления оказывают влияние и конструктивные особенности локомотива, такие, как различие характеристик тяговых электродвигателей (ТЭД) и диаметров бандажей колесных пар (КП), схема соединения ТЭД, жесткость тяговых характеристик, развеска локомотива и др. [7]. Поэтому большое значение для железнодорожного транспорта имеет улучшение конструкции локомотивов, направленное на возможно более полное использование их тяговых свойств, позволяющее повысить стабильность реализации силы тяги и за счет этого уменьшить число случаев растяжек поездов на подъемах при неблагоприятных условиях сцепления.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является повышение тяговых свойств электровозов с коллекторными ТЭД путем увеличения динамической жесткости тяговой характеристики. Предложенная схема должна быть применима как на вновь разрабатываемых, так и на эксплуатируемых электровозах. Изменение конструкции электровоза при этом не должно вызывать ухудшения его характеристик и показателей надежности. Поэтому предложенная схема должна быть как можно более простой.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

— разработана математическая модель тягового привода с накопителем энергии (НЭ), позволяющая исследовать влияние НЭ на электромеханические переходные процессы при боксовании;

— на основе полученной математической модели разработана компьютерная программа для расчета переходных процессов в тяговом приводе с НЭ и сравнения их с процессами в приводе с ТЭД последовательного возбуждения;

— создан стенд для экспериментального исследования силовых схем электровозов с НЭ;

— исследовано при помощи математической модели, на стенде и опытном электровозе влияние НЭ на процессы боксования;

— проведен анализ влияния НЭ на тяговые свойства электровоза, определена взаимосвязь между параметрами НЭ и показателями, характеризующими использование тяговых свойств электровоза.

Методы исследования. В работе использованы положения теории тяги поездов, теории сцепления и теории линейных электрических цепей. В качестве метода исследования использовалось математическое моделирование электромеханических процессов в тяговом приводе электровоза при боксовании. Для решения системы дифференциальных уравнений при моделировании использовался численный метод конечных разностей. Для реализации математической модели на ЭВМ и при обработке полученных результатов использовались программные пакеты MathCAD и Excel. Экспериментальное исследование проведено на стенде взаимной нагрузки электрических машин и опытном электровозе 2ЭС5К-085, оборудованном накопителем энергии.

Объект исследования — тяговый привод электровоза с коллекторными тяговыми электродвигателями, оборудованного накопителями энергии.

Предмет исследования — повышение тяговых свойств электровоза за счет использования накопителей энергии.

Научная новизна работы. В диссертации установлено, что:

— величина динамической жесткости тяговой характеристики зависит от параметров накопителя: жесткость повышается при увеличении емкости накопителя и при уменьшении его внутреннего сопротивления. Эта зависимость является нелинейной: рост динамической жесткости происходит до значений емкости 300 — 400 Ф, дальнейшее увеличение жесткости не приводит к повышению эффективности схемы;

— для достижения высоких, сравнимых с жесткостью при независимом возбуждении, значений динамической жесткости тяговой характеристики требуется накопитель с внутренним сопротивлением порядка 1 — 2 мОм;

— применение накопителей энергии обеспечивает повышение коэффициента тяги электровоза на 10 — 13%.

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждена строгостью теоретического обоснования, корректностью применения математического аппарата и результатами экспериментальных исследований на стенде и на участке Вихоревка — Тайшет Восточно-Сибирской железной дороги.

Практическая ценность работы. Результаты диссертации использованы при разработке устройства для повышения тяговых свойств электровозов. Получены зависимости, позволяющие подобрать параметры НЭ для использования в предложенной схеме. Использование НЭ позволило повысить стабильность реализации силы тяги сравнительно со штатным ТЭД последовательного возбуждения и уменьшить расход песка. За счет уменьшения продолжительности и глубины пробоксовок обеспечено снижение обобщенных показателей проскальзывания колесных пар электровоза. Благодаря этому снижается его загруженность по сцеплению, что уменьшает повреждаемость элементов тягового привода, износ бандажей КП и запесоченность балластной призмы.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее результаты докладывались и обсуждались:

— на научной конференции молодых учёных и аспирантов ВНИИЖТ в 2010 г.;

— на конкурсах диссертационных работ аспирантов ВНИИЖТ в 2009 и 2010 гг.;

— на VII Международной научно-практической конференции «TRANS-MECH-ART-CHEM», Москва, МИИТ, 2010 г.;

— на научно-практических конференциях «Неделя науки. Наука МИИТатранспорту», Москва, МИИТ, 2007, 2009 и 2010 гг.

— на научно-технических советах отделения «Тяговый подвижной состав» ВНИИЖТ в 2008 — 2010 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе в ведущих рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК Минобрнауки России — 2, патентов на полезную модель — 1.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников и 6 приложений. Работа изложена на 144 страницах, в том числе 79 страниц основного текста, 46 рисунков, 4 таблицы и 17 страниц приложений.

1. Об утверждении Стратегии развития железнодорожного транспорта в РФ до 2030 г.: постановление Правительства РФ от 17.06.08 № 877-р // Собрание законодательства Российской Федерации. — 2008. — № 29 (Часть 2). — Ст. 3537.

2. В. П. Могила. Масса, длина и скорость движения грузовых поездов. -Хабаровск: Изд-во ДВГУПС. 2002. 200 с.

3. O.A. Некрасов, A.JI. Лисицын, Л. А. Мугинштейн, В. И. Рахманинов. Режимы работы магистральных электровозов / Под ред. O.A. Некрасова. М.: Транспорт. 1983.-231 с.

4. Правила тяговых расчетов для поездной работы. М.: Транспорт. 1985. -287 с.

5. И. П. Исаев. Случайные факторы и коэффициенты сцепления. М.: Транспорт. 1970. — 184 с.

6. А. Л. Лисицын, Л. А. Мугинштейн. Нестационарные режимы тяги. М.: Интекст. 2003. — 343 с.

7. В. Е. Розенфельд, И. П. Исаев, H.H. Сидоров, М. И. Озеров. Теория электрической тяги / Под ред. И. П. Исаева. М.: Транспорт. 1995. — 294 с.

8. А. Т. Головатый, И. П. Исаев, Е. В. Горчаков. Независимое возбуждение тяговых двигателей электровозов / Под. ред. А. Т. Головатого. М.: Транспорт. 1976. — 152 с.

9. Д. К. Минов. Повышение тяговых свойств электровозов и тепловозов с электрической передачей. М.: Транспорт. 1965. — 267 с.

10. П. И. Гордиенко. Влияние характеристик тяговых двигателей на противобоксовочные свойства электровозов // Электровозостроение: сб. науч. трудов ВЭлНИИ. Новочеркасск. 1966. Том 7. — С. 68 — 77.

11. С. О. Григорян. Тяговый режим работы электровоза с регулируемыми характеристиками // Известия ВУЗов. Электромеханика. 1960. № 8. -С. 91−103.

12. И. И. Зерекидзе. Электровоз с регулируемыми характеристиками тяговых двигателей // Электрическая и тепловозная тяга. 1961. № 12. С. 6 — 8.

13. В. А. Раков. Локомотивы отечественных железных дорог (1956 1975 гг.). — М.: Транспорт. 1999. — 443 с.

14. В. Д. Тулупов, Б. Р. Бондаренко и др. Грузовой электровоз постоянного тока ВЛ12 // Электрическая и тепловозная тяга. 1976. № 3. С. 33 — 35.

15. П. И. Гордиенко, Б. И. Хоменко и др. Испытания тяговых свойств электровоза ВЛ12 с двигателями независимого возбуждения // Электровозостроение: сб. науч. трудов ВЭлНИИ. Новочеркасск. 1979. Том 20. — С. 48 — 57.

16. Э. В. Гридасов, П. И. Гордиенко. Метод оценки противобоксовочных свойств электровозов по параметрам электрической схемы // Электровозостроение: сб. науч. трудов ВЭлНИИ. Новочеркасск. 1980. Том21.-С. 3−21.

17. Г. В. Фаминский, H.H. Меншутин и др. Увеличение нагрузок тяговых двигателей на электровозах с жесткими противобоксовочными характеристиками // Сб. науч. трудов ЦНИИ МПС. 1975. Вып. 541. С. 69−77.

18. Г. В. Фаминский, H.H. Меншутин и др. Характеристика сцепления электровоза с независимым возбуждением тяговых двигателей // Вестник ВНИИЖТ. 1974. № 6.-С. 17−20.

19. В. Д. Мацнев. Применение независимого возбуждения двигателей на электровозах ВЛбО*. В кн.: Исследования электродвигателей электроподвижного состава железных дорог: Сб. науч. трудов ВНИИЖТ / Под ред. A.C. Курбасова. — М.: Транспорт. 1984. — С. 16 — 24.

20. В. К. Волков, А. Г. Суворов. Повышение эксплуатационной надежности тяговых двигателей. М.: Транспорт. 1988. — 128 с.

21. Н. М. Васько, Н. Г. Пушкарев. Электрическая схема электровоза ВЛ84 // Электровозостроение: сб. науч. трудов ВЭлНИИ. Новочеркасск. 1982. Том 22.-С. 33−38.

22. B.C. Островский. Система адаптивного поосного управления силой тяги электровоза однофазно-постоянного тока: Автореферат дисс. на соиск. ученой степени к.т.н. М.: МИИТ. 1997. — 24 с.

23. A.A. Чучин. Индивидуальное потележечное и поосное управление силой тяги электровоза однофазно-постоянного тока с адаптацией по сцеплению. Дисс. на соиск. ученой степени к.т.н. М.: МИИТ. 2 005. -239 с.

24. B.C. Наговицын, Б. И. Колесников. Грузовой электровоз постоянного тока 2ЭС6 // Локомотив. 2008. № 2. С. 31 — 33.

25. A.M. Иванишкин, A.C. Попов, К. П. Солтус, С. А. Усвицкий. Особенности электрической схемы электровоза 2ЭС4К // Локомотив. 2008. № 8. С. 40 -41.

26. П. И. Гордиенко. Улучшение тяговых свойств электровозов ВЛ22М // Сб. науч. трудов МИИТ. 1960. Вып. 123. С. 154 — 166.

27. А. Н. Карасев. Тяговые и тормозные свойства электровоза с двигателями смешанного возбуждения // Сб. науч. трудов МИИТ. 1960. Вып. 123. С. 197−209.

28. H.H. Меншутин, Г. В. Фаминский, Л. И. Монахов. Последовательно-независимое возбуждение тяговых двигателей ВЛ60К // Электрическая и тепловозная тяга. 1978. № 8. С. 13−15.

29. Г. В. Фаминский, H.H. Меншутин. Пути повышения сцепления у электровозов постоянного тока. В кн.: Автоматические системы для повышения сцепления колес с рельсами и управления поездом: Сб. науч. трудов ЦНИИ МПС. 1969. Вып. 396. — С. 20 — 29.

30. В. Д. Мацнев, А. Г. Суворов. Исследование переходных процессов в цепях тяговых двигателей опытных электровозов с повышенной жесткостью тяговых характеристик // Сб. науч. трудов ЦНИИ МПС. 1975. Вып. 541. -С. 59−69.

31. А. Е. Пыров, Б. Д. Никифоров. Об эффективности внедрения смешанного возбуждения тяговых двигателей // Локомотив. 2008. № 10. С. 30 — 32.

32. Е. Г. Бовэ. Параметры уравнительных соединений при электрическом спаривании осей // Вестник ВНИИЖТ. 1975. № 1. С. 5 — 10.

33. П. И. Гордиенко. Защита от боксования электровозов переменного тока шунтированием якоря двигателя сопротивлением // Электровозостроение: сб. науч. трудов ВЭлНИИ. Новочеркасск. 1968. Том 10. — С. 153 — 160.

34. Ю. И. Чуверин. Электрические противобоксовочные схемы электровозов //ВестникВНИЖЖТ. 1961. № 5.-С. 16−20.

35. В. А. Баранов. Улучшение тяговых свойств электровозов постоянного тока // Вестник ВНИИЖТ. 2008. № 6. С. 29 — 32.

36. Пат. 2 342 259 Российская Федерация, МПК B60L 3/10, В61С 15/08. Противобоксовочное устройство / A.C. Курбасовзаявитель и патентообладатель A.C. Курбасов. № 2 007 141 616/11- заявл. 13.11.2007; опубл. 27.12.2008. Бюл. № 36. 4 с.

37. A.C. Мазнев, В. И. Некрасов, Ю. С. Боголюбов. Определение пульсаций токов в тяговом двигателе с разделенными цепями якоря и возбуждения при импульсном регулировании // Известия ВУЗов. Электромеханика. 1982. № 5.-С. 536−539.

38. К. Штолл, И. Бечка, Б. Надворник. Влияние тягового подвижного состава с тиристорным регулированием на устройства СЦБ и связи. Пер. с чеш. -М.: Транспорт. 1989. 199 с.

39. П. И. Гордиенко. Боксование электровозов с асинхронными тяговыми двигателями и двигателями пульсирующего тока с независимым возбуждением // Электровозостроение: сб. науч. трудов ВЭлНИИ. -Новочеркасск. 1989. Том 30. С. 69 — 74.

40. Н. Зевенховен. Экспериментальные исследования сцепления движущей оси с приводом трехфазного тока // Железные дороги мира. 1981. № 12. — С. 7 — 18.

41. H.A. Ротанов, A.C. Курбасов, Ю. Г. Быков, В. В. Литовченко. Электроподвижной состав с асинхронными тяговыми двигателями / Под ред. H.A. Ротанова. М.: Транспорт. 1991. — 336 с.

42. Б. Мейер. Локомотивы с высокими тягово-сцепными качествами и регулируемым крипом // Железные дороги мира. 1989. № 5. — С. 18−25.

43. R. Schreiber. Оптимальное использование сил сцепления электровозами с трехфазным приводом и крутизна характеристик сцепления // Железные дороги мира. 1996. № 2. — С. 42 — 47.

44. Г. В. Фаминский. Эффективность использования локомотивов с жесткими тяговыми характеристиками // Вестник ВНИИЖТ. 1996. № 6. С. 26 — 29.

45. H.H. Широченко, E.H. Алексеев, H.C. Охотников, И. В. Ванин. Конденсаторные накопители энергии для электроподвижного состава // Локомотив. 2008. № 8. С. 31 — 33.

46. Н. С. Охотников. Повышение тяговых свойств электроподвижного состава при помощи накопителей энергии // Вестник ВНИИЖТ. 2009. № 3. С. 27 -31.

47. Б. Н. Тихменев. Электровозы переменного тока со статическими преобразователями. М.: Трансжелдориздат. 1958. — 267 с.

48. В. И. Бочаров, П. А. Золотарев. Тяговые двигатели электровозов переменного тока. М.: Трансжелдориздат. 1962. — 94 с.

49. A.M. Иванов, А. Ф. Герасимов. Молекулярные накопители электрической энергии на основе двойного электрического слоя // Электричество. -1991. № 8.-С. 16−19.

50. В. А. Кошевой, А. Н. Корнев, Л. И. Поляшов, Н. И. Радионов. Применение импульсных конденсаторов сверхвысокой энергоемкости в системах электростартерного пуска дизель-генераторных установок тепловозов // Вестник ВНИИЖТ. 1996. № 1. — С. 35 — 39.

51. В. М. Долдин, E.H. Алексеев, Л. В. Выходцев. Применение накопителей энергии в системах электропитания // Локомотив. 1999. № 12. С. 40 — 41.

52. A.M. Иванов, Л. И. Поляшов, С. А. Иванов. Гибридные энергетические установки для электробусов // Машиностроитель. 2000. № 10. С. 18−21.

53. К. Tokuyama, М. Shimada, К. Terasawa, Т. Kaneko. Practical application of a hybrid drive system for reducing environmental load // Hitachi Review. 2008. Vol. 57. № 1. C. 23−27.

54. Е. Е. Коссов. Маневровый газотурбовоз // Транспорт Российской Федерации. 2007. № 10. С. 18 — 19.

55. Новый источник энергии на локомотиве // Железные дороги мира. 2008. № 8.,-С. 7.

56. М. Павелчик. Повышение эффективности электрической тяги при помощи накопителей энергии. Автореферат дисс. на соиск. ученой степени д.т.н. М.: МИИТ. 2000. — 48 с.

57. М. В. Шевлюгин. Проблемы использования накопителей энергии в системах тягового электроснабжения: Автореферат дисс. на соиск. ученой степени к.т.н. М.: МИИТ. 2000. — 24 с.

58. F. Moninger. Инерционные накопители энергии в системах тягового электроснабжения // Железные дороги мира. 2000. № 12. С. 41−43.

59. Н. Takahashi, Т. Kato, Т. Ito, F. Gunji. Energy storage for traction power supply systems // Hitachi Review. 2008. Vol. 57. № 1. C. 28 — 32.

60. A.A. Штанг. Повышение эффективности электротранспортных систем на основе использования накопителей энергии. Автореферат дисс. на соиск. ученой степени к.т.н. Новосибирск: Новосибирский гос. технич. ун-т. 2006. 19 с.

61. М. В. Шевлюгин, К. С. Желтов. Снижение расхода электроэнергии на движение поездов в Московском метрополитене при использовании емкостных накопителей энергии // Наука и техника транспорта. 2008. № 1. -С. 15−20.

62. Н. И. Щуров, A.A. Штанг и др. Повышение эффективности использования накопителей энергии в электротранспортном комплексе // Электротехника. 2009. № 12. С. 23 — 26.

63. D. Habel. Инерционный накопитель энергии для тяговой сети // Железные дороги мира. 2004. № 2. С. 40 — 44.

64. Стационарные накопители энергии на метрополитене Гамбурга // Железные дороги мира. 2010. № 7. С. 60 — 64.

65. Flywheel cars begin testing on N.Y. subway // Railway Age. 1976. Vol. 177. № 3. C. 10−14.

66. Н. В. Миронос, Т. П. Добровольские. Перспективные решения в области электроснабжения железных дорог // Железнодорожный транспорт. 2008. № 4.-С. 44−48.

67. Электровоз магистральный 2ЭС5К (ЗЭС5К). Руководство по эксплуатации. В 2 т. Том 1. Новочеркасск: БелРусь. 2007. — 635 с.

68. Г. В. Самме. Проблемы сцепления локомотива // Вестник ВНИИЖТ. 1997. № 1.-С. 43−48.

69. Г. В. Самме. Фрикционное взаимодействие колесных пар локомотивов с рельсами: Монография. М.: Маршрут. 2005. — 80 с.

70. Г. В. Самме. Новые результаты в теории сцепления локомотива // Транспорт Российской Федерации (Наука и транспорт). 2010. № 3(28). -С. 14−16.

71. Г. Вербек. Современное представление о сцеплении и его использовании // Железные дороги мира. 1974. № 4. С. 23 — 53.

72. М. Р. Барский, И. Н. Сердинова. Экспериментальное исследование процессов боксования и юза электровозов // В кн. Проблемы повышения эффективности работы транспорта. Вып. 1. Изд-во АН СССР. 1953. С. 130- 187.

73. Н. Н. Меншутин. Исследование скольжения колесной пары электровоза при реализации силы тяги в эксплуатационных условиях // Тр. ВНИИЖТ. Вып. 188. 1960. С. ИЗ — 132.

74. Н. Н. Меншутин. Зависимость между силой сцепления и скоростью скольжения колесной пары локомотива // Вестник ВНИИЖТ. 1960. № 7. -С. 12−16.

75. А. Л. Голубенко. Сцепление колеса с рельсом. Киев.: В1ПОЛ. 1993. 448 с.

76. Н. Н. Ляпушкин. Теоретические основы взаимодействия колеса локомотива с рельсом в нано диапазоне: Автореферат дисс. на соиск. ученой степени д.т.н. М.: МИИТ. 2008. — 46 с.

77. C.B. Покровский. Повышение сцепных свойств локомотива // Вестник ВНИИЖТ. 1997. № 4. С. 35 — 39.

78. Г. М. Нафиков. Аппроксимация кривой намагничивания тяговых двигателей // В кн.: Вопросы электрической тяги: Сб. науч. трудов УЭМИИТ. Свердловск. 1965. Вып. 11. — С. 44 — 49.

79. Г. И. Атабеков, А. Б. Тимофеев, С. С. Хухриков. Теоретические основы электротехники. В 3 ч. Часть 2, Нелинейные цепи.: М. Ленинград: Госэнергоиздат. 1962. — 128 с.

80. И. П. Исаев. К проблеме сцепления колес локомотива с рельсами // Труды МИИТ. Вып. 445. 1973. С. 3 — 12.

81. Ю. М. Лужнов. Особенности трения на рельсах в зимних условиях // Труды МИИТ. Вып. 445. 1973. С. 130 — 136.

82. C.B. Покровский. Улучшение сцепных свойств электровозов с бесколлекторными двигателями. Дисс. на соиск. ученой степени д.т.н. -М.: ВНИИЖТ. 1998. 297 с.

83. Г. В. Мишке. Границы эффективного действия песка при боксовании // Вестник ВНИИЖТ. 1965. № 8. С. 16 — 19.

84. O.A. Некрасов, Н. Г. Манджавидзе. Опытно-расчетная зависимость коэффициента сцепления от жесткости механических характеристик электровозов // Вестник ВНИИЖТ. 1987. № 6. С. 17 — 21.

85. C.B. Покровский. Влияние жесткости тяговых характеристик на эффективность использования потенциального сцепления электровозов // Вестник ВНИИЖТ. 1992. № 1. С. 42 — 46.

86. C.B. Покровский, И .Я. Логинов и др. Новая электронная защита от боксования и юза для электровозов ВЛ85 и ВЛ65 // Локомотив. 1993. № 5. -С. 30−33.

87. Электровоз магистральный 2ЭС5К (ЗЭС5К). Руководство по эксплуатации. В 2 т. Том 2. Новочеркасск: БелРусь. 2007. — 640 с.

88. A.B. Бычковский, Е. Ф. Михненко, И. П. Беспалов. Измерение давления колеса на рельс при движении электровоза // Вестник ВНИИЖТ. 1964. № 6.-С. 13−16.

89. А. Г. Суворов. Влияние колебаний тележки на реализуемую силу тяги при независимом и последовательном возбуждении тяговых двигателей // Вестник ВНИИЖТ. 1985. № 8. С. 16 — 18.

90. Н. С. Охотников. Использование накопителей энергии для повышения тяговых свойств электровозов // Вестник ВНИИЖТ. 2010. № 5. С. 33 36.