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

Модель контакта колесо - рельс упрощенно можно охарактеризовать как модель поезда в сочетании с характеристикой сцепления. В модели поезда сила тяги, которая пропорциональна нагружающему моменту, интегрируется по скорости, причем масса поезда является постоянной интегрирования.

Еще одним преимуществом стенда перед измерительными поездками локомотива является простота подключения измерительных датчиков в тракте тягового привода. Так, каждая из трех вращающихся масс стенда оснащена оптическим датчиком приращений частоты вращения. Между этими вращающимися массами находятся два вала, изготовленные с высокой точностью и предназначенные для измерения вращающего момента. С их помощью измеряются вращающие моменты полого вала М12 и оси колесной пары М23. Благодаря этому возможно изучение динамики колебательной системы. Однако пока в соответствии с концепцией эти измеряемые величины не используются в качестве входных величин устройства, регулирующего частоту вращения тягового двигателя, а служат лишь для проверки точности расчетных величин.

Точное моделирование тягового тракта по результатам его расчета и техническим характеристикам, гарантированным изготовителем, приводит к модели колебательной системы из 19 масс. Упрощение модели на базе имеющихся научных разработок в области сокращения до минимума числа дискретных колебательных компонентов в сложных колебательных системах позволяет получить модель с тремя или двумя массами. Если сравнить распределение собственных форм этих двух систем с моделью реального тягового тракта, состоящей из трех масс, можно обнаружить достаточно точное совпадение в отношении собственных колебательных форм. Оказывается, что вторая собственная форма соответствует частоте 20 Гц, а ее гашение имеет ту же величину, что и в реальном тяговом приводе. Третья собственная форма 50 Гц имеет в модели большее гашение, чем в оригинале. Это объясняется тем, что в системах меньшей мощности степень гашения выше.

Результаты стендовых испытаний

На рис. 6 показано поведение тягового привода при использовании нового режимного (а) и обычного (б) изодромных регуляторов при изменении условий тяги.

Рис. 6. Действие системы режимного регулирования (а) в сравнении с обычной изодромной системой (б) при изменении нагрузки

В обоих случаях в момент времени t = 0,2 c на второй нагрузочной машине (колесо с непрямым приводом) реализовано скачкообразное увеличение нагрузочного момента с 50 до 150 Нм. Для анализа состояния использованы значения частоты вращения тягового двигателя 1, задаваемого значения частоты вращения soll, а также расчетное и измеренное значения момента полого вала соответственно М12r и М12. Полученные результаты показали, что обычный изодромный регулятор не смог погасить крутильные колебания в модели полого вала с частотой 20 Гц, а в случае использования режимного регулятора эти колебания оказались погашенными. В системе с режимным регулятором снижение частоты вращения, а также время возврата в нормальный режим значительно меньше, а диапазон регулирования в 7 раз больше, чем с обычным изодромным.

В то же время система расчета момента на полом валу в обоих случаях была достаточно точной, что было видно из сравнения моментов М12 r и М12.

На рис. 7 показана работа стенда с обычным изодромным регулятором без активного гашения колебаний. В тяговом режиме при скорости поезда 10 м/с и 90 % задаваемого значения вращающего момента в момент времени t = 0,2 c коэффициент сцепления скачкообразно падает со 100 до 60 %.

Рис. 7. Действие обычной изодромной системы регулирования при изменении условий сцепления: vu - окружная скорость колеса; fx - коэффициент сцепления в продольном направлении; msoll - приведенный задаваемый момент, используемый при формировании модели силы сцепления; m12, m23 - приведенные моменты полого вала и оси колесной пары

Как известно из практики, возникают интенсивные колебания моментов М12 и М23. Действующая сила сцепления слишком мала для того, чтобы вернуть тяговый тракт на устойчивый участок характеристики сцепления. В результате возникает боксование, что видно по увеличению разности скоростей v. В результате последующего увеличения коэффициента сцепления вновь возникают значительные колебания моментов М12 и М23. Помимо собственных форм с частотами 20 и 50 Гц отчетливо видна затухающая частота 5 Гц. Она генерируется регулирующей цепью при моделировании на стенде коэффициента сцепления.

На рис. 8 приведены результаты моделирования процесса трогания с использованием современной (режимной) концепции регулирования.

Рис. 8. Действие системы режимного регулирования при трогании поезда: vZug - скорость поезда

Задаваемое значение силы тяги принято максимальным, равным 300 кН. Из кривой изменения разности скоростей v видно, что в среднем она остается равной 0,75 м/с, то есть значительно ниже величины 1 м/с, соответствующей максимуму сцепления. Это значит, что рабочая точка находится на устойчивом участке характеристики. Частота, с которой логика слежения в процессе регулирования оказывает управляющее воздействие на параметры, составляет 0,7 Гц. Несмотря на это, увеличение скорости поезда происходит равномерно, почти линейно, что объясняется его большой массой. Величины v и vZug определяются нагрузочной компонентой моделей поезда и контакта колесо - рельс. В кривой изменения момента полого вала М12, как и ожидали исследователи, влияния колебаний первой собственной формы не было обнаружено. Рассмотренные результаты показали, что новая система регулирования с активным гашением колебаний достаточно эффективна.

Перспективы

Работы по данной теме будут продолжены с целью совершенствования блока расчета в модели путем введения предварительной обработки характеристик и/или включения в него фильтра Кальмана для обработки входных нагрузочных функций, имеющих стохастический характер. По окончании стендовых исследований планируется проверка результатов моделирования на электровозе высокой мощности.