Повышение тяговых свойств рудничного электровоза за счет применения комбинированного привода

Среди транспортных систем горных предприятий рудничный электровозный транспорт занимает доминирующее положение. На шахтах с его помощью осуществляется до 85% от всего объема перевозок, на рудниках — до 95% [14, 63]. Типажный ряд отечественных электровозов изменяется в пределах от 4-х до 14 т для контактных и от 2 до 14 для аккумуляторных ([14, 77]).

Основоположником рудничной электровозной откатки является проф. Шклярский Ф. Н., в работах [107, 108] которого приведено описание конструкций рудничных электровозов, представлены основы методов тяговых расчетов и основные принципы эксплуатации рудничных электровозов.

Значительный вклад в дальнейшее развитие науки в данной области внесли такие ученые как: С. А. Волотковский, Н. С. Поляков, A.B. Рысьев, В. Г. Шорин, Е. Е. Новиков, В. А. Бунько, Н. Г. Штокман, П. С. Шахтарь, А. Д. Спицин, Г. Г. Пивняк, В. Н. Кордаков, H.A. Малевич, Г. Я. Пейсахович, A.A. Западинский и др. Результаты их работ, представленные в литературе [14, 40, 41, 58, 72, 77, 95,111,112] позволили создать стройную теорию, более совершенные методы тяговых расчетов, развить новые направления систем энергоснабжения рудничных электровозов.

Большой вклад в развитие средств автоматизации электровозного транспорта и совершенствование электромеханических систем рудничных электровозов внесли В. И. Серов, Г. А. Китель, В. Д. Фурсов, АЛ. Западинский, Е. С. Гапчинский, A.A. Ренгевич, А. Б. Иванов, В. П. Степаненко, В. Д. Трифонов, В. Х. Пироженко, С. М. Ломакин, О. Н. Синчук, Б. Г. Анискин, М. У. Энеев A.B. Рысьев, К. В. Кордаков, А. Д. Школьников, Л. П. Стрельников, В. А. Конюх, В. Н. Кордаков, A.B. Иванов, Э. С. Гузов и др.

Известно, что затраты на транспорт горной массы составляют до 70% всех трудозатрат на добычу полезного ископаемого [31]. Работа электровозов осуществляется при различных коэффициентах сцепления колес электровоза с рельсами и уклонах пути, так на угольных шахтах коэффициент сцепления в 5 местах погрузки и разгрузки составляет 0,07- при движении на прямолинейных участках он увеличивается. В зависимости от условий сцепления коле электровоза с рельсами коэффициент сцепления изменяется в пределах 0,070,42 [47]. Расчет парка подвижного состава для заданных условий для заданных условий трогания на откаточном горизонте горного предприятия производится для низкого коэффициента сцепления колес электровоза с рельсами [77, 95, 111]. Этот факт определяет ограничение на увеличение технико-экономических показателей.

Одним из направлений увеличения тяговых свойств рудничных электровозов является создание комбинированного привода, включающего существующий и дополнительный привод. Основу дополнительного привода составляет линейный электродвигатель (ЛД), у которого в качестве вторичного тела (аналог ротора во вращающемся электродвигателя), в зависимости от условий эксплуатации, может быть использован рельсовый путь или дополнительный магнитопровод, расположенный в местах с низким коэффициентом сцепления или на повышенных уклонах пути. Достоинствами привода на основе ЛД являются: независимость силы тяги последнего от преодолеваемых уклонов пути и условий сцепления колес электровоза с рельсамипростота конструкции, и, как следствие, высокая надежностьотсутствие механического износа (так как реализация силы тяги осуществляется только за счет электромагнитного взаимодействия поля индуктора и вторичного тела) — возможность регулирования силы тяги в широком диапазоне (при питании от автономного инвертора) — большое значение пусковой силы тяги (для асинхронных линейных двигателей) — наличие притяжения между индуктором и вторичным элементом (при ферромагнитном вторичном теле и установке ЛД непосредственно на электровозе), что увеличивает сцепную массу электровоза. К недостаткам ЛД относятся низкие, по сравнению с приводом традиционной конструкции, энергетические показатели.

Наиболее фундаментальной работой положившей основы теории линейных двигателей были работы Вольдека А. И. [15, 16] в которых впервые были математически описаны сложные процессы, протекающие в линейной электрической машине. Основы линейных электродвигателей, и методики их расчета приведены работах В. И. Дьякова, А. Н. Фролова, А. Н. Штурмана, О. Н. Веселовского, Н. П. Ряшенцева, A.B. Епифанова, Т. М. Голенкова, Г. И. Ижеля, А. Т. Горелова, А. Ю. Конева, Ф. Н. Сарапулова, М. М. Соколова, С. А. Апухтина, Е. Ф. Беляева, С. А. Беглова, С. А. Карася, А. Ф. Борознеца и др. [2,6,7,15, 17, 18, 21,22,24,28,34,37,38, 65,80,82,99, 113, 114].

В настоящее время существуют предприятия изготовители ЛД в нашей стране и за рубежом (Киевский завод электротранспорта, НПФ «Электропривод», ОАО «Энергоцветмет», НЭВЗ, ОАО «ММД», HSST, Siemens AG, VDM Systems, Sodick, Rushrservomotor JV, Westighouse Elektrik, PMC Elertonics Inc. и др.) которые выпускают ЛД различной конструкции с диапазоном изменения мощности от долей ватт до сотен кВт. Теоретические и экспериментальные исследования, а также опыт эксплуатации ЛД на городском и железнодорожном транспорте показал эффективность их применения ([6, 12, 13, 18, 24, 28, 34, 64, 73, 90, 97, 104, 112, 115]), не смотря на их низкие технико-экономические показатели.

До настоящего времени отсутствовали концепция построения и методика расчета комбинированного привода рудничного электровоза, а также методика расчета тягового состава и подвижного состава горных предприятий при использовании электровозов с комбинированным приводом. Следовательно, разработка концепции построения, методики расчета параметров комбинированного привода и согласования режимов работы основного и дополнительного приводов, учитывающих специфические условия работы рудничных электровозов, является актуальной задачей.

Целью работы является повышение тяговых свойств рудничного электровоза за счет применения комбинированного электрического привода.

Идея работы заключается в выборе рациональных параметров комбинированного привода, структуры и алгоритма функционирования блока согласования работы основного и дополнительного приводов, обеспечивающих минимизацию затрат на транспортирование горной массы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработка функциональной схемы и выбор состава оборудования комбинированного привода.

2. Определение рациональных соотношений между параметрами основного и дополнительного приводов.

3. Синтез структуры и алгоритма функционирования блока согласования.

4. Разработка методики расчета параметров комбинированного привода и блока согласования, учитывающей влияние эксплуатационных факторов.

5. Исследование динамических свойств комбинированного привода и разработка рекомендаций по его технической реализации.

Защищаемые научные положения.

1. Для отечественных контактных электровозов рациональное по критерию минимизации приведенных затрат соотношение часовых сил тяги дополнительного и основного приводов находится в пределах (0,25−0,35) при плавном и (0,4−0,55) при ступенчатом изменении силы тяги основного приводасоотношение длительных мощностей основного и дополнительного приводов изменяется в пределах (0,6−1,2), увеличиваясь с ростом уклона пути и уменьшаясь с увеличением расчетного значения коэффициента сцепления колес электровоза с рельсами.

2. Стабилизация нагрузки основного привода при переменных массе поезда и коэффициенте сцепления его колес с рельсами требует корректировки управляющего воздействия на дополнительный привод пропорционально изменению эффективного тока основного привода и средней скорости пробуксовки, рациональные значения передаточных коэффициентов соответствующих корректирующих связей находятся в пределах (0,45−0,65) и (0,33−0,43).

3. При реализации основным приводом силы тяги в зоне избыточного буксования колес электровоза необходимо автоматически увеличить ток дополнительного привода 8 обратно пропорционально изменению тока основного, при этом величина отсечки задержанной обратной связи по току дополнительного привода находится в пределах (0,75−0,85) от его максимальной величины и определяется заданным ограничением по изменению скорости поезда.

Методы исследования.

Для решения поставленных задан применялся комплексный подход, включающий анализ информационных источников, известные методы теории тяги, электропривода, автоматического управления, метода аналитического и численного решения систем линейных и нелинейных ингегро-дифференциальных и алгебраических уравнений, существующие методы математического и имитационного моделирования, обработки экспериментальных данных.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Разработана структурная схема комбинированного привода рудничного электровоза, которая реализует управление дополнительным приводом в функции нагрузки основного с помощью блока согласования их работыпоследний формирует сигнал задания для системы частотно-токового управления линейным электродвигателем, питающимся от низкочастотного инвертора тока.

2. Получены математические выражения для определения величин часовой силы тяги и длительной мощности дополнительного привода, обеспечивающих минимизацию приведенных затрат на электровозный транспорт откаточного горизонта.

3. Установлено соотношение потребляемых токов дополнительного и основного приводов при реализации последним силы тяги в зоне упругого скольжения, поддерживаемое блоком согласования постоянным, путем изменения частоты и амплитуды переменного тока на выходе инвертора.

4. Определены математические зависимости между изменением скорости буксования шлее электровоза и соотношением потребляемых токов дополнительного и основного приводов, необходимые для эффективной реализации силы тяги дополнительным приводом при работе основного привода в зоне избыточного буксования.

5. Разработана математическая модель динамического режима работы комбинированного привода, состоящая из уравнений движения основного привода с учетом буксования колес электровоза, уравнений движения линейного тягового двигателя и уравнений, характеризующих работу блока согласования.

Обоснованность и достоверность результатов, выводов и рекомендаций подтверждается достаточным объемом теоретических и экспериментальных исследований, близкой сходимостью расчетных и опытных данных. Максимальное расхождение теоретических и экспериментальных данных не превышает 8−12%. Практическая значимость.

1. Разработана структурная схема комбинированного привода рудничного электровоза, обеспечивающая эффективную совместную работу основного и дополнительного приводов, произведен выбор состава оборудования, необходимого для её технической реализации.

2. Разработана методика определения рациональных, по критерию минимума затрат на транспортирование горной массы, параметров комбинированного привода.

3. Определен алгоритм работы блока согласования и дана методика расчета значений его настраиваемых параметров.

4. Предложен комплекс программных и аппаратных средств для технической реализации блока согласования работы приводов.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на семинарах кафедры автоматизации производственных процессов СПГГИ (ТУ), конференциях молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург 2001 — 2004 гг), на VIII международной открытой конференции «Современные проблемы информатизации в технике и технологиях» (Воронеж, 2003).

Личный вклад автора 1. Разработана методика определения параметров комбинированного привода рудничного электровоза и его системы управления.

2. Созданы математическая и имитационная модели автоматизированного комбинированного привода рудничного электровоза.

3. Проведены теоретическое и экспериментальное исследования комбинированного привода рудничного электровоза, в ходе которых учитывались возможность применения различных типов систем управления основным приводом и особенности его функционирования при наличии пробуксовки колес его шлее.

Выводы.

1. Создан стенд для исследования работы системы автоматизированного комбинированного привода, на основе моделирования эксперимента на основе сочетания аппаратных средств и компьютерных технологий. В результате экспериментального исследования установлено, что отклонение сигнала на выходе аппаратно реализованного блока согласования от соответствующего сигнала полученного аналитически при аналогичных не превышает (8−12)% для различных динамических режимов.

2. Сформулированы технические предложения по реализации комбинированного привода рудничных электровозов в промышленных условиях, разработан комплекс программных и аппаратных средств для технической реализации блока согласования на основе микропроцессорного контроллера.

3. Произведен расчет параметров линейного двигателя и выбор оборудования комбинированного привода для следующих условий: электровоз К10, вагонетки ВГ-4, грузопоток — 1500 т/см, длина откатки 1500 м, средний уклон пути — 4,5 °/оо. При этом конструкция ЛД обеспечивает возможность его установки на электровозе К10, без необходимости внесения существенных изменений конструкцию последнего. Сформулированы требования, предъявляемые к дополнительному приводу, и рассмотрена возможность использования на рудничных электровозов существующих линейных двигателей, разработанных для использования в других отраслях промышленности и выпускаемых предприятиями России и СНГ.

Заключение

.

В диссертации, представляющей собой законченную научную работу, содержится решение научной задачи, заключающейся в разработке функциональной схемы и методики расчета параметров автоматизированного комбинированного привода рудничного электровоза, обеспечивающего повышения тяговых свойств последнего.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующих теоретических и методических положениях:

1.Предложено построение системы комбинированного привода рудничного электровоза и его системы управления на основе управления силой тяги дополнительного привода в функции нагрузки основного, при этом основной привод является ведомым, а дополнительный — ведущим.

2. Получено математическое выражение для оптимального, по условию максимума экономической эффективности, увеличения массы поезда за счет применения комбинированного привода, позволяющее определить рациональную величину соотношения часовых сил тяги дополнительного и основного приводов. Указанное соотношение для отечественных электровозов находится в пределах (0,25−0,35) при плавном и (0,4−0,55) при ступенчатом изменении тягового усилия основного привода, увеличиваясь с увеличением уклона пути и уменьшаясь с увеличением расчетного значения коэффициента сцепления.

3. Разработаны методика и алгоритм расчета рациональных параметров дополнительного привода, учитывающая реальные условия работы приводов на каждом из участков диаграммы движения, учитывая имеющиеся ограничения основного и дополнительного приводов по условию нагрева, тяговых двигателей. Установлено, что для рассматриваемого класса рудничных электровозов и линейных электродвигателей соотношение длительных мощностей основного и дополнительного приводов изменяется в пределах (0,6−1,2).

4. Разработаны функциональная и струюурная схемы блока согласования работы основного и дополнительного приводов, обеспечивающего их эффективную.

152 совместную работу. Разработан алгоритм работы блока согласования, обеспечивающий реализацию рациональных режимов работы комбинированного привода, с учетом наличия обратных и корректирующих связей, предусмотренных его функциональной схемой.

5. Разработана методика определения настраиваемых параметров корректирующих связей по эффективному значению току основного привода и среднему значению скорости пробуксовки шлее электровоза, обеспечивающих коррекцию заданного значения соотношения сил тяги основного и дополнительного приводов в зависимости от отклонения массы поезда и среднего коэффициента сцепления от расчетных значений, принятых при проектировании. Установлено, что рациональные значения передаточных коэффициентов соответствующих корректирующих связей определяются по критерию минимизации эксплуатационных затрат на движение поезда и находятся, соответственно, в пределах (0,45−0,65) и (0,330,43).

6. Получена математическая модель динамического режима работы системы комбинированного привода рудничного электровоза, состоящая из уравнений движения основного и дополнительного приводов, а также из системы уравнений описывающих блок согласования.

7. Установлено, что при реализации основным приводом силы тяги в зоне избыточного буксования колес электровоза необходимо автоматически увеличить ток дополнительного привода обратно пропорционально изменению тока основного. При этом величина отсечки задержанной обратной связи по току дополнительного привода находится в пределах (0,75−0,85) от его максимальной величины. При этом время работы ЛД в режиме ограничения буксования максимально и находится в пределах (60−250) с в зависимости от перегрузочной способности ЛД по току и характера пробуксовки.

8. Сформулированы технические предложения по реализации комбинированного привода рудничных электровозов в промышленных условиях, разработан комплекс программных и аппаратных средств для технической реализации блока согласования на основе микропроцессорного контроллера.