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.

     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.

     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).

     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 w1. Другие параметры, вводимые в блок режимного регулирования, не измеряются, а рассчитываются в блоке оценки. Речь идет об угловых скоростях обоих колес w2 и w3, а также о моментах на полом валу M12 и оси колесной пары M23. В блок режимного регулирования вводится также задаваемое значение угловой скорости wsoll, 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.

     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 w1, w2 и w3 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 w1 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.

     Он  восстанавливает первоначальное состояние  системы при возникновении отклонений параметров, сравнивая расчетное  значение частоты вращения wr с измеренным w1 и подавая полученную разность в виде вектора обратной связи I в модель колебательной системы тягового привода.

     В другом варианте схемы блок слежения Лауэнбергера заменен фильтром Кальмана, который позволяет учитывать стохастический характер процессов в контакте колесо - рельс и отстраиваться от помех при измерении параметров. Работы в этом направлении еще не завершены.

     Логика  системы слежения с переменным рабочим интервалом

     Целью регулирования сцепления является как можно более высокое использование  сил сцепления при минимальном  проскальзывании колеса относительно рельса. На первый взгляд напрашивается  вывод об использовании с этой целью участка с максимальным коэффициентом сцепления (зона I на рис. 2). Предположим, что такой режим  задан системе логики слежения. В  этом случае при стохастических изменениях состояния рельсов коэффициент  сцепления может кратковременно снижаться, попадая на неустойчивый участок характеристики. За то время, пока система регулирования вновь  вернется к рабочей точке с  максимальным коэффициентом сцепления, в тяговом тракте может возникнуть опасный эффект самовозбуждения, который  приведет к режиму движения с прерывистым  сцеплением между колесом и рельсом.

     Оптимальным является режим движения с рабочей  точкой в зоне II (зона микропроскальзываний). Здесь при малых значениях скорости перемещения поверхности колеса относительно рельса Dv и высоком естественном гашении колебаний использование сил сцепления в контакте колесо - рельс лишь в небольшой мере хуже, чем в зоне I. Опасность неожиданного перехода в неустойчивую область здесь значительно меньше. Устанавливающийся интервал между зонами I и II зависит от дополнительного гашения колебаний, задаваемого системой режимного регулирования. В нормальных условиях естественное гашение колебаний тягового привода с помощью режимного регулирования может быть увеличено в 5 раз по сравнению с тем, которое достигается изодромным регулированием. Если сравнивать с нерегулируемой системой, то гашение будет больше в 50 раз.

     Известны  публикации об использовании этого  метода, базирующегося на зависящей  от крутизны характеристики сцепления  разности между задаваемой и реальной величинами частоты вращения тягового двигателя. Ниже рассматривается аналогичный метод, но с использованием модифицированной логики системы слежения. Он наиболее приемлем для характеристик сцепления без явно выраженных максимумов, как на кривой для влажных рельсов на рис. 2.

     Использовавшиеся  ранее системы слежения не могли  обеспечить работу тягового привода  в оптимальном режиме (зона II), так  как они играли вспомогательную  роль. Система слежения должна обеспечивать устойчивое положение рабочей точки  на характеристике сцепления. Это может  быть достигнуто при режимном регулировании  моторных осей. Важно, чтобы логика слежения не использовала результатов  измерения скорости подвижного состава  относительно пути. В поездах с  концевыми моторными вагонами (например, ICE) для измерения скорости служат немоторные оси промежуточных вагонов. В мощных локомотивах этой возможности нет, так как все колесные пары используются для тяги. Здесь остается лишь возможность применения радара для измерения поступательной скорости. В то же время из рис. 2 видно, что оптимальная величина Dv для разных состояний рельсов различна.

     Логика  системы слежения предназначена  для регулирования всего тягового тракта. Основной входной величиной  является задаваемое значение силы тяги Fsoll, которое вводит машинист или автоматическая система регулирования тяги и торможения (ABF). Выходная величина логики слежения - задаваемое значение ускорения asoll, путем интегрирования которого формируется задаваемое значение угловой скорости для электрических приводов с регулированием частоты вращения. При режимном регулировании входными параметрами логики слежения являются задаваемое значение вращающего момента Мsoll и его производная по времени. Вместо Мsoll может также использоваться расчетный магнитный момент Мr, так как в современных приводах они различаются незначительно.