ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА ТЕПЛОВОЗА
DIESEL LOCOMOTIVE ELECTRIC TRANSMISSION

Изобретение относится к рельсовым транспортным средствам и непосредственно касается электрических передач тепловозов.
Известна электрическая передача тепловоза [Пат. №2314948 РФ. Электрическая передача тепловоза. / А.И.Ивахин, B.C.Коссов, Ю.В.Бабков, Г.М.Волохов], состоящая из тягового генератора, получающего механическую энергию от дизеля и содержащего независимую обмотку возбуждения и якорь, системы возбуждения, которая подключена к независимой обмотке возбуждения и обеспечивает формирование внешней характеристики тягового генератора, тяговых электродвигателей, имеющих прямое электрическое соединение с якорем тягового генератора, колесных пар, механически связанных с тяговыми электродвигателями и установленных на рельсах. При этом в цепи якоря тягового генератора установлено коммутирующее устройство, которое по сигналу управления, формируемому в зоне ограничения по сцеплению тепловоза и при срыве сцепления колесных пар с рельсами, обеспечивает отключение прямого электрического соединения тяговых электродвигателей с якорем тягового генератора и подключение к якорю последовательно с тяговыми электродвигателями колесных пар через скользящие контакты, что образует цепь для прохождения тока генератора по колесным парам и рельсам. Колесные пары и скользящие контакты снабжены электрической изоляцией от других элементов конструкции тепловоза.
К недостаткам указанного технического решения относится то, что при использовании на тепловозе более двух ведущих колесных пар и при включенном коммутирующем устройстве ток тягового генератора проходит по параллельным цепям, содержащим колесные пары и участки рельсов. Это приводит к значительному снижению величины и плотности тока в зонах контакта колес локомотива с рельсами и, следовательно, к ухудшению тяговых качеств тепловоза по сравнению с двухосным исполнением.
Техническим результатом изобретения является повышение тяговых качеств многоосного тепловоза путем управления подачей электрического тока тягового генератора в зоны контакта колесных пар с рельсами.
Для достижения указанного технического результата электрическая передача, состоящая из тягового генератора, получающего механическую энергию от дизеля и содержащего независимую обмотку возбуждения и якорь, системы возбуждения, подключенной к независимой обмотке возбуждения и обеспечивающей формирование внешней характеристики тягового генератора, тяговых электродвигателей, имеющих прямое электрическое соединение с якорем тягового генератора, колесных пар, механически связанных с тяговыми электродвигателями и установленных на рельсах, причем в цепи якоря тягового генератора установлено коммутирующее устройство, которое по сигналу управления, формируемому в зоне ограничения по сцеплению тепловоза и при срыве сцепления колесных пар с рельсами, обеспечивает отключение прямого электрического соединения тяговых электродвигателей с якорем тягового генератора и подключение к якорю последовательно с тяговыми электродвигателями колесных пар через скользящие контакты, что образует цепь для прохождения тока генератора по колесным парам и рельсам, а колесные пары и скользящие контакты имеют электрическую изоляцию от других элементов конструкции тепловоза, снабжена блоком управления, который обладает функцией измерения ускорений вращения тяговых электродвигателей по сигналам, снимаемым с выходов датчиков скорости, связанных с электродвигателями, и фиксирует возникновение и окончание режима боксования колесных пар, а цепи колесных пар многоосного тепловоза оборудованы собственными коммутаторами, которые по сигналам блока управления обеспечивают последовательное подключение к цепи якоря тягового генератора только двух колесных пар, находящихся в режиме боксования.
Кроме того, в режиме одновременного боксования более двух колесных пар блок управления через коммутаторы обеспечивает формирование последовательных соединений боксующих колесных пар по две с поочередной подачей импульсов тока тягового генератора на каждое соединение, при этом продолжительность и частота импульсов тока устанавливается системой управления по результатам измерения ускорений вращения тяговых электродвигателей.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
Электрическая передача содержит (фиг.1) тяговый генератор 1 с независимой обмоткой возбуждения 2 и якорем 3, получающий механическую энергию от дизеля (на фиг.1 не показан), систему возбуждения 4, подключенную к независимой обмотке возбуждения 2, тяговые электродвигатели 5, 6, 7, 8, 9, 10, имеющие прямое электрическое соединение с якорем 3 тягового генератора 1, колесные пары 11, 12, 13, 14, 15, 16, механически связанные (на фиг.1 не показано) соответственно с тяговыми электродвигателями 5, 6, 7, 8, 9, 10 и установленные на рельсах 17. Для упрощения на фиг.1 также не показаны обмотки возбуждения тяговых электродвигателей.
Колесные пары 11, 12, 13, 14, 15, 16 через скользящие контакты 18, 19, 20, 21, 22, 23 подключаются коммутирующим устройством 24 к цепи якоря 3 тягового генератора 1 последовательно с тяговыми электродвигателями 5, 6, 7, 8, 9 и 10. Кроме того, колесные пары тепловоза оборудованы собственными коммутаторами 25, 26, 27, 28, 29 и 30, которые по сигналам блока управления 31 обеспечивают индивидуальное подключение колесных пар к тяговому генератору. Входы блока управления 31 подключены к выходам датчиков скорости 32, 33, 34, 35, 36, 37, связанных соответственно с электродвигателями 5, 6, 7, 8, 9 и 10.
В качестве примера на фиг.1 приведена схема электрической передачи тепловоза на постоянном токе с шестью ведущими колесными парами и параллельно-последовательным соединением тяговых электродвигателей. В случае применения электрических передач на переменно-постоянном или переменном токе колесные пары аналогично включаются в цепь якоря тягового генератора на выходе выпрямительной установки. Отличия в типе соединения тяговых электродвигателей и числе ведущих колесных пар также не имеют принципиального значения.
Электрическая передача работает следующим образом.
к
к
к
Тяговый генератор 1 (фиг.1) получает механическую энергию вращения от дизеля (на фиг.1 не показано). При этом независимая обмотка возбуждения 2 генератора подключена к системе возбуждения 4, которая обеспечивает формирование внешней характеристики тягового генератора 1. От якоря 3 генератора поступает ток питания на тяговые электродвигатели 5, 6, 7, 8, 9, 10, что создает вращающий момент электродвигателей, передаваемый далее через механические связи (тяговые редукторы) соответственно колесным парам 11, 12, 13, 14, 15, 16. Колесные пары 11, 12, 13, 14, 15, 16 установлены на рельсах 17 и образуют с последними пары трения, формирующие силу тяги тепловоза F. В качестве примера на фиг.2 приведена упрощенная тяговая характеристика тепловоза [Осипов С.И. и др. Основы локомотивной тяги / С.И.Осипов., К.А.Миронов, В.И.Ревич. - М.: Транспорт, 1979. - 440 с., С.112-121], которая представляет собой зависимость касательной силы тяги локомотива F от скорости движения V и независимо от вида электропередачи содержит участки ограничения по сцеплению 1, ограничения по пусковому току тягового генератора 2 и ограничения по мощности дизеля 3. Участок ограничения по сцеплению 1 рассчитывается для сухих рельсов, а участок ограничения по пусковому току 2 - из условия реализации меньшей силы тяги, чем на участке 1 для уменьшения возможности боксования колесных пар. При этом трогание с места и разгон локомотива производится по кривой 2 с наибольшей силой тяги F.
к
Увлажнение рельсов, попадание масла в контакт колеса и рельса и другие факторы вызывают уменьшение коэффициента сцепления ψ на всех скоростях движения тепловоза V и, следовательно, снижение участка 1 тяговой характеристики (на фиг.2 - кривая 1'). В результате возникает срыв сцепления (на фиг.2 - точка А), приводящий к режиму боксования колесных пар и снижению силы тяги F. При этом боксованию подвержены главным образом передние колесные пары каждой тележки вследствие их разгрузки в тяговом режиме работы локомотива [Теория и конструкция локомотивов: Учеб. для Вузов ж.-д. трансп. / Под ред. Г.С.Михальченко. - М.: Маршрут, 2006. - 584 с., С.190-204]. Например, на фиг.1 такими колесными парами являются пары 11, 14 при движении тепловоза в одном направлении и 13, 16 при движении в другом направлении.
2
p
p
p
p
p
p
Известно [Минов А.К. Повышение тяговых свойств электровозов и тепловозов с электрической передачей. - М.: Транспорт, 1965. - С.229], что режим боксования начинается при окружном ускорении колесной пары w, превышающем 0,45-0,5 м/с. Для выделения режима боксования колесных пар блок управления 31 (фиг.1) производит дифференцирование сигналов по частотам вращения роторов тяговых электродвигателей f1, f2, f3, f4, f5 и f6, поступающих на блок управления с датчиков скорости 32, 33, 34, 35, 36, 37, которые связаны соответственно с электродвигателями 5, 6, 7, 8, 9, 10. Результатом дифференцирования для каждого электродвигателя является угловое ускорение его ротора
p
д
p
ε=Тdf/dt,
д
p
где Т - постоянная времени дифференцирования, величина которой определяет необходимую продолжительность процесса измерения ε.
р
к
2
В случае выделения для двух двигателей 5, 8 или 7, 10, механически связанных с колесными парами 11, 14 или 13, 16, хотя бы одного значения ε, которое в пересчете соответствует величине w, превышающей 0,5 м/с, блок управления 31 подает сигнал на коммутаторы 25, 28 или 27, 30. Коммутаторы подключают к цепи якоря 3 тягового генератора 1 колесные пары 11, 14 при движении тепловоза в одном направлении или 13,16 при движении в другом направлении через скользящие контакты 18, 21 или 20, 23. После этого блок управления 31 подает сигнал на коммутирующее устройство 24, которое отключает прямое электрическое соединение тяговых электродвигателей с якорем тягового генератора. В результате образуется цепь для прохождения тока генератора 1 только по двум колесным парам и рельсам 17 последовательно с тяговыми электродвигателями, что приводит к значительному увеличению коэффициента сцепления ψ колес с рельсами и, следовательно, к росту участка ограничения по сцеплению тяговой характеристики применительно к боксующим колесным парам (фиг.2 - кривая 1"). Это приводит к прекращению режима боксования колесных пар, и сила тяги F реализуется по участку 2.
р
2
Момент окончания боксования также фиксируется блоком управления 31 (фиг.1) путем измерения ε, соответствующего w<0,45 м/с, и от блока 31 подается сигнал на коммутирующее устройство 24, которое формирует прямое соединение тяговых электродвигателей с якорем генератора 1. При этом основная часть тока генератора будет проходить по пути наименьшего сопротивления, минуя цепи колесных пар, содержащие коммутаторы, скользящие контакты и контакты колес с рельсами. Тяговые качества тепловоза будут определяться коэффициентом сцепления ψ, близким к естественному.
При повторном возникновении режима боксования передних колесных пар блок управления 31 снова подает сигнал на коммутирующее устройство 24, которое отключает прямое электрическое соединение тяговых электродвигателей с якорем тягового генератора. Далее работа системы происходит по рассмотренному выше алгоритму.
ск
к
max 1
max 2
к
ск
На фиг.3 приведена зависимость коэффициента сцепления ψ от скорости скольжения V (или коэффициента скольжения s) 1 при фиксированной скорости движения локомотива V [П.Вигнер. Тягово-энергетические показатели электровозов серии 250. // Железные дороги мира. - 1985. - №10, С.9-16]. По аналогичной зависимости изменяется предельно возможная сила тяги, определяемая известным выражением F=ψG, где G - сцепной вес локомотива, а для колесной пары - осевая нагрузка. Режим боксования возникает в точке А и характеризуется повышенной скоростью скольжения и снижением коэффициента сцепления по сравнению с максимальным значением ψ. При подаче тока генератора в контакты колес с рельсами их коэффициент сцепления возрастает до максимальной величины ψ (фиг.3 - кривая 2), что вызывает рост силы тяги F и снижение скорости скольжения V. В точке С режим боксования оканчивается, и отключается подача тока в цепи колесных пар. Последующее снижение коэффициента сцепления может привести к повторному боксованию. В результате сила тяги реализуется по замкнутой кривой 3 (фиг.3), не приводя к разносному боксованию колесных пар.
В точке В (фиг.2) кривая 2 или 3 пересекает участок 1' характеристики, что определяет выход колесных пар из зоны боксования. Дальнейшие режимы боксования не возникают, и блок управления 31 отключает коммутаторы 25, 28 или 27, 30, переводя электропередачу (фиг.1) в исходное состояние. Кроме того, возвращение схемы в исходное состояние производится по сигналу сброса нагрузки тягового генератора (на фиг.1 не показано).
к
p
В упрощенном варианте работа схемы может осуществляться без отключения тока генератора от цепей колесных пар на участке А-В (фиг.2), т.е. в зоне возможного боксования. При этом после регистрации момента окончания режима боксования колесных пар блок управления 31 (фиг.1) не подает сигнал на коммутирующее устройство 24, что не приводит к формированию прямого соединения тяговых электродвигателей с якорем генератора 1. Переход тяговой характеристики с участка 2 на участок 3 (фиг.2) обычно происходит при скоростях движения 5-15 км/ч. На участке 3 сила тяги F быстро уменьшается, а скорость движения тепловоза V возрастает. При достижении скорости V>15 км/ч, гарантирующей выход из зоны возможного боксования, блок управления 31 (фиг.1) фиксирует сигналы f датчиков 32, 33, 34, 35, 36, 37, соответствующие в пересчете указанной скорости, и подает свои сигналы на коммутирующее устройство 24 и коммутаторы 25, 28 или 27, 30. Коммутирующее устройство 24 формирует прямое соединение тяговых электродвигателей с якорем генератора 1, а коммутаторы 25, 28 или 27, 30 отключают от генератора цепи колесных пар 11, 14 или 13, 16. Электропередача (фиг.1) переводится в исходное состояние.
В случае возникновения режима одновременного боксования более двух колесных пар блок управления 31 через коммутаторы 25, 26, 27, 28, 29, 30 обеспечивает формирование последовательных соединений боксующих колесных пар по две с поочередной подачей импульсов тока тягового генератора 1 на каждое соединение.
Если после входа в зону боксования передних колесных пар, например, 11 и 14 возникает режим боксования хотя бы у одной из средних колесных пар 12 и 15 (фиг.1), также подверженных некоторой разгрузке, то электрическая передача, как вариант, работает следующим образом.
p
p
p
2
Блок управления 31 по сигналам f2 и f5, поступающим с выходов датчиков скорости 33 и 36 тяговых электродвигателей 6 и 9, механически связанных с колесными парами 12, 15, аналогично регистрирует значение ускорения вращения ε, которое в пересчете соответствует величине w, превышающей 0,5 м/с. При этом возможны четыре случая регистрации начала режима боксования колесных пар 12 и 15.
11, 14
A2
C1
p
12, 15
A
C
C1
ск
2
Если боксование колесных пар 12 и 15 возникает во время режима боксования колесных пар 11 и 14, на которые происходит подача тока I (фиг.4) тягового генератора в соответствии с рассмотренным выше алгоритмом, то блок управления 31 фиксирует момент t возникновения режима боксования колесных пар 12, 15 и подает сигнал на коммутирующее устройство 24. Этим сигналом обеспечивается блокировка сигнала окончания режима боксования колесных пар 11, 14, и прямое электрическое соединение тяговых электродвигателей с якорем тягового генератора на протяжении всего рассматриваемого режима работы остается отключенным. В момент времени t окончания режима боксования колесных пар 11, 14, которое определяется по ускорению ε, соответствующему для этих колесных пар w<0,45 м/с, от блока 31 поступают сигналы на включение коммутаторов 26, 29, и через промежуток времени Δt, необходимый для обеспечения непрерывности тока тягового генератора, сигналы подаются на отключение коммутаторов 25, 28. При этом цепь колесных пар 12, 15, содержащая скользящие контакты 19, 22 (фиг.1) и рельсы 17, подсоединяется к якорю 3 тягового генератора 1, а колесные пары 11,14 отключаются от него. В результате ток генератора I (фиг.4) проходит по двум колесным парам 12, 15 и рельсам 17, что приводит к значительному увеличению их коэффициента сцепления ψ и прекращению режима боксования. В силу роста коэффициента сцепления колесных пар с рельсами при прохождении тока намного выше расчетного [Пат. №2314948 РФ. Электрическая передача тепловоза / А.И.Ивахин, B.C.Коссов, Ю.В.Бабков, Г.М.Волохов], а также из-за достаточно высокой инерционности тягового привода колесных пар процесс их выхода из режима боксования (на фиг.3 - кривая АС) происходит значительно быстрее, чем переход в него (кривая СА). На фиг.4, 5, это отражено моментами времени t и t, соответствующими точкам А начала и С окончания боксования колесных пар (фиг.3). Поэтому, несмотря на то, что к моменту времени t скорость скольжения V колесных пар 12, 15 будет несколько выше, чем в точке А (фиг.3), окончание режима боксования колесных пар 12, 15 произойдет раньше, чем возникновение последующего режима боксования колесных пар 11, 14.
С2
p
p
A1
В момент времени t блок управления 31 фиксирует окончание режима боксования колесных пар 12, 15 по сигналам f2, f5 датчиков 33, 36 (фиг.1) и при регистрации возникновения последующего режима боксования колесных пар 11, 14 в момент времени f (фиг.4) производит обратное переключение коммутаторов 26, 29 на коммутаторы 25, 28. Подобные процессы переключения происходят до точки В (фиг.2), представляющей собой границу выхода колесных пар из зоны боксования, причем сигналы на включение и отключение соответствующих коммутаторов формируются блоком управления 31 при фиксации окончания режима боксования одних и возникновения боксования других колесных пар. Таким образом, на каждое соединение, содержащее две колесные пары, производится поочередная подача импульсов тока тягового генератора 1, продолжительность и частота которых устанавливается блоком управления 31 по результатам измерения ускорений вращения тяговых электродвигателей. В точке В (фиг.2) электропередача переводится в исходное состояние одним из способов, аналогичных ранее рассмотренным для случая боксования двух передних колесных пар.
I
A2
C1
Если момент t  возникновения боксования колесных пар 12 и 15 совпадает с моментом t окончания режима боксования колесных пар 11 и 14 (фиг.4), то блок управления 31 фиксирует эти два процесса одновременно, и работа системы происходит по рассмотренному в предыдущем случае алгоритму.
II
A2
A1
11, 14
C1
Если момент t  возникновения боксования колесных пар 12 и 15 совпадает с моментом t начала очередного режима боксования колесных пар 11 и 14 (фиг.4), то блок управления 31 подключает первыми к якорю 3 генератора 1 колесные пары 11, 14 путем подачи сигнала на коммутирующее устройство 24, которое отключает прямое электрическое соединение тяговых электродвигателей с якорем тягового генератора. Это обусловлено отсутствием регистрации блоком 31 окончания режима боксования колесных пар 11, 14, которое в начале рассматриваемого режима является необходимым условием для подключения колесных пар 12, 15. По колесным парам 11, 14 проходит ток генератора I, приводящий к значительному увеличению их коэффициента сцепления ψ и окончанию режима боксования в момент времени t, что обеспечивает подсоединение к цепи якоря тягового генератора колесных пар 12, 15 в последовательности, приведенной выше. Далее работа системы происходит по рассмотренному в первом случае алгоритму.
A2
12, 15
C2
A1
C2
C2
Если боксование колесных пар 12 и 15 возникает после окончания режима боксования колесных пар 11, 14 (фиг.5), то блок управления 31 фиксирует момент t возникновения режима боксования колесных пар 12, 15 и подает сигнал на коммутаторы 26, 29. Коммутаторы подключают к цепи якоря 3 тягового генератора 1 колесные пары 12, 15 через скользящие контакты 19, 22. После этого блок управления 31 подает сигнал на коммутирующее устройство 24, которое отключает прямое электрическое соединение тяговых электродвигателей с якорем тягового генератора. В результате образуется цепь для прохождения тока генератора I по двум колесным парам 12, 15 и рельсам 17 последовательно с тяговыми электродвигателями, что аналогично приводит к значительному увеличению коэффициента сцепления ψ колес с рельсами и окончанию режима боксования в момент времени t. В случае возникновения повторного режима боксования колесных пар 11, 14 (момент t') раньше момента времени t блок управления 31 выполняет регистрацию возникновения режима и по достижении времени t подает сигналы на включение коммутаторов 25, 28. Через промежуток времени Δt, необходимый для обеспечения непрерывности тока тягового генератора, сигналы подаются на отключение коммутаторов 26, 29. При этом цепь колесных пар 11, 14 подсоединяется к якорю 3 тягового генератора 1, а колесные пары 12, 15 отключаются от него. Далее работа системы происходит по рассмотренному выше алгоритму.
На задних колесных парах сосредоточена вся догрузка [Теория и конструкция локомотивов: Учеб. для Вузов ж.-д. трансп. / Под ред. Г.С. Михальченко. - М.: Маршрут, 2006. - 584 с., С.192]. Поэтому их режим боксования маловероятен. Но и в этом случае реализация поочередной подачи импульсов тока тягового генератора на соединения колесных пар не имеет принципиальных отличий.
Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в том, что электрическая передача многоосного тепловоза содержит блок управления, который в режиме боксования обеспечивает управление подачей электрического тока тягового генератора на колесные пары. При этом одновременно к генератору подключаются только две последовательно соединенные через рельсы колесные пары, что позволяет реализовать наибольшие величины и плотности тока в зонах контакта колес локомотива с рельсами и, следовательно, повысить их коэффициент сцепления и тяговые качества тепловоза.