СТЕНД ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ТЯГОВОМ ПРИВОДЕ ЛОКОМОТИВА С ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧЕЙ

Полезная модель относится к области транспортного машиностроения и может быть использована для исследования динамических процессов в тяговом приводе.
Известен стенд для моделирования динамических процессов в тяговом приводе локомотива с электропередачей, содержащий по крайней мере один электродвигатель, характеристика которого аналогична характеристике тягового электродвигателя локомотива, а вал якоря фрикционно связан с установленным в подшипниковых опорах валом, несущим маховик, имитирующий массу поезда, и электрическую нагрузочную машину, имитирующую тяговою нагрузку, вал якоря которой связан с упомянутым валом, несущим маховик (см. Авторское свидетельство СССР №677786, кл. G01M 17/00, 1944).
Недостатком указанного стенда является то, что на нем невозможно имитировать процессы буксования и автоколебаний, возникающих в тяговом приводе локомотива при его совместной работе с колесными парами.
Известен стенд для моделирования динамических процессов в тяговом приводе локомотива с электропередачей, содержащий дизель-генераторную установку, электрически связанную с двигателем колесной пары, ось которой посредством цилиндрического редуктора связана с выходным валом тягового электродвигателя, катки, каждый из которых связан с соответствующим колесом колесной пары, смонтированный на оси катков маховик, имитирующий массу поезда, и электрическую нагрузочную машину, имитирующую тяговую нагрузку (см. Челноков Н.Н., и др. Стенды для испытаний подвижного состава железных дорог. М., НИИ Информтяжмаш, 1966, 11-66-4, с. 19).
Недостатком данного стенда является то, что он не в полной мере воспроизводит эксплуатационные условия, в частности, не обеспечивает проскальзывание и потерю сцепления одним из колес колесной пары и не позволяет получить режимы автоколебаний в тяговом приводе.
Известен стенд для моделирования динамических процессов в тяговом приводе локомотива с электропередачей, содержащий дизель-генераторную установку с преобразователем частоты, электродвигатель, характеристика которого аналогична характеристике тягового электродвигателя локомотива, а вал якоря электродвигателя фрикционно связан с валом, несущим маховик, имитирующим массу поезда, посредством колесной пары с колесами различных диаметров, и электрическую нагрузочную машину, имитирующую тяговую нагрузку, вал якоря которой связан с упомянутым валом, несущим маховик (см. Авторское свидетельство СССР №712726, кл. G01M 17/00, 1978, опубл. Б.Н. - 30.01.80, Б.И. №4).
Недостатком данного стенда являются значительные капитальные затраты при изготовлении колесных пар с колесами разного диаметра и катка, значительная трудоемкость при демонтаже и монтаже узлов механической части стенда.
В качестве прототипа предлагаемой полезной модели выбран стенд для моделирований динамических процессов в тяговом приводе локомотива с электропередачей, содержащий дизель-генераторную установку, регулируемую дистанционно от контроллера машиниста и соединенную через статический преобразователь частоты со звеном постоянного тока с электродвигателем, якорь которого соединен через тяговый редуктор с колесной парой, колеса которой опираются на каток, связанный с маховиком и электрической нагрузочной машиной, нагрузочные устройства, на статор тягового электродвигателя установлен индукционный нагреватель, охватывающий статор, закрытый теплоизоляционным материалом, а к тяговому электродвигателю подсоединены система контроля температуры его обмоток и система обдува тягового электродвигателя, состоящая из воздухопровода, мотор-вентилятора с системой управления им, при этом колеса колесной пары имеют одинаковый диаметр, в зоне контакта колес с катком установлен воздуховод, содержащий полупроводниковый термоэлектрический охладитель и датчик температуры и подсоединенный к мотор-вентилятору, нагрузочные устройства содержат электромагниты, на валу двигателя установлен датчик частоты вращения, в воздухопроводе системы обдува двигателя установлен полупроводниковый термоэлектрический охладитель, а система управления содержит блок задания частоты вращения вала двигателя, блок сравнения, блок управления, блоки задания нагрузки на колесные пары, регуляторы тока обмоток сердечников электромагнитов нагрузочных устройств (см. Патент на полезную модель №156446, Российская Федерация, МПК G01M 17/08, В61С 9/24, B60L 11/02. Стенд для моделирования динамических процессов в тяговом приводе локомотива с электропередачей. [Текст] / Воробьев В.И., Космодамианский А.С., Антипин Д.Я., Измеров О.В., Пугачев А.А, Бондаренко Д.А. Опубл. 10.11.2015, бюл. №31).
Недостатком указанного стенда является то, что он не в полной мере воспроизводит эксплуатационные условия, то есть не обеспечивает возможность исследования режима электрического торможения тягового электропривода подвижного состава. При доведении в перспективе массы состава до 7000-8000 тонн, на одну обмоторенную ось 12-осного локомотива будет приходиться 600 и более тонн веса состава, инерцию которых технически сложно воспроизвести с помощью маховика. Кроме того, указанный стенд не имитирует усилие от веса состава при движении по участку с положительным уклоном, когда горизонтальная составляющая веса состава суммируется с силой инерции состава.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, состоит в расширении функциональных возможностей стенда и приближения условий моделирования к эксплуатационным.
Это достигается тем, что стенд для моделирований динамических процессов в тяговом приводе локомотива с электропередачей, содержащий дизель-генераторную установку, регулируемую дистанционно от контроллера машиниста и соединенную через статический преобразователь частоты со звеном постоянного тока с электродвигателем, якорь которого соединен через тяговый редуктор с колесной парой, колеса которой опираются на каток, связанный с маховиком и электрической нагрузочной машиной, нагрузочные устройства, на статор тягового электродвигателя установлен индукционный нагреватель, охватывающий статор, закрытый теплоизоляционным материалом, а к тяговому электродвигателю подсоединены система контроля температуры его обмоток и система обдува тягового электродвигателя, состоящая из воздухопровода, мотор-вентилятора с системой управления им, при этом колеса колесной пары имеют одинаковый диаметр, в зоне контакта колес с катком установлен воздуховод, содержащий полупроводниковый термоэлектрический охладитель и датчик температуры и подсоединенный к мотор-вентилятору, нагрузочные устройства содержат электромагниты, на валу двигателя установлен датчик частоты вращения, в воздухопроводе системы обдува двигателя установлен полупроводниковый термоэлектрический охладитель, а система управления содержит блок задания частоты вращения вала двигателя, блок сравнения, блок управления, блоки задания нагрузки на колесные пары, регуляторы тока обмоток сердечников электромагнитов нагрузочных устройств, датчик синхронной частоты вращения, узел сравнения, два переключателя, один из которых соединяет статический преобразователь частоты с тормозными реостатами, а другой - электрическую нагрузочную машину с регулятором нагрузки, параметры которого определяются задатчиком момента.
Сущность заявленной полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена принципиальная схема стенда для моделирования динамических процессов в тяговом двигателе с электропередачей, а на фиг. 2 изображена блок-схема управления стендом.
Стенд содержит дизель-генераторную установку 1, регулируемую дистанционно от контроллера 2 машиниста, соединенную через статический преобразователь 3 частоты со звеном постоянного тока, тяговый электродвигателем 4, якорь которого соединен через тяговый редуктор 5 с колесной парой 6, колеса 7 и 8, которые могут иметь сменные бандажи, что обеспечивает возможность моделирования совместной работы тягового привода с колесными парами, имеющими различную величину и характер износа колес, и опираются на каток 9, связанный с маховиком 10 и электрической нагрузочной машиной 11, нагрузочные устройства 12. На статор тягового электродвигателя 4 установлен индукционный нагреватель 13, охватывающий статор и закрытый теплоизоляционным материалом 14. К тяговому электродвигателю 4 подсоединены система контроля температуры 15 его обмоток, и система обдува тягового электродвигателя 4, состоящая из воздухопровода 16, мотор-вентилятора 17 с системой управления им 18. На валу двигателя 14 установлен датчик частоты вращения вала 23, в зоне контакта колес 7 и 8 одного диаметра с катком 9 установлен воздуховод 25 с расположенными в нем термоэлектрическим нагревателем 21 и датчиком температуры 24 подсоединенной к мотор-вентилятору 17. В воздуховод 16 системы обдува двигателя 4 установлен термоэлектрический охладитель 22. В качестве нагрузочных устройств 12 используются электромагниты, состоящие из якоря 20 и сердечника 19 с обмоткой. Блок-схема (фиг. 2) системы управления стендом содержит блок задания частоты вращения вала двигателя 26(БЗ), блок управления 28(БУ), боки задания нагрузки на колеса колесной пары 29(Б31) и 30(Б32), регуляторы тока 31(РТ1), 32(РТ2), обмотки 33(НУ1), 34(НУ2) сердечников 19 электромагнитов нагрузочных устройств 12.
Стенд содержит два переключателя 36 и 41, один из которых (41) соединяет статический преобразователь 3 частоты с тормозными реостатами 42, а другой (36) - электрическую нагрузочную машину 11 с регулятором нагрузки 37. На стенде установлены задатчик момента 38, датчик синхронной частоты вращения 39, узел сравнения 40.
Стенд работает следующим образом. На регуляторы тока 31 (РТ1) и 32(РТ2) подаются от блоков задания 29(Б31) и 30(Б32) нагрузки на колеса 7, 8 колесной пары 6 сигналы, определяющие необходимую величину тока в обмотках сердечников электромагнитов 19, и, следовательно, нагрузку на колеса.
Задается частота вращения вала двигателя 4, сигнал задания по которой от блока задания 26(БЗ) поступает на блок сравнения 27(БЗ). Включаются термоэлектрические охладители 21 и 22 и мотор-вентилятор 17. Вентилятор мотор-вентилятора 17 нагнетает охлаждаемый воздух по воздуховодам 16 и 25 в обмотки двигателя 4 и зону контакта колес 7 и 8 с катком 9. После получения заданной температуры, определяемой датчиком температуры 24 и системой контроля температуры 15, включается электродвигатель 4, питаемый от дизель-генераторной установки 1 через статический преобразователь частоты 3. При равенстве сигналов задания частоты вращения вала двигателя 4 и действительной скорости вращения, поступающих в блок сравнения 27, выходной сигнал из блока 27 поступает на блок управления 28(БУ). Для создания процесса буксования, а, следовательно, автоколебаний системы "колесная пара-редуктор-ротор электродвигателя" необходимо создать неодинаковую нагрузку на колеса колесной пары. Это достигается следующим образом. Сигналы из блока 28 поступают на регуляторы тока 31(РТ1) и 32(РТ2), питающих обмотки 33(НУ1) и 34(НУ2) сердечников электромагнитов 19, нагружающих устройств 12. В зависимости от знака этих сигналов происходит увеличение или уменьшение величины тока в обмотках электромагнитов нагружающих устройств и, следовательно, догружение или разгрузка колес колесной пары. Несоответствие нагрузок на колесах приводит к проскальзыванию одного из них и возникновению процессов буксования и автоколебаний. Для ускоренного повышения температуры обмоток электродвигателя и в зоне контакта колес с катком выключаются термоэлектрические охладители, включается индукционный нагреватель 13, мотор-вентилятор 17 переводится в режим всасывания теплового воздуха их воздухопровода 16, который поступает в воздухопровод 25. Режим работы нагревателя происходит до тех пор, пока не установится заданная температура обмоток двигателя и в зоне контакта колес с катком. Для организации процесса электрического торможения и последующего анализа процессов автоколебаний и боксования в данном режиме используется датчики 39 и 23, узел сравнения 40.переключатель 41 и тормозные реостаты 42. Генераторный режим работы асинхронного двигателя возникает при превышении частоты вращения ротора двигателя синхронной частоты вращения. При величине сигнала от датчика 39 большего, чем от датчика 23 двигатель работает в тяговом режиме, переключатель 41 остается в исходном положении. Для создания генераторного режима двигателя уменьшается синхронная частота вращения системой управления до необходимой величины (на фигурах система управления не показана) статическим преобразователем частоты 3. В этом случае величина сигнала от датчика 23 становится больше чем от датчика 36. На выходе узла сравнения 40 появляется сигнал приводящий переключатель 41 в положение подключения тормозных реостатов к звену постоянного тока статического преобразователя частоты 3. В генераторном режиме электродвигатель 14 преобразует механическую энергию вращения вала в электрическую энергию, которая передается из обмоток статора электродвигателя 14 в звено постоянного тока преобразователя частоты 3 и далее рассеивается на тормозных реостатах 42. Для учета исследований в этом режиме веса состава при движении по участку с положительным уклоном, переключатель 36 соединяет электрическую нагрузочную машину 11 с регулятором нагрузки 37, параметры которого определяются задатчиком момента 38, в результате чего электрическая нагрузочная машина переводится в режим двигателя и создает момент, имитирующий инерцию состава и усилия от уклона пути.
Результаты, полученные на предлагаемом стенде, можно использовать при разработке и создании противобуксовочных устройств и их систем с последующей отработкой на стенде.
Преимущества предлагаемой полезной модели заключается в том, что наличие коммутируемых переключателями реостатного тормоза и источника питания для имитации инерции состава с помощью электрической нагрузочной машины позволяет оценить процессы буксования и автоколебаний в режиме реостатного торможения локомотива, что расширяет функциональные возможности стенда и приближает условия моделирования к эксплуатационным.