[12-2025] Влияние разности диаметров бандажей тепловоза 2ТЭ25А на безопасность движения и тяговые свойства

[Admin]

Влияние разности диаметров бандажей тепловоза 2ТЭ25А на безопасность движения и тяговые свойства

Д.И. БОДРИКОВ, заместитель директора по тяговому подвижному составу Проектно-конструкторского бюро локомотивного хозяйства - филиала ОАО «

РЖД

»,
С.Н. ЖУРАВЛЕВ, канд. техн, наук, заместитель главного инженера по перспективным проектам -заведующий НИ КБ ЭМСУ
В.В. БЕРЕЗИН, канд. техн, наук, ведущий научный сотрудник лаборатории динамики экипажных частей подвижного состава, АО «Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава» (АО «ВНИКТИ»), г. Коломна

Ключевые слова: 2ТЭ25А; асинхронный привод; радиальная установка колесных пар; колесная пара; диаметр колеса; нормативная документация; боксование; юз; скорость; ускорение.
Аннотация. На примере тепловоза 2ТЭ25А показано влияние разницы диаметров бандажей колесных пар в составе тележки и секции на безопасность движения локомотива. Превышение допустимой разницы в диаметрах бандажей приводит к превышению расчетных величин нагрузки на пружины, оси колесных пар, что снижает их прочность и коэффициент запаса устойчивости против схода колес с рельсов. В статье представлена структурная схема системы управления силой тяги, защиты от боксования и юза тепловоза, реализованная на тепловозе 2ТЭ25А, которая работает по отклонению фактической скорости колесной пары от скорости движения тепловоза. В режиме «тяга» в качестве скорости тепловоза выбирается минимальная из шести колесных пар, а в режиме «тормоз» - максимальная из них, а значит, тяговые свойства тепловоза зависят и от разности диаметров бандажей колесных пар. Чем больше разность, тем ниже тяговые свойства тепловоза при движении в худших условиях сцепления. При допустимой разности диаметров бандажей в составе секции локомотива 7 0 мм система регулирует проскальзывания на уровне, обеспечивающем оптимальное соотношение силы тяги и износа в системе «колесо - рельс».

Магистральный грузовой двухсекционный тепловоз 2ТЭ25А «

Витязь

» с электрической передачей переменного тока, асинхронными тяговыми электродвигателями (ТЭД), поосным регулированием силы тяги выпускался на Брянском машиностроительном заводе с 2006 г. Серийное производство тепловозов 2ТЭ25А было освоено с 2009 г. В период 2006 — 2016 гг. их было изготовлено 55 единиц, которые находятся в регулярной эксплуатации на Дальневосточной дороге (депо приписки Тында).
Конструктивной особенностью тепловоза 2ТЭ25А является применение асинхронных ТЭД, что способствует:

1. повышению надежности по сравнению с коллекторными двигателями благодаря отсутствию коллекторно-щеточного узла;
2. р снижению трудоемкости обслуживания и ремонта тепловозов, в том числе путём применения в опорно-осевой схеме колесно-моторного блока подшипников качения с постоянной смазкой;
3. повышению тяговых свойств локомотивов благодаря большей длительной силы тяги, чем у локомотивов с коллекторными ТЭД, при одинаковой мощности силовой установки, что позволяет снизить количество секций и подталкивающих тепловозов на лимитирующих подъемах.

Также одной из конструктивных особенностей тепловоза 2ТЭ25А является применение трехосных бесчелюстных тележек с механизмом радиальной установки колесных пар (РУКП). Шарнирно-рычажный механизм РУКП обеспечивает при входе в кривой участок пути синхронный поворот крайних осей в противоположных направлениях (в радиальном направлении относительно центра кривой), тем самым уменьшает углы набегания направляющих колесных пар на наружный рельс и боковые силы в кривых участках пути, что приводит к уменьшению износа бандажей.
Тяговые усилия от каждой тележки на кузов секции передаются через низкоопущенный на уровень осей колесных пар шкворневой узел. Данное решение увеличивает коэффициент использования сцепного веса локомотива.
 

• 1ВЛИЯНИЕ РАЗНИЦЫ ДИАМЕТРОВ КОЛЕСНЫХ ПАР НА НАДЕЖНОСТЬ УЗЛОВ И УСТОЙЧИВОСТЬ ПРОТИВ СХОДА КОЛЕС С РЕЛЬС
• 2ВЛИЯНИЕ РАЗНИЦЫ ДИАМЕТРОВ КОЛЕСНЫХ ПАР НА ТЯГОВЫЕ СВОЙСТВА ЛОКОМОТИВА
• 3Выводы
• 4Библиография

ВЛИЯНИЕ РАЗНИЦЫ ДИАМЕТРОВ КОЛЕСНЫХ ПАР НА НАДЕЖНОСТЬ УЗЛОВ И УСТОЙЧИВОСТЬ ПРОТИВ СХОДА КОЛЕС С РЕЛЬС

Исследования по допустимым значениям разности диаметров колес были проведены ранее в АО «ВНИКТИ» для разных типов подвешивания ТЭД на примере тепловозов

ТЭП70

и

2ТЭ116

[1].
Для того чтобы выяснить, к чему может приводить разница в диаметрах бандажей колесных пар в тележке современного тепловоза 2ТЭ25А, в АО «ВНИКТИ» провели исследования, в ходе которых было выявлено, что разница диаметров колес в трехосной тележке обусловливает изменение сжатия пружин буксовой ступени (изменение статического прогиба). Следовательно, меняются вертикальные силы от колесных пар на рельсы (изменяется развеска). Одним из нормируемых показателей развески является разность нагрузок по осям в одной тележке б, которая в соответствии с выражением (1) не должна превышать 3 % [2, 3]:

Кроме того, превышение расчетной величины вертикальной нагрузки на пружины, оси колесных пар и другие элементы в тележке может снизить их прочность. Указанные нагрузки приводят к несоблюдению условий безопасности движения.

Исследования величины изменения статической нагрузки от колесной пары на рельсы в зависимости от разности диаметров колес проводились с применением компьютерного моделирования по следующей методике. В исходных данных модели локомотива с определенным шагом уменьшалось значение диаметра колес одной колесной пары в одной тележке. Далее проводилось моделирование для выполнения условий равновесия при изменении вертикального положения одной колесной пары с уменьшенным диаметром колес. В результате этого определялись численные значения статических нагрузок каждой колесной пары тележки локомотива на рельсы, и была определена разность нагрузок колесных пар в тележке на рельсы в соответствии с [1], выраженная в процентах, которая сравнивалась с нормативным значением 3 %.
Исследования по экипажу тепловоза 2ТЭ25А показали, что при уменьшении диаметров колес передней колесной пары в тележке (колесная пара со стороны автосцепки), при неизменных диаметрах второй и третьей колесных пар, максимальная разность нагрузок по колесным парам в одной тележке 3 % может достигнуть при разности диаметров колес около 23 мм (см. рис. 1 и таблицу). Если будет уменьшаться диаметр колес крайней колесной пары со стороны топливного бака, максимальная разность нагрузок в 3 % может быть достигнута при разности диаметров около 17 мм.

При уменьшении диаметров колес средней колесной пары предельная разность нагрузок может быть достигнута при разности диаметров 10 мм. Худшим оказался случай, когда уменьшаются диаметры крайних колесных пар, а диаметр средней колесной пары неизменен: предельная разность осевых нагрузок 3 % может достигнуть при разности диаметров колесных пар 9,5 мм.

Таким образом, исследования, проведенные на предмет установления для эксплуатации тепловоза 2ТЭ25А предельной разности диаметров колес в тележке, показали, что при разнице более 10 мм значения параметра 6 составят более 3 %. Несоблюдение указанного норматива будет нарушать безопасность движения локомотива.

ВЛИЯНИЕ РАЗНИЦЫ ДИАМЕТРОВ КОЛЕСНЫХ ПАР НА ТЯГОВЫЕ СВОЙСТВА ЛОКОМОТИВА

В связи со спецификой построения системы защиты от боксования и юза тепловоза 2ТЭ25А разность диаметров бандажей колесных пар тепловоза в составе секции также влияет на тяговые свойства локомотива. Упрощенная структурная схема системы управления силой тяги, защиты от боксования и юза тепловоза, реализованная на тепловозе 2ТЭ25А, представлена на рис. 2.
Задающее воздействие в виде активной мощности Pref, которую должен реализовать ТЭД каждой колесной пары, поступает на положительный вход сумматора ПИ-регулятора активной мощности РМ. На отрицательный вход сумматора с выхода блока измерения мощности поступает сигнал фактической активной мощности на входе каждого тягового инвертора Pizm. На выходе РМ формируется сигнал заданной силы тяги lz ref, которую должен реализовать ТЭД с учетом корректирующего значения Als, поступающего от системы защиты от боксования.

Принцип работы подобной системы защиты от боксования описан в [4] и основан на сравнении текущей скорости вращения колесной пары ш с минимальной скоростью вращения колесной пары секции тепловоза wmjn, а также на сравнении ускорения каждой колесной пары а с максимально-допустимым значением аЬох, величина которого выбрана на основе экспериментальных испытаний в условиях работы на

БАМ

е. При отклонении текущей скорости вращения колесной пары от минимальной △wmin из шести колесных пар в секции более некоторой уставки, зависящей от скорости движения тепловоза (при трогании зона нечувствительности 0,5 км/ч), выполняется сброс задания на силу тяги, развиваемую соответствующим электродвигателем Als. При этом также вычисляется ускорение каждой колесной пары.
Уровень сброса силы тяги и его темп пропорциональны величинам отклонения скорости и ускорения колесной пары (> 0,6 м/с2). При этом регулятор мощности РМ дизель-генератора на время работы системы защиты от боксования приостанавливается по сигналу «Stop». В случае синхронного боксования всех шести колесных пар скорость тепловоза определяется некорректно. В этом случае канал защиты по ускорению является основным, препятствующим развитию боксования.
После прекращения боксования скорость набора мощности ТЭД примерно на порядок ниже, чем при сбросе.
Аналогично работает система защиты от юза при реостатном торможении. При этом текущая скорость колесной пары сравнивается с максимальной штах из шести колесных пар в секции.

Физически система защиты от боксования и юза реализована в составе системы управления тяговым преобразователем частоты и напряжения.
В свою очередь, блок векторной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) формирует сигналы управления ключами инвертора по специально разработанному алгоритму двенадцатисекторной ШИМ базисных векторов, который позволяет снизить «мертвое время» и повысить качество выходного напряжения автономного инвертора напряжения. Блок вычисления положения и скорости позволяет определить электрическое положение ротора и электрической частоты вращения, направления вращения ротора по сигналам импульсного датчика частоты вращения.
В модели ротора в зависимости от величины заданного момента, заданного потокосцепления ротора и параметров асинхронного ТЭД определяется, в том числе, в динамике, требуемое скольжение асинхронного ТЭД. Датчики частоты вращения установлены непосредственно на валу каждого ТЭД.
Данная система управления обеспечивает максимальные проскальзывания колесных пар на уровне не более 3 — 5 км/ч в зависимости от состояния пути и скорости движения тепловоза.

В настоящее время система защиты от боксования и юза настроена на разности диаметров бандажей колесных пар в секции тепловоза 10 мм с учетом неровностей пути, стрелок, стыков, незначительном проскальзывании из-за ухудшения условий в контакте «колесо — рельс» и прочих случайных факторов.
Увеличение разности диаметров при неизменном программном обеспечении приведет к ложным преждевременным срабатываниям системы защиты от боксования и, соответственно, к снижению тяговых свойств локомотива при ухудшенных условиях сцепления. Изменение ПО для расширения зоны нечувствительности при увеличенной разности диаметров приведет к повышенному износу в системе «колесо — рельс».

Выводы

Разность диаметров бандажей колесных пар тепловоза 10 мм в составе секции тепловоза 2ТЭ25А, определенная в Руководстве по эксплуатации на тепловоз, на текущий момент представляется оптимальной. Превышение допустимой разницы в диаметрах бандажей приводит к превышению расчетных величин нагрузки на пружины, оси колесных пар, что снижает их прочность и коэффициент запаса устойчивости против схода колес с рельсов, а также снижает тяговые свойства тепловоза при ухудшенных условиях сцепления в контакте «колесо - рельс».

Библиография

1. Исследование влияния разницы диаметров колесных пар на тяговые свойства локомотивов / Березин В.В., Кашников Г.Ф., Спиров А.В., Кулув ТВ. // Вестник ВНИКТИ. Вып. 102. Коломна, 2019. С. 60 - 66.
2. ГОСТ 31187-2011. Тепловозы магистральные. Общие технические требования. М.: Стандартинформ, 2012.35 с.
3. ГОСТ 33760-2016. Железнодорожный подвижной состав. Методы контроля показателей развески. М.: Стандартинформ, 2016.11 с.
4. Клименко Ю.И. Исследование электропривода с изменяемой жесткостью тяговой характеристики: специальность 05.22.07 «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»: дис.... канд. техн. наук. Коломна, 2004.188 с.