Введение к работе
Актуальность. Железнодорожный транспорт является одпсй из важнейших отраслей народного хозяйстоа Российской Федерации. В настоящее время свыше половшім всех грузовых и около половины пассажирских перевозок в нашей стране осуществляется железнодорожным транспортом. Перспективы развития экономики Российской Федерации напрямую связаны с падежным функционированием железнодорожных магистралей.
Для повышения эффективности работы железнодорожного іранспорта необходимо увеличивать пропускную и провозную способности железных дорог, что пепосредствешю связано с необходимостью увеличения скоростей движения и весовых норм поездов. Увеличение скоростей движения особенно важно при пассажирских перевозках для повышения их конкурентноспособности с другими видами транспорта.
При повышении скоростей движения п увеличении весовых норм поез
дов особенно остро встает проблема обеспечения безопасности железнодорож
ных перевозок. Решение этих проблем во многом достигается улучшением тя
говых н тормозных характеристик подвижного состава. Важность п актуаль
ность совершенствования тяговых и тормозных устройств подвижного состава
привлекала и привлекает внимание видных отечестрепных ученых и специа
листов. Велик вкл"Д в разработку и исследование систем тяги п торможения
ученых: В.Д.Авилова, Л.В.Балона, Ю.А.Бахвалова, А.И.Беляева,
Е.П.Блохина,В.И.Бочарова, ВА.Браташа, В.А.Вилокурова, Ю.А.Евдокныовз,
И -.Ефремова, Д.Д.Заяарчешсо, И.П.Исаевз, В.Г.Ипозеицепа, Ю.М.Ипьхова,
ДЗ.Карминского, В.Н.Кашншсова, В.И.Колесннкова, М.Л.Коротешсо,
Е.Е.Коссова, В.Д.Кузьмича, А.С.Курбасова, Д.К.Мшшва, Михальченко Г.С.,
А.Г.Нпкнтенко, Б.Д.Ншаїфоровз, Е.С.Павловича, А.В.Плакса, М.Г.Потапова,
А.А.Рентевнча, В.Е.Розснфельда, Н.С.Ротанопа, В.СРудневз,
А.Н.Савоськина, Н.Н.Свдорова, В.Ь.Скобелева, В.В.Стрекопгггова,
Э.Д.Тартаковского, Б.Н.Тихмепепа, Л.М.Трахтчапа, Т.А.Тнбилопа,
В.Д.Тулупова, В.П.Феоктистопа, В.В.Четвергопа, В. В. Шаповалова, В.Г.Щербакопа, В.Панова и многих других.
Эффективность большинства применяемых на современном подвижном составе тяговых п тормозных устройств зависит от оиш сцепления колеса транспортного средства с рельсом. Ограниченность силы сцеплепия колеса с рельсом приводит к необходимости увеличения массы локомотива и явлению боксовапня, при котором возможен разнос тяговых двигателей постоянного п пульсирующего тока. Эффективность действия колодочного и дискового тормозов подвижного состава, во многом, определяется также силой сцепления колеса с рельсом. Считается, современные системы торможения подвижного состава практически достигли пределов своего совершенства. Для повышения качества работы устройств тяги и торможения необходимо искать новые тех-. ішческие і сшения.
Один из путей решения этой задачи - примените тяговых и тормозных устройств па базе липейпых асинхронных двигателей (ЛАД). В этой связи разработка и исследование тяговых и тормозных устройств на базе ЛАД является актуальной задачей, возникшей ввиду необходимости повышения скоростей движения и весовых норм поездов. Устройства для тяги и торможения с линей-пыми электродвигателями взаимодействуют непосредственно с рельсами н способны повысить эффективность эксплуатации погвнжного состава. Устройства на базе ЛАД являются многофункциональными. Они обеспечивают создание дополнительных тяговых и тормозных усилий, что позволяет преодолевать большие подъемы и увеличивать скорости перевозки грузов. ЛАД развивают и усилия притяжения между индуктором н рельсом, способствующие ускорению процесса тропшия поезда с места и исключают возможность бок-сования. Устройства с линейными асинхронными двигателями могут использоваться в качестве вихретоковых и электромагнитных рельсовых тормозов РМРТ). Увеличение силы сцепления колеса с рельсом при использовании ЛАД на подвижном составе способно повысить эффективность ргботы его основных тяговых и тормозных систем. Это свидетельствует об актуальности темы диссертационного исследования. Представляє! интерес и совершенствование технологии изготовления индукторов линейных электродвигателей для тяговых и юрмолных устройств. В публикациях практически отсутствуют сведения о технологии изготовления линейных машин. Поэтому проблемы создания новых
асинхронных двигателей с поперечным магнитным потоком, создание нового класса ЛАД с поперечной самостабилизациен, построенных на новом прштцп-пе действия, разработка их математических моделей и методтси их расчета, создание основ новой интегральной технологии изготовления индукторов тяговых ЛАД.
лМетоды проведения исследований. В теоретической части работы использовались методы теории электромеханического преобразования энергии, математической физики и теории электромагнитного поля, дай учета влияния зубчатого строения индуктора на величину боковых усилии использовался метод конформных преобразовашіи, для определения критериев проектирования ЛАД для тяговых и тормозных устройств сформулированы и доказаны три теоремы векторной алгебры, для учета влияния дискретности строения магнитной системы линейных злеіородаигателей использовалась обобщснпая функция (дельта-функндя Дирака). Решение задач потребовало широкого применения вычислительной техники. Экспериментальные исследования прс юдп-лись на лабораторных и макетных образцах тяговых ЛАД.
Основные научные результаты и положения, выносимые автором на за-
-
Способ регулнровашш скорости тягового ЛАД с поперечным магнитным потоком, методика построения годографов токов, определения параметров и характеристик линейных электродвигателей при изменении величины пошесного деления.
-
Концепция математического моделирования линейных асинхронных двигателей с пр^чрльно-поперечным мзгшггаьш потоком, основанная на методах теории электромагнитного поля.
-
Математические модели тяговых ЛАД с продольно-поперечным маг-нишым потоком, построенные на квазитрехмерных расчетных моделях, по-зікшяющнх ушпынагь яродолышй я поперечный концевые эффекты.
-
Комплекс конструкций ЛАД для тяговых и тормозных устройств с регулируемым сопротивлением короткозамкнутой обмотки вторичного элемента, их математические модели и метод учета влияния вытеснения тока в пазу в режимах пуска, регулирования скорости и торможения.
-
Основы теории определения величніш сопротивлении обмотки вторичного элемента, обеспечивающих иаксииальпое неханическое усилие ЛАД в режимах трогашт с места, регулирования скорости и торможения.
-
Методика расчета вихревых токов в рельсе, базирующаяся па решении двумерной полевой задачи, и учета их влияния из величину тягового усилия линейного асппхроппого двигателя.
-
Методики расчета тормозпых режимов ЛАД с поперечным магнитным потоком.
-
Принцип реализации усилий автоматической поперечной стабилизации ЛАД, новые конструкции линейных двигателей, созданных на этом принципе, методику расчета ЛАД данного типа.
-
Основы интегральной технологии производства тяговых линейных асинхронных дпигатслей, исключающей процесс предварительного изготовления отдельных деталей и узлов машшгы и последующую их сборку в готовое изделие.
10. Результаты разработки комплекса новых конструкций ЛАД для тяго
вых н тормозных установок подвижного состава.
Научная поппзпа работы заключается в следующем:
-
На основе обобщения ц систематизации научпо-техннческлх разработок представлен синтез новых типов линейных асинхронных двигателей: с ре-гулпрусмым полюсным дслепиеы, с продольно-поперечным магнитным потоком, с регулируемым сопротивлением корогкозамкпутой обыопгя вторичного элемента и с поперечной автоматической самостабилнзацией, предназиачеи-пьг для тяговых и тормозных устройств подвижного состава.
-
Сформушірован новый способ регулирования скорости а тягового усилия линейного асшпфогагого двигателя с ноперечиым магнитным потоком, имеющего дискретную магнитную систему, путем плавного изменения величины полюсного деления нндугаора.
-
Предложен принцип реалгаацни поперечной автоматической стабилизации индуктора тегового ЛАД относительно вторичного элемента (рельса), в основу которого положено взаимодействие бегущих навстречу друї- другу магии шых нолей. Новый принцип действия позволил создать ряд конструкций и
устройств на базе линейных асинхронных двигателей, улучшающих динамические свойства скоростных поездов.
-
Предложен способ построения круговых диаграмм годографов токов ЛАД с изменяемым полюсным делением. Устаповлепо, тго величина радиуса окружности годографа токов при регулировании скорости линейного перемещения изменяется по гиперболическому закону.
-
Показаны пути построения новых конструктивных схем линейных асинхронных двигателей с продольно-поперечным замыканием магнитного потока для систем тяги и торможения.
-
Разработана математическая модель ЛАД с продольно-поперечным магнитным потоком, решена квазнтрехмерная полевая задача определения векторного магнитного потенциала, усгановлепы аналитические соотношения для расчета МДС в воздушном зазоре для различных конструкций магшгго-ароводов линейных машин, создана методика расчета интегральных характеристик Электродвигателей дапного типа.
-
Получспы аналігпіческне соотношения на основе решепня полевой задачи, позволившие установить взаимосвязи параметров паза и магнитного поля вторичного элемента, определены закономерности изменения коэффициентов увеличения активного н уменьшения ццдуктшшого сопротивлений вторичной обмотки ЛАД при различных положениях замыкающей шины в режимах трогания с места, регулирования скорости и торможения.
-
Определены критерии проектирования короткозамкнутых обмоток вторичпых элементов тяговых линейных асинхронных .двигателей на основе доказательства трех теорем векторной алгебры.
-
Предложена методика расчета вихревых токов в рельсе, установлены взаимосвязи между геометрическими размерами ицг.уктора линейной машины и распределением вихревых токов, разработан метод учета влияния вытеснения тока в рельсе на величину тягового и тормозного усилий ЛАД.
10. Определены наиболее рациональные соотношения, при которых си
ловое взаимодействие индуктора ЛАД и рельса в тяговом н тормозном режи
мах будет наиболее эффективным, установлены закономерности изменения ко-
эффпцнента силового взаимодействия и зоны его экстремумов при пзмепепяи величины полюспого делспия лшіейпого электродвигателя.
-
Представлены оспозные пршщнпы пптегральпой техполопш изготовления индукторов таг вых линейных асинхронных двигателей, открывающей повое паучпое направление.
-
Разработан комплекс перспективных технических регаепнГі п областп линейных асинхронных двигателей для тяговых и тормозных устройств современного и перспективного подвпжпого состава, защищенный авторскими свидетельствами СССР, патентами Российской Федеращш, патенташі США, ФРГ, Франции и Японии.
Практическая ценность работы заключается:
в спределетш параметров п энергетических харагсгерисгак электродвигателей прп помощи построешш годографов токов ЛАД с регулируемым полюсным делением;
п разработке магнитных систем ЛАД с продольно-поперечным магнитным потоком для тяговых и тормозных систем, в определении путей построения новых конструктивних схем лннейтшх машин нового типа;
в разработке и создапни ноны? конструкций тяговых линейных acmi-хронных двигателей, защищенных 112 авторскими евпдетсльствамн СССР п патентами Российской Федерации н 48 зарубежными патентами;
в создании линейных тяговых двигателей с поперечной стабштзашші и методики их расчета;
в создании осноз интегральной техпологпп тготовлепия индукторов тяговых линейных электродвигателей;
и создании опытных образцов тяговых линейных асинхронных двигателей, разработанных соискателем и при его участи.
Реализация результатов работы. Основпые положення дпесертацнонпой работы были использовапы:
- іфн разработке п создании индукторз тягового линейного асинхронно
го двигателя для опытного полигона скоростного транспорта ВЭлННИ
(г.Новочеркасск);
при разработке п создании индукторов лилейных асинхронных двигателей для тяговых и тормозных устройств подвижного состава, при разработке электропривода с ЛАД для подачн в пресс длинномерных стальных полос для Ростовского электровозоремонтного завода;
при разработке п создании электропривода с ЛАД для обработки пластин магшггопролодов тяговых электрических машин для Смеляшжого электромеханического ремонтного завода (г.Смсла);
при разработке и изготовлении опытно-промышленного образца полуавтоматической линии с тяговыми ЛАД для вагоностроительных заводон (г.Кременчуг), для вагоноремонтных заводов (г.Попасная);
в учебном процессе Ростовского государственного университета путей сообщения при чтении лекций, в курсовом и дипломном проектировании.
Атфобащга работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на первом всесоюзном совещании :.о скоростному транспорту (г.Новочеркасск, 1976); па всесоюзном совещании по применению линейных двигателей на новых видах транспорта (г.Киев, 1978); на втором всесоюзном совещании по скоростному транспорту (г.Новочеркасск, 1980); на научно-практической конференции учебно-научпо-производственио-зкеплуатационных комплексов по повышению уровня использования и надежности работы средств транспорта (г.Ростов н/Д, 1981); на всесоюзных семинарах по проблемам применения линейных электрических машин (г.Одесса, 1986, 1988, 1991); на всесоюзном совещании по проблемам ее -даиия и при іенения линейных электродвигателей (г.Донецк, 1989); на ыеж-дунаролюм коллоквиуме-семинаре по линейному электроприводу (г.Одесса, 1990); ка различных межвузовских конференциях и на научных конференциях и семинарах Ростовского государственного университета путей сообщения (г.Росгов н/Д, 1980-1998).
Публикации. По теме диссертации опубликована 201 работа, среди которых 34 научных статьи, 112 авторских свидетельств СССР и патентов Российской Федерации, 48 патентов США, Франции, ФРГ и Японии, а также - материалы научных конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глаи с выводами, заключения, списка литературы и приложений.
Диссертация содержит 237 страниц основного текста, 96 рпсупкон на 95 стрзшщах, списка литературы из 288 наименований отечественных и зарубежных авторов на 28 страницах и приложений на 29 страницах - всею 390страниц.
