Разработка экипажной части скоростного пассажирского электровоза с асинхронным тяговым приводом (стр. 1 )

На правах рукописи

РАЗРАБОТКА ЭКИПАЖНОЙ ЧАСТИ
СКОРОСТНОГО ПАССАЖИРСКОГО ЭЛЕКТРОВОЗА
С АСИНХРОННЫМ ТЯГОВЫМ ПРИВОДОМ

Специальность 05.22.07 – Подвижной состав железных дорог,

тяга поездов и электрификация

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Ростов-на-Дону – 2013

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный университет путей сообщения»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: ,

доктор технических наук, профессор,

профессор кафедры «Подвижной состав»
ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет»

,

кандидат технических наук, доцент,

доцент кафедры «Электрический подвижной состав» ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный университет путей сообщения»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения»

Защита состоится «__» _________ 2013 г. в ___.00 на заседании диссертационного совета Д 218.010.01 при ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный университет путей сообщения» г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, д. 2 (главный корпус, конференц-зал).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО РГУПС г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, д. 2.

Автореферат разослан «__» _________ 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 218.010.01

доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В соответствии со «Стратегией развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года» ( от 17 июня 2008 г.), предусматривается увеличение общей протяженности скоростного полигона железных дорог России (160…200 км/ч) до 11 тыс. км, при этом предусматривается увеличение пассажирских перевозок в 1,4 – 1,6 раза по основным направлениям.

Для обеспечения возрастающего пассажиропотока необходимо в кратчайшие сроки разработать и внедрить в серийное производство двухсистемные скоростные пассажирские электровозы, оснащенные асинхронным тяговым приводом (АТП) с увеличенными сроками межремонтных пробегов, в частности средний ремонт через 1 млн. км пробега, а капитальный ремонт через 3 млн. км. Сроки разработки и подготовки производства новых электровозов должны быть значительно сокращены, при этом должна быть обеспечена максимальная унификация оборудования электровозов различных типов и назначения.

Применение АТП существенным образом влияет на основные показатели локомотивов. Как следствие, возникает целый комплекс проблем, связанных с необходимостью создания экипажной части, способной в полной мере реализовать преимущества АТП.

Прежде всего, асинхронные тяговые двигатели (АТД) имеют гораздо бóльшую единичную мощность (в 1,5 раза больше, чем коллекторные ТЭД), при существенно меньшем весе. Однако устройства преобразования электроэнергии, размещаемые в кузове (трансформаторы, тяговые и вспомогательные преобразователи и т. п.), имеют значительный вес и объем. В результате центр масс электровоза оказывается расположенным на бóльшей высоте, что крайне нежелательно с точки зрения динамики и требует принятия специальных решений.

Значительное увеличение момента на валу тягового двигателя предъявляет повышенные требования к прочности и ресурсу силовой механической передачи (тяговой муфты, зубчатой передачи, подшипников тягового двигателя и редуктора и т. п.). Соответствующие узлы должны иметь увеличенный запас прочности – по сравнению с узлами, применявшимися на локомотивах с коллекторными тяговыми двигателями.

Также требует обоснованного решения задача выбора осевой формулы (30–30 или 20–20–20) шестиосных скоростных пассажирских электровозов с АТП.

Решение обозначенных проблем требует, опираясь на имеющийся опыт, дальнейшего развития научного обеспечения разработок скоростного подвижного состава нового поколения, что позволит исследовать сложные процессы в экипажной части электровоза на ранних стадиях проектных работ и по возможности избежать изготовления дорогостоящих макетных образцов. Применение современных методов динамических и прочностных расчетов позволит сократить сроки проектных работ и повысить эксплуатационную надёжность экипажной части электровоза.

Целью работы является разработка экипажной части скоростных шестиосных пассажирских электровозов с асинхронным тяговым приводом, что позволит, на основе накопленного опыта и применения современных достижений в области динамики сложных механических систем, прочностных расчетов и компьютерного моделирования, значительно улучшить их технико-экономические и эксплуатационные показатели.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Сформулированы и защищены пятью патентами РФ основные концептуальные решения ходовой части скоростного шестиосного электровоза с АТП, где объединены в одно целое требования заказчика, современные мировые тенденции разработки скоростных электровозов, опыт проектирования и реальные возможности производства.

2. С использованием полноразмерных твердотельных моделей, созданных в ПК «Универсальный механизм», методами компьютерного моделирования исследованы динамические процессы в экипажной части скоростного электровоза для различных скоростных режимов, при прохождении прямых и кривых участков, стрелочных переводов и т. п.

3. Выполнена структурная оптимизация экипажной части шестиосного скоростного пассажирского электровоза с АТП: сделан научно обоснованный выбор осевой формулы 2о-2о-2о для нового электровоза.

4. Создана конечно-элементная модель рамы двухосной тележки с прогнутыми боковинами в комплексе с пружинами буксовой подвески. Исследовано напряженно-деформированное состояние рамы при различных режимах нагружения: удар, эксплуатационные нагрузки, а также под действием динамических нагрузок, полученных на твердотельной модели.

5. Выполнено сравнение результатов компьютерного моделирования динамических процессов в ходовой части и воздействия на путь с результатами натурных испытаний.

6. Выполнено сравнение результатов испытаний перспективного шестиосного скоростного пассажирского электровоза с АТП и его ближайшего прототипа – электровоза ЭП10.

7. Для проверки достоверности полученных результатов, выполнено сравнение значений коэффициентов запаса сопротивления усталости для рамы тележки с прогнутыми боковинами, полученными по результатам расчета методом конечных элементов, а также по итогам стендовых и натурных испытаний электровоза.

Методы исследования. Модель экипажной части электровоза разработана на основе формального метода Ньютона-Эйлера. Для решения поставленных задач были применены методы компьютерного моделирования взаимодействия экипажной части и пути на основе методов динамики систем твердых тел с помощью модуля УМ-Локо программного комплекса «Универсальный механизм», разработанного проф. при участии сотрудников кафедры «Локомотивы» ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет» под руководством проф. и ОАО «Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава» () под руководством проф. . При выполнении прочностных расчетов применялись пакеты программ, реализующие метод конечных элементов (МКЭ).

Достоверность научных результатов обеспечена корректностью формулировок математических задач и компьютерных моделей, адекватностью примененных методов динамики систем твердых тел (формальный метод Ньютона-Эйлера) и метода конечных элементов, специализированных программных комплексов, и подтверждается результатами экспериментальных исследований, выполненных автором, а также опытом эксплуатации и итогами ходовых испытаний электровозов ЭП10 и ЭП20.

Основные научные результаты и положения, выносимые автором на защиту:

1. Концепция экипажной части шестиосного скоростного пассажирского электровоза, которая учитывает особенности применения АТП. Двухосные и трехосные тележки новой конструкции.

2. Компьютерные модели экипажной части скоростного пассажирского шестиосного электровоза с АТП для двух вариантов осевой формулы (30–30 и 20–20–20), имеющей новые конструктивные решения: интегрированный тяговый привод III класса, одноповодковые буксы, цельнокатаные колеса, дисковый тормоз и т. д.

3. Решение задачи структурной оптимизации, полученное по итогам компьютерного моделирования: сделан научно обоснованный выбор осевой формулы 2о-2о-2о для нового электровоза. Решение задачи параметрической оптимизации (с учетом ограничений, найдены оптимальные параметры упругих и диссипативных связей).

4. Результаты теоретических исследований и компьютерного моделирования процессов взаимодействия экипажной части и пути и сил взаимодействия между элементами экипажной части при движении по прямым и кривым участкам пути, по стрелочным переводам, свидетельствуют о высоких динамических качествах экипажа, пригодного для реализации скоростного движения. Теоретические результаты показали хорошее совпадение с данными ходовых испытаний электровоза вплоть до скорости 220 км/ч.

5. Предложена конструкция рамы двухосной тележки с прогнутыми боковинами, для которой методом МКЭ выполнен расчет напряженно-деформированного состояния и усталостной прочности (для рамы в комплексе с пружинами буксовой подвески). Результаты прочностного расчета практически совпали с данными стендовых и динамико-прочностных испытаний.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1.  Сформулирована концепция и выполнена разработка экипажной части шестиосного скоростного пассажирского электровоза с АТП.

2.  Созданы компьютерные модели экипажной части скоростного пассажирского шестиосного электровоза с АТП в двух вариантах: с осевыми формулами 30–30 и 20–20–20, имеющие общие конструктивные решения (интегрированный тяговый привод III класса, одноповодковые буксы, дисковый тормоз, подвешивание кузова «флексикойл», передача силы тяги и торможения от тележки к кузову при помощи наклонных тяг).