Исследование реле ускорения моторного вагона электропоезда с применением метода планирования эксперимента

МПС РОССИИ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Ростовский государственный университет путей сообщения

Министерства путей сообщения Российской Федерации»

(РГУПС)

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЛЕ УСКОРЕНИЯ МОТОРНОГО ВАГОНА ЭЛЕКТРОПОЕЗДА

С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА ПЛАНИРОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Методические указания

к лабораторным работам

Ростов-на-Дону

2003

УДК 629. 423. 2

Исследование реле ускорения моторного вагона электропоезда с применением метода планирования эксперимента: Методические указания к лабораторным работам. – Ростов н/Д: Рост. гос. унт. путей сообщения, 2003. – 16 с.

Представленные лабораторные работы, посвящены исследованию реле ускорения моторного вагона электропоезда с применением метода планирования эксперимента.

Лабораторная работа № 2 носит исследовательский характер.

Предназначены студентам, обучающимся по специальности «Электрический транспорт (железных дорог)»

Табл. 2. Ил. 4. Библиогр.: 3 назв.

Рецензент канд. техн. наук, доц. (РГУПС)

Учебное пособие

Исследование реле ускорения моторного вагона электропоезда с применением метода планирования эксперимента

Методические указания к лабораторным работам

Редактор

Корректура

Подписано в печать 26.12.03. Формат 60×84/16.

Бумага газетная. Ризография. Усл. печ. л. 0,93.

Уч.-изд. л. 1,12. Тираж 100 экз. Изд. № 000. Заказ №

Ростовский государственный университет путей сообщения.

Лицензия ЛР № 65-54 от 10.12.99.

Ризография РГУПС. Лицензия ПЛД № 65-10 от 10.08.99.

Адрес университета: 344038, Ростов н/Д, пл. им Ростовского стрелкового полка народного ополчения, 2

© Ростовский государственный университет путей сообщения, 2003

Содержание

Введение

1. Лабораторная работа № 1. Изучение конструкции и испытание реле ускорения

2. Лабораторная работа № 2. Настройка реле ускорения с использованием метода планирования эксперимента

Рекомендуемая литература

Введение

Для глубокого усвоения материала студентам необходимо изучить предлагаемые методические указания и соответствующие разделы рекомен­дуемой литературы. После этого следует подготовить к работе оборудование и получить у преподавателя допуск на его использование.

Для обеспечения нормальных условий работы и предотвращения несчастных случаев нужно строго соблюдать рекомендуемые режимы, не допуская чрезмерных скоростей вращения, токов напряжений.

Настоящие лабораторные работы выполняются на оборудовании лаборатории автоматизации электроподвижного состава, содержащей источники электрического напряжения, сжатого воздуха. В лаборатории имеются движущиеся части контакторов, электропневматических и моторных приводов, которые представляют собой объекты повышенной опасности.

Правила безопасности работы студентов в лаборатории:

1) перед началом работы изучить правила безопасности и устройство оборудования;

2) приступить к проведению работ можно только с разрешения преподавателя;

3) запрещается работать на неисправном оборудовании. Обо всех замеченных неисправностях следует сообщать преподавателю или лаборанту;

4) не допускать самовольных действий по замене предохранителей, устранению неисправностей, отключению и подключению проводов, находящихся под напряжением, и т. п.;

5) разборку схем установок можно производить только после отключения напряжения.

1. Лабораторная работа № 1

Изучение конструкции и испытание реле ускорения

Цель работы:

Изучение конструкции реле ускорения; испытание реле, определение коэффициента возврата в процессе регулировки.

Сведения из теории. Назначение, конструкция и регулировка реле ускорения

Реле ускорения предназначено для переключения на очередную позицию силового или реостатного контроллера на электровозах переменного или постоянного тока в процессе автоматического пуска [1].

 

Рис. 1. Схема реле ускорения

Реле ускорения, представленное на рис. 1, имеет магнитопровод 1 с большим воздушным зазором, мало изменяющимся при включении реле, якорь 2, установленный на призматическом упоре 3, и размыкающий контакт (посеребренный) цепи управления без притирания.

На сердечнике реле установлены две катушки, действующие согласно: силовая (РУ-С) 4, включаемая в цепь тяговых двигателей, и подъемная (РУ-П) 5 – цепи управления.

Ток отпадания якоря регулируют, изменяя величину магнитного зазора винтом 6 подвижного контакта, установленного на якоре (грубая регулировка), а также натяжением выключающей пружины 7 с помощью винта 8 и изменяя величину зазора между подвижным 9 и неподвижным 10 контактами при помощи винта 11 (точная регулировка).

Технические характеристики реле ускорения:

– тип реле –Р-40;

– номинальное напряжение силовой цепи – 3000 В;

– количество контактов – один размыкающий;

– нажатие контактов – 14,7 Н (1,5 кг);

– раствор контактов – 1,5…2,0 мм;

– шаг винтов, регулирующих зазор в контактах и натяжение пружины,– 1,0 мм;

– ток длительный контактов – 3 А;

– напряжение на контактах – 50 В;

– сопротивление при 20 °С подъемной катушки – 44,3+8%-5% Ом;

– число витков подъемной катушки – 1650;

– марка провода – ПЭЛ Ø 0,35 мм;

– длительный ток подъемной катушки – 0,5 А;

– число витков силовой катушки – 8;

– длительный ток силовой катушки 150 А;

– ток отпадания якоря – 175-5% А;

– ток притяжения якоря – не более 215 А.

При включении подъемной катушки через сопротивление 300 Ом ток отпадания равен 125 А, а через сопротивление 100 Ом – 75 А.

Регулировка реле ускорения

Чувствительность реле ускорения при его работе определяется соотношением токов в катушках реле при притяжении и отпадании якоря.

Силовая катушка реле (см. рис. 1) при работе моторного вагона электропоезда включена последовательно в цепь тяговых двигателей. Реле регулируют так, чтобы оно отпускало свой якорь в процессе разгона поезда при достижении двигателями минимального тока переключения реостатного контроллера на очередную позицию. Этот ток называется током уставки реле ускорения.

К моменту окончания работы привода реостатного контроллера реле ускорения должно притянуть свой якорь, чтобы быть готовым к следующему срабатыванию. Помогает притянуть якорь подъемная катушка, включаемая на короткое время согласно с силовой катушкой.

Отношение тока опадания якоря к току притяжения называют коэффициентом возврата:

.

Для нормальной работы системы автоматического пуска необходимо, чтобы коэффициент возврата реле в соответствии с техническими условиями находился в пределах 0,80…0,84. На значение коэффициента возврата реле ускорения влияют отношение значений магнитного сопротивления системы при притянутом и отпущенном положениях якоря, величина зазора в контактах и натяжение выключающей пружины. Названные параметры можно регулировать винтами 6, 11 и 8 соответственно. Необходимо помнить, что зазор в контактах влияет только на ток притяжения якоря, а натяжение пружины – на токи притяжения и отпадания.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с конструкцией, назначением элементов и регулировкой реле ускорения.

2. Собрать электрическую схему для испытания реле ускорения и под руководством преподавателя включить ее в работу (рис. 2).

Рис. 2. Электрическая схема испытания реле

На схеме: РУ-П – подъемная катушка; mА – миллиамперметр; R – лабораторный реостат;

РУ – контакты реле ускорения; ЛС – лампа сигнальная.

3. Провести испытания реле, выполнив опыт в соответствии с табл. 1.

Результаты измерения токов и расчета коэффициента возврата занести в таблицу.

Таблица 1

Программа и результаты испытания реле ускорения

Номер опыта	Зазор в контактах х1 (полуобороты винта)	Натяжение пружины х2 (полуобороты винта)	IПРИТ, мА	IОТП, мА
1	2	3	4	5	6
1	1	18
2	1	22
3	1	26
4	3	26
5	3	22
6	3	18
7	5	18
8	5	22
9	5	26

Пояснения к проведению опытов:

Целью каждого опыта является испытание реле с определением тока притяжения якоря и тока его отпадания. Момент замыкания контактов реле можно определять по зажиганию сигнальной лампы. Перед проведением каждого опыта необходимо при выключенном напряжении винты регулирования зазора в контактах х1 и натяжения пружины х2 установить в соответствии с данными табл. 1. Исходным положением первого винта является его положение, когда зазор х1 равен нулю, аналогично исходное положение второ­го винта соответствует значению х2 = 0 т. е. пружина не натянута, это определяется по совмещению рисок на винте с пружиной.

При проведении опытов зазор в контактах x1 устанавливается в одном из трех положений регулирующего винта с количеством полуоборотов 1, 3, 5 от исходного состояния. Аналогично положения винта, регулирующего натяжение пружины, соответствуют 18, 22 и 26 полуоборотам.

После проведения всех опытов необходимо вычислить значения коэффициента возврата и результаты занести в графу 6 табл. 1.

4. Выполнить анализ влияния зазора в контактах и натяжения пружины на характеристики реле ускорения.

Для анализа влияния названных параметров х1 и х2 на токи притяжения якоря, отпадания якоря и коэффициента возврата реле ускорения необходимо построить графики (рис. 3, а, б). График а должен быть построен для среднего значения напряжения пружины х2 = 22 полуоборота винта; график б – для среднего значения зазора х1 = 3 полуоборота винта. На графиках следует провести горизонтальные линии, соответствующие рекомендуемым значениям коэффициента возврата 0,80 и 0,84, Масштаб построения графиков произвольный. Графики выполнить на листе формата А5.

В анализе влияния параметров х1 и x2 на токи и коэффициент возврат следует дать оценку технического состояния данного экземпляра реле ускорения.

В отчете о лабораторной работе следует представить необходимые материалы, помогающие ответить на сформулированные в методических указаниях вопросы и защитить работу.

 

Рис. 3. Графики зависимости параметров реле от зазора в контактах (а) и натяжения пружины (б)

Лабораторная работа № 2

Настройка реле ускорения

с использованием метода планирования эксперимента

Цель работы:

Ознакомиться с испытанием и настройкой реле ускорения по методу планирования эксперимента; дать оценку влияния натяжения включающей пружины и зазоров контакта на коэффициент возврата реле.

Сведения из теории

При решении задач определения и повышения надежности технических систем и их элементов неизбежно проведение различных экспериментов, как правило, довольно длительных и трудоемких. Эксперименты необходимы, например, при изучении степени влияния параметров устройств на их характеристики, на ресурс, при выборе ускоряющих факторов для проведения ускоренных испытаний и т. п.

При подготовке и проведении таких экспериментов следует изучить теорию факторного планирования эксперимента [2]. Факторный эксперимент позволяет выяснить, сколько и каких опытов следует провести, как обработать их результаты и ответить на заранее поставленный вопрос с заранее заданной точностью при минимально возможном числе опытов.

Применительно к электрическим аппаратам сущность факторного эксперимента можно трактовать следующим образом. Реле ускорения в процессе его эксплуатации можно рассматривать как объект, на который действует комплекс нагрузок, имеющий ряд составляющих х1, х2, х3…, хk. О качестве реле можно судить по некоторому интересующему нас результату у, например, по значению его коэффициента возврата.

Данная проблема является актуальной для эксплуатируемых электропоездов.

Ставится задача проведения такой серии экспериментов, которая позволила бы получить математическую модель, связывающую выбранный показатель у с факторами хi. При этом необходимо знать степень влияния каждого из факторов на показатель у. В общем случае модель находится в виде уравнения регрессии типа

, (1)

где – свободный член уравнения;

– факторы;

– коэффициенты при факторах;

– число факторов;

– число сочетаний факторов.

В нашем примере для фактора х1 (зазор в контактах)

Для фактора х2 аналогично

Нетрудно видеть, что после введения относительных единиц верхний и нижний уровни варьирования факторов равны соответственно +1 и –1.

Планирование полного факторного эксперимента

Приступим к планированию полного факторного эксперимента. Количество опытов (различных состояний объема исследования) зависит от количества числа уровней факторов следующим образом:

, (2)

где N – количество опытов;

p – количество уровней;

k – количество факторов.

Для рассматриваемого случая, когда . Кроме того, дополнительно ставится опыт на нулевом уровне. Матрица планирования полного факторного эксперимента представлена в табл. 2.

Таблица 2

Матрица планирования полного факторного эксперимента

Уровень факторов	Факторы
х1 (полуобороты винта)	х2 (полуобороты винта)
Нулевой уровень (0)	3	22
Интервал варьирования (Δхi)	2	4
Верхний уровень (+1)	5	26
Нижний уровень (–1)	1	18
Номер опыта	Факторы	Коэффициент возврата kв
х0	х1	х2	х1х2
9	+	+	+	+	0,76
3	+	–	+	–	0,82
7	+	+	–	–	0,78
1	+	–	–	+	0,83
5	b0	0	0	0	0,83

В первой графе таблицы представлены значения фиктивной переменной х0 = +1, ее оценка дает величину свободного члена b0 в уравнении регрессии (1). Во второй и третьей графах дано значение переменных х1 и х2 (эти две графы и образуют собственно планирование). В четвертой графе приведено значение парного взаимодействия х1х2. Пятая графа содержит в качестве примера результаты испытания реле ускорения, полученные в предыдущей лабораторной работе, в ней приведены значения параметра оптимизации – коэффициента возврата реле ускорения. В отчете о лабораторной работе каждый студент приводит свои данные коэффициента возврата реле, полученные в лабораторной работе № 1. Первая строка табл. 2 соответствует девятому опыту в табл. 1 лабораторной работы № 1, в котором оба фактора находятся на верхнем уровне (+1), вторая строка – третьему опыту, где фактор х1 принимает значение нижнего, а х2 – верхнего уровней. В четвертой строке оба фактора находятся на нижнем уровне (–1).

На рис. 4 представлено расположение опытов, обозначенных цифрами 1, 3, 5, 7, 9 эксперимента в системе координат: а – натуральных; б – кодовых.

Рис. 4. Расположение опытов эксперимента в системе координат: а – натуральных; б – кодовых

14

Сравнивая программу испытания реле ускорения в лабораторной работе № 1 (табл. 1) и матрицу планирования эксперимента в данной работе, отметим, что количество необходимых опытов во втором случае уменьшилось с 9 до 5. Это говорит в пользу метода планирования эксперимента.

Знаки уровней парного взаимодействия факторов х1х2 соответствуют произведениям факторов х1 и х2 по строкам с учетом их знаков. Например, для третьего опыта .

Таким образом, с учетом количества факторов в эксперименте уравнение регрессии (1) примет следующий вид:

(4)

где Х1 и Х2 – значения факторов в координатном виде.

Используя значение коэффициента возврата и знаки факторов и х1х2, представленные в табл. 1, определим коэффициенты уравнения (4):

Таким образом, уравнение (4) примет следующий вид:

. (5)

Анализ уравнения регрессии (5)

Уравнение достаточно полно описывает результаты эксперимента. Анализ уравнения позволяет сделать следующие выводы.

1. Чем больше по абсолютному значению величина коэффициента bi, тем сильнее влияние соответствующего фактора на критерий оптимизации. Так, коэффициент 0,0275 при факторе х1 (зазор в контактах) значительно превышает коэффициент при х2 (натяжение пружины), составляющий величину 0,0075. Соответственно и влияние зазора в контактах на коэффициент возврата значительно сильнее, чем натяжение пружины.

2. Если , то увеличение х1 вызывает увеличение критерия оптимизации. При увеличение хi приводит к уменьшению критерия оптимизации и наоборот.

3. Если коэффициент bij при х1х2 положителен, то вклад данного слагаемого в критерий оптимизации тоже будет положительным, когда оба фактора находятся на верхних или нижних уровнях. Наоборот, вклад слагаемого будет отрицательным, если факторы находятся на разных уровнях. При картина будет обратной. В нашем случае . Таким образом, коэффициент возврата реле при нахождении натяжения пружины и зазора в контактах, находящихся на разных уровнях, будет возрастать, а на одинаковых уровнях – уменьшаться.

Порядок проведения работы

1. Ознакомиться со сведениями из теории по применению метода планирования эксперимента.

2. Проверить на реле ускорения значения границ управляющих факторов (зазор в контактах и натяжение пружины). В случае необходимости произвести корректировку их значений.

3. Используя значения коэффициента возврата реле ускорения, полученные в пяти опытах (1, 3, 5, 7, 9) лабораторной работы № 1, составить матрицу планирования полного факторного эксперимента и представить ее в отчете.

4. Выполнить расчет коэффициентов уравнения регрессии (4) и привести уравнение в форме (5).

5. Выполнить анализ уравнения регрессии.

6. Сделать выводы о работе.

Содержание отчета

1. Написать название лабораторной работы и указать цель её выполнения.

2. Представить результаты выполнения пп. 2–6 порядка выполнения работы. Привести матрицу планирования эксперимента и рисунок с указанием расположения опытов в системе натуральных координат и кодовых переменных.

Рекомендуемая литература

1. Аппаратура автоматизации управления и защиты мотор-вагонного подвижного состава. М.: Изд.-полиграф. об-ние МПС, 1962. 95 с.

2. М. Надежность силовых полупроводниковых приборов. М.: Энергия, 1978. 95 с.

3. А. Основы теории инженерного эксперимента: Учеб. пособие. Ч. 1. Разд. 1. Ростов н/Д, 1987. 67 с.