Исследование условий сцепления колесной пары тягового электропривода рудничных и магистральных электровозов

В статье рассмотрен вопрос определения условий сцепления в зоне контакта «колесо — рельс» тягового электропривода рудничных и магистральных электровозов. Целью данной работы является исследование условий сцепления в этой зоне контакта «колесо — рельс». В статье представлены требования к системе автоматического управления тяговым электроприводом. На основании требований определена основная задача системы управления. Приведена типовая структура системы автоматического управления и представлена ее декомпозиция по функциям: система управления тяговым приводом и система управления тяговым усилием. Приведена классификация системы управления тяговым усилием по способам управления. Подробно рассмотрен способ управления по определению условий сцепления в зоне контакта «колесо — рельс». На основании дифференциальных уравнений второго порядка, описывающих структуру механической части тягового электропривода, представлены уравнения для расчета момента сцепления и коэффициента сцепления. Дано определение для наблюдаемого момента сцепления и наблюдаемого коэффициента сцепления. Проведено математическое моделирование подвижного состава. Результаты математического моделирования показали, что уравнения для расчета наблюдаемого момента сцепления и наблюдаемого коэффициента сцепления дают погрешность менее 1%. Проведен практический эксперимент непосредственно на объекте. Результаты практического эксперимента подтвердили теоретические методы расчета наблюдаемого момента сцепления и наблюдаемого коэффициента сцепления. Дополнительно было выявлено наличие периодических шумов в сигналах наблюдаемого момента сцепления и наблюдаемого коэффициента сцепления, вследствие чего определена задача для следующего исследования.

Харисов И. Р., Карякин А. Л. Исследование условий сцепления колесной пары тягового электропривода рудничных и магистральных электровозов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2024. — № 1-1. — С. 59—73. DOI: 10.25018/0236_1493_2024_011_0_59.

Харисов Ильдар Ришатович¹ — аспирант, e-mail: nexuskharisa@gmail.com, https:// orcid.org/0000-0001-5078-0533.
Карякин Александр Ливиевич¹ — докт. техн. наук, профессор, e-mail: karyakin.a@ursmu. ru, https://orcid.org/0000-0001-6196-3263.
¹Уральский государственный горный университет.

Харисов И. Р., e-mail: nexuskharisa@gmail.com.

1. Самме Г. В. Фрикционное взаимодействие колесных пар локомотива с рельсами: Монография. — М.: Маршрут, 2005. — 80 с.

2. Moaveni B., Fathabadi F. R., Molavi A. Supervisory predictive control for wheel slip prevention and tracking of desired speed profile in electric trains // ISA Transactions. 2020, vol. 101, pp. 102–115. DOI: 10.1016/j.isatra.2020.01.011.

3. Tavernini D., Metzler M., Gruber P., Sorniotti A. Explicit nonlinear model predictive control for electric vehicle traction control // IEEE Transactions on Control Systems Technology. 2019, vol. 27, no. 4, pp. 1438–1451. DOI: 10.1109/TCST.2018.2837097.

4. Makishima S., Kondo K., Shimoyama H., Sato D., Takahashi S., Koseki T. Wheel slip control technologies Japanese railways // International Power Electronics Conference (IPEC-Himeji 2022ECCE Asia). 2022, pp. 692–697. DOI: 10.23919/IPEC-Himeji2022ECCE53331.2022.9807234.

5. Чернышева Т. А., Аникин В. В., Чернышев И. А., Чернышев А. Ю. Частотно-регулируемый электропривод центробежных насосных установок добычи нефти // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. — 2019. — Т. 330. — № 12. — С. 168–178. DOI: 10.18799/24131830/2019/12/2417.

6. Васильев Б. Ю., Шпенст В. А., Калашников О. В., Ульянов Г. Н. Обеспечение энергетической развязки электроприводов и сетей электроснабжения промышленных электротехнических комплексов // Записки Горного института. — 2018. — Т. 229. — С. 41–49. DOI: 10.25515/PMI.2018.1.41.

7. Чернышев А. Ю., Журиков С. А., Чернышев И. А. Электропривод подъемников комплексов неофизического исследования скважин // Известия Томского политехнического университета. — 2015. — Т. 326. — № 3. — С. 63–69.

8. Текле И. С., Зюзев А. М., Костылев А. В. Повышение эффективности работы частотно-регулируемого электропривода штангового глубинного насоса // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. — 2022. — Т. 333. — № 11. — С. 140–148. DOI: 10.18799/24131830/2022/11/3955.

9. Sadr S., Kaburi D. A., Namazi M., Shiri A., Moghadam D. E. Modeling of wheel and rail slip and demonstration of the benefit of maximum adhesion control in train propulsion system // IEEE 23rd International Symposium on Industrial Electronics (ISIE). 2014, pp. 847–852. DOI: 10.1109/ISIE.2014.6864722.

10. Sung G.-M., Chen C.-R., Tien M.-H., Tseng C.-L., Lee C.-Y., Yu C.-P. Predictive direct torque control ASIC of three-phase induction motor using speed-sensorless control and neural network proportional-integral-derivative controller // IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics (SMC). 2022, pp. 1659–1664. DOI: 10.1109/ SMC53654.2022.9945473.

11. Hadla H., Santos F. Performance comparison of field-oriented control, direct torque control, and model-predictive control for SynRMs // Chinese Journal of Electrical Engineering. 2022, vol. 8, no. 1, pp. 24–37. DOI: 10.23919/CJEE.2022.000003.

12. Конохов Д. В., Федяева Г. А., Тарасов А. Н., Сморудова Т. В. Моделирование системы энергоэффективного двухзонного регулирования скорости асинхронного электропривода с прямым управлением моментом // Вестник Брянского государственного технического университета. — 2016. — № 1(49). — С. 127–133. DOI: 10.12737/18303.

13. Hahn J.-O., Rajamani R., Alexander L. Gps-based real-time identification of tire-road friction coefficient // IEEE Transactions on Control Systems Technology. 2002, vol. 10, no. 3, pp. 331–343. DOI: 10.1109/87.998016.

14. Федяева Г. А., Кобищанов В. В., Матюшков С. Ю., Тарасов А. Н. Моделирование системы управления тягой и торможением магистрального грузового тепловоза в программных комплексах Matlab и «Универсальный механизм» / // Вестник Брянского технического университета. — 2013. — № 3. — С. 147–151.

15. Hwang D. H., Kim M. S., Jeon J. W., Lee J. H., Park D. Y., Kim Y. J., Ryoo H. J., Kim J. S. Аnti-slip control system of Korean high-speed train // Computers in Railways VII. 2000, pp. 613–622. DOI: 10.2495/CR000591.

16. Diao L., Zhao L., Jin Z., Wang L., Sharkh S. M. Taking traction control to task: рighadhesion-point tracking based on a disturbance observer in railway vehicles // IEEE Industrial Electronics Magazine. 2017, vol. 11, no. 1, pp. 51–62. DOI: 10.1109/MIE.2016.2644699.

17. Huang Z., Xu Z., Chen B., Zhang R., Chen Y., Peng Q. Sliding mode control for urban railway anti-slip system based on optimal slip ratio estimation with forgetting factor recursive least-squares // Proceedings of the 36th Chinese Control Conference. 2017, pp. 9502–9507. DOI: 10.23919/ChiCC.2017.8028873.

18. Ohishi K., Kadowaki S., Smizu Y., Sano T., Yaskawa S., Koseki T. Anti-slip readhesion control of electric commuter train based on disturbance observer considering bogie dynamics // IECON 2006−32nd Annual Conference. 2006, pp. 5270–5275. DOI: 10.1109/ IECON.2006.347734.

19. Ohishi K. Realization of fine motion control based on disturbance observer // 10th IEEE International Workshop on Advanced Motion Control. 2008, pp. 1–8. DOI: 10.1109/ AMC.2008.4516032.

20. Sadr S., Kaburi D. A., Namazi M., Shiri A., Moghadam D. E. Modeling of wheel and rail slip and demonstration of the benefit of maximum adhesion control in train propulsion system // IEEE 23rd International Symposium on Industrial Electronics (ISIE). 2014, pp. 847–852. DOI: 10.1109/ISIE.2014.6864722.

21. Борисов С. В., Колтунова Е. А., Кладиев С. Н. Совершенствование структуры имитационной модели тягового асинхронного электропривода рудничного электровоза // Записки Горного института. — 2021. — Т. 247. — С. 114–121. DOI: 10.31897/PMI.2021.1.12.

22. Pichlik P. Locomotive wheel slip controller based on power dissipation in wheel-rail contact // International Conference on Electrical Drives & Power Electronics (EDPE). 2019, pp. 211–216. DOI: 10.1109/EDPE.2019.8883900.

23. Can K., Jingchun H., Wenqi D., Xiaokang W. Adhesion control method based on optimal slip velocity searching and tracking // 14th IEEE International Conference on Electronic Measurement & Instruments (ICEMI). 2019, pp. 1200–1207. DOI: 10.1109/ ICEMI46757.2019.9101798.

24. Pichlík P., Bauer J. Analysis of the locomotive wheel slip controller operation during low velocity // IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems. 2021, vol. 22, no. 3, pp. 1543–1552. DOI: 10.1109/TITS.2020.2971832.

25. Каплин А. Ю., Степанов М. Г. Анализ алгоритма комплексной обработки угломерной информации в навигационной системе подвижного объекта // Информационно-управляющие системы. — 2016. — № 2. — С. 89–94. DOI: 10.15217/ issn1684−8853.2016.2.89.