Введение................................................................................................................. 8
1 Анализ современного состояния проблемы энергооптимального
управления поездом ...................................................................................................... 18
1.1 Анализ тягово-энергетических характеристик автономных
локомотивов в эксплуатации.................................................................................... 18
1.2 Оптимизация управления поездом с учетом условий движения и
характеристик локомотива ....................................................................................... 21
1.2.1 Постановка задачи ............................................................................. 21
1.2.2 Аналитические методы...................................................................... 26
1.2.2.1 Классическое вариационное исчисление ................................. 26
1.2.2.2 Использование принципа максимума Л. С. Понтрягина ........ 30
1.2.2.3 Совмещение классического вариационного исчисления и
принципа максимума ........................................................................................ 36
1.2.3 Численные методы............................................................................. 38
1.2.3.1 Метод динамического программирования Р. Беллмана ......... 38
1.2.3.2 Алгоритм «киевский веник»...................................................... 41
1.2.3.3 Метод «блуждающей трубки»................................................... 46
1.2.3.4 Метод локальных вариаций ....................................................... 48
1.2.3.5 Метод «бегущей волны» ............................................................ 49
1.2.3.6 Метод дуг ..................................................................................... 49
1.2.3.7 Метод оптимизации на специальной решетке-графе.............. 52
1.2.3.8 Метод динамического пошагового программирования.......... 54
1.2.3.9 Методы с использованием искусственных нейронных сетей 55
1.2.4 Численно-аналитические методы..................................................... 56
1.2.4.1 Метод расчета энергоэффективных траекторий движения
поезда ОАО «ВНИИЖТ» ................................................................................. 56
1.2.4.2 Совмещение принципа максимума с методами динамического
программирования ............................................................................................ 59
1.2.4.3 Метод использования целевой функции .................................. 61
1.2.4.4 Метод вычислительного эксперимента и имитационного
моделирования................................................................................................... 64
1.2.5 Статистические методы..................................................................... 67
1.3 Совершенствование методов тяговых расчетов и подготовки
исходных данных для них ........................................................................................ 69
3
1.3.1 Учет продольных динамических усилий при построении
энергооптимальных траекторий движения ........................................................ 69
1.3.2 Учет фактических характеристик подвижного состава при
построении энергооптимальных траекторий движения ................................... 70
1.3.3 Современные программные средства для выполнения тяговых
расчетов и поиска энергооптимальных режимов ведения поезда ................... 73
1.3.4 Обзор зарубежной литературы посвященной совершенствованию
методов поиска энергоэффективных режимов ведения поезда ....................... 82
1.4 Энергетическая эффективность автономного локомотива и факторы,
ее определяющие....................................................................................................... 89
1.4.1 Особенности конструкции, техническое состояние и режимы
нагружения агрегатов силовой цепи ................................................................... 89
1.4.2 Затраты энергии на привод вспомогательных нагрузок локомотива
................................................................................................................................. 91
1.5 Выводы. Цель и задачи исследования .................................................... 94
2 Энергетическая цепь автономного локомотива и его тяговая
характеристика .............................................................................................................. 98
2.1 Структура энергетической цепи автономных локомотивов................. 98
2.2 Определение затрат мощности на привод вспомогательных нагрузок с
учетом оперативной информации по данным МСУ-Т........................................ 104
2.2.1 Определение затрат мощности на возбуждение тягового
генератора ............................................................................................................ 105
2.2.1.1 Определение затрат энергии на возбуждение СТГ в схеме с
синхронным возбудителем............................................................................. 105
2.2.1.2 Определение затрат энергии на возбуждение СТГ в схеме с
вспомогательным генератором...................................................................... 117
2.2.2 Определение затрат мощности на электрический привод мотор -
вентиляторов охлаждающего устройства......................................................... 126
2.2.3 Определение затрат мощности на гидростатический привод
мотор-вентиляторов ............................................................................................ 133
2.2.4 Определение затрат мощности на подзарядку аккумуляторной
батареи.................................................................................................................. 143
2.2.5 Определение затрат мощности на привод тормозного компрессора
............................................................................................................................... 150
2.2.6 Определение затрат мощности на привод неотключаемых
нагрузок................................................................................................................ 153
2.3 Определение потерь мощности в тяговой энергетической цепи
локомотива............................................................................................................... 154
4
2.3.1 Определение мощности на зажимах выпрямительной установки
............................................................................................................................... 154
2.3.2 Определение потерь в синхронном тяговом генераторе ............. 162
2.3.2.1 Мощность электрических потерь............................................ 163
2.3.2.2 Мощность механических потерь............................................. 167
2.3.2.3 Мощность магнитных потерь .................................................. 168
2.3.2.4 Мощность добавочных потерь холостого хода ..................... 173
2.3.2.5 Мощность добавочных потерь при нагрузке ......................... 176
2.3.3 Определение потерь в выпрямительной установке...................... 177
2.3.4 Определение потерь в тяговых электродвигателях...................... 186
2.3.4.1 Мощность электрических потерь в переходных контактах
щеток ................................................................................................................ 187
2.3.4.2 Мощность потерь в меди.......................................................... 190
2.3.4.3 Мощность механических и вентиляционных потерь............ 195
2.3.4.4 Мощность магнитных потерь .................................................. 203
2.3.4.5 Мощность добавочных потерь при нагрузке ......................... 209
2.3.5 Определение потерь в тяговом редукторе и на оси колесной пары
............................................................................................................................... 210
2.3.5.1 Мощность потерь в зубчатой передаче .................................. 210
2.3.5.2 Мощность потерь в моторно-осевых подшипниках
скольжения....................................................................................................... 212
2.3.5.3 Мощность потерь в моторно-осевых подшипниках качения227
2.3.5.4 Мощность потерь в буксовом узле ......................................... 232
2.3.5.5 Мощность потерь в контакте колес с рельсами..................... 237
2.4 Построение нагрузочных характеристик тяговых электродвигателей
по данным МСУ-Т................................................................................................... 240
2.5 Формирование расходной характеристики локомотивов с учетом
параметров настройки и технического состояния ДГУ ...................................... 252
2.5.1 Оценка влияния параметров настройки......................................... 252
2.5.2 Оценка влияния переходных процессов........................................ 255
2.6 Выводы по главе 2................................................................................... 263
3 Многомерная оптимизация режимов управления поездом....................... 264
3.1 Недостатки двумерных методов поиска энергооптимальных режимов
управления поездом................................................................................................ 264
3.2 Метод многомерного поиска энергооптимальных режимов ведения
поезда........................................................................................................................ 265
5
3.3 Основное уравнение движения поезда и его составляющие.............. 278
3.3.1 Решение основного уравнения движения поезда с использованием
метода Рунге-Кутта ............................................................................................. 278
3.3.2 Основное удельное сопротивление движению поезда ................ 281
3.3.3 Дополнительное удельное сопротивление движению поезда от
уклона и кривых участков пути с учетом неравномерного распределения масс
............................................................................................................................... 286
3.3.4 Сила тяги автономного локомотива в установившихся режимах
работы................................................................................................................... 295
3.3.5 Сила тяги автономного локомотива при изменении позиции
контроллера машиниста ..................................................................................... 298
3.3.6 Тормозные силы поезда при использовании пневматического и
электропневматического торможения .............................................................. 299
3.3.7 Тормозные силы поезда при использовании электрического
торможения .......................................................................................................... 308
3.3.8 Применение тормозных режимов при энергооптимальном
управлении........................................................................................................... 312
3.4 Выводы по главе 3............................................................................... 316
4 Выбор энергооптимальных режимов ведения поезда с учетом реальных
характеристик состава и состояния энергетической цепи локомотива................. 318
4.1 Постановка задачи .................................................................................. 318
4.1 Методика поиска энергооптимальных режимов ведения поезда ...... 318
4.2 Сбор и анализ информации, необходимой для выполнения
оперативных тяговых расчетов.............................................................................. 320
4.2.1 Порядок сбора, хранения, обработки и анализа данных,
регистрируемых микропроцессорными системами управления и диагностики
............................................................................................................................... 320
4.2.2 Порядок сбора и анализа информации о фактических
характеристиках состава..................................................................................... 324
4.2.3 Сбор и анализ информации о предполагаемой климатической
обстановке на время поездки ............................................................................. 325
4.2.4 Сбор и анализ информации о фактическом состоянии
железнодорожного участка пути ....................................................................... 328
4.3 Порядок расчета фактической тягово-энергетической
характеристики локомотива............................................................................... 329
4.4 Поиск энергооптимальных режимов ведения поезда с использованием
программы для выполнения тяговых расчетов.................................................... 341
6
4.4.1 Общие сведения о программе для выполнения тяговых расчетов в
пошаговом и автоматическом режиме.............................................................. 341
4.4.2 Подготовка к выполнению тяговых расчетов............................... 342
4.4.3 Порядок выполнения расчетов при поиске энергооптимальных
режимов ведения поезда..................................................................................... 345
4.5 Выводы по главе 4............................................................................... 355
5 Экспериментальная проверка результатов исследований......................... 357
5.1 Порядок выполнения экспериментальной проверки методов расчета
фактической тяговой характеристики локомотива и поиска энергооптимальных
режимов ведения поезда......................................................................................... 357
5.2 Расчет тяговой характеристики локомотивов по данным МСУ-ТП . 358
5.2.1 Результаты определения затрат мощности на возбуждение
тягового генератора............................................................................................. 358
5.2.2 Результаты определения затрат мощности на привод моторвентиляторов охлаждающего устройства......................................................... 360
5.2.3 Результаты определения затрат мощности на подзарядку
аккумуляторной батареи..................................................................................... 362
5.2.4 Результаты определения затрат мощности на привод тормозного
компрессора ......................................................................................................... 362
5.2.5 Результаты определения мощности на выходе выпрямительной
установки.............................................................................................................. 363
5.2.6 Результаты расчета сопротивления в цепи тяговых
электродвигателей............................................................................................... 364
5.2.7 Результаты расчета параметров нагрузочных характеристик..... 365
5.2.8 Результаты расчета тяговой характеристики локомотивов......... 366
5.2.9 Тяговая характеристика локомотивов по данным Правил тяговых
расчетов ................................................................................................................ 374
5.3 Сравнение результатов расчета с фактическими данными поездок.. 376
5.3.1 Общая информация о поездках ...................................................... 376
5.3.2 Анализ информации о составах поездов ....................................... 377
5.3.3 Анализ климатической информации ............................................. 379
5.3.4 Анализ информации о профиле пути и участке следования ....... 380
5.3.5 Сравнение результатов расчета траектории движения поезда с
фактическими данными...................................................................................... 381
5.4 Поиск энергооптимальных режимов ведения поезда для заданных
поездок...................................................................................................................... 391
5.5 Выводы по главе 5................................................................................... 397
7
6. Заключение .................................................................................................... 398
Список литературы ........................................................................................... 401
Приложения ....................................................................................................... 436
Приложение 1 ................................................................................................ 436
Режимы работы мотор-вентиляторов охлаждающих устройств дизеля
тепловоза 2ТЭ116У................................................................................................. 436
Приложение 2 ................................................................................................ 441
Определение мощности на зажимах выпрямительной установки по
данным подсистемы бортовой диагностики ........................................................ 441
Приложение 3 ................................................................................................ 449
Результаты определения сопротивления цепи ТЭД по данным
подсистемы бортовой диагностики....................................................................... 449
Приложение 4 ................................................................................................ 453
Определение нагрузочных характеристик ТЭД тепловозов по данным
подсистемы бортовой диагностики....................................................................... 453
Приложение 5 ................................................................................................ 456
Определение расходных характеристик тепловозов................................. 456
Приложение 6 ................................................................................................ 456
Определение расчетного времени переходного процесса при изменении
позиции контроллера .............................................................................................. 456
Приложение 7 ................................................................................................ 459
Распределение затрат мощности в тягово-энергетической цепи
локомотива............................................................................................................... 459
Приложение 8 ................................................................................................ 468
Сведения о внедрении результатов исследования..................................... 468
