Энергосберегающие режимы управления движением поездов метрополитенов

Анализ энергосберегающих технологий эксплуатации подвижного состава метрополитенов. Исследование пассажиропотоков по направлению проектной линии метрополитена. Математическая модель удельного расхода электроэнергии на тягу поезда по линии метрополитена.

Рубрика Транспорт
Вид дипломная работа
Язык русский
Дата добавления 07.04.2021
Размер файла 1,8 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Анализ энергосберегающих технологий эксплуатации подвижного состава метрополитенов

1.1 Анализ структуры электрооборудования и электропотребления метрополитенов

1.2 Анализ электроподвижного состава метрополитенов

1.3 Анализ методов расчета энергооптимальных режимов управления движением поездов

1.3.1 Аналитические методы

1.3.2 Численные методы

1.4 Анализ математической модели движения поезда по линии метрополитена

1.4.1 Определение удельной силы сопротивления движению поезда

1.4.2 Определение силы тяги одного вагона

1.4.3 Определение силы торможения одного вагона

1.5 Постановка задач исследования

1.6 Выводы по первой главе

2. Определение показателей эксплуатационной деятельности метрополитенов, влияющих на электропотребление

2.1 Исследование пассажиропотоков по направлению проектной линии метрополитена

2.1.1 Сбор первичных данных о пассажиропотоке по направлению проектной первой линии Красноярского метрополитена

2.1.2 Статистическая обработка и анализ данных о пассажиропотоке по направлению проектной первой линии Красноярского метрополитена

2.2 Выбор математического аппарата анализа данных

2.3 Анализ технико-экономических показателей качества эксплуатации метрополитенов России и СНГ

2.4 Показатели качества эксплуатации Новосибирского метрополитена

2.5 Выводы по второй главе

3. Математическая модель удельного расхода электроэнергии на тягу поезда по линии метрополитена

3.1 Требования к математической модели удельного расхода электроэнергии на тягу поезда по линии метрополитена

3.2 Математическая модель движения поезда по линии метрополитена

3.2.1 Моделирование движения поезда по проектной первой линии Красноярского метрополитена.

3.2.2 Режимы движения поезда по проектной первой линии Красноярского метрополитена

3.3 Аналитическая зависимость удельного расхода электроэнергии на тягу метропоезда от параметров пути, подвижного состава и скорости движения по участку

3.4 Расчет коэффициентов математической модели удельного расхода электроэнергии на тягу метропоезда для проектной первой линии Красноярского метрополитена

3.5 Разработка алгоритма синтеза энергосберегающего режима управления движением поездов по линии метрополитена

3.6 Выводы по третьей главе

4. Энергосберегающие режимы управления движением поездов по линиям метрополитенов

4.1 Адекватность полученной методики синтеза энергосберегающих режимов управления движением поездов

4.2 Параметры пассажиропотоков проектной первой линии Красноярского метрополитена и ее эксплуатационные показатели

4.3 Синтез энергосберегающих режимов управления движением поездов для проектной первой линии Красноярского метрополитена

4.4 Расчет экономической эффективности полученных режимов

управления движением поездов для проектной первой линии Красноярского метрополитена

4.5 Выводы по четвертой главе

Заключение

Библиографический список

Введение

Представленная в книге работа посвящена созданию универсальной методики синтеза энергосберегающих режимов управления движением поездов по линиям метрополитенов, пригодной как для действующих линий существующих МЕТРО, так и для проектных и строящихся линий существующих и будущих метрополитенов.

Здесь и далее следует понимать, что под режимами управления движением поездов метрополитена понимаются не вопросы организации движения (т.е. расписания следования поездов), а управление параметрами различных режимов движения (разгон, тяга, выбег, торможение) подвижного состава по трасе метрополитена.

Актуальность:

Метрополитен является одним из важнейших средств обеспечения мобильности населения крупных городов. В связи с постоянным ростом количества наземных транспортных средств, оказалось, что в городах с населением более 1 млн. человек, только метрополитен способен эффективно решить проблему мобильности населения.

Однако, при наличии ряда положительных качеств метрополитена, таких как:

· обеспечение высокой мобильности,

· экологичность,

· сохранение архитектуры города,

· высокая скорость передвижения,

· высокая безопасность

имеет место и отрицательный фактор - большое потребление электроэнергии.

Поэтому, начиная с внедрения первых метрополитенов в России (Москва) и за рубежом (Лондон, Париж, Нью-Йорк) ведутся работы по сокращению расхода электроэнергии метрополитена.

От того, насколько эффективно будет эксплуатироваться метрополитен, зависят объемы перевозок, затраты на потребленную электроэнергию и себестоимость предоставляемых населению транспортных услуг. В условиях роста объемов пассажироперевозок и постоянно растущих тарифов на электроэнергию, снижение электропотребления этим видом транспорта становится особенно актуальным. Учитывая тот факт, что подвижной состав метрополитена на сегодняшний день достаточно хорошо проработан, повышенное электропотребление метрополитена обусловлено, в основном, неэффективностью его эксплуатации.

Первые работы по расчету оптимальных режимов управления движением поезда метрополитена проводились с помощью классического вариационного исчисления. Для решения задачи были внесены значительные допущения: сила тяги поезда изменяется непрерывно, коэффициент полезного действия поезда постоянен. С помощью метода, предложенного В.Ф. Кротовым, решена задача определения оптимальных траекторий, при условии непрерывного регулирования тяги, с учетом переменного к.п.д. тяговых двигателей и потерь в тяговой сети.

Наиболее широко для решения задачи оптимизации управления движением поезда применялся принцип максимума Л.С. Понтрягина. С его помощью для поездов метрополитена и пригородных электропоездов определены соотношения для расчета экстремальной скорости, вычислены оптимальные тяговые режимы с учетом переменного к.п.д. тяговых двигателей, профиля и плана пути.

Практика показала, что аналитические методы оптимизации (классическое вариационное исчисление и принцип максимума) не позволяют без принятых допущений получить методику определения оптимального управления, пригодного для применения на метрополитене. Решить задачу в самом общем виде удается лишь численно с использованием дискретного варианта метода динамического программирования Р. Беллмана и его разновидностей.

Эффективно применялся для решения задачи оптимального управления дискретный вариант метода динамического программирования, дополненный необходимыми условиями оптимальности, полученными с помощью принципа максимума в формулировке, предложенной А.А. Милютиным и А.Я. Дубовицким.

Внедрение известных энергооптимальных программ движения поездов на метрополитене позволило снизить расход электроэнергии не более чем на 3-5% [10,11]. энергосберегающий управление движение поезд

Таким образом, очевидна актуальность создания методики синтеза наиболее эффективных энергосберегающих режимов управления движением подвижного состава метрополитенов по трассе.

Являясь сложным электротехническим комплексом транспортного назначения метрополитен должен обеспечивать эффективную и безопасную перевозку пассажиров с минимальной себестоимостью предоставляемой населению транспортной услуги.

Следовательно, задача синтеза энергосберегающих режимов управления движением поездов по линии метрополитена - является актуальной.

Объектом исследования в данной работе являются:

Показатели эксплуатационной деятельности метрополитенов.

Предмет исследования:

Энергопотребление при эксплуатации метрополитенов.

Цель работы:

Создание универсальной методики синтеза энергосберегающих режимов управления движением подвижного состава, и повышение энергоэффективности метрополитенов путем внедрения в их эксплуатационную деятельность энергосберегающих режимов управления движением поездов по линиям.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать изменяющийся во времени пассажиропоток по направлению проектной линии метрополитена.

2. Исследовать влияние различных показателей качества эксплуатации метрополитенов на электропотребление.

3. Разработать математическую модель удельного электропотребления подвижным составом при движении поезда по линии метрополитена.

4. Получить аналитическую зависимость удельного расхода электроэнергии на тягу поезда метрополитена от: параметров пути, параметров подвижного состава, загрузки подвижного состава, а также скорости движения по участку трассы.

5. Создать универсальную методику синтеза энергосберегающих режимов управления движением поездов по линиям метрополитенов, пригодную как для действующих линий существующих МЕТРО, так и для проектных и строящихся линий существующих и будущих метрополитенов.

6. Проверить адекватность разработанной математической модели, полученной аналитической зависимости и созданной методики.

7. Синтезировать энергосберегающий режим управления движением поездов по линии проектного метрополитена.

8. Определить удельный расход электроэнергии на тягу поездов при реализации разработанного энергосберегающего режима управления их движением.

Методы исследования:

Методы исследования определялись характером каждой из поставленных задач и опирались на положения теории электрической тяги. Применялись методы математической статистики, корреляционного анализа, цифровой обработки данных, математического моделирования. Использовались пакеты специализированных и стандартных программ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

· Установлены системные связи между показателями качества эксплуатации, и электропотреблением метрополитенов.

· Разработана математическая модель удельного электропотребления подвижным составом при движении поезда по линии метрополитена.

· Получена аналитическая зависимость удельного расхода электроэнергии на тягу поезда метрополитена от: параметров пути, параметров подвижного состава, загрузки подвижного состава, а также скорости движения по участку трассы.

· Создана универсальная методика синтеза энергосберегающих режимов управления движением поездов по линиям метрополитена, отличающаяся тем, что учитывается план и профиль пути и величина основного сопротивления движению на отдельных его участках, а так же влияние изменяющегося во времени пассажиропотока. Созданная методика позволяет синтезировать энергосберегающие режимы управления движением поездов как действующих, так и проектных линий существующих и строящихся метрополитенов.

Значение для теории:

1. Универсальная методика синтеза энергосберегающих режимов управления движением поездов по существующим и проектным линиям действующих и строящихся метрополитенов.

2. Математическая модель удельного электропотребления подвижным составом при движении поезда по линии метрополитена, и ее адаптация для проектной линии строящегося метрополитена.

3. Аналитическая зависимость удельного расхода электроэнергии на тягу поезда метрополитена от: параметров пути, параметров подвижного состава, загрузки подвижного состава, а также скорости движения по участку трассы.

4. Синтезированный энергосберегающий режим управления движением поезда по существующей линии действующего метрополитена.

5. Синтезированный энергосберегающий режим управления движением поезда по проектной линии строящегося метрополитена.

Значения для практики:

1. Данные о пассажиропотоке по направлению первой проектной линии строящегося Красноярского метрополитена.

2. Тяговые расчеты для первой проектной линии строящегося Красноярского метрополитена.

3. Алгоритм и программа расчета энергосберегающего режима управления движением поезда по первой проектной линии строящегося Красноярского метрополитена.

4. Синтезированный энергосберегающий режим управления движением поезда по Ленинской линии Новосибирского метрополитена.

5. Синтезированный энергосберегающий режим управления движением поезда по первой проектной линии строящегося Красноярского метрополитена.

6. Способы оценки экономического эффекта от применения синтезированных энергосберегающих режимов управления движением поездов по проектным и существующим линиям строящихся и действующих метрополитенов.

7. Экономический эффект от внедрения результатов работы в практику эксплуатации метрополитенов.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

1. Результатом применения методов корреляционного анализа к показателям качества эксплуатации метрополитенов России и СНГ.

2. Корректным использованием математических методов.

3. Совпадением результатов расчетов, полученных в работе с помощью компьютерного моделирования с фактическими данными.

В ходе создания методики синтеза энергосберегающих режимов управления движением поездов по линиям метрополитенов, автор был вынужден использовать характеристики реально существующих метрополитенов и проектные данные строящихся.

В качестве проектной линии строящегося метрополитена была выбрана первая линия Красноярского метрополитена.

На роль действующей линии существующего метрополитена, по ряду объективных причин, идеальным образом подошла Ленинская линия Новосибирского метрополитена.

Однако следует понимать, что выбор конкретно той или иной линии не принципиален для создания универсальной методики синтеза энергосберегающих режимов управления движением поездов по линиям метрополитенов.

Апробация результатов:

Основные идеи работы докладывалась на различных конференциях международного, Всероссийского и регионального уровней. Результаты публиковались в центральных изданиях России, и в различных отраслевых периодических изданиях.

Примечание:

В книге приводится и используется много статистических данных об эксплуатационной деятельности метрополитенов и других транспортных систем городов. Для более качественного результата применения методов математической статистики очень важна величина выборки. По этому, часто встречаются данные девятилетней и более давности.

Однако, необходимо понимать, что в книге показана суть методики синтеза энергосберегающих режимов управления движением поездов по линии метрополитена, и в этом случае не важен временной отрезок, из которого сделана выборка статистических данных.

Не все данные о метрополитенах являются открытыми. Таковые не вошли в данную книгу и в публикации результатов представленной здесь разработки.

Однако, это обстоятельство ни коем образом не мешает полному представлению созданной универсальной методики синтеза энергосберегающих режимов управления движением поездов по линиям метрополитенов, пригодной как для действующих линий существующих МЕТРО, так и для проектных и строящихся линий существующих и будущих метрополитенов.

1. Анализ энергосберегающих технологий эксплуатации подвижного состава метрополитенов

1.1 Анализ структуры электрооборудования и электропотребления метрополитенов

Метрополитен, как и любой другой вид городского электрического транспорта, как сложный электротехнический комплекс имеет свою структуру электроснабжения.

Снабжение тяговых подстанций метрополитена электрической энергией осуществляется от шин 6 - 10 кВ подстанций предприятий «Городские электрические сети» или электрических сетей открытого акционерного общества «Российские железные дороги». Для обеспечения надежности электроснабжения и поддержания необходимого уровня качества электроэнергии электроснабжение станций метрополитена закольцовано. Переключение электрического питания станций автоматизировано. Оно осуществляется с помощью автоматизированных систем управления. Имеется возможность ручного управления питанием объектов с диспетчерского пункта, находящегося в помещении Инженерного корпуса метрополитена.

Все тяговые подстанции метрополитена выполняют совмещенными, тягово-понизительными и располагают под землей (на уровне рельсового пути метрополитена и ниже). Для обеспечения пожаробезопасности, на тяговых подстанциях метрополитенов установлены сухие трансформаторы.

Каждая совмещенная тягово-понизительная подстанция включает в себя:

· тяговые трансформаторы;

· кремниевые выпрямители;

· силовые трансформаторы питания вспомогательных потребителей: вентиляционное оборудование, эскалаторы, компрессоры, насосы, и т.д.;

· трансформаторы освещения станций, тоннелей, подсобных помещений, и т.д.;

· трансформаторы питания устройств сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ), для питания систем связи и телекоммуникаций [142,143].

Типовая однолинейная схема совмещенной тяговой подстанции представлена на рис.1.1.

Направления использования электроэнергии метрополитеном можно систематизировать следующим образом:

1. Тяговый и другой электропривод:

· электродвигатели вагонов подвижного состава;

· электропривод станков, задвижек, затворов и т.д.

· электропривод поломоечных машин и т.д.

2. Насосное оборудование.

3. Вентиляция.

4. Подъемно-транспортное оборудование.

5. Компрессорное оборудование.

6. Освещение.

7. Прочие потребители:

· сварочное оборудование;

· бытовая техника;

· переносной инструмент;

· оборудование столовых.

Суммарная мощность электрооборудования, например, Новосибирского метрополитена, по направлениям использования электроэнергии в подразделениях и станциях составляет примерно 40 000 кВт.

Графическая зависимость установленной мощности электроприемников, систематизированных по направлениям использования, представлена на рис. 1.2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1.1. Типовая однолинейная схема совмещенной тяговой подстанции метрополитена.

Рис. 1.2. График суммарной мощности электроприемников по направлениям использования.

Главной задачей метрополитенов является перевозка пассажиров. Поэтому, основным потребителем электрической энергии являются тяговые двигатели электропоездов [26,77,85]. Потребление энергии на тягу поездов составляет более 50-ти % от общего энергопотребления. Остальная часть электроэнергии потребляется силовым оборудованием и освещением, СЦБ, электрооборудованием депо, и т.п. Расход электрической энергии за 2006 - 2007 г.г. (на примере Новосибирского метрополитена) представлен в таблице 1.1.

Из графика электропотребления на тягу поездов за 2007 год видно, что характер электропотребления в течение года практически одинаковый. Имеются некоторые изменения в летний и зимний периоды, которые могут быть объяснены ростом пассажиропотока и загруженностью вагонов зимой, а также с выходом дополнительных поездов в праздничные дни.

Таблица 1.1. Расход электрической энергии за 2006-2007 г.г.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

2006

Общий расход,

тыс.кВтч

3296,3

3358,4

3146,7

2855,4

3853,9

2745,7

3011,5

3066,7

2774,6

2767,4

3155,2

3206,2

Расход на тягу,

тыс.кВтч

1353,6

1244,4

1306,8

1248,6

1327,2

1254,6

1444,8

1257,8

1354,5

1367,0

1372,2

1396,3

Прочие расходы,

тыс.кВтч

1942,7

2114,0

1839,9

1420,1

1526,0

1491,1

1566,8

1808,6

1420,1

1400,6

1783,0

1810,1

2007

Общий расход,

тыс.кВтч

3678,4

3216,8

3311,8

3092,3

2940,6

2695,7

2542,1

2978,1

2836,1

2836,6

3069,4

3315,6

Расход на тягу,

тыс.кВтч

1290,1

1297,8

1314,0

1391,4

1303,8

1275,0

1299,0

1612,2

1279,2

1369,8

1313,4

1420,5

Прочие расходы,

тыс.кВтч

2388,4

1919,0

1892,8

1683,6

1636,8

1420,7

1243,1

1612,2

1556,9

1466,8

1756,0

1895,1

График электропотребления на тягу поездов за 2007 год по месяцам представлен на рис. 1.3.

Рис. 1.3. График электропотребления на тягу поездов за 2007 год.

К силовым установкам метрополитена относятся эскалаторы, вентиляция местная и тоннельная, насосы и другое (прочее) электрооборудование.

Местная вентиляция обслуживает служебно-технические помещения, работает по годовому графику. Вентиляция, обслуживающая тяговые подстанции, предназначенная для охлаждения трансформаторов, работает в автоматическом режиме по сигналам датчиков температуры.

Суточное потребление осветительными установками составляет около 20% от общего электропотребления.

Питание тяговой сети осуществляется от тягового трансформатора через преобразовательную установку. Преобразование переменного тока в постоянный происходит по трехфазной схеме через кремниевые выпрямители. На каждой тяговой подстанции установлено по три трансформатора и, соответственно, столько же преобразовательных установок.

Ввиду того, что метрополитены проектируются на перспективу развития города и увеличения пассажиропотока, с запасом мощностей, то источником дополнительных потерь электроэнергии является недогрузка трансформаторов, двигателей эскалаторов, вентиляторов, что значительно снижает предприятия с проектного 0,9 до фактического 0,84 и ниже.

Из проведенного анализа хорошо видно, что значительная часть потребляемой электрической энергии метрополитеном обусловлена работой тягового и другого электропривода.

Это обстоятельство делает логичным анализ электроподвижного состава метрополитенов, который и представлен в следующем подразделе.

1.2 Анализ электроподвижного состава метрополитенов

Из предыдущего подраздела видно, что энергоэффективность работы метрополитена во многом зависит от характеристик используемого электроподвижного состава.

Увеличивающиеся объемы перевозок на метрополитенах, высокие требования, предъявляемые к безопасности перевозок, уменьшению расхода электроэнергии на тягу поездов, заставляют совершенствовать конструкцию и надежность электроподвижного состава [56,137].

Обычно количество вагонов в электропоездах метрополитена устанавливается в зависимости от их вместимости, максимального значения пассажиропотока в определенное время и интенсивности движения на линии.

В зависимости от интенсивности пассажиропотока в течение суток возможно изменение количества вагонов в составе поезда. Составы электропоездов метрополитена, как правило, разделяют на отдельные секции, имеющие одинаковые и постоянные тяговые свойства. Секции состоят из определенного числа моторных и прицепных вагонов или только из моторных вагонов. Цепи управления вагонов в составе связаны межвагонными электрическими соединениями, благодаря чему составы поездов из нескольких секций управляются из головной кабины по системе многих единиц (СМЕ), гарантирующей синхронную работу двигателей всех соединенных секций [120].

В связи с тем, что на линиях метрополитена преобладают конечные станции тупикового типа, вагоны метрополитена применяются с двусторонним расположением дверей и расположением кабины управления в каждом конце состава, что позволяет реализовать реверс и значительно упростить оперативное маневрирование подвижным составом.

В большинстве метрополитенов вагоны являются четырехосными. Однако за рубежом на отдельных линиях эксплуатируются секции, состоящие из сочлененных кузовов, что улучшает проходимость составов по кривым малых радиусов и уменьшает давление на ось [14,41,49].

Сравнивая поезда метрополитенов разных стран, в соответствии с габаритными размерами подвижного состава можно выделить:

· вагоны с железнодорожным габаритом (некоторые линии метрополитенов в Нью-Йорке, Лондоне, Париже, которые применяются на выносных линиях метрополитена, связанных с пригородными участками электрифицированных железных дорог);

· вагоны с уменьшенным, по сравнению с железными дорогами, габаритом (метрополитены в городах России и СНГ);

· вагоны с габаритом, приспособленным к условиям вписывания в тоннели кругового очертания со скошенными стенками (некоторые линии Лондонского метрополитена); такие вагоны позволяют вписываться в минимальный диаметр перегонных тоннелей за счет некоторых эксплуатационных неудобств и снижения комфортности перевозки пассажиров [12,137].

Проектирование первых советских вагонов типа А и Б началось в начале 30-х годов. Впервые в практике отечественных железных дорог поезда получили питание от контактного рельса. Масса моторного вагона типа А составляла 51,7 т, прицепного - 36,3 т. В каждом моторном и прицепном вагоне имелось 52 места для сидения и 120 мест для стояния. При наибольшей наполняемости число стоявших пассажиров доходило до 210. Вагоны были оборудованы четырьмя двухстворчатыми дверьми с каждой стороны, которые закрывались и открывались машинистом одновременно во всем поезде при помощи электропневматических приводов и дверных воздухораспределителей. Максимальная скорость моторных вагонов типа А составляла 65 км/ч.

В 1936 году завод «Динамо» приступил к разработке вагона с электрическим тормозом, а на Мытищинском заводе решили создать новый облегченный кузов и тележки. Первые шесть опытных вагонов типа Г выпустили в 1940 году. Все вагоны типа Г были моторные с электрооборудованием, приспособленным для электрического торможения. На каждом вагоне типа Г было установлено четыре тяговых двигателя ДК-102В мощностью 83 кВт, позволявшие поезду развивать скорость до 75 км/ч. При эксплуатации состава из вагонов типа Г были выявлены значительные его преимущества перед вагонами типов А и Б [95].

Новая система требовала большого внимания. В процессе испытаний выявлялись и устранялись недостатки, вносились необходимые изменения. Электрический тормоз вагонов типа Г был основан на «обратимости» тяговых двигателей, то есть на использовании их в качестве генераторов во время тормозного режима. Электроторможение могло происходить в пределах скорости движения вагона от 75 до 8 км/ч. А при скорости ниже электротормоз оказывался неэффективным и автоматически заменялся пневматическим. Тормозное усилие реализовывалось воздействием тормозных бакелитовых колодок на бандажи колесных пар.

В процессе эксплуатации с 1977-го по 1983 годы вагоны типа Г хорошо зарекомендовали себя. По ряду узлов и агрегатов они позволили повысить межремонтный пробег, а также степень безопасности и бесперебойности работы линий метрополитена.

В 1948 году был разработан проект новых вагонов М-5, на основе вагонов типа Г. Внешне они практически ничем не отличались от вагонов типа Г. Все изменения в конструкции были направлены на уменьшение массы вагона, повышение надежности электрооборудования и механической части. На вагонах типа М5, в отличие от вагонов типа Г, были применены тяговые электродвигатели большей мощности и меньшего веса: их масса уменьшилась с 1490 до 700 кг.

У опытных вагонов отсутствовали отбойные брусья на раме лобовых частей кузова; применена неравномерная установка вентиляционных черпаков; толщина внешней обшивки уменьшилась с 3 до 2,5 мм; широкое распространение получили алюминиевые сплавы.

Непосредственно к проектированию вагонов типа Д на Мытищинском машиностроительном заводе приступили в конце 1954-го года. Серийный выпуск этих вагонов начался 29 июля 1955 года. Внешне новый вагон Д мало отличался от вагонов предыдущих серий Г, М5 и УМ5. Основное различие этих вагонов касалось ходовой части, электрического и механического оборудования. Масса новых вагонов была снижена более чем на 7 тонн, а скорость увеличена до 80 км/ч. Большим новшеством явилась замена тяжелой автосцепки на облегченную, которая производит сцепление не только самих вагонов, но и электрических проводов дистанционного управления, проходящих вдоль каждого вагона, а так же пневматических «рукавов» воздушного тормоза.

Производство вагонов типа Д было завершено в 1963 году. Всего за 9 лет производства было выпущено 660 вагонов. В Москве вагоны типа Д эксплуатировались на Арбатско-Покровской, Филевской, Кольцевой, Сокольнической и Калужско-Рижской линиях.

Первые серийные вагоны Е сошли с конвейера в мае 1963 года. Помимо различных технических аспектов (более мощные двигатели, улучшенные тележки и пр.), новые вагоны существенно отличались от прежних вагонов и внешне. Кузов отныне стал гофрированным, а не гладким. Это позволило увеличить его жёсткость. Более частыми стали и вентиляционные черпаки, благодаря чему улучшилась вентиляция салона. Изменилось расположение боковых окон и дверей, все они были смещены в сторону от кабины управления, в результате чего возле неё были установлены одноместные сиденья, а в противоположном торце вагона - полутора местные.

Вагоны типа Е значительно отличались от других типов по своим динамическим и ходовым свойствам, соответствуя уровню вагоностроения того времени. Была значительно увеличена скорость, которая составила 90 км/ч, что сократило интервал между поездами до 1,3-1,5 минут и увеличило пропускную способность метрополитена. Чтобы сократить время стоянки на станциях, были увеличены дверные проемы. Двери, каркасы и некоторые другие элементы кузова впервые изготавливались из алюминия, что позволило значительно снизить массу вагона. Срок службы новых вагонов был определен в 35 лет, что было на 15 лет больше, чем у прежних моделей.

После десятилетия начала эксплуатации вагонов типа Е* стало ясно, что метрополитенам нужны новые типы подвижного состава: более новые, современные и дешёвые в эксплуатации вагоны. Конструкция вагонов типа И многим отличалась от предыдущих серий. В ней были реализованы многие новые технические решения, например, кузов был выполнен из алюминиевого сплава, вследствие чего вагоны стали на 3 тонны легче. Максимальная скорость была увеличена до 100 км/ч, кроме того, управление поездом планировалось полностью автоматизировать. Также, была увеличена вместимость вагона на 25-30 пассажиров, в салоне была предусмотрена система принудительной вентиляции.

В первой половине 1977-го г. поезд из вагонов типа «И», получивших обозначения 81-715.2 (головные) и 81-716.2 (промежуточные), проходил испытания на Московском метрополитене. Несмотря на одинаковые габариты, кузов вагона, по сравнению с Е, был в два раза легче. Затраты на производство этих вагонов были в несколько раз меньше, однако, заводчане столкнулись с серьёзной на то время проблемой, так как сварка стального кузова - менее сложный процесс, в отличие от сварки алюминиевых конструкций. Центральные стальные рессоры, которыми кузов опирается на раму тележки, были заменены пневматическими с автоматическим регулированием их прогиба в зависимости от нагрузки (пневмоподрессоривание). На вагонах типа И было предусмотрено тиристорно-импульсное регулирование скорости в режимах пуска и торможения с рекуперацией электрической энергии в сеть при торможении.

С 1977-го года начат выпуск вагонов модели 81-717/714, которые до сих пор эксплуатируется на отдельных линиях метрополитенов России.

В 1989 году российские ученые начинают проводить научно-исследовательские работы по внедрению асинхронного тягового привода на вагонах метрополитена.

В 1991 году, силами экспериментальной базы Мытищинского машиностроительного завода ("Метровагонмаш") был изготовлен опытный пятивагонный состав 001-002-003-004-005 "Яуза" с асинхронным тяговым приводом.

Конструкция новых вагонов принципиально отличается от предыдущих серий. Так, кузов выполнен из нержавеющей стали, использованы новая тележка и механическое оборудование [126]. Новый поезд имеет более плавный и менее шумный ход, который более комфортен для пассажиров и машинистов. Вагоны оборудованы системой принудительной вентиляции, что позволило отказаться от традиционных форточек и воздуховодов. За счет этого уровень шума в салоне существенно снизился. Поезд оборудован автоматической системой пожаротушения. Для эвакуации пассажиров на случай экстренных ситуаций в «Яузе» впервые в отечественном вагоностроении применены специальные трапы.

При эксплуатации вагонов типа "Яуза" были выявлены следующие преимущества: экономия до 14 % электроэнергии на тягу поездов, на 6 % увеличена скорость движения, на 18 % - снижен шум в кабине машиниста и пассажирских салонах, используется система рекуперативного торможения [33,39].

В 1999 году АО "Вагонмаш" приступил к выпуску новых вагонов типа М-1 для метрополитена Чехии, как экспериментальных, которые оборудованы трехфазными асинхронными двигателями.

В декабре 2003 года открылась Бутовская линия Московского метрополитена, вместе с её открытием началась постоянная эксплуатация вагонов 81-740/741 "Русич".

В 2004 г. "Метровагонмаш" выпустил опытный состав 81-740А/81-741А, оснащенный отечественными асинхронными тяговыми двигателями ТАД280М4 производства АЭК "Динамо" (170 кВт) и регулирующей аппаратурой Новосибирского производства.

Технические характеристики некоторых видов подвижного состава метрополитенов представлены в таблице 1.2.

На проектной первой линии строящегося метрополитена в г. Красноярске предусматривается эксплуатация вагонов типа 81-714.5 и 81-717.5 [103].

Вагон 81 - 717.5 головной, имеет кабину управления; вагон 81 - 714.5 промежуточный, без кабины управления. Вагоны моделей 81 - 717.5 и 81 - 714.5 являются моторными, со всеми ведущими осями.

Вагоны рассчитаны на работу по системе многих единиц и могут эксплуатироваться в составе поезда с числом вагонов до восьми. При этом вагоны модели 81 - 717.5 устанавливаются по концам поезда, что обеспечивает челночную эксплуатацию подвижного состава [95].

Вагоны снабжены тяговым электроприводом постоянного тока с системой плавного регулирования поля (возбуждения двигателей). Привод рассчитан на работу в тяговом режиме и в режиме электродинамического реостатного торможения со скорости 90 км/ч до 8 км/ч. В каждом вагоне установлены четыре тяговых электродвигателя с самовентиляцией, по два на тележку, мощностью по 114 к Вт каждый.

Таблица 1.2. Технические характеристики подвижного состава метрополитенов

Тех. характеристика

Тип подвижного состава

Тип А

Тип В-2

Тип Г

Тип Д

Тип

81-717

Тип И

"Яуза"

Тип М-1

"Русич"

Год выпуска

1934-1937

1945

1940

1955-1963

1977

1987

1991

1999

2004

Длина / ширина / высота, м

18,92/2,7/

3,7

18/2,62/3,6

19,11/2,7/3,7

19,11/2,7/3,7

19,2/2,7/3,7

18,84/2,82/3,7

20/2,7/3,65

19,2/2,7/3,7

27,29/ 2,7

Вместимость при плотности 10 чел./м2

264

Нет данных

264

264

308

324

330

300

346/372

Число мест для сидения

52

Нет данных

44

44

42

н/д

36

40

54/60

Максимальная скорость, км/ч

65

60

75

75

90

100

100

90

90

Число тяговых двигателей, ед

н/д

2

4

4

4

4

4

4

4

Номинальная

мощность тяговых двигателей, кВт

н/д

100

83

72

112

100

115

115

160

Ускорение, м/с2

0,65

н/д

1

1

1,3

1,2

1,3

1,3

1,3

Замедление, м/с2

0,65

н/д

1

1

1,3

1

1,3

1,3

1,3

Вид системы управления

РКСУ

РКСУ

РКСУ

РКСУ

РКСУ

ТИСУ

Асинхронный

ТИСУ

Асинхронный

ТИСУ

Асинх. Дв.

IGBT-инвертор

Тара вагона, т

51,7

30

43,7

36,2

34

31

н/д

28

н/д

Тип торможения

механическое

механическое

Электро

динамическое

Электро

динамическое

Электро

динамическое

Рекуперативное

Электромеханическое

Рекупера

тивное

Электромеханическое

Рекупера

тивное

Электромеханическое

Рекупера

тивное

Электромеханическое

Пускотормозная диаграмма вагона представлена на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Пускотормозная диаграмма вагонов 81.717.5(714.5).

Технические характеристики вагона серии 81.717(714).5 представлены в таблице 1.3.

Таблица 1.3. Технические характеристики вагона серии 81.717(714).5.

Наименование показателя

Обозначение, единица измерения

Значение показателя

Конструктивная скорость

V, км/ч

90

Число тяговых двигателей

n, ед.

4

Мощность тяговых двигателей

Р, кВт

114

Вместимость вагона при плотности 10 чел./м2

чел.

330 (промежуточный)/308оловной)

Число мест для сидения

шт.

44 (промежуточный)/40 (головной)

Длина вагона

м

19,21

Ширина вагона

м

2,712

Ускорение при разгоне, среднее

а, м/с2

1,3

Ускорение при торможении, среднее

а, м/с2

- 1,3

На вагонах серии 81-717.5, 81-714.5 применяются тяговые электродвигатели (ТЭД) ДК-117А мощностью 114 кВт последовательного возбуждения с самовентиляцией вентилятором со стороны привода.

Технические данные ТЭД ДК-117А:

1. Мощность в часовом режиме 114 кВт;

2. Номинальное напряжение 875 В;

3. Часовой ток 330 А;

4. Частота вращения 1480 об/мин;

5. Число пазов якоря 42 паза;

6. Шаг по пазам в якоре 1-11;

7. Минимальный диаметр коллектора 230 мм;

8. Шаг по коллектору: обмотка якоря 1-2;

9. Уравнительные соединения 1-106;

10. Щетки 2 шт.: 10х32х50 мм;

11. Давление на щетку 2,1-3,1 кг;

12. Вес ТЭД (собранного) 750 кг;

13. Максимальная частота вращения 3600 об/мин;

14. Сопротивление ТЭД при 110єС 0,102 Ом;

15. Допустимый износ щеток 25 мм.

Для смазывания подшипников ТЭД используется смазка ЖРО из расчета 150 г. на один подшипник (1/3 объема).

Сопротивление изоляции обмоток якоря и полюсов не менее 5 МОм.

Технические характеристики вагонов серии 81-717.5, 81-714.5 ниже будут неоднократно использованы для различных расчетов и оценок.

Таким образом, очевидно, что подвижной состав метрополитена существенно модернизировался за последние годы. Это позволило, с одновременным увеличением комфортности перевозки пассажиров, снизить потребление электроэнергии на тягу, из-за уменьшения массы подвижного состава, применения рекуперативного торможения и модернизации системы управления тяговым электрооборудованием. Следовательно, повышенное электропотребление метрополитенов обусловлено, в основном, неэффективностью их эксплуатации.

Для моделирования движения поезда по линии метрополитена необходимо учитывать физические свойства подвижного состава, его характеристики и их взаимозависимости. Поэтому, необходима математическая модель, коэффициентами которой являются значения технических характеристик подвижного состава метрополитенов. Кроме того, необходимо использовать методы синтеза энергооптимальных режимов управления движением поездов.

1.3 Анализ методов расчета энергооптимальных режимов управления движением поездов

1.3.1 Аналитические методы

К аналитическим методам относятся классическое вариационное исчисление [97,98,111], принцип максимума Л.С.Понтрягина [47,48,84,100] и принцип максимума в формулировке А.А. Милютина и А.Я. Дубовицкого [36,42,144].

При энергетической оптимизации ведения поезда метрополитена по перегону решается задача Лагранжа с закрепленным правым концом, т.е. минимизируется функционал, заданный в виде определенного интеграла:

(1.1)

где х - вектор переменных состояния системы. Функционал также зависит от производных, например, скорости движения поезда v, которые включаются в число переменных состояния с помощью дифференциальных связей. Функционал (1.1) использует в качестве независимой переменной время хода t.

u - вектор управлений, в случае поезда метрополитена - он одномерный, т.е. u - позиция контроллера машиниста. Это значит, что рассматривается случай кусочно-постоянных управлений, для классического вариационного исчисления не удобный [36]. Поэтому во многих, особенно ранних работах [21,46,65,66,112], вводят величину u в качестве линейно входящего коэффициента при силе тяги, непрерывно изменяющегося на ограниченном с обеих сторон интервале.

Известен ряд приближенных методов решения вариационных задач, среди которых получили большое распространение для решения прикладных вариационных задач так называемые прямые методы [89]. Сущность прямых методов заключается в том, что вариационная задача рассматривается как предельная для некоторой задачи на экстремум функции конечного числа переменных, которая решается обычными методами поиска экстремума [36].

Другим методом, который может быть использован для решения поставленной задачи, является принцип максимума Л.С. Понтрягина [79]. Задача поиска оптимального решения в данном случае сводится к нелинейной краевой задаче, для решения которой требуется поиск в пространстве сопряженных переменных (неизвестных).

Применение принципа максимума к решению задачи оптимального ведения поезда по участку в формулировке, предложенной А.А. Милютиным и А.Я. Дубовицким [42], позволяет учитывать ограничения не только на управляющие воздействия, но и на фазовые координаты. Анализ оптимальных траекторий движения с помощью принципа максимума позволяет получить необходимые условия оптимальности в виде аналитических соотношений, которые могут быть использованы при отыскании оптимальных траекторий. В связи с наличием на перегонах переменных по пути ограничений на скорость движения, и переменного дополнительного сопротивления движению от уклонов и кривых, а также не перекрываемых токоразделов - число линий переключения на перегоне является не ограниченным. И процедура синтеза оптимальных траекторий движения поезда метрополитена на основе синтеза линий переключения является сложным итерационным и рекурсивным процессом [113,114].

Несмотря на сложность объекта управления - модели поезда, применение этого метода для оптимизации управления движением поезда на железной дороге позволило получить экономический эффект в 3-5 % [10,11].

Достоинства аналитических методов заключается в том, что энергооптимальные траектории движения поезда рассчитываются достаточно быстро, что позволяет использовать их на борту подвижного состава для упреждающего расчета программы движения. К недостаткам данных методов можно отнести тот факт, что при расчете оптимальной траектории минимизируется механическая энергия, переменный к.п.д. тягового привода задается в виде аппроксимированной функции скорости. Этот недостаток устраняют численные методы [7,15,16,27,30,31,43,109], которые позволяют решать задачи минимизации потребления поездом электроэнергии [26].

1.3.2 Численные методы

К численным методам относятся дискретный вариант метода динамического программирования Р.Беллмана [18] (а также его вариации: «киевский веник», метод локальных вариаций, метод «блуждающей трубки», метод «бегущей волны» [26,36]) и численные методы нелинейного программирования (покоординатный спуск, случайный поиск) [85,132,133].

Преимуществом динамического программирования и всех многошаговых методов, от него произошедших, является простота учета ограничений на переменные состояния. Более того, чем больше в задаче ограничений, тем лучше работает метод, т.к. варианты, не удовлетворяющие ограничениям, не просчитываются [26,89].

Главным препятствием для практического использования дискретного варианта метода динамического программирования является проблема представления функции многих переменных на множестве дискретных значений ее аргумента. Эта проблема при реализации ее на ЭВМ приводит к необходимости иметь большие объемы памяти вычислительной машины [36].

В [26,89] перечислены и другие недостатки данного метода. Во-первых, применение метода динамического программирования требует нахождения не только оптимальных управлений, но и некоторой функции Р. Беллмана S(t,y), что усложняет процесс вычисления. Во-вторых, уравнение Р. Беллмана представляет собой нелинейное дифференциальное уравнение в частных производных относительно функции S(t,y), осложненное знаком минимума, решение которого во многих случаях затруднено. В-третьих, метод динамического программирования содержит предположение о дифференцируемости неизвестной функции S(t,y), a проверить выполнение этого предположения по уравнениям движения объекта нельзя. Этот недостаток [89] является главным, т.к. даже в простейших линейных задачах оптимального управления функция S(t,y) не будет, как правило, всюду дифференцируемой, и применение метода динамического программирования становится необоснованным.

Однако вместо математического обоснования достаточных условий оптимальности на практике пользуются интуитивными соображениями, основанными на физической природе явлений [26]. Поэтому, если довольствоваться инженерным уровнем строгости постановки, можно получать приемлемые траектории управления изложенным методом без решения в явном виде уравнения Беллмана [36,89].

Решение задачи определения энергооптимального управления движением поезда дискретным вариантом метода динамического программирования Р. Беллмана сводится к минимизации целевой функции

(1.2)

где - соответственно скорость, время хода, позиция управления на i-м шаге; m-число шагов варьирования режимов на перегоне; - расход электроэнергии на i-м шаге.

Основное функциональное уравнение динамического программирования для решения данной задачи на основе принципа оптимальности имеет вид:

, (1.3)

где - минимальное значение целевой функции за i - l шагов.

В [46,47] разработаны алгоритмы и программы вычисления оптимальных режимов управления поездом для технико-экономических и тяговых расчетов для поездной работы и алгоритм автоведения поезда метрополитена.

Алгоритм «киевский веник» применен для конкретных расчетов в конце 50-х годов [83]. Этот метод позволяет извлечь все выгоды динамического программирования, связанные с учетом ограничений на переменные состояния и управление, при этом затратить несколько меньше машинного времени, чем требуется при использовании динамического программирования.

Рассмотрим задачу отыскания минимума (максимума) функции, представленной в виде

, (1.4)

при ограничениях вида х. Сформулируем данную задачу следующим образом: среди всех ломаных, соединяющих плоскости и , и лежащих в допустимой области, найти ту, длина которой наименьшая [26].

Основное содержание алгоритма состоит в формулировке правил последовательного сжатия множества конкурентоспособных вариантов . Алгоритм представляет собой многошаговый процесс, на каждом шаге (номера j) которого производится «отметание» некоторого множества вариантов , о котором в процессе работы алгоритма становится известно, что оно не содержит оптимального варианта.

...

Подобные документы

  • Определение основного сопротивления движению поезда при различных видах тяги. Расчет средней скорости движения и времени хода поезда по участку. Определение расхода топлива тепловозом на тягу поездов и электроэнергии электровозом постоянного тока.

    курсовая работа [631,7 K], добавлен 20.12.2015

  • Первая двухвагонная секция, состоявшая из моторного и прицепного электровагонов. Пробный рейс первой секции. Некоторые характеристики вагонов типа Б. Увеличение протяженности линий Московского метрополитена. Пополнение парка подвижного состава.

    презентация [2,5 M], добавлен 12.05.2015

  • Определение длины тормозного пути и времени торможения поезда при экстренном торможении способом ПТР. Расчет основного удельного сопротивления состава в режиме выбега и поезда. Определение осевой нагрузки для каждой группы вагонов, длины состава.

    курсовая работа [3,0 M], добавлен 24.10.2015

  • Этапы строительства метро, выбор места расположения и инженерные изыскания. Типовые проекты станций Московского метрополитена, внутреннее оформление. Сокольническая и Калининско-Солнцевская линии. Технология струйной цементации грунтов, или jet grouting.

    реферат [1,6 M], добавлен 25.10.2015

  • Функциональная схема централизованной системы автоведения поездов метрополитена. Блок-схема модели для исследования качества управления регулятора времени хода САВПМ на перегонах с двумя включениями тяговых двигателей. Траектории движения поезда.

    курсовая работа [2,9 M], добавлен 22.01.2016

  • Тяговый расчет для грузового поезда с электровозом переменного тока, при спрямлении профиля пути. Определение массы поезда, скорости, времени хода по перегону, потребляемого тока. Расчет общего и удельного расхода электрической энергии на тягу поезда.

    курсовая работа [862,1 K], добавлен 09.11.2010

  • Проверка возможности спрямления элементов профиля участка пути. Определение и проверка массы состава. Расчёт основного удельного сопротивления движению поезда на выбеге, расход электроэнергии на его преодоление. Построение кривых движения поезда.

    курсовая работа [71,8 K], добавлен 07.09.2012

  • Разработка проектов метро для столицы Российской империи. Начало строительства ленинградского метрополитена в 1947 г., его последующее развитие. Технические характеристики современного метро. Расчет затрат на перевозку груза из Санкт-Петербурга в Таллинн.

    курсовая работа [2,2 M], добавлен 06.08.2013

  • Анализ системы городских автобусных перевозок пассажиров. Система показателей и измерителей работы подвижного состава. Статистический анализ изменения пассажиропотоков. Разработка мероприятий по оптимизации структуры пассажирского подвижного состава.

    дипломная работа [537,8 K], добавлен 26.12.2011

  • Рассмотрение основных особенностей вычисления замедления и времени торможения. Анализ способов оценки эффективности пневматической тормозной системы вагонов метрополитена. Этапы расчета колодочного тормоза. Общая характеристика тормоза Вестингауза.

    контрольная работа [211,2 K], добавлен 16.12.2013

  • Анализ преимуществ высокоскоростного железнодорожного транспорта. Мировые лидеры эксплуатации высокоскоростных поездов. Описание коммерческой железнодорожной линии на магнитном подвесе в Китае. Железнодорожные магистрали высокоскоростного движения в РФ.

    статья [223,0 K], добавлен 30.03.2015

  • Требования, согласно правилам технической эксплуатации метрополитенов, к стрелочным электроприводам. Стрелочный с внутренним замыканием невзрезной электропривод типа СП-6 и СП-6М. Конструкция, кинематическая схема и электрические характеристики.

    реферат [33,0 K], добавлен 04.04.2009

  • Расчет объемных показателей использования подвижного состава. Экономическая оценка улучшения использования подвижного состава и увеличения массы поезда брутто. Расчет качественных показателей использования локомотивного парка и грузовых вагонов.

    курсовая работа [132,6 K], добавлен 03.06.2009

  • Описание местности, представленной топографической картой района проектирования железнодорожной линии. Проектирование трассы и продольных профилей. Расчет размещения труб и мостов, строительство водопропускных сооружений. Экономический расчёт проекта.

    дипломная работа [3,1 M], добавлен 22.11.2017

  • План формирования пассажирских поездов по каждому направлению. Определение времени в пути и потребного количества составов. Расчет цен на билеты фирменного поезда № 77/78 "Экспресс". Протяжённость маршрута следования. Общая выручка с проданных билетов.

    курсовая работа [2,7 M], добавлен 23.02.2015

  • Характеристика груза (кирпича). Выбор и характеристика подвижного состава, погрузочно-разгрузочных механизмов. Расчёт маршрутов движения при перевозке груза. Организация оперативного диспетчерского руководства работой подвижного состава на линии.

    курсовая работа [127,8 K], добавлен 30.03.2014

  • Нормативная база системы управления технической готовностью подвижного состава. Нормативы предприятия на эксплуатацию, техническое обслуживание и ремонт автомобилей. Расчетно-аналитический метод определения временных линейных норм расхода топлива.

    реферат [1007,2 K], добавлен 26.01.2014

  • Подвижные составы автомобильного транспорта: автомобили, автомобильные поезда, прицепы и полуприцепы. Маркировка и техническая характеристика. Безопасность подвижного состава, устройство автомобиля. Фургоны, рефрижераторы, самопогрузчики и контейнеровозы.

    реферат [131,4 K], добавлен 11.02.2009

  • Оценка правильности выбора серии локомотива, расчетного и проверяемого подъемов. Определение времени хода поезда способом равномерных скоростей. Спрямление профиля пути. Расчет расходов энергоресурсов на тягу поездов. Обоснование серии локомотива.

    курсовая работа [40,8 K], добавлен 13.06.2013

  • Расчёт массы, веса и длины поезда при заданной загрузке вагонов. Эквивалентный уклон с учетом сопротивления от кривых. Сопротивление движению на кривом участке пути. Основное удельное сопротивление движению электровоза. Расчет мощности электровоза.

    курсовая работа [576,5 K], добавлен 16.12.2012

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.