Електромеханічна система регулювання коливань кузова швидкісного електропоїзду з нахилом кузова

Abstract

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково-практичної задачі щодо покращення ходових характеристик швидкісного електропоїзду та рекуперації енергії коливань. Метою дисертаційної роботи є розробка теоретичних положень і практичних рішень щодо реалізації електромеханічної системи регулювання коливань кузова швидкісного електропоїзду з механізмом нахилу кузова. Об’єктом дослідження є процес електромеханічного перетворення енергії в системі нахилу кузова при гасінні коливань кузова. Предметом досліджень є електромеханічна система регулювання коливань кузова швидкісного електропоїзду с нахилом кузова. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначені задачі дослідження, показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами, наведено дані про наукову новизну, практичне значення, апробацію результатів та публікації. У першому розділі проведено аналіз існуючих рішень для систем нахилу кузова який показує, що найпоширенішим приводом для нахилу кузова є гідравлічний. Описано недоліків цього приводу, таких як складність гідравлічних ліній, високий тиск та складна система керування. З іншого боку, для демпфуючих систем на рухомому складі широко використовуються пневморесори. Розглянуто потенційне рішення для покращення характеристик ходової частини швидкісного електропоїзду таке як інтеграція функцій нахилу кузова та гасіння коливань в одну систему шляхом синтезу електромеханічного амортизатора. Відповідно до аналізу існуючих електромеханічних пристроїв, було обґрунтовано рішення застосування лінійного двигуна електромагнітного типу як пристрою для нахилу кузова та демпфуючої складової, що дозволяє рекуперувати енергію коливань, що може значно підвищити ефективність системи та зменшити її складність завдяки великій гнучкості та точності управління електроприводом. Обрано напрями досліджень, поставлені основні задачі дисертаційної роботи. У другому розділі запропоновано використання лінійного електромагнітного двигуна як оптимального рішення для реалізації системи нахилу кузова та демпфування коливань. Для оцінки ефективності роботи електромеханічного амортизатора була побудована математична модель ходової частини електропоїзда з електромеханічними амортизаторами, що враховує відсутність пневматичної частини. Модель включає рівняння руху та нахилу кузова, враховуючи електромеханічні характеристики. Проведено розрахунок магнітного поля методом скінченних елементів для визначення оптимальних параметрів індуктивності (32.1-40.6 мГн) та інших характеристик. Результати показали, що при максимальному робочому зазорі 70 мм магнітопровід не входить у режим насичення, забезпечуючи стабільну роботу амортизатора. У третьому розділі побудована імітаційна модель електромеханічної системи регулювання коливань кузова швидкісного електропоїзду з нахилом кузова. Результати моделювання нахилу кузова показують, що електромеханічний амортизатор досягає заданого кута 5° за 2 секунди з відхиленням ±0,2° при підтримці кута. Результати моделювання гасіння коливань показують, що електромеханічний амортизатор ефективно гасить коливання і відновлює енергію. Без дії амортизатора кут нахилу кузова змінюється від -0,45° до +0,38°, а після його впливу цей діапазон скорочується до -0,2° до +0,2°. Електромеханічний амортизатор здатний рекуперувати 84 Вт/год при коливаннях з амплітудою 5 мм та частотою 2 Гц, при цьому електромагнітна сила на якорі становить 43 кН. Імітаційне моделювання показало, що електромеханічний амортизатор ефективно гасить коливання та рекуперує енергію, що підтверджується осцилограмами. Ця система відкриває шлях для оптимізації параметрів та інтеграції з існуючими системами вагонів. У четвертому розділі досліджено ключові аспекти управління електромеханічною системою регулювання коливань кузова швидкісного електропоїзду з нахилом кузова з використанням електромеханічних компонентів. Розроблено алгоритм керування електромеханічним амортизатором, який використовує гіроскопи типу МЕМС для вимірювання кутів нахилу кузова та візка. Обрано модель МЕМС датчику MPU-9250 для використання в системі керування нахилом кузова електропоїзда, який забезпечує високу точність вимірювань (нелінійність ±0,1 % для гіроскопа та ±0,3 % для акселерометра) при частоті оновлення даних 8000 Гц. В якості основного мікроконтролеру було обґрунтовано та обрано мікроконтролер STM32F407. При виборі силових ключів обрано IGBT транзистори моделі FF800R17KP4_B2, які забезпечують надійну роботу системи в умовах високих навантажень. Розроблено схему електричну принципову драйвера керування (напівпровідникового перетворювача) електромеханічною системою, що включає блоки живлення, мікроконтролер, керування силовими ключами та вихідні роз'єми для підключення датчиків. Створена топологія друкованої плати (розмір 120 мм на 90 мм, двошарова, з розташуванням компонентів на одній стороні) забезпечує зручність монтажу та обслуговування системи. Також розроблено схему електричну принципову блоку датчику типу МЕМС, яка має компактні габарити (розмір 25 мм на 25 мм, двошарова). Виконана база конфігурація вводів/виводів мікроконтролера в програмному середовищі CubeMX. У висновках наведено основні результати наукової роботи щодо вирішення поставлених наукових задач дослідження. В дисертації отримані наступні наукові результати: 1. Вперше запропоновано використання електромеханічного амортизатор у складі ходової частини швидкісного електропоїзду для систем нахилу кузова, що дозволяє одночасно виконувати функції нахилу кузова та рекуперації енергії коливань, замінюючи традиційні пневматичні амортизатори. Без амортизатора кут нахилу кузова змінюється в межах від -0,45° до +0,38°, а з його застосуванням цей діапазон скорочується та складає від -0,2° до +0,2°, тобто вдвічі менше. Електромеханічний амортизатор здатен рекуперувати 84 Вт/год при коливаннях з амплітудою 5 мм та частотою 2 Гц. 2. Вперше запропоновано алгоритм керування нахилом кузова та рекуперацією коливань каскадного типу, алгоритм переключення режимів роботи електромеханічної системи регулювання коливань швидкісного електропоїзду з нахилом кузова Запропоновано виконувати вимір кута нахилу за допомогою датчиків акселерометру та гіроскопу типу МЕМС. Крім того, розроблено методику для розрахунку кутів, що забезпечує високу точність та стабільність вимірювань у динамічних умовах. 3. Вперше розроблено концептуальне прикладне рішення з реалізації блоку електроніки драйверу керування електромеханічною системою регулювання коливань кузова швидкісного електропоїзду з нахилом кузова та блоку електроніки датчику кута нахилу, що включає інтеграцію сучасних мікроконтролерів для обробки сигналів та розробку спеціалізованого програмного забезпечення, яке забезпечує адаптивне управління електроприводом електромеханічної системи регулювання коливань кузова швидкісного електропоїзду з нахилом кузова у режимі реального часу. Достовірність теоретичних дисертаційних досліджень підтверджено коректністю постановок математичних задач, відповідністю математичних моделей суті описуваних процесів та експериментальними дослідженнями, виконаними за допомогою імітаційних моделей. Практичне значення одержаних результатів полягає у наступному: – розробка та впровадження електромеханічного амортизатора в системі нахилу кузова швидкісного електропоїзда дозволяє значно покращити стабільність і комфорт під час руху. Це забезпечує більш плавний нахил кузова, зменшуючи вплив коливань на пасажирів у 2 рази, що особливо важливо для швидкісних потягів; – інтеграція узагальненої імітаційної моделі системи регулювання коливань кузова швидкісного електропоїзду з нахилом кузова у процес проєктування і моделювання забезпечує точність і надійність розробки нових систем нахилу кузова; – створена концептуальна схема системи керування нахилом кузова та рекуперації коливань, що базується на використанні мікроконтролера STM32F407 та МЕМС гіроскопа MPU-9250, сприяє впровадженню інноваційних рішень у транспортній індустрії. Це відкриває можливості для подальших досліджень і розробок у сфері швидкісних електропоїздів. Результати дисертаційної роботи використано при виконанні наукового дослідження за темою: «Підвищення енергоефективності електрорухомого складу залізничного транспорту» (№ ДР 0122U201673, 2022 р.), де здобувач був виконавцем частини розділу 2 «Електромеханічні амортизатори». Результати дисертаційної роботи впроваджено на ТОВ НВП «СПЕЦЕЛЕКТРОМАШ» (акт про впровадження від 05.04.2024 р.), а також у навчальному процесі кафедри електричного транспорту та тепловозобудування НТУ «ХПІ» (акт про впровадження від 29.04.2024 р.) The dissertation is devoted to solving the actual scientific and practical problem of improving the running characteristics of a high-speed electric train and recuperating vibration energy. The purpose of the dissertation is the development of theoretical provisions and practical solutions for the implementation of an electromechanical system for regulating body vibrations of a high-speed electric train with a body tilting mechanism. The object of research is the process of electromechanical conversion of energy in the system of tilting the body during damping of vibrations of the body. The subject of research is an electromechanical system for regulating body vibrations of a high-speed electric train with a body tilt. The work solves the scientific and practical task of synthesizing an electromechanical shock absorber for the undercarriage of a high-speed electric train with a body tilting system, which allowed to ensure the performance of body tilting and vibration recovery, and will replace the pneumatic part. The research was carried out on the basis of fundamental provisions of theoretical electromechanics, methods of mathematical and simulation modeling of the high-speed electric train undercarriage system, modern information technologies and application programs. The introduction substantiates the relevance of the topic of the dissertation, defines the tasks of the research, shows the connection of the work with scientific programs, plans, topics, provides data on scientific novelty, practical significance, approbation of results and publications. In the first chapter, an analysis of existing solutions for body tilting systems is carried out, which shows that the most common drive for body tilting is hydraulic. Disadvantages of this drive are described, such as the complexity of hydraulic lines, high pressure, and complex control system. On the other hand, air springs are widely used for damping systems on rolling stock. A potential solution for improving the characteristics of the undercarriage of a high-speed electric train is considered, such as the integration of body tilt and vibration damping functions into one system by synthesizing an electromechanical shock absorber. According to the analysis of the existing electromechanical devices, the decision to use an electromagnetic type linear motor as a device for tilting the body and a damping component was justified, which allows to recover the energy of oscillations, which can significantly increase the efficiency of the system and reduce its complexity due to the great flexibility and precision of control of linear electromagnetic devices. The directions of research are chosen, the main tasks of the dissertation work are set. In the second chapter, the use of a linear electromagnetic motor is proposed as the optimal solution for the implementation of the system of tilting the body and damping vibrations. To evaluate the effectiveness of the electromechanical shock absorber, a mathematical model of the undercarriage of an electric train with electromechanical shock absorbers was built, taking into account the absence of a pneumatic part. The model includes equations of motion and tilt of the body, taking into account electromechanical characteristics. The magnetic field was calculated using the finite element method to determine the optimal inductance parameters (32.1-40.6 mH) and other characteristics. The results showed that with a maximum working gap of 70 mm, the magnet wire does not enter the saturation mode, ensuring stable operation of the shock absorber. In the third section, a simulation model of the electromechanical system for regulating body oscillations of a high-speed electric train with body inclination is built. Body tilt simulation results show that the electromechanical shock absorber reaches a set angle of 5° in 2 seconds with a deviation of ±0.2° when maintaining the angle. The results of vibration damping simulation show that the electromechanical shock absorber effectively damps vibrations and recovers energy. Without the action of the shock absorber, the angle of inclination of the body varies from -0.45° to +0.38°, and after its influence, this range is reduced to -0.2° to +0.2°. The electromechanical shock absorber is capable of recuperating 84 W/h during oscillations with an amplitude of 5 mm and a frequency of 2 Hz, while the electromagnetic force on the armature is 43 kN. Simulation modeling showed that the electromechanical shock absorber effectively dampens oscillations and recovers energy, which is confirmed by oscillograms. This system paves the way for parameter optimization and integration with existing railcar systems. In the fourth chapter, the key aspects of the control of the electromechanical system of regulating the oscillations of the body of a high-speed electric vehicle with the tilt of the body using electromechanical components are investigated. An algorithm for controlling an electromechanical shock absorber has been developed, which uses MEMS-type gyroscopes to measure the angles of inclination of the body and the trolley. The MPU-9250 MEMS sensor model was selected for use in the body inclination control system of the electric train, which provides high measurement accuracy (nonlinearity ±0.1% for the gyroscope and ±0.3% for the accelerometer) at a data update frequency of 8000 Hz. The STM32F407 microcontroller was justified and chosen as the main microcontroller. When choosing power switches, IGBT transistors of the FF800R17KP4_B2 model were chosen, which ensure reliable operation of the system under conditions of high loads. The electrical schematic diagram of the control driver (semiconductor converter) of the electromechanical system, which includes power supplies, a microcontroller, control of power switches and output connectors for connecting sensors, has been developed. The created topology of the printed circuit board (size 120 mm by 90 mm, two-layer, with the arrangement of components on one side) ensures the convenience of installation and maintenance of the system. Also developed is the electrical principle diagram of the MEMS-type sensor unit, which has compact dimensions (size 25 mm by 25 mm, two-layer). The basic configuration of the inputs/outputs of the microcontroller in the CubeMX software environment is completed. In the conclusions, the main results of the scientific work regarding the solution of the set scientific problems of the research are given. Scientific novelty of the results: 1. For the first time, the use of an electromechanical shock absorber as part of the chassis of a high-speed electric train for body tilting systems is proposed, which allows simultaneously performing the functions of body tilting and vibration energy recovery, replacing traditional pneumatic shock absorbers. Without a shock absorber, the angle of inclination of the body varies from -0.45° to +0.38°, and with its use, this range is reduced to -0.2° to +0.2°, that is, half as much. The electromechanical shock absorber is able to recover 84 W/h during oscillations with an amplitude of 5 mm and a frequency of 2 Hz. 2. For the first time, an algorithm for controlling body inclination and recuperation of cascade-type oscillations, an algorithm for switching modes of operation of the electromechanical system for regulating oscillations of a high-speed electric train with an inclination of the body is proposed for the first time. It is proposed to measure the inclination angle using MEMS-type accelerometer and gyroscope sensors. In addition, a technique for calculating angles has been developed, which ensures high accuracy and stability of measurements in dynamic conditions. 3. For the first time, a conceptual application solution has been developed for the implementation of the driver electronics unit for controlling the electromechanical body vibration control system of a high-speed electric train with body inclination and the tilt angle sensor electronics unit, which includes the integration of modern microcontrollers for signal processing and the development of specialized software that provides adaptive control of the electric drive of the electromechanical control system oscillations of the body of a high-speed electric train with body inclination in real time. The reliability of theoretical dissertation research is confirmed by the correctness of mathematical problem statements, the correspondence of mathematical models to the essence of the described processes, and experimental studies performed with the help of simulation models. The practical significance of the results obtained is as follows: – the development and implementation of an electromechanical shock absorber in the tilting system of the body of a high-speed electric train allows to significantly improve stability and comfort during movement. This ensures a smoother body tilt, reducing the impact of vibrations on passengers by 2 times, which is especially important for high-speed trains; – the integration of the generalized simulation model of the body oscillation regulation system of the high-speed electric train with body inclination into the design and modeling process ensures the accuracy and reliability of the development of new body inclination systems; – a conceptual diagram of the body tilt control system and vibration recovery based on the use of the STM32F407 microcontroller and MPU-9250 MEMS gyroscope was created, which contributes to the implementation of innovative solutions in the transport industry. This opens up opportunities for further research and development in the field of high-speed electric trains. The results of the research were used in the performance of scientific research on the following planned topics: "Increasing the energy efficiency of electric rolling stock of railway transport" (No. DR 0122U201673, 2022), where the acquirer was the executor of part of section 2 "Electromechanical shock absorbers". The results of the dissertation work were implemented in the Research and Production Enterprise LLC SPE "SPETSELEKTROMASH" from 04.05.2024, as well as in the educational process of the Department of Electric Transport and Locomotive Construction of NTU "KhPI" from 04.29.2024.