Розвиток наукових основ формування ресурсозберігаючих методів, технологій та технічних засобів експлуатації локомотивів

Abstract

UA: Дисертація присвячена вирішенню науково-прикладної проблеми формування ресурсозберігаючих технологій експлуатації локомотивів шляхом подальшого розвитку науково-обґрунтованих методів, моделей та технічних засобів моніторингу у реальному часі технічного стану тягового рухомого складу. Проаналізовані умови роботи та причини відмов тягових електричних машин локомотивів. Розглянуто світовий досвід впровадження систем моніторингу енергоефективності локомотивів, виконане моделювання впливу перехідних процесів та аварійних режимів роботи на технічний стан тягових електродвигунів локомотивів. Розроблено математичну модель електричних перехідних процесів у трифазному дворівневому автономному інверторі напруги та його навантаженні. Розроблено імітаційну модель векторного керування з просторово векторною широтно-імпульсною модуляцією тяговим асинхронним електроприводом. Визначено склад комплексу завад, які створюють електричний фон для спостереження тестового струму в обмотці тягового електродвигуна. Проведено синтез пристрою оптимального приймання зондуючого сигналу контролю технічного стану асинхронних тягових електродвигунів. Виконано технікоекономічне обґрунтування запропонованих заходів. Отримані результати розрахунків підтвердили доцільність прийнятих рішень.

EN: The dissertation is dedicated to addressing the scientific and applied problem of forming resource-saving technologies for locomotive operation by further developing scientifically grounded methods, models, and technical means for real-time monitoring of the technical condition of traction rolling stock. The relevance of the topic is further reinforced by the rising cost of energy resources, particularly due to the war in Ukraine, the need to mitigate the environmental impact of railway transport, the aging locomotive fleet, the introduction of digital technologies in locomotive management, and the development and integration of renewable energy sources into the country’s energy system. The lack of a comprehensive scientific approach to the formation of resource-saving locomotive operation methods slows down the integration of energy-efficient technologies and complicates the adaptation of railway transport to modern conditions. The working conditions and causes of failures in locomotive traction electric machines have been analyzed. Five primary causes of traction motor failures have been identified and classified by frequency in percentage terms. A two-phase simulation model of the traction asynchronous motor in a stationary coordinate system has been synthesized. This model allows for the determination of rotation frequency, electromagnetic torque, and three-phase current characteristics during direct start-up. A mathematical procedure for estimating the parameters of the test signal has been developed. Through computer modeling of the case involving a sinusoidal test signal, the accuracy characteristics of this procedure were determined across a wide range of interference intensity and varying degrees of temporal overlap between the signal and interference. An optimality criterion for signal reception has been determined, and a corresponding objective function has been formulated and optimized, considering the mutual correlation relationships between the components of the additive mixture of signal and interference. A synthesis of an optimal receiver for the probing signal used in monitoring the technical condition of asynchronous traction electric motors has been performed. An analysis of the railway performance indicators revealed that the waiting time for the formation (and disbanding) and dispatch of a freight train accounted for approximately 33% of the wagon cycle time, primarily due to a shortage of locomotives, while, for various reasons, about 70% of the operational wagon fleet was idle simultaneously. Based on these findings, it was concluded that a priority task in forming the technical policy of the railway sector for the medium term is the implementation of innovative measures that will extend the operational capabilities of the existing locomotive fleet. It has been determined that the total economic effect resulting from the increased freight transportation volumes by fifty locomotives equipped with domestic systems for monitoring their technical condition is expected to reach 3,765.50 million UAH over five years; the overall profitability of this innovative measure is 1.21 (revenues exceed costs by a factor of 1.21); moreover, the development and implementation of domestic systems on fifty locomotives, as opposed to purchasing foreign-made analogs, will yield savings of over 32.6 thousand US dollars.