Бесконтактное наземное движение на основе широкого применения автоматики высокого уровня, магнитного подвеса и ЛТЭП уже стало основой создаваемого левитирующего наземного транспорта [15, 20, 22, 92, 93]. Для таких транспортных систем, с одной стороны, характерны отсутствие загрязнений окружающей среды и предельное ограничение шума, незначительная потребность в полезных земельных площадях; защита ландшафта и гармоническая пригонка к нему и к инфраструктуре установок. С другой стороны, они должны обеспечить: экономичность; краткосрочность поездок, позволяющих однодневные поездки на расстояния до 1000 км с нахождением в пути не более 4 ч; краткие сроки ожидания; свободу выбора времени отъезда, обеспеченную частыми рейсами и коротким сроком обслуживания; максимальную безопасность; оптимальный комфорт езды по удобству и обслуживанию при соразмерной плате за проезд.
Выбор и определение основных направлений и дальности для такой системы зависит от многих факторов. Он должен производиться с учетом возможной перспективы развития народного хозяйства, а также ряда технико-экономических условий. На основе технико-экономических исследований НТМП были установлены основные сферы возможного его применения, диапазон максимальных скоростей движения и ожидаемая вместимость экипажей. Для высокоскоростного наземного транспорта (ВСНТ) дальность транспортирования должна быть в пределах 100<5<:2000 км, диапазон максимальной скорости 300<н<600 км/ч, а вместимость — от 75 до 120 пассажиров. Для транспорта «город — аэропорт» эти параметры соответственно ограничены: 5<100 км, 250<н<350 км/ч и 704-120пасс. Пригородный транспорт целесообразен при 5 < 100 км, и = = (1804-200) км/ч и вместимости экипажа 70-100 пасс., а городской при 5<50 км/ч, 80<н<120 км/ч и вместимости 40-80 пассажиров.
Оптимальную скорость движения целесообразно выбирать с учетом выигранного времени при движении с разной скоростью на различных по расстоянию фиксированных участках пути, время движения для которых может быть определено по формулам:
при нс<;555 км/ч
1 = 0,08+ 0,33+ (5-0,33^ +8,5); (1.9)
при нс/>555 км/ч
1 = 0,08 + 0,67+(5-168), (1.10)
где нс — средняя скорость движения экипажа; 5 — фиксированная длина участков маршрута.
Вычисления по (1.9) и (1.10) показывают, что увеличение скорости свыше 480 км/ч незначительно уменьшает время поездки /, что дает основание установить оптимальный диапазон скоростей в пределах 380-480 км/ч.
Для БЭПС каждого назначения существует своя оптимальная скорость движения, которая аналитически может быть най дена, если приравнять производную общих приведенных затрат С(н), зависящих от скорости, к нулю:
В качестве ограничивающих условий могут быть взяты, например, стоимость одного пассажирского места в экипаже еа (руб/ч) и полезная нагрузка ап (пасс./т). Детальный выбор средней скорости движения БЭПС и рациональной сферы его применения должен производиться комплексно с учетом разносторонних экономических, социологических, градостроительных и технических исследований, условий и требований.
На основе отечественных и зарубежных исследований НТМП рекомендуется БЭПС, в зависимости от сфер его применения, разрабатывать на базе подсистем магнитного подвеса: с комбинированной- для транспорта: городского и пригородного с максимальной скоростью не более 160 км/ч; ЭМП- городского и пригородного со скоростями до 250 км/ч; город — аэропорт — до 300 км/ч; междугородного пассажирского сообщения — до 400 км/ч; ЭДП — междугородного сообщения со скоростями 400-500 км/ч. Перспективные возможности имеются и по использованию бесконтактного движения на основе магнитного подвеса и ЛТЭП для внутризаводского транспорта: цехового, складского, конвейерного и др. Сведения о созданных системах НТМП приведены в табл. 1.1 и 1.2. Общая вместимость поезда
1.1. Созданные объекты бесконтактного наземного транспорта с магнитной левитацией
|
Экипаж |
Системы |
|||||||
|
Тип |
Длина м |
Масса, т |
МПиН |
ЛТЭП |
ч, к |
* я- Е 2 Э * |
о о. л ^ с |
Я м р *4 |
|
Комет |
8,5 |
8,8 |
ЭМП |
Ракетная тяга |
500 |
401,3 |
— |
1,3 |
|
Трансрапид-04 |
15,0 |
18,5 |
ЭМП |
ЛСТЭД |
35 |
223 |
— |
2,4 |
|
Трансрапид-05 |
26,2 |
36,0 |
Совмещенная си- |
105 |
75 |
68 |
0,91 |
|
|
Трансрапид-06 |
54,0 |
130,0 |
стема с длинным |
85 |
400 |
200 |
31,5 |
|
|
Трансрапид-ЕМС |
64,0 |
160,0 |
статором ЛСТЭД |
— |
499 |
240 |
— |
|
|
ЕЕТ-02 |
12,5 |
14,0 |
ЭДП |
спов УЛЕТЭД |
28 |
180 |
— |
1,0 |
|
тзт-ог |
6,84 |
1,8 |
ЭМП |
ОЛАТЗД |
3,8 |
100 |
8 |
1,0 |
|
тзт-оз |
23,2 |
— |
ЭМП |
ОЛАТЗД |
— |
300 |
80 |
1,6 |
|
НБЗТ-коммердеский |
21,8 |
27 |
ЭМП |
ОЛАТЭД |
— |
300 |
120 |
6,0 |
|
М1.-500 |
13,5 |
10 |
ЭДП |
ЛСТЭД |
45 |
500 |
— |
7,0 |
|
МЬи-ОО! |
13,0 |
10 |
ЭДП |
СПОВ |
— |
500 |
— |
7,0 |
Примечание. Экипажи Комет, Трансрапид и ЕЕТ созданы в Германии; НЭЭТ, МЦ, МШ — в Японии.
|
Системы |
|||||
|
Транспортная система |
Габаритные размеры экипажа, м |
МПнН. |
лтэд |
ин, км/ч |
Ыр, пасс. |
|
Трансурбан |
6X2X3 |
ЭМП |
ОЛАТЭД |
12 |
|
|
М-Бан |
12,5X2,3X2,3 |
ПМ, |
ЛСТЭДФ |
50 |
72 |
|
Астроглид |
— |
(колеса) |
ЛАТЭД |
58 |
25 |
|
Ромаг |
-• |
ЛАТЭД |
56 |
— |
|
|
Бирмингем |
6X2,25X3,3 |
ЭМП |
ЛАТЭД |
40 |
29 |
|
Торонто (проект) |
13X2,4 |
эдп |
ЛСТЭД* |
120 |
50 |
* С постоянным магнитом.
зависит: от сопротивления движению, приходящегося на одно пассажирское место; затрат времени пассажиров; затрат на содержание поездных бригад; коэффициента заполнения подвижного состава; длины приемоотправочных путей и станций; мощности системы электроснабжения. При оптимизации вместимости пока что существует тенденция к ее увеличению как за счет каждого экипажа, так и числа экипажей в составе [32, 92]. На рис. 1.16 видно, что в общем случае область эффективного использования БЭПС должна ограничиваться кривыми изменения постоянных транспортных расходов 1 и энергозатрат 2, а также скорости 3, ниже которой применение НТМТ нецелесообразно.
В целом при решении задачи обеспечения заданной поездной работы (пассажирской или грузовой) каждая из рассмотренных перспективных систем бесконтактного наземного транспорта различного целевого назначения может быть реализована на базе различных технических решений и в первую очередь электротехнических систем, поскольку масса и стоимость корпуса экипажа для всех сфер применения могут быть уравнены. Следует исходить из стремления обеспечить такие требования, как: низкие себестоимость и материалоемкость; небольшие эксплуатационные расходы и масса части привода, устанавливаемой на подвижном составе; высокие технологичность изготовления и монтажа, тягово-энергетические показатели и надежность систем; передача энергии на экипаж с минимальными энергетическими и механическими потерями; наименьшее воздействие на окружающую среду.
Рис. 1.16. Характерная область эффективного применения НТМП
Накопленный опыт исследований по проблеме НТМП позволяет достаточно четко определять требования к критериям оптимизации собственно элементов электротехнических подсистем, в частности тяги и магнитного подвеса. Однако с позиций системного подхода к их созданию и оценке вариантов систем для БЭГТС НТМП в целом этого недостаточно [68, 18, 22].
В этом случае сравнение альтернативных вариантов возможно только по внешним параметрам системы, к которым относятся в первую очередь приведенные затраты 3, руб/(пасс-км), удельные энергозатраты на транспортирование WyA (кВт-ч)1 (пасс-км) и полезная нагрузка экипажа ап, nacc./т при фиксированных значениях пассажиропотока Пп, пасс./год, расстояние транспортирования S, км, и заданная вероятность безотказной работы р при установленном сроке службы ТС11,У.
Принятые внешние параметры обусловливают представление внутренних параметров в виде совокупности параметров: удельных массовых т4 (кг/кВт; кг/кН), мощностных qt (кВ-•А/кН), энергетических тц, cos cpj, вероятностей безотказной работы pi и стоимостных показателей подвижной и неподвижной (соответственно Ci 1 и С12, руб/кВт, руб/(кВ-А), руб/кН) частей электротехнических систем (при определении массовых и стоимостных показателей в качестве базисной принимается полезная мощность ЛТЭД). В свою очередь, каждый из указанных внутренних параметров может быть представлен в виде совокупности независимых переменных конструктивных и электромагнитных параметров, например в виде полинома или другой аппроксимирующей зависимости с учетом принятой системы охлаждения. На основе обозначений внешних параметров систем наземного транспорта (3 — Dь Wya-D2 а„ = П3; p=DA Tc„.yl=D5-, S = D6; nn — Df, S = D8), внутренних (массовых trii-Xi, мощностных qi-yu энергетических г),¦ = ?/,¦; cos фi = f:, надежности /?,-) и стоимостных (Си и С{2) формальное математическое описание системы в целом может быть представлено в виде [131:
Анализ структурной схемы электротехнического оборудования БЭПС, например, по рис. 1.2 показывает целесообразность разбиения его на подсистемы с укрупненным выделением элементов (табл. 1.3).
1.3. Основные показатели элементов и подсистем электротехнического оборудования БЭПС
|
Показатели |
||||||
|
Подсисте мы |
Элементы |
массовые |
МОЩНОСТ- ные |
энергетиче ские |
СТОИМОСТЬ |
надеж ность |
|
лтэп |
лтэд |
mi |
Т]ь COS ф] |
Сц, С12 |
Р1 |
|
|
СУ |
т2 |
<72 |
Т]2 |
С21, С22 |
Р* |
|
|
эм |
та |
<7з |
COS ф3 |
Си, С32 |
Рз |
|
|
СУ |
?4 |
— |
Сц |
Р4 |
||
|
ЭМИ |
ЭМ |
ть |
<75 |
COS ф5 |
Сц, С52 |
Ръ |
|
СУ |
тб |
<7б |
— |
Сб, |
Рь |
|
|
Элек троснаб жение |
Электрооборудование на экипаже |
т7 |
Си |
Рт |
||
|
То же во внешней сети |
Шц |
<78 |
Па |
Сз1 |
Рз |
|
Определяющими внешними параметрами системы наземного транспорта при наложенных ограничениях на ?>4-?>8 являются -Л3, каждый из которых служит в общем случае функцией внутренних (в данном случае п=8) параметров:
Л’2,…, Хп, Уу, У2,—, Уп, Сц, Су2,
021, С22,…, Спу, Сп2, Ру, ^2,..,, РпУ,
02{Ху, х2,…, х„, уь у2,…, у„,…, Ру, р2,…, рпу,
03(хи Х2,…, Хп, Уу, У2,..-, уп,…, Ру, р2,…, рп).
В конечном счете предпочтение отдается тому варианту, который обеспечивает максимум эффективности подсистемы уэ, являющейся целой функцией:
тэА=уэ(А, ?>2.-, А»)- О-12)
В качестве уэ может быть, например, выбрана линейная комбинация параметров Л1,…,Лт или их обратных величин с весовыми коэффициентами, установленными путем экспертных оценок. Представляется очевидным преимущество варианта, обеспечивающего минимум ?>1 при максимальном Л3.
При совмещении функций, например, тяги и подвеса число внутренних параметров уменьшается, что благоприятно отражается на показателях системы в целом. Однако несмотря на воз можность значительного уменьшения рабочего зазора, необходимо учесть ухудшение показателей ЛТЭД как следствие дробления установленной мощности и недоиспользования последнего по тяговым возможностям (при отношении нормального усилия к тяговому /7 Н/-Рт> 15-^25).
При известных ОСНОВНЫХ показателях подсистем (пи, Г),-, соэф,-, рг, Сц, С^г) электротехнического оборудования экипажа наземного транспорта конкретного целевого назначения сопоставление конкурентоспособных технических решений может быть реализовано на базе следующего алгоритма.
На первом этапе, исходя из заданного пассажиропотока и ожидаемой расчетной вместимости экипажа, определяется ориентировочная расчетная масса экипажа Мэ.р, его конфигурация, геометрические размеры и ожидаемые сопротивления движению 2К, которые при известных заданных значениях номинальной скорости Vн, ускорения на участках разгона ар, расстояния на участках разгона Ьр и расстояния транспортирования, в свою очередь, являются исходными для расчета основных внешних параметров системы.
Так, в частности, ожидаемая полезная нагрузка экипажа где ?1 — расчетная масса пассажира с багажом (?1 = 0,1 т1 пасс.); Рк=Мк/Мэ.р — отношение массы корпуса и механической части Мк к расчетной массе экипажа Мв.р (рк~0,Зч-0,4); рэ 0=2Л4э.0/Мэ.р — отношение суммарной массы системы электротехнического оборудования к расчетной массе экипажа.
Основной расчетный параметр рэ.0 в выражении (1.13) определяется суммарной массой систем электротехнического оборудования, которую в соответствии с предложенным вариантом записи относительных показателей (см. табл. 1.1) удобно представить в виде суммы произведений соответствующих удельных массовых на выходные мощностные или силовые показатели:
где Яи1=2/г СРрт>н— номинальная полезная мощность двигателя, кВт; — суммарное сопротивление движению при из вестной скорости а,,, кН; — установленная мощность управления (преобразователя) с учетом перегрузки ЛТЭД при разгоне:
F3=gMэ.pKз — усилие подвеса, кН; ?-ускорение свободного падения, м/с2; Кз- коэффициент, учитывающий увеличение подъемного усилия электромагнита подвеса для компенсации Сторонних возмущающих факторов в длительном режиме (Кз «1,35); 54 -суммарная мощность, потребляемая системой управления электромагнита, кВ-А; р5=ёМэ.рКъ — усилие поперечной стабилизации, кН; Кв — коэффициент для электромагнита направления, аналогичный Кз’, 5е- суммарная мощность, потребляемая системой управления ЭМН, кВ-А; 25 — суммарная мощность, передаваемая через подвижный контакт на экипаж, кВ-А или кВт (в зависимости от рода тока).
Для известного значения {5э.о находят полезную нагрузку экипажа ап и, следовательно, его расчетную вместимость Л1Р.
Удельные энергозатраты систем электротехнического оборудования при известной зависимости сопротивления движению от скорости ЁКс„(и) и заданном расчетном ускорении могут быть определены [69] с учетом где № — суммарная энергия, потребляемая системами электротехнического оборудования.
С учетом участков разгона, времени движения между остановками ідВ и энергетических показателей элементов системы суммарная потребляемая энергия, кВт-ч,
№з-Г7 определяются произведением соответствующих удельных мощностных параметров на время движения между остановками ^ДВ.
Удельные энергозатраты Гуд в значительной мере определяют эксплуатационные затраты проектируемой системы, и если принять в первом приближении равными для всех сравниваемых вариантов затраты на ремонт и обслуживание, то предпочтительнее будет вариант, имеющий минимальное значение Гуд. При нахождении энергетических затрат на перемещение БЭПС достаточно свести задачу к поиску механической работы
(1.15)
(1.16)
где
по преодолению различных сил сопротивления движению экипажа или поезда Шс.д, определяемой произведением последней на пройденный путь при переменной скорости V, т. е.
Определение зависимостей №ул от заданного ускорения при фиксированных номинальной скорости V и расстоянии между остановками состава целесообразно выполнять для различных вариаций указанных параметров (рис. 1.17). Анализ рис. 1.17 показывает, что удельные энергозатраты в значительной степени определяются принятыми ускорением, номинальной скоростью, а также расстоянием между остановками.
В связи с тем, что с ростом ускорения одновременно снижается путевое время ^дв, становится очевидной необходимость в рекомендации рациональных ускорений на основе соответствующих расчетов технико-экономической эффективности системы в целом, что при отсутствии прецедентов представляется сложной задачей. Частное решение в данном случае соответствует условию равенства приращения стоимости энергии ДСо,, уменьшению стоимости путевого времени ДС( при изменении заданного ускорения:
На рис. 1.18 видно, что условию (1.17), выполненному при стоимости 1 кВт-ч энергии и 1 ч свободного времени, равных соответственно 0,01562 и 1,0 руб., при различных и„ соответст-
Рис. 1.18. Зависимости значений АС* и ДС( от ускорения:
1-5 — при 0Н. равной соответственно 80, 100, 111, 125 н 139 м/с; сплошные кривые — ДСаДв); штриховые — АС,(д)
Ркс. 1.19. Зависимость оптимального ускорения Оопт от номинальной скорости движения Он
вуют конкретные ускорения й1-а5. Для конкретных скоростей движения и„ оптимальное ускорение а0т определяется зависимостью, приведенной на рис. 1.19, из которой видно, что с увеличением скорости оптимальное ускорение аОПт уменьшается.
По известным стоимостным показателям (С;) и вероятностям безотказной работы (р<) элементов аналогичным образом путем перемножения соответствующих относительных показателей на входные параметры с использованием найденных выше п и Шуя могут быть найдены приведенные затраты на системы электротехнического оборудования 3, руб/(пасс.-км) и вероятность их безотказной работы р^р3ад по известным выражениям [32].
Предложенный алгоритм позволяет достаточно просто определить в общем виде искомые внешние параметры проектируемой системы на базе известных внутренних параметров систем электротехнического оборудования и тем самым упрощает процедуру сравнения различных технических решений.
На следующем этапе могут определиться вид математического представления внутренних параметров (гп;, gi, С* и т. д.) и их подстановка в выражения (1.13) — (1.16).
Определив в окончательном виде целевую функцию (1.12) в зависимости от вида математической модели внутренних н внешних параметров, можно выбрать метод оптимизации. Задача может быть решена при создании математических моделей всех подсистем, включающих несколько внешних параметров системы (например, скорость), но в основном собственные внутренние, по возможности учитывая максимальное число параметров и особенностей каждого элемента. Это позволит в дальнейшем составить обобщенную математическую модель практически для всех возможных технических решений.
Глава 2
⇐Классификация и анализ функциональных и конструктивных схем и особенностей ЛТЭД | Транспорт с магнитным подвесом | Электромагнитные и кинематические схемы систем ЭМП⇒