Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ условий эксплуатации тепловозов 8
1.1 Анализ климатических условий эксплуатации тепловозов 8
1.2 Анализ режимов нагрузки тепловозов в эксплуатации 11
1.3 Исследование влияния параметров распределения режимов работы ДГУ на топливную экономичность тепловозов и постановка задач исследования 21
2 Математическое описание универсальных характеристик дизель-генераторных установок тепловозов 29
2.1 Существующие способы математического описания универсальных характеристик
2.2 Математическое описание универсальных характеристик 38
2.3 Математическое описание универсальных характеристик наиболее распространенных типов дизель-генераторных установок тепловозов 40
2.4 Исследование погрешностей при использовании математических моделей 47
3 Моделирование уровня тепловозной характеристики дизель-генераторных установок тепловозов 54
3.1 Анализ зависимостей технико-экономических характеристик дизель-генераторных установок от условий эксплуатации тепловозов 54
3.2 Сравнение существующих уровней тепловозных характеристик с наиболее экономичным 97
3.3 Анализ возможностей изменения уровня тепловозной характеристики дизель-генераторных установок тепловозов 109
4 Оптимальная настройка уровня тепловозной характеристики дизель-генераторных установок тепловозов в условиях эксплуатации 120
4.1 Выбор критериев оптимизации универсальных характеристик дизель-генераторных установок тепловозов 120
4.2 Выбор оптимального уровня тепловозной характеристики в зависимости от условий эксплуатации дизель-генераторных установок 128
4.3 Настройка оптимального уровня тепловозных характеристик при реостатных испытаниях 137
4.4 Рекомендации по оптимальной настройке тепловозной характеристики 152
5 Экономическая эффективность применения рекомендаций по настройке оптимального уровня тепловозной характеристики 155
Заключение 164
Список использованных источников 166
- Анализ режимов нагрузки тепловозов в эксплуатации
- Математическое описание универсальных характеристик
- Сравнение существующих уровней тепловозных характеристик с наиболее экономичным
- Выбор оптимального уровня тепловозной характеристики в зависимости от условий эксплуатации дизель-генераторных установок
Введение к работе
Актуальность исследования. Железнодорожный транспорт является крупнейшим потребителем энергоресурсов. Затраты на топливно-энергетические ресурсы (ТЭР) составляют в целом по сети железных дорог России примерно 11,2 % от общеотраслевых эксплуатационных расходов, из них на тягу поездов расходуется 72,2 %.
В соответствии с программой «Энергетическая стратегия ОАО «РЖД» на период до 2010 г. и на перспективу до 2020 г.», разработанной во исполнение указаний МПС России № 187у от 26.11.02 и № 88у от 16.06.03, одним из направлений работы принято совершенствование тягово-энергетических характеристик локомотивов.
В условиях реформирования отрасли большое значение приобретают вопросы повышения эксплуатационных технико-экономических показателей современных тепловозов, от уровня настройки которых зависит количество потребляемого топлива. В связи с этим повышение топливной экономичности тепловоза в эксплуатации за счет его настройки является важной задачей.
Цель работы - разработка методики расчета и выбора оптимального уровня тепловозной характеристики дизель-генераторных установок (ДГУ) в зависимости от режимов работы и условий эксплуатации тепловоза.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
проведен анализ условий эксплуатации тепловозов по сети железных дорог Восточного региона России и получено распределение времени работы тепловозов в зависимости от климатических и нагрузочных условий эксплуатации;
разработана методика математического описания универсальных характеристик ДГУ тепловозов;
определены математические зависимости удельного расхода топлива от мощности тепловоза для широкого спектра режимов работы ДГУ 10Д100, 5Д49 и ПД1М;
предложены критерии выбора оптимального уровня тепловозной характеристики, обеспечивающей минимальный расход топлива;
разработана методика выбора оптимального уровня тепловозной характеристики;
получена оптимальная тепловозная характеристика для заданных условий эксплуатации тепловоза ТЭМ2 на Омском отделении Западно-Сибирской железной дороги (ЗСЖД)',
рассчитан технико-экономический эффект от применения рекомендаций по настройке оптимального уровня тепловозной характеристики для заданных условий эксплуатации тепловоза ТЭМ2 на Омском отделении ЗСЖД.
Объект исследования - ДГУ тепловозов 2ТЭ10М, 2ТЭ116 и ТЭМ2.
Основные методы научных исследований. Теоретические исследования по оптимизации тепловозной характеристики ДГУ выполнены на основе методов статистического моделирования, применения регрессионного анализа и метода наименьших квадратов. Обработка результатов математического моделирования выполнена с помощью ПЭВМ и программы MathCAD.
Научная новизна. В диссертационной работе:
получено распределение времени работы тепловозов в зависимости от нагрузки и климатических условий;
разработана математическая модель универсальных характеристик ДГУ тепловозов, позволяющая получить аналитические зависимости вида Ъе =f(Ne, а0, a/, а^, где величины а0, а і, сі2 - параметры, зависящие от номера позиции контроллера машиниста (частоты вращения п). Математическая модель, представленная в виде be =f(Ne, а0, ац, а^, приводит задачу выбора оп-
тимальной тепловозной характеристики к оптимизации по одному параметру;
определены зависимости Ъе =f(Ne, а0, щ, а2) для ДГУ 1 ОД 100, 5Д49 и
ПД1М;
предложена методика расчета оптимального уровня тепловозной характеристики для заданных условий эксплуатации тепловоза;
предложена методика выбора оптимального уровня тепловозной характеристики.
Достоверность научных положений и выводов подтверждается использованием современных математических методов и оценкой адекватности разработанной математической модели. Полученные расчетные значения имеют погрешность в сравнении с опытными универсальными характеристиками не более 1 %.
Практическая ценность работы. Разработанная методика расчета и выбора оптимального уровня тепловозной характеристики позволяет для любых заданных условий эксплуатации тепловозов подобрать такой уровень настройки ДГУ на реостатных испытаниях, который обеспечивает минимальный расход топлива в эксплуатации.
Реализация результатов работы. Основные результаты работы и полученная оптимальная тепловозная характеристика для заданных условий эксплуатации тепловоза ТЭМ2 внедрены в локомотивном депо Омск ЗСЖД.
Апробация работы. Основные результаты исследований по оптимизации настройки ДГУ тепловозов докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук» (Омск, 2004); пятой международной научно-технической конференции «Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике» (Новочеркасск, 2005); научно-технических семинарах кафедры «Локомотивы» ОмГУПСа в 2003 - 2005 гг.
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в пяти научных статьях.
Структура и объем диссертации
Работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников (106 наименований), содержит 54 рисунка и 35 таблиц. Общий объем работы - 177 страниц.
1 Анализ условий эксплуатации тепловозов
Анализ режимов нагрузки тепловозов в эксплуатации
Эффективность эксплуатации тепловозов определятся, главным образом, уровнем их использования и экономичностью работы [17-19].
Наиболее обстоятельно показаны пути решения проблемы повышения интенсивности использования и топливной экономичности тепловозов в работах, выполненных во ВНИИЖТе, а также в учебных организациях железнодорожного транспорта.
Вопросам повышения эффективности работы и топливной экономичности тепловозов посвящены сборники научных трудов: ВНИРІЖТа (выпуски 68, 135, 141, 142, 158, 184, 218,262, 316, 359, 360,382, 427, 470,479, 515, 658); РГОТУПСа (выпуски 39, 49, 83, 94); СГУПСа (выпуски 154, 175, 184, 232, 254, 306, 386); МИИТа (выпуски 127, 151, 290, 454, 611, 627); РГУПСа (выпуски 34, 54, 61, 74, 105, 155, 165); ОмГУПСа (выпуски 79, 84, 87, 100, 111, 123, 132, 145, 157, 167, 175). Этой проблеме посвящен ряд сборников трудов ВНИТИ (выпуски 9,11,17, 26,33, 37,39,41, 49, 51, 52, 54, 56, 57, 58, 59).
В последние годы работы по эффективности использования тепловозов и их топливной экономичности постоянно публикуются в межвузовских тематических сборниках научных трудов.
К первым работам по совершенствованию эксплуатации тепловозов и повышению их производительности относятся исследования М. Н. Беленького, С. С. Ушакова, Н. А. Фуфрянского, А. И. Володина, К. А. Бернгарда, А. Д. Каретникова, Н. Г. Лугинина, А. П. Третьякова, В. В. Мережко и др. [20 -24].
Исследованию путей повышения производительности тепловозов посвящены работы [25 - 28]. В работе [25] установлено, что между участковой скоростью, среднесуточным пробегом, длиной участка обращения тепловозов и суммарным временем их простоя на станциях основного и оборотного депо существует определенная взаимосвязь.
Эффективность использования тепловозов в эксплуатации в значительной степени характеризуется временем полезной работы, которое по данным анализа [25, 26, 27] составляет на сети железных дорог в среднем 10,6 часа в сутки. На основе обобщения опыта эксплуатации в работе [28] предложены практические рекомендации по повышению эксплуатационных показателей их использования на основе взаимосвязанной и четкой работы аппарата движения и работников локомотивной службы.
Исходя из анализа результатов исследования процессов эксплуатации, факторы, характеризующие условия работы тепловозов, можно разделить на две группы. К первой из них относятся длина участков обращения локомотивов, план и профиль пути, допустимые максимальные скорости движения, заданные времена хода и порядок пропуска поездов на участках, вид работы, фактические и межремонтные пробега и метеорологические условия.
Вторая группа показателей характеризует интенсивность использования тепловозов. В нее входят масса поезда и загрузка вагонов; техническая и участковая скорости; среднесуточный пробег; время полезной работы; удельный расход топлива на измеритель эксплуатационной работы. Однако не все названные показатели могут быть использованы для сравнительного анализа и оценки эксплуатации различных серий тепловозов на большом полигоне железных дорог из-за неидентичности условий работы и неэквивалентности нормируемых показателей использования.
Наряду с исследованиями по совершенствованию эксплуатации тепловозов значительное внимание уделялось анализу условий эксплуатации, режимов работы и экономичности тепловозов. Научные исследования в этом направлении выполнялись под руководством А. П. Третьякова, Г. Ф. Болхови-тинова, В. Н. Иванова (МИИТ); А. И. Володина, Г. А. Фофанова (ВНИИЖТ); В. И. Варавы, В. В. Стрекопытова (ПГУПС); О. В. Цургана, Л. И. Колыхана (ВНИТИ); Е. С. Павловича, В. А. Четвергова (ОмГУПС); А. Э. Симеона, А. 3. Хомича (ХИИТ); А. М. Костромина, Р. К. Гизатуллина (БелИИЖТ); М. К. Гавриленко, Л. С. Назарова (Уральское отделение ВНИИЖТа).
Большая работа по оценке влияния условий эксплуатации на режимы работы и экономичность тепловозов проведена сотрудниками ОмГУПСа и других организаций [29, 30, 32, 34, 36, 38, 39].
В названных работах ставились задачи: определить оптимальные значения массы поезда и скорости движения и установить их нормативные величины на конкретных участках; оценить степень использования тепловозов по времени и мощности; изучить влияние эксплуатационных факторов на надежность и экономичность; установить влияние атмосферных условий на рабочие показатели двигателей и энергетической цепи тепловоза; изучить работу двигателей на частичных нагрузках и холостом ходу.
Процесс эксплуатации тепловозов характеризуется тремя режимными состояниями: холостой ход, частичные и номинальная нагрузки. Время работы ДГУ на указанных режимах носит случайный характер и зависит от условий, в которых работает тепловоз.
Результаты исследований [8, 10 - 12, 34 - 37] показали, что время работы ДГУ тепловозов на холостом ходу с учетом стоянок в пути следования колеблется в пределах от 40 до 78 %. В режиме номинальной мощности тепловозы работают от 0,5 до 15 % суммарного времени. Остальное время прихо-дится на частичные нагрузки. Следовательно, тепловозные ДГУ в отличие от других транспортных и стационарных дизель-генераторов работают основное время (85 % и более) на холостом ходу и частичных нагрузках.
Учитывая особенности эксплуатации тепловозов на Восточном полигоне железных дорог, на кафедре «Локомотивы» ОмГУПСа были проведены исследования режимов работы тепловозов ТЭМ2 на Свердловской, Западно-Сибирской и Забайкальской железных дорогах; тепловозов 2ТЭ10М на Южно-Уральской, Казахстанских железных дорогах и железных дорогах Средне азиатской зоны; тепловозов 2ТЭ116 на Свердловской и железных дорогах Среднеазиатской зоны [34, 38, 39].
Математическое описание универсальных характеристик
Решение задачи оптимизации работы тепловозных дизелей базируется на критериях качества, оценивающих в той или иной мере удельный расход топлива [58]. Для расчета критериев необходимо знать значения расхода топлива Ьы, и развиваемую при этом мощность Ne, в зависимости от номера позиции контролера машиниста.
Эти зависимости приводятся для каждого типа дизеля в виде универсальных характеристик. Графики характеристик представлены линиями постоянного уровня для функций be =b(Ne, п), где п - частота вращения коленчатого вала дизеля. Следует иметь в виду, что частота вращения п строго определяется номером позиции і, и, поэтому, является детерминированной величиной. Для удобства расчета критериев качества предлагается, на основе графиков, получить аналитические зависимости be=f(Ne, а0, ах, а2), где величины а0, ах, а2, параметры, зависящие от номера позиции (частота вращения п).
Для оценки точности проведенной аппроксимации необходим анализ погрешностей. С этой целью можно принимать абсолютные и относительные погрешности. Интегральным критерием точности является максимум относительных погрешностей.
В процессе расчета возникают те или иные погрешности по следующим причинам: - неточность при получении исходных данных; - неточность проведенной аппроксимации; - округление в дробной части.
При расчете исходные данные использованы, как экспериментальные данные. Округление в дробной части достаточно учитывалось, чтобы погрешность, возникающая из-за округления, как можно менее влияла на суммарную.
При анализе погрешности нужно учитывать возможные погрешности по трем причинам. Поэтому были исследованы погрешности окончательных значений расчета от реальных.
В таблицах 2.5 - 2.10 приведены расчетные значения удельного расхода топлива разных типов дизеля, ее абсолютные и относительные суммарные погрешности, а также максимальные, минимальные и средние значения относительных погрешностей.
Целесообразно оценить погрешность по максимальным значениям относительных погрешностей или средним значениям.
Из результата проведенного анализа погрешности можно сделать вывод, что расчетные значения по максимальным погрешностям не превышает 0,58 % от полученных опытным путем для дизеля 1 ОД 100, 0,82 % - 5Д49, 0,71 % - ПД1М, а по средним погрешностям 0,38 % для дизеля 10Д100, 0,53 % - 5Д49, 0,46 % - ПД1М.
Режим работы двигателей определяется частотой вращения коленчатого вала (пд), положением регулирующего органа (рейки топливного насоса высокого давления) и тепловым состоянием силовой установки.
В эксплуатации режимы работы локомотивных энергетических установок отличаются большим разнообразием из-за различного рода службы тепловозов, веса поездов, профиля пути, климатических условий и технического состояния локомотива.
К числу основных режимов, имеющих место в эксплуатации, можно отнести следующие: установившийся (стационарный) и неустановившийся (нестационарный) режимы; переходный режим при пуске двигателя, разгоне, наборе и сбросе нагрузки; режим холостого хода; номинальный, частичный нагрузочный и скоростной режимы.
Комбинированный двигатель внутреннего сгорания должен надежно работать в широком диапазоне изменения частоты вращения коленчатого вала (пд) и мощности (Ne) (крутящего момента). Этот диапазон определяется: допустимыми условиями работы двигателя и потребителя и может быть ограничен различными факторами; тепловой и механической напряженностью деталей двигателя; условиями протекания рабочего процесса и совместной работы турбокомпрессора и поршневой части и др. Минимально допустимый скоростной режим определяется условиями устойчивой работы двигателя.
При установившемся режиме крутящий момент на коленчатом валу двигателя равен суммарному моменту сопротивления, а положение регулирующего органа, частота вращения и тепловое состояние двигателя не изменяются во времени.
Сравнение существующих уровней тепловозных характеристик с наиболее экономичным
Известно, что магистральные и маневровые тепловозы предназначены соответственно для вождения грузовых и пассажирских поездов и выполнения маневровой работы. Для поддержания работоспособности локомотивов предусмотрена система их технического обслуживания и ремонта, разрабатываемая для каждой серии локомотивов в зависимости от пробега. При выполнении крупных объемов ремонта для оценки качества выполненных работ по восстановлению технического состояния локомотива предусматривается проведение реостатных испытаний локомотивной энергетической установки. Очевидно, что оценка топливной экономичности тепловозов в условиях эксплуатации и послеремонтных реостатных испытаний должна быть различной.
Особенность послеремонтных (реостатных) испытаний тепловозной ЛЭУ состоит в том, что основные показатели дизеля снимаются при ее работе по тепловозной характеристике на установившихся режимах в зависимости от рукоятки контроллера управления локомотивом.
Однако, при оценке топливной экономичности двигателей по значению qe необходимо учитывать условия, в которых проводятся послеремонтные или сдаточные испытания, а именно: температура Т_ и барометрическое давление Вр окружающей среды, которые оказывают существенное влияние на индикаторные показатели тепловозного дизеля (рисунок 3.11). Из анализа влияния давления (Вр) и температуры (Тр) окружающей среды следует, что при изменении Вр на 20 % индикаторная мощность изменяется на 13 %; в то же время при равном относительном изменении Тр индикаторная мощность изменяется на 44 % (при отсутствии охлаждения наддувочного воздуха после компрессора) и на 24 % при наличии промежуточного охлаждения воздуха.
В условиях эксплуатации локомотивные энергетические установки тепловозов, как известно, работают на переменных режимах в зависимости от положения рукоятки контроллера управления тепловозом. Для оценки эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в ЛЭУ на переменных режимах используется понятие среднеэксплуатационной экономичности.
В официальной статистической отчетности МПС среднеэксплуатацион ная экономичность выполняемой локомотивом работы оценивается расходом топлива на измеритель - 104 ткм. Он определяется как для отдельных участков и полигонов эксплуатации, так и по всему парку тепловозов за одну поездку, за сутки, месяц и год их работы.
Расход топлива на измеритель «а», кг/(104 ткм бр), зависит не только от теплотехнических качеств дизеля и тепловоза, но и от условий, в которых выполняются перевозки, например от скорости движения поезда, его массы, профиля пути и от множества других факторов, которые определяют объем выполненной ЛЭУ работы, а следовательно, и расход топлива на измеритель «а». Оценка теплотехнических качеств, а также технического состояния ЛЭУ и тепловоза в целом по данному показателю экономичности затруднительна, так как она дает общее представление об энергоемкости перевозочного процесса.
Поэтому для оценки экономичности работы локомотивной энергетической установки, эксплуатируемой на переменных режимах, сопровождающихся переходными процессами с некоторым увеличением расхода топлива по сравнению с установившимися режимами, вводится показатель среднеэксплуатаци-онного расхода топлива брутто (qe(cp)), учитывающий расход топлива не только на нагрузочных режимах, но и на холостом ходу.
Для определения показателя среднеэксплуатационного расхода топлива необходимо знать распределение нагрузки (мощности) дизеля по времени Ne = /(т). Эти зависимости могут быть получены путем расчетов для новых тепловозов или по среднестатистическим данным эксплуатации определенного типа локомотива на конкретном участке, полигоне, дороге. Эксплуатационный расход топлива зависит от продолжительности работы ЛЭУ на различных нагрузочных режимах. Несмотря на очевидную целесообразность использования ЛЭУ в диапазоне нагрузок, имеющих наименьший удельный расход топлива, особенности эксплуатации тепловозной тяги вызывают необходимость длительной работы на неэкономичных режимах холостого хода и частичных нагрузок и требуют непроизводительного расхода топлива на различные вспомогательные нужды.
Зависимость удельного расхода qei от мощности Nei при работе ЛЭУ по тепловозной характеристике определяется по паспортной характеристике дизеля, снятой при стендовых испытаниях заводом-изготовителем. Зависимость qej = /(Nei) может быть получена и при послеремонтных (реостатных) испытаниях тепловоза, при этом qei принимается постоянной на соответствующем і-м режиме ЛЭУ. Например, для дизеля 10Д100 ge(H0M) = 226 г/(кВт-ч), qe(cp) = 250 г/(кВт-ч). Однако в реальных условиях эксплуатации ЛЭУ, работа которой отличается переменными режимами и переходными процессами, сопровождающимися повышенным расходом топлива, по сравнению с паспортной характеристикой qei = /(Nei), требует более точного определения среднеэксплуатационного расхода топлива qe(cp). Это может быть достигнуто применением таких современных измерительных средств, при помощи которых возможно измерение непосредственно на тепловозе интегрального расхода топлива за поездку, учитывающего влияние различных эксплуатационных факторов на топливную экономичность ЛЭУ.
Выбор оптимального уровня тепловозной характеристики в зависимости от условий эксплуатации дизель-генераторных установок
Изменяя наиболее вероятную частоту вращения п (получая статистические данные для разных условий эксплуатации), получаем (по выбранному критерию (4.13)) оптимальную экономическую характеристику для заданных условий эксплуатации и подводим к ней уровень тепловозной характеристики.
Изменяя наиболее вероятную частоту вращения п (получая статистические данные для разных условий эксплуатации), получаем (по выбранному критерию (4.13)) оптимальную экономическую характеристику для заданных условий эксплуатации и подводим к ней уровень тепловозной характеристики.
Характеристики (рисунки 4.5, 4.6) можно получить, изменяя магнитный поток или магнитно-движущую силу (м.д.с.) тягового генератора в зависимости от трех величин: отклонения напряжения от заданного значения, тока и частоты вращения. При увеличении тока от нуля магнитный поток (а значит, и напряжение) должен оставаться приблизительно постоянным, затем уменьшаться приблизительно обратно пропорционально току, после чего уменьшаться при сравнительно постоянном токе. На первых тепловозах (ТЭ1, ТЭ2, ТЭМ1, ТЭМ2) применялись автоматические системы регулирования напряжения тягового генератора, построенные на основе принципа регулирования по возмущающему (току тягового генератора или электродвигателей). Это системы разомкнутые, неточные, но они просты и надежны.
На последующих тепловозах (ТЭЗ, ТЭ7) в системах регулирования напряжения тягового генератора по возмущению стали дополнительно применять регуляторы напряжения тягового генератора по частоте вращения вала дизель-генератора. Затем на тепловозах мощностью 2200 кВт и более (ТЭП60, 2ТЭ10Л и др.) стали применять комбинированные автоматические системы регулирования напряжения тягового генератора, содержащие четыре регулятора напряжения: по отклонению текущего значения напряжения от заданного значения (этот регулятор вместе с тяговым генератором образует замкнутую систему), по току тягового генератора (или тяговых электродвигателей), по частоте вращения вала дизель-генератора и по положению органа топливоподачи дизеля. В этих системах регуляторы напряжения применены в основном для улучшения характеристик при разгоне поезда и для обеспечения полного использования свободной мощности дизеля тяговым генератором.
При этом магнитный поток изменяется в соответствии с характеристикой намагничивания Фг (Fr), которая всегда обращена выпуклостью вверх и только при полностью ненасыщенной системе является прямой линией. Поэтому и характеристики Фг (Fr) и Ur (Ir) выпуклые или прямолинейные. Получить характеристики требуемого вида путем комбинации различных м.д.с. в тяговом генераторе невозможно.
Однако нелинейность характеристики намагничивания можно использовать для создания характеристики Ur (1г), близкой к гиперболе в диапазоне изменения тока генератора от І,- до І,,!, если суммировать алгебраически не м.д.с, а магнитные потоки или э.д.с Например, характеристику, близкую по форме к кривой BCD (см. рисунок 4.7), можно получить, если последовательно с тяговым генератором, имеющим постоянное напряжение (в соответствии с линией CD), включить второй тяговый генератор, э.д.с. которого направлена встречно э.д.с. первого тягового генератора и растет при увеличении тока нагрузки, начиная с 1,,, (точка С). При этом можно так рассчитывать насыщение магнитной системы, что разность э.д.с. обоих тяговых генераторов будет изменяться по зависимости, близкой к линии ВС.
