Содержание к диссертации
Введение
1. Энергетические и массогабаритные показатели рекуперативных силовых установок локомотивов 11
1.1. Развитие систем накопления энергии применительно к требованиям тяги поездов . 11
1.2. Структурный анализ комбинированных источников энергии автономных локомотивов 18
1.3. Принципиальные силовые схемы автономных локомотивов с накопителями, энергии 32
2. Экспериментальные оценки требуемых энергетических параметров теплового двигателя и накопителя энергии 47
2.1. Цель, условия и методика выполнения испытаний 47
2.2. Результаты статистической обработки опытных данных 57
2.3. Статистический анализ режимов электрического торможения по результатам испытаний локомотивов 68
2.4. Определение требуемых параметров комбинированных силовых установок по экспериментальным данным 74
3. Анализ продольного профиля пути железных дорог как случайного возмущения при движении поезда 79
3.1. Существующие методы оценки и классификация продольного профиля пути 79
3.2. Статистические законы распределения элементов продольного профиля пути 93
3.3. Стохастические модели реальных профилей участков 104
3.4. Аналитическое представление продольного профиля пути для использования в тягово-энергетических расчетах 114
4. Определение энергетических показателей режимов движения поезда 117
4.1. Методика определения энергетических показателей тяги и динамического торможения локомотивов 117
4.2. Аппроксимация и гармоническая линеаризация тяговых и тормозных характеристик локомотива 125
4.3. Результаты аналитического расчета параметров движения поезда и режимов работы тепловоза 129
5. Эффективность применения комбинированных силовых установок при автономной тяге 133
5.1. Математические модели рекуперативных силовых установок автономных локомотивов 133
5.2. Энергетическая эффективность силовых установок с накопителями энергии 139
5.3. Технико-экономическая эффективность автономных локомотивов с накопителями энергии 153
Выводы и результаты 157
Литература 160
Приложения 174
1 175
2 176
3 178
4 181
5 182
6 199
- Структурный анализ комбинированных источников энергии автономных локомотивов
- Существующие методы оценки и классификация продольного профиля пути
- Аппроксимация и гармоническая линеаризация тяговых и тормозных характеристик локомотива
- Энергетическая эффективность силовых установок с накопителями энергии
Введение к работе
Актуальность темы. В условиях новых методов хозяйствования и перехода железнодорожного транспорта на рыночные отношения основной целью модернизации существующих и создания новых серий локомотивов является повышение их производительности и энергетической эффективности, способствующее сокращению расхода энергетических ресурсов на тягу поездов, повышению массы и скорости движения поездов и снижению себестоимости перевозок.
Общепризнанным способом экономии электроэнергии при эксплуатации электровозов является рекуперативное торможение. Диссертация посвящена проблеме повышения технико-экономических показателей автономной тяги путем применения бортовых накопителей энергии на локомотивах, что позволяет:
полезно использовать энергию торможения поезда на спусках и для снижения скорости движения и, благодаря этому, существенно сократить расход топлива;
стабилизировать режим работы тепловых двигателей, за счет чего увеличить их моторесурс, а также дополнительно снизить количество потребляемого ими топлива;
сократить число переходных режимов тепловых двигателей и, как следствие, уменьшить их дымление и улучшить экологические качества тепловозов;
увеличить силу тяги на трудных участках пути при практически неизменной мощности теплового двигателя, повышая тем самым в определенной мере массу и скорость движения поездов и позволяя более полно использовать сцепную массу тепловоза.
Учитывая непрерывный рост цен на дизельное топливо, исследование путей применения устройств аккумулирования и рекуперации энергии на автономных локомотивах является актуальной задачей.
Цель работы. Целью диссертационной работы является научно-обоснованный выбор типа, параметров и режимов работы устройств рекуперации и накопления энергии автономных локомотивов, в наибольшей степени удовлетворяющих требованиям тяги поездов.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
- выполнен анализ массогабаритных характеристик силовых установок
локомотивов с накопителями энергии;
- предложены конструктивные решения применения маховиковых
аккумуляторов энергии на тепловозах с электрической и гидравлической
передачами и газотурбовозах;
- получены интегральные функции распределения энергии, выделяемой
в течение тормозного цикла, на основании чего определена требуемая
энергоемкость накопителя;
разработаны обобщенные модели продольных профилей пути с учетом статистических взаимосвязей между последовательно расположенными уклонами элементов, имеющих место на реальных участках железных дорог;
разработана методика расчета тягово-энергетических показателей работы локомотивов в различных условиях эксплуатации;
- выполнена оценка энергетической и технико-экономической
эффективности применения систем рекуперации при автономной тяге.
Методы исследования. Решение поставленных задач выполнено с использованием экспериментальных и теоретических методов исследования. Обобщен опыт отечественных и зарубежных железных дорог в области
создания тягового подвижного состава с накопителями энергии. По результатам тягово-энергетических испытаний с динамометрическими вагонами и анализа реальных профилей пути железных дорог получены данные об энергетической эффективности динамического торможения локомотивов и режимах их работы, на основании чего предложены научно-обоснованные параметры накопителей энергии. При этом широко использованы методы теории вероятностей и математической статистики: корреляционный, регрессионный и спектральный анализы, а также математическое моделирование с использованием ЭВМ.
Для оценки эффективности применения накопителей энергии на автономных локомотивах проведены тягово-знергетігческие расчеты с использованием методов теории случайных функций и приближенных методов исследования динамики нелинейных систем.
Научная новизна диссертации заключается в разработке методов выбора параметров и определения технико-энергетических показателей использования комбинированных силовых установок автономных локомотивов на основании вероятностной оценки профиля пути и режимов работы существующих и перспективных тепловозов и газотурбовозов. Для этого:
по результатам обработки экспериментальных данных получены законы распределения механической работы электрического торможения пассажирских и грузовых поездов;
определены корреляционные связи и установлены регрессионные зависимости между эксплуатационными факторами, влияющими на энергетические показатели движения поезда, и механической работой электрического торможения; полученные зависимости использованы при имитационном моделировании работы накопителя энергии в составе комбинированной силовой установки тепловоза 2М62;
- получены теоретически обоснованные законы распределения
крутизны уклонов и разработаны стохастические модели продольного
профиля железных дорог как случайной функции пути, представленной в
виде неканонических спектральных разложений;
- применен частотный метод исследования нелинейных динамических
систем для определения тягово-энергетических показателей движения поезда
и режимов работы локомотива с использованием гармонической
линеаризации тяговых и тормозных характеристик.
Практическая ценность и реализация работы. В работе обоснованы требуемые для реальных условий эксплуатации параметры комбинированных силовых установок автономных локомотивов, применение которых позволит экономить от 4 до 30 и более процентов топлива. Выполнены конструкторские проработки комбинированных силовых установок с накопителями энергии для автономных локомотивов.
Разработанная методика определения тягово-энергетических показателей движения поезда позволяет решать широкий круг транспортных энергетических задач, а в данной работе она использована для определения эффективности применения накопителей энергии в условиях автономной тяги.
Разработаны технические требования к рекуперативным силовым установкам дизельного и газотурбинного подвижного состава.
Апробация. Материалы настоящей работы были доложены на конференции молодых ученых и специалистов (МИИТ, 1987 г.); научно-технической конференции "Совершенствование форм управления режимом топливно-энергетических ресурсов на железнодорожном транспорте в новых условиях хозяйствования" (1988 г.), проведенной ЦП ВНТО железнодорожного транспорта, ЦТ МПС и МИИТ; на II международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития
железнодорожного транспорта" (1996 г.); на Первом Международном
Симпозиуме "Энергосбережение, качество электроэнергии,
электромагнитная совместимость на железнодорожном транспорте" (МИИТ -РАПС, 1997 г.); обсуждены и одобрены на заседаниях секции перспективных разработок и стандартизации НТС ВНИТИ (1989 г.), НТС отделения тепловозов и локомотивного хозяйства ВНИИЖТ (1990 г.) и кафедры «Электрическая тяга» МИИТ (1999 г.).
Публикации. По проблемам, рассматриваемым в диссертации, автором опубликовано 5 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 143 наименований, в т.ч. 34 иностранных источников, и шести приложений. Она содержит 174 стр. текста, 40 рисунков и 16 таблиц.
Структурный анализ комбинированных источников энергии автономных локомотивов
Структурный анализ комбинированных источников энергии, состоящих из теплового двигателя и накопителя, включает в себя:
1) оценку массогабаритных показателей существующих и перспективных накопителей энергии;
2) анализ массовых и габаритных показателей дизелей и элементов силового оборудования существующих локомотивов;
3) ориентировочный выбор элементов комбинированных источников энергии и их рациональную компоновку на локомотиве.
Важным фактором в структурном анализе комбинированных силовых установок является оценка достигнутых и прогнозируемых массогабаритных показателей накопителей энергии.
Приоритет в выборе того или иного типа накопителя энергии основывается на сравнительном анализе следующих основных характеристик:
а) энергоемкость на единицу массы и объема;
б) мощность цикла на единицу массы и объема;
в) отдача аккумулятора - соотношение между значением полной энергоемкости и той ее частью, которая может быть полезно использована в режиме разряда;
г) соотношение между массой (или объемом) собственно аккумулирующего устройства и той частью накопителя, которая непосредственно не участвует в процессе аккумулирования энергии, но необходима для нормального функционирования накопителя;
д) соотношение между основными параметрами, характеризующими энергетику аккумулятора;
е) надежность и безопасность в эксплуатации.
Первые четыре показателя прямым или косвенным образом характеризуют количественный уровень принимаемой и отдаваемой энергии, а также скорость заряда-разряда при заданных ограничениях на массу и объем. Эти показатели, в конечном счете, определяют возможность и эффективность применения накопителя энергии на локомотиве. Уровень этих показателей зависит от типа и конструкции аккумулятора.
По типу накопители энергии подразделяются на электрохимические, гидрогазовые, емкостные, индуктивные, инерционные и тепловые. В качестве тяговых аккумуляторов наиболее широкое распространение получили накопители различных электрохимических систем, главным образом свинцовые и никель-железные. За рубежом также рассматривается возможность применения для рассматриваемых целей никель-кадмиевых аккумуляторов.
По своим массогабаритным характеристикам наиболее приемлемы для применения в комбинированных источниках энергии автономной тяги перспективные электрохимические аккумуляторы, где реагентами выступают щелочные металлы, гаплоиды, сера.
Работы по созданию тяговых аккумуляторов ведутся как в направлении совершенствования конструкции и технологии изготовления, так и по пути освоения накопителей энергии принципиально нового типа.
Так, например, индуктивные криогенные накопители, показатели которых непрерывно совершенствуются, достаточно перспективны при условии снижения стоимости их изготовления. В настоящее время, как уже отмечалось, ведутся исследования по применению индуктивных сверхпроводящих накопителей в системах тягового электроснабжения железных дорог [30], а также изучается возможность их применения в составе бортовых аккумуляторных установок локомотивов.
Электрохимические, инерционные, емкостные и гидрогазовые аккумуляторы уже нашли, хотя и ограниченное применение на тяговых средствах малой и средней мощности, в частности на автомотрисах, моторвагонных поездах и маневрово-промышленных локомотивах. Известные пути повышения их удельной энергоемкости за счет применения новых конструкционных материалов, химических реагентов и технологий изготовления делают применение этих накопителей экономически оправданным. В настоящее время эти накопители уже начинают использоваться для сглаживания пиковых нагрузок, возникающих в эксплуатации различных энергосистем.
В частности, молекулярные емкостные накопители находят некоторое применение в системах запуска дизелей тепловозов [61], а также рассматриваются в качестве перспективных для использования в системе тягового электроснабжения [137]. Ведутся исследования по применению индуктивных сверхпроводящих накопителей в составе бортовых аккумуляторных установок [56].
Маховики повышенной энергоемкости и созданные на их базе компактные инерционные накопители энергии целесообразно использовать там, где позволяют условия эксплуатации, для стабилизации режима работы дизеля и повышения к.п.д. силовой установки.
Основные характеристики некоторых типов накопителей энергии представлены на рис. 1.1. Параметры указаны с учетом требуемого запаса, гарантирующего безопасную эксплуатацию накопителей и обеспечивающего их надежную работу.
Массогабаритные показатели накопителей энергии тесно связаны с аналогичными показателями остального силового оборудования локомотива, а также с его мощностью. Мощные локомотивы имеют высокую плотность компоновки, и у них практически отсутствует резерв массы в связи с предельно достигнутыми значениями допустимых осевых нагрузок. Кроме того, чем больше мощность локомотива, тем выше реализуемые им скорости движения и может быть больше масса обслуживаемых поездов, для чего требуется большая энергоемкость накопителя. Другими словами, наблюдается явное противоречие, когда при предельной массе локомотива и стесненных его габаритах требуется поместить накопитель большей массы и более крупных размеров.
В связи с этим наибольшую актуальность приобретает оценка возможности и эффективности использования накопителей энергии на локомотивах сравнительно небольшой мощности с явно выраженными переменными эксплуатационными режимами. Это прежде всего маневровые локомотивы и моторные вагоны поездов, используемые в пригородном и региональном сообщениях. Этим объясняется тот факт, что большинство выполненных исследований и практическое внедрение накопителей энергии осуществлено применительно к этому типу тягового подвижного состава [11, 12, 15, 16,21,52,53,109].
Тем не менее, учитывая прогресс в области накопительной техники, можно поставить вопрос о применении накопителей энергии на магистральных локомотивах.
Проведенный автором массогабаритный анализ оборудования тепловозов 2ТЭ116, М62, ТЭП60 и ТГ16 показал, что из-за высокой плотности компоновки и практического отсутствия резерва повышения осевой нагрузки, для размещения накопителя энергии на рассматриваемых тепловозах потребуется:
- частичная перекомпоновка вспомогательного оборудования тепловозов с электрической передачей и
- замена дизелей 11Д45 и 14Д40 дизелями типа ДМ-21, имеющими лучшие массогабаритные показатели;
- замены двух дизелей М756 одним, большей мощности, например 6ДМ-21, у тепловозов ТГ16.
Существующие методы оценки и классификация продольного профиля пути
Важнейшими показателями при эксплуатации железных дорог являются сила тяги локомотива, масса и скорость движения поездов. Основная предпосылка для решения проблемы рационального выбора этих параметров - наиболее полная оценка трудности профиля пути как важнейшего эксплуатационного фактора и учета его в технико-экономических расчетах. Именно профиль пути во многом определяет условия движения поезда и режимы работы локомотивов. Немаловажным фактором при этом является степень использования их мощности.
Для определения энергетических показателей тяги и электрического торможения локомотивов требуется разработать наиболее эффективные методы аналитического представления профиля пути с целью его использования при расчетах этих показателей.
В грузовом движении определяющим при выборе мощности служит режим движения по руководящему подъему. Для современных грузовых локомотивов наивыгоднейшую скорость движения по руководящему подъему обычно выбирают из условия максимального использования силы тяги по сцеплению и нагреву тяговых электрических машин, что обеспечивает наибольшую массу состава. Однако обособленный выбор скорости движения по руководящему подъему не может служить исчерпывающим критерием выбора мощности и характеристик грузового локомотива. Это вытекает из того, что степень использования мощности на всем участке обращения зависит от скорости движения и на остальных элементах профиля этого участка. Это в еще большей степени относится к пассажирским локомотивам, мощность которых во многом определяется требованием выполнения заданных графиком перегонных времен хода.
Использование кинетической энергии поезда и ограничение скоростей его движения существенно влияют на режим, загрузку и эффективность локомотива. От указанных факторов зависит величина механической работы по передвижению поезда, а следовательно, расход энергоресурсов. Здесь большую роль играет не только крутизна и протяженность отдельных элементов профиля, но и их сочетания, а также взаимное расположение.
Задача аналитического представления продольного профиля пути является чрезвычайно сложной и к настоящему времени до конца не решенной. Определение тягово-энергетических показателей локомотивов известными методами, основанными на интегрировании дифференциального уравнения движения поезда на каждом элементе реального профиля, в случае полигонов значительной протяженности требует длительных и трудоемких расчетов. При этом отсутствие количественных характеристик профиля пути сильно осложняет обобщение получаемых результатов. При ограниченном объеме данных, как правило, бывает трудно установить степень влияния продольного профиля на массу и скорость движения поездов, расход энергетических ресурсов, потребляемых на тягу локомотивами различных типов. Поэтому представляет большой практический интерес разработка математических моделей профиля, применение которых позволит установить связь между стохастической последовательностью его элементов и тягово-энергетическими показателями локомотива.
В настоящее время известно несколько методов оценки и способов классификации продольного профиля пути, с помощью которых с той или иной точностью определяют технико-экономические показатели железных дорог.
При выборе мощности локомотива по величине руководящего уклона приходится иметь в виду, что чем длиннее участок, тем при прочих равных условиях меньше крутизна эквивалентного уклона. Поэтому при оценке технико-экономических показателей локомотива, исходя из величины эквивалентного уклона, получается, что чем больше участок обращения, тем все меньше сказывается такой существенный фактор, как скорость движения на руководящем подъеме.
Кроме того, эквивалентный уклон является недостаточно представительной виртуальной характеристикой при определении режимов работы локомотивов и затрат на перевозки по следующим причинам. Расчет эквивалентного уклона производится из условия одинаковой постоянной средней установившейся скорости на действительном профиле пути и эквивалентном уклоне, согласно которой принимается соотношение удельных сопротивлений движению поезда. Между тем скорости на действительном профиле пути и на эквивалентном уклоне при одной и той же массе поезда не равны друг другу, что вносит погрешность в определение эквивалентного уклона и использования кинетической энергии поезда.
Надо иметь в виду, что виртуальные характеристики профиля пути неустойчивы, так как они зависят не только от характера профиля пути, но и от типа локомотива, развивающего ту или иную скорость, от режима его работы, массы состава и т.д. Таким образом, один и тот же профиль при разных типах локомотивов и условиях их работы имеет неодинаковые виртуальные характеристики.
Стремление ликвидировать возникающее несоответствие между определяемыми по эквивалентному уклону технико-экономическими показателями и их фактическими значениями приводило к неоднократным попыткам введения в расчет «обобщенной» характеристики локомотивов, средних профильных условий и т.п. С этой же целью при выборе мощности локомотива использовали градации силы тяги на расчетном подъеме, сочетания различных подъемов на смежных участках профиля и т.п. Однако такие методики искусственного выбора силы тяги локомотивов далеки от реальных условий движения, поскольку распределение расчетных подъемов на конкретных линиях всегда отличается от распределения их на полигоне в целом.
Кроме того, поскольку при выполнении одной и той же работы расходуется различное количество энергии на движение поезда вследствие неодинакового коэффициента полезного действия локомотивов и различной степени использования инерционных сил, то распределение расчетных подъемов еще не есть распределение мощности локомотивов.
Аппроксимация и гармоническая линеаризация тяговых и тормозных характеристик локомотива
В предыдущем разделе приведены общие формулы (4.6) для вычисления коэффициентов гармонической линеаризации нелинейных характеристик локомотива. Чтобы придать этим выражениям конкретный вид, необходимо представить удельную ускоряющую силу, действующую на поезд, в виде явной зависимости от отклонения скорости и.
Для этого автором использованы конкретные зависимости основного удельного сопротивления движению от скорости, приведенные в Правилах тяговых расчетов [98], и выполнена аппроксимация тяговых и тормозных характеристик локомотивов полиномами. После этого полученные зависимости разложены в ряд Тейлора относительно максимальной скорости полной тяги vm.
Тормозная характеристика локомотива, предельная по мощности тяговых электрических или гидравлических машин с учетом их перегрузочной способности, также в пределах от скорости порога до конструкционной, аппроксимирована аналогичным выражением
На рис. 4.2. приведена зависимость удельной ускоряющей силы от скорости для грузового поезда массой 3700 т, ведомого тепловозом серии 2М62. Масса, приходящаяся на ось вагона, принята равной 17,6 т, максимально допустимая скорость 80 км/ч, максимальная скорость, до достижения которой используется режим полной тяги, 75 км/ч. При достижении этой скорости используется линейная часть характеристики. Максимальная крутизна спуска составляет -9%о . Если требуемая тормозная сила превышает предельно возможную тормозную силу локомотива, показанную тонкой линией, то дополнительно включаются пневматические тормоза.
После выделения линейной составляющей из приведенной на рис.4.2. нелинейности оставшаяся часть характеристики представляет сумму составляющих, графики которых приведены на рис.4.3
После вычисления коэффициентов гармонической линеаризации (4.6) отдельно для каждого слагаемого, входящего в выражение (4.11), и их суммирования коэффициенты гармонической линеаризации для нелинейной функции, j[uDv) определены. В силу громоздкости окончательных выражений для коэффициентов гармонической линеаризации каждой из входящих в сумму (4.11) нелинейностей эти выражения приведены отдельно в Приложении 5 в форме, удобной для использования в ЭВМ.
Энергетическая эффективность силовых установок с накопителями энергии
Результаты моделирования тепловозов 2М62 и ЗМ62 с накопителями энергии по данным аналитического определения скорости движения поезда и их сравнение с результатами расчетов, выполненных на ряде обобщенных и типовых профилей для тепловозов 2ТЭ116, приведены в табл. 5.2. В этой же таблице помещены результаты моделирования комбинированных силовых установок тепловозов ТГ16 и газотурбовозов.
В зависимости от характера профиля пути, на большинстве участков две секции тепловоза М62 с дизелем 12ДМ-21, тяговыми двигателями типа ЭД900 и инерционным накопителем энергоемкостью 150 кВтч на секцию, включенным в состав силовой установки по схеме II, обеспечивают вождение поездов той же массы и с той же скоростью, что и более мощные тепловозы 2ТЭ116, не оборудованные накопителем энергии. На участках с наиболее трудным профилем пути для обеспечения равных с тепловозами 2ТЭ116 показателей требуется третья секция тепловоза М62.
Руководящие уклоны профилей участков, на которых выполнено моделирование, находились в пределах от 2 до 17 %о, расчеты выполнены для значений руководящих уклонов /р, указанных в таблице. Здесь же приведены такие параметры профилей, как доля К элементов с уклонами, по абсолютной величине не превышающими 3 %о, и значения частот спектра, соответствующие выбранным узлам Чебышева, а также вероятностные характеристики масс составов JTIQ грузовых и пассажирских поездов.
Моделирование по аналитически рассчитанным скоростям движения поезда проведено для грузового движения при максимально допустимой скорости 80 км/ч, для пассажирских тепловозов - 100 км/ч, газотурбовозов - 160 км/ч и для тепловозов, работающих на о. Сахалин, 60 км/ч. При аналитическом моделировании ограничения скорости ниже максимально допустимой и остановки не учитывались.
Определены уровень ходовых скоростей vx, значения требуемой энергоемкости Ен накопителя энергии для одной секции тепловоза, степень использования номинальной эффективной мощности дизеля Ne с учетом режимов холостого хода, удельный расход топлива b на измеритель перевозочной работы, а также величина экономии топлива 8ъ, достигаемая за счет применения накопителей энергии.
Из сравнения полученных данных по расходу топлива видно, что применение комбинированных силовых установок с ДГМ (схема II) обеспечивает меньший расход топлива, чем при накопителе, непосредственно соединенным с тяговым генератором тепловоза (схема I). Для силовой установки схемы II экономия топлива составляет более 20%, в среднем от 30 до 40%. Однако, здесь следует учитывать, что часть экономии топлива получается за счет использования дизеля 12ДМ-21, имеющего более низкий по сравнению с дизелем 1-5Д49 расход топлива.
На профиле типа IB с руководящим уклоном 5 %о результаты моделирования сравнивались с энергетическими показателями работы тепловозов 2ТЭ116, а также модернизированных 2М62 с дизелем типа Д49. Расход топлива тепловозом 2М62 без накопителя энергии ниже, чем тепловозом 2ТЭ116. Кроме того, при тепловозах 2М62 ниже ходовая скорость грузовых поездов, что обуславливает меньшие тормозные потери. Эти два фактора влияют таким образом, что экономия топлива при использовании тепловоза 2М62 с накопителем по сравнению с тепловозом 2ТЭ116 оказывается большей, чем по сравнению с тепловозом 2М62 без накопителя.
Более высокое значение экономии топлива на тепловозах ТГ16 по сравнению с тепловозами 2М62 объясняется, прежде всего, тем, что на каждой секции вместо двух дизелей устанавливается один, а абсолютный расход топлива в условиях эксплуатации тепловозов на Сахалинской дороге существенно выше, чем для тепловозов, работающих на материковых дорогах России.
Результаты режимов моделирования силовых установок тепловозов с инерционными накопителями энергии по данным некоторых опытных поездок представлены в табл. 5.3 и на рис. 5.5 -5.7. В качестве иллюстрации алгоритма моделирования режимов работы тепловозов 2М62 с накопителями энергии приведем краткое описание одной из поездок, в которых благодаря эффективному применению накопителей энергии получена наибольшая экономия топлива по сравнению с серийными тепловозами.
Поездка выполнена на участке Фаянсовая - Брянск с составом массой 4540 т, состоящим из 212 осей с роликовыми подшипниками. Средняя нагрузка на ось - 214 кН.
Перед отправлением поезда контроллер постепенно переводится с нулевой на 15-ю позицию до достижения частоты вращения вала дизеля, равной 750 об/мин, обеспечивая тем самым раскрутку маховиков, а затем устанавливается на 3-ю позицию. На 166-й минуте контроллер переводится на нулевую позицию, и дальнейшее движение в режиме тяги осуществляется только за счет энергии маховиков, заряжающихся тормозной энергией. Средняя позиция в движении для тепловоза 2М62-0995 без накопителя составила 5,7. В случае использования накопителя с учетом рекуперативных режимов она снижается до 4,5. Расход топлива без использования накопителя составил 825 кг, а с его использованием - 594 кг. Разница составила 231 кг. Расход топлива на предварительный разгон маховиков составляет 85 кг. В зависимости от степени участия дизеля в предварительном заряде накопителя, экономия топлива получается в пределах 18-28 %.
Моделирование режимов работы накопителей энергии в составе комбинированных силовых установок тепловозов по данным натурных испытаний позволило учесть такие важные эксплуатационные факторы, как наличие ограничений скорости движения поезда и условия пропуска его по участку, включая остановки на раздельных пунктах. Если результаты аналитического моделирования позволяют оценить потенциальные возможности автономных локомотивов с рекуперативными силовыми установками, то моделирование режимов работы тепловозов, полученных экспериментальным путем, дает представление о фактической энергетической эффективности таких установок в реальных условиях эксплуатации тепловозов.
Результаты аналитического моделирования работы силовых установок с накопителями энергии показали, что при использовании схемы I энергоемкость накопителя в режимах тяги и рекуперативного торможения, обеспечивающего поддержание заданной скорости движения на спусках, используется не более, чем на 15% своего номинального значения. В результате получаемая экономия топлива невелика. Применение схемы II позволяет значительно полнее использовать энергоемкость накопителя, вплоть до ее номинального значения. Режимы торможения со снижением скорости движения поезда учтены при экспериментальном моделировании.
По результатам моделирования, приведенным в табл. 5.2, построены распределения требуемых значений энергоемкости накопителя энергии и мощности дизеля тепловоза М62, которые показаны на рис. 5.8 - 5.9. Получено также совместное распределение энергоемкости накопителя и мощности дизеля (рис. 5.10), из которого видна связь между этими параметрами комбинированных силовых установок автономных локомотивов.
Аналитическое и экспериментальное имитационное моделирование режимов работы тепловозов с рекуперативными силовыми установками показало, что накопители энергоемкостью 150 кВтч на секцию тепловозов М62 и ТГ16 позволяют существенно повысить энергетические показатели тепловозной тяги.
Применение в наиболее экономичных режимах дизелей 12ДМ-21 мощностью 1765 кВт на тепловозах 2М62 по сравнению с дизелями 5Д49 мощностью 2210 кВт на тепловозах 2ТЭ116 позволяет обеспечить дополнительное снижение расхода топлива (рис. 5.9).
