Содержание к диссертации
Введение
1. Сфера применения маневровых и промышленных тепловозов и анализ их основных параметров 6
1.1 Анализ технических характеристик и удельных параметров отечественных маневрово-промышленных тепловозов 6
1.2 Анализ технических характеристик и удельных параметров зарубежных маневровых и промышленных тепловозов 16
1.3 Сравнение параметров зарубежных и отечественных маневровых и промышленных тепловозов 29
1.4 Анализ методов определения параметров тепловозов маневрового и промышленного рода службы 36
2. Обоснование сферы применения электрической и гидравлической передач для маневровых и промышленных тепловозов 44
2.1 Математическое моделирование энергетической цепи тепловозов с гидропередачей и оценка их тягово-экономических показателей 44
2.1.1. Определение коэффициента отдачи мощности гидротрансформаторов и гидромуфт 60
2.2 Математическое моделирование энергетической цепи маневровых и промышленных тепловозов с электрической передачей постоянного з тока и передачей переменно-постоянного тока и оценка их тягово-экономических показателей 71
2.3 Сравнение основных показателей дизелей и вспомогательного оборудования маневровых и промышленных тепловозов 85
3. Математическая модель движения маневровых и промышленных тепловозов 96
4. Расчет затрат, связанных выполнением маневровых операций 107
5. Стоимость жизненного цикла маневровых и промышленных тепловозов 117
Заключение 129
Список использованных источников
- Анализ технических характеристик и удельных параметров зарубежных маневровых и промышленных тепловозов
- Сравнение параметров зарубежных и отечественных маневровых и промышленных тепловозов
- Определение коэффициента отдачи мощности гидротрансформаторов и гидромуфт
- Математическая модель движения маневровых и промышленных тепловозов
Введение к работе
Актуальность работы. Государственное переустройство и переход к рыночным отношениям в России затронули работу всех видов транспорта, в том числе и железнодорожного. Положение локомотивостроения и работа железнодорожного транспорта Российской Федерации за последние годы претерпели значительные изменения. После преобразований многие производители локомотивной техники остались за пределами России. По данным МПС за 2003г., основные фонды изношены на 56%; износ тепловозов и пассажирских электровозов составляет 80%; износ основного ремонтного оборудования локомотивных депо - 60%, уровень технологической оснащенности не превышает в среднем 40% от регламентных норм. Аналогичное положение сложилось и в локомотивном хозяйстве промышленного транспорта. Произошло моральное и физическое старение локомотивного парка, станционного оборудования и т.д. Общепризнано, что замена большей части эксплуатируемого тепловозного парка на локомотивы, отвечающие современным требованиям, не может быть осуществлена за счет их приобретения в высокоразвитых в техническом и экономическом отношении странах. Использование тепловозов, требует технико-экономического сравнения с тепловозами такой же мощности с гидравлической и электрической передачей постоянного, переменно-постоянного тока.
В настоящее время промышленные тепловозы с электрической и гидравлической передачей серийно выпускаются и ремонтируются на отечественных тепловозостроительных заводах в Брянске, Людиново, Муроме, Камбарке, Калуге и чешском заводе в Праге. В основном это тепловозы серий ТЭМ2, ТЭМ7, ТГМ6, ТГМ4, ТГМ23, ТГМ40,ТГМ61иЧМЭЗ.
Изменившиеся объемы работ, требуют анализа соответствия параметров эксплуатируемого парка тепловозов новым условиям эксплуатации. В научно-исследовательских организациях железнодорожного транспорта и ряде вузов проводятся исследования по разработке методик обоснования и выбора рациональных параметров маневровых и промышленных тепловозов, наиболее полно отвечающим условиям эксплуатации как на железных дорогах МПС, так и на путях промышленного железно-
дорожного транспорта. Вопрос о выборе технико-экономических параметров таких тепловозов продолжает оставаться актуальным и в настоящее время.
Данная работа посвящена решению ряда вопросов, связанньж с обоснованием выбора основньж технических параметров маневровых и промышленньж тепловозов с электрической и гидравлической передачей в зависимости от условий эксплуатации.
Целью работы является обоснование выбора основных параметров маневровых и промышленньж тепловозов с учетом условий эксплуатации. Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:
проведены анализ и сравнение технических характеристик и удельньж параметров отечественных и зарубежных маневровых и промышленньж тепловозов;
разработана математическая модель энергетической цепи тепловозов с гидропередачей и проведена оценка их тягово-экономических показателей; определен коэффициент отдачи мощности основньж элементов гидропередачи - гидротрансформаторов и гидромуфт;
разработана математическая модель энергетической цепи тепловозов с электрической передачей постоянного, переменно-постоянного тока и проведена оценка их тягово-экономических показателей;
разработана модель условий движения тепловозов маневрового и промышленного рода службы;
разработаны рекомендации по расчету затрат, связанньж с перемещением вагонов;
определена стоимость жизненного цикла маневровьж и промышленньж тепловозов,
проведено технико-экономическое сравнение маневровьж и промышленньж тепловозов.
Методика исследований. Решение поставленньж задач выполнено с использованием современньж вычислительных методов и различного рода программ "Mathcad 2000 Professional", Advanced Grapher 1.61, Grafula II vl.30, скорректированных в зависимости от особенностей каждой задачи. При разработке математических моделей энергетической цепи тепловоза с передачей постоянного, переменно-постоянного тока и
гидравлической передачей, а также для определения удельного расхода топлива в любой точке поверхности применен метод Шепарда. Сбор точек удельного расхода топлива для заданной поверхности в зависимости от мощности и частоты вращения коленчатого вала, осуществлен с помощью программы Grafula П по универсальным характеристикам дизеля.
При создании математической модели режимов движения локомотивов, аппроксимация функции силы тяги по скорости на каждой позиции контроллера машиниста осуществлена с помощью программы Advanced Grapher 1.61. Для описания тяговых характеристик локомотивов использована единичная функция Хевисайда.
Научная новизна. Разработанная методика компьютерного моделирования, позволяет проводить анализ и обоснование технико-экономических параметров маневровых и промышленных тепловозов с учетом условий эксплуатации. Предложена комплексная методика сравнения тепловозов с различными передачами, учитывающая условия маневрового района эксплуатации и основные параметры маневровых и промышленньж тепловозов. При исследованиях применены методы, позволяющие реализовать оптимальные алгоритмы основных параметров тепловозов.
Практическая ценность. Результаты исследований и разработанная методика обоснования основных параметров маневровьж и промышленньж тепловозов могут представлять практический интерес для организаций, занимающихся планированием эксплуатации и обновления парка маневровьж и промышленньж тепловозов на сети железньж дорог и промышленньж предприятиях, а также могут быть использованы в научных работах и учебном процессе при подготовке специалистов в области локомотивов и локомотивного хозяйства.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены на заседании кафедры "Локомотивы и локомотивное хозяйство" (протокол №3 от 22 ноября 2004 года), на четвертой научно-практической конференции "Безопасность движения поездов" (МИИТ, 2003 г.) и на научно-практической конференции "Наука - транспорту-2004" (МИИТ, 2004г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 печатньж работы.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав текста, заключения и содержит 148 страниц машинописного текста, 14 таблиц, 45 рисунков, 6 приложений и список литературы из 103 наименований.
Анализ технических характеристик и удельных параметров зарубежных маневровых и промышленных тепловозов
Профессором Одинцовым Л.В. ещё в 40-х годах были установлены наивыгоднейшие веса маневровых составов и разработана методика расчета затрат времени на производство маневров /38/. Даны рекомендации по выбору типа маневрового локомотива и исследованы рациональные режимы их работы. В тяговых расчетах им использованы принципы поездного движения. Одинцов Л.В. исследовал выбор оптимальной мощности и маневровых локомотивов в работе /39/. Применение более мощных локомотивов позволяет применять не только маневры толчками на длинных вытяжках, но и на коротких. Для полного использования силы тяги локомотива им было предложено пользоваться средним весом поезда. Определены сферы применения более мощных локомотивов. Расчеты проведены для локомотивов, которые используются на поездной и маневровой работе. Однако условия поездной работы резко отличаются от условий маневровой работы, и необходимо рассматривать определение параметров локомотива для поездной и маневровой работы индивидуально.
Выбором оптимальной мощности маневрового локомотива на основании технико-экономического сравнения различных способов производства маневров занимался Забелло М.Л. Им было выделено два основных параметра локомотива - сцепной вес и эффективная мощность, которые должны определяться применительно к разгону. В конечном итоге, по его мнению, задача выбора параметров маневровых локомотивов сводится к выбору ускоряющего усилия при разгоне в расчетном элементе маневровой операции. Им была разработана методика определения требований к параметрам локомотивов, предназначенных для отдельных видов маневровой работы: горочные маневры, сортировочные маневры на вытяжных путях, перестановочные маневры, маневры в приемо-отправочных парках по обработке транзитных поездов. Также им были получены значения необходимой касательной мощности локомотивов и удельного веса их в общем маневровом парке в зависимости от веса составов /40, 41/. В работах Забелло М.Л. и Баранова A.M. приведено теоретическое обоснование выбора необходимых маневровых тяговых средств. Выявлены условия и сферы рационального применения различных видов тяги на маневрах. Проведенные исследования дали возможность определить общие эксплуатационные требования к параметрам маневровых локомотивов /44/.
Влияние величины состава и числа отцепов при маневровой работе на расход условного топлива исследовал Боровой Н.Е. Им были получены формулы расхода топлива для определенных видов маневровых операций и рекомендации по определению расхода условного топлива в зависимости от количества вагонов в составе и числа отцепов /42, 43/.
К 1962 г. рядом научных организаций (Промтрансниипроекта, Гипротор-фа, ЦНИИМЭ и др.) был разработан типаж маневровых локомотивов /44/.
Исследованиям по выбору мощности были посвящены работы Казанцева В.П. /45, 46, 47, 48, 49/, в которых установлено влияние различных факторов (веса состава, длины и уклона элементов маневрового района, способа производства маневров) на уровень оптимальной мощности маневровых локомотивов и продолжительности выполнения расчетной маневровой операции. По мнению Казанцева В.П. расчет необходимой мощности на перспективу должен производиться с учетом полного использования производительности локомотивов. В расчетах коэффициент полезного действия локомотива, доля расхода топлива при простоях от часового расхода его при маневрах принимаются как фиксированная величина. Хотя в реальных условиях эти величины меняются. Им были определена группа факторов, не влияющая на оптимальное значение мощности маневровых локомотивов. К ним относится, стоимость топлива. Амелиным В.П. осуществлен комплексный подход к определению типа локомотива для работы на вытяжных путях станции. Им было установлено /50/, что оптимальные параметры локомотива не зависят от способа производства маневровой работы, продольного профиля вытяжного пути, длины свободных концов путей сортировочного парка. В его работе из основных параметров локомотива учитывается только мощность и его осевая формула. Амелин В.П. установил оптимальные параметры маневровых локомотивов (мощность и сцепной вес) трёх классов приведенных в таблице 1.7.
При этом предлагается повысить допускаемую нагрузку от колесной пары локомотива на рельс с 21 до 23 т/ось.
Ряд исследований по определению силы тяги маневрового локомотива при разгоне и величины удельной тормозной силы при замедлении были проведены Гончаровым Н.Е. в /51, 52, 53, 54, 55, 56/.
Сравнение параметров зарубежных и отечественных маневровых и промышленных тепловозов
При расчете коэффициента полезного использования дизеля ( щ) по формуле (2.6) удельный расход топлива ( ge ) удобно представить, как функцию от двух переменных частоты вращения коленчатого вала ( п ) и ( Ne ). Значения частоты вращения коленчатого вала и мощности определяются путем совмещения нагрузочных парабол при соответствующих передаточных отношениях (і) (рис. 2.1). Затем проецируется на поле удельного расхода топлива ge (рис. 2.2).
При этом удельный расход топлива для дизеля будет задан соответствующей поверхностью ge. В результате был получен ряд поверхностей удельного расхода топлива ge(n,Ne) для дизелей 2-2Д49, 211Д-2, ЗА-6Д49, 1Д12-400, ПД 1-М, K6S310DR представленных на рис.2.3. Совмещение характеристик дизеля ЗА-6Д49 и гидроаппаратов ТШ000М1, ТП1000М11, М56 на частичных режимах
При определении удельного расхода топлива в любой точке поверхности необходимо получить формулу поверхности. Среди известных методов интерполяции функций от двух переменных известны такие, как метод инверсных расстояний (Inverse Distance), метод Кригинга (Kriging), метод линейной интерполяции (метод траингуляций), метод Шепарда (Shepard s Method). При выборе метода необходимо получить точное описание поверхности в области, заданной точками, полученными с помощью программы Grafula II по универсальным характеристикам, при этом с наименьшими затратами времени. Для решения данной задачи более всего подходит метод Шепарда, представляющий собой комбинацию метода инверсных расстояний со сплайнами. Интерполирование поверхности ge, согласно выбранному методу, будет находиться по формуле: m ge(n,Ne) = 2(Wj(n,Ne)).gei, г/кВт-ч, (2.8) І=І где m - общее количество экспериментальных точек разброса (полученных с помощью программы Grafula II); gei - значения экспериментальных точек разброса, г/кВт-ч; Wj - функция веса, для каждой точки разброса. wt(n,Ne) Функция веса определяется по формуле: м где р - произвольное целое число от 2 и больше, определяющее точность вычислений, принято р=10; hj - расстояние от точки разброса до точки интерполяции, находится по формуле. hi(n,Ne) = A/(n-ni)2+(Ne-Nei)2 , (2.10) где П; - частота вращения коленчатого вала дизеля, полученная по экспериментальным точкам, мин"1; Ne; - эффективная мощность дизеля, полученная по экспериментальным точкам, кВт. Потери мощности в гидропередаче во многом связаны с потерями в трансмиссии. Данные потери, обусловлены сложностью конструкции трансмиссии гидропередачи. Наличие на маневрово-промышленном тепловозе маневрового и поездного режима приводит к тому, что при работе на одном режиме часть шестерен работающих на другом режиме вращается в холостую. Кроме того, часть мощности расходуется на привод насоса системы смазки. На всех тепловозах затраты мощности связаны с осевыми редукторами и если в тепловозе присутствуют раздаточные редукторы, также часть мощности уходит на их вращение. В таблице 2.1 приведено количество шестерен в трансмиссии, участвующих во вращении. По данным /73, 74/ средний к.п.д. одного зацепления цилиндрических колес составляет 0,99, к.п.д. одного зацепления конических колес 0,985, общий к.п.д. всех карданных приводов колесных пар можно принять 0,98. В конечном итоге все эти потери приводят к увеличению расхода топлива, вследствие увеличения удельного сопротивления движению. Причем у тепловозов с электрической передачей потери мощности в трансмиссии будут
Определение коэффициента отдачи мощности гидротрансформаторов и гидромуфт
Затраты связанные с перемещением вагонов при маневрах включают в себя затраты, связанные с расходом топлива и смазочных материалов Ем=У д„ + Вяуаа1-(ея+ем.км), руб/сут 4Л) где Тм - затраты времени на маневры, с; тбт - продолжительность работы локомотива без тяги, с. д - расход топлива при минимальной частоте вращения коленчатого вала дизеля, кг/ч; асн - коэффициент, учитывающий расход горючего на собственные нужды, принят 1,05; ет - стоимость 1 кг дизельного топлива, руб; ем - стоимость 1 кг масла, руб; км - расход масла по отношению к расходу дизельного топлива определяется по табл. 4.1. Анализ данных /79, 94, 95/ позволяет сделать заключение о распределении относительного времени холостого хода в движении тепловозами tjm, пред х -Т ставленное в табл.4.2. Соответственно тбт будет выражено как тбт = хд м
Относительное время холостого хода в движении тхд, % 45-55 46-50 38-48 использование мощности тепловоза, расходуемой на сокращение пути разгона, если задана конечная скорость разгона. Ввиду сложных расчетов всех видов маневровых операций, расчет каждой фактически не представляется возможным из-за большого количества сочетаний.
Однако одним из основных видов маневрового полурейса является разгон и торможение (РТ). Он часто используется и считается самым эффективным по времени, но не эффективный по расходу топлива /96, 97/. Его составные элементы наиболее часто используются. Поэтому дальнейший расчет полурейса будет определен, как разгон до конечной скорости и торможение (рис. 4.1).
При расчете длин полурейсов с помощью предложенной ранее математической модели разгона были получены значения длины L=f(Q), затрат времени 109 t =f(Q), затрат работы A = f(Q) и расхода топлива B=f(Q) от веса состава Q при заданной конечной скорости и уклоне. Схема полурейса РТ
В расчете задается конечная скорость полурейса V . Время разгона до 7 позиции контроллера машиниста задавалось соответственно ti=3c, t2=3c, t3=3c, t4=3c, t5=3c, t6=3c, t7=3c, время на восьмой позиции tg варьировалось в зависимости от остатка расстояния для достижения конечной скорости Vk- Полученные данные рассчитаны по разгону с наибольшей интенсивностью.
Как видно из приложений 1 - 6, полученные значение длины, времени, работы и расхода топлива можно аппроксимировать уравнениями вида L(Q) = aQ +bQ + c, t(Q) = eQ2 +dQ + g, A(Q) = rQ2+kQ + p, B(Q) = hQ2 +mQ + u. Специфика работы тепловоза на станции имеет свои особенности. Максимальная скорость, когда локомотив следует впереди при включенных тормозах состава и предупреждении машиниста о свободности пути, может составлять бОкм/ч. Однако наиболее частыми являются условия, когда при маневрах тормоза состава обычно выключены, и тепловоз движется со скоростью, не превышающей - 25 км/ч (установленной ПТЭ). По данным /98/ длина полурейса при вытяжке в среднем составляет 1000-1500м. Максимальная скорость при таких маневрах составляет 15-20 км/ч. При этом, исходя из условий безопасности, машинисты далее скорость не повышают. Уравнения определены для наиболее характерных скоростей движения маневрового состава на станциях МПС и ППЖТ /10,99,100,101/, а именно 7, 12, 20 и 40 км/ч при варьировании уклона от -2%о до 2%о,. Полученные уравнения для уклона i=0%o и конечной скорости У=7км/ч представлены в приложениях 1-6. Заданные условия маневрового района при Ill няты, как наиболее часто встречающиеся, и не могут приниматься в априори. При рассмотрении конкретного района необходимо определить заданные конечные скорости, исходя из особенностей маневров, найти уравнения и произвести расчет. Наиболее часто используемые скорости, удобно определять по расчетным данным распределения относительной механической работы, например для Подольского ППЖТ (рис. 4.2.) по экспериментальным данным ВНИТИ /79, 80, 82, 85/ наиболее часто используемые скорости составляют 5+7км/ч.
При маневрах на вытяжке требуемая скорость толчка (VT) последнего в серии (или составе) отцепа, соответствующая моменту нахождения его у первой разделительной стрелки, будет определяться по формуле Гг=гЙг км/ч (4 4) где LC3 - длина стрелочной зоны, м. При средней длине стрелочной зоны 300м и удельном суммарном сопротивлении движению поезда 2- -3,5 Н/кН скорость толчка в среднем составляет 12км/ч. При расформировании состава серийными толчками, начальная скорость разгона последующих толчков соответствует скорости, позволяющей произвести расцепку — Зкм/ч. Поэтому скорость толчка умножается с учетом поправки (к) на расцепку будет определяться
Математическая модель движения маневровых и промышленных тепловозов
На основе полученных расчетов следует, что при скоростях до 15-20 км/ч для заданных условий маневрового района, с меньшими затратами можно применять тепловозы с гидропередачей, а при больших скоростях движения тепловозы с электропередачей. Так же эксплуатация тепловозов с гидропередачей может привести к экономии денежных средств за счет более низких затрат на обслуживание и стоимость гидропередачи, по сравнению с электрической в среднем на 20-30% /32, 102/.
В 80-90-х годах экономическая эффективность тепловоза рассчитывалась по апробированным методикам с использованием отраслевых норм, где опери ровали коэффициентом эффективности капитальных вложений и коэффициен v том приведения разновременных затрат. Основное внимание уделялось прин » ципу минимизации затрат. В настоящее время при новых экономических под ходах, требуются определение прибыльности.
При сравнении технико-экономической эффективности локомотивов многие исследователи используют расчеты, связанные с жизненным циклом тепловозов. Впервые термин "жизненный цикл" появился за рубежом при оп ределении экономических показателей продукции. Исследования жизненного цикла локомотивов проводились Коссовым Е.Е., Кудрявцевым Я.Б., Просвиро вым Ю.Е., Загребельским A.M., Кадышевым С.А., Ребриком Б.Н.
Каждый тепловоз проходит пять фаз жизненного цикла: 1) Разработка. Создание тепловоза. Включает разработку проекта тепловоза, изготовление, испытание и сдачу в эксплуатацию. 2) Внедрение. Период выхода нового тепловоза на рынок. Момент начала продаж тепловоза, но прибыль от его производства и реализации еще не получена; 3) Рост. Этот период характеризуется ростом объема продаж, обусловленного признанием продукта потребителями. Затем появляются первые признаки насыщения рынка. Предложение начинает опережать спрос; 4) Зрелость. Рынок насыщен данной серией тепловоза. На стадии зрелости рост объема продаж замедляется и даже начинает падать, так как данная серия тепловоза уже приобретена большинством потребителей. На рынке появились конкурирующие, более совершенные серии тепловозов, и приходится уменьшать цену для наращивания или сохранения объема продаж. При модернизации тепловоза возможно продление данной фазы; 5) Спад. Снижение объема спроса, предопределяемое сильной конкуренцией, моральное и физическое старение техники. Дальнейшая модернизация тепловоза и снижение цены могут продлить данную фазу. Списание и утилизация.
Стоимость жизненного цикла по годам (і) включает в себя суммарные затраты на протяжении всего срока существования тепловоза, его ремонты и техническое обслуживание.
В данной работе стоимость жизненного цикла определятся на основании методики, предложенной проф. Просвировым Ю.Е. /103/: Креж - капитальные затраты на реконструкцию депо, ремонтную базу и техническое оснащение, приходящиеся на один тепловоз, развитие инфраструктуры депо, млн. руб; Эр - эксплуатационные расходы за срок службы, млн. руб;
В диссертации произведена оценка стоимости жизненного цикла тепловозов ТГМ4Б, ТГМ6Д, ТЭМ2, ТЭМ7А. При расчете использовались данные, приведенные в табл. 5.1. В результате расчетов получена диаграмма стоимости жизненного цикла за 1 год (рис. 5.2) при №=500кВт, при Етп=200т (рис. 5.3) и график функции Сжц = f(i) по годам (рис. 5.4), а также диаграммы составляющих жизненного цикла тепловозов ТГМ4Б, ТГМ6Д, ТЭМ2, ТЭМ7А (рис.5.5).
Стоимость ремонтов и экипировок принята согласно прейскуранту Торгового дома "Людиновотепловоз" за 20 января 2003года. Наименьший расход топлива на тягу по отношению ко всей стоимости жизненного цикла за 1год (4%) имеет тепловоз ТЭМ7А; наибольший - 9% у тепловоза ТГМ4Б (рис. 5.5). В данном расчете мощность для представленных тепловозов принята Ne = 500кВт. Соответственно в расчет можно включать Составляющие жизненного цикла тепловозов за 1 год эксплуатации а) ТГМ6Д, б)ТЭМ2, в) ТЭМ7А, г) ТГМ4Б
По проведенному расчету наибольшая стоимость жизненного цикла за 1 год эксплуатации получена у тепловоза с передачей переменно-постоянного тока ТЭМ7А - 36187377 руб, которая на 58% выше, чем у тепловозов ТГМ4Б, на 50% выше, чем у тепловозов ТГМ6Д и на 46% выше, чем ТЭМ2 (рис.5.4). При дальнейшей эксплуатации тепловозов соотношение стоимости жизненного цикла между тепловозами сохраняется и меняется незначительно. Для тепловоза с электрической передачей (ТЭМ2) стоимость жизненного цикла выше, чем у тепловоза с гидропередачей (ТГМ6Д) в среднем на 4%. Расчет жизненного цикла рекомендуется осуществлять для близких по мощности тепловозов. Данная методика позволит прогнозировать стоимость жизненного цикла для маневровых и промышленных тепловозов.
