Оценка технико-энергетической эффективности работы маневровых тепловозов путем моделирования рабочих процессов оборудования в режимах эксплуатации Кузнецова Ирина Алексеевна

Введение к работе

Актуальность темы исследования. В последнее время в РФ и других странах построены десятки новых типов маневровых тепловозов, отличающихся конструкцией и характеристиками энергетических установок. Причина этого в дефиците и растущей стоимости дизельного топлива, на снижение потребления которого направлена стратегия энергетического развития компании ОАО «РЖД» на период до 2010 года и на перспективу до 2030 года.

Многообразие типов маневровых тепловозов обусловлено множеством видов маневровых операций и условий их выполнения. Как известно при работе тепловозов одной серии на одних и тех же участках в различные смены и при выполнении одного вида маневровой работы режимы эксплуатации и режимы работы основного и вспомогательного оборудования тепловозов имеют значительный разброс, что естественным образом отражается на количестве израсходованного топлива. В процессе эксплуатации тепловозов существует множество факторов, влияющих на расход топлива. Это обстоятельство затрудняет правильный выбор силовых установок.

При разработке новых тепловозов, после модернизации и при использовании имеющихся важной проблемой является подбор силовой установки под конкретную работу с целью возможной экономии топлива и уменьшении, тем самым, стоимости маневровой работы. Особенно важно предварительно правильно оценить эксплуатационную эффективность тепловоза в зависимости от внесенных технических усовершенствований. В этом состоит актуальность проблемы.

Степень разработанности проблемы. На протяжении многих лет большое внимание уделялось разработке методов оценки эксплуатационных и технико-экономических показателей работы тепловозов. Значительный вклад в решении названного вопроса, как в теоретическом, так и практическом плане, внесли и вносят учёные и специалисты ОАО «РЖД», АО«ВНИИЖТ», стратегических партнеров ОАО «РЖД»: РУТ (МИИТ), ПГУПС, РГУПС, СамГУПС, ВНИКТИ, ОмГУПС, УкрДУЗТ, БелГУТ, и ряда других организаций.

Вопросам оценки показателей работы маневровых тепловозов посвящены работы ряда ученых: Балабина В.Н. Бабела М., Бобровского В.И, Васильева В.Н., Володарец Н.В., Володина А.И., Воронько В.А., Головаш А.Н., Гончарова Н.Е., Грищенко А.В., Демченко Е.Б., Игина В.Н., Казанцева В.П., Корнева Н.Н., Коссова Е.Е., Кручека В.В., Мугинштейна Л.А., Назарова Л.С., Носырева Д.Я., Овчинникова В.М., Осяева А.Т., Поваркова И.Л., Подшивалова А.Б., Пожидаева С.А., Симеона А.Э., Скрежендевского В.В., Третьякова А.П., Фалендыш А.П., Фофанова Г.А., Фурмана В.В., Хомича А.З., Швец Н.Г. и других.

На современном этапе возникла необходимость проведения исследований влияния внесенных технических усовершенствований на эксплуатационную эффективность и топливную экономичность тепловоза.

Целью диссертационной работы является разработка методики расчета показателей работы маневровых тепловозов на основе моделирования рабочих процессов в агрегатах при имитации эксплуатационного режима.

Задачи исследований, которые поставлены и решены в работе для достижения цели:

1. Выполнен краткий обзор маневровых тепловозов нового поколения, рассмотрены тенденции и новые направления развития в области научных исследований и тепловозостроения на современном этапе.

2. Проведен анализ известных методик определения энергетической эффективности маневровых тепловозов. Показана необходимость создания новой методики расчета показателей выполнения тепловозами различных видов маневровой работы и учета энергетической эффективности маневровых тепловозов.

3. Выполнен обзор режимов работы маневровых тепловозов. Процесс эксплуатации представлен некоторым множеством единичных тяговых режимов, включая процессы трогания, разгона, движения, торможения, переходные процессы и влияние затрат энергии на обеспечение оборудования тепловоза, на общие показатели работы.

4. Разработана методика имитации процессов расформирования состава с сортировочной горки при переменной массе состава.

5. Разработана математическая модель расчета показателей вьшолнения маневровой операции с учетом процессов в агрегатах тепловоза.

6. Разработан программный комплекс расчета показателей вьшолнения маневровой операции в виде некоторого множества единичных режимов. Выполнено моделирование реальных процессов в силовых установках, позволяющее имитировать маневровую операцию маневрового тепловоза различного уровня сложности - от отдельных передвижений до расформирования составов на сортировочной горке.

7. При моделировании единичной маневровой операции учтена величина потерь энергии в тяговой электрической передаче и сила тяги при нулевой и близкой к ней скорости.

Объект и предмет исследования — маневровый тепловоз и влияние рабочих процессов силового оборудования тепловоза на показатели вьшолнения маневровых режимов.

Методология и методы исследований. В диссертационной работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования, базирующиеся на данных некоторых известных теоретических положений математического моделирования. Исследования построены на основе принципов статистического анализа и комплексного подхода к исследуемым проблемам, обобщения данных научно-технической литературы, результатов испытаний, использовании методов имитационного моделирования рабочих процессов в системах тепловозов и процессов тяги.

Применены современные информационные технологии интернет-ресурсы, электронные журналы и различные виды электронных публикаций.

Научная новизна:

- новый подход к определению технико-энергетической эффективности

эксплуатационной работы маневровых тепловозов, основанный на расчете

показателей выполненной ими работы, путем представления работы в виде

некоторого множества ограниченного набора единичных эксплуатационных режимов;

расширенный многофакторный подход к расчету показателей единичных эксплуатационных режимов работы, представленных как тяговые операции с моделированием процессов в силовой установке с заданной степенью точности, включающий учет переходных процессов по допустимым параметрам рабочего процесса в дизеле, учет потерь в дизеле и тяговой электрической передаче тепловоза во всем диапазоне скоростей движения по показателю потерь мощности, учет затрат энергии при регулируемом приводе вентиляторов охлаждения в зависимости от температуры окружающей среды;

адаптация комплексного критерия выбора серии тепловоза из эксплуатационного парка, имеющего различные технические характеристики.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертация и научные результаты, выносимые на защиту, соответствуют пунктам 4. «Совершенствование подвижного состава, тяговых подстанций, тяговых сетей, включая преобразователи, аппараты, устройства зашиты, схемы электроснабжения. Улучшение эксплуатационных показателей подвижного состава и устройств электроснабжения» и 8. «Тяговые и тормозные расчеты. Тяговые и тормозные качества подвижного состава. Обеспечение безопасности движения подвижного состава» паспорта научной специальности 05.22.07 — «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация».

Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью разработанных математических моделей, сходимостью полученных теоретических результатов с данными экспериментов, выполненных в разные годы ведущими научными и производственными коллективами отрасли, актами применения и проведения экспериментальных расчетов.

Результаты моделирования согласуются с данными, полученными при использовании бортового регистратора параметров работы маневрового тепловоза (РПРТ), разработанного совместно специалистами ЗАО «Отраслевой центр внедрения новой техники и технологий» (ЗАО «ОЦВ») и специалистами «ВНИИЖТ», а так же данными, полученными при испытаниях тепловоза ЧМЭЗ, оборудованного электронной системой управления впрыском топлива (ЭСУВТ).

Теоретическая и практическая значимость работы:

1. Разработаны методика и программный комплекс расчета показателей эксплуатационных режимов маневровых тепловозов с учетом конструкционных особенностей и рабочих процессов в силовой установке, а также даны рекомендации по определению их энергетической эффективности.

2. Разработана методика имитации процессов расформирования состава с сортировочной горки при переменной массе состава.

3. Разработаны рекомендации по расчету показателя потерь мощности при выполнении единичных режимов работы.

4. Разработанные методика и программный комплекс использованы для оценки результатов работы тепловозов в эксплуатации:

на примере тепловоза ЧМЭЗ показано влияние переходных процессов в дизеле на расход топлива при работе в различных единичных режимах и доля расхода топлива, приходящегося на этот режим;

проведен анализ выполнения маневровой горочной работы (надвиг-роспуск) для тепловозов ЧМЭЗ в штатной комплектации, ЧМЭЗ оборудованного ЭСУВТ и ТЭМ7А;

выполнен рациональный выбор маневрового тепловоза для заданных условий эксплуатации;

проведена оценка топливной экономичности маневрового тепловоза после его модернизации.

5. Работа представляет интерес для научно-исследовательских и проектно-
конструкторских подразделений отраслевых институтов, предприятий
тепловозостроительного комплекса, а также специалистов, занимающихся
проектированием новых маневровых тепловозов, и направлена на снижение
себестоимости маневровой работы.

Отдельные методики, алгоритмы и схемные решения могут применяться в научных, производственных и учебных целях.

Эффект заключается в определении снижения среднеэксплуатационного расхода дизельного топлива на преимущественных режимах работы тепловозов на 10,2 % в зависимости от условий и полигонов эксплуатации.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Основы единой методики расчета показателей эксплуатационных режимов
маневровых тепловозов, включающие:

представление эксплуатационного режима работы тепловоза в виде некоторого множества единичных тяговых режимов, позволяющее учесть фазы: трогания с места, разгона, движения, торможения, переходные процессы при изменении режима работы, влияние затрат энергии на обеспечение оборудования тепловоза, на общие показатели работы;

методику расчета процессов расформирования состава с сортировочной горки при переменной массе состава;

применение понятия показателя потерь мощности при выполнении тяговых расчетов и построении тяговых характеристик.

2. Методику выбора маневрового тепловоза под конкретную работу с целью возможной экономии топлива и уменьшении, тем самым, стоимости маневровой работы на основании расчета показателей работы тепловоза при вьшолнении маневровой операции с использованием комплексного критерия Ж_л.

3. Результаты применения разработанной методики и программного комплекса для определения повьшіения топливной экономичности маневрового тепловоза после его модернизации.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на конференциях:

конференция молодых ученых и аспирантов, посвященная проблемам ж.д. транспорта (ОАО «ВНИИЖТ», г. Москва, 2011 г.);

ХП, ХШ, XIV, XVI научно-практические конференции «Безопасность движения поездов» (МГУПС (МИИТ), г. Москва, 2011,2012,2013,2015 г.);

3-я, 4-я международные научно-технические конференции «Локомотивы XXI века» (ПГУПС, г. Санкт-Петербург, 2015,2016 г.);

научно-практическая конференция «Неделя науки - 2017» (МГУПС (МИИТ), г. Москва, 2017 г.);

на заседании научно-технического совета отделения «Тяговый подвижной состав» АО «ВНИИЖТ» (г. Москва, 2018 г.).

В сборниках материалов перечисленных конференций опубликованы тезисы.

Публикации. Основные научные результаты диссертации изложены в 14 научных статьях, из них 6 в журналах из перечня рецензируемых изданий ВАК при Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы, приложений. Полный объём диссертации составляет 162 страницы, в том числе 121 страницы машинописного текста, 19 таблиц, 40 рисунков, список использованной литературы включает 111 наименований, 6 приложений на 21 странице.