Введение к работе
Актуальность проблемы. Широкое распространение тепловых двигателей, в частности дизелей, являющихся наиболее предпочтительными для использования в промышленности и на железнодорожном транспорте, требует в современных условиях становления рыночной экономики как повышения технико-экономических показателей, так и совершенствования системы их технического обслуживания. В настоящее время одной из актуальных проблем железных дорог и предприятий, эксплуатирующих тепловозы, является обеспечение высокого уровня безотказной работы силовых установок, увеличение их коэффициента технического использования, экономия топлива и снижение затрат на эксплуатацию и ремонт.
При рассмотрении концептуальных вопросов повышения эффективности эксплуатации тепловозных силовых установок можно выделить два аспекта: совершенствование конструкции отдельных функциональных элементов и узлов с учетом их динамических свойств и режимов работы; автоматизация процессов контроля и диагностирования.
Основными факторами, определяющими условия эксплуатации, показатели выходной мощности, экономичность и срок службы тепловозных силовых установок является неустановившийся характер их работы, вызываемый возмущающими и управляющими воздействиями, а также длительная эксплуатация на частичных режимах. При этом наблюдается тенденция к смещению продолжительности работы в сторону меньших номеров позиций контроллера. В этих условиях улучшение статических и динамических свойств функциональных элементов тепловозных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) является одной из важных задач в общей проблеме повышения качества их переходных процессов.
Сложившаяся практика планово-предупредительной системы эксплуатации и ремонта тепловозов приводит к тому, что мероприятия по сохранению и восстановлению нормального технического состояния силовых установок выполняются в строго обязательном порядке и с заранее запланированной периодичностью. При этом проводятся излишние работы по разборке, осмотру и проверке исправных і^злов и агрегатов, что нарушает условия приработки отдельных, особенно преци-
зионных, деталей и в конечном итоге приводит к ухудшению качества рабочих процессов, увеличенному расходу топлива и повышению материальных затрат на обслуживание и ремонт. Зги обстоятельства выдвигают задачу перехода от планово-предупредительной системы эксплуатации тепловозных силовых установок "по регламенту" к более прогрессивной и выгодной с технической и экономической точек зрения системе обслуживания и ремонта "по необходимости" в зависимости от их фактического состояния. Решение этой задачи требует проведения комплекса теоретических и экспериментальных исследований, направленных на создание методик, алгоритмов и средств автоматического и автоматизированного контроля и диагностирования тепловозных силовых установок. При этом важно обеспечить локомотивные бригады встроенными средствами оперативного поиска и обнаружения неисправностей, что позволит увеличить коэффициент технического использования тепловозов, уменьшить их время простоя, снизить расход топлива из-за более точной настройки и регулировки силовой установки, повысить безопасность движения.
Таким образом, повышение эффективности эксплуатации тепловозов путём совершенствования конструкции элементов силовой установки и автоматизации процессов контроля и диагностирования является важной народнохозяйственной проблемой по сокращению затрат на железнодорожном транспорте.
Практическая необходимость в решении данной проблемы возникла в связи с требованиями Министерства путей сообщения на создание системы технического обслуживания тепловозов на базе разработки и использования методов и средств диагностирования оборудования локомотивного парка страны. Работа выполнялась совместно с организациями МПС, Минприбора и Минэлектротехпрома в соответствии с отраслевыми координационными планами НИР и ОКР Минтяжма-ша по созданию и освоению производства тепловозов 2ТЭ121 с системой централизованного контроля, диагностики и управления, тематическими планами научно-исследовательского института тепловозов и путевых машин (ВНИТИ), разработанными на основании Постановления Правительства от 22.07.82 г. № 682, Постановления государственного Комитета по науке и технике от 08.12.81 г. № 491/244 и целевой комплексной научно-технической программы О.Ц.026 "Автоматизация управления технологическими процессами, производствами, машинами, станками и оборудованием с применением микро-ЭВМ и миниЭВМ (задание 02.01)*.
Цель и задачи исследования. Целью настоящего исследования является улучшение технико-экономических показателей тепловозных силовых установок на эксплуатационных режимах путём совершенствования конструкции отдельных элементов и узлов и автоматизации процессов контроля и диагностирования.
Основные задачи, вытекающие из сформулированной цели и решаемые в процессе выполнения работы, были следующие:
анализ эксплуатационных режимов работы силовых установок магистральных тепловозов и резервов повышения эффективности их эксплуатации;
разработка уточненной общей структурной схемы автоматической системы управления параметрами тепловозной силовой установки с регулируемым турбо-наддувом и с выделением топливоподающей аппаратуры (ТПА) в самостоятельный элемент, обладающий собственной передаточной функцией;
синтез математических моделей ТПА как объекта с распределенными параметрами и функционального элемента автоматической системы регулирования (АСР) угловой скорости коленчатого вала дизеля;
расчетно-теоретические и экспериментальные исследования статических и динамических свойств ТПА с использованием математического и натурного моделирования процессов впрыска топлива и выбор направлений оптимизации конструктивных параметров топливоподающей аппаратуры при ее проектировании и поддержании нормальной регулировки в условиях эксплуатации;
разработка предложений по совершенствованию наддувочного и газовыпускного трактов тепловозного дизеля со свободным турбокомпрессором с целью уменьшения потерь теплоты с отработавшими газами;
статистический анализ, систематизация характерных неисправностей, появляющихся в условиях эксплуатации дизельных двигателей, и разработка технологических карт поиска неисправных элементов;
выбор диагностических признаков и разработка алгоритмов определения технического состояния функциональных элементов автоматических систем управления параметрами тепловозного ДВС как регулируемого объекта;
разработка схемных решений и комплекса специализированных средств контроля, диагностирования и управления энергетической установкой тепловоза;
разработка, расчетно-теоретические исследования и эксплуатационные испытания экспериментального и опытно-промышленного образцов системы цент-
рализованного контроля, диагностики и управления для тепловозов (СЦКДУ-Т), реализованных на единой информационной базе с применением микропроцессорной техники;
оценка эффективности применения встроенных средств централизованного контроля, диагностики и управления на магистральных тепловозах.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования является силовая установка магистральных тепловозов на эксплуатационных режимах и ее отдельные элементы. Предмет исследования - методы и средства повышения Эффективности эксплуатации тепловозных силовых установок с целью увеличения их коэффициента технического использования, экономии топлива и снижения затрат на обслуживание и ремонт.
Методика исследования. Методологической и теоретической базой диссертационной работы являются труды отечественных и зарубежных ученых в об-. ласти повышения эффективности желегнодорожного подвижного состава, совершенствования тепловозных силовых установок и применения теории технической диагностики для улучшения системы технического обслуживания локомотивов.
При решении поставленных задач теоретические исследования основывались на комплексности и системном подходе (анализе и синтезе, методах математической статистики, математическом моделировании с использованием ЭВМ, оптимизации). Экспериментальные исследования проводились на лабораторных и
испытательных стендах НПО "Тепловозпутьмаш" (ВНИТИ) и АООТ "Коломенский
її завод. Кроме того, разработанные предложения прошли проверку на тепловозах
2Т3116А (на Юго-Восточной железной дороге ) и 2ТЭ121 (на Северной железной
дороге).
Научная новизна исследования определяется теоретическими разработками, предназначенными для выработки рекомендаций промышленности по проектированию отдельных элементов тепловозных силовых установок с учетом их работы на частичных и неустановившихся режимах, и применению методов, алгоритмов и средств технического диагностирования при эксплуатации железнодорожного подвижного состава. К этим разработкам относятся:
уточненная общая структурная схема тепловозной силовой установки с регулируемым турбонаддувом и с выделением топливоподающей аппаратуры в самостоятельный элемент, обладающий собственной передаточной функцией;
математическая модель динамических процессов, происходящих в топливо-подающей аппаратуре и зависящих от конструктивных параметров ТПА;
методика исследования свойств тогтигоподающей аппаратуры тепловозного дизеля с использованием ЭВМ, позволяющая на основании уточненной математической модели процессов впрыска с достаточной для практических целей точностью и в сжатые сроки проводить анализ конструкций с целью получения их статических и динамических характеристик и выбора конструктивных и диагностических параметров;
комплекс методик и алгоритмов контроля и диагностирования функциональных элементов систем автоматизации дизелей, основанный на методах параметрической диагностики с использованием технологических карт поиска неисправностей;
схемные решения и комплекс специализированных средств контроля, диагностирования и управления энергетической установкой тепловоза;
результаты разработки и эксплуатационных испытаний на магистральных тепловозах экспериментального и опытно-промышленного образцов встроенной системы централизованного контроля, диагностики и управления для магистральных тепловозов.
Достоверность основных научных положений работы подтверждается результатами лабораторных и эксплуатационных испытаний, экспериментами и данными статистической обработки. В частности, натурные испытания топливо-подающей аппаратуры показали хорошую сходимость теоретических значений различных параметров с опытными данными. Погрешность в определении давления впрыска не превышала 3 % от среднего давления за цикл, продолжительность впрыска на 0,4 больше, чем при расчёте. Экспериментальные испытания встроенной системы централизованного контроля, диагностики и управления, установленной на тепловозе 2ТЭ121, подтвердили ее высокую работоспособность и заданную точность измерения и контроля выбранных диагностических параметров дизель-генераторной установки и цепей управления. Так, погрешность измерительных каналов температуры воды на выходе из дизеля и масла на входе в дизель не превышала 1,56 %, а силы тока после выпрямительной установки - 0,55 %. Экспериментальная часть выполнялась с привлечением специальной контрольно-измерительной аппаратуры, отвечающей требованиям стандартов по поверке.
Практическая значимость результатов исследования заключается в использовании разработанных или усовершенствованных методик, алгоритмов и средств при решении научных, практических и производственных задач повышения эффективности эксплуатации силовых установок магистральных тепловозов. Определены направления оптимизации конструктивных параметров ТПА с точки зрения улучшения качества переходных процессов, заключающегося в сокращении длительности переходного процесса, уменьшении заброса цикловой подачи топлива и времени запаздывания изменения цикловой подачи при изменении положения регулирующего органа.
Рекомендации по использованию регулируемого турбонаддува и снижению потерь теплоты с отработавшими газами служат основой для совершенствования наддувочного и газовыпускного трактов комбинированного тепловозного дизеля. Это позволяет повысить термический КПД цикла и эффективный КПД двигателя, уменьшить удельный расход топлива и улучшить расходные характеристики турбокомпрессора, что особенно эффективно на частичных нагрузках и неустановившихся режимах работы силовой установки.
Разработанные методики, алгоритмы, схемные решения комплекса технических средств, предназначенных для контроля и диагностирования функциональных элементов тепловозного дизеля, а также для оптимального управления энергетической установкой локомотива, вошли в технический проект двухсекционного магистрального опытно-промышленного образца тепловоза 2ТЭ121 с системой централизованного контроля, диагностики и управления.
Реализация результатов выполненной работы позволяет: снизить расход топлива на 5,8 % из-за более точной настройки и регулировки силовой установки тепловоза, улучшения качества рабочих процессов путём согласования подачи топлива и расхода воздуха на частичных и неустановившихся режимах, а также за счет автоматизированного выбора оптимальных режимов ведения поезда при более точном соблюдении графика движения; сократить на 7,5 % ремонтные затраты, снизить простой тепловозов в плановых ремонтах на 20 %, уменьшить в 2 раза расходы на порчи и внеплановые ремонты за счет технического диагностирования тепловозов в условиях эксплуатации и сокращения времени простоя в ремонтах.
Эффективность от внедрения и использования СЦКДУ-Т на тепловозах составила 156 тыс. рублей на тепловоз (в ценах на 01.01.98 г.).
Результаты работы использовались НПО "Тепловозпутьмаш" (ВНИТИ) и ПО "Ворошиловградтелловоз" при создании двухсекционных магистральных тепловозов 2ТЭ116А-003 и 2ТЭ121-010 с СЦКДУ-Т. Отдельные результаты разработок и исследований использовались АООТ "Коломенский завод", Ногинским заводом топливной аппаратуры, ПО "Севремавтоматика".
В ходе исследований разработаны: устройство для автоматического регулирования температуры электрической машины (а.с. № 544050), способ управления локомотивом (а.с. № 806491), устройство для автоматического управления транспортным средством (а.с. № 1131728), выпускной коллектор двигателя внутреннего сгорания (а.с. № 1320468, а.с. № 1244361), устройство для автоматического диагностирования электрооборудования локомотива (а.с. № 1364503), способ контроля технического состояния топливной аппаратуры (патент РФ № 2054573).
Материалы диссертации используются в учебном процессе при подготовке специалистов, выпускаемых Мурманским государственным техническим университетом.
В целом выполненные разработки и результаты исследований внедрены в НИР и ОКР Государственного заказа, изложенных в научно-технических отчетах ВНИТИ (Гос. per. № 78070293, Ns 78018130, 01840011632 и др.).
Апробация работы. Основные материалы диссертации поэтапно докладывались, обсуждались и получили одобрение:
на заседании научно-технического совета Ногинского завода топливной аппаратуры (г. Ногинск Московской обл., 1974 г.); на всесоюзной XXX/// научно-исследовательской конференции МАДИ (г. Москва, 1975 г.); на заседаниях научно-технического совета НПО "Тепловозпутьмаш" (г. Коломна Московской обл., 1982 -1985 г.г.); на секционном заседании ГКНТ (г. Москва, 1983 г.); на всесоюзной научно-технической конференции "Создание и техническое обслуживание локомотивов большой мощности" (г. Ворошиловград, 1985 г.); на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов, научных и инженерно-технических работников МВИМУ им. Ленинского комсомола (г. Мурманск, 1990 -1992 г.г.); на 5-ой и 6-ой научно-технических конференциях МГАРФ (г. Мурманск, 1994 г.); на научно-практической конференции БГАРФ "Проблемы активизации научно-технической деятельности в эксклавном регионе России" (г. Кали-
нинград, 1996 г.); на расширенном заседании - научном семинаре кафедры ДВС С- ПГТУ (г. С. - Петербург, 1997 г.); на международной конференции "Двигатель -97" (г. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997 г); на расширенном заседании - научном семинаре кафедр теплотехники и теплосиловых установок и "Локомотивы " С- ПГУПС (г. С. - Петербург, 1998 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 56 печатных работ, получено 6 авторских свидетельств и 1 патент на изобретения. Отдельные вопросы подробно освещены в 12 научно-технических отчетах, депонированных во ВНТИЦ.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных литературных источников и приложения. Материал диссертации содержит 291 страницу основного текста, 23 таблицы, 71 рисунок, список библиографических литературных источников из '499 наименований на 1S страницах и приложения на 27 страницах, всего 337 страниц.
