Введение к работе
Актуальность проблемы. Несмотря на то, что в период перестройки и перехода к рыночной системе хозяйствования железнодорожный транспорт не разрушился и сравнительно неплохо работает, многие технические устройства имеют очень большой материальный и моральный износ.
Это, в первую очередь, относится к подвижному составу. При этом, если вагонный парк значительно обновляется за счёт приобретения новых1 вагонов заводами и частными компаниями, то локомотивный парк в последнее время практически вообще не обновляется. Это обусловлено высокой стоимостью изготовления локомотивов и отсутствием четко разработанной стратегической программы по повышению эффективности жизненного цикла работы локомотивов с учетом перспективы развития перевозочного процесса и изменения стоимости топливно-энергетических ресурсов.
В результате увеличивается вероятность появления отказов систем локомотивов и возрастает расход топливно-энергетических ресурсов, что оказывает значительное влияние на перевозочный процесс.
Степень разработанности проблемы. Для разработки стратегических
программ по совершенствованию технических систем целесообразно
использовать функционально-стоимостный анализ (ФСА), который
эффективно применяется за рубежом. Этот метод в простейшем виде начали применять еще в годы Великой Отечественной войны при решении возникающих проблем, например, как заменить материалы на менее дефицитные, сохраняя при этом основные свойства деталей. Это был, по сути, интуитивный подход к экономическому анализу при конструкторских разработках. И.А. Бородачевым впервые были проведены исследования по оценке соответствия конструкции функциональному назначению. Научные основы ФСА у нас в стране были разработаны Ю.М. Соболевым. Но метод не нашел широкого применения из-за жесткой плановой системы хозяйствования. Параллельно с Ю.М. Соболевым аналогичными исследованиями занимался американский инженер Л. Майлз. Он ввел название ФСА и определил его как прикладную философию, которая дала характеристику «анализу стоимости как творческому подходу, заключающемуся в эффективной идентификации непроизводительных затрат или издертсек, которые не обеспечивают пи качества, hit полезности, ни внешнего вида, ни других требований заказчика».
Основное отличие методов Л. Майлза и Ю.М. Соболева заключается в том, что если метод Соболева был направлен на поиск более экономичных способов изготовления изделия в рамках существующей конструкции, то Л. Майлз и его последователи за основу взяли функцию, а существующую конструкцию — как один из вариантов реализации этой функции. При этом необходимо найти наиболее экономичный вариант осуществления данной функции при сохранении качества и других эксплуатационных требований и характеристик.
В настоящее время ФСА широко трименяется во.всех высокоразвитых странах, но наиболее эффективно в Японии.
В нашей стране, несмотря на издіние ряда методических работ, ФСЛ применялся в основном только в электротехнической промышленности при разработке новых конструкций аппаратов. Большой вклад в развитие ФСА внесли М.Г. Карпунин, В.И. Майданчик, А.П. Ковалев, Н.К. Моисеев,' В.В. Сысун, А.И. Половинкин, Б.И. Злотий и др.
По вопросу снижения расхода топлива тепловозами большой вклад внесли А.Э.Симеон, А.Э.Хомич, Е.Е.Коссов, В.А.Четвергов, 'А.И.Володин, Е.И.Сковородников, Д.Я.Носырев, ГА.Фофанов, Э.Д.Тартаковский, В.С.Коссов и др.
Целью диссертационной работы является разработка концепции функционально-технологического подхода к процессу инновационной деятельности для выработки стратегии снижения затрат на топливно-энергетические ресурсы тепловозов, а также создание методов и технических решений для реализации данной стратегии. При этом использовать метод ФСА, который позволяет при ограниченных ресурсах количественно определить приоритетность инновационного воздействия на определенные функции системы при разработке стратегических программ:
Для реализации поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:
Получение метода количественной оценки степени невыполнения функциональных свойств сложных сг.стем и режимов работы теплосиловой установки.
Определение режимных критических функций работы тепловозного дизеля на основе ФСА.
Анализ процесса сгорания водо -топливной эмульсии (ВТЭ) в тепловозном дизеле.
- : Исследование процесса горения вращающегося факела с наложением
электростатического поля.
Разработка системы рециркуляции отходящих газов для дизеля и газовой турбины.
Совершенствование работы форсуног тепловозных дизелей.
Сокращение воздействия критической функции — режима холостого хода за счет совершенствования процесса пуска.
Разработка стратегии модернизации магистральных тепловозов путем совместного использования дизеля и газовой турбины на одном локомотиве с целью эффективного снижения затрат на топливно-энергетические ресурсы.
Разработка метода формирования творческих групп для проведения мозговых штурмов с синсргстическим эффектом с целью совершенствования тепловозов.
Методы проведения исследован: й. При разработке модернизаций локомотивов использованы методы вепольного моделирования на основе теории решения изобретательских задач(ТРИЗ).
Для анализа индикаторных диаграмм діпелеп типа ДНЮ па режиме холостого хода использован метод теории катастроф.
При анализе статистических данных с помощью ЭВМ использована программа Mathcad.
При анализе возможности использования внутреннего интеллектуального капитала при модернизации локомотивов для поиска конкретных решений предложено использовать метод мозгового штурма с синергетическим эффектом.
Научная новизна работы
Разработаны аналитические зависимости для оценки степени невыполнения функциональных свойств сложных систем, что дает возможность при ограниченных ресурсах определить приоритетность инновационного воздействия на функции системы и разрабатывать стратегические программы по модернизации тепловозов, а также использовать в статистических методах тотальной системы управления качеством (TQM) с целью определения приоритетности инвестирования.
Получен новый эффект увеличения интенсивности горения по величине расширения вращающегося факела до 37% за счет комбинированного воздействия вихревого потока и электростатического поля с положительной полярностью ротора при сравнительно низком напряжении (до 200В).
Выведены формулы расчета коэффициента молекулярного изменения и теплоемкости газовой смеси, а также тепловыделения в цилиндре тепловозного дизеля при работе на любых составах ВТЭ.
Разработан метод анализа двухпиковых индикаторных диаграмм на основе моделей катастроф Тома, который дает возможность анализировать процессы режима холостого хода дизелей с расходящимися поршнями при различных модернизациях форсунок и использовать для анализа любых других колебательных процессов, имеющих двухпиковый характер.
Предлагается стратегия повышения эффективности жизненного цикла магистральных тепловозов путем установки на одной секции газовой турбины вместо дизеля и режимной системы управления теплосиловой установкой с целью обеспечения оптимального эффекта снижения затрат на топливо її улучшения экологических показателей.
Создана методика комплектования участников творческих групп из технико-управленческого персонала железнодорожных предприятий для проведения мозговых штурмов с синергетическим эффектом при разработке стратегии модернизации тепловозов.
Достоверность основных положений и выводов диссертации, . полученных решений и результатов определяется корректностью поставленных задач, применением рациональных математических методов решения и сравнительными испытаниями разработанных автором технических решений в локомотивных депо, на тепловозоремонтных заводах, в лаборатории ВНИИЖТа и на машиностроительном заводе им. Малышева в г. Харькове, проведенных как, лично автором, так и другими исследователями по методике автора.
Практическая значимость.
Для реализации стратегии повышения эффективности жизненного цикла магистральных тепловозов путем комбинированного использования дизеля и газовой турбины на одном локомотиве разработаны запатентованные технические решения:
> Теплосиловая установка транспортного средства (варианты);
>» Устройство для отвода и рециркуляции отработавших газов
теплового двигателя; У Способ работы дизельной форсунки и устройство для его
осуществления.
> Способ работы парогазовой установки и устройство для его
осуществления.
В результате обеспечивается возможность использования альтернативных видов топлива: мазута, смеси мазута и дизельного топлива, ВТЭ и природного газа. Полученный эффект увеличения интенсивности процесса горения вращающегося факела при наложении электростатического поля с положительной полярностью ротора может быть использован для улучшения экономических и экологических показателей двигателей внутреннего сгорания, газовых турбин и котельных установок. Разработана двухфазная система подачи ВТЭ для тепловозных дизелей типа Д100, при которой один ряд форсунок работает на дизельном топливе, а второй ряд на ВТЭ. Данную систему при минимальных капитальных затратах целесообразно использовать в первую очередь в процессе обкатки дизелей после заводского и текущего ремонтов. Предложен способ повышения эффективности работы дизелей типа Д100 на холостом ходу за счет впрыска топлива на этом режиме концентрированной струей вместо трех струй с разными углами наклона, на основе которого был разработан ряд конструкций: на заводе им. Малышева г.Харькова создана 2-режимная форсунка, которая выпускается серийно, а с целью ее совершенствования автором была разработана форсунка с параллельными струями.
Разработана система пуска с использованием независимой обмотки
возбуждения главного генератора путем включения её за 5-7с. перед
включением пусковой обмотки й выключения ее при начале вращения
якоря генератора. В результате повышается надежность пуска,
сокращается расход топлива и масла и увеличивается срок службы
аккумуляторной батареи за счет уменьшения емкости, потребляемой при
пуске и снижения максимального броска тока.
Разработано устройство контактного теплообмена для прогрева
дизеля при стоянке тепловоза. '
Для получения стратегического синергетического эффекта комплексности при использовании газотурбинных днигателей на модернизированных тепловозах показана целесообразность применении их также в стационарных газе турбинных установках (ГТУ) для
одновременного получения тепловой и электрической энергии для подачи в контактную сеть и собственных нужд локомотивных депо и других крупных предприятий ОАО-<РЖД». Годовой экономический эффект в течение первых 10 лет после модернизации 100 тепловозов 2ТЭ10М составляет- 248100 тыс. руб. при сроке окупаемости 1,9 года, а 100 ГТУ мощностью 2,5 МВт для получения электроэнергии и тепла для теплоснабжения - 647700 тыс. руб. при сроке окупаемости 1,2 года. Основные положения, выносимые на защиту:
1. Стратегия модернизации магистральных тепловозов путем установки
на одной секции газовой турбины вместо дизеля и режимной системы
управления теплосиловой установкой. В результате обеспечивается наиболее
эффективный процесс работы тепловоза с минимальными затратами на
топливно-энергетические ресурсы при низком содержании вредных выбросов.
2. Метод расчета степени невыполнения функциональных свойств
сложных систем с использованием ФСА, который дает возможность при
ограниченных ресурсах определить приоритетность инновационного
воздействия на функции системы и разрабатывать стратегические программы
по модернизации тепловозов, а-также использовать в статистических методах
тотальной системы управления качеством (TQM).
3. Метод повышения эффективности горения за счет комбинированного
воздействия вихревого потока, и электростатического поля с положительной
полярностью ротора.
-
Метод анализа двухпиковых индикаторных диаграмм на основе моделей катастроф Тома.
-
Система рециркуляции отходящих газов с отрицательной обратной связью для дизелей и газовых турбин.
-
Способ повышения эффективности работы дизелей типа Д100 на холостом ходу за счет изменения впрыска топлива в камеру сгорания.
7.Способ работы дизельной форсунки с эффектом внутреннего
гидрозапирания иглы. .
8.Система двухфазной подачи ВТЭ для тепловозных дизелей типа Д100 и метод расчета тепловыделения в дизеле при работе на ВТЭ.
9.Система пуска с использованием независимой обмотки возбуждения главного генератора.
10 Устройство контактного теплообмена для прогрева дизеля при стоянке тепловоза.
11.Методика комплектования участников творческих групп из технико-управленческого персонала для проведения мозговых штурмов с синергетическим эффектом при разработке стратегии модернизации тепловозов.
Реализация результатов работы:
1. На основании разработанного автором «Способа работы двигателя внутреннего сгорания с противоположно движущимися поршнями» (а.с. №
832093) на заводе им. Малышева была сконструирована двухрежимная форсунка для дизелей 10Д100, которая выпускается серийно.
-
На основании исследований по вихревому горению и отбору газов для рециркуляции была разработана дымовая труба вихревого типа с системой рециркуляции, которая при установке на два котла по 0,63 МВт в г. Магас республики Ингушетия обеспечила снижение содержания NOx в отходящих газах в 2 раза (акт в приложении диссертации). Свидетельство на полезную модель № 29965 от 24.09.2002 г. «Устройство для отвода дымовых газов из топки котельного агрегата». Затем данное устройство было доработано с возможностью его применения в транспортных дизелях и газовых турбинах и защищено патентом на полезную модель № 35131 от 27.12.2003г.
-
На основании функционального исследования распылителей форсунок тепловозных дизелей для газодизельного процесса разработан неохлаждаемый распылитель и получен патент на изобретение № 2219364 «Способ работы дизельной форсунки и устройство для его осуществления». Изготовленные автором распылители прошли стендовые испытания и переданы в лабораторию альтернативных топлив ВНИИЖТа для установки на дизель K6S310DR тепловоза ЧМЭ-3, который переоборудуется для работы на газе.
4.Результаты исследований использованы в учебнике «Инновационный менеджмент» с рекомендацией Министерства общего и профессионального образования Российской Федерации, учебных пособиях: «Применение функционально-стоимостного анализа для повышения эффективности работы локомотивов», «Инновационный менеджмент» и монографии «Повышение эффективности работы тепловозов за счет модернизации их на основе методов инновационного менеджмента».
Апробация работы. Результаты поэтапной разработки проблемы
докладывались на конференциях: научно-технических в РГУПСе (г. Ростов н/Д,
1985-2000 г.); международной научно-теоретической «Актуальные проблемы
фундаментальных наук» (г. Таганрог, 1994 г.); межвузовской научно-
практической (г. Самара, 1993 г.); межвузовской научно-методической
«Исследовательская работа студентов в учебном процессе, как способ
повышения творческого потенциала выпускников вузов» (г. Москва, 1990 г.);
всесоюзном научно-техническом совещании «Совершенствование
эксплуатации, технического обслуживания и ремонта техники на основе стандартизации» (г. Горький, 1989 г'.); Всероссийской научной конференции Российской академии наук «Проблемы повышения эффективности функционирования и развития транспорта» (г. Москва, 2002 г.), на НТС комплексного отделения «Тяговый подвижной состав и электроснабжение» ВНИИЖТа (г.Москва, май 2006 г), на расширенном научно-техническом семинаре кафедры «Локомотивы» СамГАПС (г.Самара, апрель 2006 г).
Публикации. По материалам диссертации автором опубликовано 46 печатных работ, в том числе 1 моноірафия, 1 учебник для вузов, 2 учебных пособия, 8 изобретений, из них 3 одновременно на способ и устройство, 5 полезных моделей и 29 статей и тезисов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных источников и 6 приложений. Работа изложена на 257 с. машинописного текста, который содержит 57 рис., 25 табл., библиографию из 201 названия и приложений на 11 с.
