Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ применения модернизации для обновления парка тепловозов в Пространстве 1520 и ЕС. 12
1.1. Основные аспекты выбора объектов модернизации локомотивов. 12
1.2. Обновление парка локомотивов в странах СНГ. 17
1.3. Объёмы и глубина модернизации парка локомотивов в странах EC . 24
1.4. Стратегия решения проблемы модернизации тепловозов, задачи исследования. 36
Выводы. 37
2. Стратегия определения объёмов модернизации с использованием понятия стоимости жизненного цикла – LCC. 40
2.1. Методика определения объектов модернизации, на основе анализа состояния эксплуатируемого парка и прогнозов объема перевозок 40
2.2. Методика разработки технических требований к модернизируемым локомотивам. 47
2.3. Методология оценки LCC тепловозов при вариации компоновок и конструкционных изменений при модернизации 51
2.3.1. Особенности оценки стоимости жизненного цикла для ТПС. 54
2.4. Разработка новых узлов и теоретический анализ процессов, характерных для агрегатов тепловозов при модернизации. 64
2.4.1. Основные положения методики моделирования процесса
управления дизель - генератором на переходных режимах. 65
2.4.2. Разработка математической модели нестационарных процессовкомбинированных двигателей с импульсным наддувом. 67
2.4.3. Методика расчета показателей работы тепловозных дизель - генераторов в режимах эксплуатации 76
2.4.4. Методология выбора рациональных скоростных характеристик и временных компонентов LCC тепловозных дизель-генераторов 84
2.5. Методология выбора объёмов модернизации для тепловозов 90
Выводы. 94
3. Результаты применения методологии с понятием LCC на примерах выбора и реализации объемов модернизации парка тепловозов польских железных дорог . 97
3.1. Анализ модернизации тепловозов польских железных дорог в период 1994 – 2000гг. 97
3.2. Влияние оптимизации скоростных характеристик и переходных процессов на величины временных составаляющих LCC. 107
3.3. Применение конструкторских решений для снижения величины LCC при расширении области тяговых режимов тепловозов. 118
3.4. Примеры реализации объектов модернизации тепловозов,
затрагивающих существенное обновление оборудования. 126
3.4.1. Модернизация маневрового тепловоза SМ42 путём замены дизель-генераторной установки, изменения системы управления, улучшения условий работы локомотивной бригады 126
3.4.2. Подтверждение достоверности методологии на примере модернизации тепловоза SМ42 путём установки двух дизель – генераторов. 139
3.4.3. Модернизация пассажирского тепловоза SР32 путём замены дизеля, совершенствования системы управления, улучшения
условий работы локомотивной бригады. 148
3.4.4. Модернизация тепловоза SМ42 путём замены дизель -генераторной установки и применения передачи переменноготока 160
3.4.5. Перспективы снижения стоимости жизненного цикла при модернизации тепловозов путем создания модульных дизель -генераторных установок. 165
Выводы. 172
4. Результаты применения разработанной методологии при модернизации тепловозов польских железных дорог 174
4.1. Результаты эксплуатационных испытаний модернизированных тепловозов. 174
4.1.1. Результаты испытаний электронного регулятора частоты вращения и мощности на тепловозе SM42. 174
4.1.2. Результаты испытаний модернизированного тепловоза серии SM42
с приводом тяговых двигателейт от аккумуляторной батареи 175
4.1.3. Результаты испытаний модернизированного тепловоза серии SM42 178
4.1.4. Результаты испытаний модернизированного двухдизельного тепловоза серии SM42. 185
4.1.5. Результаты испытаний модернизированного тепловоза серии М62 187
4.2. Оценка эффективности модернизации тепловозов польских железных дорог. 189
4.2.1. Результаты анализа LCC модернизации тепловозов серии SM31
при реализации оптимальной характеристики нагружения. 190
4.2.2. Результаты анализа LCC модернизации тепловозов серии SM42. 196
4.2.3. Результаты анализа LCC модернизации тепловозов серии SM42
с двумя дизель - генераторными установками 199
4.2.4. Результаты анализа LCC модернизации тепловозов серии SР32 204
4.2.5. Результаты анализа LCC модернизации тепловозов серии М62 209
4.3. Развитие отдельных отраслей промышленности связанных с выполнением необходимых объёмов модернизации и подготовка кадров 217
Выводы. 221
Заключение. 224
Список литературы
- Объёмы и глубина модернизации парка локомотивов в странах EC
- Методология оценки LCC тепловозов при вариации компоновок и конструкционных изменений при модернизации
- Влияние оптимизации скоростных характеристик и переходных процессов на величины временных составаляющих LCC.
- Результаты испытаний модернизированного тепловоза серии SM42
Объёмы и глубина модернизации парка локомотивов в странах EC
Объём модернизации для вышеуказанной серий тепловозов был выбран с учётом основных требований предъявляемых компанией DB AG: сохранение основной конструкции тепловозов (кузова / капотов, кабин машиниста); исключение вмешательства в конструкцию элементов, подлежащих испытаниям в процедуре допуска (сертификации) - тормозов, рамы локомотива, тележек.
Для магистральных тепловозов базовой серии 232 (годы постройки 1972 - 82) с электрической передачей, оба вышеуказанные варианты модернизации / ремоторизации нашли применение. В частности, в зависимости от степени износа блока цилиндров принималось решение о модернизации с заменой или без замены дизеля.
Во время ремоторизации на тепловозы этой серии устанавливались дизеля 12Д49М мощностью 2220 кВт и 2-5Д49М с повышенной до 2940 кВт мощностью - тепловозы серии 241, которые прошли научно-техническое обоснование для этой серии локомотивов. Серийный тяговый синхронный генератор замене не подлежал. Объём дополнительных работ проводимых в ходе ремоторизации был определён на основе анализа технического состояния и надёжности отдельных узлов, деталей и систем тепловозов. Реализация выбранного объёма работ позволила: улучшить условия работы дизеля: усовершенствование системы воздухоснабжения, смазки, подогрева воды дизеля («тёплый» запуск), внедрение системы диагностики дизеля; заменить отдельные элементы электрической системы элементами с повышенной надёжностью; устранить причины износа узлов и частых отказов: применение гибких соединений труб и современных уплотнений, надёжных устройств против боксования и юза, установка систем гребнесмазывания, изменение геометрии моторно-осевого подшипника; применить новые сорта горюче-смазочных материалов; оптимизировать систему технического обслуживания и ремонта.
По вышеуказанному объёму были модернизированы 74 единицы тепловозов базовой серии 232. В результате этих мероприятий у всех серий тепловозов 232 из плановых ремонтов были фактически исключены ремонты ТР-2 и ТР-3. На сегодняшний день благодаря проведенной модернизации для локомотивов серий 232 - 241 коэффициент технической готовности достиг значения 0,944 [36].
Объём модернизации почти 40 летних маневрово-вывозных тепловозов базовой серии 290 с гидропередачей был определен с учётом выполнения требований оператора DB Cargo, т. е. повышение мощности, унификация гидропередач, сокращение текущих расходов на обслуживание и ремонт, снижение расхода топлива, ограничение вредных выбросов, продление срока службы на 16 лет.
Выбранный объём модернизации предусматривал выполнение следующих работ: установка нового быстроходного дизеля MTU Serie 4000-R41 с повышенной до 1000кВт мощностью (серийный дизель имел мощность 810кВт); установка усовершенствованной гидропередачи и карданных валов; реконструкция топливной, выпускной систем и воздухоснабжения; установка новой системы охлаждения дизеля с гидроприводом вентилятора, а также агрегата предварительного подогрева воды; установка винтового компрессора с гидроприводом.
В результате модернизации тепловоза улучшились тяговые свойства локомотива для обеих режимов работы - маневрового и вывозного. Установка нового дизеля позволяет получить экономию топлива, уменьшение вредных выбросов в атмосферу с выхлопными газами, упростить техническое обслуживание [39]. Срок службы тепловоза после модернизации продлён на 16 лет. По вышеуказанному объёму был модернизирован парк тепловозов серии 290 в количестве 400 единиц.
Подобный объём модернизации, как для локомотивов серии 290, был внедрён на маневровых тепловозах базовой серии 360 (постройки начала 1960-х годов) с гидропередачей. В качестве нового дизеля применён двигатель Caterpillar типа 3412 мощностью 600кВт [40].
Другой подход к обновлению локомотивного парка в Германии был применён на универсальных магистральных тепловозах серии V200.1 (постройки 1963-1965 годов) с гидропередачей эксплуатируемых частным оператором в пассажирском и грузовом движении
Методология оценки LCC тепловозов при вариации компоновок и конструкционных изменений при модернизации
В связи с высокой ценой инвестиционных проектов при обновлении ПС, мероприятия по модернизации локомотивов должны быть предварительно тщательно проанализированы с точки зрения экономической эффективности. Экономическая оценка альтернатив по критерию наименьшей стоимости жизненного цикла является более эффективной и прозрачной, чем такие показатели как чистая экономия, коэффициент эффективности затрат, внутренняя норма прибыли и срок окупаемости. В рамках анализа LCC для ПС оцениваются и анализируются все статьи затрат. Это особенно полезно при сравнении альтернативных решений локомотивов, отвечающих одним и тем же эксплуатационным требованиям, но отличающихся первоначальными и эксплуатационными затратами, когда такое сравнение осуществляется с целью выбора экономически наиболее эффективного варианта.
Вопросам применения анализа LCC в виде инструмента в процессе принятия решений при реализации новых инвестиций в железнодорожной отрасли уделяется в последнее 10 лет большое внимание. Свой вклад в решение названной проблемы, как в теоретическом, так и практическом плане, внесли и вносят учёные и специалисты Союза европейской железнодорожной промышленности, ОАО РЖД, ВНИИЖТ, Украинской государственной академии железнодорожного транспорта, CNTK г. Варшава, Института подвижного состава Краковской Политехники, изготовители ПС и ряда организаций по разработке и внедрению нормативных документов и руководств по вопросам LCC.
В работах Павлова Л.Н. [70,71], Осяева А.Т. и др. [72,73], Wolframa T. [74], работе [75] представлены результаты проработок теоретических вопросов связанных с понятием стоимости жизненного цикла – LCC, для ТПС,
составляющими LCC, необходимостью применения анализа LCC для ТПС, а также вопросами стандартизации определения стоимости жизненного цикла на железнодорожном транспорте различных стран.
В монографии под ред. Тартаковского Э.Д. [76] представлен подход и принципы создания методологии оценки стоимости жизненного цикла и её составляющих для ТПС железных дорог Украины. Сделан анализ мирового опыта по вопросам адаптации категории LCC к условиям эксплуатационной работы ТПС, а также современных научно-практических подходов к применению анализа LCC для экономической оценки альтернатив поставок железнодорожной техники.
В методике ОАО РЖД [77] определены основные понятия жизненного цикла, стадий жизненного цикла, стоимости жизненного цикла и её оценки. В этом документе также выделено шесть стадии жизненного цикла.
В работе Alftera R. [78] приведены результаты анализа LCC выполненного на этапе разработки конструкции нового рельсового автобуса Regio Sprinter.
В статьи [79] сопоставлены результаты анализа LCC серийного тепловоза 232 (ТЭ109) и современного серии ЕR20, эксплуатируемых компанией EVB, Германия.
Анализ вышеуказанных работ, нормативной документации, а также руководств по вопросам понятия и анализа стоимости жизненного цикла изделия на железнодорожном транспорте, показал следующее:
в настоящее время не существует детальной стандартной методики оценки стоимости жизненного цикла ТПС. В то же время показатель LCC является наиболее объективным стоимостным показателем для железнодорожной техники;
в нормативных документах Евросоюза и других стран указаны вопросы, касающиеся жизненного цикла железнодорожного транспорта, стандартизации определения жизненного цикла, а также общие рекомендации проведения анализа LCC; в каждой стране, научная организация или производители стараются по своему толковать понятие жизненного цикла, и соответственно рассчитывать его стоимость.
С начала 2000-о года в Польше при проведении тендеров на поставку ТПС и других технических систем, одним из важнейших критериев оценки поступивших предложений является показатель стоимости жизненного цикла тяговой единицы. Обоснованием процесса приобретения наиболее эффективных для отечественных условий эксплуатации образцов нового ПС, а также вариантов модернизации существующей техники, стал критерий наименьшей стоимости жизненного цикла.
Сдерживающим фактором на пути широкого использования этого способа выбора наиболее эффективного варианта тяговой единицы являлось в это время отсутствие в стране единой методологии анализа LCC применительно к железнодорожной технике. Учитывая эти обстоятельства в Институте подвижного состава Краковской Политехники, с участием автора, проводились работы по вышеуказанной проблеме, которые завершились разработкой обобщённой методологии проведения анализа LCC для ТПС.
Влияние оптимизации скоростных характеристик и переходных процессов на величины временных составаляющих LCC.
Цикл теплосмен состоит из фазы переходного процесса, характеризующейся забросом температуры, и фазы установившегося режима. Результаты расчета показали, что в установившемся режиме , т.е. количество повреждений , накопленных ЦПГ за один цикл, где - предельное количество циклов теплосмен до разрушения при напряжении для переходного режима. Тогда доля накопленных повреждений за время Ат работы тепловоза равна й Уїїц ( ) где п- общее количество циклов теплосмен.
Число циклов теплосмен с определенными максимальными температурами определялись методом укрупненных размахов по результатам расчета заданной маневровой работы тепловоза.
Количественная оценка изменения долговечности деталей ЦПГ дизеля a8C22W проводилась применительно к цилиндровым крышкам, используя кривую усталости, представленную на рисунке 2.7, а.
На основании результатов термометрирования цилиндровой крышки и измерений температуры отработавших газов перед турбиной была получена функциональная зависимость средней температуры днища цилиндровой крышки (перемычки между выпускными клапанами) от температуры перед турбиной Тт : ( ) где кт - коэффициент пропорциональности.
Расчет стоимости С р технического ообслуживания и ремонта в зависимости от накопленных повреждений в цилиндровых крышках производится следуюим образом. Ииспользуя статистические данные о количестве отказов цилиндровых крышек дизелей a8C22W, установлены затраты, связанные с ремонтом, заменой поврежденных крышек и простоем тепловоза в неплановом ремонте. Для серийного тепловоза SМ31 и SM42 они составвили в переводе на одну секунду работы тепловоза соответственно - 2,92 10"5 усл.ед./с и 0,12 10"5 усл.ед./с. Зависимость стоимости дополнительного ремонта дизеля С р от величины накопленных повреждений в цилиндровых крышках (Тв) определяется путем моделирования заданной маневровой работы с расчетом доли накопленных повреждений. В результате расчета установлено, что для дизеля a8C22W при серийной настройке тепловозной характеристики и стоимости ремонта 2,92 10-5 усл.ед./с, величина составляет 0,0029, для дизеля a8C22 при стоимости ремонта 0,12 10-5 усл.ед./с - = 0,000125. При отсутствии накопленных повреждений стоимость ремонта С р равна нулю. Зависимость С р = С р( ) указана на рисунке 2.7, б).
При наличии статистических данных о надёжности деталей и режимах работы дизелей типа a8C22(W) можно сопоставить расчётные значения повреждаемости с фактическими данными и определить некоторую зависимость предельного числа рабочих циклов от температуры крышки, сопоставимую с базовой экспериментальной зависимостью (рисунок 2.7, б).
Согласно изложенной выше методике составлен алгоритм выбора тепловозных характеристик тепловозов. Подробнее аспекты выбора рациональной характеристики нагружения для тепловоза SM31 рассматриваются ниже в разделе 3.2. Методология выбора объёмов модернизации для тепловозов
В настоящее время модернизацией серийных тепловозов ПЖД занимаются главным образом ремонтные заводы, в задачу которых входило, до того времени, поддержание в рабочем состоянии тепловозов путём выполнения различного вида ремонтных работ.
Специалистам этих заводов пришлось переориентироваться с задач создания оборудования и оснастки для ремонта локомотивов на задачи модернизации существующих конструкций тепловозов. Однако эти специалисты не в состоянии были решать сложные проблемы расчёта, проектирования, производства и испытаний в стране новых узлов для более современных тепловозов, получаемых в результате модернизации. Поэтому в условиях Польши процесс выбора комплектующих для вариантов модернизации тепловозов осуществлялся, главным образом, путём тесного сотрудничества учёных и специалистов с зарубежными производителями основного современного оборудования для локомотивов. Это сотрудничество заключалось, во-первых, в поставке производителями готовой технической и технологической документации на выбранные изделия. Во-вторых, в проведении соответствующих анализов и расчётов узлов и систем, устанавливаемых на тепловозах, и в третьих, в участию специалистов фирм-производителей в наладочных работах, а также приёмосдаточных и эксплуатационных испытаниях локомотивов после модернизации. Благодаря такому подходу все участники процесса модернизации ТПС – научные организации, проектные бюро, а также ремонтные заводы, получили доступ к новым, современным и проверенным в эксплуатации технологиям, что исключило появление возможных рисков при создании новой продукции, а также необходимость нести в этой области существенные финансовые затраты. Таким образом, центр тяжести в работе специалистов заводов, при модернизации тепловозов, переместился в сторону решения вопросов по размещению и установке на локомотивах оборудования в рамках выбранного, научно обоснованного, варианта комплектации тепловоза для модернизации.
Результаты испытаний модернизированного тепловоза серии SM42
Представляет интерес сравнение эксплуатационной экономичности дизелей С27 и С15 в различных вариантах работы силовых установок на тепловозе SM42. Как видно на рисунке 3.18, по топливной экономичности двигатели С15 уступают дизелям С27. Расход топлива дизелем С15, в зависимости от исполнения двигателя, во всём диапазоне частоты вращения коленчатого вала на 4– 8% выше.
Предположим, что работа, выполняемая силовой установкой (с дизелем С27) на режимах, соответствующих мощности Ре = 500 и 700кВт, будет произведена двумя Д-Г с дизелями С15, то есть с мощностью соответственно 2х250 и 2х350кВт. В этом случае для выполнения этой работы будет затрачено топлива на 5 - 7% больше для каждого вышеуказанного режима работы Д-Г (без учёта холостого хода).
Проанализируем эксплуатационную экономичность тепловозов SM42 в режиме работы одной силовой установки с дизелем С27 и С15 при мощности Ре = 250кВт. Из анализа изменения удельного расхода топлива (рисунок 3.18) вытекает, что эффективный расход топлива дизелем С27, для вышеуказанной величины мощности, в среднем на 3-5% меньше расхода дизелем С15. Работа, выполняемая дизелем С27 будет произведена при частоте вращения коленчатого вала 800 об/мин, а дизелем С15 около 1050об/мин. Увеличение в данном случае частоты вращения на 31% приведёт в эксплуатации к ускоренному износу деталей ЦПГ дизелей С15, то есть к удорожанию стоимости работы маневрового тепловоза SM42 (см. раздел 2.4.4).
Из выше проведенных анализов следует, что по топливной экономичности двухдизельный тепловоз SM42, при работе одной или двух Д-Г установок, уступает однодизельному варианту. Эксплуатация двухдизельного локомотива, при периодической работе только одного из Д-Г, тоже не принесёт ожидаемых эффектов в области продления срока службы дизелей до планового заводского ремонта.
В этом месте следует отметить, что к подобным выводам, по вопросам сравнения топливной экономичности тепловозов, оборудованных одним или многими дизелями, пришли специалисты компании Siemens в работе [94].
Более полная картина, касающаяся сравнения топливной экономичности -расходов на топливо, одно - и двухдизельного тепловоза SM42 будет получена в результате анализа стоимости жизненного цикла локомотивов с учётом осреднённых режимов работы их силовых установок в эксплуатации. Оценка прогнозируемых тяговых свойств модернизированного двухдизельного тепловоза SM42 проводилась на основе анализа расчётных тяговых характеристик и характеристики равновесных скоростей локомотива, см. рисунок 3.19.
Опыт эксплуатации модернизированных тепловозов SM42 с дизелями С27 на ПЖД и промышленных предприятиях показал, что локомотивы расформировывают составы весом 15000кН и более с приемлемой участковой скоростью при серийной параллельной схеме соединения ТЭД – 4 х 1 (см. раздел 4.1.3). Исполнитель модернизации предложил сохранить на двухдизельных тепловозах SM42 серийную схему соединения ТЭД.
Как видно на рисунке 3.19, тяговая характеристика двухдизельного тепловоза SM42, при работе обеих Д-Г, проходит выше характеристики локомотива с одним Д-Г (дизель С27). Тяговые генераторы двухдизельного локомотива соединены параллельно, то есть максимальный ток в течение 5 мин (за выпрямителями) достигает величины около 2100А (таблица 3.7). Эти обстоятельства позволяют констатировать, что двухдизельный тепловоз SM42, в режиме работы двух Д-Г, выполнит требования компании-оператора по тяговым свойствам для работы с составами весом 15000кН и более.
Представляет интерес оценка тяговых свойств двухдизельного тепловоза SM42 при работе с поездами весом 15000кН в режиме работы одной силовой установки. Анализируя график равновесных скоростей - рисунок 3.19, можно полагать, что достижению равномерной скорости локомотива, с составом весом 15000кН на участке i=0, будет предшествовать продолжительный разгон с неприемлемыми, по условиям маневровой работы, скоростями движения. Надо ожидать, что в реальных условиях эксплуатации маневрово-вывозная работа тепловозов SM42, с включенным одним дизелем, будет осуществляться при значительно меньших весах составов.
В результате проведённых автором тяговых анализов, рассматриваемые выше режимы работы тепловоза SM42, при включенной одной силовой установке, затруднительно будет реализовать также в варианте соединения ТЭД по последовательно - параллельной схеме – 2 х 2, при сохранении максимальных параметров серийных ТЭД – UМАХ = 800В и IМАХ = 556А. Однако именно этот вариант соединения ТЭД был рекомендован автором к применению на двхдизельном тепловозе SM42.
Из вышесказанного следует, что отмечаемое некоторыми специалистами преимущество от применения двухдизельного локомотива, за счёт возможности использования одного из двух дизель-генераторов, не найдёт в данном случае подтверждения в эксплуатации.
В ходе технического анализа целесообразности модернизации тепловозов SM42 в двухдизельном исполнении прорабатывался вопрос выбора оптимального алгоритма работы силовых установок. Анализируя имеющийся зарубежный опыт по эксплуатации ново построенных двухдизельных тепловозов, автором предложены следующие варианты режимов работы Д-Г установок на тепловозах SM42:
