Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ систем и технических средств учета расхода топлива маневровыми тепловозами 15
2 Разработка технических требований к перспективным автоматизированным системам учета и анализа расхода топлива маневровыми тепловозами
2.1 Общие технические требования к системам 27
2.2 Требования к подсистеме измерения количества топлива в баке 30
2.3 Требования к подсистеме «бортовой регистратор»
2.3.1 Выбор и обоснование набора параметров, характеризующих объём работы, выполняемой маневровым тепловозом 38
2.3.2 Требования к бортовому регистратору 42
2.4 Требования к стационарной подсистеме обработки данных 46
3 Анализ методов измерения количества топлива в баках тепловозов, типов и конструкции датчиков топливомеров 52
3.1 Методы измерения количества топлива в резервуаре 52
3.2 Лабораторные испытания датчиков топливомеров
3.2.1 Лабораторный стенд для испытания датчиков топлива 59
3.2.2 Испытания гидростатических датчиков ЗОНД 62
3.2.3 Испытания ёмкостных датчиков СИТ 68
3.2.4 Перспективный датчик топлива - ИГЛА 74
3.3 Разработка технических решений по установке датчиков топлива на тепловозах 74
3.3.1 Конструкции топливных баков серийных маневровых тепловозов, их контролепригодность и градуировочные характеристики 74
3.3.2 Выбор способа установки датчиков на баке с обеспечением необходимой зоны измерения
3.3.3 Модернизированный датчик ДТК21-1 для установки на топливный бак маневрового тепловоза 85
3.4 Результаты лабораторных испытаний партии датчиков ДТК21-1 88
4 Комплексная система для сбора и обработки данных о расходе топлива тепловозами ЧМЭЗ 90
4.1 Бортовой регистратор данных о расходе топлива 90
4.1.1 Блок-схема бортового регистратора 90
4.1.2 Алгоритм и особенности организации работы бортового регистратора 93
4.1.3 Перспективы развития бортовых регистраторов в составе систем учёта расхода топлива с дистанционной передачей данных 95
4.2 Стационарная подсистема обработки зарегистрированных на борту тепловоза данных 96
4.2.1 Состав и организация работы стационарной подсистемы 96
4.2.2 Общий алгоритм обработки данных регистрации 98
4.2.3 Определение расчетного значения расхода топлива тепловозом за смену работы машиниста 101
4.2.4 Алгоритм обработки исходного файла с данными регистрации. 105
4.2.5 Алгоритм использования результатов обработки данных регистрации 110
4.3 Программное обеспечение стационарной подсистемы обработки данных 114
4.3.1 Порядок работы с программой при обработке исходных данных 114
4.3.2 Учёт и анализ расхода топлива на основе результатов обработки 119
5 Исследование работы автоматизированной системы учёта и анализа расхода топлива тепловозами в эксплуатации 125
5.1 Данные о комплексе испытаний системы на тепловозах и о внедрении системы на железных дорогах 125
5.2 Реализация функции контроля количества топлива в баке
5.2.1 Чувствительность системы при измерении количества топлива 127
5.2.2 Измерение плотности топлива 128
5.2.3 Измерение параметров топлива при экипировке тепловоза 129
5.2.4 Влияние наклона бака на точность измерения количества топлива
5.3 Эксплуатационные испытания опытного образца системы 133
5.4 Факторы, влияющие на учёт расхода топлива тепловозом
5.4.1 Автоматизация измерения плотности топлива 140
5.4.2 Нарушение сообщения бака с атмосферой 145
5.4.3 Влияние отрицательных температур окружающей среды 146
5.4.4 Расход топлива не по назначению 148
5.4.5 Некоторые особенности эксплуатации тепловоза 150
5.5 Результативность автоматизации учёта расхода топлива маневровыми тепловозами 152
6 Технико-экономическая эффективность системы в локомотивных депо ... 154
6.1 Основные технико-экономические составляющие эффективности системы 154
6.2 Методический подход к оценке фактической эффективности системы 154
6.3 Эффективность системы на маневровых тепловозах ЧМЭЗ локомотивного депо Лянгасово Горьковской железной дороги 155
6.4 Эффективность системы на маневровых тепловозах ЧМЭЗ
локомотивного депо Новомосковск Московской железной дороги 157
Заключение 161
Список использованных источников
- Выбор и обоснование набора параметров, характеризующих объём работы, выполняемой маневровым тепловозом
- Испытания гидростатических датчиков ЗОНД
- Перспективы развития бортовых регистраторов в составе систем учёта расхода топлива с дистанционной передачей данных
- Автоматизация измерения плотности топлива
Введение к работе
Актуальность темы.
За 6 месяцев 2010 г. суммарный пробег локомотивов в маневровой работе по сети дорог ОАО «РЖД» составил 75,21 млн км. При этом средний по сети удельный расход топлива на маневровую работу был равен 414,5 кг условного топлива на 100 локомотиво-км (лок-км), соответствующие затраты ОАО «РЖД» составили около 4,3 млрд. руб.
Действующая в локомотивных депо система учета расхода топлива маневровыми тепловозами имеет ряд недостатков и не исключает несанкционированный отбор топлива. В настоящее время в локомотивных депо железных дорог расход топлива маневровым тепловозом за смену работы определяется машинистом по разности объёмов топлива в начале и конце рабочей смены, определяемых визуально по топливомерам бака локомотива. Замеры выполняются с использованием проградуированных щупов, или линеек, установленных возле мерных стёкол топливомеров. Штатные топливомеры тепловозов одной из наиболее массовых серии – ЧМЭ3 имеют две неконтролируемые зоны по 250 л из-за перемычек между мерными стёклами, что в ряде случаев затрудняет замеры. В условиях эксплуатации замеры топлива часто осложняются из-за загрязнения мерных стёкол и плохой видимости мениска.
При определении массы израсходованного за смену топлива используется значение его плотности, измеряемое на складе топлива работниками химической лаборатории два раза в сутки. При этом машинист в период до следующей экипировки использует для расчёта массы топлива значение плотности по данным на дату последней экипировки. В связи с суточными колебаниями температуры, а также из-за влияния подогрева топлива значение его плотности, принятое для расчётов, может значительно отличаться от фактического. С этим связана дополнительная погрешность в определении массы израсходованного топлива. Отметим, что практически не учитывается плотность остатка топлива в баке перед набором. Она может значительно отличаться от плотности топлива, заливаемого в бак, так как плотность дизельного топлива, применяемого на российских железных дорогах, изменяется в широких пределах и зависит от качества перерабатываемой нефти и технологии получения из нее топлива.
Первичный учёт расхода топлива тепловозами выполняется в группах учёта локомотивных депо, в которых данные маршрутов машиниста переводятся в электронный вид для последующей их обработки в дорожных информационных системах. Таким образом, до перевода данных в электронный вид, на учет топлива дважды влияет «человеческий фактор».
Эффективный контроль за расходованием топлива невозможен без объективного нормирования. Основными измерителями по утверждённым методикам являются расходы топлива на 100 лок-км и на 1 час работы. При этом норма расхода топлива за смену определяется умножением измерителей на выполненную локомотивом работу. Показатели работы при существующей неравномерности загрузки локомотивов по различным сменам и в течение смены существенно отличаются. При этом определение норм и их корректировка для разных видов работы носят во многом приближённый характер от достигнутого. Расхождение норм и реальных расходов топлива на маневровую работу создают условия для того, что только по официальным данным Департамента безопасности за 6 месяцев 2009 года в целом по сети железных дорог было выявлено или пресечено 152 попытки хищения с участием работников железнодорожного транспорта 90 тонн дизельного топлива на сумму 1,4 млн. руб. Отметим, что снижение удельного расхода топлива на маневровую работу на 1 % приведёт к сокращению расходов на приобретение топлива на 43 млн. руб.
В связи с этим, вопросы достоверного учета, анализа, нормирования и контроля расходования топлива маневровыми тепловозами являются актуальными, и одним из важнейших направлений решения проблемы экономии топлива маневровыми тепловозами является автоматизация этих процессов.
Целью работы является обоснование и разработка автоматизированной системы учёта и анализа расхода топлива для обеспечения снижения удельного расхода топлива маневровыми тепловозами и исследование её работы и эффективности в эксплуатации.
Задачи исследования. В соответствии с целью в диссертации были поставлены и решены следующие задачи:
1. Проанализированы известные системы и технические решения по контролю и учёту расхода топлива маневровыми тепловозами.
2. Определена структура комплексной информационно-аналитической системы – КИАС для измерения, учёта, анализа и контроля за расходованием дизельного топлива маневровыми тепловозами в эксплуатации и сформулированы требования к трём основным структурным составляющим КИАС: подсистеме измерения количества топлива в баке тепловоза – СИТ, бортовой подсистеме регистрации параметров топлива и работы тепловоза – БСР и стационарной подсистеме обработки данных – СПОД.
3. Оценены достаточные точность и периодичность измерения количества топлива в баке тепловоза.
4. Выбран метод измерения количества топлива в баке тепловоза, разработан блок датчиков топливомера и конструктивные решения по его установке на маневровом тепловозе.
5. Определён набор параметров работы тепловоза и его дизель-генераторной установки, замер которых обеспечивает количественное и качественное описание выполняемой маневровым тепловозом работы.
6. Разработана стационарная подсистема, устанавливаемая в депо и обеспечивающая в автоматизированном режиме считывание данных регистрации измеренного расхода топлива маневровыми тепловозами данного депо, анализ и контроль за потреблением топлива на основе разработанных алгоритмов и программного обеспечения.
Объектом исследования является комплексная информационно-аналитическая система учёта расхода топлива маневровыми тепловозами.
Предметами исследования являются основные составляющие комплексной информационно-аналитической системы (КИАС) учёта расхода топлива маневровыми тепловозами – СИТ, БСР, СПОД.
Методы исследования. Анализ известных технических решений проблемы автоматизации измерения расхода топлива маневровыми тепловозами выполнялся с использованием метода экспертных оценок с учётом современных требований и новых технических возможностей. Обработка и выбор основных параметров КИАС основывались на вариантном конструировании и изготовлении вариантов узлов системы и сравнении их показателей на лабораторном стенде и на маневровых тепловозах в эксплуатации. Количественные оценки, настройка и тестирование алгоритмов проведены с помощью современных методов автоматизации измерений и обработки данных. При обработке и анализе экспериментальных данных использовались методы теории вероятности и математической статистики.
Научная новизна работы:
- Решена задача учёта и факторного анализа расхода топлива маневровыми тепловозами с использованием известных физических закономерностей – емкости трубчатого конденсатора от уровня его заполнения топливом и плотности топлива от диэлектрической проницаемости, а также на основе определённых в работе регрессионных зависимостей фактического расхода топлива тепловозом от расчётных значений. При этом расчётный расход топлива определяется по результатам обработки зарегистрированных на борту тепловоза параметров работы его силового и вспомогательного оборудования;
- определены минимально необходимые состав и количество контрольных параметров работы маневрового тепловоза (для тепловоза массовой серии ЧМЭ3 – 8 параметров) и на этой основе разработаны алгоритмы, обеспечивающие автоматизированный расчёт и анализ расхода топлива маневровыми тепловозами с выработкой рекомендаций по сокращению непроизводительных составляющих расхода топлива.
Достоверность полученных результатов и выводов подтверждена расчётами, статистическим анализом и положительным опытом эксплуатации разработанной системы в 25 локомотивных депо ОАО «РЖД».
Практическая ценность работы. Основные результаты, полученные в настоящей работе, реализованы во внедряемой с 2004 г. в системе ОАО «РЖД» автоматизированной системе учёта и контроля расхода топлива маневровыми тепловозами – РПРТ (регистратор параметров работы тепловоза). По состоянию на 2009 г. система РПРТ установлена и эксплуатируется более чем на 900 тепловозах ЧМЭ3 всех индексов в локомотивных депо Московской, Горьковской, Северной, Юго-Восточной и Северо-Кавказской железных дорог. Эксплуатация локомотивов, оборудованных такими системами, обеспечила реальную возможность экономии удельного расхода дизельного топлива благодаря эффективному контролю его расхода.
Результаты, выносимые на защиту:
- обоснованность технических решений, применённых при разработке автоматизированной системы учёта и анализа расхода топлива маневровыми тепловозами;
- способ определения расчётного расхода топлива маневровым тепловозом за смену работы машиниста на основе выбранных параметров работы тепловоза, измеряемых в процессе его работы и регистрируемых в бортовом регистраторе с последующей передачей данных для расшифровки;
- алгоритмы обработки данных регистрации в стационарной подсистеме и основные принципы анализа расхода топлива маневровыми тепловозами с разработкой рекомендаций по сокращению его непроизводительной составляющей.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на научно-технических советах отделения «Тяга поездов, экономия топливно-энергетических ресурсов и компьютерная оптимизация перевозочной деятельности железных дорог» ОАО ВНИИЖТ, на технических совещаниях в Управлении планирования и нормирования материально-технических ресурсов ОАО «РЖД», ЗАО ОЦВ, «АВП-Технология» в период 2004-2011 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы, в том числе в ведущих рецензируемых научных изданиях, определённых ВАК Минобрнауки – 2, оформлены: 1 патент на изобретение, 1 патент на полезную модель и 1 патент на программу для ЭВМ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав основного содержания, заключения, списка литературы в составе 85 наименований. Диссертация изложена на 126 страницах основного текста, содержит 58 рисунков, 15 таблиц, и 13 приложений на 17 страницах. Общий объём работы – 186 страниц.
Выбор и обоснование набора параметров, характеризующих объём работы, выполняемой маневровым тепловозом
Среди особенностей системы можно отметить необходимость ручного ввода с клавиатуры информации о количестве заправленного топлива и его плотности при каждом наборе топлива при заявленной точности определения массового расхода ± 1 %. Таким образом, система позволяла учитывать расход топлива дизелем без возможности определения несанкционированного расхода. В ней присутствовал «человеческий фактор» при ручном вводе данных. Система использовалась на магистральных тепловозах серии 2ТЭ116 и не получила широкого распространения.
Учеными кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» МГУПС (МИИТа), доцентами, д.т.н. В.Н. Балабиным, к.т.н. В.З. Какоткиным, А.С. Назаровым, В.В. Домогацким, совместно с фирмой «МЦ - Восток» [1,2,4-6], были созданы универсальные высокоточные ролико-лопастные расходомеры с электронными вторичными приборами для точного замера расхода топлива дизелем. Ролико-лопастные расходомеры предназначены для измерения суммарных объёмов, а также расходов в единицу времени различных рабочих сред (жидкостей и газов). Они обладают высокой точностью, бесшумны в работе, фиксируют даже капельный расход. Приборы долговечны и надежны, в них отсутствуют трущиеся части, а подшипники полностью разгружены в осевом и радиальном направлениях. Могут применяться в качестве эталонных метрологических средств, по сравнению с широко распространенными поршневыми расходомерами, имеют на порядок большую долговечность.
В 2001 г. создан бортовой вариант блока полностью автономных расходомеров 2ОР-40/4СЭ, который был установлен на секцию «А» тепловоза 2М62-565 в локомотивном депо Вильнюс. Вариант установки блока на маневровый тепловоз ЧМЭЗ был проработан в депо Можайск Московской ж.д. При установке предусматривалось изменение существующей топливной системы. В этой системе систематическая ошибка в определении расхода накапливалась по мере расхода топлива, и прибор требовал организации компенсационного изменения коэффициентов тарировки. Для учета по массе требовался ввод в электронный прибор значений плотности при нормальной температуре (20С) и постоянная корректировка этого значения от температур на входе и выходе коллектора низкого давления топлива.
Решением проблемы, связанной с необходимостью использования для измерения расхода топлива двух расходомеров, может служить предложение ученых РГУПС (к.т.н. В.В. Черников), заключающееся в переходе на тупиковую топливную систему. Такая система позволяет установить один расходомер и выровнять температуры топлива при измерении объёма и плотности. Благодаря оригинальным техническим решениям, исключалось влияние пульсаций давления топлива на условия работы расходомера.
Также к устройствам второй группы можно отнести путевой микрокалькулятор, применяемый с 1979 г. на транспортных средствах фирмой «Симка» (Франция) [76] и модуль ОМХ20 австрийской компании «Krai» в комплекте с двумя расходомерами для дизель-поездов [57].
Следует отметить, что учет топлива с помощью расходомеров не исключает «человеческий фактор» в связи с необходимостью постоянного ввода данных о плотности и ручного считывания показаний. При этом не предусматривается учет топлива в баке, т.е. существует возможность нецелевого расхода топлива.
Отмеченные ранее устройства основаны на определении массового расхода с помощью объёмно-массового метода, подразумевающего измерение объёмного расхода и плотности отдельными устройствами. Однако существуют варианты прямого измерения массового расхода, позволяющие снять проблему измерения плотности отдельным прибором или ручного ввода плотности в устройство для последующей корректировки этого значения по температуре. Например, кориолисовый расходомер, работа которого основана на принципе регистрации ускорения Кориолиса [3]. Силы Кориолиса возникают в колебательных системах, когда массовый поток движется к (или от) оси вращения. Практическая реализация на борту таких систем затруднительна из-за значительных габаритов и большой массы, значительной стоимости. Другие конструкции датчиков массового расхода имеют схожие недостатки (длина до 1900 мм и выше, необходимость работы в условиях отсутствия вибраций, что на тепловозе затруднено).
Таким образом, можно отметить, что во всех системах, в которых для определения расхода топлива используются расходомеры, не решаются задачи контроля топлива в баках тепловозов. С этим связано то, что широкого распространения на тепловозах вообще, и на маневровых в частности, подобные системы не получили.
С конца 90-х гг. научно-исследовательскими и производственными организациями отечественных железных дорог проводятся работы по созданию макетных и опытных образцов систем учета расхода топлива третьей группы, на основе измерения его количества в баке.
Одним из пионеров в создании таких систем является Центр внедрения новой техники и технологий «Транспорт», ныне преобразованный в ОАО «НИИТКД». В 1998 г. в локомотивном депо Новосибирск Западно-Сибирской ж.д. опытным образцом системы «БОРТ» был оборудован тепловоз ЧМЭЗ-5298, в 1999 г. был оборудован второй тепловоз - ЧМЭЗ-4821. С помощью системы «БОРТ» [8, 13-16] измеряется ряд параметров, определяющих расход топлива и работу тепловоза, а также его техническое состояние. В том числе: уровень топлива в баке, объём топлива в баке, температура топлива. Эти и другие параметры постоянно регистрируются на электронную карточку машиниста. Кроме того, система позволяет визуально контролировать ряд параметров на тепловозе и сигнализировать машинисту в случае их выхода за пределы допустимых значений.
Разработка системы была выполнена по поручению службы локомотивного хозяйства Западно-Сибирской ж.д. и при поддержке Департамента локомотивного хозяйства. О результатах эксплуатационных испытаний опытных образцов системы разработчиками было доложено на научно-техническом совете МПС РФ в 1999 г.
Испытания гидростатических датчиков ЗОНД
База данных по обработанным файлам регистрации (БД), предназначенная для хранения нормативно-справочной и оперативной информации; фактического и расчетного расхода топлива, временных и количественных параметров работы по каждой поездке (смене машиниста), результирующих данных (подекадно, помесячно, ежеквартально, за полугодие и за год в целом) работы машинистов, локомотивов; - Программный модуль работы с БД, предназначенный для сохранения расчетных параметров по каждой поездке (смене машиниста) в БД, динамического формирования отчетов по запросу пользователя за любой интересующий период, на который имеются данные в БД, в том числе результирующих отчетов по работе машинистов, тепловозов и депо в целом; - Программный модуль печати, предварительного просмотра и рассылки -предназначен для вывода на принтер и сохранения в электронном виде с возможностью передачи по электронной почте таблиц, графиков и диаграмм с результатами обработки данных по учету и контролю расхода топлива; - Программный модуль стыковки с ЦОММ, предназначенный для передачи данных по согласованному протоколу из БД в систему централизованной обработки маршрутов машиниста о фактическом расходе топлива по каждой рабочей смене машиниста.
Программный модуль расшифровки и анализа файлов регистрации должен включать расчетные процедуры для определения: - фактического расхода топлива для каждой поездки (смены машиниста); - расчетного расхода топлива для каждой поездки (смены машиниста); - набора топлива; - значений параметров работы локомотива для формирования посменных отчетов; - расхода энергии на вспомогательные нужды тепловоза; - баланса количества топлива в баке на момент снабжения топливом. До начала эксплуатации аппаратно-программных средств СПОД, необходимо выполнить комплектование нормативно-справочной информации (НСИ) локомотивного депо: - приписному парку маневровых тепловозов, включая такие характеристики как бортовой номер, тип и серия, изменения или модернизация силовой цепи и цепей управления электросхемы, диаметры бандажей колесных пар, особенности установки бортовой аппаратуры для автоматизированного учета расхода топлива; - списочный состав машинистов и данные по каждому из них. Собранную информацию необходимо внести в базу данных стационарной подсистемы обработки СПОД, после проводится опытная эксплуатация (4-6 недель) с необходимой отладкой аппаратных и программных средств.
При оборудовании всего приписного парка депо аппаратурой Автоматизированной системы учета расхода топлива, будет возможно анализировать показатели эксплуатации, напрямую влияющие на расход топлива, такие как степень загрузки всего парка депо в целом и по отдельным тепловозам, распределение тепловозов по участкам работы. Также Система позволит сводить баланс потребления топлива на тягу, организовать более совершенную и объективную систему нормирования топлива.
При достаточном уровне надежности бортовой аппаратуры станет возможной передача данных регистрации в систему ЦОММ. Это позволит повысить достоверность информации, по сравнению с маршрутом машиниста, а также соотнести расход топлива с объективно измеренной фактической работой конкретного тепловоза и машиниста.
Обобщая вышеизложенный материал, можно сделать следующие выводы: - для решения задачи достоверного учета и контроля расхода топлива маневровыми тепловозами, необходима автоматизация процесса измерения расхода топлива и параметров работы тепловоза с последующим сбором и накоплением данных в бортовых регистраторах, и обработкой их в стационарной подсистеме обработки данных; - для достоверного учета расхода и набора топлива необходимо измерять его количество в баке в единицах массы и объёма; - для контроля расхода топлива маневровым тепловозом необходимо фиксировать на борту минимальный набор параметров, характеризующих объём выполненной им эксплуатационной работы, и имеющих достаточно тесную связь с количеством потребного топлива, что позволит определить расчетную величину расхода для каждой смены машиниста; - автоматическое сравнение при расшифровке данных в каждой зарегистрированной смене машиниста фактического расхода с расчетной величиной, и определение результата - экономия или пережог, позволит выявлять неудовлетворительное техническое состояние тепловозов и возможный расход не по назначению, сокращение расхода топлива по указанным статьям составит основу экономической эффективности системы; - наиболее полно предложенным в данной работе требованиям, предъявляемым к автоматизированной системе учета расхода топлива маневровыми тепловозами, удовлетворяют серийно внедряемые в ОАО «РЖД» системы РПРТ, БОРТ и АСК ВИС. Система РПРТ, разработанная с участием автора работы, в отличие от системы БОРТ, позволяет свести к минимуму «человеческий фактор» за счёт автоматического измерения плотности топлива. В отличие от системы АСК ВИС, РПРТ позволяет при оборудовании тепловоза датчиками топлива и при необходимости смены датчика, в большинстве случаев не производить довольно длительную и трудоёмкую операцию его тарировки на баке тепловоза, а также исключает влияние непостоянства площади сечения баков по высоте на точность измерения количества топлива.
Перспективы развития бортовых регистраторов в составе систем учёта расхода топлива с дистанционной передачей данных
На стенде было установлено 3 датчика (Д1-ДЗ), причём датчики Д1 и ДЗ были установлены на одном уровне, на 70 мм выше дна бака, а датчик Д2 - на ПО мм выше уровня датчиков Д1, ДЗ. Датчики Д1 и ДЗ имитировали установку на баке по диагонали, для компенсации продольного и поперечного наклонов бака при определении уровня топлива, а датчик Д2 совместно с Д1(ДЗ) предназначался для определения плотности топлива. Для контроля температуры топлива, был установлен термопреобразователь типа ТСМУ-9304 (ТІ). Среднее значение уровня Н, определённое как полусумма уровней hi и Из по показаниям датчиков Д1 и ДЗ, с помощью градуировочной характеристики бака стенда V=V(H) переводилось в объём топлива. Масса топлива определялась как произведение
По результатам испытаний определены опытные точки зависимости1 расчётного уровня, определённого по сигналу датчиков давления от уровня топлива в баке, определённого с помощью контрольного прибора (рис. 3.6). С помощью метода наименьших квадратов определены коэффициенты уравнения линейной зависимости указанных величин и построены графики этой зависимости.
Первый опыт был проведён при повышении уровня до 400 мм (рис. 3.6, а), во втором опыте уровень увеличивался до 1000 мм, причём характеристики датчиков определялись при наполнении и сливе топлива.
Из рис. 3.6, а видно, что характеристики датчиков достаточно линейны, однако имеют разные углы наклона. При этом угол наклона характеристики датчика Д1 заметно отличается от аналогичного параметра для датчиков Д2 и ДЗ. Во втором опыте ситуация повторилась, кроме того, отмечены нестабильные показания датчика Д1. Значения максимальных отклонений расчётных уровней, от уровней, определённых по линейке приведены в табл. 3.4. у = 1,046х - 2,7933
Из табл.3.4 видно, что характеристики датчиков по точности определения уровня не соответствуют предъявленным требованиям (±2 мм).
Во время опытов плотность топлива не изменялась. Значение плотности определялось с помощью ареометра в пробе, отобранной от объёма топлива, использовавшегося при испытаниях. На рис.3.7 приведены зависимости расчётного значения плотности от уровня топлива в баке, при первом (а) и втором (б) опытах. Плотность рассчитывалась на основании разности показаний датчиков Д1 и Д2, а также ДЗ и Д2.
Из рис.3.7,а видно, что расчётное значение плотности нестабильно. Это связано с тем, что при фиксированном во время опыта расстоянии между датчиками Д1(ДЗ) и Д2, и соответственно постоянной разности давлений, разность сигналов датчиков изменялась. Данный факт говорит о том, что характеристики датчиков значительно отличаются друг от друга. Отметим, что отклонение расчётного значения плотности от фактического по показаниям датчиков Д1 и Д2 заметно превышало аналогичную величину, рассчитанную по показаниям датчиков ДЗ и Д2. Это является следствием большей близости характеристик датчиков ДЗ и Д2 и отличие от них характеристики датчика Д1, что уже отмечалось при рассмотрении результатов по определению уровня топлива.
Во время второго опыта (рис.3.7,б), как указано выше, датчик Д1 работал нестабильно, поэтому значения плотности для пары Д1-Д2 при уровне более 780 мм не определялись. Для пары ДЗ-Д2 отмечено различие характеристик при наполнении бака стенда и сливе топлива - при наполнении расчётная плотность меньше фактической, при сливе - больше фактической.
Характеристики датчиков давления при определении плотности Отклонения расчётной плотности от фактической в первом опыте составили величину от 8 до 115 кг/м для пары Д1-Д2 и от 5 до 27 кг/м для пары ДЗ-Д2. Во втором опыте соответственно от 8 до 35 кг/м3 для пары Д1-Д2 (исключая точки нестабильной работы Д1) и от 2 до 44 кг/м3 для пары ДЗ-Д2. Данные значения превышают допустимую величину в 4 кг/м3. Также в процессе испытаний отмечено, что во времени показания датчиков нестабильные и при фиксированном уровне топлива в баке изменяются во времени - "плывут". В связи с нестабильностью показаний датчиков ЗОНД дальнейшие испытания на стенде с ними были прекращены.
Выбранные для испытаний ёмкостные датчики были разработаны для установки на летательные аппараты и на железнодорожном транспорте не использовались. Серийные образцы имели длину 200 и 145 мм и предназначались для установки внутрь бака с помощью специальных кронштейнов, т.е. не имели внешнего защитного корпуса. Для испытаний было решено разместить два датчика общей длиной 400 мм на штанге, которая крепилась к фланцу. Фланец со штангой устанавливался в бак стенда (рис. 3.8). Также на штангу, в нижней её части был закреплён датчик длиной 145 мм, который предназначался для измерения плотности. Для первичной обработки сигналов датчиков был использован индикатор запаса топлива ИЗТ9-3, серийно используемый в авиации. Программное обеспечение ИЗТ9-3 было доработано с учётом принятой схемы установки датчиков.
Блок схема определения количества топлива в баке с помощью макета топливно-измерительной системы на основе ёмкостных датчиков приведена на рис. 3.9. Технические характеристики макета системы приведены в табл. 3.5. Индикатор ИЗТ9-3 обеспечивал питание датчиков, отображение сигналов по уровню и плотности, а также преобразование сигналов в стандарт - 0-5 В.
Автоматизация измерения плотности топлива
Питание контроллера осуществляется от блока питания, который подключается к бортовой сети локомотива и входящему в состав регистратора резервному аккумулятору. Регистратор позволяет устанавливать съёмный блок накопления информации (СБНИ), при этом перенос данных в стационарную подсистему обработки данных (СПОД) обеспечивает машинист. Параллельная запись данных на БНИ позволяет исключить возможную потерю информации при её переносе в СБНИ.
Регистратор обеспечивает обработку аналоговых от датчиков топлива, о работе оборудования тепловоза (ток и напряжение тягового генератора, частота вращения коленчатого вала дизеля), от датчика пути и скорости; дискретных сигналов о позиции контроллера машиниста, работе дизеля на холостом ходу, работе тормозного компрессора, вентиляторов охлаждения дизеля.
Идентификационные данные рабочей смены (табельный номер машиниста, код участка работы, вес поезда при наличии перевозочной работы и др.) вводятся машинистом с клавиатуры, или передаются вычислителю из электронной системы безопасности тепловоза (при её наличии) через информационную шину.
Значительная часть маневровых тепловозов работает на удалённых от основного депо станциях и участках. В этом случае оперативная передача данных регистрации в депо для расшифровки затруднена. Поэтому все измеренные параметры и данные о работе, сохранённые в энергонезависимом БНИ, через блок сопряжения передаются для расшифровки в персональный компьютер СПОД в период проведения ТО-2 (или ТО-3) в зависимости от того, когда осуществляется заход тепловоза в основное депо.
Осуществляемая параллельно регистрация на СБНИ, помимо резервирования информации, позволяет более оперативно её получать для расшифровки. Использование СБНИ возможно при работе маневрового тепловоза в непосредственной близости от основного депо, когда машинист до смены получает от дежурного по депо СБНИ, и сдаёт его после рабочей смены. Такой модуль может в перспективе стать основой электронного маршрута машиниста.
Отметим, что предложенная схема построения регистратора позволяет оптимизировать его состав на конкретной серии тепловоза, в том числе учитывая и различные модернизации, проведённые на отдельном тепловозе. Например, при наличии на тепловозе электронного скоростемера (КЛУБ, КПД), содержащего датчик пути и скорости, установка аналогичного датчика в составе Автоматизированной системы будет избыточной. Предусмотрено, что в таком случае сигнал о пройденном пути и скорости может быть получен от электронного скоростемера, при его подключении к информационной шине.
Аналогично, при наличии на тепловозе унифицированной системы тепловозной автоматики (УСТА, УСТА-М), включающей в состав датчики тока и напряжения тягового генератора, дискретные сигналы о работе дизеля и позиции контроллера машиниста, также возможно получение необходимых сигналов от указанных систем через информационную шину. При этом возможно уменьшение стоимости Комплексной автоматизированной системы - КАС.
В то же время следует учитывать, что значительная часть эксплуатируемых маневровых тепловозов, не имеет на борту микропроцессорных систем безопасности и автоматики. Разработанная схема регистратора обеспечивает выполнение необходимых функций КАС и при отсутствии на тепловозе других информационных систем.
Важным положительным качеством предложенной схемы бортового регистратора является возможность наращивания его функций за счёт увеличения количества датчиков и соответствующих блоков преобразования сигналов. В этом случае производится подключение датчиков к информационной шине, и модифицируется программное обеспечение контроллера с целью обработки новых сигналов. В качестве дополнительных функций можно рассматривать учёт технического состояния узлов и систем тепловоза, имеющих существенное влияние на расход топлива (системы топливоподачи и воздухоснабжения дизеля, настройка системы регулирования температуры теплоносителей и др.). 4.1.2 Алгоритм и особенности организации работы бортового регистратора
Работа бортового регистратора сводится к непрерывному выполнению в цикле заданной последовательности операций (рис.4.2). После включения питания контроллера (блок 1) происходит инициализация (блок 2), заключающаяся в загрузке управляющей программы и проверки конфигурации системы. При успешном завершении инициализации осуществляется запись (блок 3) идентификационных данных во встроенный (ВБНИ) и съёмный (СБНИ) блоки накопления информации. Идентификационные данные включают в себя текущие дату, время, бортовой № тепловоза, версию программного обеспечения контроллера, идентификаторы блоков аналоговых и дискретных входов.
Далее проверяется наличие ввода данных о рабочей смене машиниста с клавиатуры (блок 4), таких как табельный № машиниста, код участка работы, вид передвижений (маневровый/поездной). При вводе любого из этих параметров, он с соответствующим идентификатором записывается в буфер памяти контроллера (блок 5).
После этого в цикле начинается опрос блоков аналоговых (БАВ) и дискретных (БДВ) входов через информационную шину (ИШ) (блок 6). При наличии на тепловозе внешних информационных систем, последние также опрашиваются через ИШ. После опроса ИШ осуществляется передача сформированного пакета данных из ИШ в буфер памяти контроллера (блок 7). Далее текущая информация отображается на блоке индикации (блок 8). При этом выбор параметра(ов), отображаемых блоком индикации осуществляется с клавиатуры.
Производится проверка наличия свободной памяти в СБНИ (блок 9), при её наличии, в СБНИ записывается пакет данных из буфера памяти контроллера (блок 11), при отсутствии на блок индикации выводится информационное сообщение о необходимости замены СБНИ (блок 10). Далее проверяется наличие свободной памяти в ВБНИ (блок 12), при заполнении памяти производится очистка сектора памяти с наибольшим сроком хранения данных (блок 13).
