Анализ энергетической эффективности тягового подвижного состава железных дорог

АННОТАЦИЯ

Обоснованы кинематические параметры движения грузового поезда и показатели энергетической эффективности локомотивов в количественном и денежном исчислении на разных виртуальных участках железной дороги. Доказано преимущество электрической тяги над дизельной тягой путём сравнения показателей перевозочной работы исследуемых локомотивов между собой без учёта денежных затрат на инфраструктуру участков железных дорог.

ABSTRACT

The kinematic parameters of the movement of a freight train and indicators of the energy efficiency of locomotives in quantitative and monetary calculations on different virtual sections of the railway have been substantiated. The advantage of electric traction over diesel traction has been proved by comparing the indicators of the transportation work of the studied locomotives with each other without taking into account the monetary costs of the infrastructure of railway sections.

Ключевые слова: исследование, тепловоз, грузовой поезд, электровоз, переменный ток, постоянный ток, виртуальный, железная дорога.

Keywords: investigation, diesel locomotive, freight train, electric locomotive, alternating current, direct current, virtual, railway.

Эффективности использования железнодорожного транспорта в целом и всего локомотивного парка АО «Ўзбекистон темир йўллари», в частности, во многом определяется и характеризуется материально – технологической базой перевозочного процесса, организацией эксплуатации участков железных дорог и движения поездов, а также результатом и затратами перевозочной работы локомотивов дизельной и электрической тяги.

Уточнение теоретических и экспериментальных исследований по изучению условий движения поездов и обоснованию параметров основных показателей перевозочной работы локомотивов на реальных и виртуальных участках железных дорог с разработкой комплексных рекомендаций и мероприятий, связанных с изысканием возможностей по повышению энергетической эффективности тягового подвижного состава локомотивного комплекса в эксплуатации продолжают оставаться актуальной задачей.

Цель настоящих исследований заключается в обосновании энергетической эффективности использования локомотивов дизельной и электрической тяги на участках железной дороги, различных по структуру, типу и виду, при помощи математических методов [6,9] оптимального управления

B общей постановке задачи по выбору оптимального управления движением поезда (или задача оптимизации) [1] вектор состояния Х движущегося поезда включает координаты скорости V, времени хода t, расхода энергии Е (натурного дизельного топлива или электрической энергии), эффективности В, в том числе энергетической и другие, то есть

                                                 (1)

На скорость движения V и время хода t_П поезда по перегонам накладываются следующие ограничения

;                                         (2)

Начальное и конечное состояние процесса движения поезда заданы координатами пути S и скорости движения V поезда

                                                    (3)

Одномерный управляющий параметр u принимает дискретные значения координат,  принадлежащие множеству Ω _u , включающему соответствующие координаты u - x позиций управляющего параметра - для  рабочего хода u = 1,2,3,…, n_m, холостого хода u = 0 и торможения u = - 1, то есть

                                     (4)

Движение поезда описывается дифференциальным  уравнением

                                                 (5)

где f - заданная целевая функция.

За критерий оптимальности принят показатель, характеризующий эффективность процесса – расход натурного дизельного топлива (тепловозы) или электрической энергии (электровозы) за поездку

                                                      (6)

При выбранном управлении u(s) решение уравнения (5) позволяет однозначно находить и все остальные координаты вектора состояния движущегося поезда, в том числе и показатель (параметр) эффективности перевозочного процесса.

Задача оптимизации формулируется так -  необходимо найти такое оптимальное управление ũ(s), которое при соблюдении ограничений (2) и принятых в теории локомотивной тяги многих других ограничений обеспечит перемещение поезда согласно (3,5) с наименьшей (минимальной) величиной критерия оптимальности (6) и выполнении заданного времени хода поезда по перегонам. Здесь, термин многих других ограничений означает ограничения по ресурсам силовой энергетической установки, сцеплению движущих и тормозных колёс с рельсами, безопасности движения и надёжности работы, а также условиям эксплуатации локомотивов и организации движения поездов.

Для реализации поставленной цели исследований используем соотношения (1) – (6), опираясь на графическое решение уравнения (5) и виртуальный участок железной дороги протяжённостью L = 8,6 км, на котором движение грузовых поездов с массой состава Q = 3000 т и числом осей в составе m = 200 осей организовано локомотивами дизельной и электрической тяги. При этом грузовое движение поездов организуется исходя из условий полного использования мощности и тягового качества (свойства) исследуемых локомотивов - номинальная позиция контроллера машиниста [2,10] с учётом максимальной кинетической энергии поезда при прохождении им каждого элемента профиля пути.

Объект исследования - магистральные (поездные) грузовые тепловозы UzTE16M3, 3ТЭ10М и электровозы 3ВЛ80^С, ВЛ10, а также неэлектрифицированный и электрифицированный на постоянном и переменном токе виртуальный участок железной дороги.

Предмет исследования составляют кинематические параметры движения грузового поезда и показатели  энергетической эффективности использования исследуемых локомотивов дизельной и электрической тяги на заданном (принятом) виртуальном участке железной дороги.

В результате тягового расчёта по [7,8], проведённого для одинаковых условий эксплуатационной работы [3-5] участка железной дороги, были получены численные значения, которые представлены в табл. 1. Указанные значения характеризуют параметры перевозочного процесса в грузовом движении на виртуальном участке железнодорожного пути с различной инфраструктурой железной дороги, организованного с помощью исследуемых локомотивов дизельной (тепловозы UzTE16M3, 3ТЭ10М) и электрической (электровозы 3ВЛ80^С, ВЛ10) тяги.

Таблица 1.

Показатели движения грузового поезда и перевозочной работы локомотивов дизельной и электрической тяги на виртуальном участке железной дороги

В табл. 1 символом звёздочка * обозначена полная стоимость количества электрической энергии, израсходованной исследуемыми электровозами, с учётом налога на добавленную стоимость (НДС).

Анализ полученных численных значений параметров энергетических показателей перевозочной работы для локомотивов электрической тяги, свидетельствует о том, что электровозы ВЛ10 (двухсекционные) экономичнее электровозов 3ВЛ80^С (трёхсекционные) приблизительно в 3,03 раза.

Сопоставление численных значений по аналогичным энергетическим показателям для локомотивов дизельной тяги показывает, что тепловозы UzTE16M3 экономичнее тепловозов 3ТЭ10М приблизительно в 1,12 раз.

Кроме этого, из табл. 1 видно, что электровозы ВЛ10 (постоянный ток) и электровозы 3ВЛ80^С (переменный ток) экономически выгоднее тепловозов UzTE16M3 и тепловозов 3ТЭ10М, в среднем, соответственно в 6,48 – 7,28 раз (5,40 – 6,07 с учётом НДС) и в 2,14 – 2,40 раз (1,78 – 2,00 раз с учётом НДС).

Доказано преимущество эксплуатационной деятельности электрифицированных участков железных дорог постоянного тока над электрифицированными участками железных дорог переменного тока и в большей степени над неэлектрифицированными участками железных дорог.

В заключении отметим, что исследования по обоснованию энергетической эффективности использования разных видов локомотивной тяги необходимо продолжить на реальных участках железных дорог с учётом денежных затрат на развитие их путевой инфраструктуры.

Список литературы:

1. Аблялимов О. С. О методах исследования перевозочной работы локомотивов [Текст] / О. С. Аблялимов // Республиканская научно – техническая конференция с участием зарубежных учёных, посвящённая 80-летию ТашИИТ «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» / Ташкентский ин-т. инж. ж-д транспорта. – Ташкент, 2011. – С. 79 – 85.
2. Аблялимов О. С. Основы управления локомотивов: Учебник для профессиональных колледжей железнодорожного транспорта [Текст] / О. С. Аблялимов, Э. С. Ушаков. – Ташкент: «Davr», 2012. – 392 с.
3. Аблялимов О. С. К энергетике электрифицированных участков железных дорог переменного тока [Текст] / О. С. Аблялимов // Universum: Технические науки: электрон. научн. журн. 2019. № 12 (69). URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/8436 (дата обращения: 06.12.2019).
4. Аблялимов О. С. К энергетике неэлектрифицированных участков железных дорог [Текст] / О. С. Аблялимов // Научно – техническая конференция «Энергоэффективность - 2019» / Ташкентский гос. техн. ун-т. – Ташкент, 2019. – С. 113 – 118.
5. Аблялимов О. С. Энергетика электрифицированных участков железных дорог постоянного тока [Текст] / О. С. Аблялимов // Universum: Технические науки: электрон. научн. журн. 2020. № 8 (77). URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/10612 (дата обращения: 25.08.2020).
6. Беллман Р. Динамическое программирование [Текст] / Р. Беллман. - М.: Иностранная литература, 1960, 400 с.
7. Деев В. В. Тяга поездов [Текст] / В. В. Деев, Г. А. Ильин, Г. С. Афонин // Учебное пособие для вузов. – М.: Транспорт, 1987. – 264 с.
8. Кузьмич В. Д. Теория локомотивной тяги [Текст] / В. Д. Кузьмич, В. С. Руднев, С. Я. Френкель // Учебник для вузов железнодорожного транспорта. – М.: Маршрут, 2005. – 448 с.
9. Понтрягин Л. С. Математическая теория оптимальных процессов [Текст] / Л. С. Понтрягин, В. Г. Болтянский, Р. В. Гамкрелидзе, Е. Ф. Мищенко. - М.: Наука, 1983, 393 с.
10. Правила тяговых расчётов для поездной работы [Текст] / Всесоюзный научно – исследовательский институт железнодорожного транспорта. – М.: Транспорт, 1985. – 287 с.