Показатели эффективности использования локомотивов в условиях эксплуатации

АННОТАЦИЯ

Получены силовые и энергетические показатели эффективности локомотивов в эксплуатации, которые можно использовать для анализа и оценки производительности локомотивов на разных по степени трудности участках железных дорог.

ABSTRACT

The power and energy indicators of the efficiency of locomotives in operation have been obtained, which can be used to analyze and evaluate the performance of locomotives on railway sections of different degrees of difficulty.

Ключевые слова: силовой, энергетический, показатель, производительность, локомотив, перевозочная работа, коэффициент.

Keywords: power, energy, indicator, performance, locomotive, transportation work, coefficient.

Оценке эффективности использования локомотивов в эксплуатации посвящены многочисленные работы, которые охватывают вопрос оценки эффективности тяги по комплексу тягово – энергетических, эксплуатационных и экономических показателей, и рассматривают методы оценки использования локомотивов по времени, по мощность и располагаемому запасу работы.

Здесь можно указать на три разновидности, исследований: работы, рассматривающие вопросы улучшения использования локомотивов во времени; работы, изучающие использование локомотивов в процессе движения и часть работ, изучающих комплекс вопросов перевозочной работы локомотивов - выбор и анализ показателей производительности локомотивов, веса (массы) составов, расчётных скоростей движения и другие.

Таким образом, оценка результатов эффективности работы локомотивов должна проводиться с учётом энергетических, силовых и экономических итогов перевозочного процесса локомотивов.

Энергетические показатели позволяют рассматривать результаты на основе величин, взаимосвязанность которых определяется законом сохранения энергии. В результате получают характеристики вполне сравнимые для любых условий работы, что расширяет правомерность выводов. Силовые показатели дают представление об использовании силовой энергетической установки локомотива на участке, как по установленной мощности, так и по времени её загрузки. Экономические показатели являются обобщающими параметрами,  выраженными единым мерилом - денежной единицей.

Однако, при отнесении их к продукции, которая выражается в тонна - километрах поездной работы, имеющей неодинаковую энергоёмкость, результаты оценки эффективности не всегда будут отражать истинное положение. В практических условиях часто попользуются также эксплуатационные показатели, учитывающие результаты работы без связи её с энергетическими и силовыми преобразованиями в локомотивах. Эти показатели (т км брутто поездной работы, км пробега, скорость, вес и масса состава и пр.) не имеют между собой точных соотношений и поэтому, не могут правильно отражать зависимости между выполненной работой и расходом энергии, скоростью и пр.

Отметим, что различные показатели можно выражать как в абсолютном, так и в относительном выражении [5] и они могут определяться за любой период - сутки, оборот локомотива, период движения и т.д.

В процессе перевозочной работы локомотивов (ПРЛ) на участке, подводимая энергия преобразуется в касательную механическую работу локомотива  A_к, которая распределяется на полезную, производительную часть, расходуемую на преодоление сил сопротивления состава A" и на непроизводительную часть, которая расходуется на преодоление сил сопротивления локомотива A' и работу тормозных сил A_т поезда. Величины A' и A_т нередко достигают 20 - 40 процентов от значений A_к и снижение их на конкретном участке  зависит от организации движения и технологии работы локомотивов с поездами. Величина A" в конкретных условиях эксплуатации является неуправляемой и снижение её требует улучшение технического содержания подвижного состава, реконструкции его и верхнего строения пути.

Определение механической работы сил, действующих на поезд, является необходимым для подсчётов показателей эффективности локомотивов, что можно сделать, используя аналитические [6] или графические [4] методы.

В задачах оптимизации перевозочной работы локомотивов подсчёты координат механической работы сил, действующих на поезд, при выполнении их на ЭВМ обычно производят по следующим выражениям.

Касательная механическая работа локомотива

A_к =,      (n = 0,1,…,m)                          (1)

Механическая работа сил сопротивления движению состава

A" =,     (n = 0,1,…,m)        (2)

Механическая работа сил сопротивления движению локомотива

A' =,     (n = 0,1,…,m)                (3)

Механическая работа тормозных сил поезда

A_т =      (n = 0,1,…,m)             (4)

где:

P₀ и Q – соответственно, вес локомотива и состава;

 – зависимости силы тяги и сил сопротивления движению;

 – соответствующие коэффициенты аппроксимирующего полинома;

 – текущее значение подъёма (уклона);

а', а'', а''', а'''' – коэффициента зависимости тормозной силы от величины тормозного коэффициента поезда υ и типа тормозных колодок;

 – шаг интегрирования по пути;

V_с – среднее значение скорости движения на шаге интегрирования .

Выражения (1 - 4) решаются для соответствующих значений скорости, которые определяются интегрированием уравнения движения поезда (9 б) [1].

Механическая работа сил действующих на поезд на отдельных участках зависимости от условий работы может колебаться, как по величине, так и по знаку, а именно:

A_к ≥ 0; 0 ≥ A" ≥ 0; 0 ≥ A' ≥ 0; A_т ≤ 0                                  (5)

В расчётах нередко приходится рассматривать случаи движения поезда от момента трогания с места до момента остановки, то есть V_н = V_к = 0.

Для таких случаев будем иметь,

A_к = A' + A" + A_т                                                      (6)

Использование выражения (6) нередко упрощает определение того или иного значения величины механической работы.

На участках, где имеется значительное понижение центра тяжести поезда, величины A', и A" будут поло положительными. В таких случаях, равенство (6) сохраняется за счёт увеличения слагаемой A_т. Однако, аналогичный баланс по расходу энергии в таких случаях не будет иметь место, так как эквивалентная величине A_т энергия будет включать не только подведённую энергию, но и определённое количество потенциальной энергии поглощённой тормозами, что следует учитывать при расчётах расхода энергии на участках.

Ряд программ расчётов перевозочной работы локомотивов для ЭBM [2 и другие] позволяют определять на участках величины A_к, A', A", и A_т, а также невозвратимую работу вредных сил сопротивления A_с движению, включающую работу сил основного сопротивления, сил дополнительного сопротивления от кривых и работу сил торможения

A_с = A_к -  []              (2.7)

где  – текущий элемент профиля пути на шаге интегрирования, ‰;

 – текущий шаг интегрирования по пути принятым численным методам;

V_нт и V_кт – соответственно, скорости в начале и конце торможения, км / ч;

(P₀+Q) - вес поезда, т.

Механическую работу сил сопротивления состава, которая необходима для подсчётов продукции в условных ткм брутто, с достаточной для практики точностью можно определять для участков работы локомотивов, используя соответствующие отчётные данные по выражениям [5] за поездку, то есть

                            (2.8)

∑А'' = ·∑QL + (∑Q' - ∑Q'')·Н_с + 700·    (2.9)

где ∑QL - общая величина поездной работы на участке протяжённостью L, км, т км брутто;

∑Q' - вес составов в направлении станции оборота локомотива, расположенной относительно второй станции оборота выше на H_с, то есть на величину геометрического превышения, т;

∑Q'' - вес составов в обратном направлении, т;

Н_с - разность высотных отметок конечных станций на участке, м;

∑S_к/R - сумма отношений длин кривых S_к, км к их радиусам R, м;

 - средневзвешенные по пути значения основного удельного сопротивления состава за поездку или составов за рассматриваемый период, кгс/т (Н/кН), приближённо определяют по рекомендациям [6];

 - средневзвешенный по пути подъём (уклон) на участке, ‰.

При известных величинах механической работы, значения относительных показателей производительности локомотивов [6] определяются для периода хода поезда следующими выражениями:

- силовой производительности

                                                  (10)

- энергетической производительности для тепловозов

                                                       (11)

- энергетической производительности для электровозов

                                               (11')

- денежной ходовой производительностью

                                                      (12)

В приведённых выражениях:

 – наибольшая касательная мощность локомотива, л.с. (кВт);

t – время хода, ч;

 – низшая теплотворная способность рабочего топлива, ккал/л.с.;

Е, Е_э – расход натурного дизельного топлива (электроэнергии), кг (кВт-ч).

Коэффициенты пересчёта механической работы в другие единицы измерения работы и энергии приведены в [5,7] и были использованы в вышеуказанных формулах.

Знаменатель формул (10 - 12) выражает затраты, связанные с получением продукции. Произведение  характеризует располагаемую работу локомотива и в течение времени t за предоставленную мощность  (за локомотив) приходится оплачивать расходы, пропорциональные времени.

Фактически выполненная механическая работа локомотива будет меньше располагаемой работы и определяется, как было указано выше.

Отношение величины  равное:

                                                  (13)

называем коэффициентом ходовой загрузки силовых агрегатов локомотива, пропорционально которому будут расходы, связанные с расходом энергии и ремонтом силовых агрегатов, а также с расходами по ремонту ходовых частей подвижного состава и текущего содержания пути. Увеличение A_к или  будет увеличивать эти расходы, поэтому увеличение A_к при заданном грузопотоке Г не оправдано.

Следует увеличивать полезную часть механической работы локомотива, используемой на преодоление сил сопротивления состава, то есть отношение

                                                       (14)

называем показателем совершенства процесса перевозочной работы локомотива, который колеблется в довольно широких пределах в зависимости от комплекса условий перевозочной работы локомотива.

Силовая и энергетическая производительность может выражаться через следующие величины, а именно:

                                                              (15)

                                                                (16)

На величину коэффициента ходовой загрузки силовых агрегатов  и энергетической производительности  локомотива решающее значение имеет изменение  - показателя совершенства процесса перевозочной работы локомотива.

Увеличение A_к связано с увеличением соответствующих расходов энергии и денежных средств, тогда как совершенствование процесса перевозочной работы локомотива за счёт повышения A" не приводит к их росту [8,9].

На величину общих денежных расходов большое влияние оказывает расход энергии, который определяется соответствующими методами на основании характеристик локомотивов, приведённых в [3].

Имеется определенная связь между механической работой и расходом энергии за поездку на участке, которую можно выразить для тепловозов

    или                     (17)

и для электровозов

     или        (18)

Величина

                                                                 (19)

является средним коэффициента полезного действия (к.п.д.) брутто тепловоза за период хода (аналогично  - для электровозов).

Увеличение полезной работы A" приводит и к увеличению , поэтому роста расхода энергии не происходит, что свидетельствует о необходимости увеличения величины в процессе перевозочной работы локомотива.

Таким образом, проведёнными исследованиями обоснованы силовые и энергетические показатели эффективности перевозочной работы локомотивов в условиях эксплуатации, которые рекомендуются для практического использования в локомотивном комплексе железных дорог.

Список литературы:

1. Аблялимов О. С. К методу решения задачи оптимизации перевозочной работы локомотивов [Текст] / О. С. Аблялимов // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. 2020. № 9 (78). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/10675 (дата обращения: 30.08.2020).
2. Быков В. Н. Производство тяговых расчётов и определение эксплуатационных расходов по передвижению поездов [Текст] / В. Н. Быков, К. М. Берестовенко // Тр. ВНИИТС, вып. 51 / Всероссийский науч – иссл. ин-т твёрдых сплавов. – Москва, 1964. – С. 59 – 67.
3. Бабичков А. М. Тяга поездов и тяговые расчёты [Текст] / А. М. Бабичков, П. А. Гурский, А. П. Новиков // Учебник для студентов вузов ж-д транспорта. – М.: Транспорт, 1971. – 280 с.
4. Джамадзе О. В. Графический способ определения механической работы локомотива [Текст] / О. В. Джамадзе // Тр. НИИЖТ, вып. 16 / Науч-иссл. ин-т. ж-д транспорта. – Новосибирск, 1958. – С. 49 – 55.
5. Толкачёв А. В. Относительные показатели использования локомотивов [Текст] / А. В. Толкачёв // «Вестник ВНИИЖТ» / Всесоюзный науч-иссл. ин-т. ж-д транспорта. – М.: Трансжелдориздат, 1963, № 3. – С. 73 – 79.
6. Толкачёв А.В. Аналитический способ определения механической работы сил, действующих на поезд [Текст] / А. В. Толкачёв // Тр. ТашИИТ, вып. 17 / Ташкентский ин-т. инж. ж-д транспорта. – Ташкент, 1961.
7. Толкачёв А. В. Тягово - экономические расчёты на ЭВМ [Текст] / А. В. Толкачёв, С. Г. Упадышева // Тр., ТашИИТ, вып. 43 / Ташкентский ин-т. инж. ж-д транспорта. – Ташкент, 1967. – С. 53 – 61.
8. Толкачёв А. В. Влияние условий эксплуатации на эффективность использования локомотивов [Текст] / А. В. Толкачёв // Тр. ТашИИТ, вып. 43 / Ташкентский ин-т. инж. ж-д транспорта. – Ташкент, 1967. – С. 62 – 71.
9. Толкачёв А. В. Расход энергии на преодоление сил сопротивления движению [Текст] / А. В. Толкачёв // Тр. ТашИИТ, вып. 43 / Ташкентский ин-т. инж. ж-д транспорта. – Ташкент, 1967. – С. 72 – 79.