К ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЕРЕВОЗОЧНОЙ РАБОТЫ ЛОКОМОТИВОВ ДИЗЕЛЬНОЙ ТЯГИ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

АННОТАЦИЯ

Приводится методика обоснования величины оптимальных параметров настройки дизель – генераторов тепловозов по критерию максимального средневзвешенного коэффициента полезного действия тепловоза в зависимости от условий их работы (эксплуатации), а также методика и численный алгоритм оценки оптимальных мощностей дизеля и коэффициента полезного действия тепловозов с электрической передачей и их тяговых электрических машин. Результаты исследований получены в виде соответствующих аналитических выражений (уравнений) для определения исследуемых параметров, которые рекомендуется апробировать в реальных условиях эксплуатации. Данные исследования следует продолжить для других типов тепловозов с учётом различных по степени трудности участках узбекских железных дорог.

ABSTRACT

A methodology for substantiating the optimal parameters settings of diesel generators of diesel locomotives according to the criterion of the maximum weighted average efficiency of a diesel locomotive depending on their operating conditions is presented, as well as a methodology and numerical algorithm for assessing the optimal diesel power and efficiency of diesel locomotives with electric transmission and their traction electrical machines. The research results are obtained in the form of appropriate analytical expressions (equations) to determine the parameters under study, which are recommended to be tested under real operating conditions. These studies should be continued for other types of diesel locomotives, taking into account the varying degrees of difficulty of sections of the Uzbek railways.

Ключевые слова: Тепловоз, контроллер машиниста, критерий, дизель, ослабление поля, режим тяги, скорость, средний, оптимальный, грузовой поезд.

Keywords: Diesel locomotive, driver’s controller, criterion, diesel, field weakening, traction mode, speed, average, optimal, freight train.

Введение

В настоящее время, локомотивный парк АО «Ўзбекистон темир йўллари» насчитывает 415 локомотивов [1, 2], в том числе 224 локомотива приходится на магистральный тяговый подвижной состав, из которого 63,5 процентов составляют магистральные локомотивы дизельной тяги – тепловозы серии ТЭ10М и UzTE16M в различном секционном исполнении.

Указанные тепловозы, при одинаковых компоновочных схемах решения по размещению основного и вспомогательного оборудования, различаются по конструктивному исполнению силовой энергетической установки, то есть дизель - генератора.

На тепловозах типа ТЭ10М [3] применен дизель-генератор, состоящий из двухтактного дизеля 10Д100 с газотурбинным наддувом и тягового генератора постоянного тока ГП-311Б, смонтированных на единой поддизельной раме и соединенных между собой полужесткой пластинчатой муфтой. Конструктивным отличием дизель – генератора тепловоза UzTE16M является использование современного, экономичного по расходу топлива в сравнении с двухтактными дизелями, российского дизеля 5Д49 Коломенского тепловозостроительного завода.

В этой связи, при одинаковых условиях эксплуатации тепловозы UzTE16M по сравнению с тепловозами ТЭ10М потребляют топлива приблизительно на 10 - 12 процентов меньше.

Сказанное предопределяет приоритеты и расставляет акценты в направленности научных исследований, поэтому предпочтение в части разработки рекомендаций и мероприятий по повышению эффективности использования силовых энергетических установок тепловозов отдаётся двухтактным дизелям 10Д100 с рядным расположением цилиндров и со встречно – движущимися поршнями.

Постановка задачи исследования

Тепловоз, как сложный технический объект, состоит из ряда взаимосвязанных между собой агрегатов, узлов и разных систем. Топливная экономичность и эксплуатационная надёжность тепловоза значительно зависят от того, на какой режим работы изначально все они настроены.

Тепловозы работают на промежуточных позициях контроллера машиниста приблизительно 60-65 процентов общего времени, при этом на номинальной (максимальной) позиции, обычно, эта цифра составляет около 0,2 процента.

Анализ многочисленных результатов исследований [4-14 и другие] учёных разных стран показывает, что в настоящее время, не существует общего подхода и единого мнения в вопросе выбора оптимальных мощностей дизеля по топливной экономичности.

Однако, всё-таки, некоторые учёные [2, 12, 13] считают, что настройка тепловозов должна быть такой, чтобы генераторная характеристика на всех упомянутых позициях совпадала с экономической характеристикой дизеля, так как в этом случае будет обеспечиваться наибольший эффективный  коэффициент полезного действия дизеля.

Цель исследования заключается в обосновании методики выбора оптимальных мощностей дизеля и оценки коэффициента полезного действия тепловоза.

Для реализации сформулированной цели исследований автор использует численный метод расчёта параметров рабочего процесса дизеля [14], тягово – эксплуатационные и тягово – энергетические характеристики тепловозов серии ТЭ10М [3, 15] с оптимизацией параметров настройки дизель – генераторной установки, а также объект и предмет исследований.

Объектом исследования является двухсекционный грузовой тепловоз серии 2ТЭ10М, двухтактный тепловозный дизель 10Д100 с рядным расположением цилиндров со встречно-движущимися поршнями.

Предмет исследования составляют критерии параметров настройки дизель - генераторов тепловозов и минимального расхода дизельного топлива при реализации железнодорожных перевозок грузов (пассажиров), а также методика численного расчёта коэффициента полезного действия тепловоза.

Коэффициент полезного действия тепловоза выражается формулой

                                                                                          (1)

или для случая с электрической передачей будет

                                                                (2)

где  – эффективный коэффициент полезного действия дизеля;

 – к.п.д. передачи;

 - коэффициент, оценивающий расход энергии на тягу поездов за вычетом потребления на собственные нужды;

 - к.п.д. тягового генератора;

 – к.п.д. тяговых электродвигателей;

 - коэффициент, учитывающий потери в зубчатой передаче, буксах и моторно-осевых подшипниках.

В зависимости от позиции контроллера машиниста изменяются все составляющие к.п.д. тепловоза – это коэффициенты полезного действия тягового генератора , тяговых электродвигателей  и на потери в зубчатой передаче, буксовых и моторно – осевых подшипниках . Кроме этого, указанные к.п.д. зависят и от скорости движения тепловоза.

Поэтому, с нашей точки зрения, следует ориентироваться на работу дизеля по характеристике, обеспечивающей максимум среднего эксплуатационного к.п.д. тепловоза при работе на каждой позиции контроллера машиниста, величина которого является (станет) критерием оптимизации параметров настройки дизель – генераторной установки тепловозов. Указанную характеристику назовём тепловозной экономической характеристикой для данных условий эксплуатации.

Для ее определения необходимо построить зависимости к.п.д. тепловоза в функции его касательной мощности N_к для определенных скоростей движения при соответствующих ступенях ослабления поля (например, для тепловоза серии 2ТЭ10М - 2,5; 7,5; 12,5; ...; 97,5 км/час). Зная распределение времени работы тепловоза при определенных значениях касательной мощности N_к в принятых интервалах скоростей движения, средними для которых являются построенные зависимости к.п.д. тепловоза в функции мощности N_к с учётом распределения по ступеням ослабления поля (например, для указанных выше скоростей движения тепловоза 2ТЭ10М эти интервалы будут составлять - 0 - 5 км/час, 5 - 10 км/час,...., 95 - 100 км/ч), следует определить ту касательную мощность N_к, при которой средний эксплуатационный к.п.д. тепловоза на данной позиции будет максимальный, а по ней и распределению времени работы в принятых интервалах скоростей при этой касательной мощности N_к определить эффективную мощность дизеля N_e.

Величина критерия, средневзвешенного эксплуатационного к.п.д. тепловоза на данной позиции контроллера машиниста, применительно к рассмотренному примеру с тепловозом 2ТЭ10М, определится из следующего аналитического выражения

=                               (3)

где  – к.п.д. тепловоза при скорости 2,5 км/ч и установленной касательной мощности N_к, для которой определяется средний эксплуатационный коэффициент полезного действия тепловоза;

 - доля времени работы тепловоза в интервале (диапазоне) скоростей 0-5 км/ч при заданной касательной мощности N_к;

FF(ПП), FWІ(ОП1), FW2(ОП2) - индексы соответствующей стадии ослабления поля.

Зная тепловозные экономические мощности по каждой позиции контроллера машиниста, можно подобрать наилучшее расположение генераторной характеристики с учётом распределения времени работы по касательным мощностям и техническим возможностям данного типа локомотива.

Результаты исследования и их анализ

Рекомендуется следующая методика численного расчета эффективности тепловоза для каждого значения скорости его движения в пути следования поезда.

1. Задаёмся значениями мощности тягового генератора P_г.

2. Мощность тягового электродвигателя определяем по формуле

                                                                                   (6)

где m - количество тяговых электродвигателей.

3. По экспериментальным зависимостям  определяем ток  тягового электродвигателя для соответствующих значений скорости V и мощности тягового генератора .

4. Определяем скорость вращения якоря тягового электродвигателя по формуле

                                                                                 (7)

где  - передаточное число зубчатой передачи;

V - скорость движения, км/ч;

 - диаметр колеса, м.

5. Определяем к.п.д. тягового электродвигателя по формуле

                                                              (8)

где  - мощность тягового электродвигателя, кВт;

 - сумма потерь в тяговом электродвигателе под нагрузкой.

Указанные потери определяются в следующей последовательности:

а) определение величины тока в обмотках возбуждения главных полюсов  тягового электродвигателя

                                                                   (9)

где α - коэффициент ослабления магнитного поля;

b) по графическим зависимостям механических и магнитных потерь тягового электродвигателя определяется их сумма ,

c) рассчитывали общее (полное) сопротивление цепи электродвигателя при средней эксплуатационной температуре обмоток 85°С по формуле

                                             (10)

где  - сопротивление обмотки якоря;

 - сопротивление обмотки дополнительных полюсов;

 - сопротивление обмотки главных полюсов;

 - шунтирующее сопротивление;

d) вычисляются потери в меди

                                                                  (11)

e) определение потерь в переходном контакте между щеткой и коллектором по формуле

                                                               (12)

где ∆ = 2 - 3 В;

f) находим дополнительные (добавочные) потери, которые по ГОСТ 2582-50 [8] определялись по формуле

                                                  (13)

g) сумма всех потерь рассчитывается по следующей формуле

                             (14)

6. к.п.д. тягового генератора рассчитывается по формуле

                                                     (15)

где  - мощность тягового генератора, кВт;

 - сумма потерь в тяговом генераторе под нагрузкой, кВт.

Общие потери в тяговом генераторе под нагрузкой рассчитываются по формуле

                                 (16)

При этом потери в меди главных полюсов были учтены в затратах электрической энергии на привод вспомогательных агрегатов.

Расчет полных (суммарных) потерь по формуле (14) проводился в следующей последовательности:

a) потери в меди якоря и дополнительных полюсов рассчитывают по формуле

                                       (17)

где  - сопротивление обмотки якоря тягового генератора при температуре 100°С;

  - сопротивление обмотки дополнительных полюсов при температуре 100°С;

b) потери в переходном контакте между щеткой и коллектором определяются по формуле

                                                             (18)

где ∆ 2 - 3 В;

c) по графическим зависимостям механических и магнитных потерь главного (тягового) генератора находили их сумму, а именно:

                                                                (19)

d): дополнительные (добавочные) потери определяются по формуле

                                            (20)

7. Определение эффективной мощности дизеля по такой формуле

                                                     (21)

где  – мощность, потребляемая на собственные нужды тепловоза.

8. Используя универсальные характеристики, находим удельный расход топлива дизеля тепловоза

9. Определение часового расхода топлива по формуле

                                                               (22)

10. Рассчитываем к.п.д. дизель-генераторной установки

                                                           (23)

11. Определение к.п.д. тепловоза по формуле

                                                   (24)

12. Касательная мощность тепловоза рассчитывается по формуле

                                                             (25)

Следует заметить, что затраты мощности на вспомогательные нужды по позициям контроллера машиниста тепловоза разделяются на две группы – это затраты упомянутой мощности независящие и зависящие от эффективной мощности дизеля, а именно:

- в первую группу входят затраты мощности на привод компрессора, вентиляторов охлаждения тяговых электродвигателей и главного генератора, насоса центробежного фильтра;

- во вторую группу входят затраты мощности на привод вентилятора холодильника и возбудителя.

Затраты мощности на привод вентилятора холодильника могут быть определены с использованием следующих зависимостей:

- тепловыделения дизеля в охлаждающие жидкости по позициям контроллера машиниста тепловоза по нагрузочной характеристике дизеля для различных атмосферных условий;

- теплорассеивающей способности холодильника по позициям контроллера машиниста тепловоза в функции скорости вращения вентилятора для заданных температур теплоносителей;

- затрат мощности на привод вентиляторов холодильника в функции скорости вращения вентилятора.

Затраты мощности на привод возбудителя можно принять равными потерям в обмотке главных полюсов тягового генератора, деленным на коэффициент полезного действия возбудителя, равный примерно 0,9.

Заключение

1. Предложена методика обоснования и оценки коэффициента полезного действия тепловозов с электрической передачей и их тяговых электрических машин, основанная на численном методе расчёта параметров рабочего процесса дизеля и условий работы тепловоза.

2. Предложены аналитические выражения, позволяющие численным путём определить коэффициенты полезного действия тепловоза с электрической передачей и его тяговых электрических машин, а также эффективную и касательную мощности дизеля и тепловоза.

3. Обозначена классификация затрат мощности на вспомогательные нужды тепловоза от позиций контроллера машиниста с рекомендациями их расчёта для некоторых его агрегатов.

4. Рекомендуется выбор и обоснование оптимальных мощностей дизеля и параметров настройки дизель – генераторных установок в зависимости от позиции контроллера машиниста производить по величине средневзвешенного коэффициента полезного действия тепловоза.

Список литературы:

1. Ablyalimov, O. (2023). Indicators of transport logistics of locomotives of diesel traction on Kattakurgan-Navoi section in operation. E3S Web of Conferences, 2023, 401, 05022. DOI: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202340105022.
2. A. Yusufov, S. Azimov, & S. Jamilov, International Journal of Trend in Scientific Research and Development, 6(3), 413-417 (2022).
3. Филонов С.П. Тепловозы 2ТЭ10М и 3ТЭ10М. Устройство и работа [Текст] / С. П. Филонов. – Москва: Издательство RUGRAM, 2013. – 290 с.
4. Гарипов М. Д., Сакулин Р. Ю., Резванов Д. Р. Характеристики двухтактного двигателя с искровым зажиганием при работе на дизельном топливе // Вестник УГАТУ. - 2017. - Т. 21. - № 2 (76). – С. 30-41.
5. Baumgarten C. Mixture Formation in Internal Combustion Engines. Germany: Springer Verlag Berlin Heidelberg, 2006. 294 р.
6. Singh R., McChesney R. Development of Multi-Fuel Spark Ignition Engine // SAE Technical Paper 2004-32-0038. 2004. doi: 10.4271/2004-32-0038.
7. Горин А. В. Диагностика параметров системы охлаждения как средство повышения надежности и ресурса тепловозного дизеля // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование, 2014, Том. 41, № 1. - С. 112–118.
8. Балагин Д. В. Исследование эксплуатационной надежности и средства диагностирования технического состояния дизельной топливной аппаратуры // Известия Транссиба. - 2012. - № 3 (11). - С. 12 - 19.
9. Овчаренко С. М., Ринг И. С., Овчаренко С. С. Исследование температурных режимов работы систем охлаждения тепловозов в процессе эксплуатации // Научный журнал «Известия Транссиба», 2022, Том. 50, № 2. – С. 116-123.
10. Баширов Р. М., Сафин Ф. Р., Магафуров Р. Ж. Совершенствование метода регулирования дизельной топливной аппаратуры // Вестник АГАУ. – 2017. – № 6 (152). – С. 158-163.
11. Мошенцев Ю. Л., Гогоренко А. А., Минчев Д. С., Нагорный А. В., Максимов Ю. В. С. Возможности регулирования температуры охлаждающих жидкостей в альтернативной системе охлаждения дизелей магистральных тепловозов // Аэрокосмическая техника и технология, 2012, Том. 97, № 10. - С. 92-97.
12. A. Yusufov, S. Azimov, & S. Jamilov, Oriental Renaissance: Innovative, Educational, Natural and Social Sciences, 1(10), 685-690 (2021).
13. Grebennikov, N., Shapshal, A. (2023). Determination of Energy Consumption for Train Traction. In: Guda, A. (eds) Networked Control Systems for Connected and Automated Vehicles. Lecture Notes in Networks and Systems, Vol 509. Springer, Cham. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-031-11058-0_13.
14. Шароглазов Б. А. Двигатели внутреннего сгорания: теория, моделирование и расчет процессов [Текст] / Б. А. Шароглазов, М. Ф. Фарафонтов, В. В. Клементьев // Учебник для студентов высших учебных заведений. – Челябинск: Издательство. УрГУПС, 2005. – 403 с.
15. Правила тяговых расчетов для поездной работы [Текст] / Всесоюзный научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта. – М. Транспорт, 2016. – 287 с.