К энергетике электрифицированных участков железных дорог переменного тока

АННОТАЦИЯ

Предложен алгоритм графоаналитического метода расчёта расхода электрической энергии на тягу поездов. Представлены кривые тока, скорости движения и времени хода поезда для локомотивов электрической тяги на виртуальном участке железной дороги. Предложена методика расчёта расхода электрической энергии электровозами на режимах тяги и холостого хода поезда. Результаты исследований могут быть реализованы при анализе и оценке тягово - энергетической эффективности перевозочной работы локомотивов электрической тяги в условиях эксплуатации.

ABSTRACT

An algorithm is proposed for the grapho-analytical method for calculating electric energy consumption for train traction. Curves of train current, speed and travel time for electric traction locomotives on a virtual railway section are present. A method for calculating electric energy consumption by electric locomotives in the traction and idle modes of the train is proposed. The research results can be implementation in the analysis and evaluation of the traction – energy efficiency of the transportation work of electric traction locomotives under operating conditions.

Ключевые слова: исследование, результат, грузовой поезд, электровоз, эксплуатация, разъезд, станция, виртуальный, тягово - энергетический.

Keywords: investigation, result, the freight train, the electric locomotive, exploitation, the stage, the station, virtual, traction - energy.

Введение. В настоящее время, эффективное и рачительное использование энергетических ресурсов с учётом повсеместного снижения расхода электрической энергии на тягу поездов для магистральных электровозов в условиях эксплуатации продолжает оставаться весьма актуальной проблемой.

Эта проблема может решаться за счёт совершенствования системы управления энергетическими ресурсами и посредством обеспечения пропускной и провозной способности различных участков железных дорог с минимальными материальными затратами.

В течение многих лет, на кафедре «Локомотивы и локомотивное хозяйство» ТашИИТа проводятся теоретические и экспериментальные исследования по изысканию путей и возможностей повышения энергетической эффективности локомотивов электрической тяги, в основе которых лежит «классический» тяговый расчёт для различных типов и видов тягового железнодорожного подвижного состава.

Постановка задачи исследования. В последнее время, интенсивная и повсеместная электрификация узбекских железных дорог приблизительно до семидесяти процентов увеличила электрифицированные участки этих дорог, на которых железнодорожные перевозки различных по структуре, виду, типу и содержанию грузов и пассажиров осуществляются магистральными локомотивами электрической тяги (электровозами).

Приблизительно пятьдесят процентов всего эксплуатируемого локомотивного парка АО «Ўзбекистон темир йўллари» составляют магистральне (поездные) электровозы серии ВЛ60^К и ВЛ80^С в различном секционном исполнении.

Цель данного исследования заключается в обосновании алгоритма и методики расчёта расхода электрической энергии магистральными электровозами (локомотивы электрической тяги) на тягу поездов применительно к виртуальному участку железной дороги. 

Поставленная цель исследований реализуется при помощи методов [1] теории локомотивной тяги, объекта и предмета исследования.

Объект исследования составляют трёхсекционные магистральные (поездные) грузовые электровозы серии 3ВЛ80^С, основные конструктивные особенности и тягово – эксплуатационные характеристики которых приведены в [2] и виртуальный участок железной дороги.

Предмет исследования - кинематические параметры движения грузового поезда унифицированной массы состава и параметры показателей энергетической эффективности исследуемых электровозов 3ВЛ80^С на заданном участке железной дороги.

Заданный (принятый) виртуальный участок железной дороги протяжённостью L = 8,6 километров, состоящий из четырёх элементов профиля пути показан на рис. 1, три из которых представляют собой подъёмы с крутизной в +1,5 ‰ и +2,0 ‰, а один элемент – это спуск крутизной уклона равной i_сп = –2,73 ‰.

Грузовые поезда унифицированной массы состава Q = 3000 т  и числом осей m = 200 осей состоят из пятидесяти четырехосных вагонов на подшипниках качения (роликовые). Постоянные и временно действующие предупреждения и ограничения о снижении скорости движения отсутствуют. Тормозные колодки чугунные – υ_р = 0,33 кН/кН, а длина приемо - отправочных путей составляет l_поп = 1050 м.

Результаты исследования и их анализ. Реализация цели настоящих исследований опирается на следующие основные положения предложенного обобщённого алгоритма выполнения тягового расчёта:

- выбирают параметры состояния материально - технической базы и условия организации железнодорожной перевозки грузов локомотивами на заданном (принятом) участке счёта;

- разрабатывают модели вождения грузового поезда различной массы состава, организованного локомотивами без остановок и с остановками на промежуточных станциях, разъездах и раздельных пунктах;

- решают дифференциальные уравнения движения грузового поезда,

используя графический метод для определения скорости движения и времени хода поезда на заданном (принятом) участке железной дороги;

- выполняют тяговые расчёты на заданном участке железной дороги (рис. 1) и полученные результаты обрабатываются известными методами математической статистики с последующим их анализом;

- определяют значения расхода электрической энергии локомотивами на тягу поездов, опираясь на кривую тока I_da (S), в количественном и денежном исчислении.

Движение поезда описывается дифференциальным уравнением [2]:

                                                                                 (1)

где v - скорость движения, м/с;  t - время хода поезда, с; u - удельная равнодействующая сила поезда, Н/кН; ζ - действительное ускорение движения поезда, кНм/Нс².

Методика обоснования кинематических параметров движения грузовых поездов и параметров основных энергетических показателей перевозочной работы исследуемых электровозов 3ВЛ80^С изначально предусматривает составление таблицы и построение диаграммы удельных равнодействующих сил поезда.

Затем, опираясь на рекомендации [1,2] и аналогично [3], выполняется построение кривой тока, скорости движения и времени хода поезда на заданном виртуальном участке железной дороги.

На рис. 1 приведены кривые тока I_da (S), скорости движения V (S) и времени хода t (S) грузового поезда унифицированной массы состава Q = 3000 т  и числом осей m = 200 осей для исследуемых электровозов 3ВЛ80^С на виртуальном участке железной дороги, где обозначено: ст. Д – станция отправления грузового поезда; t_т и t_хх,_т – соответственно, время хода грузового поезда в режимах тяги и холостого хода, торможения (на рис. 1 этот режим ведения грузового поезда не используется); ток выкл. и ток вкл. – соответственно, ток выключен  и ток включён, то есть режим холостого хода грузового поезда.

Рисунок 1. Фрагмент тягового расчёта для локомотивов электрической тяги на виртуальном участке железной дороги

Основу построения (расчёта) траектории движения грузового поезда составляет принцип максимального использования мощности и тягово – эксплуатационных качеств (свойств) локомотива [5] с учётом кинетической энергии поезда на каждом элементе профиля пути, что для электровозов 3ВЛ80^С – это 33-я номинальная позиция контроллера машиниста на второй ступени ослабления поля (ОП2) тяговых электродвигателей.

Расчёт расхода электрической энергии на движение поезда при отсутствии рекуперации выполняют, опираясь на построенные кривые скорости V(S), времени t(S) и тока нагрузки I_da(V) для электровозов переменного тока.

Расход электрической энергии А_Д, затраченной электровозами переменного тока на движение грузовых поездов по участку в режиме тяги, определяем по формуле:

                                                            (1)

где U_КС - напряжение в контактной сети, U_КС = 25000 В;  - среднее на i - м интервале значение действующего значения активного тока, потребляемого на тягу тока, А;  - время прохождения i - го интервала, мин.

Расход электрической энергии на собственные нужды электровоза переменного тока вычисляем по формуле:

                                                                    (2)

где t_х - общее время хода поезда по участку счёта в режиме тяги, холостого хода и торможения, мин; r - средний расход электрической энергии на собственные нужды электровоза, кВт - ч/мин.

Полный расход электрической энергии равен:

                                                                 (3)

Удельный расход электрической энергии определяем по формуле:

                                                         (4)

где Q - масса состава (поезда), т; L - длина участка счёта, км.

Удельную стоимость железнодорожных перевозок разных грузов для локомотивов электрической тяги определяли по формуле:

                                                                  (5)

где А – расход электрической энергии за поездку, кВт - ч; L – длина виртуального участка железной дороги, км (L = 8,6 км); Ц_Э – отпускная цена за один киловатт – час, израсходованной электрической энергии, сўм (Ц_Э = 87,04  сўм/ кВт – ч – без учёта НДС и Ц_Э = 104,40  сўм/ кВт – ч – с учётом НДС).

В табл. 1 приведены результаты тягового расчёта - параметры кинематических и энергетических показателей эффективности использования трёхсекционных магистральных (поездных) грузовых электровозов 3ВЛ80^С на виртуальном участке железной дороги в количественном и денежном исчислении [6-10]. 

Анализ результата исследований показал, что электровозы 3ВЛ80^С, по сравнению с тепловозами 3ТЭ10М и UzТЕ16М3 [4], обеспечивают снижение стоимости железнодорожных перевозок разного по типу, виду, содержанию и структуре груза, в среднем, соответственно в 2,65 (тепловозы 3ТЭ10М) и 2,41 (тепловозы UzТЕ16М3) раз.

Таблица 1.

Показатели перевозочной работы исследуемых электровозов

на виртуальном участке железной дороги, движение без остановок

Заключение. Предложенная автором методика проведения исследований и кинематические параметры движения грузового поезда, кинематические и энергетические показатели использования трёхсекционных магистральных (поездных) грузовых электровозов серии 3ВЛ80^С, однозначно, могут быть реализованы в процессе анализа и оценки тягово - энергетической эффективности перевозочной работы локомотивов электрической тяги на виртуальных и идентичных им реальных участках узбекских железных дорог. Результаты исследований рекомендуются, также, для использования в практике работы локомотивного комплекса АО «Ўзбекистон темир йўллари» при определении трудности профиля пути железных дорог и обосновании эффективности разных видов локомотивной тяги в реальных условиях эксплуатации.

Список литературы:
1. Деев В. В. Тяга поездов [Текст] / В. В. Деев, Г. А. Ильин, Г. С. Афонин // Учебное пособие для вузов. – М.: Транспорт, 1987. – 264 с.
2. Аблялимов О. С. Основы управления локомотивов [Текст] / О. С. Аблялимов, Э. С. Ушаков // Учебник для профессиональных колледжей железнодорожного транспорта. – Ташкент: «Davr», 2012. – 392 с.
3. Аблялимов О. С. К эффективности использования электровозов 3ВЛ80С на участке Каттакурган – Навои АО «Ўзбекистон темир йўллари» [Текст] / О. С. Аблялимов // Научно – технический журнал «Вестник транспорта Поволжья» / Самарский гос. ун-т путей сообщения. – Самара, 2017. № 4 (64) – С. 16 – 22.
4. Аблялимов О. С. Оценка эффективности использования дизельного тягового подвижного состава на холмисто-горном участке железной дороги [Текст] / О. С. Аблялимов // Научно – технический журнал «Транспорт Азиатско - Тихоокеанского региона» / Дальневосточный гос. ун-т путей сообщения. – Хабаровск, 2017. № 3 (12). – С. 6 – 12.
5. Правила тяговых расчётов для поездной работы [Текст] / Всесоюзный научно – исследовательский институт железнодорожного транспорта. – М.: Транспорт, 1985. – 287 с.
6. Мерганов Аваз Мирсултанович Определение экономической эффективности в результате увеличения срока службы железнодорожных рельсов в кривых // Universum: экономика и юриспруденция. 2019. №4 (61). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/opredelenie-ekonomicheskoy-effektivnosti-v-rezultate-uvelicheniya-sroka-sluzhby-zheleznodorozhnyh-relsov-v-krivyh (дата обращения: 29.11.2019).
7. Мерганов А. М. Вопросы повышения эффективности естественных монополий //Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. – 2016. – №. 3. – С. 18-19.
8. Гуламов А. А., Мерганов А. М., Рахматов З. Н. Тариф как фактор повышения конкурентоспособности национальной экономики //Міжнародний науковий журнал Інтернаука. – 2017. – №. 5. – С. 115-19.
9. Мерганов А. М. Подход к экономическому обоснованию затрат на энергетические потери, связанные с состоянием железнодорожных путей //Вестник ИНЖЭКОНа. Серия: Экономика. – 2012. – №. 5. – С. 317-319.
10. Merganov A. M. Analyses of international practice of corporate governance in railway //Экономика и менеджмент инновационных технологий. – 2017. – №. 3. – С. 79-81.