Исследование эффективности использования тепловозов UzTE16M3 на участке Каттакурган - Навои Узбекской железной дороги

АННОТАЦИЯ

Представлены результаты обоснования параметров перевозочной работы трёхсекционных магистральных (поездных) грузовых тепловозов UzTE16M3 на реальном холмисто - горном участке железной дороги при движении грузовых поездов без остановок и с остановками на промежуточных станциях, разъездах и раздельных пунктах, а также оценки тяговых качеств (свойств) профиля пути перегонов этого участка. В качестве критерия упомянутой оценки предложены приведённые значения общего и удельного расходов дизельного топлива на тягу поездов в количественном и денежном исчислении с учётом сопутствующих перевозочному процессу значений приведённого времени хода поезда в режиме тяги и удельного расхода дизельного топлива за поездку. Результаты исследований получены при помощи методов и способов теории локомотивной тяги с учётом максимальных значений основных показателей топливно-энергетической эффективности использования исследуемых тепловозов UzTE16M3 в виде табличных данных и графических зависимостей. Результаты исследований рекомендуются для практического использования машинистам – инструкторам по теплотехнике и специалистам линейных предприятий локомотивного комплекса сети узбекских железных дорог, профессиональная и производственная деятельности которых касаются вопросов энергетики движения грузовых и пассажирских поездов на реальных холмисто – горных и, идентичным им, виртуальных участках железных дорог.

ABSTRACT

Introduced the results of validation three – sectional of main (trains) freight of the UzTE16M3 diesel locomotives of transportation working parameters on the real of hilly – mountainous of railway area by of the movement freight trains without stops and with any stops on the intermediate (space) stations, passing-tracks and division points, but also of estimation of the traction qualities (difficulties) of the track profile of the stages of this area. Of the mention of estimation in criterion quality are offered brought importance of general and specific consumptions of diesel fuel on the train tractions in quantitative and money calculus with account accompanying of the transportation process importance of brought running time of train of the traction mode and specific consumption of diesel fuel for the trip. Research of theresults were received by the help of methods and fashions of theory of locomotive tractions with account of basic indicators of the maximum importance of fuel - energy of the efficiency used of investigating of the UzTE16M3 diesel locomotives in the form of tabular dates and graphic arts dependences. Research of theresults are recommended for practical use by engine-drivers-instructors at a thermotechnics and expert of the linear enter-prises of the locomotive complex of uzbek railways systems, who of professional and production activities concern by with questions of energy of the freight and passenger trains movement on the real of the hilly – mountainous and, identical him, of the virtual of railways districts.

Ключевые слова: оценка, результат, грузовой поезд, движение, тепловоз, железнодорожный путь, участок, метод, эксплуатация, условие, направление, этап, скорость, расчёт, подвижной состав, анализ, холмисто -  горный, пункт, разделить, средний, зависимость, обоснование, качество, перегон, профиль, железная дорога.

Keywords: evaluation, result, the freight train, movement, the diesel locomotive, railway track, the area, the method, the  exploitation, condition, direction, the stage, the speed, calculation, rolling – stock, analyses, hilly - mountainous, point, divide, average, dependence, substantiation, quality, stage, profile, railway.

Введение

Провозная и пропускная способности железных дорог в значительной степени зависят от тягово-энергетических характеристик магистральных (поездных) локомотивов электрической и дизельной тяги, техническое состояние которых в полной мере, не всегда, отвечает современному уровню требований в связи с климатическими условиями железнодорожных полигонов и особенностями профиля пути участков железных дорог, в частности узбекских.

Поэтому анализ технического состояния магистрального (поездного) тягового подвижного состава и обоснование тягового качества и сложности (трудности) перегонов профиля пути узбекских железных дорог требуют особого подхода, набора наукоёмких методов, новых способов и критериев оценки.

В настоящее время, создание системы комплексной оценки эффективности использования тепловозного и электровозного парков железнодорожной отрасли Узбекистана, учитывающей конструктивные особенности и различные условия организации эксплуатации локомотивов, является актуальной задачей.

Сейчас, в решающей мере это относится к магистральному (поездному) тяговому дизельному подвижному составу, который, несмотря на интенсивную электрификацию узбекских железных дорог, продолжающуюся с каждым годом всё активнее и заметнее, не ограничивает повышенного спроса к локомотивам дизельной тяги (тепловозам) в реализации железнодорожных перевозах грузов разнообразных по структуре и содержанию. Подтверждением сказанному является проведение в локомотивном комплексе АО «Ўзбекистон темир йўллари» глубокой модернизация тепловозов серии ТЭ10М путём замены дизеля 10Д100 на дизель5Д49 [1].

На сегодняшний день, пятьдесят  четыре  процента  всех  секций  локомотивного  парка АО «Ўзбекистон темир йўллари» составляют магистральные (поездные) грузовые локомотивы дизельной тяги, причём приблизительно тридцать процентов секций которых приходится на тепловозы серии UzТЕ16М [2]. Основная конструктивная особенность последнего является [3]: новая силовая энергетическая установка – дизель-генератор 1А-9ДГ с дизелем 1А-5Д49, унифицированная система тепловозной автоматики - микропроцессорная система регулирования мощности дизель - генератора УСТА-75-02 и комплексное локомотивное устройство безопасности - система КЛУБ – У, а также унифицированный пульт управления (УПУ).

В этой связи, теоретические и экспериментальные исследования должны быть направлены на обоснование кинематических параметров и энергетических показателей эффективности использования тепловозов серии UzТЕ16М в различном секционном исполнении для разнообразных условий организации эксплуатационной деятельности узбекских железных дорог.

Сотрудники кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» совместно со специалистами линейных предприятий и других смежных структурных подразделений локомотивного комплекса АО «Ўзбекистон темир йўллари активно участвуют в проведении исследований по разработке энергосберегающих технологических процессов и практических мероприятий по повышению эффективности использования дизельного парка локомотивов в эксплуатации.

Постановка задачи исследования

Известно достаточно большое количество научных работ зарубежных учёных [4,5,7-9,11-17 и многие другие], направленных на разработку технических решений,  теоретических и практических рекомендаций, которые обеспечивают повышение тяговых качеств магистральных (поездных) локомотивов с учётом их эксплуатации на участках железных дорог различных по степени сложности и трудности.

При оценке тягово-эксплуатационных качеств локомотивов и исследовании динамических свойств подвижного состава для описания касательной составляющей силы в момент взаимодействия  колеса с рельсом наибольшее распространение до настоящего времени имеют гипотезы, предложенные  исследователями [4,5].

Формула [4], описывающая касательную силу в контакте колеса и рельса была основана на предположении, которое подразумевало, что сила сцепления пропорциональна относительному смещению (или относительному упругому псевдоскольжению) материалов бандажа и  рельса.

В исследовании [5] была предложена модель контакта колеса и рельса, согласно которой при малых величинах упругого псевдоскольжения (крипа) могут существовать зоны сцепления и упругого смещения. Однако полная картина соответствия этих динамических моделей контактного взаимодействия  колеса и рельса с аналогичными процессами, происходящими при этом в реальности, до сих пор не наблюдается [6], так как линейная теория, справедливая для малых величин упругих псевдосмещений (трения) распространяется на кинематические перемещения колеса, имеющего перемещения, измеряемые многими миллиметрами.

В работе [7] предлагается техническое состояние межвитковой изоляции тяговых электродвигателей оценивать по стандартной процедуре тестирования ступенчатым напряжением, согласно которой диагностирование начинается с подачи в систему  «обмотка - корпус» испытательного напряжения 500 В. Далее, используя аналого-цифровой преобразователь контроллера, измеряется напряжение на измерительном шунте и вычисляются значения тока утечки и сопротивления изоляции при данном тестовом напряжении. Путём сопоставления полученных значений с установленным критерием, принимая во внимание поправки на текущую температуру, определяется  наличие или  отсутствие  повреждений. В случае отсутствия выявленных повреждений испытательное напряжение повышается на очередные 500 В и цикл измерений повторяется с последующем вычислением относительного изменения сопротивления изоляции по формуле.

Авторы исследований [8,9] рекомендуют для систем тягового электроснабжения магистральных железных дорог переменного тока использовать компенсирующие устройства с плавным регулированием реактивной мощности, созданные на базе силовых полупроводниковых преобразователей. Однако, эти устройства дороже нерегулируемых устройств, а работа силовых ключей приводит к генерации высших гармоник устройством и в этой связи, технически и экономически, целесообразно использовать нерегулируемые компенсирующие устройства [10] - в случае размещения одного такого устройства на межподстанционной зоне обеспечит снижение расхода электрической энергии на тягу поездов на один – два процента.

Один из путей снижения потребления натурного дизельного топлива и вредных выбросов в окружающую среду (атмосферу) тепловозами заключается в использовании гибридного тягового привода [11], благодаря которому энергия дизель – генератора передаётся тяговым электродвигателям и накопителю энергии. Торможение гибридного тепловоза сопровождается передачей части энергии в накопитель энергии, то есть происходит процесс рекуперации, который обеспечивает значительную экономию натурного дизельного топлива.

Обеспечение эксплуатационной надёжности и безопасности движения поездов напрямую зависят, также, от исправного состояния железнодорожного пути, в частности основного элемента его верхнего строения – балластного слоя. Автором работы [12] рекомендована формула для расчёта сопротивления поперечному смещению путевой решетки после работы уплотнительной машины, которая при равномерном распределении вдоль пути условий работы балластной призмы позволяет избежать прямого измерения коэффициента трения между подошвами шпал и балластом.

На современном подвижном составе широко используется тяговый электрический привод с асинхронными электродвигателями, в котором в качестве преобразователей электрической энергии применяются полупроводниковые преобразователи частоты (инверторы). Анализ исследований [13] показал, что наибольшее применение в тяговом электрическом приводе  получили трехуровневые инверторы с фиксирующими диодами, основным и главным преимуществами которых являются: общее звено постоянного тока на все транзисторы, высокая энергетическая эффективность преобразования и небольшие потери мощности.

На локомотиворемонтных предприятиях железнодорожного транспорта основными системными качествами планировки цехов по ремонту локомотивов с учётом организации производственных процессов в них являются принципы пропорциональности, прямоточности, параллельности, непрерывности и ритмичности, опираясь на сетевое планирование и управление ремонтным производством. Последнее представляет собой сложную интеграционную систему, состоящую из совокупности подсистем и элементов, входящих в неё и которая обусловливает возникновение синергетического эффекта функционирования системы [14], то есть когда системе присущи не только свойства каждой ее составляющей, но и ряд принципиально новых свойств и системных качеств, порожденных взаимодействием этих частей.

Исследования ремонтного производства сложных интеграционных систем [15,16] в настоящее время показывают, что получение синергетического эффекта является их основной экономической целью. Для обеспечения положительного синергетического эффекта при формировании ремонтного производства локомотивов необходимо избегать дублирования технических и технологических решений, наличия их большого числа и многообразия, так как это может привести к негативной динамике производственного процесса, что является свидетельством отсутствия одного единственно лучшего (оптимального) решения [17].

Сказанного выше свидетельствует, что проведённый анализ научно – исследовательских работ зарубежных авторов [4,5,7-9,11-17] не даёт ответа на вопрос по - поводу обоснования эффективности использования тягового дизельного подвижного состава с учётом реальных условий организации железнодорожных перевозок грузов на различных участках Узбекской железной дороги.

Цель данных исследований состоит в обосновании параметров основных показателей перевозочной работы и энергетической эффективности использования магистральных (поездных) грузовых тепловозов серии UzТЕ16М3 на одном из реальных участков узбекских железных дорог, а также анализе и оценке тягового качества и свойства профиля пути последнего по степени сложности и трудности.

Железнодорожные перевозки грузов и технологический процесс движения грузовых поездов на участке Каттакурган – Навои АО «Ўзбекистон темир йўллари» реализуются локомотивами дизельной тяги, основу которых составляют их тягово-энергетические характеристики и реальные условия организации эксплуатационной деятельности железнодорожной отрасли.

Реализации сформулированной выше задачи исследования осуществляется методами и способами [18,19] теории локомотивной тяги и опирается на материально – технологические условия организации перевозочного процесса с грузовыми поездами унифицированной массы состава и постоянным числом осей на спрямлённом, заданном, железнодорожном профиле пути, объект и предмет исследований [20].

Объект исследования - трёхсекционные магистральные (поездные) грузовые тепловозы UzТЕ16М3 испрямлённый профиль путиреального участка Каттакурган – Навои Узбекской железной дороги с четырьмя железнодорожными перегонами – это перегоны Каттакурган – Разъезд № 28, Разъезд № 28 - Зирабулак, Зирабулак - Зиёвуддин, и Зиёвуддин - Навои.

Предмет исследования составляют основные показатели перевозочной работы и топливо - энергетической эффективности использования упомянутых тепловозов UzТЕ16М3, а также приведённые расходы натурного дизельного топлива на тягу поездов в количественном и денежном исчислении на заданном, реальном, участке железной дороги.

Для  обеспечения  контроля  параметров  работы  аппаратуры  и  одновременного  управления тремя секциями трёхсекционные магистральные (поездные) грузовые тепловозы серии UzТЕ16М3 в электрической схеме базового тепловоза UzTE16М2 имеют изменения в соединениях интерфейсов и пультов управления каждой секции, а также систем подготовки пуска, пуска дизеля и пожарной сигнализации. Для дизеля 1А-5Д49 третьего исполнения на режимах номинальной мощности (N_e = 2206 кВт), холостого хода и торможения удельный и часовой расходы дизельного топлива, соответственно, составляют 208 г/кВт-ч и 14 кг/ч.

Длина участка Каттакурган – Навои Узбекской железной дороги составляет 78,75 километров. Он содержит шестьдесят один элемент, из которых двадцать шесть и тридцать два элемента железнодорожного пути характеризуются изменением крутизны, соответственно, подъёмов от +0,14 до +5,77 ⁰/₀₀ и спусков от -0,12 до -5,37 ⁰/₀₀, и «площадки» - станции Зиёвуддин и Навои, Разъезд № 33.

Железнодорожный участок Каттакурган – Навои имеет две промежуточные станции (ст. Зирабулак и ст. Зиёвуддин) и шесть раздельных пунктов - разъездов (Разъезды № 28, № 29, № 30-33), где ограничения по скорости движения составляют V^ог= 60 км/ч (ст. Каттакурган, ст. Зирабулак, Разъезды № 28,29) и V^ог= 40 км/ч (ст. Зиёвуддин). Перегон Каттакурган - Разъезд № 28 имеет два ограничения по скорости движения в V^ог= 80 км/ч, а наибольшая скорость движения грузового поезда на упомянутом участке составляет V^max= 90 км/ч.

Анализ и оценку тягового качества и свойства перегонов профиля пути железнодорожных участков производили по критерию (показателю) трудности последнего [21,22], за который были приняты приведённые значения общего и удельного расхода натурного дизельного топлива на тягу поездов. Их численные значения определяли путём деления величины (количества) упомянутых расходов за поездку на длину в один километр железнодорожного пути. Кроме этого, использовали некоторые другие приведённые и удельные значения параметров основных показателей перевозочной работы локомотивов дизельной тяги, а именно: t* – приведённое время хода поезда в режиме тяги, е и c_т –  удельные расход натурного дизельного топлива и затраты денежных средств на тягу поездов.

Результаты исследования и их анализ

Кинематические параметры движения грузовых поездов и энергетические параметры основных показателей перевозочной работы трёхсекционных магистральных (поездных) тепловозов на участке Каттакурган – Навои Узбекской железной дороги определяли, используя рекомендации [23], для номинальной позиции контроллера машиниста тепловоза в сочетании с режимами холостого хода и торможения.

Поэтому движение грузового поезда с унифицированной массой состава Q = 3000 т и постоянным числом осей в составе m = 200 осей, реализовывалось упомянутыми выше тепловозами UzTE16M3 с использованием наибольших мощности силовых энергетических установок и кинетической энергии поезда с учётом оптимальных тягово – энергетических характеристик локомотива на каждом, конкретном элементе профиля пути.