Автоматизированный контроль безпомпажного пробега тепловоза в зависимости от технологических параметров турбокомпрессора Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

1. Интенсификация переработки групповых ваго-нопотоков / Л.В. Абуладзе и др. // Железнодорожный транспорт. 1990. № 7 С. 13-16.

2. Акулиничев В.М., Бодюл В.И., Александров

B.И. Статистическое моделирование работы сортировочной станции // Тр. МИИТ. 1974. Вып. 379. С. 74-91.

3. Новая технология управления вагонопотоками /

C.Ю. Елисеев и др. // Железнодорожный транспорт. 1999. Вып.1. С. 1-21.

4. Стопичев С.Г. Совместный расчет плана формирования отправительских и технических маршрутов на ЭВМ // Тр. ХабИИЖТ. 1965. Вып. 22. С.39-43.

5. Зубков И.И., Угрюмов А.К. Организация движения на железнодорожном транспорте // М. : Транспорт, 1981. С. 232.

6. Местная работа на железных дорогах / О.С. Кирьянова и др. // М. : Транспорт, 1975. С. 184.

7. Романов А.П. Система организации вагонопото-ков. М. : Транспорт, 1988. 134 с.

8. Шаров В.А. Интегрированная технология управления движением грузовых поездов по расписанию // Железнодорожный транспорт. 2011. № 8. С. 11-21.

9. Шаров В.А. Новые риски при реализации единого интегрированного планирования на железнодорожном транспорте общего пользования // Наука и техника транспорта. 2016. №2. С. 87-93.

УДК 621.515:629 Асламова Вера Сергеевна,

д. т. н., профессор кафедры «Техносферная безопасность», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. +79149045809, е-mail: [email protected] Темникова Елена Александровна, к. т. н., ст. преподаватель кафедры «Информационные системы и защита информации»,

Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. +79500807858, е-mail: [email protected]

Тангулаг Тайван,

инженер локомотивного депо Улан-Батор, аспирант, Иркутский государственный университет путей сообщения,

е-mail: [email protected] Гозбенко Валерий Ерофеевич, д. т. н., профессор,

Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. (3952) 638357, e-mail: [email protected] Руш Елена Анатольевна, д. т. н., профессор,

Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. +79834165007, е-mail: [email protected]

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОНТРОЛЬ БЕЗПОМПАЖНОГО ПРОБЕГА ТЕПЛОВОЗА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТУРБОКОМПРЕССОРА

V. S. Aslamova, E. A. Temnikova, Tungalag Taiwan, V. E. Gozbenko, E. A Rush

LOCOMOTIVE UNSURGE MILEAGE AUTOMATED CONTROL DEPENDING ON THE PROCESS PARAMETERS TURBOCHARGER

Аннотация. Выполнена оценка влияния основных физических параметров внешней среды и технологических параметров турбокомпрессора тепловоза серии 2ТЭ116УМ№ 031 секции А на величину помпажного пробега. Комплексный анализа информации о техническом состоянии турбокомпрессора, полученный с контроллеров № 12-14, позволил установить, что турбокомпрессор из-за нарушения устойчивости его работы вследствие помпажа не исчерпывает свой ресурс эксплуатации до очередного планового предупредительного ремонта. Мониторинг эксплуатации тепловоза на Улан-Баторской железной дороге в течение четырех лет показал, что наиболее частой причиной помпажа турбокомпрессора тепловоза является загрязнение воздушных фильтров.

С помощью пакета Statgraphics Plus обработаны исходные данные и получены регрессионные зависимости величины пробега до начала помпажа от каждого параметра в частности и их совокупного влияния. Полученная многопараметрическая регрессия совокупного влияния параметров позволит контролировать величину пробега, чтобы не допустить появления пом-

пажа, выполнив своевременно замену воздушного фильтра. С этой целью была разработана компьютерная программа, позволяющая автоматически рассчитывать величину помпажного пробега тепловоза и диагностировать необходимость замены или ревизии воздушного фильтра.

Методом половинного деления определены экстремальные значения помпажного пробега.

Ключевые слова: системный анализ, регрессионная модель, автоматизированная система, помпаж, турбокомпрессор, технологические параметры, степень повышения давления, безпомпажный пробег тепловоза.

Abstract. The article provides estimation of the impact of the basic physical parameters of the environment and technological parameters of the turbocharger diesel locomotive series 2TE116UM number 031 section on the surge mile age. A comprehensive analysis of information about the turbocharger technical condition received from the controller number 14 revealed that turbocharger does not exhaust its operating life before the next scheduled preventive maintenance, due to violation of the stability of the compressor due to the surge. The locomotive monitoring operation on the Ulaanbaatar Railways during four years showed that the most common cause of the surge of the turbocharger of a diesel locomotive is the contamination of air filters.

Basic data are processed and regression dependences of size of run prior to the beginning of a surge are received from each parameter in particular and their cumulative influence in the Statgraphics Plus package. The received multiple parameter regression will allow to control the mileage and not to allow emergence of a surge, having executed timely replacement of the airfilter.

The computer program allowing to calculate automatically the size of surge mileage of a locomotive and to diagnose need of replacement or audit of the air filter is developed.

Extreme values of surging run are determined by a method of bisection.

Keywords: system analysis, regression model, the automated system, surging, turbocharger, technological-parameter settings, pressure ratio, unsurge mileage locomotive.

Введение

На Улан-Баторской железной дороге при эксплуатации тепловозов 2ТЭ116УМ турбокомпрессоры подвержены постоянному воздействию неблагоприятных факторов окружающей среды (низкая температура, пониженное атмосферное давление, сильное загрязнение воздуха абразивным материалом во время песчаных бурь, поэтому из строя выходят узлы турбокомпрессора. Системный анализ данных, полученных в процессе эксплуатации тепловоза, позволил установить, что устойчивость работы турбокомпрессора нарушается при расходе воздуха через турбокомпрессор ниже определенной величины. При этом на высших позициях контроллера под нагрузкой появляются резкие периодические пульсации давления и скорости в потоке воздуха, протекающем через турбокомпрессор, наблюдаются периодически обратный выброс воздуха во всасывающие патрубки и дымление дизеля, просадка оборотов и резкое снижением давления наддувочного воздуха [1-3]. Это так называемый помпаж, который похож на эффект гидравлического удара в жидких средах и вызывает негативные воздействия как на конструктивные элементы, так и на технологический процесс работы дизельной установки в целом.

При эксплуатации двигателя помпаж может произойти по следующим причинам: загрязнение посторонними предметами воздушной полости между оребренными трубками охладителя наддувочного воздуха [1]; закоксованность входных и продувочных окон гильз цилиндров; закоксован-ность входного сопла турбокомпрессора; сильное загрязнение воздушных фильтров; повреждения лопатки турбины или диффузора [2]. Установлено,

что наиболее частой причиной помпажа турбокомпрессора является загрязнение воздушных фильтров. Эксплуатация турбокомпрессора при наличии помпажа недопустима [3]. Чтобы при эксплуатации предотвратить появление помпажа турбокомпрессора, необходимо исключить рост гидравлического сопротивления газовоздушного тракта двигателя [4].

Регрессионный анализ данных

с 14-го контроллера

С увеличением пробега Ь тепловоза гидравлическое сопротивление воздушного фильтра возрастает по причине его загрязнения, и растут величины гидравлического давления на выходе из фильтра р\ и турбокомпрессора р^, Па. Для предотвращения помпажа выполняют ревизию фильтра, в процессе которой его подвергают очистке, что приводит к уменьшению величин р1 и р^, или производят замену фильтра. Поэтому длина пробега Ьпр, при которой возник помпаж, вычисляется по формуле Ьпр = Ь - Ьф , где Ь - пробег от начала эксплуатации, км, Ьф - пробег, при котором произошла замена или ревизия данного фильтра [5, 6].

Обозначим: Т - температура воздуха окружающей среды, °С; Пк = р1/ - степень повышения давления, Па. Исходные данные для статистического анализа с показаний контроллера № 14 приведены в табл. 1.

Исследуя влияние каждого параметра отдельно (см. табл. 1), получили регрессионные зависимости (1)-(4), коэффициенты достоверности которых (коэффициент детерминации Я2, %, критерий Дарбина - Уотсона ОЖ, среднеквадратическая о и абсолютная А ошибки) приведены в табл. 2.

Т а б л и ц а Исходные данные для N-qhi = 1

Т, °С Р1, Па pz, Па nk Lnp, км

2 2540 156800 2,8108 95275

6 3330 142100 2,6141 104489

17 3150 145040 2,6538 163761

-18 3910 184240 3,0834 30275

-23 2350 183260 3,1285 40591

-19 3970 177380 3,0020 53296

-19 5260 161700 2,7796 45524

Коэф< шциенты достове Т а б л и ц а 2 рности регрессий

Номер ф°р- мулы R2, % DW с А

(1) 93,41 2,64 13428,00 10569,20

(2) 80,49 1,79 28598,30 22250,10

(3) 89,44 2,73 21938,00 12365,00

(4) 93,44 2,64 17283,80 10561,80

Lm = 98777,0 + 2930,25T.

(1)

Lnp (з

10000) 18

15 12

9 6 3 о

;

■

-

-23 -13 -3 7

Рис. 1. Зависимость помпажного пробега от температуры воздуха

17 '

С ростом Т величина Lrlр увеличивается. О точности найденной регрессии можно судить по рис. 2.

О 3 б 9 12 15

Рис. 2. Сопоставление рассчитанных по формуле (1) значений Lпрр с экспериментальными Lпр

Зависимость Lrlр от щ - нелинейная (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость Lnp от nk

Судя по рис. 3, Lnp с ростом пуменьшается. Lnp =-7,058 • 107 + 7,118 • 107 %к 002

Зависимость Lnp от Т носит линейный характер (см. рис. 1).

(2)

- 711165,0л ^.

О точности найденной регрессии можно судить по рис. 4, на котором приведено сопоставление рассчитанных по формуле (2) значений пробега Lnpp (ось абсцисс) с экспериментальными Lnp (ось ординат).

Lnp (хЮООО)

Iii :

15

12 ■ 9 6

3

О :

:

-

:

-

- D

■

Lnpp

0 3 6 9 12 15 (*10000) Рис. 4. Сопоставление рассчитанных по формуле (2) значений Lпрр с экспериментальными Lпр

Более сложный вид имеет регрессионная зависимость Lпр от параметраpz (см. рис. 5).

Lnp =-1,089 • 108 + 2,67 • 107 pz0-3 --1,995 • 106 pz0'6 +19146pz.

(3)

О точности найденной регрессии можно судить по рис. 6, на котором приведено сопоставление рассчитанных по формуле (3) значений пробега Lпрр (ось абсцисс) с экспериментальными Lпр (ось ординат).

Многопараметрическое уравнение регрессии, описывающее совместное влияние рассматриваемых параметров, имеет вид

Ьт = 79053,00 + 2290,86%к -

- 0,000162 pz2 + 3101,32Т.

Из формулы (4) видно, что с увеличением параметров pz помпаж наступает быстрее (Ьпр уменьшается), а при росте параметров Т и п значение Lпр возрастает, причем наибольшее влияние на величину Lпр оказывают параметры Т и ль Полученное

1

уравнение (4) позволит контролировать величину безпомпажного пробега, которая не должна превышать значения Ьпр.

На рис. 7 приведено сопоставление рассчитанных по формуле (4) значений пробега Ьпрр (ось абсцисс) с экспериментальными Ьпр (ось ординат).

Экстремальные значения помпажного пробега (5)-(7) определяются из необходимого условия экстремума функции (4) по методу дихотомии в созданном авторами автоматизированном программном модуле, который описан ниже.

дЬ

пр

дкь

= 7,118-10'

0,02

ех]

р(0,98 - Ш(я*)) (5)

- 711165,0 = 0 ^ max Ь

дЬ

дpz

= 2,67 -107

пр

0,3

* к = 2,03.

-1,995 -106

exp(0,7 - 1п (рх)) 0,6

■ +

exp(0,4 - 1п (рх)) +19146 = 0 ^ Шп Ьпр при рх = 2920,25.

(6)

дЬ

пр

дpz

= 2,67 -10 7

0,3

-1,995 -106

ехр(0,7 - 1п (^рх))) 0,6

ехр(0,4 - 1п (рх)) +19146 = 0 ^ шах Ьпр при рх = 4645,03.

+

(7)

О 3 6 9 12

Рис. 7. Сопоставление рассчитанных по формуле (4) значений Ьпрр с экспериментальными Ьпр

Регрессионные модели величины помпажного пробега для остальных контроллеров

Были обработаны экспериментальные данные с контроллеров N = 12-15 и получены регрессионные зависимости величины Ьпр от технологических параметров турбокомпрессора и температуры окружающей среды: для N = 12

Ьпр = -77318,5 + 13401 Жк2 + 2,09667рг + (8)

+ 53,99672

для N = 13

Ьпр = 123494 + 40707,6 Жк2 - 0,0000033рг2 - (9) - 152,945Т2,

для N = 15

Ьпр = 5038720 + 1824,41 Пк2 - 28,4652рг + (10)

+ 1391,04Т2. В табл. 3. приведены критерии достоверности полученных регрессий (8)-(10).

Т а б л и ц а 3

Номер формулы Я2, % БШ о А

(8) 97,79 0,67 3658,54 20249,10

(9) 96,99 3,26 7231,95 4331,31

(10) 99,87 2,94 2344,42 931,69

(хЮООО)

Рис. 6. Сопоставление рассчитанных по формуле (3) значений Ьпрр с экспериментальными Ьпр

Программа автоматизированного контроля величины безпомпажного пробега тепловоза

Для осуществления автоматизированного контроля величины Ьпр и своевременного информирования пользователя о необходимости замены или

ревизии воздушного фильтра с целью избегания появления помпажа турбокомпрессора авторами была создана программа для ЭВМ «Определение величины помпажного пробега в зависимости от технологических параметров турбокомпрессора тепловоза», на которую получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2016614081 [7].

На рис. 8 представлен алгоритм обращения к базе данных, в которой хранятся технологические параметры тепловоза и значения свойств окружающей среды на данный момент времени.

Связываем фи-

зический файл с

логическим фай-

Установка

файла z на чте-

Пока не конец

""■"■^ч.. Файла Not ^^

\ да

Чтение из файла

Nk T PI Pz T T ф

нет Вывод на экран

сообщения «Кон-

из необходимого условия существования экстремума функции помпажного пробега по методу половинного деления (по запросу пользователя).

На рис. 9 представлен алгоритм расчета величины Ьпр.

Lnp = -

Lnp= 123494+40707,6Pk2-0,0000033Pz2-152,945T2

Lnp =

Lnp = 5038720+1824,41 Pk2-

Рис. 9. Алгоритм расчета величины Ьпр по показаниям Пк, рг, Т заданного номера контроллера

На рис. 10-13 представлены блок-схемы алгоритма определения экстремальных значений помпажного пробега.

Рис. 8. Алгоритм обращения к базе данных и чтения

необходимых для вычислений данных из нее

Функциональные возможности программы:

• расчет величины помпажного пробега тепловоза по полученным в результате статистической обработки многопараметрическим уравнениям регрессии;

• сравнение рассчитанной величины пом-пажного пробега с текущей длиной пробега, диагностика необходимости замены или ревизии воздушного фильтра;

• автоматическое формирование сообщения о необходимости замены или ревизии фильтра в случае, если рассчитанное значение помпажного пробега близко к предельному значению;

• определение экстремальных значений Ьпр

Печать «Нужны (1) или не нужны (0) точки min и max

Поиск стационарных точек методом дихотомии и анализ характера экстремума

Рис. 10. Алгоритм принятия решения о поиске стационарных точек методом дихотомии

Транспорт

a:=3400; n:=0; b:=3700; eps:=1E-4

Рис. 11. Алгоритм поиска экстремальных значений помпажного пробега

Вывод на экран сообщения

/ s(g) > 0; \ С w(h) > 0: > ^ да «точка с ^ max Ьпр;

y(x) > 0 ^^ точка k ~ max Ьпр;

точка m ~ max L^».

нет

Вывод на экран сообщения

«точка с ~ min Ьпр;

точка k ~ min Ьпр;

точка m ~ min Ьпр».

и

Конец процедуры

Рис. 12. Алгоритм поиска экстремальных значений помпажного пробега

Рис. 13. Алгоритм поиска экстремальных значений помпажного пробега и вывода результата на экран в виде сообщения

По выбору пользователя необходимые для расчета данные: р\,рz, T, L, Lф - считываются либо из типизированного файла по заданному пользователем номеру нужного контроллера, либо вручную [8]. Далее рассчитывается и выводится значение п, выбирается по номеру контроллера формула для расчета величины помпажного пробега Lпр. Проверяется условие: «Осталось до появления помпажа меньше 10 км?»:

|L - Lф - Lпр |< 10. (11)

Если условие (11) выполняется, то выдается сообщение о необходимости замены или ревизии фильтра, иначе печатается сообщение, что замена фильтра не нужна. Величины текущего и помпаж-ного пробегов тепловоза выводятся на экран монитора компьютера машиниста.

На рис. 14, 15 приведен интерфейс разработанной программы.

Рис. 14. Программный модуль для расчета величины помпажного пробега

Ф

Поиск экстремальных значений функции

да 12 (по pzKi)

а = 1800; Ь = 2100

с= 1971,0238 f(c)= 0,0000

п= 29 Р(с)= 70,6520 №1+ (по pz)[3)

а = 1700; Ь-3100

с= 2920,2502 f(e)= 0,0000 п= 36

f(c)= 6,4688

¡¡=3400: ь=3700

с= 3677,8985 f[e)= 0,0000

п= 58 f'(c)= 70,3038

а=4300; Ь=5000

С— 4645,0293 Г[е)= 0,0000 п= 73

f'(c)= 3,3960

№14 (по ркХ2) а =0,1; Ь=2,6

с= 2,0303 f(e)= 0,0000

п= 32 f'(0= -343277,1000

yHt.. s

1(.]c~max Lnp

2(.]c~min Lnp

3(0с~max Lnp

OK

Рис. 15. Программный модуль для поиска экстремальных значений помпажного пробега

Заключение

До настоящего времени для избегания пом-пажа турбокомпрессора проводилась частая замена или ревизия (механическая очистка от пыли) воз-

душного фильтра. Внедрение в эксплуатацию разработанной программы позволит сократить ненужные расходы на необоснованную замену или ревизию фильтра.

1.

2.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

Тепловозы 2ТЭ10М и 3ТЭ10М / С.П. Филипов и др. // Устройство и работа. М. : Транспорт. 1986. Ефремов Л.В. Проблемы управления надежностно-ориентированной технической эксплуатацией машин // Санкт-Петербург : Art-Xpress., 2015. С. 206.

3. Системный анализ технологических параметров турбокомпрессора тепловоза / В.С. Асламова и др. // Транспортная инфраструктура Сибирского региона : материалы 7-й междунар. науч.-практ. конф. Т. 1. Иркутск : Изд-во ИрГУПС, 2016. С.300-305.

4. Четвергов В.А. Анализ факторов, определяющих надежность тепловозов на различных стадиях жизненного цикла // Известия Транссиба. 2014. № 4. С. 72-78.

5. Руш Е.А., Тунгулаг Тайван Оценка эффективности работы системы воздухоочистки дизеля тепловоза серии 2ТЭ116УМ в условиях Монголии // Транспортная инфраструктура Сибирского региона : материалы 4-й междунар. конф. Т. 1. Иркутск : Изд-во ИрГУПС, 2013. С. 20-25.

6. Свечников А.А., Галеев Р.Р. Разработка мероприятий, направленных на повышение надежности и эффективности работы турбокомпрессоров // Наука и образование транспорту. 2015. № 1. С. 34-37.

7. Свидетельство № 2016611489 Определение величины помпажного пробега в зависимости от технологических параметров турбокомпрессора тепловоза / Тунгалаг Тайван, Е.А. Темникова, Е.А. Руш; зарегистр. 13.04.2016.

8. Темникова, Е.А. Автоматизированный модуль контроля безпомпажного пробега тепловоза / Е.А. Темникова и др. // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-29 : сб. науч. тр. Саратов : Изд-во СГТУ, 2016. С. 63-64.