CC BY
118
ПРОМЫШЛЕННЫЙ ТРАНСПОРТ
Эффективность эксплуатации маневровых и промышленных
локомотивов с гидравлическои
</_ </
и электрической передачей
В. Н. БАЛАБИН, докт. т.ехн. наук, профессор кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ)
Сравнительный анализ основных технических параметров маневровых и промышленных локомотивов, а также результаты исследования их эксплуатации на предприятиях позволяют сделать вывод о том, как достичь оптимальных эксплуатационных условий, способствующих повышению эффективности локомотивного хозяйства и энергосбережению.
Многие промышленные предприятия России обладают собственным парком локомотивов. Для этих парков характерны многосерийность и недостаточная эффективность использования по причине несоответствия параметров тепловозов условиям эксплуатации. Таким образом, актуальной задачей является определение сферы целесообразного использования гидравлической и электрической передачи для локомотивов маневрового и промышленного рода службы.
Одним из основных направлений повышения эффективности и энергосбережения в локомотивном хозяйстве следует признать использование локомотивов, параметры которых соответствуют конкретным условиям эксплуатации.
На сегодняшний день основу парка промышленных локомотивов составляют тепловозы с гидравлической передачей: ТГМ4, ТГМ6, ТГМ23, ТГМ40 различных модификаций, тепловозы с электрической передачей постоянного тока ТЭМ2 различных модификаций, современные ТЭМ18, а также тепловоз с передачей переменно-постоянного тока ТЭМ7.
Исследователи МИИТа проанализировали основные параметры зарубежных и отечественных маневровых и промышленных тепловозов, эксплуатирующихся на промышленных предприятиях. В качестве основных параметров были выбраны следующие:
• удельная масса;
• удельная касательная мощность;
• удельная сила тяги;
• осевая касательная мощность;
• осевая сила тяги;
• коэффициент тяги.
Анализ соотношения между массой и мощностью локомотива показал, что отечественные производители, в отличие от зарубежных, не склонны снижать удельную массу локомотивов, вследствие чего растет его общая стоимость.
Исходя из характера распределения удельной тяги в зависимости от эффективной мощности можно заключить, что тепловозы отечественного производства обладают меньшими тяговыми усилиями на единицу мощности по сравнению с зарубежными аналогами. Тепловозы с передачей переменно-переменного тока обладают наиболее вы-
Удельная касательная
мощность, Вт/кН
900
сокими показателями удельной силы тяги: 180-593; они хорошо зарекомендовали себя в тяжелых условиях эксплуатации, где уклоны достигают 30-35 0/оо (карьеры, участки с горным профилем).
Кроме того, у зарубежных тепловозов с передачей переменно-переменного тока эффективная мощность в большей степени используется на тягу. Это говорит о более эффективном использовании мощности дизеля.
Варьирование основных параметров локомотивов отечественного и зарубежного производства маневрового и промышленного рода службы представлено на рис. 1-3.
На основе анализа удельных параметров тепловозов можно сделать вывод, что среди всех тепловозов наилучшие показатели имеют:
• зарубежные тепловозы с передачей переменно-переменного тока (по удельной массе, удельной и осевой силе тяги, коэффициентам тяги и полезного использования мощности дизеля, а также по диапазону рабочих скоростей);
Зарубежные тепловозы Рис. 1. Удельная касательная мощность Пу, Вт/кН
Отечественные тепловозы
ПРОМЫШЛЕННЫЙ ТРАНСПОРТ
• зарубежные тепловозы с гидравлической передачей (по осевой касательной мощности и по коэффициенту полезного использования мощности дизеля).
Среди тепловозов российского производства наилучшими показателями отличаются:
• тепловозы с гидравлической передачей (по удельной касательной мощности, удельной силе и коэффициенту тяги, а также по диапазону рабочих скоростей);
• тепловозы с передачами переменно-постоянного и постоянного тока (по удельной массе, осевой касательной мощности, осевой силе тяги и коэффициенту полезного использования мощности дизеля).
Для руководителя или владельца предприятия при покупке нового тепловоза решающее значение имеет его общая экономическая эффективность, которая зависит от коэффициента использования тепловоза и общих расходов. Коэффициент использования тепловоза определяется техническими параметрами силовой установки и передачи мощности. Отдельные технические параметры меняются от потребителя к потребителю в зависимости от тяговых и эксплуатационных требований. Вследствие различных условий эксплуатации могут иметь место изменения в структуре общих расходов. Поэтому однозначная оценка эффективности силовой установки и системы передачи мощности для конкретных условий эксплуатации невозможна. В каждом случае необходим анализ отдельных оценочных критериев использования локомотива. Поскольку в будущем финансовый фактор станет еще значимее, целесообразно производить анализ непосредственно на месте эксплуатации тепловоза.
В МИИТе проводились исследования условий эксплуатации локомотивов на предприятиях различных отраслей промышленности. Для всех условий эксплуатации характерно продолжительное использование силовой установки на малых нагрузках и холостом ходу. Тепловозы промышленного транспорта работают часто в смешанном режиме, выполняя маневровые, вывозные операции. Типичными особенностями, характеризующими условия эксплуатации промышленных тепловозов различных серий, являются резкие изменения массы составов от нуля до предельной, низкие скорости движения, полурейсы малой протяженности, большое количество операций реверсирований.
Осевая сила тяги, кН/ось
Зарубежные тепловозы
Рис. 2. Осевая сила тяги Гос, кН/ось
Коэффициент
полезного использования мощности
-е-
Рис. 3. Коэффициент полезного использования мощности дизеля фп
Исследования режимов эксплуатации тепловозов ТГМ23, ТГМ40, ТГМ4 и ТГМ6 на предприятиях промышленного железнодорожного транспорта (ППЖТ) показали, что при даже интенсивной маневровой работе они работают в основном на 1-4-й позициях контроллера машиниста (ПКМ). Коэффициент использования мощности дизелей при работе под нагрузкой по одним данным составляет 0,17-0,26, по другим — 0,16-0,20.
От 50 до 70 % времени тепловозы работают в режиме холостого хода дизеля, а остальное время — под нагрузкой и чаще на 1-4-й позициях контроллера машиниста. При этом время нахождения контроллера на позициях пример-
но одинаковое и колеблется от 17 до 34 %. Эти и другие данные об использовании маневровых тепловозов на предприятиях промышленности получили в результате исследований специалисты ряда научных организаций России, в том числе ВНИКТИ, Промтранс-НИИпроекта, МИИТа, ЦНИИМЭ.
Анализ режимы работы и загрузки тепловозов ТГМ6А на различных предприятиях промышленного транспорта позволил установить следующее: среднее число включений гидроаппаратов за час работы тепловоза — 32-45. Около 90 % из них работали на пусковом гидротрансформаторе и только 10 % — на маршевом. При маневровом режиме работы тепловозов случаев
включения гидромуфты не было. При этом в среднем 74 % от общего времени дизель работал в режиме холостого хода и 26 % — под нагрузкой.
Скорости движения тепловозов находились в диапазоне 0,5-13 км/ч (скорость свыше 10 км/ч зафиксирована в 2 % случаев, 0-5 км/ч — в 66 % и 510 км/ч — в 32 %). Следовательно, можно сделать вывод, что технологии работы промышленного железнодорожного транспорта свойственна не только цикличность, но и низкие скорости движения. Работа дизеля сопровождается значительным числом изменений частот вращения коленчатого вала. На один час работы под нагрузкой приходится в среднем 154 переключения рукоятки контроллера с одной позиции на другую.
Установлены обобщенные экономические показатели, характеризующие эксплуатацию тепловозов ТГМ4 и ТГМ6: продолжительность работы на пусковом гидротрансформаторе — 96,4%, на маршевом — 3,6%, на гидромуфте — 0%; среднее значение КПД гидропередачи — 36,8 %; средняя скорость движения — 5,1 км/ч; коэффициент использования мощности дизеля — 0,178; удельный касательный расход топлива — 499,4 г/кВтч.
ПРОМЫШЛЕННЫЙ ТРАНСПОРТ
Судя по статистическим данным за последние 20 лет, продолжительность работы дизелей на холостом ходу возросла в 1,6 раза, а на номинальном режиме уменьшилась в 10 раз. Расчеты показывают, что среднее потребление топлива, например тепловозом ТГМ6А, на холостом ходу составляет 20 т, а на режиме 40 % от номинального — 27 т, в то время как на номинальном режиме расходуется всего 14 т топлива.
Исходя из полученных данных можно заключить, что с точки зрения соответствия характеристик дизелей реальным условиям эксплуатации наиболее подходящими дизелями для установки на маневровых тепловозах являются 4-тактные дизели средней оборотности. Следовательно, снижение расхода топлива на неэкономичных режимах работы позволит обеспечить значительную его экономию за счет приспособления дизелей к реальным условиям эксплуатации.
Кроме топливной экономичности другим важным показателем является надежность и долговечность тепловозных дизелей. Практика отечественного и зарубежного тепловозостроения позволила установить, что при прочих равных условиях моторесурс зависит от трех основных параметров: диаметра цилиндра, В, мм; средней скорости поршня, Ст, м/с, и среднего эффективного давления, Ра, МПа, связанных зависимостью:
Средняя рабочая скорость тепловозов ТГМ23Б на внутризаводских перевозках составляет 4,5-6 км/ч. Коэффициент использования по мощности не превышает 25 %, длина полурейсов — не более 500 м. Количество перемещений рукоятки контроллера — 156-167 в час. Для тепловозов ТГМ6 коэффициент использования по мощности составляет 0,15 на маневровой и 0,35 на вывозной работах. Доля расходуемого топлива на холостом ходу — 46-69 %.
На отечественных маневровых тепловозах устанавливают исключительно четырехтактные дизели различной мощности и быстроходности. Большинство дизелей создавались без учета применения их на маневровой работе, о чем свидетельствуют зависимости изменения удельного расхода топлива различными дизелями по тепловозной характеристике. Анализ показывает, что у большинства дизелей при работе по тепловозной характеристике удельный эффективный расход топлива с уменьшением нагрузки и частоты вращения коленчатого вала увеличивается, достигая наибольших значений на режимах малых нагрузок.
Таблица. Моторесурс и отказы дизеля маневровых тепловозов
Серия тепловоза
Показатели ТГМ23 ТГМ40 ТГМ4 ТГМ6А ТЭМ2 ТЭМ7
Моторесурс 0,21 0,28 0,39 0,45 0,5 0,53
Отказ по дизелю, % 60 52,6 54,3 44,7 42,2 34,5
М = К-
С1-Р '
т е
где К — коэффициент пропорциональности.
Значения моторесурсов, подсчитанных по этой формуле, приведены в таблице. Здесь же даны сведения о распределении отказов, приходящихся на дизель, в процентах от общего количества отказов, и удельной массе.
Коэффициент моторесурса для большинства дизелей находится в обратной зависимости от числа отказов и пропорционален удельной массе.
Таким образом, дизель, устанавливаемый на маневровый или промышленный тепловоз, должен отвечать требованиям экономичности работы на режимах холостого хода и малых нагрузках. Для повышения надежности двигателя маневрового и промышленного локомотива коэффициент моторесурса должен быть по возможности наибольшим, а среднее эффективное давление — наименьшим.
