Математическая модель процесса технической эксплуатации дизельных локомотивов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.424.1

О. В. Балагин, А. В. Чулков, Д. В. Балагин

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

ДИЗЕЛЬНЫХ ЛОКОМОТИВОВ

В статье рассматривается математическая модель процесса технической эксплуатации дизельного локомотива, учитывающая изменение внешних условий, техническое состояние, режимы работы дизель-генераторных установок в реальных условиях эксплуатации локомотивов и их влияние на расход топлива.

Техническая эксплуатация дизельных локомотивов включает в себя большой и разнообразный комплекс мероприятий, определяющих эффективность их использования, сохранение работоспособности и экономичности в условиях реальной эксплуатации [1].

Для решения задач анализа и совершенствования процесса технической эксплуатации дизельных локомотивов необходимо иметь модель, позволяющую использовать в исследовании статистические методы.

Основными понятиями, используемыми при разработке модели процесса технической эксплуатации дизельных локомотивов, являются объект эксплуатации; технические состояния объекта эксплуатации <х>1, режимы эксплуатации <5У, состояния условий эксплуатации у1,

процесс технической эксплуатации <5(7) стратегия технической эксплуатации £э.

Под объектом эксплуатации понимается система, включающая в себя дизель тепловоза и непосредственно связанные с ним потребители вырабатываемой энергии (тяговый генератор, вентилятор тяговых электродвигателей, компрессор, вентилятор холодильной камеры и т. д.). В математической модели объект эксплуатации представляет собой совокупность его технических состояний сог Состояния <х>1 определяются конструктивными особенностями и

техническим состоянием отдельных узлов дизеля, регулировкой и настройкой агрегатов, наличием и качеством воды, топлива, смазки и т. д.

Режимы эксплуатации объекта у1 определяются видом работы локомотива (ожидание

работы, маневровые операции, тяга поездов, торможение, выбег, стоянка под поездом), режимом работы дизеля (холостой ход, режим нагрузки), номером позиции контроллера машиниста, сочетанием нагрузок вспомогательного оборудования (компрессор включен, вентилятор выключен, компрессор и вентилятор включены и т. д.) [2].

Состояние условий эксплуатации локомотива у1 во многом определяется внешними условиями: массой поезда, нагрузкой на ось вагона, родом груза, профилем и состоянием пути, путевыми сигналами и параметрами окружающей среды. Возможные состояния у1 внешних

условий составляют совокупность (множество) Г.

Процесс технической эксплуатации тепловоза <5(0 в математической модели определяется как стохастическое отображение комплексов технических состояний О и внешних условий Г на множество состояний эксплуатации А. Условно это отображение можно выразить следующим образом:

Следовательно, процесс технической эксплуатации локомотива <5(0 определяется как процесс возникновения и смены режимов эксплуатации <5У под воздействием конкретных состояний объекта эксплуатации <х>1 и внешних условий <5У. Графическое изображение модели процесса технической эксплуатации дизельного локомотива показана на рисунке.

2 ИЗВЕСТИЯ Транссиба М:Ц

Структурная схема технической эксплуатации дизельного локомотива

Множества Q и Г формируют комплекс А состояний процесса технической эксплуатации ö(t), т. е. определяют статистические закономерности повторения и продолжительности

режимов Sf, переходов из одного состояния Sf в другое.

С одной стороны, отображение (1) носит стохастический, случайный характер, отражающий объективную составляющую процесса <5(0, с другой стороны, coi и St, а значит, и отображение Q и Г на А посредством ö(t), определяются субъективным фактором. Поэтому процесс ö(t) является в значительной степени управляемым.

Субъективная составляющая со стороны Q отражается, например, выбором системы обслуживания и ремонта, нормируемыми параметрами и качеством настройки аппаратуры и характеристик дизель-генератора, а со стороны Г - выбором характеристик поезда, графика движения поездов и т. д. Эта субъективная составляющая воздействия Q и Г на А и S(t)

определяется стратегией технической эксплуатации S3. Под стратегией S.) понимается совокупность правил, управляющих воздействий и порядок их применения.

Правила стратегии S3 могут быть установлены и откорректированы на основе изучения

состояний щ, Sj, свойств процесса ö(t), режимов эксплуатации Sj и их эффективности. Часть правил может быть направлена на создание более благоприятных комплексов Q и Г, а часть - на формирование наиболее эффективных режимов эксплуатации Sj в зависимости от mj и у1.. В случае достаточно полной и определенной стратегии S3 можно считать, что режимы эксплуатации выбираются и назначаются в некотором соответствии (носящем в основном стохастический характер) с техническим состоянием объекта эксплуатации coj и условиями эксплуатации у1. Тогда конечной целью исследования процесса технической эксплуатации ö(t) и оценки эффективности его состояний следует признать корректировку существующей стратегии S3.

№ 4(4) 2010

Основные понятия и элементы модели процесса технической эксплуатации локомотива, а также описание их взаимодействия дополняются количественными характеристиками. Такими характеристиками переходов по состояниям процесса технической эксплуатации являются вероятности перехода процесса <5(0 из режимного состояния <5, в 8) и время ti

пребывания объекта в состоянии <5У. Время ti рассматривается как случайная величина и характеризуется интегральной функцией распределения или плотностью распределения вероятностей [2].

С помощью введенных понятий модель эксплуатации дизельного локомотива описывается следующим образом. Первоначально при 1 = процесс технической эксплуатации <5(7)

находится в некотором состоянии <5У 6 А. Через случайное время ti, распределенное по закону , с вероятностью Я в момент = 1{) + ti в соответствии с техническим состоянием <х>1 еГ2, внешними условиями у1 еГи стратегией эксплуатации 5Эпроцесс <5(0переходит в состояние <5; е А. В некоторый момент ¿2 = +осуществляется новый переход по приведенной схеме.

Вероятности переходов Ру и законы распределения времени пребывания объекта в состоянии <5, являются важнейшими количественными характеристиками модели процесса технической эксплуатации <5(0, которые можно оценивать статистическими методами. Для этого с помощью прямых или автоматизированных наблюдений за процессом технической эксплуатации группы тепловозов в течение времени 0 необходимо определить число пу переходов из <5У в <5у. При наличии указанной информации вероятность переходов Ру оценивается выражением:

~ п

(2)

щ

где щ - общее число попаданий в состояние <5У.

Оценку вероятности Р1 пребывания процесса <5(0 в состоянии <5У дает величина

Pi=—, (3)

К

где О, - общее время пребывания в состоянии <5;..

Совокупность определяет количественную структуру процесса технической

эксплуатации. Для оценки эффективности эксплуатации объекта необходимо количественно описать режимные состояния процесса технической эксплуатации дизель-генераторной установки тепловоза. Прежде всего эти режимные состояния характеризуются развиваемой дизель-генератором мощностью А^., величина которой переменна во времени, т. е. изменяется

от состояния <5У к состоянию <5у и даже в период пребывания в фиксированном состоянии. Нестабильность уровня мощности в каждом фиксированном состоянии <5у обусловлена

переходными процессами в дизель-генераторе, изменениями режимов нагрузки вспомогательных агрегатов и системы управления дизелем. В общем случае величина мощности является случайной для каждого режимного состояния <5У и характеризуется плотностью распределения £ (АО.

Плотность распределения /(АО мощности ДГУ тепловоза, развиваемой в процессе эксплуатации, определяется по правилу суперпозиции:

АЮ = ТрМЮ, (4)

/=1

где Р1 - вероятность пребывания ДГУ в состояниях 81.

В этом случае основными характеристиками мощности дизель-генератора будут математические ожидания N и дисперсия В, которые определяются из выражения:

_ ^ ^ п п _

N = \NfimdN =| # , (5)

О О '=1 '=1

где Ni = .

си си п

Б = \(М-Ю2/фут =\(М - Ю2 X и (ЮЛМ.

(6)

г и / • • ■

О 0 '=1

Развиваемая ДГУ мощность расходуется на выполнение работы тяги поезда А и на привод вспомогательного оборудования тепловоза. Величина работы А обусловливается комплексом условий О и Г, которые определяют еще и то, каким образом выполняется эта работа. Гели за время наблюдения ti ДГУ находится в состояниях <5, время / у, то:

(7)

^^ 7 /н 7=1

На выполнение работы А дизелем расходуется количество топлива

^ (8)

7=1

где & ДЛ^.)- удельный расход топлива на единицу работы ДГУ.

Выражение (8) определяет абсолютную величину расхода топлива. Для оценки эффективности эксплуатации тепловозных дизелей необходимо перейти к среднему за время часовому расходу топлива

д „ _ (9)

Д. = - = --;-= I Ье (Лг,) ЛГ,.Р,,

'н К /=1

где Р1 - статистическая оценка вероятности Я пребывания дизель-генератора в состоянии 81.

В выражении (9) удельный расход топлива& ДЛ^.) можно заменить его стоимостью и тогда формула (9) будет определять денежные затраты. Следовательно, выражение (9) определяет в математической модели процесса технической эксплуатации тепловоза величину подлежащих минимизации затрат, т. е. одну из целевых функций процесса.

Рассмотрим подробнее возможности минимизации затрат через отдельные составляющие формулы (9). Величины вероятностей Р1 (или их статистические оценки Р1) характеризуют долю времени пребывания процесса эксплуатации 8{ в состояниях 51. С видом состояния 81 связаны все остальные составляющие формулы затрат (9).

Таким образом, перераспределение значений величин Р1 при условии Р1 + Р2+ ...Рп = 1 предоставляет большие возможности влияния на топливную экономичность. Сам вектор Р = (Р1, Р2,.. ,Рп) определяется комплексами состояний О и Г и стратегией эксплуатации £э.

По сути вектор Р в обобщенном виде полностью отражает состояние ремонтного и перевозочного процессов, поэтому изучение совокупности {/)■}- одна из важнейших задач исследования процесса эксплуатации тепловозов.

м:п4.<п4) ^И ИЗВЕСТИЯ Транссиба 5

Другой фактор в выражении (9) - совокупность Ni. Значения /V. определяются в основном конструктивными решениями дизель-генератора, и поэтому субъективное воздействие на них в условиях локомотивного депо ограничено.

Затраты на выполнение работы дизель-генератором зависят еще и от удельного расхода топлива beNj. Эта топливная характеристика дизеля для каждой серии тепловозов определяется как конструкцией дизеля, так и техническими нормативами по ремонту и эксплуатации локомотивов, т. е. элементами стратегии эксплуатации S3 .Следовательно, решение задачи повышения топливной экономичности дизелей может быть осуществлено путем совершенствования стратегии S3 на стадии их создания и в процессе эксплуатации [3].

Одним из путей совершенствования стратегии S3 при создании новых дизелей должно быть уточнение вида зависимости be(N) для генеральной совокупности режимов работы дизелей тепловозов А на сети железных дорог [1].

В процессе эксплуатации серийных тепловозов стратегию S3 необходимо корректировать в соответствии с местными условиями. Например, при реостатных испытаниях тепловозов характеристики дизель-генераторных установок настраивать с учетом особенностей комплексов Q,r и вероятностей Pj, приведенных в моделях (1), (9). Данный способ может быть

реализован непосредственно в депо или на тепловозоремонтных заводах без дополнительных конструктивных изменений и затрат.

Таким образом, описанная модель процесса технической эксплуатации позволяет количественно оценить характеристики состояний дизеля, выбрать критерии эффективности работы тепловозных дизель-генераторов и наметить пути снижения расхода топлива в условиях эксплуатации.

Список литературы

1. Балакин, В. И. / Повышение надежности и улучшение технико-экономических показателей тепловозных дизелей [Текст] / В. И. Балакин. - J1. ЦНИДИ. 1983. - 155 с.

2. Александров, А. М. / Вероятностное описание, экспериментальное и теоретическое исследование режимов работы тепловозных дизелей [Текст] / А. М. Александров, В. А. Четвергов, А. В. Чулков // Повышение надежности и улучшение технико-экономических показателей тепловозных дизелей: Труды / Центральный научно-исследовательский дизельный институт. - Л., 1983. - С. 11 - 27.

3. Фофанов, Г. А. / Режимы работы тепловозов и пути повышения их топливной экономичности [Текст] / Г. А. Фофанов, Э. А. Пахомов, А. А. Лосев // Вестник ВНИИЖТа. - 1983. -№6.-С. 21-25.

УДК 629.423.31

Д. Ю. Белан, В. М. Лузин

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ КОЛЛЕКТОРНО-ЩЕТОЧНОГО УЗЛА

ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

В данного статье проведен анализ существующих методов упрочнения поверхности деталеьI машин. Для повышения износостойкости коллекторных пластин тяговых электродвигателей предлагается использовать метод электроискрового легирования.

Надежность работы тяговых электродвигателей (ТЭД) во многом зависит от исправного состояния коллекторно-щеточного узла (КЩУ). Наиболее уязвимым звеном КЩУ является

б ИЗВЕСТИЯ Трансе НОТ ВЩ