CC BY
15
1 2 © Михеев В.А. , Сопижук А.Н.
1Канд. техн. наук, доцент, кафедра вагоны и вагонное хозяйство; 2Преподаватель, кафедра вагоны и вагонное хозяйство, Омский государственный университет путей сообщения
ОЦЕНКА ТЯГОВОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОВОЗОВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ
СТАЦИОНАРНЫХ ИСПЫТАНИЙ
Аннотация
В статье рассмотрена методика и соответствующие математические модели, программная реализация которых позволить оценить тяговые качества тепловоза, сформировать режимы его работы на обслуживаемом участке и спрогнозировать экономические и экологические характеристики силовой установки в ожидаемых условиях эксплуатации с учетом индивидуальных тягово-энергетических и технико-экономических параметров.
Ключевые слова: тяговая характеристика, математическое моделирование, тепловоз. Keywords: traction characteristics, mathematical modeling, locomotive.
В процессе работы тепловоза, на поезд действуют всевозможные силы, различаемые по своей величине и направлению. Эти силы разделяют на управляемые и неуправляемые. Управляемые силы: сила тяги тепловоза и тормозная сила поезда. Неуправляемые силы: силы сопротивления движению состава и сила инерции. Тяговая характеристика должна обеспечивать автоматическое изменение силы тяги при изменении скорости. Работы тепловоза характеризуются тем, что для ускорения движения в зоне малых скоростей требуется значительное увеличение силы тяги, а в зоне больших скоростей - меньшее.
В процессе эксплуатации тепловозов возможно отклонение выходных параметров силовых установок от нормативных паспортных значений, приводящее, в конечном счете, к изменению функциональных свойств тепловоза.
Основные энергетические и экономические параметры силовой установки - мощность (кВт), частота вращения коленчатого вала (мин-1) и удельный расход топлива (кг/кВт- ч) - на номинальном режиме определяются по результатам последних реостатных испытаний. Для промежуточных позиций данные характеристики определяются с помощью статистических характеристик, представленных в виде полиномов:
Nei = ^ ANei = aNe ^ + bNe Пкм1 + сNe , (1)
ni = nн Ani = an П™1 + bn Пкм + сn, (2)
bei = ^н Abei = abe Пкш + bbe Пкш + ^e, (3)
где ANei, Ani, Abei - соответственно относительная мощность, частота вращения и удельный расход топлива на i-ой позиции контроллера машиниста nmi.
По значениям определенных мощностей тепловоза для всех позиций контроллера машиниста рассчитываются тяговые характеристики тепловоза в диапазоне скорости движения от начальной до конструкционной с заданным шагом по следующему выражению [1], Н
ns
Fki = Z ((367,2NeH ANei Лвсп )/ V), (4)
s=1
где ns - количество секций тепловоза;
Лв<ш - коэффициент полезного действия вспомогательного оборудования;
© Михеев В.А., Сопижук А.Н., 2016 г.
V - скорость движения поезда, км/ч.
Используя результаты моделирования тяговых свойств, формируются режимы работы тепловоза на обслуживаемом участке. Математическая модель для формирования режимов работы тепловоза, на базе расчета времени работы по позициям контроллера машиниста с учетом индивидуальных тягово-энергетических и технико-экономических параметров тепловоза, профиля пути, условий пропуска поездов на заданном участке обращения и вероятностных законов распределения продолжительности работы магистральных локомотивов в эксплуатации, позволит оценивать и прогнозировать экономические и экологические характеристики [2].
В качестве исходных данных используется следующая информация: количество секций эксплуатируемого тепловоза; протяженность участка обращения и профиль пути; структура поезда и масса состава; наличие постоянно действующих и временных ограничений скорости; общее время работы силовой установки тепловоза за поездку; статистико-аналитическая информация о режимах работы и условиях эксплуатации.
Значения касательной силы тяги локомотива Бщ и позиция контроллера машиниста тепловоза на выбранном ]-ом элементе профиля пути определяются из условия движения поезда с постоянной скоростью:
ркц - =о, (5)
где Ро^) - условие равновесия удельных сил, действующих на поезд в режиме тяги или выбега.
Время работы тепловоза на 1-й позиции контроллера машиниста при движении поезда в режиме тяги или выбега на ]-ом элементе спрямленного профиля пути вычисляется по уравнению, ч:
ч = (6)
где Б] - длина ]-го элемента спрямленного профиля пути, км;
V, - установленная скорость движения поезда, км/ч.
Расход топлива за время ^ на 1-й позиции контроллера машиниста определится по формуле, кг:
В = Кен АКе1Ьен ДЬе11*, (7)
где ^ ? - общее время работы тепловоза на 1-й позиции контроллера машиниста при движении по нормируемому участку с учетом времени переходных процессов, ч.
Суммарный расход топлива тепловозом за время чистого движения вычисляется по формуле, кг:
пк=15
Вдв = IВ1. (8)
1=о
Время работы силовой установки тепловоза за поездку будет больше времени чистого движения, так как часть его будет затрачена на разгон и торможение поезда, на обеспечение работы основного и вспомогательного оборудования тепловоза во время стоянок на станциях и в депо. Тогда суммарный расход топлива тепловозом за поездку, кг:
ВХ = Вдв + Впер , (9)
где Впер - дополнительный расход топлива тепловозом с учетом переходных режимов, кг.
По результатам расчетов в соответствии с разработанной математической моделью для заданного участка эксплуатации в четном и нечетном направлениях определяется основные экономические показатели, в частности удельный расход топлива за поездку на единицу перевозной работы, суммарная работа дизель-генераторной установки локомотива, среднеэксплуатационная экономичность магистрального тепловоза и другие показатели эффективности.
В основу математической модели для расчета эксплуатационной экологической характеристики тепловоза положен метод равновесного состава, учитывающий элементарный состав топлива и параметры процесса его выгорания в цилиндре двигателя [3].
При использовании дизельного топлива среднего элементарного состава основными токсичными продуктами, определяющими загрязнение атмосферы, в выхлопных газах тепловозов являются сажа (углерод), оксид углерода, оксид азота и серы, углеводороды и альдегиды, для количественного определения которых используются четыре уравнения материального баланса, составленные на основе неизменности отношения количества атомов отдельных элементов (Бх) в ходе реакции:
= ^Лс; а р =а Бс/8о; р р = ; 7 р = Эс^н, (10)
где Бр, ар, Рр, 7р - константы уравнений.
Для определения количества продуктов сгорания топлива в цилиндре двигателя число атомов в уравнениях (1о) выражается через парциальные давления исходных химических элементов, составляющих свежий заряд цилиндра и топлива, а именно О2, Н, С, N и Б. Парциальные давления других продуктов сгорания выражаются через парциальные давления исходных элементов. Связь между полным давлением смеси в камере сгорания и парциальными давлениями отдельных компонентов задается уравнением Дальтона:
Р = I Рх, (11)
Решение полученной системы уравнений относительно неизвестных базовых элементов (О2, Н, С, N и Б) выполняется численными методами. Масса каждого продукта сгорания определится по уравнению состояния газов:
т = (т Рх^ )/(ЯТ2), (12)
Реализация представленного выше метода возможна при известных значениях основных параметров процесса выгорания топлива в цилиндре двигателя, которые могут быть определены в результате моделирования рабочего процесса дизеля для заданной позиции контроллера машиниста с использованием комбинации методов Гринивецкого-Мазинга и И. И. Вибе [2, 4].
Литература
1. Сковородников Е. И. Нормирование расхода топлива на маневровую и поездную работу тепловозов [Текст] / Е. И. Сковородников, С. М. Овчаренко // Ресурсосберегающие технологии в структурных подразделениях Западно-Сибирской железной дороги: материалы научно-практической конференции / Омский государственный университет путей сообщения. - Омск: ОмГУПС, 2005. - С. 116-125.
2. Володин А. И. Методы оценки технического состояния, эксплуатационной экономичности и экологической безопасности дизельных локомотивов [Текст] / Под ред. А. И. Володин. - М.: ООО «Желдориздат», 2007. - 264 с.
3. Сковородников Е. И. Методы оценки и пути снижения экологического воздействия тепловозных дизелей на окружающую среду [Текст] / Е. И. Сковородников. - Омск: РИО ОмГАПС, 1995. - 104 с.
4. Сковородников Е. И., Анисимов А. С., Шабалин А. Ю. Влияние угла опережения подачи топлива на экологические характеристики дизеля 10Д100 // Надежность и экономичность дизельного подвижного состава: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омская гос. акад. путей сообщения. - Омск, 1997. 80 с.
