Влияние коэффициента участковой скорости на удельный расход энергии в грузовом движении Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.

Доктор технических наук, заведующий кафедрой «Электроснабжение железнодорожного транспорта» ОмГУПСа, заслуженный изобретатель РФ, академик Академии электротехнических наук РФ, академик Петровской академии наук и искусств, почетный железнодорожник, ОмГУПС.

Тел.: +7 (3812) 31-34-46.

E-mail: [email protected]

Саля Илья Леонидович

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).

Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.

Кандидат технических наук, доцент кафедры «Информатика, прикладная математика и механика», ОмГУПС.

Тел.: +7 (3812) 31-18-66.

E-mail: [email protected]

БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ

Сидоров, О. А. Выбор метода численного моделирования токоприемника электроподвижного состава [Текст] / О. А. Сидоров, И. Л. Саля // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. -2016. - № 2 (26). - С. 107 - 112.

Doctor of Technical Sciences, Professor, head of the department «Power supply of railway transport» Omsk State Transport University, Honored Inventor of the Russian Federation, academician of the Academy of Electrical Sciences of Russia, Academician Peter's Academy of Arts and Sciences, Honorary Railwayman.

Phone: +7 (3812) 31-34-46.

E-mail: [email protected]

Salya Ilya Leonidovich

Omsk State Transport University (OSTU).

35, Marx st., Omsk, 644046, the Russion Federation.

Ph. D., Associate Professor of the department «Computer science, applied mathematics and mechanics» Omsk State Transport University (OSTU).

Phone: +7 (3812) 31-18-66.

E-mail: [email protected]

BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION

Sidorov O. A., Salya I. L. The choice of the method of numerical simulation of the pantograph electric rolling stock. Journal of Transsib Railway Studies, 2016, vol. 26, no. 2, pp. 107 - 112. (In Russian).

УДК 656.222:629.4

Е. А. Сидорова, С. О. Подгорная

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация

ВЛИЯНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА УЧАСТКОВОЙ СКОРОСТИ НА УДЕЛЬНЫЙ РАСХОД ЭНЕРГИИ В ГРУЗОВОМ ДВИЖЕНИИ

Аннотация. Важнейшей задачей энергетической стратегии Российской Федерации является эффективное использование топливно-энергетических ресурсов. Железнодорожный транспорт - один из крупнейших потребителей дизельного топлива и электроэнергии, основная доля энергозатрат которого приходится на тягу поездов. Расход энергии на тягу зависит от множества эксплуатационных факторов, в том числе от скоростных характеристик движения поездов. Статья посвящена определению способа оценки влияния изменения коэффициента участковой скорости движения грузовых поездов на изменение удельного расхода энергии локомотивами. Сделан вывод о том, что расчет коэффициентов влияния показателей использования локомотивов, в том числе коэффициента участковой скорости, необходимо выполнять для каждого структурного подразделения и анализируемого календарного периода. Предложенная для этого авторами статьи формула включена в состав Методики анализа и прогнозирования расхода ТЭР на тягу поездов, внедренной на сети железных дорог России в 2015 г.

Ключевые слова: удельный расход энергоресурсов, тяга поездов, коэффициент участковой скорости, уравнение тягово-энергетического баланса, коэффициент влияния.

Elena А. Sidorova, Svetlana O. Podgornaya

Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation

PRECINCT SPEED FACTOR INFLUENCE ON SPECIFIC ENERGY CONSUMPTION IN FREIGHT TRAFFIC

Abstract. The most important task of the Russian Federation's energy strategy is the efficient use of energy resources. Rail transport is a one of the major consumers of diesel fuel and electricity, where the major energy consump-

tion is used for traction. Traction energy consumption depends on a number of operational factors, including the characteristics of high-speed trains. The article is devoted to the designation of ways to assess the impact of changes in the coefficient of the precinct speed offreight trains on the change in specific energy consumption of locomotives. It is concluded that the calculation influence coefficient use indicators of locomotives, including the coefficient of the precinct speed must be performed for each of the structural units and analyzed the calendar period. Proposed by the authors for this formula is included in the methods of analysis and forecasting of energy resources consumption for traction trains introduced on the Russian train system in 2015.

Keywords: the specific consumption of energy, traction of trains, precinct speed factor, the equation of traction and energy balance, the influence factor.

Эффективное использование топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) - важнейшая задача энергетической стратегии Российской Федерации. Одним из крупнейших потребителей ТЭР в стране является железнодорожный транспорт, на осуществление работы которого расходуется более 4 % электроэнергии и около 10 % дизельного топлива, используемых в России. От всех затрачиваемых железной дорогой энергоресурсов более 76 % приходится на выполнение перевозочного процесса [1]. Для обеспечения рационального энергопотребления на тягу поездов большое значение имеют разработка и реализация энергосберегающих мероприятий, в основе которых лежит всесторонний анализ энергоемкости перевозочного процесса.

На тяговое энергопотребление оказывают влияние множество эксплуатационных факторов, в том числе качественные показатели использования локомотивов. К ним относится и ряд показателей, определяющих норму удельного расхода энергии (УРЭ) на выполнение единицы перевозочной работы в грузовом движении, - средняя масса поезда Q, техническая скорость Ктех, нагрузка на ось грузового вагона q^, доля порожнего пробега грузовых вагонов ап, а также коэффициент участковой скорости куч, характеризующий соотношение участковой Ууч и технической скоростей движения поездов. На различных уровнях организационной иерархии железнодорожного транспорта производится анализ изменения удельного расхода ТЭР на тягу поездов за счет влияния изменения перечисленных выше показателей, которое оценивается с помощью специальных характеристик, называемых коэффициентами влияния. Они показывают, на сколько процентов изменится УРЭ при изменении i-го нормо-образующего фактора на 1 % или принятую единицу его измерения [2].

В литературных источниках и нормативных документах ОАО «РЖД» [3 - 4 и др.], посвященных разработке и исследованию методологии анализа энергозатрат на тягу поездов, рекомендовано осуществлять определение коэффициентов влияния путем дифференцирования уравнения тягово-энергетического паспорта локомотива по соответствующему нормооб-разующему фактору. Это уравнение характеризует взаимосвязь удельного расхода энергии b и характеристик локомотива, состава вагонов и пути при движении поезда массой Q со средней технической скоростью Утех по спрямленному участку пути, имеющему постоянный уклон i:

b =

I

(

Qл

K • K

F

Кт.с ~ Kx • K

367,2

( P + Q )( + i)

Л

(1)

где 1т - индекс вида тяги: для электрической тяги - 10000, для дизельной тяги - 843; П - номинальный коэффициент полезного действия (КПД) локомотива; Кх - коэффициент использования мощности вспомогательного оборудования локомотива на холостом ходу; Ктс -коэффициент технического состояния локомотива; К - коэффициент, характеризующий

относительный расход ТЭР на холостом ходу; #КН - номинальная касательная мощность локомотива, кВт; Р - сцепной вес локомотива, т; wо - основное удельное сопротивление движению поезда, кгс/т, которое определяется согласно рекомендациям работ [5, 6].

При практическом использовании данного уравнения в качестве показателей Р, щ, #КН, К принимаются соответствующие параметры осредненного локомотива, определяемые с

№ 2(26) 2016

ИЗВЕСТИЯ Транссиба

113

учетом относительного объема перевозочной работы, выполненной локомотивами каждой серии, в общем объеме грузовой работы в структурном подразделении [7]. Эти и другие эксплуатационные показатели, которые включает в себя уравнение (1), существенно различаются для разных структурных подразделений и календарных периодов. Для примера в таблице 1 приведены диапазоны изменения значений показателей использования локомотивов в грузовом движении на всех железных дорогах России на полигонах электрической и дизельной тяги в августе 2014 г. Данные таблицы 1 свидетельствуют о том, что разброс значений одного и того же показателя может достигать более 50 %. По этой причине коэффициенты влияния изменения показателей использования локомотивов, определяемые на основе уравнения (1), должны рассчитываться индивидуально для каждого структурного подразделения и периодически корректироваться с учетом изменений эксплуатационных факторов и технических характеристик локомотивов, вагонов и пути в отчетном периоде.

Таблица 1 - Диапазоны изменения показателей использования локомотивов в грузовом движении на железных дорогах России в августе 2014 г.

Показатель Масса поезда, т Нагрузка на ось вагона, т Техническая скорость, км/ч Доля порожнего пробега вагонов, % Коэффициент участковой скорости, %

Электрическая тяга

Минимальное значение 3382 14,1 36,0 31,1 56,4

Максимальное значение 4378 15,8 55,7 43,9 90,6

Расхождение, % 29,5 12,1 54,7 41,2 60,6

Дизельная тяга

Минимальное значение 2632 13,8 38,7 35,6 66,8

Максимальное значение 4040 15,9 55,1 55,6 86,0

Расхождение, % 53,5 15,2 42,4 56,2 28,7

Математические выражения для расчета коэффициентов влияния изменения таких показателей использования локомотивов, как Q, Утех, цгр, ап, приведены в специализированных источниках [4], однако порядок определения коэффициента влияния изменения коэффициента участковой скорости /Зк , характеризующего относительное (в процентах) изменение

УРЭ при изменении куч на 1 % (в абсолютном представлении), в этих источниках отсутствует: в работах профессора В. С. Молярчука [4] такой фактор не рассматривается; в Методике анализа результатов расхода топливно-энергетических ресурсов на тягу поездов ЦТД-26 представлены только числовые значения - для электрической тяги Рк = -0,64 %, для дизельной тяги Рк = -0,60 % - без указания того, каким образом они получены и в каких случаях применяются;

на практике на разных железных дорогах при анализе энергозатрат на тягу поездов помимо указанных выше значений /Зк иногда используют другие величины: для электровозов

- /Зк = -0,276, для тепловозов - /Зк = -0,237 %, но чем они обусловлены неизвестно.

Расчетная формула для оценки влияния на УРЭ коэффициента участковой скорости приведена лишь в разработанной специалистами ВНИИЖТа методологии технического нормирования расхода ТЭР локомотивами на тягу поездов [3]. При этом определяется абсолютное изменение УРЭ при изменении куч на единицу:

~\4 ( р \

Р + (\-р\р , (2)

V V ро у

к -__. 10.. Р

К, тл /2 Рп

где Рт - показатель, в качестве которого для электрической тяги используется мощность вспомогательного оборудования локомотива #всп, кВт, для дизельной тяги - удельный расход топлива на холостом ходу тепловозом основной серии Ьххо, кг/ч; в - коэффициент структуры

эксплуатируемого парка локомотивов; Р0, Рд - сцепной вес локомотивов основной и дополнительной серий, т.

Перечень входящих в выражение (2) показателей отличается от списка параметров в уравнении (1). Это обусловлено тем, что указанная методология технического нормирования расхода ТЭР реализует анализ энергозатрат для конкретной поездки или участка работы локомотивных бригад. Рекомендаций по определению изменения УРЭ на уровне структурного подразделения она не содержит.

В источнике [3] приведены значения кк , полученные по формуле (2) для разных месяцев

на участке работы электровозов Вязьма - Бекасово. Они колеблются в диапазоне от -11,51 до -13,78 кВт-ч/10 тыс. ткм брутто, что при переходе к относительным величинам составляет от -0,1 до -0,142 %. Эти значения существенно отличаются от приведенных выше значений коэффициента Д^ .

Согласно данным таблицы 1 значения коэффициента участковой скорости колеблются в широком диапазоне. Об этом же свидетельствует и гистограмма изменения данного показателя на железных дорогах России в августе 2014 г., представленная на рисунке. В связи с этим применение для разных структурных подразделений универсальных числовых значений коэффициента влияния Дк нельзя признать корректным, что обосновывает необходимость определения способа его расчета.

95

Окт Мск Гор Сев СКв Прв Свр ЮУр ЗСб Крс ВСб Заб ДВс - электрическая тяга; ■ - дизельная тяга;

Коэффициент участковой скорости на железных дорогах России в августе 2014 г.

Для решения этой задачи воспользуемся обобщенной формулой, рекомендованной в работе [4] для определения влияния показателей, изменение значений которых учитывается в абсолютном представлении (в физических единицах измерения). Применительно к коэффициенту влияния Д она будет иметь вид:

Рк,„ =

100 ёЪ

Ъ ёк

(3)

ёЪ

где--частный дифференциал удельного расхода ТЭР по коэффициенту участковой ско-

ёк

рости, определяемый на основе уравнения (1).

Непосредственное вычисление такого частного дифференциала невозможно, поскольку показатель куч в явном виде в выражении (1) отсутствует. Для устранения этой проблемы воспользуемся взаимосвязью между технической и участковой скоростью движения:

к

уч

№ 2(26) АЛЯ Л ИЗВЕСТИЯ Транссиба 115

=2016 ■

V

V

тех 7

к„т

Согласно положениям теории тяги основное удельное сопротивление движению поезда определяется по выражению [5]:

(рх+ех)

™о --

(р+е)

(5)

где , - сопротивление движению локомотива и вагонов соответственно, которое рассчитывается по формулам [6]:

м>'-1,9+А-V + В-V2

о ' га тех л тех э

(6)

А + В ■V + С -V

о Агр + Вгр ' тех + Сгр ' т

2

тех

(7)

где Ал, Вл, Агр, Вгр и Сгр - вспомогательные коэффициенты [7].

В результате подстановки выражений (4) - (7) в формулу (1) она примет вид, в котором явно фигурирует коэффициент участковой скорости куч:

Ь - 1 т

(

К -Кь Нк" ' ^ I КТС - Кх ' Кь'

\

V.,

У4

367,2

Г г

Р

V.

V,

2 Л

1,9 + А + В

, л к л к2

\ \ уч уч у

+е

V V

ААр + Вгр^ + Ср -7?

куч куч у уу

+1

(8)

В результате дифференцирования выражения (8) по куч и возврата с помощью формулы (4) к отчетному показателю Утех получаем:

с1Ь

скуч е-Ч

К,-К

N

КН

КТС - Кх- Кь,

V - к

тех уч

367,2

Р-А V 2-Р-В ^ О-В -V 2-ОС -V

± ^П ' т™ . ^ ± ^л тех . ^ гр тех гр т

ЛЛ

(9)

' тех | " л ' тех | ^ Ф тех |__^ гр тех

К

к„

уу

После подстановки выражения (9) в (3) формула для расчета коэффициента влияния рк

примет вид:

Л -

100- /

Ь-е-куч Ч

Кх- Кь/ #КН (КТС - К х- Кьх) ,

V,

367,2

(10)

х(Тех(р-Ал+е-Вгр)+2ТГ2;Х(р- Вл+0-е )).

С целью количественной оценки величины коэффициента влияния рк выполнен расчет

по формуле (10) на основе реальных исходных данных для отдельных структурных подразделений и сети железных дорог в целом на полигоне электрической (ЭТ) и дизельной (ДТ) тяги (таблица 2). Анализ составляющих уравнения (10) и полученных результатов расчетов показал, что наибольшее влияние на изменение величины рк оказывает изменение технической скорости.

х

х

2

X

Таблица 2 - Результаты расчета коэффициента влияния /Зк

Железная дорога Вид тяги b, кВтч (кг)/ 10 тыс. ткм брутто Q, т FTex, км/ч Луч, % ß,, %

Забайкальская ЭТ 105,9 4114 36,0 90,6 -0,314

ДТ 74,4 2804 38,7 78,0 -0,052

Западно -Сибирская ЭТ ДТ 80,6 37,6 4333 2934 55,7 55,1 88,7 83,6 -0,866 -0,294

Свердловская ЭТ ДТ 98,3 29,6 4091 3870 41,2 44,8 78,2 76,1 -0,496 -0,333

Северо-Кавказская ЭТ ДТ 113,0 40,1 3363 3139 47,2 40,2 57,8 75,4 -0,822 -0,122

Всего по сети желез- ЭТ 96,4 4041 47,3 85,0 -0,601

ных дорог ДТ 41,3 3318 45,1 81,4 -0,181

Существенные различия полученных значений Д подтверждают вывод о том, что расчет коэффициентов влияния показателей использования локомотивов, в том числе коэффициента участковой скорости, необходимо выполнять для каждого структурного подразделения и анализируемого календарного периода.

Предложенная авторами статьи формула для расчета Д^ (10) включена в Методику анализа и прогнозирования расхода ТЭР на тягу поездов, внедренную на сети железных дорог России в 2015 г.

Список литературы

1. Энергосбережение на железнодорожном транспорте: Справочно-методическое издание [Текст] / В. А. Гапанович, В. Д. Авилов и др. М.: Интехэнерго-Издат; Теплоэнергетик, 2014. - 304 с.

2. Игин, В. Н. Энергосбережение в эксплуатационном депо [Текст] / В. Н. Игин,

A. Ю. Новиков, С. С. Петраковский // Локомотив. - 2014. - № 7 (691). - С. 9 - 11.

3. Современная методология технического нормирования расхода топливно-энергетических ресурсов локомотивами на тягу поездов [Текст] / Л. А. Мугинштейн. М.: ВМГ-Принт, 2014. - 144 с.

4. Молярчук, В. С. Теоретические основы методики нормирования расхода топлива и электроэнергии для тяговых средств транспорта [Текст] / В. С. Молярчук. - М.: Транспорт, 1966. - 263 с.

5. Теория электрической тяги: Учебник [Текст] / С. И. Осипов, С. С. Осипов,

B. П. Феоктистов. - М.: Маршрут, 2006. - 436 с.

6. Правила тяговых расчетов для поездной работы [Текст]. М.: Транспорт, 1985. - 287 с.

7. Сидорова, Е. А. Влияние показателей использования локомотивов на расход энергоресурсов в грузовом движении [Текст] / Е. А. Сидорова, С. О. Подгорная // Транспорт Урала / Уральский гос. ун-т путей сообщения. - Екатеринбург. - 2016. - № 1 (48). - С. 41 - 45.

References

1. Gapanovich V. A., Avilov V. D., Ivanov B. I. Jenergosberezhenie na zheleznodorozhnom transporte: Spravochno-metodicheskoe izdanie (Energy savings in rail transport: The edition of guidance, of the). Moscow: Intehjenergo-Izdat, Teplojenergetik, 2014, 304 p.

2. Igin V. N., Novikov A. Ju., Petrakovskij S. S. Energy saving in operational depot [Jenergosberezhenie v jekspluatacionnom depo]. Lokomotiv - Locomotive, 2014, no. 7 (691), pp. 9 - 11.

3. Muginshtejn L. A. Sovremennaja metodologija tehnicheskogo normirovanija rashoda top-livno-jenergeticheskih resursov lokomotivami na tjagu poezdov (Modern methodology of technical regulation of fuel and energy resources locomotives for hauling). Moscow: VMG-Print, 2014, 144 p.

№ 2(26) ЛЛ4 Л I11Г1 Г( Till Транссиба 117

2016 ■

Путь и искусственные сооружения

4. Moljarchuk V. S. Teoreticheskie osnovy metodiki normirovanija rashoda topliva i jelektro-jenergii dlja tjagovyh sredstv transporta (Theoretical foundations of methods of fuel rationing and electricity for traction transport means). Moscow: Transport, 1966, 263 p.

5. Osipov S. I., Osipov S. S., Feoktistov V. P. Teorija jelektricheskoj tjagi (The theory of electric traction). Moscow: Marshrut, 2006, 436 p.

6. Pravila tjagovyh raschetov dlja poezdnoj raboty (Rules for the train traction calculation). Moscow: Transport, 1985, 287 p.

7. Sidorova E. A., Podgornaja S. O. Effect of utilization rates of locomotives on the consumption of energy resources in the cargo movement [Vlijanie pokazatelej ispol'zovanija lokomotivov na rashod jenergoresursov v gruzovom dvizhenii]. Transport Urala - Urals Transport, 2016, no. 1 (48), pp. 41-45.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Сидорова Елена Анатольевна

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).

Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.

Доктор технических наук, заведующая кафедрой «Информатика, прикладная математика и механика», ОмГУПС.

Тел.: +7 (3812) 31-18-66.

E-mail: [email protected]

Подгорная Светлана Олеговна

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).

Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.

Инженер, ОмГУПС.

Тел.: +7 (3812) 31-18-66.

E-mail: [email protected]

БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ

Сидорова, Е. А. Влияние коэффициента участковой скорости на удельный расход энергии в грузовом движении [Текст] / Е. А. Сидорова, С. О. Подгорная // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2016. - № 2 (26). - С. 112 - 118.

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Sidorova Elena Anatolievna

Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russion Federation. Doctor of Technical Sciences, Professor, head of the department «Computer science, applied mathematics and mechanics» Omsk State Transport University. Phone: +7 (3812) 31-18-66. E-mail: [email protected]

Podgornaya Svetlana Olegovna

Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russion Federation. Engineer, Omsk State Transport University (OSTU). Phone: +7 (3812) 31-18-66. E-mail: [email protected]

BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION

Sidorova E. A., Podgornaya S. O. Precinct speed factor influence on specific energy consumption in freight traffic. Journal of Transsib Railway Studies, 2016, vol. 26, no. 2, pp. 112 - 118. (In Russian).

УДК 625.143-192

Н. И. Карпущенко, П. С. Труханов

Сибирский государственный университет путей сообщения (СГУПС), г. Новосибирск, Российская Федерация

ОЦЕНКА И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ РЕЛЬСОВ В РАЗЛИЧНЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ УСЛОВИЯХ

Аннотация. В статье представлены методики расчета надежности рельсов. Проведено исследование отказов и долговечности рельсов на двух направлениях Западно-Сибирской дирекции инфраструктуры для участков пути с разными эксплуатационными характеристиками. Получена зависимость гамма-процентного ресурса рельсов от осевой нагрузки вагонов и плана пути. Сделано заключение об условиях увеличения продолжительности жизненного цикла рельсов с наработкой тоннажа до 1500 млн т брутто.