автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Совершенствование исполнительно-регулирующих устройств локомотивных автоматических систем регулирования температуры, содержащих осевые вентиляторы

кандидат технических наук
Попов,
Юрий Викторович
город
Москва
год
2007
специальность ВАК РФ
05.22.07
Автореферат по транспорту на тему «Совершенствование исполнительно-регулирующих устройств локомотивных автоматических систем регулирования температуры, содержащих осевые вентиляторы»

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование исполнительно-регулирующих устройств локомотивных автоматических систем регулирования температуры, содержащих осевые вентиляторы"

^.оах рукописи

ПОПОВ ЮРИЙ ВИКТОРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНО-РЕГУЛИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ

ЛОКОМОТИВНЫХ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, СОДЕРЖАЩИХ ОСЕВЫЕ ВЕНТИЛЯТОРЫ

Специальность 05 22 07 Подвижно» состав железных дорог, тяга поездов » электрификация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва —

003069744

На правах рукописи

ПОПОВ Юрий Викторович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНО-РЕГУЛИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ

ЛОКОМОТИВНЫХ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, СОДЕРЖАЩИХ ОСЕВЫЕ ВЕНТИЛЯТОРЫ

Специальность 05 22 07 Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва —

Работа выполнена в Российском государственном открытом техническом университете путей сообщения (РГОТУПС)

Научный руководитель доктор технических наук, доцент

Космодамианский Андрей Сергеевич

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Логинова Елена Юрьевна

кандидат технических наук, доцент Дубровин Валентин Сергеевич

Ведущая организация Самарская государственная академия

путей сообщения

Защита диссертации состоится 30 05 2007 г в 13® часов на заседании диссертационного совета Д 218 009 02 при Российском государственном открытом техническом университете путей сообщения по адресу 125993, Москва, ул Часовая, 22,2, ауд 344

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГОТУПС Автореферат разослан 19 04 2007 г

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу диссертационного совета

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 218 009 02, доктор технических наук, профессор

И А Алейников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Компания ОАО «Российские железные дорога» (ОАО «РЖД») в соответствии с разработанной стратегией развития транспортного комплекса страны в ближайшем будущем планирует вкладывать значительные средства в обновление локомотивного парка Так в период 2006 — 2008 гг на закупку и модернизацию подвижного состава ОАО «РЖД» направит 167,6 млрд руб Однако, как отмечают специалисты, основная проблема заключается не столько в количестве единиц подвижного состава, сколько в соответствии его современным техническим требованиям В настоящее время основная часть локомотивного парка состоит из локомотивов, разработанных более 30 лет назад Затраты на содержание и ремонт эксплуатируемых локомотивов составляют до 64% всех расходов в течение всего их жизненного цикла, в том числе затраты на электроэнергию и топливо — свыше 35% Вместе с тем, эксплуатационные показатели как тепловозов, так и электровозов, могут быть улучшены при их модернизации за счет применения современных средств автоматизации процессов управления и регулирования Определенных положительных результатов можно добиться, в частности, в направлении совершенствования исполнительно-регулирующих устройств локомотивных автоматических систем регулирования температуры (АСРТ), в которых применяются осевые вентиляторы — систем «осевой вентилятор — привод» К таким АСРТ можно отнести автоматические системы регулирования температуры теплоносителей (воды, масла, надувочного воздуха) дизелей, обмоток тяговых электрических машин (тяговых генераторов, тяговых электродвигателей) и тяговых трансформаторов, силовых приборов (диодов, тиристоров, транзисторов) тяговых полупроводниковых преобразовательных установок (тяговых выпрямительных установок, инверторов и преобразователей частоты) Последовательное соединение звеньев автоматической системы — исполнительного механизма (ИМ) и регулирующего органа (РО) образует исполнительно-регулирующее устройство (ИРУ) В локомотивных АСРТ функции ИМ выполняет вентилятор, а функции РО — привод вентилятора КПД ИРУ зависит от КПД ИМ и КПД РО Как известно, такие конструктивные па-

раметры ИРУ с осевыми вентиляторами, как скорость вращения вала вентиляторного колеса и угол наклона лопастей осевого вентилятора, выбираются на стадии проектирования для расчетных режимов работы охлаждающих устройств При этом руководствуются требованиями обеспечения максимальных значений КПД осевого вентилятора и минимума затрат энергии на его привод при необходимом количестве и напоре охлаждающего воздуха В то же время, известно, что доля времени работы охлаждающих устройств локомотивов в расчетных режимах составляет не более 5 — 7 % от общего времени работы, в остальных случаях КПД осевого вентилятора и затраты энергии на привод могут существенно отличаться от значений, соответствующих расчетному режиму Применение на локомотивах микропроцессорных средств и систем открывает широкие возможности улучшения характеристик ИРУ, и, как следствие, повышения их технико-экономических показателей

Цель и задачи исследования Целью диссертационного исследования является разработка математической модели и методик теоретических исследований ИРУ с осевыми вентиляторами для локомотивных АСРТ и улучшение их технико-экономических показателей

В соответствии с поставленной целью в работе были решены следующие задачи

Разработка математической модели и методики расчета аэродинамических характеристик осевого вентилятора и сети с учетом конструктивных параметров вентилятора и изменения эксплуатационных факторов

Разработка методики расчета технико-экономических показателей работы системы «вентилятор — привод» с учетом изменения КПД привода, аэродинамического сопротивления сети и температуры охлаждающего воздуха

Разработка методики и проведение расчетов по определению затрат дизельного топлива на привод осевого вентилятора для локомотивных АСРТ с различными исполнительно-регулирующими устройствами

Исследования проводились на основе использования методов математического моделирования и линейной алгебры Модель базируется на теории аэродинамики осевых вентиляторов и ме-

тодах оптимизации Достоверность исследований подтверждается сходимостью результатов расчетов с опытными данными Обоснованность выводов подтверждена сопоставлением результатов теоретических и экспериментальных исследований ИРУ с осевыми вентиляторами, полученных специалистами ЦАГИ, ПО «Лю-диновотепловоз», ВНИКТИ и др При разработке математической модели широко использовалась аппроксимация опытных данных методом наименьших квадратов При недостаточной точности аппроксимации применялась интерполяция с использованием многочлена Лагранжа Для решения задачи максимизации КПД ИРУ формировалась целевая функция, глобальный экстремум которой находился методом перебора Для решения системы нелинейных уравнений применялся метод касательных

Научная новизна полученных в диссертационной работе результатов состоит в следующем

Разработана математическая модель осевого вентилятора и его привода как ИРУ АСРТ с учетом влияния на экономичность его работы конструктивных параметров вентилятора и эксплуатационных факторов

Разработана методика расчета технико-экономических показателей работы осевого вентилятора и выбора режимов работы, соответствующих наивысшим значениям КПД и наименьшим затратам энергии на привод вентилятора для системы «вентилятор — привод» с учетом изменения КПД привода, аэродинамического сопротивления сети и температуры охлаждающего воздуха

Разработаны функциональная и принципиальная схемы микропроцессорной АСРТ с ИРУ, содержащим в качестве РО осевой вентилятор, их научная новизна подтверждена полученным патентом на изобретение

Достоверность научных исследований обеспечена проверкой адекватности расчетных данных, полученных с применением разработанной математической модели, имеющимся экспериментальным данным

Практическая ценность результатов исследований заключается в разработке предложений, позволяющих повысить экономичность работы ИРУ и дающих возможность реализовать в локомотивных АСРТ выбор наиболее экономичных режимов работы

системы «осевой вентилятор — привод» при требуемых аэродинамических показателях вентилятора (количество и напор охлаждающего воздуха) Результаты работы могут быть использованы как на стадии проектирования охлаждающих устройств и АСРТ перспективных локомотивов, так и при модернизации локомотивов, находящихся в эксплуатации

Реализация результатов работы. Часть исследований выполнена в рамках НИР, включенных в раздел Плана НИОКР ОАО «РЖД» «Фундаментальные и поисковые научно-исследовательские работы» (шифр 19 10 00) в 2004 и 2005 гг (результаты работы в виде отчетов о НИР переданы функциональному заказчику — Департаменту локомотивного хозяйства ОАО «РЖД»), а также в рамках госбюджетной НИР кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» РГОТУПС «Разработка предложений по модернизации тепловозов с целью повышения их надежности и экономичности» в 2004 и 2005 гг Результаты работы внедрены в учебный процесс РГОТУПС на кафедре «Локомотивы и локомотивное хозяйство» (дисциплина «Автоматика и микропроцессорная техника локомотивов»)

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на научно-практической конференции «Инновации в эксплуатации и развитии инфраструктуры железнодорожного транспорта» (ВНИИЖТ, г Щербинка, 2004 г), на 65 Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (гДнепропетровск, 2005 г), на II международной научно-практической конференции «Современные научные достижения 2006» (гБелгород, 2006 г), на заседаниях кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» РГОТУПС в 2004, 2005, 2006, и 2007 гг

Публикации По материалам диссертации опубликовано 11 работ, включая патент РФ на изобретение Позиции 2,5,6,8,9 и 11 опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 102 наименований Общий объем диссертации 143 страницы, включая 66 рисунков и34 таблицы

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований

В первой главе приведены результаты анализа характеристик ИРУ АСРТ, применяющихся в настоящее время на локомотивах отечественного и зарубежного производства

Широкие теоретические и экспериментальные исследования, посвященные совершенствованию систем охлаждения дизеля и тягового электрооборудования локомотивов, автоматических регуляторов (APT) и АСРТ выполнили ученые Володин А И , Гри-щенко А В, Захарчук А С , Кашников Г,Ф , Коняев А Н , Космо-дамианский А С , Кузьмич В Д , Куликов Ю А , Курбасов А С , Луков Н М , Логинова Е Ю , Миловидов Ю И , Некрасов О А , Новиков В М , Петраков В А, Петрожицкий А А, Рахманинов В И , Сергеев В Л , Стрекопытов В В , Торба С В , Чернышов Л А , Чер-ток Е Б , Цурган О В и многие другие

В настоящее время при проектировании АСРТ параметры ИРУ выбираются для номинального режима работы охлаждаемого оборудования Проведенные исследования показывают, что экономичность работы вентилятора на неноминальных режимах значительно снижается На ряде локомотивов работа вентиляторов носит релейный характер, что приводит к колебаниям регулируемой температуры

Подачу осевого вентилятора изменяют скоростью вращения вала вентиляторного колеса или поворотом его лопастей (или лопаток направляющего аппарата) Для плавного изменения скорости вращения вала осевого вентилятора на локомотивах применяются приводы разных видов Известно, что КПД этих приводов различны, причем наилучшими экономическими показателями во всем диапазоне изменения частоты вращения рабочего колеса обладает электрический привод Экономичность систем охлаждения, оборудованных плавно управляемым приводом вентиляторов, определяется главным образом экономичностью работы ИРУ — системы «осевой вентилятор-привод» — самых энергоемких звеньев APT Поэтому важно, чтобы в экономичных зонах работал не только вентилятор, но и его привод

Подачу осевых вентиляторов можно изменять также одно-

временным изменением скорости вращения вала и угла наклона лопастей вентиляторного колеса, обеспечивая требуемые количество и напор охлаждающего воздуха Однако, реализовать это в локомотивных микропроцессорных АСРТ невозможно без разработки математической модели работы ИРУ Известно также, что характеристика сети вентиляторной установки может отклоняться вследствие загрязнения воздушных фильтров, секций радиаторов охлаждающих устройств и т д , что приводит к смещению рабочей точки осевого вентилятора Это необходимо учитывать при разработке математической модели Кроме того, в математической модели необходимо учитывать изменение плотности охлаждающего воздуха, зависящей от его температуры

Вторая глава посвящена разработке математической модели работы осевого вентилятора как РО и всего ИРУ в локомотивных АСРТ

При разработке модели принимались следующие допущения

• загрязненность секций радиаторов не влияет на коэффициент теплопередачи от воды воздуху в секциях радиаторов,

• повышенная запыленность воздуха не влияет на коэффициент теплоотдачи охлаждаемых частей тяговых электрических машин и тяговых полупроводниковых преобразователей охлаждающему воздуху,

• увеличение аэродинамического сопротивления сети вентиляторной установки не превышает допустимого коэффициента запаса по давлению £;Н, который, в соответствии с рекомендациями ЦАГИ, принимается равным 1,5 от номинального значения

При составлении модели были использованы экспериментальные безразмерные аэродинамические характеристики вентилятора УК2М, полученные при испытаниях натурных образцов вентиляторов на локомотивостроительных заводах и в конструкторских объединениях

Экспериментальные размерные характеристики вентилятора К42 были получены специалистами на ПО «Людиновотепловоз» при испытаниях опытного образца ИРУ с поворотными лопастями вентиляторного колеса в диапазоне изменения угла их наклона ав от 0° до 35° Экспериментальные безразмерные характеристики вентилятора в диапазоне изменения ав от 35° до 45° были получены в ЦАГИ при испытании натурных образцов

Аэродинамические характеристики вентилятора (зависимости безразмерного коэффициента напора "ф от безразмерного коэффициента подачи (количества) воздуха ф) и КПД г| =/(ф) при различных углах установки лопастей представлялись в виде (1)и(2)

|п„й = 4>+4 Ф,2 ФЛ

где I — 0, 1 п

Постоянные коэффициенты системы уравнений (1) находились методом наименьших квадратов путем решения системы уравнений

ЧУ,-а0+а1 Ф,+й2 Ф,2+03 Ф,)2=0,

да0 <=' д " дах '=' д "

— ЦЧ>,~ао+а1 Ф,+й2 Ф,2+аз Ф,)2=0, да2 '='

— 1,Ы1-а0+а1 ф, +а2 <р,2+й3 ф,)2=0 9О2 1=1

— Ф,2+^з Ф,)2=0, дЬ0 '=1

— Ф,Ф,2+63 Ф,)2=0, <=1

д " Зо2 1=1

— Щ-Ь0+Ьх ф(+62 + ^ Ф,)2=0 оо31=1

Исходные данные для расчета

• диаметр вентиляторного колеса Вк,

• температура воздуха перед вентилятором Т

• требуемая по условиям теплового состояния охлаждаемого оборудования подача воздуха С

Для построения безразмерной характеристики вентилятора, соответствующей определенной подаче воздуха, предварительно задаемся значением (?ю и несколькими, произвольно выбранными, значениями угловой скорости вращения рабочего колеса со вентилятора

со, =[со0,юр ши] у = 0,и, (4)

где у — 0, 1 п

Линейная скорость внешних кромок вентилятора подсчиты-вается по формуле

бо— (5)

Коэффициент подачи воздуха вентилятором

Плотность воздуха связана с его температурой соотношением

Р =--{')

" 287 {Тез + 273)

Коэффициент напора воздуха

*,=Р„а>/ (8)

Напор в сети вентиляторной установки определяется эмпирическим уравнением вида

Н,=А Овз,2 + В Овз,+С, (9)

где — А, В, С — эмпирические коэффициенты, которые подбираются для каждой сети индивидуально по результатам стендовых испытаний

Безразмерный коэффициент подачи воздуха

Безразмерный коэффициент напора воздуха

По полученным величинам ф'7) и \|/|у) строится безразмерная характеристика сети Определение рабочих точек, те точек пере-10

сечения безразмерных характеристик сети с безразмерными характеристиками вентилятора, осуществляется путем решения уравнений вида

¥!у)(ф!у))=^,(Ф,) (12)

По результатам расчета определяется значение ф(, которое соответствует рабочей точке при заданной подаче охлаждающего воздуха (?вз и фиксированном угле установки лопастей ав

Найденные точки пересечения характеристик сети вентиляторной установки и вентилятора проецируются на кривые КПД вентилятора для соответствующих ав

На рис 1 показаны зависимости КПД вентилятора, соответствующие различным углам установки лопастей вентилятора для различных значений подачи воздуха GB3i и Gm2 При подаче (? экстремуму функции т]"(фСвз1ов|) соответствует угол а4

Безразмерная характеристика сети вентиляторной установки не выходит за зону устойчивой работы вентилятора при любом значении угла установки лопастей При подаче вентилятора G 2 экстремуму функции rf*(фСю2 ), соответствует угол в промежутке от а3 до а2

г\щ=Аъ) (13)

Для полного диапазона изменения (?вз и ав получаем выражения для КПД вентилятора в следующем виде

Ц, =Г1(фсгз,,ав/) (14)

Интерполируем полученные кривые с использованием многочлена Лагранжа

С«з/,а«/) Л,0 + А(фс«з/,ав|)

+ 4(фао,,«J Л,, (15)

Определение постоянных коэффициентов L производится в соответствии с выражением

,авI -Ф аз, ) (Ф Cto,

Lk (ФсЬзг.аег / _

(Фоп, aeik -Ф Свз, а-?/О aeik

Кфои, ,а ei ) (фо*,

,aeik ~Ф Gm ) (Ф Gta, ,а et к -Ф Ge31,ae,n)

Целевая функция для нахождения максимальных значений КПД может быть записана в виде

Фа»,,™ —> пгс\х(ц" ,Тю,сН)

Рис 1 Определение максимального КПД осевого вентлятора

И«,«?«,), 2-пиг(е й)

Для определения оптимального значения угла авопт составляется вектор вида

аГ=л"(ФСи,,а9() (18)

Целевая функция для нахождения авопт

^,,м,->шах(а Г) (19)

Точность расчетов определяется заданным числом точек итерации Функция г) (фСвз, ав1) имеет явно выраженный экстремум Решение уравнения (19) путем подстановки в него параметра

Фсвз<,сш Дает искомое значение авопт

Определение оптимальной частоты вращения вентилятора, соответствующей фиксированному значению (? , проводится в соответствии с выражением

--, (21)

0,392 Фс„,,а9( Ок

где ФС(Ш СШ — значение безразмерного коэффициента расхода

вентилятора, при котором КПД вентилятора максимален

Величина КПД привода является функцией частоты вращения его выходного вала

%=/«") (22) Мощность, затрачиваемая на привод вентилятора, при подаче

Д7" П1111 _

<" плп ** ' v '

1000 л Цпр

где г)" — максимальный КПД вентилятора при разных фиксированных значениях подачи

г)пр — КПД привода вентилятора

Для определения КПД системы «вентилятор-привод» г|с составляется вектор вида

Лс =Лс(ю,) Л**(Фс„,,„я) (24)

Целевая функция для нахождения ц°"т

со, ->тах(г|с) (25)

Решение (25) путем подстановки в нее со( позволяет определить максимальное значение КПД системы г|с «вентилятор-привод»

Структура математической модели системы «вентилятор-привод» приведена на рис 2

Третья глава посвящена анализу результатов расчета технико-экономических показателей вентилятора и системы «вентилятор-привод» в системах охлаждения дизелей, тяговых электрических машин и тяговых полупроводниковых преобразователей, полученных с использованием разработанной математической модели

| )пьпные безразмерные характеристики вентилятора

11остроеине зависимостей

ц/^ » о,, 4- а, -<р± • <р~ + • <р-ц = /)0 + А, + Ь, + Ь

Поиск значении аосннсс раСючнх точек вентилятора

Получение функции

Впил исходные дацыщ

С,„. Я. Л,

Построение безразкерянх характеристик ее!И

р„ Шт„).

Г,' V, =-г-

Расчет размерной ррактсри(Л1®И сети

77,. -> шахС^,^)

Получение функции \<р,

-» тах<л".Т„,.$Г)

О пределе ¡ни;

.-.,. ШВVI ~ ' 1

Вы код результатов расчетов

Ш fM.fi",от. «с

Рис.2. Математическая модель работы системы «вентилятор-привод»

В работе рассматривались следующие способы изменения подачи осевого вентилятора

• изменением только частоты вращения вала рабочего колеса вентилятора,

• изменением только угла установки лопастей рабочего колеса,

• одновременным изменением частоты вращения вала рабочего колеса и угла установки лопастей вентилятора,

• изменением угла установки лопаток направляющего аппа-рата(НА) аНА при постоянной частоте вращения вала рабочего колеса вентилятора К42

Расчеты проводились для вентиляторов УК2М, установленных в охлаждающих устройствах дизелей тепловозов ТЭП70 (2) =1,7 м) и 2М62 ф=\,6 м), а также вентилятора К42 системы охлаждения тягового электрооборудования с централизованной подачей охлаждающего воздуха

При расчетах показателей системы «вентилятор-привод» с вентилятором УК2М был принят гидростатический привод ИРУ с вентилятором К42 содержало механический привод вентилятора от коленчатого вала дизеля с постоянным КПД равным 0,95 (при изменении подачи изменением ав и а(1А) и асинхронный привод с питанием от тягового синхронного генератора (при изменении подачи одновременным изменением оов и ав

По результатам расчетов технико-экономических показателей для вентилятора без учета КПД привода, сделаны выводы о том, что из рассматриваемых способов изменения подачи наиболее экономичным является способ, при котором одновременно изменяются со и а во всем диапазоне изменения Сг (табл 1)

Таблица 1. Технико-экономические показатели вентилятора УК2М при = 35 м3/с и различных способах изменения подачи охлаждающего воздуха

Способы изменения подачи охлаждающего воздуха п, N, кВт в' ДА', %

Изменением сов (штатный способ) 0,755 32,7 0,00

Изменением а в 0,55 36 -8,33

Одновременным изменением ыв и 0,79 29,7 + 9,17

Расчеты технико-экономических показателей для системы «вентилятор-привод» показывают, что оптимальные значения ав, при которых КПД вентилятора максимален, непостоянны и меняются в зависимости от (7вз, причем в зоне невысоких значений (7 КПД вентилятора снижается

На рис 3 приведены затраты мощности на привод вентилятора УК2М воздушно-водяной системы охлаждения дизеля тепловоза ТЭП70 при различных способах изменения его подачи Мощность, потребляемая вентилятором при изменении его подачи только изменением ав в диапазоне 3-16 м3/с выше, чем при других способах В диапазоне подач 16-35 м3/с данный способ экономичнее других, при условии, что вентилятор работает с максимальной частотой вращения или близкой к ней В указанном диапазоне кривые 1 и 3 (см рис 3) совпадают, т е способ изменения подачи вентилятора одновременным изменением оов и ав является наиболее экономичным во всем диапазоне изменения подачи Величина экономии мощности на привод при подаче 15 м3/с и одновременном изменении оов и ав составляет 6,2 %, а при подаче 35 м3/с — 13 % по сравнению со штатным охлаждением

Рис 3 Зависимости затрат мощности на привод вентилятора УК2М при способах изменения подачи вентилятора 1 — одновременным изменением частоты и угла установки лопастей, 2 — только частотой вращения (ав=27,3°), 3 — только углом установки лопастей (сов=1380 об/мин)

Аналогичные результаты получены и для вентилятора К42 Зону работы вентилятора К42 можно разделить на две области зона невысоких подач (3 — 10 м3/с) и зона средних и высоких подач (больше 10 м3/с) В первой зоне изменение подачи только изменением сов в 4,5 раза экономичнее способа изменения подачи только ав и а[|д При подаче 12 м3/с более экономичным становится способ изменения подачи путем изменения ав или а При номинальной подаче 20,2 м3/с экономия мощности составляет 21 % по сравнению с изменением подачи изменением только сов Но наилучшие показатели для всего диапазона изменения (7вз получены для способа изменения подачи вентилятора при одновременном изменении со и а

В настоящее время все применяемые на тепловозах типы приводов вентилятора в той или иной мере зависят от частоты вращения коленчатого вала дизеля, поэтому сравнение технико-экономических показателей системы «вентилятор-привод» с зависимым и независимым приводами корректно и проводилось только для статических режимов работы

Четвертая глава посвящена анализу влияния на экономичность работы вентилятора таких эксплуатационных факторов, как температура охлаждающего воздуха перед вентилятором и изменение аэродинамического сопротивления сети

При проектировании локомотивных систем охлаждения энергетических установок температура охлаждающего воздуха принимается постоянной и равной + 40 °С В то же время многолетняя годовая температура атмосферного воздуха на Европейской части Российской Федерации в среднем находится в пределах + 5- +9 "С, а в Сибири и на территории Дальнего Востока — в пределах - 9—5 °С Суточные колебания температур атмосферного воздуха в районах с резко континентальным климатом могут достигать 25 °С

При постоянной температуре наружного воздуха, температура охлаждающего воздуха Тю перед вентилятором меняется в зависимости от мощности дизель-генераторной установки Так, диапазон изменения температуры Твз для дизеля Д49 тепловоза ТЭП70 при температуре наружного воздуха +30 "С на выходе из секций радиатора для воздушно-водяной системы охлаждения составляет 22,7 °С, а для воздушно-водомасляной системы охлаждения 37,1 °С

Изменение плотности охлаждающего воздуха при изменении его температуры оказывает существенное влияние на расположение аэродинамической характеристики сети и положение рабочей точки вентилятора, что приводит, в свою очередь к изменению КПД вентилятора На рис 4 приведены безразмерные характеристики вентилятора УК2М и сети вентиляторной установки охлаждающего устройства дизеля тепловоза ТЭП70 при различных значениях Твз

Из рис 4 видно, что при повышении Твз с +40 до +90 °С при (7 =4 м3/с и ав=27,3°, КПД вентилятора снижается с 0,71 до 0,69, а затраты мощности на его привод возрастают на 4,3 % При изменении подачи вентилятора одновременным изменением частоты вращения и угла наклона лопастей вентилятора оптимальное значение а составляет 18,5°

Этот способ по сравнению со способом изменения подачи вентилятора изменением только частоты вращения вентилятора экономичней на « 4 % При дальнейшем повышении Гвз рабочая точка вентилятора смещается в сторону зоны его неустойчивой работы

При расчетах обычно принимают, что аэродинамическое сопротивление сети неизменно Но в действительности это не так, и изменение его может привести к тому, что рабочая точка вентилятора сместится в зону неустойчивой работы вентилятора При низких значениях (до 10 м3/с) безразмерные аэродинамические характеристики сети вентилятора полностью располагаются в зоне неустойчивой работы вентилятора для его штатного исполнения (при ав=27,3°) Этого можно избежать, если уменьшить ав до величины 18°

Изменение ав позволит поддерживать максимально возможные значения КПД, достичь экономии энергии, затрачиваемой на привод вентилятора в размере от 4 до 13 % в зависимости от степени загрязнения сети по сравнению со штатным охлаждением и удерживать рабочую точку вентилятора в зоне устойчивой его работы

Пятая глава посвящена технико-экономическим расчетам, подтверждающим эффективность применения разработанных рекомендаций по совершенствованию ИРУ локомотивных АСРТ Количественная оценка производилась по показателю экономии расхода топлива на привод вентилятора с использованием раз-

работанной методики Расчет проводился при условии автоматического поддержания регулируемой температуры на заданном уровне

0,1 0,16 0,22 0,28 ф

Рис 4 Безразмерные аэродинамические характеристики вентилятора УК2М и сети охлаждающего устройства дизеля тепловоза ТЭП70

Затраты топлива определялись с использованием экспериментальных данных, полученных специалистами ВНИКТИ

• При установившемся режиме работы дизель-генераторной установки или постоянном токе тяговых электрических машин рассчитывалась необходимая величина (?п

• По выражению (23) определялась мощность, затрачиваемая на привод вентилятора

• Затраты топлива определялись с использованием зависимости

в=т„ к т), (26)

где — удельный эффективный расход топлива дизелем на 1-й позиции,

N — мощность на привод вентилятора на 1-й позиции,

т — время работы тепловоза на 1-й позиции контроллера машиниста

Для системы охлаждения теплоносителей дизеля тепловоза ТЭП70 при Твз + 60 °С перед вентилятором изменение подачи изменением ав и сов позволяет получить суммарную экономию топлива до 5760 кг топлива в год на одну секцию тепловоза

Для системы охлаждения тягового электрооборудования тепловоза ТЭП70 при Твз перед вентилятором + 25 °С экономия при изменении подачи одновременным изменением ави сов позволяет получить суммарную экономию топлива до 15108 кг топлива в год на одну секцию тепловоза Ожидаемая суммарная годовая экономия топлива при расчетных условиях составит 20868 кг на одну секцию тепловоза ТЭП70

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие результаты

1 Проведен анализ способов изменения подачи осевого вентилятора Подтверждена целесообразность разработки математических моделей, методик расчета, схем и конструкций исполнительно-регулирующих устройств, содержащих осевые вентиляторы, с целью улучшения их технико-экономических показателей

2 Разработана математическая модель исполнительно-регулирующего устройства, позволяющая выбирать наиболее экономичные режимы работы системы «вентилятор-привод» с учетом конструктивных параметров и эксплуатационных факторов

3 Разработана методика и проведены расчеты затрат мощности на привод вентилятора и КПД во всем диапазоне изменения скорости вращения вала и угла установки лопастей вентиляторного колеса для вентилятора и в целом для системы «вентилятор-привод» для следующих способов изменения подачи охлаждающего воздуха

• при изменении только скорости вращения вала вентиляторного колеса,

• при изменении только угла установки лопастей вентиляторного колеса,

• при одновременном изменении скорости вращения вала и угла установки лопастей вентиляторного колеса

• при изменении только угла установки лопаток направляющего аппарата

4 Проведена расчетным путем оценка влияния на экономичность работы исполнительно регулирующих устройств таких эксплуатационных факторов, как температура охлаждающего воздуха перед вентилятором и аэродинамическое сопротивление сети Показано, что изменение температуры охлаждающего воздуха, приводящее к соответствующему изменению его плотности, приводит к смещению рабочей точки Увеличение аэродинамического сопротивления сети может привести, кроме того, к смещению рабочей точки в зону неустойчивой работы вентилятора

5 Анализ результатов выполнения расчетов показал, что наиболее экономичным является способ изменения подачи охлаждающего воздуха при одновременном изменении скорости вращения вала и угла установки лопастей вентиляторного колеса Расчеты проведены для системы охлаждения теплоносителей дизелей тепловозов 2М62 и ТЭП70 Изменение подачи охлаждающего воздуха указанным способом позволяет удерживать рабочую точку вентилятора в зоне устойчивой его работы и обеспечивать при этом максимально возможные значения КПД вентилятора и его привода при минимуме затрат мощности

6 Разработана методика и выполнены расчеты затрат дизельного топлива на привод вентиляторов в системе охлаждения теплоносителей дизелей и в системе охлаждения тягового электрооборудования тепловоза для различных способов изменения подачи охлаждающего воздуха

7 Разработаны функциональная и принципиальная схемы автоматической системы регулирования температуры с электрическим на переменном токе приводом вентилятора, на которые получен патент РФ на изобретение

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1 Автоматическая система регулирования температуры обмоток тяговых электрических машин с электрическим на переменном токе приводом вентилятора Луков Н М , Ромашкова О Н , Космодамианский А С , Алейников И А , Попов Ю В Патент РФ на изобретение № 2256996 Опубликовано 20 07 05 Б И № 20

2 Космодамианский А С , Попов Ю В Регулятор температуры обмоток тяговых электрических машин транспортных средств ВИНИТИ Транспорт Наука, техника, управление М , 2003, № 12, С 15-18

3 Космодамианский А С , Алейников И А , Попов Ю В Оптимизация параметров исполнительно-регулирующих устройств микропроцессорных систем регулирования температуры на тепловозах Сборник докладов научно-практической конференции «Инновации в эксплуатации и развитии инфраструктуры железнодорожного транспорта» ВНИИЖТ, М , 2004 С 176

4 Луков Н М , Космодамианский А С , Попов Ю В , Герасимов А И , Кравцов А И Методика выбора оптимальных параметров работы осевого вентилятора в системе охлаждения тепловоза М 2003 ,7 с, деп в ВИНИТИ 12 12 2003, № 2277 В2003

5 Луков Н М , Космодамианский А С , Попов Ю В Исследование локомотивных систем регулирования температуры//Локомотив М , 2005 №5 — С 35 — 36

6 Луков Н М Космодамианский А С , Попов Ю В Электроприводы вентиляторов для регуляторов температуры энергетических установок подвижного состава Наука и техника транспорта 2005 г, № 1 С 44 — 55

7 Попов Ю В Повышение экономичности работы вентилятора охлаждающего устройства тепловоза 2М62 Сборник докладов 65 Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта», Днепропетровск, 2005 С 61 — 62

8 Попов Ю В Влияние изменения сопротивления сети на экономичность работы вентилятора охлаждающего устройства

тепловоза Наука и техника транспорта 2006 г № 2 С 92 — 98

9 Попов Ю В Влияние температуры воздуха на работу систем регулирования температуры теплоносителей дизеля тепловоза ВИНИТИ Транспорт Наука, техника, управление М , 2005, № 8, С 34 - 36

10 Попов Ю В Применение в системе централизованного воздухоснабжения тепловозов вентилятора с поворотными лопатками Материалы II международной научно-практической конференции «Современные научные достижения — 2006» Том 15 Технические науки 20-28 января 2006 г С 37 — 43

11 Попов Ю В Способы регулирования работы вентилятора охлаждающего устройства тепловоза 2М62 ВИНИТИ Транспорт Наука, техника, управление М , 2005, № 2 С 31 — 32

ПОПОВ Юрий Викторович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНО-РЕГУЛИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ ЛОКОМОТИВНЫХ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, СОДЕРЖАЩИХ ОСЕВЫЕ ВЕНТИЛЯТОРЫ

Специальность 05 22 07 Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Тип зак ¡/^ Изд зак 240 Тираж 100 экз

Подписано в печать 16 04 07 Гарнитура Ые\\ТопС Офсет

Уел печ л 1,50 Формат 60x90'/,

Издательский центр РГОТУПСа, 125993, Москва, Часовая ул , 22/2

Участок оперативной печати РГОТУПСа, 125993, Москва, Часовая ул , 22/2

Оглавление автор диссертации — кандидат технических наук Попов, Юрий Викторович

Введение 2007 год, диссертация по транспорту, Попов, Юрий Викторович

Заключение диссертация на тему "Совершенствование исполнительно-регулирующих устройств локомотивных автоматических систем регулирования температуры, содержащих осевые вентиляторы"

БиблиографияПопов, Юрий Викторович, диссертация по теме "Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация"