автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Использование энергии электродинамического торможения тепловозов

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

На правах рукописи

ГРУЩИН

Константнн Андреепич

УДК 629.424.12.077-592.31

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО ТОРМОЖЕНИЯ ТЕПЛОВОЗОВ

Специальность 05.22.07 — Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1992

Работа выполнена в Петербургском институте инженеров железнодорожного транспорта.

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор Виктор Васильевич СТРЕКОПЫТОВ

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, академик Академии транспорта РФ

Николай Михайлович ЛУКОВ; кандидат технических наук, доцент Александр Борисович БУЯНОВ

Ведущее предприятие — Управление Октябрьской железной дороги.

2/ ¡¿ллЛлх^г^

Защита состоится «. . .» г^ . /..... 1993 г.

в час. на заседании специализированного совета

Д114.03.02. Петербургского института инженеров железнодорожного транспорта по адресу: 190031, г. Санкт-Петербург, Московский пр., д. 9, ПИИТ, ауд. 5-407.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять в совет института.

Автореферат разослан «. . .»

1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук,

доцент Б. В. РУДАКОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Внедрение скоростного движения поездов предъявляет одно из важнейших требований к безопасности движения: наличия на локомотиве двух видов тормоза ( пневматического и электродинамического ) • В последние годы все-вновь строящиеся тепловозы с электрической передачей оборудуются реостатным тормозом.

Анализ мощности тепловозов в тормозном и тяговом режимах показал, что в современных тепловозах 2ТЭ116, ТЭП70, ТЭМ7 и других растет мощность в тормозном режиме, причем технические решения по ее использовании не отвечают современным требованиям по экономическим критериям. Необходимость проведения экспериментальных исследований по определению эффективного использования мощности тяговых электродвигателей в' тормозном режиме является актуальной задачей.

Цель работы заключается в повышении эффективности работы тепловоза путем разработки и исследования способа использования энергии электродинамического торможения в электролизерной установке, позволяющей употребить мощность тяговых электродвигателей в режиме торможения на получение водородных добавок к основному топливу дизеля, применение которых снижает расход топлива дизелем и улучшает экологические показатели его работы.

3 соответствии с этим сформулированы и решены следующие задачи;

- определена мощность тяговых электродвигателей тепловоза в режиме реостатного торможения, неэффективно использующаяся в тепловозе ;

- предложен способ использования энергии электродинамического торможения;

- ч -

- выбран аппарат, использующий электрическую энергии в режиме торможения на получение водородных добавок к дизельному топливу ;

- исследована работа системы электродинамического тормоза, оборудованного злектролизерной установкой;

- определено влияние водородных добавок к дизельному топливу на экономические и экологические показатели работы тепловоза;

- проведены экспериментальные исследования по определению работоспособности злектролизерной установки в режиме электродинамического торможения.

Методы исследования. В работе используется комплексный метод исследования, включающий основные положения системного анализа, методы физического моделирования и экспериментальные исследования на промышленной установке.

Научная новизна. Получена теоретически и подтверждена практически возможность использовать энергию электродинамического торможения на получение альтернативных топлив, использующихся в. дизеле тепловоза. Теоретически определены и обоснованы основные изменения в схеме электродинамического тормоза тепловоза, на основании которых выбрано направление его совершенствования с целью улучшения экономических и экологических показателей работы.

Практическая ценность. Разработан способ использования энергии электродинамического, торможения тепловозов для получения альтернативных видов топлива, использование которых улучшит экономические и экологические показатели работы тепловозов. В схему электродинамического тормоза введен аппарат - электролизер, позволяющий использовать анергия тяговых электродвигателей в режиме торможения для получения альтернативных топлив, использующихся в дизеле.

Реализация результатов работы. Теоретические и эксперимен-

тальшге результаты работа использованы как рекомендация тепловозостроительном заводам, а также завода!,! по ремонт/ локомотивов, линейным и транспортным предприятиям для модернизации локомотивного парка.

Апробация работы. Результата исследований докладывались на семинарах кафедрн " Локомотивы и локомотивное хозяйство " ГТЛйТа в 1990, 1991, 1992 годах, на научно-практических конференциях ЛБУ Щ и ВОСО'в 1991 году, ПИИТа - в 1992 году.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано в печати 4 работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников их 69 наименований и 3 приложений. Работа содержит 127 страниц, включая 42 рисунка л 10 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНКЕ РАБОТЫ

Введение посвящено обосновании актуальности выбранной темы исследований. Определяется цель работы, формулируется научная и практическая ценность полученных результатов.

В первом разделе приводится принципиальная схема работы электродинамического тормоза, описание его работы, режимы и ограничения. Показаны его достоинства я недостатки.

В процессе электродинамического торможения для обеспечения заданной скорости движения и тормозной силы, соответствующей характеристике . тяговые электродвигатели развивают мощность

Р = ^ з - 1 5 р

тяг ТА > 11 -ТА

где - мощность электродвигателя в тяговом режиме при ско-

рости движения тепловоза, как и в режиме торможе-

- е, -

ния, кВт .

Исследования показали, что при работе тепловоза в рекиые электродинамического торможения, мощность, развиваемая тяговыми электродвигателями, составляет 1300 - 4000 кВт, причем у тепловозов мощностью более 2500 кВт мощность в тормозном режиме превосходит мощность в тяговом режиме в 1,2 - 1,3 раза.

Удельная мощность, которую необходимо рассеивать для обеспечения заданной скорости поезда ^ на уклоне 1°

Ьл рис, 1.а даны результаты расчета зависимости удельной мощности, необходимой для подтормаживания пассажирского поезда массой

та же зависимость для грузового поезда массой 2752 т ,

Эксплуатация электродинамического тормоза показала .рост мощности и времени его использования. Так при поддержании заданной скорости движения на спусках крутизной до 10 °/оо при вождении поездов массой до 3,7 тыс. т на зеленый и желтый сигналы светофора отпадает необходимость в использовании пневматических тормозов (за исключением их опробования в установленных местах) . Увеличилось время использования электродинамического тормоза и на дорогах без значительных уклонов.

Вынужденные снижения скорости, остановки и последующие разгони поезда до заданной скорости вызывают дополнительный расход дизельного топлива

где Ог - длина участка торможения, км ; - время торможения, с .

1352 т , от скорости движения и величины уклона. На рио. 1.6

О,«Щ^МГС- о - ш , и\т) я}

*• Г

Р^2а6 (сбг

У

Рис. I Зависимость удельной мощности, необходимой для подтормаживания поезда, от скорости движения и величины уклона : а. пассажирского кассо^1352 т ; б. грузового массой 2752 т.

I I

где |> - уцэльный оасход топлива, отнесенный к механической ?

работе тяговых электродвигателей тепловоза, кг/Н-м;

*ч

^'crcp ~ основное удельное сопротивление движению поезда при торможении, Н/т ; - сопротивление от спрямленного уклона, на котором происходит торможение. Н/т. Анализ использования энергии торможения в тепловозе показал, что эффективность электродинамического тормоза не отвечает современным требованиям по экономическим критериям: до 90 t энергии электродинамического тормочсения поглощается тормозными резисторами, которые, преобразуя ее в тепло, раасеивают ее в окружающую преду. Другие способы использования данной энергии в тепловозе

создание компрессионного момента в дизеле, привод вспомогательных машин, зарядка аккумуляторных батарей J оказались малоэффективными и поэтому в настоящее время не применяется.

Учитывая, что на сети железных дорог уклони до 10 °/оо протяженностью 2 - 26 км составляют 9 - 28 % , а также рост мощности электродинамического тормоза, увеличение частоты и продолжительности его работы использование энергии электродинамического торможения в резисторах становится экономически нецелесообразным. Необходимо вести работы по создания более современных систем электродинамического тормоза с учетом эффективного использования энергии, получаемой в режиме торможения.

Во втором разделе представлены результаты исследований использования энергии электродинамического торможения.

Анализ экономических аспектов и способов получения нетрадиционнее топлив показал, что применение энергии электродинамического тормояения на электролиз воды с целью получения воцорода как энергоносителя и использование его в качестве добавок к основному топливу никеля дает возможность решить проблему полезно-

го использования ее в тепловозе. Для этого предлагается в схеме электродинамического тормоза тепловоза тормозные резисторы заменить электролизерами ^ аппаратами для получения водорода и кислорода путем электролиза воды ^ . Представлена принципиальная схема электродинамического тормоза с использованием электролизера ( рис. 2 ) .

Рис. 2. Принципиальная схема использования энергии электродинамического торможения.

Произведена оценка различных типов электролизеров. Предлагается использовать биполярный электролизер фильтрпрессного типа ( рис. как наиболее отвечающий требованиям для работы на тепловозе. Он имеет большую производительность и коэффициент использования тока, более компактен и тлеет меньшие затраты на токо-подводядате устройства, чем мокополярныи электролизер. Приведены сравнительные характеристики биполярных электролизеров фильтрпрессного типа.

Предложена электрическая схема электродинамического тормоза ,с исгользоьгшаем электролизерной установки и рассмотрена ее ра-

- Ти -

V1

Н |—

гЧ

(и

а

Рис. 3. Схема биполярного электролизера филътрпрессного типа:

1корпус электролизера;. 2.~ монополярный электрод-анод; 3,- биполярный электрод; 4,- монополярный электрод-катод; 5,- диафрагма; 6,- стяжная плита; 7.- стяжной болт; 8.- диафрагменная рама.

бота (рис. 4) .

Исследованы соотношения параметров работы электродвигателей в системе электродинамического торможения тепловоза, оборудованного электролизерной установкой.

Система уравнений, описывающая динамику системы электродинамического тормоза

Частное решение представлено в виде

I-

К.

«-■Ж1'-*-)*>"

Рис.4 Электрическая схема электродинамического тормоза с использованием злектролизерной установки: I.электролизерная установка; 2,3 трубопроводы водорода и кислорода; 4,5 разделительные колонки водорода и кислорода; 6. циркуляционный насос; 7. фильтр: 9,10 прокыватели-рсгуляторы давления водорода и кислорода; II. питательный бак.

- Tg -

Величина тока в цепи тягового электродвигателя определяется величиной необходимого тормозного усилия и изменяется от

—mvo

1 150 - 200 А ( включением в работу пневматических тормо-

\ т1** у /

зов ) до J. 900 - 950 А ( ограничением максимального тока якоря по нагреву j .

Величина тока электролизера в зависимости от его типа меняется в пределах 165 - 10ОО А ( табл. 1 ) .

Таблица 1

Рабочие токи промышленных электролизеров.

Тип электролизера СЭУ-4М СЭУ-8М СЭУ-10 С0У-20

Ток номинальный, А 165 610 1000 1000

Ток максимальный,А 330 900 - -

Сравнивая величины тормозных токов с величинами рабочих токов электролизеров можно сделать вывод о том, что величины рабочих токов электролизеров СЭУ-8М, СЗУ-10, СЭУ-20 согласуются с величинами токов электродинамического торможения.

Для работы электролизерной установки в системе электродинамического тормоза необходимо, чтобы выполнялись следующие условия

С.ФГ1-ГЙ1^«( 0.9-Шцц пэ

bfbK « (ОД- -1.5) С

(1)

Для выполнения ( 1 ) необходимо, чтобы система возбуждения тягового генератора обеспечивала согласование характеристики тормозного тока тягового электродвигателя и вольт-ам-п ;рпой характеристики электролизера I-,1 ^ (IX,) , учитивая, что пфЗолши» язгононяям напряжения (в пределах 10 - 20 В } ооответ-

ствуют значительные изменения тока ^ в пределах 200 - 10ОО А ) . На рис. 5 приведена регулировочная характеристика системы возбуждения тягового генератора тепловоза в режиме электродинамического торможения с использованном электролизерной установки.

-110

Рис. 5. Регулировочные характеристики системы возбуждения тягового генератора тепловоза в режиме электродинамического тормояения с использованием электролизерной установки.

Учитывая, что электролизеры СЭУ- 8!У1, СЭУ-10, СЭУ-20 могут работать под давлением, предлагается использовать это при работе электролизерной установки в системе электродинамического тормоза тепловоза. Ото позволит включать электролизеры на полное напряже-

- и -

ние бе? предварительной поляризации электродов, причем такое пклгачекия не связано с гидравлическими ударами, использовать в электролизврной установке компактные аппараты.

При периодической работе электролизврной установки в режиме ¡электродинамического торможения с различной продолжительностью и изменяющейся нагрузкой ( в зависимости от условий торможения ) и необходимостью сохранения температуры электролита в заданных пределах важным условием нормальной ее работы является поддержание стабильного теплового баланса, используя для подогрева электролита тепло, отводимое от дизеля.

В целях повышения надежности и длительности работы электролизврной установки температуру электролита предлагается поддерживать 50 - 60°С, а для сохранения производительности электролизеров повысить напряжение, подаваемое на них тяговыми электродвигателями.

Большинство биполярных электролизеров фильтпрессного типа работают с естественной циркуляцией электролита, для обеспечения которой элементы электролизврной установки необходимо располагать на различных уровнях, что в жестких габаритах тепловоза весьма проблематично. Учитывая конструктивные особенности и условия эксплуатации тепловозов предлагается применять: 'в электролизврной установке принудительную циркуляцию электролита.

Производительность электролизера по водороду

V

где 1Ц - количество ячеек электролизера, шт. ;

А - выход пс току, доли единицы .

Для анализа работы электродинамического тормоза тепловоза с электролизврной установкой била разработана программа " Расчет параметров работы электродинамического тормоза тепловоза с ис-

пользованием электролизера ". Согласно данной программе произведен расчет величин тормозного тока 1т , тормозных сил , • производительности электролизера по водороду и кислороду в зависимости от скорости движения поезда '1Г , сопротивления электролизера , уклона пути I и массы поезда О

Анализ результатов расчета показал, что:

- о увеличением уклона пути и массы поезда растет производительность электролизера;

- увеличение сопротивления электролизера приводит: к уменьшению его производительности и тормозных сил , ¡^ •

Применение электролизерной установки в системе электродинамического тормоза тепловоза позволит попользовать энергию других источников тока на получение водородных добавок к основному топливу дизеля. Варианты использования таких источников представлены на ряс. 6 .

Рис. 6. Использование энергии нетрадиционных источников тока.

Наиболее перспективным для тепловозных силовых установок является применение устройств, работающих по прямому методу преобразования тепловой энергии з электрическую с последующим использованием ее в электролизерной установке тепловоза: термоэлектрический генератор - электролизер - дизель.

Мощность термоэлектрогенератора

где П - коэффициент потерь теплоты с отработавшими газами;

- коэффициент подвода теплоты; Вг. - часовой расход топлива, кг/ч ;

- низшая теплота сгорания топлива, МШк/кг. Технологическое изготовление термоэлектрических генераторов

достаточно хорошо разработано. Основной задачей при использовании системы термоэлектрический генератор - электролизер является согласование их параметров меяду собой.

Третий раздел посвящен обоснованию использования водорода в дизелях.

Показана перспективность применения водорода в дизелях, отмечено, что в качестве первого практического приближения к использованию водорода в дизелях определилось налрвление научно-исследовательских и конструкторских работ, связанное с частичными добавками водорода к дизельному топливу.

Массовая доля водорода в топливе с добавкой водорода

где § - массовая доля добавки водорода в топливной смеси.

9»! = -

с, - сй2

Количество воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания одного килограмма смеси дизельного топлива с Еодородом

Коэффициент избытка воздуха при сгорании смеси дизельного топлива с водородом

1 _ I

^ ( «<<,-"О

где

а

V • I/

— ,, и. / N —

у; ' 4 1сТ

Использование водорода в качестве поисадки к топливу, осуществляемое в форсунках дизеля ( в среднем добавление 0,1 % водорода к топливу ) , приводит к уменьшению расхода топлива на 5-7 %, сажи С - на 30 - 50 и окислов азота - на 30 - 40 При этом имеет место некоторое возрастание жесткости

и максимального давления сгорания . Максимальная температура цикла Т^ становится ниже вследствие уменьшения цикловой подачи топлива, обеднения смеси и снияения ее теплоты сгорания ( рис, 7 ) .

Четвертый раздел посвящен экспериментальным исследованиям работы электролизера в системе электродинамического тормоза тепловоза.

Для проведения экспериментальное исследований была использована электролизерная установка СЭУ-20М. Исследуемая система снабжена измерительннм комплексом, позволяадш замерять все необходимые параметры, а также комплексом устройств, контролирующих и обеспечивавших безопасную работу установки. Для обеспечения безаварийной работ« электтюлязерная установка оснащена звуковой и светс.воЛ сигнализацией и отключающим устройством.

Исследованию подлежали: - вольт-амперная хатактерястика ялектоолизера при температурах 50°С, 60°С, 70°С с целью соответствия токам электродинамического

- [« -

Рис. ?. Нагрузскнке характеристик" дизеля 14 13/14 : -- - серия ; - с присадкой водорода.

торможения ;

- броски тока при включении электролизерной установки на рабочее напряжение с целью оценки их влияния на безотказную работу тяговых электродвигателей;

- длительность переходных процессов при включении электролизерной установки;

- производительность электролизера при различной длительности торможения.

Результаты экспериментальных данных, полученные для наиболее характерных величин тормозных токов, представлены в графиках ^рис. 8, 9) ив таблице 2 .

Таблица 2

Производительность электролизера при различной длительности торможения.

Время торможения , с Тормозной ток, А

400 600 800

60 0,11 0.16 0,22

120 0,20 0.33 0.45

180 0,34 0,51 0,67

240 ' 0,46 0,69 0,91

300 0,57 0,86 1 .14

Проведенные эксперименты подтвердили правильность разработанного в теоретическом разделе диссертации способа использования онзргии электродинамического тормоза тепловоза.

В заключении на основании проведенных исследований сделан ряд выводов и предложений:

- ги -

1 ЦОС!

то

60(1

А00 ■ 200

¿СО '.00 У00 61)0 700 800 Рис. 8. Броски тока при включении электролизера на напряжение, соответствующее различным установившимся значениям тока.

Га А

и

4000 830 600 ш 200

К

О 2 к ь £> ю 1г к Го 1ьс Рнс. 9. Длительность переходных процессов электролизера при включении на рабочее напряжение.

- анализ проблемы использования энергии электродинамического торможения показал возможность замены тормозных резисторов на элект-ролизерную установку;

- разработанный в диссертация способ использования энергии электродинамического тормояения позволяет улучаить экономические и экологические показатели работы тепловоза;

- экспериментальные исследования подтвердили правильность проведенных в диссертации теоретических исследований использования энергии электрического торможения для получения альтернативных видов топлива с последующим использованием юс в дизеле тепловоза;

- подтверждена возможность использования на тепловозах с электро-лизерной установкой других нетрадиционных источников тока;

- экономический эффект от внедрения осуществленных разработок составляет свыше 2067 рублей ( в ценазс 1991 года ) на одну секцию тепловоза, можно предположить увеличение эффективности при использовании нетрадиционных источников тока.

Основные положения диссертация опубликованы в следующих работах:

1. Грушин К.А. Энергетические возможности электродинамического тормоза тепловоза. / Повышение качества функционирования тепловозов в эксплуатации. Медвуз, сб.'науч. тр. под ред. Четверго-ва В.А. Омск: 1991. С. 69 - 73.

2. Грушин К.А. Реостатное торможение тепловозов. СПВУ адв и 30С0. С-П.: 1992. С. 12 - 14 .

3. Грушин К.А. Улучшение энергоэкологических показателей тепловоза. / Межвуз. сб. науч. тр. Самара.: 1992.

4. Грушин К.А. Работа электролизера в системе электродинамического торможения. / Локомотивы и методы их эксплуатации. Лежвуз, сб. науч. тр. под ред. Стрекопнтова 3.3. С-П.: 1992.

"¿А у 1<«<<С1.