автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Оценка технического состояния газовоздушного тракта тепловозных дизелей

На правах рукописи

ТИТАНАКОВ Денис Александрович

ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ГАЗОВОЗДУШНОГО ТРАКТА ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

Специальность 05.22.07 - «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ОМСК 2005

Работа выполнена в Омском государственном университете путей сообщения (ОмГУПС (ОмИИТ)).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор СКОВОРОДНИКОВ Евгений Иванович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор НОСЫРЕВ Дмитрий Яковлевич; кандидат технических наук, доцент ОВСЯННИКОВ Виталий Васильевич.

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный университет путей сообщения.

Защита состоится 24 февраля 2005 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 218.007.01 при Омском государственном университете путей сообщения (ОмГУПСе) по адресу: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35, ауд.112.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОмГУПСа.

Автореферат разослан ^ ^ января 2005 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета

Д 218.007.01

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Г. П. Маслов.

© Омский гос. университет путей сообщения, 2005

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Мощность, экономичность, уровень экологического воздействия на окружающую среду и Эксплуатационная надежность тепловозных дизелей существенно зависят oт качественной работы агрегатов газовоздушного тракта. Анализ эксплуатационной надежности тепловозов, выполненный по отчетной документации 0A0 «РЖД», показывает, что неисправности агрегатов газовоздушного тракт! составляют около 10 % от общего числа отказов по дизелю, что сказывался на качестве его работы.

Анализ теоретических и экспериментальных исследований по оценке качества функционирования тепловозных дизель-генераторных установок в условиях эксплуатации показал, что на технико-экшомические и экологические показатели работы дизель-генераторных установок тепловозов существенное влияние оказывают агрегаты газовоздушного тракта. При этом снижение мощности может достигать 10-15 %, увелиение удельного расхода топлива до 10 %, повышение дымности в 2-3 раза.

Применяемые в настоящее время в локомотивных депо технологии для оценки технического состояния агрегатов газовоздушного тракта не имеют достаточной достоверности. Это связано, прежде воего, со сложностью газодинамических процессов, протекающих одновременно в дизеле и агрегатах газовоздушного тракта и оказывающих взаимное влияние друг на друга. Поэтому при проведении реостатных или стендовых испытаний зачастую необоснованно снимаются отдельные агрегаты газовоздушного тракта и топливной аппаратуры и осуществляется их отдельный контроль и настройка. Все это существенно увеличивает время проведенияреостатных испытаний и не позволяет получить наиболее эффективные технико-экономические и экологические характеристики тепловоза.

Цель работы — совершенствование методов щенки технического состояния агрегатов газовоздушного тракта тепловозных дизелей.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

- разработать математическую модель, позволяющую оценить изменение параметров рабочего процесса дизеля с газотурбинной или комбинированной схемой наддува при различном техническом состоянии агрегатов газовоздушного тракта и провести модельные эксперименты;

3

- исследовать возможность использования метода малых отклонений для оценки технической состояния агрегатов газовоздушного тракта;

- провести экспериментальные исследования по оценке адекватности созданной математичесюй модели и отработать технологию оценки технического состояния агрегатов газовоздушного тракта;

- создать программный модуль, позволяющий оценить техническое состояния агрегатов газовоздушного тракта по результатам измерений параметров в его контрольньк сечениях.

При выполнении раб»ты использовались следующие методы исследования: расчета параметре рабочего цикла дизеля 1 ОД 100 (идеального рабочего цикла — метод Гржевецкого-Мазинга, рабочего цикла по параметрам реостатных испытаний - метод Вибе); малых отклонений; равновесного состава для расчета экологических характеристик дизеля 1 ОД 100; математической статистики. Экспериментальная оценка параметров рабочего цикла дизеля 1 ОД 100 осуществлялась при проведении стендовых и реостатных испытаний на базе Улан-Удэнского ЛВРЗ.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.

1. Разработана математическая модель для определения технического состояния агрегатов газовоздушного тракта тепловозных дизелей.

2. Уточнена методика определения параметров процесса выгорания топлива при расчете рабочего процесса дизеля.

3. Предложена методика определения доли влияния выходных характеристик агрегатов газовэздушного тракта на мощностные, экономические и экологические характеристики тепловозных дизелей; определен режим работы двигателей, обеспечивающий наибольшую достоверность контроля.

4. Разработан программный модуль для определения технического состояния агрегатов газовоздушного тракта по результатам контрольных испытаний.

Практическую ценность составляют:

- программный модуль, позволяющий по результатам измерений параметров в контрольных сечениях газовоздушного тракта определить техническое состояние его агрегатов;

- расчетные уравнения по определению доли влияния отдельных агрегатов газовоздушного тракта и технико-экономические и экологические показатели работы дизеля;

- рекомендации по настройке совместной работы дизеля и агрегатов

4

газовоздушного тракта при стендовых и реостатных испытаниях дизелей.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались

1) на международной конференции, посвященной 75-летию РГУПСа «Актуальные проблемы развития транспорта России: стратегические, региональные, технические» (Ростов-на-Дону, 2004);

2) XXX межвузовской конференции студентов и аспирантов (Самара,

2003);

3) научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии на обособленных подразделениях Западно-Сибирской железной дороги» (Омск, 2002).

Публикации. По теме диссертационной работы в различных печатных изданиях опубликовано восемь научных статей.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения с выводами, списка использованной литературы из 106 наименований; изложена на 173 страницах текста, содержит 40 рисунков и 25 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована аиуальноаьтемыдиссертационной работы, определена цель исследований, обозначены дугадостижения поставленной цела

В первой главе выполнен анализ надежноститепловозных агрегатов наддува по отчетным данным РАО «РЖД» за 1998-2003 г. г. Анализ показал, что количество отказов агрегатов наддува от общего количества отказов узлов по дизелю составляет около 10 %.

Представлены результаты исследований по анализу эффективности совместной работы дизеля и агрегатов газовоздушного тракта дизеля. Рассматривались работы Межерицкого А. Д., Иванченко Н. Н., Грищенко А.В., Носырева Д. Я., Володина А. И. и др. Анализировались научные труды ВНИИЖТа, ЦНИДИ, ВНИИТИ, МИИТа, СамГАПС, ОмГУПСа и т. д.

Результаты проведенных исследований дают основание утверждать, что на технико-экономические характеристики работы дизель-генераторных установок тепловозов существенное влияние оказывает качество работы сис -тем топливоподачи и газообмена.

В настоящее время для поддержания эксплуатационной экономичности тепловозных дизелей в заданных пределах основное внимание уделяется

5

качеству контроля, настройки и надежной работе топливоподающей аппаратуры. Для этих целей разработано и внедрено в ремонтное производство значительное количество различных диагностических приборов и систем, предназначенных для повышения качества ремонта, регулирования и подбора элементов топливной аппаратуры для тепловозных дизелей. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования привели к существенному повышению эксплуатационной экономичности тепловозов. Для более полного решения проблемы снижения удельного расхода топлива дизелем наряду с созданием контрольно-измерительной и диагностической аппаратуры для элементов системы топливоподачи необходимо особое внимание уделять разработке методик и методов контроля технических параметров агрегатов систем наддува и выпуска отработавших газов, т. е. системы газовоздушного тракта. Названная проблема приобретает особую актуальность при использовании в конструкции дизеля систем газотурбинного или комбинированного наддува.

В конструкции любого типа дизеля предусмотрен контроль термодинамических параметров газовоздушного тракта, определение в системе ремонта тепловозов проводится с использованием термодизельного комплекта. Однако широкое использование термодизельного комплекта в настоящее время сдерживается отсутствием методических рекомендаций, позволяющих оценить степень влияния на техническое состояние тепловоза и экономическую эффективность его работы отклонения значений параметров газовоздушного тракта от номинальных.

Таким образом, сформулированы задачи, решение которых должно усовершенствовать существующие методики оценки технического состояния агрегатов газовоздушного тракта тепловозов.

Во второй главе приведена методика расчета термодинамических параметров рабочего цикла тепловозного двигателя по результатам реостатных или стендовых испытаний тепловозов.

При разработке компьютерных программ, предназначенных для диагностирования дизель-генераторных установок в качестве исходных данных должны использоваться результаты контроля основных характеристик дизеля при выполнении реостатных испытаний:

мощность дизель-генераторной установки и частота вращения коленчатого вала дизеля;

параметры работы дизеля, замеренные с использованием термодизельного комплекта;

величина удельного расхода топлива дизелем ,на контролируемой позиции контроллера машиниста тепловоза.

Методика расчета диагностических параметров, характеризующих эффективность работы дизеля, должна:

базироваться на известных в теории двигателей внутреннего сгорания методах теплового и динамического расчета параметров работы

учитывать установленную при выполнении ремонта величину угла опережения подачи топлива;

теоретически оценивать период задержки воспламенения топлива в цилиндре двигателя для различных режимов работы;

при расчете параметров процесса сгорания топлива в цилиндре двигателя использовать один из известных законов выгорания топлива;

рассчитывать давление и температуру рабочего тела, коэффициент избытка воздуха и долю сгоревшего топлива в зависимости от времени или угла поворота коленчатого вала;

формировать исходные данные и, по возможности, рассчитывать экологические и экономические характеристики дизеля во всем рабочем диапазоне нагрузок и частот вращения коленчатого вала дизель-генераторной установки.

В основу методики расчета параметров рабочего процесса дизеля 10 Д 100 положена комбинация методов Гриневецкого-Мазинга и Вибе.

Скоростные, расходные и динамические характеристики работы турбокомпрессора определялись по следующим выходным параметрам дизеля: температура, давление и расход газа перед турбиной.

Проведенное в работе математическое моделирование характеристик турбокомпрессора-позволяет оценить степень изменения рабочих параметров турбокомпрессоров в зависимости от выходных характеристик дизеля.

Силовое воздействие потока выхлопных газов на динамику турбокомпрессора в зависимости от значений выходных параметров дизеля оценивалось путем теоретического исследования по результатам теории решеток профилей, основные положения которой были установлены И. Е. Жуковским и С. А. Чаплыгиным.

Величина реакции потока на рабочее колесо турбины с учетом высоты лопатки определялась по выражению:

дизелей;

Р=^ОДр, +р2Ж«2 совР2 соф,)1^(-

ЛУ, СОБр, +УУД Срф2 2

-)+(*, 5тр,)\ (1)

где г, - число лопаток турбины;

1 - высота лопатки турбины; р1, Рг - плотность среды на входе и выходе из решетки; р„ р2 -углы входа и выхода потока газа из рабочего колеса; t - шаг решетки.

Числовые значения динамических характеристик агрегатов газовоздушного тракта определены в результате моделирования совместной работы дизеля и турбокомпрессора. Названные характеристики определялись при изменении:

- частоты вращения коленчатого вала двигателя;

- удельного расхода топлива;

- атмосферных условий;

- коэффициента избытка воздуха;

- угла опережения подачи топлива;

- площади соплового аппарата и диффузора.

Выполнены экспериментальные исследования для оценки влияния параметров газовоздушного тракта на мощность и экономичность дизеля. Экспериментальные исследования проведены по данным опытных измерений параметров газовоздушного тракта дизеля 10 Д 100 в выбранных сечениях для различной степени нагружения дизеля.

Третья глава посвящена разработке методики контроля технического состояния агрегатов газовоздушного тракта, математической модели, позволяющей оценить взаимосвязь технико-экономических параметров работы дизеля и выходных характеристик агрегатов системы газообмена по результатам стендовых или реостатных испытаний.

Степень взаимосвязи между анализируемыми параметрами характеризуется уравнениями рабочего цикла двигателя и агрегатов воздухоснабжения, представлены в виде уравнений метода малых отклонений с использованием коэффициентов взаимного влияния между анализируемыми параметрами.

Работа, затрачиваемая на сжатие 1 кг воздуха в компрессоре, выражается уравнением

где - температура заторможенного потока перед компрессором;

8

пк - степень повьппения давления в компрессоре; Г|к - адиабатный КПД компрессора.

Рис. 1. Схема контроля параметров надоува по сечениям газовоздушного тракта дизеля 10 Д100: Рь Т) - давление и температура воздуха перед

нагнетателем 1-й ступени; Р2, Тг; Рз, Тз - давление и температура воздуха после нагнетателя 1-й и 2-й ступени соответственно; Р4, Т4 давление и температура воздуха в наддувочном ресивере; Р5, Т5 -давление и температура газов перед турбиной

Последовательно прологарифмировав и продифференцировав правую и левую части уравнения (2) и, учитывая, что d(lnx) = — , определим связь между относительными значениями параметров

dLt dT. | 0.286 • п1ж dnk dt|fc

(3)

К

-1

Обозначив ^^ = 5Lk, = 8T,, = 5r|k и = получим Lt Т. ц,

6Ьк = 6Т, + к,5лк — 8т]]

(4)

где - коэффициент влияния

Таким образом, если температура воздуха на входе в компрессор (Та) повысится на 1 %, то работа сжатия

увеличится на 1 %. При возрастании на 1 % величины работа сжатия увеличивается на

Полученные в результате расчетов коэффициенты влияния имеют вид:

(5)

Значения коэффициентов влияния к|, кг, кз и т.д. для различных режимов работы дизеля существенно отличаются друг от друга, определено, что наибольшее значение принимают коэффициенты влияния в уравнения которых входят величины степени повышения давления в компрессоре и адиабатного КПД компрессора (г]*). Поэтому, используя ранее проведенные исследования принято оценивать техническое состояние элементов ГВТ по параметрам номинального режима при котором изменение указанных величин не превышает 2-3 %.

Рис. 2. Уровни значимости коэффициентов влияния на номинальном режиме

работы дизеля 10

Разработана математическая модель, характеризующая взаимосвязь па-

раметров системы «дизель-газовоздушный тракт»:

5як|=а,8т1111+а28г1к2+аз6т1т+а48р/р8 +а5бРд2+а65Р(:+а7£Ех (6)

5 лк2=Ь, 5г| к, +Ь26т1 к2+Ьз5т|т+Ь4бр1/р5 +Ь58РД2+Ь68Рс+Ь75Е)0 (7)

8лт=с,8г|,1+с28г)к2+сз8т|т+с45р,/р5 +с55Рд2+с65Рс+с,5Е>< (8)

8Ts=dl5тllcl+d28rl)(2+dз8r|т+d48pt/ps+ds8Fд2+d65Fc+d78Ex (9)

8Тт=е15т|к1+е28г|,!2+ез5т1т+е«5р1/р.! +е58РД2+е68Рс+е76Ех (10)

80 =§,8г1к11^28г1х2+§з8л^8р,/р5 +§58Рд2+Бб8Рс+в78Ех (И)

50Т=Ь, 6т! к! +Ь2бг1 к2+Ь36-пт+Ь46р./р!! +Ь55РД2+Ь66Рс+Ь75Ех (12)

По известным значениям коэффициентов регрессии а), аг, ..., Ь7, расчет которых выполняется по полученным коэффициентам влияния и известным значениям относительного изменения контролируемых величин

определяется величина относительного изменения контролируемых величин: КПД турбины и компрессоров (т^Т) Г|„|, т^), площади проходных сечений соплового аппарата и диффузоров относительного изменения давлений степени охлаждения наддувочного воздуха и других независимых параметров газовоздушного тракта. На основании полученных результатов разработан алгоритм принятия решения для локализации неисправностей газовоздушного тракта.

По результатам реостатных испытаний тепловозов выполнены теоретические расчеты, на основании чего показана технология корректировки объемов технического обслуживания и ремонта агрегатов наддува и системы газообмена.

Представлена технология настройки дизель-генераторной установки, обеспечивающая заданный уровень эффективной мощности, экономичности тепловоза и скоростного, динамического и температурного режима работы турбокомпрессора.

В четвертой главе показано влияние параметров газовоздушного тракта на экологические характеристики дизеля. Расчет экологических характеристик выполнен по методике и программе, разработанной на кафедре «Локомотивы» ОмГУПСа. Изменение нормативов по дымности отработавших газов, количеству вредных выбросов, связанное с отклонением от нормативных значений параметров дизеля и газовоздушного тракта контроли руемого так и

11

его вспомогательных систем.

1 в кг/ч

1 5 1 4

с о -

1 3 1 2 1 1 1 □

в

Рис. 3. Распределение вредных выбросов по позициям контроллера машиниста тепловоза серии 2ТЭ10М в зависимости от состояния агрегатов газовоздушного тракта

тепловоза (рис. 3), могут служить диагностическими параметрами, характеризующими техническое состояние как непосредственно дизеля,

Комплексное использование разработанных в диссертационной работе программных модулей и программы расчета экологических характеристик позволяет оценить содержание вредных выбросов в отработавших газах теп* ловозных дизелей без применения газоанализаторов.

В пятой главе приведена методика оценки ожидаемого экономического эффекта от внедрения в систему диагностирования дизель-генераторных установок и в систему ремонта тепловозов разработанных технических решений и рекомендаций. В качестве показателей общей эффективности приняты чистый дисконтированный доход (ЧДД), индекс доходности (ИД), срок окупаемости инвестиций (То).

При оценке экономической эффективности использовалось выражение:

ЭГ=С„-ЕКД, (13)

где - годовая прибыль от внедрения разработанных мероприятий;

Е = 0,1 - ставка дисконтирования;

- дополнительные затраты, р.

Годовой экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы в локомотивном депо составил около 4250 р. на один тепловоз (в ценах 2003 г.), срок окупаемости - 0,92 года.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы по диссертационной работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Анализ эксплуатационной надежности тепловозов на сети железных дорог ОАО «РЖД», выполненный по отчетным документам, показал, что по причине отказов агрегатов наддува и элементов газовоздушного тракта выполняется около 10 % неплановых ремонтов.

2. Анализ выполненных исследований показал, что отклонения выходных характеристик агрегатов газовоздушного тракта могут приводить к снижению уровня вырабатываемой мощности до 15 %, повышению удельного расхода топлива до 10 %, увеличению вредных выбросов до 15 %.

3. Разработана математическая модель, позволяющая оценить влияние параметров газовоздушного тракта на технико-экономические и экологические характеристики дизеля. Уточнена методика определения процесса выгорания топлива при расчете рабочего процесса.

4. Предложен метод малых отклонений для определения доли влияния параметров агрегатов газовоздушного тракта на работу дизеля. Получены основные зависимости выходных характеристик агрегатов газовоздушного тракта и технико-экономических характеристик дизеля в виде метода малых отклонений.

5. Анализ теоретических исследований по применению метода малых отклонений в системе диагностирования тепловозных дизелей показал, что наиболее информативным режимом испытаний дизеля является номинальный режим работы, на котором максимально проявляется доля влияния отдельных агрегатов наддува на выходные характеристики двигателя.

6. Для реализации метода малых отклонений в системе ремонта и диагностирования тепловозов разработаны методика, алгоритм и программный модуль, позволяющие оценить техническое состояние агрегатов наддува и проточных частей наддувочного и выпускного трактов и степень влияния

13

параметров работы газовоздушного тракта на экономические, термодинамические и экологические параметры работы дизеля.

7. Расчетный годовой экономический эффект, который определен с учетом действующей на сети дорог планово-предупредительной системы ремонта, составил 4250 р. на один тепловоз.

8. Результаты работы переданы для внедрения по заявкам локомотивных депо.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1.Титанаков Д. А. Анализ определения метода определения количества продуктов сгорания топлива в дизелях / Титанаков Д. А., Моча-лова С. В // Актуальные проблемы развития транспорта России: стратегические, региональные, технические: Труды междунар. конф. /Ростовский гос. ун-т путей сообщения. Ростов-на-Дону, 2004. С. 343.

2.Титанаков Д. А. Оценка технико-экономических характеристик тепловозных дизелей по параметрам газовоздушного трак / Титанаков Д. А., М о ч а л о в а С. В., Л ю Мен Ч ж о н // Актуальные проблемы развития транспорта России: стратегические, региональные, технические: Труды междунар. конф. /Ростовский гос. ун-т путей сообщения. Ростов-на-Дону, 2004. С. 353.

3.Титанаков Д. А. Граф-модель как метод оценки взаимосвязей системы «дизель-газовоздушный тракт» / Титанаков Д. А.// Тезисы докладов XXX межвузовской конференции аспирантов и студентов ./Самарская гос. акад. путей сообщения. Самара, 2003. С. 87,88.

4. Вопросы оценки влияния параметров газовоздушного тракта на техническое состояние дизеля /Сковородников Е. И., Титанаков

Д. А., Б о р и с о в а С. В., Б а л а г и н О. В.// Вестник инж. электромехаников железнодорожного транспорта /Самарская гос. акад. путей сообщения. Самара, 2003. Вып. 1. С. 473-476

5. Титанаков Д. А. Влияние параметров газовоздушного тракта на основные показатели дизелей / Титанаков Д. А.// Совершенствование устройств подвижного состава, теплоэнергетики, автоматики и связи железнодорожного транспорта: Сб. науч. статей аспирантов и студентов университета / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2004. Вып. 4. С. 54-57.

6. Сравнительный анализ экономичности и экологичности дизелей /Мочалова СВ., Сковородников Е. И., Лю Мен Чжон,

14

Титанаков Д. А// Повышение надежности, экономичности и экологич-ности дизельного подвижного состава: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2004. С. 45,46.

7. Сетевое планирование в системе ремонта тягового подвижного состава по техническому состоянию/Дроздецкая О. В., Титанаков Д. А., М и н и т а е в а А. М., Лю Мен Чжон. // Повышение надежности, экономичности и экологичности дизельного подвижного состава: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2004. С. 33,34.

8. Граф-модель и метод малых отклонений как средства качественной и количественной оценки влияния газовоздушного тракта на работу дизеля Сковородников Е. И., А н и с и м о в А. С, Титанаков Д. А.,

Ч у л к о в А. В., Л ю Мен Чжон.// Ресурсосберегающие технологии на обособленных подразделениях Западно-Сибирской железной дороги: Материалы науч.-практ. конф. /Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2002. С.121.

Типография ОмГУПСа, 2005 г. 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35. Тираж 100 экз. Заказ 42.

of.zz

12 мир пъ

Введение

1. Анализ зависимости рабочих характеристик дизелей от изменения 6 параметров газовоздушного тракта. Постановка задач исследования

1.1. Газовоздушный тракт, как неотъемлемая часть современного 6 дизеля

1.2. Влияние надежности агрегатов наддува на техническое состояние, 12 надежность и экономичность двигателей

1.3. Общая характеристика работы и эксплуатационной надежности 21 турбокомпрессоров транспортных двигателей

1.3.1. Обзор основных неисправностей агрегатов наддува

1.3.2. Анализ надежности тепловозных турбокомпрессоров

2. Моделирование процессов, протекающих в системе «дизель- 35 газовоздушный тракт»

2.1. Разработка методики оценки параметров работы дизеля по 35 результатам реостатных испытаний тепловозов

2.1.1. Расчет процесса сжатия

2.1.2. Расчет термодинамических параметров процесса сгорания

2.1.3. Расчет процесса расширения

2.2. Математическое моделирование согласования параметров 55 турбокомпрессора с выходными характеристиками дизеля

2.2.1. Расчёт характеристик компрессора

2.2.2. Расчёт характеристик турбины

2.3. Математическая модель влияния параметров системы наддува на 96 технико - экономические показатели дизеля

3. Разработка методики оценки влияния параметров газовоздушного 108 тракта на технико-экономические характеристики тепловозных дизелей

3.1. Анализ возможности применения метода малых отклонений для оценки влияния параметров газовоздушного тракта на мощность и экономичность двигателя

3.2. Оценка влияния параметров газовоздушного тракта на технико- 118 экономические характеристики дизеля методом малых отклонений

3.3. Решение системы уравнений в малых отклонениях

3.4. Оценка доли влияния параметров технического состояния ТК на 136 выходные параметры работы двигателя

3.5. Методика настройки ДГУ по рабочим характеристикам агрегатов 143 наддува

4.0ценка степени влияния параметров газовоздушного тракта на 146 экологические характеристики дизелей

4.1. Расчет равновесного состава продуктов сгорания топлива в 146 тепловозных дизелях при изменении параметров ГВТ

5. Расчет стоимости программного продукта

Железнодорожный транспорт в Российской Федерации имеет исключительно важное значение в жизнеобеспечении многоотраслевой экономики и реализации социальнозначимых услуг по перевозке пассажиров. На его долю приходится более 75% грузооборота и 40% пассажирооборота, выполняемого транспортом общего пользования.

Эффективность работы железной дороги во многом зависит от состояния локомотивной тяги. Основными направлениями в решении стоящих перед локомотивным хозяйством задач являются : сокращение расходов на техническое обслуживание и текущий ремонт тягового подвижного состава, снижение эксплуатационных расходов, совершенствование деповской ремонтной базы; продление срока службы тягового подвижного состава и повышение его топливной экономичности; создание нормативной методической базы для обеспечения минимизации вредного воздействия железнодорожного транспорта на окружающую среду, разработка технологий и технических средств для очистки вредных выбросов и стоков; создание грузового тягового подвижного состава нового поколения и тепловозов с альтернативным видом топлива.

Решение вопросов повышения надежности и экономичности тепловозов, и в частности их силовых установок, возможно с привлечением методов и средств диагностирования локомотивов и практических разработок, направленных на решение конкретных задач.

Известно, что в процессе эксплуатации дизеля характеристики компрессора и турбины агрегата наддува постоянно изменяются, что отрицательно влияет на эффективность его (дизеля) работы и приводит к рассогласованию характеристик двигателя и турбокомпрессора /8, 9/.

Опыт эксплуатации тепловозных дизелей показал, что неисправности агрегатов воздухоснабжения составляют около 8% от числа порч по дизелю.

Существующие методы ремонта, настройки и диагностики турбокомпрессоров не позволяют точно оценить влияние параметров газовоздушного тракта и рабочих характеристик агрегатов наддува на мощность и топливную экономичность тепловозных дизелей.

Материалы, приведенные в настоящей диссертационной работе, являются обобщением результатов исследований в области повышения надежности работы агрегатов наддува в эксплуатации, которые могут найти широкое применение в системе локомотивного хозяйства МПС и промышленного транспорта.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

По результатам исследований, проведенных в работе можно сделать следующие выводы:

1. Анализ эксплуатационной надежности тепловозов на сети железных дорог ОАО «РЖД», выполненный по отчетным документам, показал, что по причине отказов агрегатов наддува и элементов газовоздушного тракта выполняется около 10 % неплановых ремонтов.

2. Анализ выполненных исследований показал, что отклонения выходных характеристик агрегатов газовоздушного тракта могут приводить к снижению уровня вырабатываемой мощности до 15 %, повышению удельного расхода топлива до 10 %, увеличению вредных выбросов до 15 %.

3. Разработана математическая модель, позволяющая оценить влияние параметров газовоздушного тракта на технико-экономические и экологические характеристики дизеля. Уточнена методика определения процесса выгорания топлива при расчете рабочего процесса.

4. Предложен метод малых отклонений для определения доли влияния параметров агрегатов газовоздушного тракта на работу дизеля. Получены основные зависимости выходных характеристик агрегатов газовоздушного тракта и технико-экономических характеристик дизеля в виде метода малых отклонений.

5. Анализ теоретических исследований по применению метода малых отклонений в системе диагностирования тепловозных дизелей показал, что наиболее информативным режимом испытаний дизеля является номинальный режим работы, на котором максимально проявляется доля влияния отдельных агрегатов наддува на выходные характеристики двигателя.

6. Для реализации метода малых отклонений в системе ремонта и диагностирования тепловозов разработаны методика, алгоритм и программный модуль, позволяющие оценить техническое состояние агрегатов наддува и проточных частей наддувочного и выпускного трактов и степень влияния параметров работы газовоздушного тракта на экономические, термодинамические и экологические параметры работы дизеля.

7. Расчетный годовой экономический эффект, который определен с учетом действующей на сети дорог планово-предупредительной системы ремонта, составил 4250 р. на один тепловоз.

1. Межерицкий А. Д. Влияние эксплуатационных факторов на совместную работу двигателя и агрегатов наддува / Труды Мурманского НТО, 1968. Выпуск 9.

2. Межерицкий А. Д. Эксплуатация турбонагнетателей судовых дизелей. Мурманск, 1969.

3. Тепловозные двигатели внутреннего сгорания / А. Э. Симеон, А. 3. Хомич, А. А. Куриц и др.: М., 1987. 513 с.

4. Кита В. Ф. Устройство и ремонт турбокомпрессоров судовых ДВС. 1972. 180 с.

5. Межерицкий А. Д. Турбокомпрессоры судовых дизелей. JL, 1971.192 с.

6. Газотурбинный наддув двигателей внутреннего сгорания /Под. ред. И.М. Баумана. М.: Машгиз, 1961. - 172 с.

7. Петровский Н.В. Газотурбинный наддув мощных двухтактных судовых двигателей. Д.: Судостроение, 1970. - 254 с.

8. ГОСТ 10038-82. Турбокомпрессоры для наддува дизелей и газовых двигателей. Методы испытаний.

9. Анисимов А.С. Повышение надежности тепловозных турбокомпрессоров в эксплуатации. Дисс. канд. техн. наук. ОмГУПС. Омск 1999. 175 с.

10. Правила деповского ремонта тепловозов типа ТЭЗ и ТЭ10. М., 1969.312 с.

11. Локомотивные энергетические установки: Учебник для вузов ж.-д. трансп. / А.И. Володин, В.З. Зюбанов, В.Д. Кузьмич и др.; Под ред. А.И. Володина. М.: ИПК «Желдориздат», 200. 718 с.

12. Четвергов В.А., Пузанков А.Д. Надежность локомотивов: Учебник для вузов ж.-д. трансп. / Под ред. Д-ра техн. Наук, проф. В.А. Четвергова. М.: Маршрут, 2003. 415 с.

13. Камкин С. В., Возницкий И. В., Шмелев В. П. Эксплуатация судовых дизелей. М, 1990. 344 с.

14. Рогалев Б. М., Смолин Ю. И. Эксплуатация и ремонт газотурбонагнетателей судовых дизелей. М., 1975. 192 с.

15. Сковородников Е. И. Методы оценки и пути снижения экологического воздействия тепловозных дизелей на окружающую среду: Учебное пособие / Омская гос. акад. путей сообщения. Омск, 1995. 104 с.

16. Жур. Моркой флот. 1971. № 6. С. 41.

17. Жур. Моркой флот. 1972. № 12. С. 48-49.

18. Жур. Моркой флот. 1973. № 11. С. 46-47.

19. Сб. Технико-экономическая информация "Техническая эксплуатация флота", М., 1973, № 24. С. 27-32.

20. Кузнецов Л. А. Камеры сгорани стационарных газотурбинных установок. Л., 1957. 164 с.

21. Вибе И. И. Новое о рабочем цикле двигателей. М., 1962. 268 с.

22. Теория и расчет турбокомпрессоров: Учебное пособие для студентов машиностроительных специальностей / К. П. Селезнев, Ю. Б. Галеркин, С. А. Анисимов и др.; Под общ. ред. К. П. Селезнева. 2-е изд., перераб. и доп. Л., 1986. 392 с.

23. Володин А.И., Сковородников Е.И., Овчаренко С.М. Локомотивные энергетические установки. Курсовой проект. Часть 1. Омск, 2000. 40 с.

24. Блинов П.Н., Сковородников Е.И. Тепловой и динамический расчет двигателей внутреннего сгорания на ЭВМ «НАИРИ-2». Методические указания по курсовому проектированию. Омск, 1982. 44 с.

25. Шелест П.А. Индикаторный процесс тепловозного дизеля // Вестник машиностроения. 2001. № 7.

26. Михайлов В.И., Федосов К.М. Планирование экспериментов в судостроении.-Л.: Судостроение. 1978. 159 с.

27. Двигатели внутреннего сгорания. Теория рабочих процессовпоршневых и комбинированных двигателей. Изд. 3-е. Коллектив авторов. М., 1971.400 с.

28. Дьяченко Н. X. Теория двигателей внутреннего сгорания. М.-Л.,1974.

29. Бухарин Н. И., Распутин А. И. Исследование канально-лопаточных диффузоров центробежных компресоров. М., 1965, № 8.

30. Дьяченко Н. X. и др. Теория двигателей внутреннего сгорания. М.-Л, 1965.

31. Степанов Г. Ю. Основы теории лопаточных машин комбинированных и газотурбинных двигателей. М., 1958.

32. Бекнев B.C., Панков О.М., Янсон Р.А. Газодинамика газотурбинных и комбинированных установок. М.: Машиностроение, 1973. - 389 с.

33. Черкез А. Я. Инженерные расчеты газотурбинных двигателей методом малых отклонений. М., 1965.

34. Портнов Д. А. Быстроходные турбопоршневые двигатели с воспламенением от сжатия. М., 1963.

35. Ваншейдт В. А. Судовые двигатели внутреннего сгорания. J1., 1962.

36. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. М., 1953.

37. Межерицкий А. Д. Турбокомпрессоры систем наддува судовых дизелей. Л., 1986. 248 с.

38. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. М., 1973.

39. Теплотехнический справочник. Том 1. Под редакцией С. Г. Герасимова. M.-JI., 1964. 728 с.

40. Лышевский А. С. Движение жидких капель в газовом потоке. Изв. вузов "Энергетика". 1963. № 7. С. 15-17.

41. Теплопередача: Учебник для вузов / В. П. Исаченко, В. А. Осипова, А. С. Сукомел. 4-е изд., перераб. и доп. М., 1981. 416 с.

42. Улитин Н. С. Сопротивление материалов. Изд. 3-е, перераб. Учебник для строит, монтаж, специальностей техникумов. М., 1969. С.57-60.

43. Экспериментальное исследование прочности при импульсных каплеударных нагрузках // В. К. Алексеев, 3. В. Бодрышев, Ю. Д. Денисов, Р. Г. Перельман / Проблемы прочности. 1977. № 6. С. 110-113.

44. Перельман Р. Г. Эрозия элементов паровых турбин.

45. Szprengiel Z., Weigle В. Some results of erosion calculation as applied to steam turbine blading // Proc. 6th Int. Conf. on Erosion by Liquid and Solid. Impact Cambridge. 1983.1 27. P. 1-11.

46. Shubenko A. L., Kovalsky A. E. On prediction of erosion wear of details on the its kinetic model by impact of liquid drop on polydisperse flow of moisture // Proc. 7th Int. Conf. on Erosion by Liquid and Solid. Impact Cambridge. 1987.

47. Титанаков Д.А. Граф-модель, ак метод оценки взаимосвязей системы «дизель-газовоздушный тракт» // Тезисы докладов XXX межвузовской конференции студентов и аспирантов. Самарская гос. Акад. Путей сообщения. Самара, 2003. С. 87-88.

48. Хазен С.М. Энергетика локомотивов. М. Транспорт, 1977. - 206 с.

49. Пушкарев И.Ф., Пахомов Э.А. Контроль и оценка технического состояния тепловозов. М.: Транспорт, 1985. - 160 с.

50. Развитие локомотивной тяги / Н.А. Фуфрянский , А.Н. Долганов; под. ред. Н.А. Фуфрянского, А.Н. Бевзенко. М. : Транспорт, 1982. - 304 с.

51. Серов А.В. Оптимальное управление качеством и эффективностью работы машин в эксплуатации. М.: Знание, 1979. - 52 с.

52. Корнеев Н.Н., Фуфрянский Н.А. Топливная экономичность тепловоза в эксплуатации. М.: Траонспорт, 1974. - 56 с.

53. Дизелестроение / Под ред. В.И. Баланина. JI. : Машиностроение, 1984.-216 с.

54. Свиридов Ю.Б. Смесеобразование и сгорание в дизелях. JI. : Машиностроение, 1972. - 223 с.

55. Володин А.И., Фофанов Г.А. Топливная экономичность силовых установок тепловозов. М. :Транспорт, 1979. 126 с.

56. Хомич А.Х., Тупицын А.И., Симеон А.Э. Экономия топлива и теплотехническая модернизация тепловозов. М. : Транспорт, 1975. - 262 с.

57. Фофанов Г.А., Силин С.И. Влияние эксплуатационных факторов на экономичность тепловозного дизеля 10Д100//Вестник ВНИИЖТ. 1975. №1. С.24-27.

58. Николаенко А.В., Протасов Е.Н. Влияние атмосферных условий на экологические и экономические показатели дизеля//Тр.Лен.с.-х. ин-та. 1985. -С.40-47

59. Поварков И.Л., Ермолаева В.Г. Определение теплотехнического сосотояния дизелей 1 ОД 100 при реостатных испытаниях // Электрическая итепловозная тяга. 1981. - №4. - С. 17-19.

60. Станиславский Л.В. Техническое диагностирование дизелей. — Киев: Выша Школа, 1983. 137 с.

61. Петриченко P.M., Уваров С.Н. Экономический ущерб воздействия отработавших газов ДВС И Двигателестроение. 1986. №10. - С.49-50.

62. Кудряш А.П. Надежность и рабочий цикл транспортного дизеля. -Киев: Наукова думка, 1981. 136 с.

63. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. — М.: Машиностроение. 1981. 159 с.

64. Галкин В.Г., Парамзин В.П., Четвергов В.А. Надежность тягового подвижного состава. М.: Транспорт, 1981. - 184 с.

65. Крутов В.И. Двигатель внутреннего сгорания как регулируемый объект. М.: Машиностроение, 1978. - 470 с.

66. Володин А.И. Локомотивные двигатели внутреннего сгорания. -М.: Транспорт, 1978. 239 с.

67. Моргулис П.С., Перфилов В.Г., Турбокомпрессоры тепловозных двигателей. М.: Машиностроение, 1965 - 148 с.

68. Тепловозные двигатели внутреннего сгорания и газовые турбины /Н.М. Глаголев, А.А. Куриц, А.З. Хомич и др. М.: Транспорт, 1973. - 336 с.

69. Теория двигателей внутреннего сгорания. Рабочие процессы /Под. Ре. Н.Х. Дьяченко. Л.: Машиностроение, 1974. - 552 с.

70. Симеон А.Э., Синенко Н.П. Испытание тепловозных и судовых дизелей типа Д100. М.: Машгиз, 1960. - 264 с.

71. Синенко Н.П., Еринберг Ф.Г. Исследование и доводка тепловозных дизелей. М.Машиностроение, 1975. - 184 с.

72. Разлейцев Н.Ф. Моделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях. Харьков: Виша школа, 1980. - 184 с.

73. Кудряш А.П., Созаев В.Т., Тартаковский Э.Д. Резервы повышения экономичности тепловозов 2ТЭ10Л. М.: Транспорт, 1975. - 64 с.

74. Рахматуллин М.Д. Технология ремонта тепловозов, М.: Транспорт, 1983. - 319 с.

75. Дизели: Справочник /Б.П. Байков, В.А. Ваншейдт, Б.М. Гончар и др.; Под. Ред. В.А. Ваншейдта, Н.И. Иванченко, JI.K. Коллерова. Л.: Машиностроение, 1977. - 480 с.

76. Турбокомпрессоры для наддува дизелей /Б.П. Байков, В.Г. Бордуков, П.В. Иванов, Р.С. Дейч. Л.: Машиностроение, 1975. - 200 с.

77. Марков Н.М. Теория и расчет лопаточного аппарата осевых турбомашин. Л.: Машиностроение, 1966. - 240 с.

78. Карпов Л.Н., Лютов И.Л., Гаврилов B.C. Двигатели с турбонаддувом. М.: Транспорт, 1971. - 248 с.

79. Агрегаты воздухоснабжения комбинированных двигателей внутреннего сгорания /Под. ред. М.Г. Круглова. М.: Машиностроение, 1979. -296 с.

80. Симеон А.Э., Каминский В.А., Моргулис Ю.Р. Турбонаддув высокооборотных дизелей. М.: Машиностроение, 1976. - 228 с.

81. Новков Л.А. Технологии снижения вредных выбросов тепловозов// Двигателестроение. 1997. № 1-2. с.49-51

82. Смайлис В.И. Малотоксичные дизели. Л., 1972. 128 с.

83. Морозов К.А. Токсичность автомобильных двигателей. М., 2000.80 с.

84. Марков В.А., Баширов P.M., Габитов И.И. Токсичность отработавших газов дизелей. М., 2002. 376 с.

85. Моделирование вредных выбросов тепловозов и дизель-поездов //Железные дороги мира. 1999. № 8. с. 47-50

86. Временные нормы и методы определения удельных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу с отработавшими газами дизелей эксплуатируемых тепловозов. М., 1991. 9 с.

87. Сковородников Е.И. Научные основы технического и технологического обеспечения по снижению вредных выбросов тепловозов. Диссертация д.т.н. Омск, 2000. 360 с.

88. Хватов В.Н., Логинов Н.В. Пути снижения дымности отработавших газов автотракторных дизелей //Двигателестроение. 1991. № 5.

89. Вейнблат М.Х., Федякин П.А. Снижение дымности отработавших газов форсированного дизеля на режимах холостого хода //Двигателестроение. 1990. № 11.

90. Малов Р.В. Проблема уменьшения выброса вредных веществ тепловозами //Железнодорожный транспорт. 1982. № 5.

91. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. М., 1973. 199 с.

92. Укрупненные нормы времени на разработку и сопровождение программных средств (методический материал) / ГИЦ ПС ВТ МПС РФ. М., 2000. 61 с.

93. Организация, нормирование и оплата труда на железнодорожном транспорте: Учебник / Под ред. Ю.Д. Петрова, М.В. Белкина. М., 1998. 279 с.

94. Трудовой кодекс Российской Федерации. № 197-ФЗ от 30.12.01.

95. Приказ МПС № 24Ц от 15.12.97 «О совершенствовании системы организации заработной платы работников, занятых в основной деятельности железных дорог». 47 с.

96. Налоговый кодекс Российской Федерации. 4.1, 4.2. М., 2004. 544 с.

97. Экономика железнодорожного транспорта: Учебник / Под ред. Н.П. Терешиной, Б.М. Лапидуса, М. Ф. Трихункова. М., 2001. 600 с.