автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Повышение эффективности работы тепловозов в режимах трогания и разгона состава

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИИ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

УДК 629.424.1:629.4.075 На правах рукописи

>Г6 од

- 5 ИЮН Ш

МИХАИЛИДИ КОНСТАНТИН ГЕОРГИЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ТЕПЛОВОЗОВ В РЕЖИМАХ ТРОГАНИЯ И РАЗГОНА СОСТАВОВ

05.22.07, - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 1995

Работа выполнена нь. кафедре "Локомотивы и локомотивное хозяйство" Московского государственного университета путей сообщения.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Коссов Евгений Евгеньевич

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Феоктистов Валерий Павлович

- кандидат технических наук Никольский Николай Константинович

Ведущее предприятие - ПО "Коломенский завод"

Защита диссертации.состоится 1995 Г. В а.

часов на заседании диссертационного' совета Д 114.05.05 при Московском университете путей сообщения по адресу: 101 475, ГСП, г.Москва, ул. О'разцова, 15; ауд. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан

сЛ/Яс^, 1995 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба наг^авлять по адресу совета университета.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 11*4.05. 05 д. т.н., Н. Филиппов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Полигоны тепловозной тяги составляют более* половины протяженности железных дорог России и стран СНГ. Всю маневровую работу на сети железных дорог, а также вывозную на тутях промышленных предприятий выполняют тепловозы.

Применение дизелей , с высоким наддувом обеспечило рост агрегатной мощности тепловозов, однако ухудшило их работу на пе-реходнах режимах, доля которых для поездных локомотивов составляет 20 и более процентов от общего рабочего времени, а для ма~ неврово-промышленных - 40+50 % от времени движения в режимах тяги. Работа тепловозов в этих режимах характеризуется низкими показателями надежности, экономичности, эффективности и эколо-гичности. В значительно" мере это связано с ухудшением совместной работы высокофорсированного по наддуву дизеля и электрической передачи тепловоза. ->

Поиском путей повышения эффективности работы тепловозов занимается целый ряд как производственных, так и научно-исследовательских коллективов. Среди них локомотивные заводы и депо, ВНИИЖТ. ВНИТИ, железнодорожные вузы. ПКБ ЦТ МПС.

Решению этих вопросов уделяли внимание ученые-. В.И.Крутов, А.М.Белостоцкий, В.И.Толшин, А.С.Эпштейн, А.Э.Симеон, М.М.Дружинин, А.И.Володин, В.В.'Стрекопытов, Е.Е.Коссов и другие.

Проведенный анализ научных работ этих и других авторов выявил: объектом исследований чаще всего служит силовая установка, реже - передача и совсем редко - вся энергетическая цепь локомотива (ЭЦЛ). В ряде работ приведены результаты испытаний отдельных звеньев ЭЦЛ при их усовершенствовании. Однако без теоретического исследования происходящих в ЗИЛ процессов не

представляется втможность обоснованно и достоверно оценить влияние предлагаемых усовершенствований на показатели работы тепловоза в целом.

Необходим комплексный подход к оценке тягово-эксплуатаци-онных качеств локомотива, особенно при исследовании наиболее тяжелых режимов его работы: трогание с места и разгон составов. Именно в этих режимах у локомотива реализуются недостаточные значения коэффициентов полезного действия и сцепления колесных пар с рельсами, а также других показателей. Поэтому задача поиска путей их повышения является весьма актуальной.

Появление надежных противобоксовочных систем и микропроцессорной техники облегчает решение этой задачи, позволяет реализовать оптимальные алгоритмы и законы управления переходным процессом дизель-генераторной установки (ДГУ) и тепловоза в целом. Нахождение этих законов можно осуществить с использованием математической модели локомотива.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью дк сертационной работы является повышение эффективности использования тепловоза в режимах трогания и разгона составов за счет применения рациональных генераторных характеристик и способов нагружения ДГУ, полученных на основе математического моделирования взаимосвязанной работы элементов его энергетической цепи.

Для достижения указанной цели в диссертации решаются следующие задачи:

- разработка методик и программ расчета показателей работы тепловоза в режимах трогания и разгона составов;

- разработка алгоритмов управления процессом нагружения

. методов регулирования ее основных параметров;

- расчет генераторной характеристики, используемой для управления процессом нагружения ДГУ;

- сравнительная оценка вариантов нагружения энергетических систем по критериям топливной экономичности и эффективности эксплуатационной работы тепловоза в целом;

' - выбор и обоснование рациональных способов нагружения ДГУ тепловоза в процессах трогания и разгона составов; •

- нахождение законов регулирования основных параметров ДГУ для реализации на микро-ЭВМ. ■ •

Объект исследования - тепловоз мощностью -2200 кВт в секции с дизелем типа Д49 и электрической передачей переменно-постоянного тока.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Поставленные задачи решены с использованием методов математического моделирования работы тепловозного дизеля, системы объединенного регулирования мощности и угловой скорости вала ДГУ (серийной и усовершенствованной), электрической передачи в режимах трогания и разгона составов с учетом продольной динамики поезда.

Для описания ■ рабочих процессов в энергетических системах тепловоза использовались результаты испытаний и настройки дизеля, тяговых электрических машин, системы управления переходным процессом ЛГУ. полученные в ПО "Коломенский завод", НИИ завода "Электротяжмаш" (г.Харьков), ВНИТИ и ВНИИЖТе.

Прч реализации разработанных математических моделей в виде алгоритмов и программ для выполнения вариантных расчетов на ЭВМ показателей работы энергетических систем тепловоза использовались методы итераций, конечных разностей и'другие численнче ме--тоды.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. На основе выполненных исследований дай!1 научно-обоснованная оценка эффективности взаимосвязанной рабоп осноеных звеньев энергетической цепи тепловоза. Для этого раз работана универсальная математическая модель тепловоза с элекТ рической передачей для исследования его работы в процессах тро гания и разгона составов, построенная по модульному принципу. Разработаны алгоритмы рационального управления процессом нагру-жения силовой установки с использованием специально подобранных для этой цели генераторных характеристик, при реализации которых возможно существенное повышение тягово-энергетических качеств тепловоза.

Достоверность результатов расчетов по каждому программному модулю й по совокупной модели тепловоза обеспечивалась их сравнением с экспериментальными данными других ученых с достаточной степенью точности. _

• ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Реализация разработанных в диссертационной работе рекомендаций снизит затраты дизельного топлива в эксплуатации, повысит качество переходных процессов, эффективность использования энергетических систем тепловоза в режимах трогания и разгона составов.

Благодаря универсальности и компактности разработанных математических моделей и программных модулей становится возможным комплексный подход к решению широкого круга инженерных задач, связанных с улучшением'эксплуатационных показателей серийных и . • перспективных тепловозов. ■ •

Результаты выполненных исследований могут быть рекомендованы при разработке более совершенных систем управления процессом гру4:еш;я ДГУ (во ЕНИИКТе и ВНИТИ. на ПО "Коломенский за-

вод", Людиновском тепловозостроительном заводе, ПКБ ЦТ и других проектно-производственных организациях).

АПРОБАЦИЯ. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на первой международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы .развития железнодорожного транспорта" (г.Москва, 1994 г.). на кафедре "Локомотивы и локомотивное хозяйство" МИИТа (г.Москва,. 1995Г.).

ПУБЛИКАЦИИ. Основные материалы диссертации опубликованы в 7-ми печатных работах (см. стр.23).

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация содержит 116 стр. машинописного текста. 56 рисунков, 5 таблиц, 4 приложения, 88 наименований библиографических- источников л состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ дан обзор и анализ технических решений и методов совершенствования характеристик тепловозов с электрической передачей в переходных режимах работы, сформулирована задача диссертации.

Исследования в этой области ведутся в следующих направлениях: ...

1. Выбор оптимальных эксплуатационных характеристик дизелей. В ряде работ предложено регулировать дизель по экономической характеристике на установившихся режимах; исследована связь между экономическими характеристиками с лового. оборудования тепловоза и оптимальными режимами управления при ведении поезда

по участку. В других работах отмечено, что при выборе эксплуа тационных характеристик необходимо учитывать их влияние на механическую и тепловую напряженность деталей цилиндро-поршневой группы, лопаток турбинного колеса турбокомпрессора. Немаловажное значение в связи с этим имеют переходные процессы в дизеле, оказывающие существенное влияние на надежность и экономичность силовой установки. Практика показывает, что экономическая характеристика дизеля часто не совпадает с зоной режимов его работы в условиях эксплуатации.

Анализ исследований показал, что пет пока единого подхода к выбору рациональных генераторных характеристик тепловозных дизелей. Возможность математического моделирования процессов, происходящих в энергетических системах .тепловоза, и реализации рекомендаций благодаря применению микро-ЭВМ позволяют выработать тако'- подход.

.2. Совершенствование систем управления процессом нагруже-ния ДГУ тепловозов. Исследования в этом направлении ведутся как в нашей стране, так и за рубежом. Разработаны микропроцессорные устройства мля управления работой высокофорсированного по надДУВУ дизеля, однако законы регулирования его основных парамет-' ров остались прежними, присущими электромеханическим системам управления (фирмы Бош. Браун-Бовери. Зульцер, Вудвард). Применение микро-ЭВМ на локомотивах сдерживается трудностями, связанными с выбором оптимальных алгоритмов управле1 я процессом . нагружения силовой установки.

В ряде отечественных разработок с целью улучшения качества г^входных процессов предложены различные способы нагружения Т'У, в том числе с выходом на максимальную угловую скорость ее

вала и ограничением роста нагрузки с последующим догружением при постоянной угловой скорости. Экспериментальными исследованиями установлена целесообразность предварительного увеличения на холостом ходу угловой скорости вала ДГУ для повышения индикаторного КПД дизеля и последующего нагружения до требуемой мощности. Однако, несмотря на положительные результаты выполненных исследований, работа серийных систем управления подачей топлива и нагрузкой дизеля до сих пор характеризуется низкой параметрической надежностью. Во многих разработках отсутствует оценка полученных результатов от предлагаемых усовершенствований с точки зрения работы тепловоза в целом как системы функционирующих и взаимосвязанных элементов энергетической цепи.

Из.проведенного анализа' сделан вывод о том, что многие технические решения могли быть гораздо быстрее получены и обоснованы с помощью теоретических методов с использованием математических моделей, реализуемых на современных ПЭВМ и позволяющих обеспечить комплексный подход к оценке тягово-эксплуатационных качеств локомотива. На решение этих задач и направлена данная диссертационная работа.

ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена разработке математической модели тепловозного дизеля в установившихся и переходных режимах его работы. За основу модели взяты результаты научных исследований по применению на тепловозах высокофорсированных по наддуву дизелей.

Наиболее существенными условиями применимости математичес- ■ кой модели для исследования являются адекватность объекту исследования , компактность и универсальность. Компактность и адекватность модели являются противоречивыми требования!«!. Поэтому

в процессе отладки программного модуля дизеля обращалось особое внимание на корректность выбранных допущений и правомерность применения экспериментальных данных, влияющих на точность описания действительных процессов.

При расчетах процессов" газообмена в дизеле и процессов в агрегатах наддува течение рабочего тела по впускному и выпускному трактам принималось квазистационарным. Погрешности расчета параметров рабочего тела в конце расширения частично компенсировались учетом дополнительных потерь тепла при расчете охлаждения рабочего тела в выпускном коллек.оре. Изменение индикаторного КПД цикла в переходных процессах учитывалось в виде аппроксимаций зависимостей КПД от начальных условий и коэффициента избытка зоздуха. полученных в результате расшифровки осциллографы.

Сис^ма уравнений модели дизеля 16ЧН26/26 составлена из трех основных групп: 1) нелинейных' алгебраических уравнений для определения расхода воздуха; 2) уравнений, описывающих изменение во времени угловых скоростей коленчатого вала дизеля и ротора турбо..омпрессора, температур корпусных деталей выпускного коллектора; 3) уравнений, описывающих функциональные связи в системе управления подачей топлива и нагрузкой дизеля. Введение в модель последних уравнений в виде отдельной группы позволило исследовать переходные процессы в дизеле за счет влияния законов управления, не затрагивая качества управления а также решить и обратную задачу: определить требуемые законы управления..

Принимаемые здесь допущения - следующие:

г) все процессы происходят в замкнутой системе, и в любой момент времени I справедлив баланс ¿энергий:

Ьт*Н„*Г11=Рм+Рв+Р1+^*(1)1*((1о)1/с1г), (2.1)

где Ьт - секундный расход топлива, кг/с; Ни - теплотворная способность топлива, Дж/кг; % - индикаторный КПД дизеля; Рн, Ре - мощности механических потерь дизеля и вспомогательных аг-рехатов тепловоза, Вт; Р., - свободная мощность дизеля. Вт. ^ -момент инерции вращающихся масс дизеля, кг*м2; о^ - угловая скорость коленчатого вала дизеля, рад/с.

Мощности Р„ и Рв задаются зависимостями: РМ=Р„ ) и

«

Рв=Ра(ш1). Мощность Р^Ре+Рид. где Рс - мощность дизеля, соответствующая угловой скорости его колейчатого вала; Рид- мощность дизеля, соответствующая сигналу индуктивного датчика.

В расчетах уравнение (2.1) используется в дифференциальной форме: ••.

+ (йРид/с11)+11ш1*(с'ш1/(31г)+11*((5ш1/-г)г)/Ни/т\1. (2.2}

б) исполнительные устройства системы управления процессом нагружения ДГУ работают так,' что в каждый момент времени скорость изменения регулируемой величины А пропорциональна величине рассогласования' и обратно пропорциональна постоянной времени 1А: (сЗА/<Н) = (Азад-А)АА, где Азад, А - заданное и текущее значения регулируемой величины;

в) существуют определенные задания: на скорость приращения мощности (сП^/сН), передаваемой тяговому генератору, и на угловое ускорение коленчатого вала (¿Ц/с11;), а также приоритет на их выполнение. Серийная система автоматического регулирования (САР) параметров ^ и Р! осуществляет процесс нагружения ДГУ с приоритетом задания по . (бРа /с31). При такой управлении возможно снижение углового ускорения коленчатого "вала дизеля в переход-

ном процессе, в результате чего работа силовой установки становится неудовлетворительной. Управление с приоритетом задания по (¿Ц /<Ш обеспечивает выполнение заданного углового ускорения коленчатого вала дизеля. Будем считать, что такое управление соответствует усовершенствованной САР.

' Методика воспроизведения функциональных связей в системе управления рассмотрена применительно к дизель-генератору серийного тепловоза с объединенным регулятором 3-7РС2.

ТРЕТЬЯ ГЛАВА посвящена разработке математической модели электрической передачи. Модель включает уравнение баланса мощностей устройств передачи, экспериментальные нагрузочные характеристики тягового генератора и тягового электродвигателя, а' также ¡экспериментальные зависимости для определения механических потерь и магнитных потерь в стали якорей генератора и двигателей. Так как постоянная времени передачи намного меньше постоянной времени дизеля, переходные процессы в передаче принимались квазистационарными. Особенность модели состоит в том. что при расчете показателей передачи решается прямая и обратная задачи.

• На основе расчетов с использованием программных модулей дизеля и передачи были получены характеристики этих устройств при работе в установившихся режимах. Генераторная характеристика серийного дизеля была совмещена в поле режимов Р, (ш,) с хаг рактеристиками передачи, зоны работы которой были ограничены по току якоря тягового генератора и по регулирующему воздействию -току возбуждения генератора. Анализ совмещения показал, что характеристики электрической передачи и дизеля плохо согласуется. Зоны экономичной работы дизеля и передачи также не совпадают.

Решение этих вопросов позволит повысить экономичность основных энергетических систем тепловоза при их совместной работе.

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА посвящена разработке математической модели. имитирующей динамические процессы в поезде при его трогании ■ с места и разгоне. Использование модели позволило оценить влияние' на эти процессы показателей работы тепловоза при улучшении его тяговых и динамических качеств.

За основу при разработке модели принята расчетная схема грузового поезда, предложенная Галеевым А,У. Она ьключает в себя систему твердых тел.. расположенных на колесах и соединенных между собой неупругими связями. Такими связями обладают автосцепки с пружинно-фрикционными поглощающими аппаратами Ш-1-ТМ, которыми, в основном, оборудован эксплуатируемый парк вагонов. Выбранная расчетная схема соответствует схеме реального поезда при трогании его с места, если не учитывать упругие свойства .рам вагонов, жесткость которых значительно больше жесткости поглощающих аппаратов.

Для расчета показателей тяги и продольной динамики поезда используются дифференциальные уравнения вида- (йУ/йЬ)^^^^, где 3=2,3.....п+1; ^ - коэффициенты, зависящие от типа подвижного состава и-ой части поезда); - удельные равнодействующие силы, приложенные соответственно к З-ым частям поезда. Н/кН. Для головной части поезда ^»(Гк-и^-Б^Лт^я), где Рк касательная сила тяги тепловоза. Для остальных частей Гз = (Б-, _! ) / (ш3 , где ш3 - массы ¿-ых частей поезда, т; £ - ускорение силы тяжести, м/с2.

Сопротивление троганию с места или движению з-ой части поезда определяется как сумма сопротивлений, рассчитанных для

каждого экипажа, входящего в часть. Усилия в упряжных устройствах соединений экипажей зависят от перемещений поглощающих аппаратов X;,. В свою очередь Х3 есть функция от разности путей Н3 и И],,, пройденных соседними частями поезда, и величины зазора 53 при условии, когда (Н3-Н3+1)>63. Приращения пути и скорости 0-ой части поезда определяются путем разложения функции Н^Ь) в ряд Тейлора. При равенстве скоростей смежных частей поезда учет продольной динамики в их упряжных устройствах прекращаете. Число частей состава уменьшается, и так происходит до тех пор, пока состав не станет единой частью.

Получена удовлетворительная сходимость результатов по методике Галеева А. У. и разработанной модели. Величина зазора в' упряжных устройствах состава в последующих расчетах принята по рекомендациям проф. Лазаряна В. А. одинаковой и равной 65 мм.

ЬЛТАЯ ГЛАВА посвящена расчетам процессов трогания и разгона составов серийным тепловозом. Проверка применимости разработанных моделей дизеля, электрической передачи, а также совокупной модели работы тепловоза производилась путем сравнения расчетных показателей с опытными данными, полученными другими исследователями. Анализ сравнения показал удовлетворительную сходимость данных на большей части переходных процессов, что свидетельствует об адекватности указанных выше моделей объектам исследования.

При анализе результатов опытных поездок машинистов с динамометрическим вагоном было выявлено, что при троганки с места и разгоне составов имеет место значительная разница между допустимой величиной силы тяги и реализуемой при управлении машинистом локсмотнБа. Появившиеся в последние годы,разработки в об-

ласти создания систем управления тепловозом обеспечивают улучшение использования сил сцепления колесных пар с рельсом при практически мгновенном приложении тягового усилия. Эти позволяет найти законы изменения показателей тяги, которые служили бы ориентирами (или требованиям^ при разработке современных энергетических систем тепловоза. С.этой целью программный модуль реального дизеля был видоизменен для использования с идеальным дизелем. Считалось, что передача получала (от идеальной силовой установки) ту мощность, которая требовалась для реализации предельно-допустимых значений силы тяги с учетом ограничения величины Р,, соответствующего номинальной мощности силовой установки. Этот вариант расчета условно обозначен эталонным.

Для состава, состоящего из 60 четырехосных вагонов на роликовых подшипниках со средней массой вагона, приходящейся на ось, 18 т. при действии ограничений по сцеплению колесных пар с рельсами и по продольной динамике поезда (2.5 МН), на основе расчета по эталонному варианту выявлено, -что наибольшее прг. -должное усилие в поезде Slmax составило 1.4 МН. Для реализации силы тяги на уровне ограничения по сцеплению необходимо иметь 870 кВт свободной мощности дизеля и кратковременно 250 кВт/с приемистости локомотива по этой мощности; на основном же участке разгона достаточно иметь стабильные значения приемистости в «

пределах 30 + 40 кВт/с.

В качестве базового варианта.принят расчет показателей работы серийного тепловоза, отрегулированного в соответствии с техническими требованиями и для реализации полной мощности которого нет препятствий, кроме установленных ограничений. В качестве критерия эффективности использования локомотива при тгю-

гании и разгоне состава выбран обобщенный показатель, оценнваю-ш"й рациональное соотношение экономичности и производительности тепловоза при выполнении заданной работы А на колесе и равный произведению расхода топлива на время переходного процесса (В*и, предложенный проф.Коссовым Е. Е. Наилучшим вариантом при сравнительной оценке считался тот, у которого (ВН)->т1п. В качестве критерия топливной экономичности принят интегральный КПД тепловоза (отношение суммарной полезной работы к суммарной затраченной за время и.

Анализ результатов расчетов показал, что применяемая в се-рг"ных тепловозах система управления процессом нагружения ДГУ в переходном процессе не может обеспечить устойчивое ведение процесса разгона поезда по ограничительным параметрам. Наибольшее значение свободной мощности, /.оторую реализовал дизель в начальной стадии переходного процесса на 500 кВт меньше возможной величины. Наибольшее значение продольной силы в поезде в 4.5 раза меньше предельно допустимой величины, что свидетельствует о резервах повышения тяговых и динамических качеств тепловоза при трогании и разгоне составов. Анализ также показал, что разработанная исследовательская система позволяет производить по выбранным критериям оценку работы элементов ЭЦЛ и тепловоза в целом.

ШЕСТАЯ ГЛАВА посвящена выбору рациональных способов нагружения и характеристик силовой установки с учетом экономичности и производительности тепловоза. Разработаны методы и алгоритмы выбора управления, по которым усовершенствованная, по сравнению с се; !гп:1.'й, система должна обеспечить бесступенчатое регулиро-" 7. скорости вала ДГУ,. изменение законов

регулирования этих параметров с приоритетом задания по угловой скорости вала ДГУ, ограничение подачи топлива' по минимальному значении коэффициента избытка воздуха а. реализацию максимально возможного расхода топлива путем подбора величин заданий по (ск), /си) и (сЗР,/си) на уровне допустимых значений.

• Рассмотрена возможность ведения переходного процесса с максимальным использованием исполнительных устройств существующей САР. В расчетах применяется уравнение (2.2) баланса мощностей ДГУ при соответствующем варьировании способов задания величин нагрузки Рия> управляемой по сигналу индуктивного датчика, и Рс по селективной характеристике, связанных с угловой скоростью коленчатого вала дизеля ш, и скоростью движения тепловоза V!. В серийной САР законы управления переходным процессом известны. При создании и реализации на ЭВМ алгоритмов расчета с применением усовершенствованной САР эти законы предстояло найти.

Предложены три способа задания конечной угловой скорост,. ш]1( вала ДГУ при приеме нагрузки в процессе трогания тепловоза с составом:

A) неизменной на протяжении всего переходного процесса и равной номинальной угловой скорости ш1Н01(;

Б) изменяющейся в переходном процессе в виде функции а);к = <Р(Р1СЦ), зависящей от предельной по условиям сцепления колесных пар с рельсами свободной мощности дизеля, которая определяется с использованием генераторной характеристики дизеля:

B) неизменной на первом этапе переходного процесса и изменяющейся в виде функции ш1к» Ф(Р,СЦ) на втором этапе переходного процесса.

. Реализацию этих заданий можно осуществить программным путем на основе микропроцессорной техники, встроенной в усовершенствованную САР.

Разработана методика выбора закона изменения задания ш1к на шаге At переходного процесса; суть которой заключена в следующем: генераторная характеристика Ри=Ф(ш1у) в установившихся режимах работы ДГУ для использования в качестве управляющей аппроксимировалась в виде функции wly=4>(Piy). Вместо аргумента Р1У подставлялось значение Р1сц, равное ((Рк)сц+2РПот). гДе первое слагаемое - предельная касательная мощность секции теп-ловс~а. а второе слагаемое - суммарные потери в электрической передаче при этой мощности. Найденное значение ш1у и являлось' искомой конечной угловой скоростью ш1к, до которой надо раскручивать коленчатый вал дизеля при ед) нагружении в переходном процессе, т.е. фактически а)1к=Ф(Р1 сц).

Для выполнения расчетов по вариантам "А. Б, В" разработан универсальный алгоритм. Анализ результатов по варианту "А" показал, что экономически нецелесообразно вести переходный про-г сс с максимальным быстродействием (ш1квш1И0|| )» п°ка тяговая мощность не соответствует ломинальной мощности дизеля. По вариантам расчета "Б" и "В" при регулировании угловой скорости коленчатого вала дизеля посредством функции ш1к(Р1сц) был сделан вывод о том, что мощность дизеля непрерывно устанавливалась в соответствии с заданием по угловой скорости коленчатого вала дизеля (без перерегулирования) и сила тяги нигде не превысила ограничения по сцеплению; кроме того, этот метод регулирования оказался рациональным по времени разгона поезда, КПД тепловоза, принятому критерию эффективности, рассчитанных.в рассматривав-

мых вариантах, при условии выполнения тепловозом одинаковой полезной эксплуатационной работы А. Сравнительные оценки даны в процентах по отношению к серийному варианту. При варьировании числом груженых вагонов в составе наибольшее повышение эффек-' тивности получено в варианте""В" и составило 14 % при 30 вагонах; 10 % при 60 вагонах и 7 % при 90 вагонах. Наибольшая экономия топлива получена в вар."Б" и составила 3.2% при 90 вагонах, 2 % при 60 вагонах и ноль процентов при 30 вагонах. Из анализа рассматриваемых вариантов следует:

а) если лимитирующим фактором в эксплуатации является время выполнения локомотивом заданной полезной работы А. целесообразнее применять вариант "В" нагружения ДГУ. как наиболее эффективный по производительности тепловоза;

б) если время выполнения локомотивом эксплуатационных операции но отражается сущостппшю нд производственном процессе, целесообразное применять вариант "Б" нагружения ДГУ. имеющий преимущество по топливной экономичности тепловоза.

Найдены законы рационального изменения мощности и угловой скорости вала ДГУ, при реализации которых тег повоз в процессах трогания и разгона поезда будет работать более экономично, эффективно и параметрически надежнее.

По универсальному алгоритму с усовершенствованной системой управления были выполнены расчеты при разных диапазонах регулирования углоной скорости вала ДГУ. Сравнительные оценки даны в процентах по отношению к варианту "Б", в котором нагружение ДГУ производится с 36.7 рад/с. При 30 груженых вагонах наилучшим по-критерию (В*(;)-т1п оказался вариант нагружения ДГУ с н.гпл-.псс угловой скорости 100 рад/с, при 60 нагонах - с 00 рад/-;, I:,.;: N.

вагонах - с 80 рад/с. Эффективность работы тепловоза соответственно составила 29 %, 22 %, 17 %. Экономия топлива - 4.2 %. 2 %. 1.7 %. По характеру изменения показателей тяги при 60 груженых вагонах состава имеет место практически полная сходимость с аналогичными показателями в эталонном варианте расчета. Чтобы ее обеспечить, найдены законы, по которым должны изменяться показатели работы дизеля.

Был произведен учет и расчет оптимальных значений времени и затрат топлива на установление новых диапазонов регулирования угловой скорости вала ДГУ на холостом ходу (перед приемом нагрузки). Эти затраты, в процентах по отношению к расходу топлива серийным дизелем, сравнивались с получившейся экономией на тягу. Но результатам сравнения определена зона экономичной работы тепловоза, по критерию (В*и - гона эффективной работы, по условию *В*и~т1п - линия наибольшей эффективности.

Дальнейшие исследования показали, что от вида генераторной характеристики, используемой для управления процессом нагруже-ния ДГУ существенно зависят показатели работы тепловоза при' трогании и разгоне составов. Оказалось, что наилучшие показатели топливной экономичности (2.7 % при 60 груженых вагонах. 4.7 % при 90 вагонах) и тяги тепловоза обеспечиваются при условии, если фактическая генераторная характеристика является одновременно и управляющей и экономической характеристикой, дизеля на установившихся режимах его работы. Она получена расчетным путем при назначении коэффициента избытка воздуха, равном 1.9 (величина. при которой обеспечиваются допустимые параметры рабочего

Алализ результатов расчетов показал, что, практически на

всем протяжении переходного процесса интегральные значения КПД тепловоза с рекомендуемой генераторной характеристикой располагаются' выше значений КПД серийного тепловоза. Наибольшая относительная разница КПД составила 8 % при разгоне 30 вагонов, 16 % при разгоне 60 и 90 вагонов.- При этом обеспечен стабилышй рост эффективности использования тепловоза с новой характеристикой по критерию (В*и в пределах 5+8 %. улучшились его тяговые и динамические качества по сравнению с серийным тепловозом. Это - интенсивный рост тяги и более высокие ее значения в переходном процессе, нигде не превышающие уровень ограничения по сцеплению колесных пар с рельсами.

Проведенные исследования позволяют выработать единый подход к обоснованию выбора генераторной характеристики форсированного по наддуву тепловозного дизеля. Он заключается в следующем: уровень генераторной характеристики на установившихся режимах работы дизеля должен совпадать с экономической характеристикой либо соответствовать коэффициенту избытка воздуха а 1.9, на переходных режимах работы дизеля система управления процессом его нагружения должна изменять уровень генераторной характеристики корректированием величины расхода топлива в зависимости от давления наддувочного воздуха, если эта серийная

САР, либо по установленному ограничению коэффициента избытка »

воздуха а. если это усовершенствованная САР (с микро-ЭВМ).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные исследования позволили решить задачу повышения эффективности использования современного тепловоза в режимах трогания и разгона составов за счет применения рациональных ге-

нераторных характеристик г способов нагружения дизель-генераторной установки, разработанных на основе математического моделирования взаимосвязанной работы элементов его энергетической цепи. Получены следующие результаты:

1. разработаны и научно обоснованы алгоритмы рационального управления процессом нагружения ЛГУ и предъявлены требования к САР, реализующей эти алгоритмы.

2. Рассчитана экономическая характеристика дизеля на установившихся режимах его работы, которую рекомендовано .использовать как генераторную характеристику при управлении процессам нагружения ДГУ. Выработан и обоснован подход к выбору уровней генераторных характеристик дизелей в переходном процессе

3. Найдены законы управления процессом нагружения ДГУ, реализация которых (с помощью микропроцессорной техники) улучшит тя-гово-энергетические характеристики тепловозов.

4. Произведена оценка выбранных для сравнения вариантов нагружения энергетических систем по критериям топливной экономичности и эффективности эксплуатационной работы тепловоза в целом:

а) при существующем диапазоне регулирования угловой скорости вала ДГУ наибольшая экономия топлива составила 5 % при стабильном повышении эффективности в пределах 5 + 8 %;

б) при сокращении диапазона регулирования угловой скорости вала ДГУ наибольший рост эффективности составил 21 % по сравнению с серийным тепловозом при том же расходе топлива.

5. Определены предельные значения показателей тяги в эталонном иарианто разгона поезда, которые могут быть реализованы при ¡'г.^г-й!!. современных энергетических систем- тепловозов.

.¡о. что ииюхьзубмья• в серийных тепловозах способ

нагружения ЛГУ не может обеспечить устойчивое ведение процессов трогания и разгона состава по ограничительным параметрам.

7. Рассчитаны характеристики дизеля и электрической передачи, совмещение которых показало наличие резервов повышения экономичности тепловоза.

8.' Разработаны методики и программы расчета показателей работы тепловозного дизеля, системы объединенного регулирования мощности и угловой скорости вала ЛГУ, электрической передачи в режимах трогания и разгона составов с учетом продольной динамики поезда. Благодаря компактности и универсальности программных модулей модель применима для решения широкого круга инженерных задач.

9. Разработанные методики и программы расчетов,- а также полученные результаты могут быть использованы при исследовании процессов трогания и разгона составов тепловозами с электрической передачей независимо от вида выполняемой ими работы (маневрово - вывозной или поездной).

Основное содержание диссертации опубликовано в работах: 1. Михаилнди К.Г., Коссов Е.Е. Моделирование функциональных связей системы объединенного регулирования п, .1 расчете переходных процессов тепловозного дизель-генератора // МИИТ.-М., 1985.-30 е. - Деп. в ЦНИИТЭИтяжмаш, N 1514тм-85 Деп.

■ 2. Михаилиди К.Г. Моделирование работы электрической передачи тепловоза при трогании и разгоне состава // МИИ'Г.-М., 1991.-19 е.- Деп. в ЦНИИТЭИ МПС. N 5515.

3. Михаилиди К.Г. Моделирование продольной динамики при трогании тепловозом состава // МИИТ. -М.. 1994.-29 е. - Деп. в

ЦНИИТЭИ МПС, Н 5э64-жд94.

4. Михаилиди К.Г. Моделирование процессов трогания и разгона тепловоза с составом // МИИТ.-М., 1994.-39 е.- Деп. в ЦНИИТЭИ МПС. N 5968-жд94.

5. Михаилиди К.Г. -Улучшение тягово-энергетических показателей тепловозов при трогании и разгоне составов // МИИТ.-М.. 1994.-30 с,- Деп. в ЦНИИТЭИ МПС. N 5970-жд94.

6. Михаилиди К. Г. Повышение эффективности работы тепловозов в процессах трогания и разгона составов // МИИТ.-М., 1994.-30 е. - Деп. в ЦНИИТЭИ МПС, N 5971-жд94.

7. Михаилиди К.Г. Математическое моделирование работы тепловоза при трогании и разгоне состава // Тезисы докладов Первой международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта". Москва, 1994.-часть 2. - с. об.

МИХАИЛИДИ КОНСТАНТИН ГЕОРГИЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ТЕПЛОВОЗОВ В РЕЖИМАХ ТРОГАНИЯ И РАЗГОНА СОСТАВОВ

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

Сдано в набор ¿к. 05,95. Подписано к печати £¿.¿>£.£6', Гсрмат бумаги £й*£1///6. объем заказ637. тираж 100 дот.

101475 ГСП. Москва А-65, ул.Образцова 15