автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Повышение эффективности охлаждающих устройств тепловозов

00461274?

На правах рукописи

СЛОБОДЕНЮК Андрей Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОХЛАЖДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ ТЕПЛОВОЗОВ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 8 НОЯ 2010

Хабаровск-2010

004612747

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшег профессионального образования Дальневосточном государственном университе путей сообщения.

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент, профессор

Григоренко Виктор Григорьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Космодамианский Андрей Сергеевич

кандидат технических наук, доцент Давыдова Елена Николаевна

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Иркутский государственный

университет путей сообщения»

Защита диссертации состоится "10" декабря 2010 года в 13 час. 00 мин. на зас дании диссертационного совета ДМ218.003.06 при ГОУ ВПО «Дальневосточны государственный университет путей сообщения» по адресу: 680021, г. Хабарове ул. Серышева, 47, аудитория 204.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Дальневосточный гос> дарственный университет путей сообщения».

Автореферат разослан <<3j> // .2010 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учре дения, просим выслать в адрес диссертационного совета университета ДМ218.003.06.

Тел./факс: (4212) 40-74-10; e-mail: nknich@festu.khv.ru

Учёный секретарь диссертационного совета доктор технических наук, доцент

Ю.М. Кулинич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Аюуальность темы.

В настоящее время более 42 % перевозочного процесса в ОАО «РЖД» выполняется тепловозной тягой. «Стратегией развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 г.», утвержденной распоряжением правительства РФ № 877-р, подписанным главой Правительства В.В. Путиным 17 июня 2008 г. предусмотрено строительство железных дорог не только по территории Якутии, но и Колымы, Чукотки, Охотского побережья, Камчатки, где перевозочный процесс будет осуществляться только тепловозной тягой. Гарантии эффективной и надежной работы оборудования тепловозов в климатических условиях обозначенных территорий определяются не только ГОСТом 15150-76 г., но и организационно-технологическими, социально-демографическими, а также экономическими факторами.

Производители отечественных тепловозов, традиционно придерживаются универсальных принципов создания охлаждающих устройств тепловозов (ОУТ), рассчитывая на температуры окружающей среды от +40 до -45 "С. В тоже время в районах Крайнего и Среднего Севера температуры наружного воздуха могут опускаться до -65 °С, а существенные проблемы с работоспособностью оборудования охлаждающих устройств тепловозов наблюдаются уже при температурах -30 °С.

Целенаправленными исследованиями надежности работы ОУТ установлено, что только в локомотивных депо Тында и Комсомольск (ДВЖД) из года в год происходит до 1000 случаев отказов оборудования охлаждающих устройств, из них 96 % приходится на секции радиаторов. В каждом депо на внеплановое восстановление их работоспособности расходуется более 10-15 млн. руб. в год. Коэффициент готовности локомотивов, определяемый ОУТ, не превышает 0,84.

Эффективная работа ОУТ, непосредственно определяет надежность и долговечность работы оборудования дизеля, охлаждаемого водой и маслом. Кроме того, охлаждающие устройства тепловоза занимают 12-18 % объема их кузова; на ОУТ приходится 85-88 % объема всего вспомогательного оборудования; 7-9 % надте-лежечной массы тепловоза; ОУТ потребляют 4-7 % номинальной мощности тепловоза на привод насосов и вентиляторов. Поэтому повышение эксплуатационной эффективности ОУТ является весьма актуальной темой.

Известный вклад в повышение эффективности и надежности работы ОУТ внесли такие известные ученые и специалисты, как Н.И. Белоконь, А.И. Володин, В.Г. Григоренко, П.М. Егунов, А.Ю. Куликов, Н.И. Панов, А.И. Резник, Е.Я. Рога-чев, В.М.Соломонов, А.П. Третьяков и многие другие, но данная проблема остается по-прежнему острой и актуальной.

Целью диссертационной работы является решение научно-технической проблемы повышения эффективности охлаждающих устройств тепловозов, путем оптимизации конструкции их элементов в области допустимых решений (ОДР).

Объектом исследований является водовоздушная секция радиатора (ВВСР), охлаждающих устройств тепловозов.

Предметом исследований являются термодинамические процессы в водовоз-душной секции радиатора охлаждающих устройств тепловозов.

Основные задачи исследования:

- выполнить целенаправленный анализ эксплуатационной надежности работы ВВСР и ОУТ;

- систематизировать принципы и последовательность конструкторских решений совершенствования ОУТ;

- выполнить анализ и систематизацию теоретических направлений повышения эффективности ОУТ;

- разработать математическую модель эффективной ВВСР и исследовать тер модинамические процессы в ней по ОДР;

- уточнить методику оптимизации ОУТ по минимуму приведенных затрат учетом эксплуатационных критериев и эффективной модели ВВСР;

- разработать и изготовить лабораторный комплекс, позволяющий определит влияние технических и конструктивных параметров на термодинамические процес сы в ВВСР.

При решении задач использовались: статистические методы определения надежности работы ОУТ; методы планирования и анализа эксперимента; метод приведенных эксплуатационных затрат; однопараметрический и вариационный методы оптимизации.

Проведено математическое моделирование тепловых процессов каплеобразно" трубки по законам термо-, газо- и гидродинамики. Нахождение оптимальных решений задач производилось путем численного решения нелинейных интегральных уравнений Навье-Стокса, с применением ЭВМ и программного пакета СОБМОЗИоХУогкБ. Достоверность и сходимость имитационного моделирования сопоставлялись с результатами опытов на спроектированном лабораторном комплексе.

Эксплуатационные исследования проведены на полигонах «Дальневосточной железной дороги» и «Железных дорог Якутии». Опытные и аналитические данные, обрабатывались по методу теплового подобия.

Научная новизна.

1. Получены критериальные уравнения теплоотдачи одиночной каплеобразной трубки и на ее основе водовоздушной секции радиатора.

2. Определены зависимости технических и конструктивных параметров формы каплеобразного сечения трубки на термодинамические процессы секции радиатор по критериям областей допускаемых решений.

3. Разработана методика расчета и оптимизации секций радиаторов охлаждающих устройств тепловозов с каплеобразной формой сечения трубки.

4. Уточнен метод оптимизации ОУТ по минимуму приведенных затрат с учетом реальных климатических условий и режимов работы тепловозов.

Достоверность основных научных положений подтверждается хорошей сходимостью результатов моделирования термодинамических процессов в одиночной и в пучке трубок с данными стендовых и эксплуатационных испытаний. Спроектированный и построенный испытательный лабораторный комплекс располагает высокоточным измерительно-регистрационным оборудованием, погрешность которого не превышает установленные стандартами пределы.

Практическая значимость.

1. Показана возможность использовать созданный, принципиально новый, патентно-чистый, элемент ОУТ, отличающийся от существующих повышенной эффективностью теплоотдачи более 20 %, обеспечивающий снижение: аэро- и гидро- сопротивлений, расход цветного металла, затраты мощности на привод вентиляторов и насосов, расхода топливо-энергетических ресурсов в эксплуатации; повышающий надежность работы ОУТ и тепловоза в целом.

2. Полученный патент № 82826 РФ, Р28Р 1/02. «Секция радиатора системы охлаждения двигателей внутреннего сгорания» и разработанный метод интенсификации процессов теплообмена на поверхности охлаждающих устройств может быт использован в трубчато-пластинчатых теплообменниках во многих отраслях дизеле- и машиностроения, о чем свидетельствуют «Серебряные медали» Петербургской технической ярмарки новых разработок и Московского международного салона инноваций, в 2010 г.

3. Лабораторный комплекс используется в учебном процессе и НИР кафедры «Тепловозы и тепловые двигатели» ДВГУПС.

На защиту выносится:

1. Критериальные уравнения термодинамических процессов трубки с каплеобразной формой сечения и водовоздушной секции ОУТ.

2. Теоретическое обоснование области допускаемых решений термодинамических процессов каплеобразной трубки и на ее основе ВВСР.

3. Уточнение метода оптимизации технико-экономической эффективности ОУТ по минимуму приведенных затрат с разработанной секцией радиатора по области допускаемых решений и реальных условий эксплуатации.

Реализация работы. Экспериментальная часть исследований выполнена в рамках федеральной «Инновационной общеобразовательной программы 2007-2008» - «Разработка охлаждающих устройств тепловозов для работы в условиях Севера, с экстремально низкими температурами окружающей среды». По итогам работы на кафедре «Тепловозы и тепловые двигатели» ДВГУПС создан научно-исследовательский лабораторный комплекс для исследований термодинамических процессов структурных элементов ОУТ.

Результаты работы внедрены в научно-поисковый и учебный процесс кафедры «Тепловозы и тепловые двигатели» ДВГУПС.

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты работы, представлялись и обсуждались: на международной научно-технической конференции «Модернизация тепловозов. Пути решения» (Якутск, 2007 г.); на международной научно-технической конференции «Двигатели-2008» (Хабаровск, ДВГУПС, ТОГУ); на региональных и международных научно-технических конференциях ДВГУПС (в период с 2007-2010 г. - 7 выступлений); на межвузовском семинаре (ДВГУПС, ТОГУ в 2008 и 2010 г.); на краевом конкурсе молодых ученых и аспирантов (ТОГУ, 2009 и 2010 г.); на Петербургской технической ярмарке (удостоена «Серебряной медали», в номинации эффективность внедрения новых разработок, модернизация производства, 2010 г.); на Московском международном салоне инноваций и инвестиций (удостоена «Серебряной медали», 2010 г.).

Публикации. По выбранной тематике опубликовано 11 печатных работ, в то числе 2 в изданиях рекомендованных ВАК. Получен патент № 82826 РФ, Р28Р 1/02.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5-и глав, за ключения, библиографического списка из 106 наименований. Работа изложена н 112 страницах машинописного текста, включая 5 таблиц, 45 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность повышения эффективности ОУТ, а так же приведена последовательность решения задач в достижении цели.

В первой главе выполнен анализ состояния надежности элементов оборудова ния охлаждающих устройств тепловозов, эксплуатируемых в условиях Север ДВЖД. Определены и обоснованы цели и задачи диссертационной работы.

Статистические данные по выходу из строя оборудования ОУТ, в ряде локомо тивных депо (ДВЖД) свидетельствует, что 96 % отказов приходится на водовоздуш ные секции радиаторов (ВВСР). При этом ресурс их работы составляет, в среднем 61,8 тыс. км. Коэффициент технического использования тепловозов на полигонах ж.д России по фактору ВВСР в течение многих лет на 17 % ниже нормативных требований.

Приведены результаты функционально-стоимостного анализа, которые показы вают, что ВВСР обладают существенными недостатками: низкой надежностью; по вышенной склонностью к загрязнению; недостаточной теплорассеивающей спо собностью; высоким энергопотреблением и, как следствие, низкой эксплуатацией ной эффективностью.

Вторая глава посвящена анализу теоретических и конструкционных принци пов создания и совершенствования ОУТ, обеспечивающих их эксплуатационно эффективность.

Проблема повышения эксплуатационной эффективности ОУТ по направлени их технической модернизации потребовала объединения различных областей зна ний и больших творческих коллективов: МИИТа, ВНИТИ, ВНИИЖТа, Вороши-ловградского (Луганского), Коломенского тепловозостроительных заводов.

На основе результатов известных исследований ОУТ сформировалась концеп ция требований к ВВСР, воплотившихся в ГОСТ 20556-75, который предопредели приоритет плоскоовальной форме трубок ВВСР (рис. 1, б). Предполагалось, чт они имеют наилучшее сочетание аэро- и термодинамических показателей. Поэтом другие формы трубок в исследовательских работах всего периода времени созда ния и эксплуатации ВВСР не рассматривались.

В ряде исследовательских работ авторы предполагали, что с уменьшением се чения трубок (рис. 1, б) увеличивается их теплоотдача, при этом не учитывалос предрасположенность секций радиаторов к внутренним загрязнениям. Однако низ кая надежность ВВСР в условиях эксплуатации, сформировала потребность в модернизации прежней модели, путем незначительного увеличения сечения трубок для прохода воды (рис. 1, в). После сравнительных испытаний была предложен тепловозостроителям унифицированная секция радиатора (УСР).

Унифицированная ВВСР (рис. 1, а) в настоящее время применяется на всех отечественных тепловозах. Однако опыт эксплуатации УСР показывает, что ее использование не решает проблему надежной и эффективной работы ОУТ и тепловоза в целом.

б 0,55 см с\Г

15.5

17.5

1

Рис. 1. Секция водяного радиатора: а - унифицированная секции радиатора (УСР): 1 - рабочая трубка; 2 - пластина оребрения; 3 - боковой щиток; б - трубка стандартной ВВСР 19,5x2,2; в-трубка УСР 17,5x4,0

Анализ и систематизация методов проектирования и совершенствования ВВСР подтверждают, что на сегодняшний день отсутствуют обоснования зависимостей и соотношения термодинамических процессов ВВСР, а в частном случае, в формах и размерах сечения трубок.

Таким образом, в диссертационной работе определена первостепенная необходимость совершенствования методов оптимизации термодинамических процессов ВВСР для повышения эксплуатационной эффективности ОУТ тепловозов.

В третьей главе разработана методика математического моделирования термодинамических процессов нетрадиционной формы трубки; определены области допускаемых решений, по которым оптимизированы геометрические и термодинамические параметры ВВСР.

На данный момент, плоскоовальная форма трубок (рис. 2, б) является стандартной для водовоздушных радиаторов ОУТ отечественных и зарубежных тепловозов. В диссертационной работе предложена каплеобразная форма сечения трубки (далее КТ) (рис. 2, а), как модель интенсификации процессов теплопередачи в ВВСР.

Рис. 2. Модели трубок, охлаждаемых воздушным потоком: а - каплеобразная трубка; 1,2- боковые стенки трубки; 3 - задняя часть трубки; б - стандартная плоскоовальная трубка

Гипотеза повышения эффективности ВВСР основана на влиянии изменения угла падения охлаждающего потока воздуха на внешнюю поверхность трубок, что приводит к изменению термодинамических параметров теплоотдачи с их поверхности.

Для достижения наилучших термодинамических показателей секции используются методы последовательной оптимизации ее основных геометрических параметров по области допускаемых решений (ОДР). Оптимизация проводится в четыре этапа.

Первым этапом оптимизации параметров ВВСР является аналитическое обоснование гипотезы - более эффективного процесса теплоотдачи одиночной KT в потоке воздуха.

Исходная задача оптимизации одиночной трубки по критерию теплоотдачи к воздуху представлена выражением:

а' =/(Ф ,)->тах при iQ™=consl> т

тр wi р [ф^ = f(ß:). кч

где а'тр - критерий эффективности, определяемый коэффициентом теплоотдачи к воздуху одиночной трубки; 0wj - варьируемый фактор, характеризующий форму трубки; ß, - геометрический параметр, угол разворота трубки; Qucm - количество тепла, подводимое к трубке.

Варьируемым параметром оптимизационной модели (1) является угол разворота боковых стенок KT Д (в пределах от 5° до 25° угловых градусов) (рис. 2, а). Определение эффективности теплоотдачи выполнялось сопоставлением результатов KT (рис. 2, а) и трубок (рис. 2, б) с углом разворота 0", что соответствует плоскоовальной форме. Температура воздуха для моделей принята равной 20 °С.

Достоверность коэффициентов теплоотдачи а'тр обусловлена равенством подводимого тепла к трубкам Qucm- При моделировании теплоотдачи это условие достигнуто путем отождествления внутренних сечений трубок Swi, имеющих одинаковую площадь, 21 мм2. Результаты аналитических расчетов теплоотдачи моделей, для различных скоростей воздушного потока (от 2 до 12 м/с), приведены на рис. 3.

Точка максимума функции а'тр = /(/?,), наиболее выражена в диапазоне скоростей потока воздуха 8-12 м/с и приходится на угол разворота KT равный 15°. Положительный эффект теплоотдачи каплеобразной формы трубки, по сравнению со стандартной плоскоовальной формой, достигает 30 % и выше.

Вторым этапом оптимизации по критерию эффективности является определение параметров сечения трубки Swi - гидравлическое сопротивление одиночной каплеобразной трубки AP'„,d.mp (2).

Рис. 3. Зависимость коэффициента

теплоотдачи от формы трубки с тождественной площадью сечения

АР'.

■ид.тр'

(2)

dP,

Па

(фт = const, G'B —const,

Swi = f{d г ид)-

где AP'n,dMp - критерий эффективности, определяемый гидравлическим сопротивлением трубки; G'e-расход воды по трубке; d',u„ - варьируемый фактор, гидравлический диаметр трубки.

Движение к оптимуму, проводится путем варьирования параметра - сечения трубки S„j, выраженного через гидравлический диаметр d\,,,„. На функцию ЛР'пд.тр - f(Swi) наложено ограничение области допустимых решений [а,Ь], по условию внутренней теплоотдачи от воды к стенкам трубки определяемое массовой скоростью воды 800-900 кг/(м2 с).

Результаты моделирования приведены в графическом виде на рис. 4.

Аналитическим моделированием определена рациональная площадь сечения КТ трубки, 50 мм2, которая в 2,5 раза больше, чем у стандартной плоскоовальной трубки.

Третий этап оптимизации ВВСР предусматривает определение оптимального расположения КТ, по критерию аэродинамического сопротивления АР 'азр.

Варьируемым параметром задачи является шаг трубок по фронту Нфр.

- -I -1-4--f- г~|~ -tTrl'1'ii

--1. Л- ___

_ 1 is -t -1-

- Г Е РЦ-

—-l-f . — Точка min функции АР „».т,,=fid „,. у 6

— -

-

__ —И— ■жа,

7. --

d -М-- 1 J

- -

" 1 1

1

1 -

В условиях задачи определе-

0.003 а 0,004 0,005 Ъ 0,006 0,007 ^ ^

Рис. 4. Зависимость изменения гидравлического сопротивления от величины сечения каплеобразной трубки

ния ОДР принято учитывать аэродинамические свойства стандартных BBGP, с учетом оптимизированной фронтальной длины пластины оребрения h°ppe'™. Формулировка задачи представлена выражением (3):

ФК1 - const,

d ,„,,= const,

ape6=fih%t)

(3)

где АР'аэр - критерий эффективности, аэродинамическое сопротивление пучка трубок; ИфР - шаг трубок по фронту; аре6 - коэффициент теплоотдачи пластин ореберения к воздуху; h'l^"' - наиболее выгодное значение длинны фронта пластины оребрения.

Для определения h°pegm использован метод вариационного исчисления hpef"'""",

P.C. Шехтера. Задача оптимизации длины ребра выполнена по уравнению энергетического баланса (4). Характер теплоотдачи ребра представлен на рис. 5.

Температура среды равна С

К,

Р(х)

Т(х)

Ребро заданной формой ¥ массой

Э (х) аТ = а Р* дх (1х Хп

(

Рис. 5. Схема теплоотдачи трубки и ребра

где Хр - теплопроводность ребра; а - относ тельный коэффициент теплоотдачи ребра; л: - к ордината; р(х) - параметр формы ребра; Т(х) - п раметр температуры.

После преобразований (4), расчетные значен определяются уравнением

¡ прит . "рей

ЗМХГ

V рое'

(

реб

где Ар - теплопроводность ребра; а - относительный коэффициент теплоперед чи (теплоотдачи) ребра; М- масса ребра.

В основу определения области допустимых решений, задачи (3), заложен принципы унификации проектируемого узла ОУТ по ширине ВВСР и ее высот Результаты аналитических расчетов представлены на рис. 6

30- ~

25

20 -

15

10 -

п 1 -,-4—1—1-4 4- [-4 С 'М Ч [-4-

—• .... ■■-•-[■-Н-Н-Н- 5 1" 4

\ -1' » п "4 Р> —1-- ... ' 1 -4

1--4- - — ... _ —1—1— —1

I/ 'А !

Н-Н—. ^■••¡ФЫ 1 —!—

о И ' ,Т)р> "фр] -

4- ■ _ Д. =г I тт? — 1--Ч - А

Г- > |

н Т". -4-ч ... № —.._.!—

-4-4 Нт

... +

[ |

-1н ... - ч 4 ___

— I -н

13

18

23

¿28

33

Л«/«.

Рис. 6. Зависимость аэродинамического сопротивления пучка от шага трубок по фронту: М[АР'„а:1гт] - значение сопротивления стандартного пучка плоскоовальных трубок; А^ЛР'ао'Л^] - ограничение функции/)/1'^ =./№#) по значению точки М[АР'т;Ь,,„]; А2[АР'а^Ь^,''"""] - ограничение функции АР'а>р = /(>1фР) по оптимальной величине ребра; 0[АР'а]р;11фР] -оптимальное значение шага расположения трубок по фронту из условий унификации конструкции радиатора

Согласно полученным данным рациональное значение расположения по фрон каплеобразных трубок составляет 23мм. При этом количество трубок по фрон секции радиатора, с учетом коэффициента запаса, равняется 6.

Рис. 7. Аналитическая зависимость количества отданного тепла с поверхности пучков стандартных и каплеобразных трубок, по глубине

Сравнительные технические характеристики секций с плоскоовальными и кап-

(еобразными трубками приведены в таблице.

Наименование Стандартная секция радиатора с плоскоовальными трубками (ВП-1,2) Секция радиатора с каплеобразными трубками

Расстояние между центрами отверстий крепления, мм 1356 1356

Габариты поверхности теплообмена, мм: высота ширина глубина 1206 154 187 1206 154 133

Форма трубки плоскоовальная каплеобразная

Размеры трубок, мм 19,5x2,2 по чертежу

Сечения трубки для прохода воды, мм" 21 50

Толщина стенки трубок, мм 0,55 0,55

Расположение трубок Шахматное

Рис. 8. Изображение предлагаемой секции радиатора охлаждающих устройств тепловоза

Четвертый этап движения к оптимуму параметров ВВСР выполнен с использованием метода сравнительного анализа охлаждающей способности оребренного ручка трубок предлагаемой и стандартной секций радиаторов, при условии сохра-)ения теплового баланса (рис. 7) по глубине их расположения.

Согласно (рис. 7) значение количества рядов трубок по глубине для проектируемой секции радиатора приходится на величину 6,47. Используя условный коэффициент запаса для ОУТ (10-15 %) округление количества рядов КТ доведено до 6.

На рис.8 приведен внешний вид (в разрезе) предполагаемой опытной секции )адиатора с каплеобразными трубками.

Для оребренои поверхности с каплеобразными трубками

О; = 46.56п.

Для оребренои поверхности со стандартными трубками

Точка равенства олово! о баланса

Стандартная сек- Секция радиа-

Наименование ция радиатора с плоскоовальными трубками (ВП-1,2) тора с каплеобразными трубками

Шаг расположения трубок, мм: по фронту по глубине 16 .....'22 23 22

Число рядов трубок по глубине 8 6

Число трубок в секции, шт. 68 36

Пластины оребрения: шаг, мм 2,83 2,83

толщина, мм 0,1 0,1

число в секции 422x2 422x2

Живое сечение для прохода воздуха, м^ 0,1361 0,092

Живое сечение для прохода воды, м2 0,00132 0,0018

Поверхность теплообмена, омываемая воздухом, м1 21,0 17,0

Поверхность теплообмена, омываемая жидкостью, м2 3,04 .. 1,6

Вес цветных металлов в секции 35,0 29,0

Вес секции, кг 45,65 37,5

По результатам математического моделирования предлагаемой секции радиатора получен положительный теоретический эффект: вес цветных металлов снижен на 20 % по сравнению со стандартной; гидравлическое сопротивление секции уменьшено на 50 %; аэродинамическое сопротивление снижено на 3 %; общий вес секции снижен на 17 %.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям зависимостей коэффициентов теплоотдачи с поверхности охлаждения моделей и сопоставлению полученных данных с результатами математического моделирования.

Для выполнения экспериментальных исследований спроектирован и изготовлен лабораторной комплекс (рис. 9), позволяющий исследовать термодинамические процессы в серийных ВВСР. Методикой экспериментальных исследований предусмотрено: имитация реальных режимов работы холодильной камеры тепловоза в условиях лаборатории; исследование моделей опытных и серийных трубок с различным проходным сечением. Для этого в качестве теплоносителей используются вода и воздух; температура воды поддерживается на уровне 75-85 °С; скорость течения воды 0,8-1,2 м/с; скорость воздушного потока 6-16 м/с; давление воды в трубопроводе 0,3-0,35 МПа.

Достоверность результатов опытов обеспечивается микропроцессорной системой мониторинга данных, регистрируемых измерительными приборами с высокой степенью точности.

В процессе проведения эксперимента в систему мониторинга непрерывно поступают данные: температура воздуха на входе в модель - °С; температура воздуха на выходе из модели (для получения достоверных результатов эксперимента замер производится тремя датчиками температуры по высоте модели) - г"/, ?"'/, °С;

[температура стенки трубок (замеры производятся по высоте модели, через каждые 100 мм) - гот, °С; температура воды на входе в модель - Ь, °С; температура воды на выходе из модели - ¡¡"С: массовый расход воды через модель - кг/сек; скорость воздушного потока через модель - м/сек.

Рис. 9. Общий вид стенда и его элементов: а, б - вид стенда справа и слева: 1 - расширительный бак; 2 - вентилятор охлаждения; 3 - водяной насос в фильтром; 4 - аэродинамическая труба; 5 - микропроцессорная система мониторинга и управления стендом; 6 - секции радиаторов; 7 - трубопровод циркуляции; 8 - бак для подогрева воды; 9 - выпрямительная решетка; 10- опытная модель; в - автоматизированное программное обеспечение стенда; г - кориолисов расходомер; д - мониторинговые модули стенда

Для обработки полученных экспериментальных данных использовалось уравнение:

1 1

— + —

, Вт/(м °С),

(6)

где к - коэффициент теплопередачи, Вт/(м - С); Я/ и аг- коэффициенты теплоотдачи от трубки к воздуху и от воды к трубке соответственно,

Контролем правильности замеров служит равенство количества тепла, определяемого по расходам теплоносителей (воды и воздуха) независимо друг от друга. Процентная разница теплового баланса определяет точность, с которой были произведены измерения.

5% = ÖB_ÖB3 100%) (7)

6min

где Qu - количество тепла, подводимое с водой; QHi - количество тепла, отводимое с воздухом; Q„„„ - наименьшее значение QB или Qn<-

Результаты экспериментальных исследований представлены в таблице.

Определяемая величина Модель с плоскоовальными трубками Модель о каплеобразными трубками

Коэффициент теплоотдачи от воды а?, кВт/(м2 оС) 16,87 23,81 27,34 38.28

Коэффициент теплоотдачи к воздуху ау, кВт/(м" °С) 0,0798 0,113 0,125 0,176

Коэффициент теплопередачи к модели, кВт/(м~°С) 0,081 0,113 0,125 0,177

Погрешность измерений, 8% 2.4 2.5 2,1 3

По совокупности результатов аналитических расчетов и лабораторно-стендовых исследований разработаны критериальные уравнения теплоотдачи одиночной каплеобразной трубки. Используя метод теплового подобия определена степень адекватности математического и экспериментального моделирования (рис. 10).

Ъ 3.5 4 4,5

• - результаты аналитических расчетов )

♦ -результаты экспериментальных данных '

Рис. 10. Графический способ установления зависимости Nu = С Re"

Получено уравнение теплоотдачи одиночной каплеобразной трубки:

Ми = 0,27611е0'558, (8)

в качестве определяющего линейного размера принимается эквивалентный диаметр трубы; определяющей температурой является средняя температура воздуха т(| = 293,2 К; значение числа Прандтля 0,72; уравнение (8) справедливо для чисел Рейнольдса 700<Яе<4500.

Получено также уравнение гидравлического сопротивления трубки

£н = 19,06 Ие-0241, (9)

где определяющий размер - гидравлический диаметр трубы; определяющая температура - 358,2 К; Рг = 2,22; уравнение справедливо для 8000 < Яе < 15000.

Пятая глава посвящена уточнению метода оптимизации параметров ОУТ при проектировании и оценке технико-экономической эффективности их по приведенным затратам.

За основу принята целевая функция оптимизации ОУТ (10), предложенная Н.И. Пановым.

С = (Л, • + Л2 • gм) (А'в + ЛГвен) + V • Рве, руб./год. (10)

где - удельный эффективный расход топлива и масла дизелем, кг/кВт ч;

Ынн, ЫВен - мощность на привод вентилятора и водяного насоса, кВтч; РВс - охлаждающая поверхность водовоздушных секций, м'; АиАг,Ьвс - постоянные коэффициенты.

Результаты анализа целевой функции (10), свидетельствуют, что в ней не учитываются некоторые важные критерии.

1. Величина годовых затрат на восстановление неисправностей систем тепловоза, вызванного ненадежной работой ОУТ, А

2. Среднегодовой удельный расход топлива автономным локомотивом с учетом климатических особенностей районов эксплуатации и реальных режимов вождения поездов.

3. Уравнения и критерии теплоотдачи и аэродинамики: Лгы=С7?е", £м=С/7?ет, определяемые аргументами целевой функции Лдя, ЫВен, Рве-

4. Параметры трубопроводов водяной системы охлаждения тепловоза, от которых зависят гидравлические сопротивления и расходы мощности на вспомогательные нужды.

С учетом ранее не учитывавшихся критериев функция цели в уточненном виде (11) представляет собой зависимость капитальных и приведенных эксплуатационных годовых затрат на ОУТ, а также годовые затраты на неплановое их восстановление:

С = Т{Лу 8е + Аг8и) [(^ВЕН + ЛГВН М + ¿е'пдвс)+ "внт^с! + Ьср Рвс + А'з- (11)

Обоснование ранее не учитывавшихся параметров целевой функции (12), детализируется следующим образом:

1. Годовые затраты на восстановление неисправностей ОУТ А '3 являются комплексным показателем в который входит коэффициент технического использования локомотива Кщ.

N

I'

кти=-я--(12

+ Ю01 + ю, + 1=1 1=1 1=1 1=1

где Л/ - парк единиц тягового состава; - время нахождения 1-й единицы в рабо чем состоянии; т,- - время восстановления работоспособности послеу-го отказа; т количество единиц на неплановый ремонт; Оы - время простоя на плановом техни ческом обслуживании 1-й единицы; О, - время простоя в ремонте г-й единицы; А\ затраты на восстановление исправного состояния системы - тепловоз, вызванног некорректной работой ОУТ; х(дН - коэффициент холостого хода; п{щС - коэффи

циент частичных нагрузок дизеля; т'е - относительное время работы ДВС за рас сматриваемый период; Т- среднее годовое время работы локомотива.

2. Оценка эффективного удельного расхода топлива ЛЭУ, в зависимости от ха рактерных особенностей заданного участка эксплуатации, и массы поезда.

(л) г-.общ е

"дв К113{ ос)-Г,

I ХдВ

п у

+ ^(а)+'§(а^(а)Э2,кг/кВт.ч (13

где - эффективная расчетная мощность ДВС, кВт; п - частота вращени вала при частичных и полных нагрузках, об/мин; tg(a:),tg(a) - тангенсы угла накло на прямолинейной расходной характеристики; эгоа = Э?" + 3%*' - суммарная работа выполненная дизелем за периоды I и II.

При определении эффективного удельного расхода топлива учитываются кли матические условия.

8е=8'е-к% -Л^.кг/кВт-ч (14

где &(С0, ксрр0 - поправочные коэффициенты, определяемые по рис. 11.

Рис. 11. Влияние температуры и давления наружного воздуха на показатели дизеля

3. Определение мощности затрачиваемой на привод вентилятора холодильной' амеры тепловоза, в зависимости от компоновки шахты холодильника и конструк-ии секций радиаторов.

N.

ВЕН -

Су Кеяв'3-ы2взрвз +

Г хГ /фр-с • Рве

ЧБ.Ж. + ЧШ —2-

/охл.с

■Ром

2

"ВЗ

2Р,

вз.ш

"ВЗ Рве

/фр.с /охл.(

-, кВт ч (15)

ЛЙ • Раин

де мвз - массовая скорость воздуха; ^б.ж.Хш ~ коэффициенты местных аэроди-амических сопротивлений, боковых жалюзи и шахты холодильника; /охл.с >/фрс ~ хлаждающая поверхность и поверхность фронта одной водовоздушной секции, м2; ¥ш - площадь сечения ометаемая лопастями вентилятора, м2.

Определение зависимости площади поверхности охлаждения от типа дизеля, го номинальной мощности и конструкции секций радиаторов.

Рве. -'

_3600_

РВЗ^ВЗ л &ТГ |__РВ 'Ув

ч с2 ■ • 1вз ■ иВЗ Ь-ТР с3 • Ие^-1- Хв ■ ив

м

(16)

■А!

,две

где а- доля тепла, отводимая от ДВС теплоносителем, водой; И" - номинальная мощность дизеля, кВт; g" - удельный эффективный расход топлива на номинальной мощности ДВС, кг/кВтч; <2% - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг; рвз, рв - плотность теплоносителей воздуха и воды, кг/м3; увз, \в - кинематическая вязкость, м2/с; ХВЗ,ХВ ,Хтр - коэффициенты теплопроводности воздуха, воды, трубок секций радиаторов, Вт/(м-°С); 8ГР - толщина стенки трубки, м.

4. Определение затрат мощности на привод водяного насоса, в зависимости от гидродинамических свойств и расположения трубопроводов, секций радиаторов и коллекторов к ним.

Nвн =

АР

две ■

а'

С4 • /тр

• /'в!

В1

ГВ2

^ВЗ

Се

Пвя • Ре

, кВт (17)

где АРдВс - гидравлические сопротивления дизеля тепловоза, Па; ср - теплоемкость воды при постоянном давлении, Дж/(кг-°С); /¿,4 - температура воды на входе и выходе из радиатора, определяются с учетом теплопередающей способности радиатора и режима работы ДВС; /ТР,<*ТР - длинна и диаметр отдельных участков трубопровода, м;

Fm,FB1,FB, - площади сечений для прохода воды на отдельном участке, м2; коэффициенты местных сопротивлений трубопровода, секции радиаторов, коллекто ров; С1,п|,С;,п2,С3,п,,С4,«4 - постоянныекоэффициенты.

По уточненной методике определения целевой функции (12) выполнен сравни тельный расчет эксплуатационной эффективности типового контура охлаждени воды дизеля со стандартными и предлагаемыми секциями радиаторов.

Области допустимых решений определены техническими характеристиками те пловоза ТЭ70 с дизелем 2Д-9ДГ-02, мощностью 3022 кВт. Секции радиаторов с ка плеобразными трубками определены критериальными уравнениями теплоотдачи аэродинамики.

NuBCp =2,09 Re0'252; (18

ЕиВСР= 0,14 Re""*'073. (19

Определяющий размер - эквивалентный диаметр узкого сечения канала 0,0049 м определяющая температура - 293,2 К; Рг = 0,72; уравнение справедливо дл 500 < Re <4200.

Для расчета варианта ОУТ со стандартными секциями радиатора, использова лись результаты опытных поездок с тепловозом ТЭ70 в условиях «Северного ши ротного хода» ДВЖД.

Для всех вариантов секций радиаторов холодильной камеры приняты общи характеристики: расход теплоносителей (вода и воздух); ширина фронта радиатора высота фронта радиатора; расположение секций в шахте холодильника; работа вен тилятора на всасывание.

Показатели надежности существующих стандартных секций радиатора прини мались по данным локомотивного депо Тында. При этом, в качестве опорных дан ных для анализа были приняты: парк грузовых локомотивов; статистика отказо секций радиаторов; величина простоя одного тепловоза на внеплановом ремонте п причине выхода из строя охлаждающих устройств тепловозов. Опыт применени радиаторов с трубками увеличенного сечения до 40 мм2 свидетельствует об их бо лее высокой надежности, в условиях эксплуатации Северного Казахстана, Монго лии и Якутии, дает основания предполагать, что разработанная секция будет такж иметь более высокую технико-экономическую эффективность.

Варьируемой величиной являлась скорость воздушного потока, просасываемого че рез секции радиаторов, во всем диапазоне работы вентиляторов холодильной камеры.

Результаты расчета целевой функции С, представлены на рис. 12.

- проект ОУТ со стандартным!' секциями радиаторов

■ работа ОУТ с учетом надежности стандартных секций радиаторов

- проект ОУТ с предлагаемыми секциями радиаторов

- проект ОУТ с предлагаемыми секциями радиаторов без поправки на климатические условия

Рис. 12. Расчет годовых приведенных затрат на ОУТ.

Результаты теоретических расчетов свидетельствуют об экономической целесообразности применения конструкции ВВСР с КТ. Наибольший экономический эффект, порядка 150-250 тыс. руб./год на секцию локомотива.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

' В процессе выполнения теоретических и экспериментальных исследований получены следующие результаты:

1. Выполнена научно-поисковая работа по идентификации недостатков конструкции существующих ВВСР и их методов проектирования. Установлено, что применение плоскоовальных форм трубок (2,2x19,5) с малым проходным сечением способствует интенсивному их загрязнению, снижению теплорассеивающей спо-робности и эксплуатационной эффективности ОУТ.

2. Выполнен анализ и систематизация применявшихся методов в исследованиях рффективности охлаждающих устройств тепловозов, а также способов ее повышения с обоснованием основных направлений их совершенствования.

| 3. Разработана и оптимизирована по области допустимых решений модель трубки водовоздушной секции радиатора, позволяющая реализовать более эффективные конструкционные и термодинамические критерии: снизить массу каждой секции радиатора на 17 % (8 кг); снизить вес цветных металлов в ОУТ на 20 %, гидравлическое сопротивление на 50 %; аэродинамическое сопротивление на 3 %; расход топлива на привод насосов и вентиляторов ОУТ на 10 %.

4. Определены критериальные уравнения теплоотдачи и аэродинамики водо-|ВОздушных секций радиаторов, которые позволяют оптимизировать ОУТ по мощ-1ностным показателям перспективных тепловозов (2ТЭ70, 2ТЭ25К, 2ТЭ25А).

5. Уточнен метод оптимизации ОУТ, который позволяет учитывать на стадии их проектирования корреляционные зависимости реальных эксплуатационных факторов:

- эффективный удельный расход топлива дизелем, в зависимости от характерных особенностей участка эксплуатации, массы поезда и заданных климатических условий;

- расход мощности на привод вентилятора холодильной камеры тепловоза, в зав симости от компоновки шахты холодильника и конструкции секций радиаторов;

- расход мощности на привод водяного насоса, в зависимости от гидродинамич ских свойств и расположения трубопроводов, секций радиаторов и их коллекторов.

7. Расхождения результатов моделирования термодинамических процессо стандартных секций, а также разработанных трубок и стендовые испытания их н превышает 3 %.

8. Обоснована возможность повышения технико-экономической эффективност применения предлагаемых ВВСР в охлаждающих устройствах тепловозов ТЭ7 эксплуатируемых в условиях Тындинского отделения ДВЖД. Экономический э фект от внедрения разработанных ВВСР составит более 150-250 тыс. руб./год н секции локомотива.

Статьи в журналах и изданиях, определенных перечнем ВАК:

1. Слободенюк, A.C. Развитие методики оптимизации охлаждающих устройст тепловозов./ A.C. Слободенюк, Я.А. Новачук, О.В. Атясов // Вестник РГУП -2010. -№ 1. - С.78-84.

2. Ли, В.Н. Моделирование процесса нагрева и теплоотдачи соединительны элементов тяговой сети / В.Н. Ли, И.В. Игнатенко, A.C. Слободенюк // Вестни ВНИИЖТа. - № 4,- 2010. - С. 24-29.

Публикации в других изданиях:

3. Пат. на полезную модель №82826 РФ, F28F 1/02. Секция радиатора систем охлаждения двигателей внутреннего сгорания / Слободенюк A.C., Григоренко В.Г. Новачук Я.А. Опуб. 10.05.2009 г. Бюл. № 13.

4. Слободенюк, A.C. Проблемы эксплуатационной эффективности тепловозов условиях Якутии / A.C. Слободенюк // Вестник института тяги и подвижного состав труды 45-й Междунар. научн.-практич. конф. ученых транспортных вузов, инженер ных работников и представителей академической науки / под ред. В.Г. Григоренк С.Г. Штарева. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2007. - Т.4. - С. 107-111.

5. Слободенюк, A.C. Анализ надежности работы охлаждающих устройств теп ловозов / A.C. Слободенюк // Научно-техническое и экономическое сотрудничеств стран АТР в XXI веке: труды Пятой междунар. науч. конф. творческой молодежи Т. 2 / под общ. ред. Ю.А. Давыдова - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2007. - С. 72-74

6. Слободенюк, A.C. О работе тепловозов в условиях железных дорог Якути / A.C. Слободенюк // Вестник института тяги и подвижного состава: труды 44-Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии железнодорожному транспорту и промышленности». - Хабаровск: Изд-в ДВГУПС, 2006. - Вып. 3. - С. 250-252.

7. Слободенюк, A.C. Формирование методики оптимизации охлаждающих уст ройств тепловозов для условий Севера / A.C. Слободенюк, О.В. Атясов // Актуаль

ые проблемы развития и эксплуатации поршневых двигателей в транспортном омплексе Азиатско-Тихоокеанского региона: материалы Междунар. науч.-техн. онф. «Двигатели 2008» / под ред. В.А. Лашко. - Хабаровск: Изд-во Тихоокеан. ос. ун-та, 2008. - С. 221-228.

8. Слободенюк, A.C. Формирование математической модели охлаждающих уст-ойств тепловозов/ A.C. Слободенюк, О.В. Атясов //Вестник института тяги и под-ижного состава: материал междунар. научн.-практич. конф. ученых транспортных узов, инженерных работников и представителей академической науки - Хаба-овск: Изд-во ДВГУПС, 2008. - Вып. 5 - С. 189-198.

9. Слободенюк, A.C., Атясов О.В. К вопросу формирования математической одели охлаждающих устройств тепловозов/ A.C. Слободенюк, О.В. Атясов // На-

но-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке: Труды сероссийской науч. конф./ Под общ. ред. O.JI. Рудых. - Хабаровск: Изд-во ЗГУПС, 2009.-Том 1,-С. 16-20.

10. Слободенюк, A.C. Выбор и обоснование оптимизационных критериев и па-аметров секций радиатора тепловоза / A.C. Слободенюк, О.В. Атясов // Вестник

4статута тяги и подвижного состава: межвуз. сб. науч. тр. / под ред. А.Е. Стецю-а, Ю.А. Гамоли. - Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2009. - Вып. 6 - С. 64-67.

11. Слободенюк, A.C. Интенсификация процессов теплопередачи в охлаждающих стройствах тепловозов / A.C. Слободенюк // Материалы двенадцатого краевого кон-

рса молодых ученых и аспирантов. - Хабаровск: Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2010. С. 128-135.

СЛОБОДЕНЮК Андреи Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОХЛАЖДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ ТЕПЛОВОЗОВ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 01.11.2010. Гарнитура Times New Roman. Печать RISO. Усл.-печ. л. 1,3. Зак. 302. Тираж 100 экз.

Издательство ДВГУПС 680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ОХЛАЖДАЮЩИХ УСТРЙОСТВ ТЕПЛОВОЗОВ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ.

1.1 Метод оценки эффективности охлаждающих устройств тепловозов в условиях эксплуатации.

1.2 Эффективность охлаждающих устройств тепловозов, эксплуатируемых в условиях Севера.

2. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ОХЛАЖДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ:.

2.1 Анализ процесса развития и совершенствования охлаждающих устройств тепловозов.

2.2 Анализ методов повышения!эффективности термодинамических процессов в водовоздушных радиаторов тепловоза.

2.3 Анализ методов оптимизации критериев эффективности охлаждающих устройств.

3 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ВОДОВОЗДУШНЫХ СЕКЦИЙ РАДИАТОРОВ ТЕПЛОВОЗОВ.

3.1 Обоснование гипотезы интенсификации процессов теплопередачи в секциях радиаторов тепловозов.

3.2 Выбор и обоснование критериев оптимизации параметров секций радиатора тепловоза.

3.3 Выбор варьируемых параметров оптимизации секции, обоснование их ограничений.

3.4 Выбор и обоснование метода оптимизации конструктивных параметров секции радиаторов.

3.5 Оптимизация формы одиночной трубки по критерию-теплоотдачи к воздуху.

3.6 Оптимизация размеров сечения одиночной трубки по критерию гидродинамического сопротивления течению воды.

3.7 Оптимизация расположения пучка трубок по фронту, по критерию - аэродинамического сопротивления воздуху.

3.8 Формирование пучка трубок секции радиатора по количеству рядов в глубину.

4 ЛАБОРАТОНО-СТЕНДОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ МОДЕЛИ ТРУБОК И

СЕКЦИЙ РАДИАТОРА.

4.1. Задача и объект экспериментальных исследований.

4.2 Особенности конструкционно-функциональных решений лабораторного комплекса^.

4.3 Методы и средства стендовых исследований элементов секций радиаторов ОУТ.".

4.4 Обработка опытных данных.

4.5 Результаты экспериментальной оценки теплотехнических и термодинамических показателей модели секции.

4.6 Формирование критериальных уравнений теплоотдачи каплеобразной формы трубки.

5. РАЗВИТИЕ МЕТОДА ОПТИМИЗАЦИИ ОХЛАЖДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ ТЕПЛОВОЗА.

5.1 Составление целевой функции оптимизации.

5.2 Обоснование параметров и критериев целевой функции.

5.3 Технико-экономическая эффективность разработанной секции радиатора.

Стратегией развития железнодорожного транспорта до 2030г. определены ориентиры освоения территории Якутии, Колымы, Чукотки, Охотского побережья, Камчатки, где перевозочный процесс будет осуществляться тепловозной тягой. Гарантии надежности работы оборудования тепловозов в организационно-технологических и климатических условиях этих регионов определяются ГОСТом 15150-76г.

Разработчики и создатели отечественных тепловозов, традиционно придерживаются универсальных принципов создания охлаждающих устройств тепловозов (ОУТ), ориентируясь на температуры окружающей среды от +40 до -45°С . Не смотря на то, что в районах Крайнего и Среднего Севера температуры наружного воздуха могут опускаться до -65°С, а существенные проблемы с работоспособностью водовоздушных секций радиаторов охлаждающих устройств тепловозов наблюдаются уже при температурах -30°С.

Целенаправленными исследованиями установлено, что только в локомотивных депо Тында и Комсомольск (ДВЖД) из года в год происходит от 650 до 1000 случаев отказа оборудования охлаждающих устройств. В 96% случаев браки в работе ОУТ вызваны появлением течи в секциях радиаторов тепловоза. Ежегодно на внеплановое восстановление их работоспособности расходуется более 10-15 млн.руб в год.

Проблеме повышения надежности и эффективности работы ОУТ, всегда уделялось особое внимание ученых и специалистов эксплуатационников так,как, охлаждающие устройства: занимают 12-18% объема кузова, на них приходится 85-88% объема всего вспомогательного оборудования; 7-9% надтележечной массы тепловоза; ОУТ потребляют 47% номинальной мощности на привод вентиляторов. Актуальность повышения эффективности ОУТ является неотъемлемой частью энерго- и ресурсосбережения в эксплуатации.

На сегодняшний день, явно обозначилась необходимость поиска и реализации инновационных средств и методов повышения эффективности ОУТ.

Результатами целенаправленного анализа определены объект и предмет исследований.

Объектом исследований является водовоздушная секция радиатора (ВВСР), охлаждающих устройств тепловозов.

Предметом- исследований являются термодинамические процессы в водовоздушной секции радиатора охлаждающих устройств тепловозов.

Для устранения конструктивных недостатков универсальных водовоздушных секций радиаторов предложена ранее не применявшаяся-в ВВСР форма сечения трубки. Плоскоовальная форма трубки заменена на каплеобразную.

Разработана методика оптимизации параметров водовоздушной секции с каплеобразными трубками по критериям термодинамической эффективности процессов: теплопередачи и гидро- аэродинамики.

На основе результатов экспериментальных и аналитических исследований получены критериальные уравнения термодинамических процессов одиночной каплеобразной трубки и секции.

На новую конструкцию водовоздушной секции радиатора, отличающейся от существующей повышенной теплоотдачей к воздуху, меньшим расходом цветных металлов, низким аэро и гидросопротивлением получен патент.

Для проверки теоретических предположений и результатов моделирования в диссертационной работе приведены результаты экспериментальных исследований, которые позволяют объективно сравнить эффективность предлагаемых каплеобразных и стандартных плоскоовальных трубок.

Заключительная часть работы посвящена уточнению метода оптимизации охлаждающих устройств тепловозов с оценкой их технико-экономической эффективности по приведенным затратам. Уточненный метод имеет ряд преимуществ по сравнению с ранее известными, и позволяет выполнить технико-экономическую оценку ОУТ и новых секций радиаторов в зависимости от конкретных режимов и условий эксплуатации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенный автором комплекс исследований позволил решить ряд теоретических и практических задач, направленных на повышение эффективности охлаждающих устройств тепловозов.

В процессе выполнения теоретических и экспериментальных исследований получены следующие результаты:

В процессе выполнения теоретических и экспериментальных исследований получены следующие результаты:

1. Выполнена научно-поисковая работа по идентификации недостатков конструкции существующих ВВСР и их методов проектирования. Установлено, что применение плоскоовальных форм трубок (2,2x19,5) с малым проходным сечением способствует интенсивному их загрязнению, снижению теплорассеивающей способности и эксплуатационной эффективности ОУТ.

2. Выполнен анализ и систематизация применявшихся методов в исследованиях эффективности охлаждающих устройств тепловозов, а также способов ее повышения с обоснованием основных направлений их совершенствования.

3. Разработана и оптимизирована по области допустимых решений модель трубки водовоздушной секции радиатора, позволяющая реализовать более эффективные конструкционные и термодинамические критерии: снизить массу каждой секции радиатора на 17 % (8 кг); снизить вес цветных металлов в ОУТ на 20 %, гидравлическое сопротивление на 50 %; аэродинамическое сопротивление на 3 %; расход топлива на привод насосов и вентиляторов ОУТ на 10 %.

4. Определены критериальные уравнения теплоотдачи и аэродинамики водовоздушных секций радиаторов, которые позволяют оптимизировать ОУТ по мощностным показателям перспективных тепловозов (2ТЭ70, 2ТЭ25К, 2ТЭ25А).

5. Уточнен метод оптимизации ОУТ, который позволяет учитывать на стадии их проектирования корреляционные зависимости реальных эксплуатационных факторов: эффективный удельный расход топлива дизелем, в зависимости от характерных особенностей участка эксплуатации, массы поезда и заданных климатических условий; расход мощности на привод вентилятора холодильной камеры тепловоза, в зависимости от компоновки шахты холодильника и конструкции секций радиаторов; расход мощности на привод водяного насоса, в зависимости от гидродинамических свойств и расположения трубопроводов, секций радиаторов и их коллекторов.

7. Расхождения результатов моделирования термодинамических процессов стандартных секций, а также разработанных трубок и стендовые испытания их не превышает 3 %.

8. Обоснована возможность повышения технико-экономической эффективности применения предлагаемых ВВСР в охлаждающих устройствах тепловозов ТЭ70, эксплуатируемых в условиях Тындинского отделения ДВЖД. Экономический эффект от внедрения разработанных ВВСР составит более 150-250 тыс. руб./год на секции локомотива.

1. Алямовский, A.A. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике/ A.A. Алямовский. — СПб.: БВХ-Петербург, 2005. — 800 с.

2. A.c. 246559 СССР, МКИ Шахта холодильного устройства тепловоза/ A.A. Муризн (СССР).

3. A.c. 713731 СССР, МКИ Холодильная камера тепловоза/ Е.Я. Рогачев, В.Г. Григоренко, Л.С. Туров ,и др. (СССР).

4. Балабин, В.Н. Первые поездки тепловоза Ломоносова/ В.Н. Балабин// Локомотив. 2004. - №4. - С. 43-45.

5. Балагин, О.В. Разработка технологии тепловизионного контроля состояния секций холодильников тепловозных дизелей/ О.В. Балагин : Автореф. дис. . кан. техн : 05.22.07, Омск 2005. 19 с.

6. Беленький, А.Д. Диагностика системы охлаждения тепловозов / А.Д. Беленький, В.П. Свиязев, В.А. Лаптев // Локомотив №5, 1985. С. 30-31.

7. Беленький, А.Д. Эксплуатация тепловозов в различных климатических условиях / А.Д. Беленький . М : Транспорт. - 1971., 340 с.

8. Болховитинов, Г.Ф., Необходим вспомогательный водяной насос/ Г.Ф. Болховитинов, В.М. Овчинников// Локомотив,- 1978- №7 С. 31-32.

9. Бурков, В.В. Алюминиевые радиаторы секционного типа/ В.В. Бурков, Х.Х. Мухаметшин, С.С. Колос и др.// Локомотив 1970.- №10 - С. 38-40.

10. Володин, А.И. Прогрев тепловозных систем/ А.И. Володин, В.Т. Данковцев, С.М. Овчаренко// Локомотив.-2000-№11-С. 15-18.

11. Володин, А.И. Топливная экономичность силовых установок тепловозов/ А.И. Володин, Г.А Фофанов-М : Транспорт — 1979- 126 с.

12. Володин, А.И. Моделирование на ЭВМ работы тепловозных дизелей / А.И. Володин М : Транспорт - 1985 - 216 с.

13. Володин, А.И. Численное моделирование работы охлаждающего устройства тепловоза/ А.И. Володин, В.В. Лукин // Вестник ВНИИЖТ-1979.-№2.-С. 22-24.

14. Глаголев, Н.М. Тепловозные двигатели внутреннего сгорания и газовые турбины / Н.М. Глаголев. М : Транспорт - 1973 — 336 с.

15. ГОСТ 2936-75. Трубки радиаторные плоскоовальные бесшовные. — М : Изд-во стандартов 1998—7с.

16. ГОСТ 12.3.018-79. Системы вентиляционные. Методы аэродинамических испытаний. М : Изд-во стандартов — 1986.-8с.

17. Григоренко, В.Г. Повышение эффективности работы вспомогательных систем тепловозов в условиях эксплуатации/ В.Г. Григоренко // Монография Хабаровск : Изд-во ДВГУПС.- 1997 - 106 с.

18. Грищенко, С.Г. Обогрев тепловозов БАМа/ С.Г. Грищенко, Л.Ф. Камышан// Локомотив 1981- №7 - С. 32.

19. Грищенко, С.Г. К вопросу измерения температур в тепловозных радиаторных секциях/ С.Г. Грищенко // Межвуз. сб. науч. тр.— М : МИИТ.-1975 — Вып. №479.— С. 125-130.

20. Даннель, А. Холодильники тепловозов и дизель-поездов государственных железных дорог ГДР «Дойче Рейхсбан» / А. Даннель, Н.И. Панов//Межвуз. сб. науч. тр.-М: МИИГ.-1975.-Вып. №485- С. 20-30.

21. Егоров, А.Т. Регулирование наддувочного воздуха дизелей/ А.Т Егоров, Г.И. Маслов, A.A. Перфилов и др. // Локомотив 1985-№7 - С. 46.

22. Егоров, А.Т. К вопросу о повышении эксплуатационной надежности масловоздушных секций тепловозных холодильников / А.Т. Егоров // Межвуз. сб. науч. тр. Коломна : ВНИТИ.- 1965 - Вып 21- С. 68-75.

23. Егоров, А.Т. Результаты исследования напряженного состояния масловоздушных секций тепловозных холодильников/ • А.Т. Егоров // Межвуз. сб. науч. тр. Коломна : ВНИТИ - 1967-Вып 28 - С. 21-28.

24. Егунов, П.М. Пути повышения эффективности тепловозных холодильников/ П.М. Егунов // Межвуз. сб. науч. тр.- М : ВНИИЖТ1958.-№149.-С. 60-120.

25. Егунов, П.М. Унифицированные секции радиатора тепловозного холодильника/ П.М. Егунов, В.И. Поликарпов, H.A. Галахов // Локомотив 1977-№2-С. 35-36.

26. Егунов, П.М. Пути повышения эффективности тепловозных холодильников/ П.М. Егунов : Дис. . канд. техн. наук — М : ЦНИИ МПС, 1956 г.

27. Егунов, П.М. Алюминиевые тепловозные радиаторы / П.М. Егунов //Межвуз. сб. науч. тр.-М : ВНИИЖТ.- 1963.-Вып. 262.-С. 101-116.

28. Егунов, П.М. Выбор оптимальных параметров охлаждающих устройств/ П.М. Егунов, В.И. Поликарпов // Вестник ВНИИЖТ- 1968-№4-С. 15-18.

29. Евенко, В.И. Эффективная поверхность теплообмена для охлаждающего устройства тепловозов/ В.И. Евенко, С.А. Кондаков// Транспортное машиностроение. М : НИИИНФОРМТЯЖМАШ.- 1969 -Вып. 5-69-3, С. 23-30.

30. Епифанов, В.П. Влияние неравномерностей поля скоростей воздуха на теплоаэродинамические характеристики радиатора охлаждающего устройства тепловоза / В.П. Епифанов // Транспортное машиностроение М: НИИИНФОРМТЯЖМАШ. - 1974. - Вып. 5-74-16.-С.14-19.

31. Жукаускас, А. Теплопередача поперечно обтекаемых пучков труб / А. Жукаускас, Р. Улинскас. Вильнюс: Мокслас- 1986г. - 204 с.

32. Жукаускас, А. — Гидродинамика и вибрация обтекаемых пучков труб / А. Жукаускас, Р. Улинскас. Вильнюс: Мокслас — 1984г. - 314 с.

33. Захарчук, А.С Моделирование охлаждающего устройства дизелей / А.С Захарчук. Деп. в ЦНИИТЭИ МПС 10.05.77, № 521/77.- Ленинград : Изд-во ЛИИЖТ. - 1997.-15 с.

34. Исаченко, В.П. Теплопередача / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С Сукомел. Изд-ие. 2-е, М : Энергия - 1969г.- 440 с.

35. Испытания тепловоза 2ТЭ116 в условиях, приближенных к БАМ : Отчет о НИР/ ХабИИЖТ; Рук-тель Григоренко В.Г. — №95. -Хабаровск, 1977.-234 с.

36. Какоткин, В.З. Новый состав для очистки системы охлаждения тепловозов/ В.З. Какоткин, В.Н. Балабин, О.С. Лукавов // Локомотив.— №1. С.32-33.

37. Козлов, Б.А., Справочник по расчету надежности аппаратуры радиоэлектроники и автоматики / Б.А. Козлов, И.А. Ушаков— М : «Советское радио».- 1975 472 с.

38. Кравец, З.И. Теплопередача и аэродинамическое сопротивление секций тепловозных холодильников / З.И. Кравец // Вестник ВНИИЖТ-1968. —№6- С. 16-20.

39. Кузнецов, Н.В. Теплоотдача и сопротивление в поперечноомываемых пучках труб при различной их компоновке / Н.В. Кузнецов М : Изд-во АН СССР. - 1937.- №5.- С. 675-695.

40. Кузнецов, Н.В. Формулы для коэффициента теплоотдачи в глаткотрубных пучках при поперечном обтекании / Н.В. Кузнецов, Э.С. Красина-М : Теплоэнергетика 1954-№6 -С. 31-35.

41. Куликов, Ю.А. Исследование аэродинамического сопротивления шахты тепловозного холодильника / Ю.А. Куликов, В.П. Епифанов // Вестник ВНИИЖТ.- 1969.-№6.-С. 34-37.

42. Куликов, Ю.А. Системы охлаждения силовых установок тепловозов / Ю.А. Куликов М : Машиностроение.- 1988 - 280 с.

43. Куликов, Ю.А. Основные направления в дальнейшем совершенствовании охлаждающего устройства дизеля тепловоза / Ю.А. Куликов // Вопросы транспортного машиностроения. М : НИИИНФОРМТЯЖМАШ.- 1975.- Вып. 5 - С.23-30.

44. Куликов, Ю.А. Компоновка охлаждающих устройств тепловозов / Ю.А. Куликов и др. М : Транспортное машиностроение. - 1968.

45. Куликов, Ю.А. Влияние геометрических параметров охлаждающего устройства дизеля тепловоза на его аэродинамическоесовершенство/ Ю.А. Куликов // Межвуз. сб. науч. тр. -Локомотивостроение-Харьков, 1971—Вып. 3.-С.52-58.

46. Кутателадзе, С.С. Тепломассобмен и трение в турбулентном пограничном слое/ С.С. Кутателадзе, А.И. Леонтьев M : Энергия - 1972.

47. Ли, В.Н., Моделирование процесса нагрева и теплоотдачи соединительных элементов тяговой сети/ В.Н. Ли, И.В. Игнатенко, A.C. Слободенюк // Вестник ВНИИЖТа.- №4.- 2010. С 24-29.

48. Луганские тепловозы 1956-2006 справ. - Луганск, 2006. - 518 с.

49. Мартыненко, О.Г. Справочник по теплообменникам. Том 2. / О.Г. Мартыненко, A.A. Михалевич, В.К. Шикова. M : Энергоатомиздат-1987.-352с.

50. Маханько, М.Г. К расчету поверхности водяных секций холодильников тепловозных двигателей. / М.Г. Маханько, Л.Д. Штейнберг // Вестник ВНИИЖТа.- №6.- 1974.- С. 12-15.

51. Миловидов, Ю.И. Затраты мощности на привод вентилятора холодильника/ Ю.И. Миловидов // Вестник ВНИИЖТа №6.- 1974 - С.36-40.

52. Михайлов, Г.А. Советское котлотурбостроение/ Г.А. Михайлов.-М:, 1939.-С. 434.

53. Михеев, М.А. Основы теплопередачи / М.А. Михеев- М: Государственное энергетическое издательство 1949- 396 с.

54. Новачук, Я.А. Проблемы модернизации тепловозов, для работы в условиях низких температур/ Я.А. Новачук, А.Н. Тепляков, A.C. Слободенюк // Тр. междунар. науч.-практич. конф. «Модернизация тепловозов пути решения».- Якутия, 2007.- С. 47-52.

55. Норенков, И.П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем / И.П. Норенков. — M : Высшая школа.— 1980.-311с.

56. Овчинников, В.М. Экономичные режимы самопрогрева дизелей./ В.М. Овчинников, В.А. Золотаренко, В.А. Халиманчик и др. // Локомотив-1996 .— №2.-С. 27.

57. Панов, Н.И. Тепловозы / Н.И. Панов- M : Машиностроение — 1976.- 544 с.

58. Панов, Н.И. Экспериментальное исследование теплопередачи и аэродинамического сопротивления секций тепловозных холодильников / Н.И. Панов, А.П. Третьяков, Я.А. Резник // Межвуз. сб. науч. тр.- М : МИИТ.-1966 Вып. 251.- 1966.- С. 70-118.

59. Панов, Н.И. Оптимизация основных параметров охлаждающего устройства тепловозов при проектировании / Н.И. Панов, Д.С. Стоянов // Межвуз. сб. науч. тр.-М : МИИТ.-1975.- Вып. 485.- С. 31-54.

60. Панов, Н.И. Экспериментальное исследование элементов тепловозных водомасляных кожухотрубных теплообменников / Н.И. Панов, А.П. Третьяков, З.И. Кравец // Межвуз. сб. науч. тр.— М : МИИТ.-1966.-Вып. 251- С.70-118.

61. Панов, Н.И. Теплотехнические и аэродинамические характеристики тепловозных водовоздушных секций с шагом оребрения 2,3 мм / Н.И. Панов // Межвуз. сб. науч. тр.- М : МИИТ.-1970.- Вып. 332.-С. 94-122.

62. Панов, Н.И. Оценка эффективности систем охлаждения тепловозов и их технико-экономическое сравнение/ Н.И. Панов, А.П. Третьяков, Я.А. Резник//Межвуз. сб. науч. тр.-М : МИИТ.-1965.-Вып. 208.- С. 182-198.

63. Панов, Н.И. О расчете полного напора вентиляторов тепловозных холодильников/ Н.И. Панов // Межвуз. сб. науч. тр.- М : МИИТ.-1976-Вып. 545 С. 18-22.

64. Пат. на полезную модель №82826 РФ, F28F 1/02. Секция радиатора системы охлаждения двигателей внутреннего сгорания/ Слободенюк A.C., Григоренко В .Г., НовачукЯ.А. Опуб. 10.05.2009г. Бюл.-№13.

65. Патент СССР Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания №1590582 класс МЬСИ F01P 11/22 (бюл.№ 33, 1990г)

66. Патент США Клапан для автоматического слива охлаждающей воды дизеля при снижении ее температуры №4460007 класс МЕСИ ЕОЗВ 7/10 и F16K 17/38.

67. Патент США Клапан с термостатным управлением для систем охлаждения дизелей тепловозов №4508132 класс МЬСИ G05D 23/275 и F16K 31/122.

68. Петриченко, P.M. Системы жидкостного охлаждения быстроходных двигателей внутреннего сгорания/ P.M. Петриченко. — Ленинград: Изд-во Машиностроение 1975. - 224с.

69. Попов, В.Г. Метод оптимизации водомасляного теплообменника системы охлаждения тепловоза/ В.Г. Попов // Вестник ВНИИЖТ.- 1999— №4. -С.40-44.

70. Постол, Б.Г. Режимные карты вождения грузовых поездов тепловозами серии ТЭ10 на участке Беркакит Тында - Сковородино / Б.Г. Постол, O.A. Переходенко, В.А. Козлов. - Изд-во : МПС РФ - 2002 - 52с.

71. Разработка предложений по улучшению характеристик, повышению надежности и сроков службы тепловозных холодильников: Отчет о НИР / ВНИИЖТ Руководитель: П.М. Егунов. И-118-Т-79; №ГР 72020789.-М.-1979.

72. Резник, Я.А. Оптимальный температурный режим тепловозных холодильников с промежуточными теплоносителями/ Я.А. Резник // Вестник ВНИИЖТ.- 1999.- №4. -С.33-37.

73. Рогачев, Е.Я. — Как зимой улучшить работу холодильников на тепловозах ТЭЗ / Е.Я. Рогачев // Электрическая и тепловозная тяга 1959. —№1. — С. 20-23.

74. Ситников, Е.А. Совершенствование тепловозных холодильников / Е.А. Ситников, Ю.А. Куликов, Н.В. Сидячев // Межвуз. сб. науч. тр-Транспортное машиностроение, 11-66-1-М : НИИИНФОРМТЯЖМАШ.-1966. 106с.

75. Слободенюк, A.C. Интенсификация процессов теплопередачи в охлаждающих устройствах тепловозов/ A.C. Слободенюк //Материалыдвенадцатого краевого конкурса молодых ученых и аспирантов. -Хабаровск: Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2010 С. 128-135.

76. Слободенюк, А.С. Развитие методики оптимизации охлаждающих устройств тепловозов./ А.С. Слободенюк, Я.А. Новачук, О.В. Атясов // Вестник РГУПС.- 2010.- №1.- С.78-84.

77. Стоянов, Д.С. Оптимизация основных параметров охлаждающего устройства при проектировании/ Д.С. Стоянов // Дис. . канд. техн. наук. -М. 1972.-210с.

78. Соснина, Н.А. Применение современных химических технологий при роемонте и эксплуатации подвижного состава/ Н.А. Соснина. // Обобщающий доклад на соискание ученой степени доктора транспорта,-Владивосток: ДОАТР.- 1996.- 47с.

79. Сравнительная оценка среднеэксплуатационных затрат мощности на привод вентиляторов охлаждающих устройств тепловозов при различных способах регулирования температур теплоносителей: Отчет о НИР / ВНИТИ; И-34-73. Коломна, 1973.- 128с.

80. Теребилышков, В.П. Разработка и комплексное исследование охлаждающего устройства нагнетательного типа для тепловозов/ В.П. Теребилышков // Автореф. дисканд. техн. наук М: МИИТ, 1976 - 20с.

81. Тихомиров, В.Б. Планирование и анализ эксперимента / В.Б. Тихомиров М : Идз-во Легкая индустрия, 1974 - 262с.

82. Третьяков, А.П. Высокотемпературное охлаждение тепловозных дизелей / А.П. Третьяков, К.Д. Айтхожин // Локомотив— 1972.— №2.- С. 43-44.

83. Третьяков, А.П. Исследование температур наддувочного воздуха тепловозных дизелей в процессе реостатных испытаний / А.П. Третьяков,

84. B.Г. Гапошников // Межвуз. сб. науч. тр.- М : МИИТ.-1972 Вып. 415.1. C. 17-27.

85. Третьяков, А.П. Влияние теплопроводности стенки трубы на эффективность оребрения / А.П. Третьяков, З.И. Кравец, А.И: Колесников //Межвуз. сб. науч. тр.-М : МИИТ.-1976.-Вып. 545.- С. 18-22.

86. Троицкий, С .С. Интенсификация теплообмена в холодильнике тепловоза при воздушноводоиспарительном охлаждении / С.С. Троицкий //

87. Труды Межвуз. сб. науч. тр.- М : МИИТ.-1978.- Вып. 611- С.169-174.

88. Третьяков, А.П. Интенсификация теплообмена тепловозных холодильников / А.П. Третьяков // Межвуз. сб. науч. тр.- М : МИИТ-1962.-Вып. 352.- С. 15-26.

89. Уонг, X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров справ / X . Уонг - М: Атомиздат, 1979 - 216 с.

90. Фуфрянский H.A. Развитие и совершенствование тепловозной тяги / H.A. Фуфрянский, А.И. Володин, К.И. Домбровский и др.- М : Транспорт, 1969-304с.

91. Хайзен, М.М. Энергетика локомотивов/ М.М. Хайзен.— М : Транспорт, 1977- 206 с.

92. Четвергов, В.А. Надежность локомотивов/ В.А. Четвергов, А.Д. Пузанков. -М : Маршрут, 2003. 112 с.

93. Шептуцолов, В. Д. Аэродинамические характеристикиохлаждающего устройства при движении тепловоза/ В.Д. Шептуцолов // Межвуз. сб. науч. тр. Коломна : ВНИТИ- 1973 . - Вып.38.- С.45-62.

94. Шехтер, P.C. Вариационный метод в инженерных расчетах / P.C. Шехтер . М : Идз-во Мир.- 1971- 293с.

95. Шлихтинг, Г. Теория пограничного слоя / Г. Шлихтинг . М : Наука.- 1974.- 710с.

96. Шумков, Е.Б. Автоматизировали обогрев тепловоза / Е.Б. Шумков, Е.С. Ерилин, JI.B. Мазур // Локомотив 2002 - №11.- С. 20-21.

97. Щегловитов, Н.Д. Системы охлаждения, повышающие экономичность силовой установки тепловозов / Н.Д. Щегловитов // Транспортное машиностроение. М: НИИИНФОРМТЯЖМАШ. - 1974-Вып.5-73-1 С.36.

98. Prandtl, L. — Hydro- und Aeromeckanik, Springer/ L. Prandtl.- Berlin, 1929.