автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Повышение технико-экономичной эффективности устройств регулирования температуры теплоносителей систем охлаждения тепловозов

і і * ■-/;

РГ6 од

- / ¡;'т; :

Східноукраїнський державшій університет

На правах рукопису Ременк Валентин Іванович

УДК 629.421.1.053

ПІДВИЩЕННЯ ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНОІ ЕФЕКТИВНОСТІ ПРИСТРОЇВ РЕГУЛЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ ТЕПЛОНОСІЇВ СИСТЕМ ОХОЛОДЖЕННЯ ТЕПЛОВОЗІВ

05.22.07 - Рухомий склад залізниці, та тяга поїздів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Луганськ - 2000

Дисертацєю є рукопис.

Робота виконані в Східноукраїнському державному університеті (СУДУ), кафедра “Гідрогазодинаміка“.

Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник:

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, с.н.с. Осеніин Юрій Іванович, Східноукраїнський державний університет завідуючий кафедрою “Гідрогазодинаміка”

доктор технічних наук, проф. -

Крайшок Олександр Іванович, Східноукраїнський державний університет завідуючий кафедрою “Двигуни внутрішнього згоряння”

Кандидат технічних наук,

Ткаля Василь Степанович, ведучий інженер лабораторії аеродинаміки і теплотехніки холдингової хомпанії “Луганськтепловоз”

Ведуча організація: Дніпропетровський державний

технічний університет залізничного транспорту Міністерства транспорту України, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться ”23” червня 2000р. о 12-30 год. на засіданні спеціалізованої ради Д29.051.03 при Східноукраїнському державному університеті за адресою: 91034, м. Луганськ,

кв.Молодіжний, 20а. СУДУ.корпус 1. зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Східноукраїнського державного університету за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а, СУДУ, бібліотека.

Автореферат розісланий: ...

Учений секретар спеціалізованої вченої ради

Осенін 10!.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ.

Інтеграція залізничних транспортних повідомлень України і нової Європи, поряд з іншим, припускає взаємну відповідність рівня техніко-економічних показників рухомого складу. У цьому зв'язку характеристики паливо-економічної ефективності тепловозів є одними з базових, що обумовлюють рентабельність як вантажних, так і пасажирських перевезень на залізничному транспорті Актуальність теми.

Для сучасних локомотивів більш половини всієї потужності, затрачуваної на привід допоміжних механізмів (8... 13% усієї потужності теплоенергетичної установки ТЕУ) іде на привод вентиляторів систем охолодження ТЕУ. Тому зниження витрати потужності на привод системи охолодження СО є актуальною задачею, рішення якої забезпечує раціональне використання можливостей тепловоза, колись усього як тягового транспортного засобу. Перспективним напрямком рішення цієї задачі є забезпечення відповідності між інтенсивністю охолодження теплоносія в охолоджуючому пристрої ОП тепловозів і тепловипромінюванням ТЕУ, при який температура теплоносія залишається в постійних межах регулювання. При цьому створюються умови не тільки для економії палива, але і для зменшення зносу і підвищення довговічності деталей і вузлів ТЕУ локомотивів завдяки сталості теплової напруженості робочих елементів.

Одне з рішень такої задачі полягає в поліпшенні регулювання витрати охолодного повітря за рахунок відповідної зміни кута повороту лопаток вентилятора ОП тепловоза. Причому рівень ефективності даного методу буде залежати від точності і надійності установки кута повороту лопатки вентилятора, що забезпечує необхідну інтенсивність теплообміну в ТЕУ за рахунок зміни витрати охолодного повітря

Аналіз функціонування СО тепловозів показав, що дана задача може бути вирішена при умові забезпечення в пристроях позиціонировашія мембранних приводів повороту лопаток вентилятора додаткових зворотних зв'язків по переміщенню, тиску, температурі, потужності і частоти обертання двигуна, а також підвищення статичних і динамічних характеристик пристроїв, призначених для регулювання температури теплоносія і керування мембранним приводом повороту лопаток вентилятора СО.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами.

Дисертаційна робота виконані в рамках державної програми ’’Розвиток залізничного транспорту соціального призначення і для комунального господарства України “ і на основі досліджень, проведених у 1993-1997 р. по держбзоджетній науково-дослідній роботі “Дослідження можливості створення автоматичної системи дозувапня і розподіли рідких компонентів“ (ГР № 0193и002397).

Мета і задачі дослідження.

Метою дослідження є підвищення економічності й ефективності тепловозів завдяки зниженню витрати потужності на допоміжне устаткування шляхом підвищення точності і надійності установки кута повороту лопаток вентилятора СО за рахунок реалізації в пристроях позиціонировання мембрапних приводів додаткових зворотних зв'язків по переміщенню, тиску, температурі, потужності і частоти обертання двигуна, що забезпечують на кожнім режимі роботи ТЕУ підтримку оптимальної температури Для досягнення поставленої мети були сформульовані і вирішені такі основні задачі:

- розробка принципових схем і конструктивних варіантів позиціонерів з додатковими зворотними зв’язками для регулювання витрати охолоджуючого повітря на базі клапанів-підсилювачів з поліпшеними статичними і динамічними характеристиками;

- розробка математичної моделі позиціонерів і аналіз впливу конструктивних і експлуатаційних параметрів на їх статичні і динамічні харакіери-стики;

- проектування, виготовлення експериментальної установки, підбір контрольно-вимірювальної апаратури для іспитів, розробка методики проведення експерименту й обробки досвідчених даних;

- проведення експериментальних досліджень з метою визначення ряду величин, що входять у математичну модель

- перевірка адекватності моделі на основі експериментальних досліджень позиціонерів;

- розробка принципової схеми системи охолодження теплоносіїв тепловозів на базі пропорційно-інтегральних регуляторів і позиціонерів з додатковими зворотними зв’язками і поліпшеними статичними і динамічними характеристиками;

- дослідження й оптимізація характеристик цієї системи на математичній моделі;

- оцінка ефективності використання пропонованої системи охолодження з позиціонерами на базі розроблених клапанів-підсилювачів.

Наукова новшна отриманих результатів.

1. Розроблено нелінійну математичну модель позиціонера, алгоритм і програма її реалізації на ЕОМ з обліком особливостей його функціонування. Проведено аналіз впливу конструктивних і експлуатаційних параметрів па його статичні і динамічні характеристики з метою визначення їхньої відповідності вимогам, пропонованих до пристроям регулювання температури систем охолодженім.

2. На підставі аналізу результатів факторного експерименту отримана апроксимацтіійна модель позиціонера у виді передатної функції для використання її в математичній моделі пристрою регулювання температури СО у цілому і перевірена її адекватність

3. Визначено структуру і розроблена математична модель пристрою регулювання температури СО тепловозів з позиціонерами з додатковими зворотними зв'язками і поліпшеними статичними і динамічними характеристиками.

4. Проведено оптимізацію характеристик елементів системи охолодження теплоносіїв тепловозів на математичній моделі.

5. Визначено параметри настроювання елементів і пристроїв системи охолодження з метою оптимізації температурних режимів теплоносіїв локомотивів.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Розроблено, виготовлені і випробувані оригінальні натурні зразки но-зиціонерів для керування мембранним приводом повороту лопаток вентилятора на базі пневматичних клапанів-підсилювачів (авторські свідчення №1348572 , №1550238 і позитивні рішення на видачу патенту України №№ 99116429 і №99116431) з поліпшеними статичними і динамічними характеристиками, що задовольняють вимогам, пропонованими до охолоджуючих систем теплоносіїв тепловозів.

2. Розроблена апроксимациійна модель позиціонерів, що дозволяє розрахувати їх статичні і динамічні характеристики

3. Розроблено математичні моделі елементів і пристроїв системи охолодження теплоносіїв тепловозів з позиціонерами з підвищеними динамічними властивостями з метою визначення оптимальних параметрів охолодних пристроїв.

4. Визначено оптимальні параметри настроювань елементів і пристроїв систем охолодження тепловозів, що дозволяють підвищити ефективність регулювання температури теплоносія, допоміжного устаткування і ТЕУ в цілому

Результати дисертаційної роботи реалізовані при виконанні держбю-джетної НДР і використовуються в ХК «Луганськтепловоз» при розробці охолоджуючих пристроїв із пневматичним приводом регулювання кута установки лопаток вентиляторів для тягового рухомого складу з підвищеною секційною потужністю й у досвідчено -конструкторських роботах на ЛМЗ при розробці пневматичних приводів механічних пристроїв, що дозволяє скоротити обсяг, трудомісткість і вартість науково-конструкторських і експериментальних робіт, а також у навчальному процесі при виконанні курсових і дипломних робіт при підготовці інженерів-механіків.

Особистий внесок здобувача.

- розроблено принципові схеми і конструкції оригінальних підсилюваль-но-перетворгаючих пристроїв (клапанів-підсилювачів) для позиціонерів систем охолодження температури теплоносіїв, призначених для керування роботою мембранного приводу повороту лопаток вентилятора і регулювання витрати охолодного повітря, що працюють по принципу

компенсації зусиль і що володіє поліпшеними статичними і динамічними характеристиками [8-11]

- розроблено математичну модель позиціонерів, алгоритм і програма її реалізації на ЕОМ і проведений чисельний експеримент із метою визначення впливу енергетичних параметрів на їхню роботу [4];

- досліджено вплив геометрії підсилювально-перетворюючих елементів позиціонерів на їхні динамічні характеристики і визначені робоча частота і частота зрізу [1-4];

- запропоновано пристрій регулювання витрати охолодного повітря для пневматичного приводу повороту лопаток вентилятора, у який використовуються позиціонері з підсилювально-перетворюючими елементами на базі розроблених клаианів-підсилювачів з додатковими зворотними зв'язками по тиску, переміщенню, температурі [5-7];

- досліджено статичні і динамічні характеристики клапанів-підсилювачів з метою визначення досвідчених величин, що входять у математичну модель і перевірки її адекватності [1];

- досліджено характеристики елементів і пристроїв системи охолодження на математичній моделі. Визначено границі стійкості, режими настроювання і вплив її параметрів на характер перехідного процесу.

- отримано рівняння функції відгуку для величин перерегулговання і тривалості перехідного процесу методами ПАДЕ - апроксимації і визначені раціональні шляхи дослідження цієї залежності. Отримані адекватні, внутрішньо не суперечливі моделі, що дозволяють визначити оптимальні настроюванім Пі-регулятора (постійну часу інтегру -вання Ти і коефіцієнт посилення ку) для систем охолодження теплоносіїв, що дозволяє збільшити ефективність рсгулюваішя[7].

Апробація результатів дисертації.

Основні результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на 6-ом всесоюзному симпозіумі по газовим приводам і системам Москва-Тула 1991р., 1-ої всесоюзної науково-технічної конференції Асоціації фахівців промислової гідравліки і пневматики м. Київ 1991 р., науково-практичної конференції "Гідроапаратура і гидропневмоприводу сільськогосподарських машинах" м. Вінниця 1993 р., IX Міжнародної науково-технічної конференції "Проблеми розвитку рейкового транспорту" Крим, Алушта, 1999р., науково-практичної конференції "Промисловий транспорт: наука, виробництво, кадри", Луганськ, 1999р., а також на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу СУДУ (1991... 2000 рр.).

Публікації.

По результатам виконаних досліджень опубліковано 11 робіт. У тому числі 3 статті в наукових журналах, 2 авторські свідчення, 2 рішення на видачу патенту України на винахід, 4 тези доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура й обсяг дисертації.

Дисертаційна робота складаються з вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаних джерел і 4-х додатків.

Загальний обсяг роботи 197 сторінок, у тому числі 130 рисунків на 46 сторінках, 16 таблиць на 10 сторінках, 4 додатка на 10 сторінках, список використаних джерел з 104 найменувань на 9 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дала загальна характеристика роботи, обґрунтована мета і задачі дослідження, показана актуальність і новизна теми, обкреслене коло розв'язуваних питань.

У першому розділі дисертації представлений розгорнутий огляд стану проблеми в області локомотивобудування в емпіричному, теоретичному і практичному аспектах.

Відзначається, що великий обсяг в області досліджень і розробок допоміжного устаткування тепловозних систем і, у частковості, приводів і пристроїв регулювання температури теплоносія охолодних пристроїв тепловозів викопуються різними організаціями країн СНД, такими як Харківська академія залізничного транспорту, Східноукраїнський державний університет, Дніпропетровський державний університет залізничного транспорту, НДІДержбуд України, УкрНДІХИММАШ, Московський державний університет шляхів повідомлення, Всеросійський теплотехнічний інститут, Всеросійський науково-дослідний інститут залізничного транспорту, Всеросійський науково-дослідний тепловозний інститут, ВФ ВНДТІ, ХК "Jly-гаяськтепловоз" і ін., організаціями країн дальнього зарубіжжя, такими, як "FORD" ( СІЛА), Alfa Laval ( Швеція), APV (Німеччина ), SWEP(HlBenk) та іншими.

Великий внесок у розвиток теоретичних і експериментальних досліджень теплообмінних апаратів і приводів охолоджуючих систем тепловозів внесли вітчизняні вчені М.І.Белоконь, АІ.Володин, О.Л.Голубенко, В.П.Епіфанов, О.Н.Коняев, В.Д.Кузьмич, ІО.А.Куликов, А.С.Курбасов,

Н.М.Цибуль, М.С.Машгаов, Ю.И.Миловидов, М.І.Панов, В.А.Петраков, B.C.Ткаля, О.В.Цурган, Е.Б.Черток та інші, а також ряд закордонних учених.

Розглянуто оптимальні температурні режими в системах охолодження локомотивів і показаний їхній вплив на знос двигуна і його ефектнішу потужність. Відзначається, що при збереженні теплової напруженості деталей двигуна на рівні, що відповідає номінальної потужності, оптимальне значеній температури теплоносія збільшується з ростом потужності, що вимагає застосування в системах оптимальних регуляторів

Розглянуто різні одно - і богатоконтурні пристрої регулювання температури охолоджуючих систем теплоносіїв, їхньої особливості і вимоги до їм і зроблений вивід, що найбільше кращим € застосування контурних пристроїв, що використовують пропорційно-інтегральні регулятори, що забезпечують постійну температуру теплоносія при будь-яких навантаженнях

Одним з найважливіших пристроїв локомотивних систем охолодження є автоматичні регулятори температури, що представляють собою регулятор, що містить керуюче пристрій (термореле чи терморегулятор) і виконав чо-регулюючи й пристрій, до якого власне і відносять привод вентиляторів охолоджуючих систем.

При аналізі приводів вентиляторів охолоджуючих пристроїв тепловозів був зроблений вивід, що найбільше перспективним є привід з вентилятором перемінної подачі і пневматичним мембранним приводом зміни кута установки лопаток. Були розглянуті різні пневматичні керуючі пристрої типу ТРД і ДТПМ, позиціонер ППС-100 і П-10-25-У1 і показано, що для комбінованих пристроїв регулювання температури теплоносіїв систем охолодження, у який застосовуються пропорційно-інтегральні регулятори, необхідно використовувати позиціонері з поліпшеними статичними і динамічними характеристиками і з додатковими зворотними зв'язками по тиску, переміщенню, температурі, потужності двигуна чи іншим впливам, що обурюють, що можуть працювати в цифровому й аналоговому режимах, що дозволить істотно поліпшити регулювання витрати охолоджуючого повітря і температурного режиму в цілому.

Була розглянута охолоджуюча система охолодження тепловоза

2 ТЭ121, що представляє собою безупинну систему регулювання температури теплоносіїв, що використовує ПІ-регулятори ПР3.32М1 і позиціонері П10-25-У1 і ППС-100. Дана система дозволяє автоматично підтримувати температуру теплоносіїв у межах 3...6°К в широкому діапазоні зміни навантажень дизеля (від 0 до 15 позиції контролера). Однак, незважаючи на досить високі показники регулювання, можна відзначити і недоліки, що, в основному, зв'язані з конструкціями використовуваних позиціонерів.

Виходячи з вищевикладеного, можна зробити наступний вивід, що для поліпшення роботи систем охолодження теплоносіїв тепловозів необхідно використовувати позиціонері з підвищеними статичними і динамічними характеристикам, що мають лінійні статичні характеристики по тиску і витраті у всьому діапазоні зміни тиску керування, малі переміщувані маси і малу кількість дросельних елементів і додаткові негативні зворотні зв'язки по декільком впливам, що обурюють, що дозволить мати високі динамічні характеристики (високу частоту спрацьовування і швидкодію). Усе це дозволить розробити системи охолодження теплоносіїв з високими показниками якості і стійкості роботи.

Розглянуто питання розрахунків елементів і пристроїв систем охолодження тепловозів і показано, що для безупинних комбінованих систем визначальними є питання стійкості і якості регулювання.

На підставі виконаного огляду робіт по темі дисертації сформульовані мета і задачі досліджень, приведені в початку реферату.

В другому розділі представлені результати теоретичних досліджень по-зиціонерів на базі розроблених клапанів-підсилювачів для керування приводом кута установки лопаток вентиляторів охолодних систем теплоносіїв тепловозів

У першу чергу були розглянуті різні конструкції перспективних позиці-онерів з новими підсилювально-перетворюючими елементами, що використовують пневматичні клапани-підсилювачі зі зворотними зв'язками по тиску, переміщенню, з електромагнітним керуванням, з додатковими зворотними зв'язками по різним впливам,

Основним базовим елементом усіх пропонованих позиціонерів є клапан-підсшновач із пневматичним керуванням і негативним зворотним зв'язком по тиску, представлений на мал. 1. Для забезпечення високих динамічних

.......І

І Руп?

Рис. 1. Позиціонер з негативним зворотним зв’язком.

якостей необхідно правильно вибрати геометричні розміри його елементів, визначити вплив на його роботу енергетичних параметрів. З цією ме -тою представляється корисним провести аналіз роботи клапана- підсилювача на основі його математичної моделі. Математична модель робочого процесу клапана-підсилювача складається з системи нелінейних дифференційних рівнянь, що описують зміну тиску в його камерах:

—■ = ар«(и^ф(р«р)-иЛ

— ФФгР,™)), (1)

(2)

<Р(Рі,Рі)= 0,2588, — < 0,528

Рі

(3)

де: ф(рАр,)- видаткова функція турбулентного дроселя для підкритично-

го (3 = — > 0.528 і надкритичного Э = — £ 0.528 процесу витікання газу з Р, Р.

тисками рі і Pj за і після дроселі, А=~ ^1. ' постійний коефіцієнт.

Рівняння руху порожнього клапана і мембрани мають вид:

М.§= р~ + - »и- с.у+ РД -рР, - а, ^ (4)

аі аі

(їгу (1\

М«Т,Т= РлГд- Р„„(РЛ- Рі)-Рг-Р„-Рга-сих-Мм8-а^ (5)

Ш (Н

При складанні математичної моделі належна уважність приділена аналізу прийнятих допущень, що звичайно використовуються при розрахунках динамічних характеристик пневматичних систем.

Щоб одержати узагальнені результати аналізу, які можна було б віднести до цілій групі однотипних клапанів-підснлювачів, рівняння приведені в безрозмірній формі. Система замкнутих диференціальних рівнянь має вид:

сі’х Мк л ,

— І<Р.-®«їл.-оГг-Хег-ір(тр„1)- С,с • х,£ - с„, • г„ -

- - и

- см х-ш„ -р,—

СІТ

йг, +-' V ї-м,-!, - (І'И, - р, І (6)

сіо1 Зк -

-—=*,■ т:и(0,у- г«)ф(ір)- я2- тах(0,у- х- гт)а -ер(<і,и„)

ск

йМ1

де: \ = тах(0,ї^ - у) і \и ~ тах(0,їт - у + *) - відносна деформація ущільнень у час контакту, а безрозмірні перемінні і константи рівні:

р _ у _ X 1^1 _

о - у = ; х =---; х = —; ------масштаб по чаР» У™ ^ А-Р.

Р — У •

су,а,т = —— - тисків;с„ = с„ - - твердості ущільнень клапана і сід-

Р„ РмГа

ла;с^ = є. - твердості ущільнень клапана і мембрани; ся = сл -Р-ра р„Р

• - У

твердості силової мембрани; см = см —=2- - твердості керуючої мембрани

рД

• М„е М 2 - Р

(заслінки); тк =------ваги клапана; ти = — —ваги мембрани; ^ = — ;

рД рД к

р - Р - Б Е яй

я =£.; Е, Р, =-і; іс, = |і,—уте;

- р.’ ' її. ' V/ V.

_ яВ, . иї.1 2к 0 у__, „ у__ ,

тс2 = цг-----у„„ ;Х = —---------площ;8 = ос ; р = а —- - в'яз-

2 г р рд ¡с_1 і л |

.. р Р

кості iN = ^ - узагальнений конструктивний параметр пристрою.

Система рівнянь (6) описує зв'язок між зміною вхідного сигналу яа, переміщенням мембрани керування хід- тиском на виході і у - переміщенням пустотілого клапана.

Отримані в безрозмірній формі рівняння наочно відображають внутрішні зв'язки пристрою і, реалізовані в програмі в час чисельного експерименту, різко скорочують кількість операцій.

Завершальним етапом створення математичної моделі є чисельне визначення всіх коефіцієнтів системи рівнянь (6). Маси мембран і клапанів визначалися елементарним зважуванням. Однак, з визначенням деяких величин, що входять у систему рівнянь (6) виникли визначені труднощі, зв'язані з неможливістю визначення аналітичним шляхом их розрахункових значень. До їм відносяться коефіцієнти витрати Ці і Ці, твердості ущільнень і мембран скм, ско ск, см і коефіцієнт гідродинамічної сили у.

Так наприклад, коефіцієнт витрати ц будь-якого пневматичного пристрою є складною функцією і залежить від режиму руху, параметрів газодинамічного процесу, опору, геометрії самого пристрою і т.д. Коефіцієнт /і визначають або експериментальним шляхом, або по різним емпіричним залежностям. Однак, частіше всього, визначення по розрахунковим залежностям можна використовувати тільки для конкретної пневматичної апаратури, чи вираження для коефіцієнта витрата ц носить громіздкий характер, що не відбиває реальніш характер залежності Тому, у даній роботі було прийняте рішення про визначення коефіцієнтів витрати ц експериментальним шляхом, одержання їх апроксимаційної залежності від параметрів процесу і використання їх у математичній моделі. Аналогічно надходили і

з іншими коефіцієнтами, тобто, твердості ущільнень і мембран, коефіцієнт гідродинамічної сили \р, коефіцієнти грузлого тертя а.

Схема стенда для досвідченого визначення статичних характеристик приведена на рис. 2.

Я2

Рис.2. Схема зняття статичних характеристик позиціонерів.

Рис.З. Залежність вихідного тиску від тиску керування.

0 0,2 0,4 0,6 0,8 Ркер

■ (1=6 р=6 і і=4 р=6 • 6=2 р=6 о сІ=6 р=4 д <¡=4 р=4 ° сі=2 р=4

Рис.4. Залежність вихідної виграти від тиску керування.

Статичні характеристики позцціонєра представлені на рис.З і рис.4. Експериментальні залежності коефіцієнта витрати позиціонера приведені на рис. 5. Використовуючи Паде-апроксимацію, отримані функції відгуку у

ваді полінома другого ступеня. Перевірено адекватність апроксимаційної моделі по критерію Фішера.

* ¡3 = 0,1 ■ (3 =0,2

а р = 0,3 о {3 = 0,5

в Р=0,6 □ (3=0,7 А (3=0,8 ♦ р =0,9

•' Рис.5 “ f (hK) при р<р,ср і Р>Ркр

Для рішення системи диференціальних рівнянь, що описує динамічні характеристики клапанів-підсшповачів, був обраний однокроковий метод Рунге-Кутта. Всі обчислення вироблялися в середовищі пакета прикладних програм MATLAB for WINDOWS. Програма дозволяли одержувати перехідні і частотні характеристики по тиску і переміщенню. У процесі чисельного експерименту з метою визначення впливу на вид перехідного процесу змінювалися площі мембрани 6, площі каналів скидання, діаметри прохідних перетинів. Деякі перехідні характеристики представлені на рис. 6.

Руя^.Рем»

ИП.(ч^)

о.г

<М

О о аг О fit) 0,06

Рис. 6. с[у=6мм,ряс>СІ=0,2МПа, рКЄр=0,1МПа

П«і

Йї

о,г

Результати чисельного експерименту показують, що геометричні параметри клапанів-підсилювачів неоднозначно впливають на динаміку процесу, поліпшуючи одні властивості й одночасно погіршуючи інші, що ставить питання про їхнє оптимальне співвідношення. По результатам розрахунків були побудовані амшштудочастотні характеристики. З аналізу цих залежностей зроблен вивід, що максимальна робоча частота підсилювача складає 45 Гц і залежить від тиску постачання. При рПоот=0,3 МПа вона складає 24 Гц.

У третьому розділі приводяться результати експериментальних досліджень динамічних характеристик позиціонерів, необхідні для перевірки адекватності моделі, правильності теоретичних виводів, експериментального визначення амплитудочастотних характеристик, частоти зрізу і роз-' робки апроксимаційної моделі. Для цього був спроектований спеціальний стенд, що включає в себе силову частину для постачання системи стиснутим повітрям тиском до 0,6 МПа, пневматичну частину для постачання і керування позиціонерів, пристрою подачі східчастого сигналу і генератора пневматичних коливань і вимірювальну систему, що складається з підсилювальної й реєстраційної апаратури. Для виміру шввдкоперемінного тиску використовувалися малогабаритні індуктивні датчики. Була розроблена методика експерименту і визначені погрішності вимірів тиску, переміщення і часу і їх середньо квадратичних величини відповідно рівні: 6давл=3,4%, 8Пер=3,1% і 5і=10'3с. Деякі характерні осцилограми процесів представлені на рис.7.

Рис.7.с1у=6мм, рпоо1=0,5МПа, рКЄр=0. ІМПа

Амнлитудочастотна характеристика для (іу,=2мм і рК(.р=0,1МПа приведена на рис.8. У результаті обробки досвідчених даних розроблена апроксима-ційна модель позиціонера у виді передатної функції другого порядку

ТГ

пМІ) = ----------------с хр. що дозволяє досить просто і з малою помил-

* ТУ+2Т^р + 1

кою розрахувати перехідні процеси, що у подальшому буде використовуватися при динамічних розрахунках пристрою регулювання в цілому

. Рис.8. Амплитудочастотна характеристика для сіу—2мм і ркеР-0ДМПа.

, рПОСІ=0І6МПа ^ Рлосї^О.ЗМПа

. р»осі=0»4МПа ♦ Рпо^О.ЗМПа

У четвертому розділі приводяться результати-досліджень-па підвищенню економічності регулювання температури теплоносіїв шляхом більш ефективного регулювання витрати охолодного повітря завдяки підвищешпо точності і надійності установки кута повороту лопаток вентилятора. Розроблено принципові схеми пристроїв (рис. 9) для регулювання температури теплоносіїв систем охолодження тепловозів, у який застосовані позиціоне-рі з додатковими зворотними зв'язками, що володіють низкою переваг по порівнянню з використовуваними раніше, а саме: сталістю регульованої температури у всьому' діапазоні зміни навантаження і відсутністю статичної помилки регулювання; високою швидкодією і якістю регулювання; відсутністю автоколивань у широкому діапазоні зміни параметрів, що

сприятливо позначається на довговічності і зносі деталей ТЕУ, а також підвищують економічність її роботи.

о

Рис.9. Схема роботи позиціонера з приводом.

Розроблено структурну схему і математичну модель пристрою системи охолодження для регулювання температури теплоносіїв тепловозів на базі пропорційно-інтегрального регулятора і нових позиціонерів

Методами дискретної оптимізації отримані рівняння функції відгуку для часу перехідного процесу і величини перерегулювання,

А =4.8620 -10 3 к1 -6.0531 10 2 к + +4.225 10 і Т +0.4333 ;

= 0,9973- іг - 9.569- к+ 1.9017- Т+ 40.529 (7)

яка для наочності і визначення раціональних шляхів дослідження даних залежностей представлена у виді поверхні другого порядку (параболічного циліндра).

Экстремуми поверхонь А =Г(к,Т) і Іпп = і[(к,Т) знайдемо з умов:

Рішення систем рівнянь дає оптимальні значення часу перехідного процесу і величини перерегулювання (рисДО). і =Г(к,Т)

І =((к,Т)

Рис 10. Функції відгуку для величини перерегулювання А і часу перехідного процесу ІЩ,

Отримано адекватні, внутрішньо не суперечливі апроксимаційні моделі, що дозволяють з достатньою точністю (погрішність визначення розрахункових величин не перевищувала 5%) визначити оптимальні настроювання (постійну часу інтегрування Ти і коефіцієнт посилення К)

Приведено порівняльні залежності перехідних процесів у системах регулювання температури теплоносіїв із серійними пропорційними і пропорційно-інтегральними регуляторами і розробленим пристроєм з позиціоне-рами з поліпшеними статичними і динамічними характеристиками, з аналізу яких можна зробити вивід, що в розробленій системі охолодження завдяки застосуванню вищевказаних пневматичних пристроїв, динамічна помилка регулювання зменшується, що приводить до зменшенню витрати палива на 1.2.г/л.сл. і підвищенню ККД ТЕУ на 0,3%.

ВИВОДИ

Дисертаційна робота присвячені актуальної для залізничного транспорту проблемі підвищення економічності й ефективності регулювання температури теплоносія систем охолодження тепловозів шляхом ефективного регулювання витрати охолодного повітря завдяки підвищенню точності і надійності установки кута повороту’ лопаток вентилятора охолодного повітря.

Приведені в дисертації результати проведених теоретичних і експериментальних досліджень дозволяють зробити наступні виводи:

1. На економічність і довговічність систем охолодження теплоносіїв тепловозів істотний вплив робить якість регулювання витрати охолодного повітря, котре може бути досягнуте за умовами підвищення точності установки кута повороту лопаток вентилятора охолодного повітря. Точність установки кута повороту лопаток вентилятора визначається умовами роботи мембранного приводу, що керується позиціонерами з негативним зворотним зв'язком по переміщенню. •

2. Підвищення точності установки кута повороту лопаток вентилятора і, отже, якості регулювання витрати охолодного повітря, можливо при реалізації в позиціонерах додаткових зворотних зв'язків по переміщенню, тиску, температурі, потужності і частоті обертання дизеля.

?. Розроблено математичну модель і її апроксимаційні варіанти, що адекватно описують процеси, що відбуваються в позіционерах охолодних пристроїв тепловозів. Апроксимаційні варіанти рішення дозволяють провести аналіз впливу конструктивних параметрів на статичні і динамічні характеристики і з достатньою точністю розрахувати перехідні процеси і частотні характеристики позиціонеров з метою подальшого їх використання при розрахунках оптимальних температурних режимах ТЕУ.

4. Запропоновано алгоритм реалізації математичної моделі на ЕОМ, заснований на чисельному інтегруванні розробленої математичної моделі методом Рунге-Кутта.

5. З метою перевірки адекватності моделі і визначення ряду її досвідчених величин проведені експериментальні дослідження статичних і динамічних характеристик позиціонерів. Перевірка адекватності моделі проводилась по критерію Фішера, табличне значення якого було 1,9, а розра-хунковиі-1,3, що свідчить об адекватності апроксімаційної моделі.

6. Розроблено, виготовлено і випробувано пристрої регулювання температури теплоносіїв на базі позиціонерів, що володіють поліпшеними статичними і динамічними характеристиками і додатковими зворотними зв’язками, що дозволяють підвищити економічність ТЁУ.

7. Досліджено характеристики елементів і пристроїв системи охолодження на математичній моделі. Визначено границі стійкості, режими настроювання і вплив додаткових зворотних зв’язків на характер перехідного процесу.

8. Отримано рівняння функції відгуку для величин перереіулювання і тривалості перехідного процесу методами ПАДЕ - апроксимації

і визначені раціональні шляхи дослідження цієї залежності. Отримані адекватні, внутрішньо не суперечливі моделі, що дозволяють визначити оптимальні настроювання Пі-регулятора (постійну часу інтегрування Т„ і коефіцієнт посилення ку) для систем охолодження

теплоносіїв, що дозволяє збільшити ефективність регулювання.

9. Реалізація запропонованих конструкційних рішень і рекомендацій в системі охолодження тепловоза 2 ТЭ 121 дозволить, згідно розрахункам, зменшити витрату палива на 1,2г/л.с.г і підвищити коефіцієнт корисної дії двигуна на 0,3%.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ

ДИСЕРТАЦІЇ

1. Ремень В.И. Исследование характеристик пропорциональной пневмоаппаратуры // Тез. докл. 6-го Всесоюзного симпозиума по пневматическим (газовым) приводам и системам управления с международным участием. -Москва-Тула, 1991.-е. 77.

2. Ремень В.И. Пневматический привод с пропорциональными распределителями // Тез. докл. 1 Всесоюзной научн.-техн. конф. Ассоциации специалистов промышленной гидравлики и пневматики “ Проектирование, производство и эксплуатация систем гидропневмопривода, гидропневмоавтоматики, гидропневмомаїшш и их компонентой”.-Киев, 1991.-C.8.

3. Ремень В.И. Пневматический привод с аналоговыми клапанами-усилителями // Тез.докл. научи.-практ.конф. “Гидроаппаратура и гидроприводы Сельскохозяйственных машин Вшпшца, 1993.-е.

4. Ремень В.И., Марголин В.Ю., Славотинский М.В. Математическое моделирование пропорциональных клапанов-усилителей // Коястр. и пр-во трансп. машин. Тем. сб. науч. работ. Вып.24.-Киев.-1995, с.70-77.

5. Осенин Ю.и., Ремень В.И. Пневматический привод регулирующих органов транспортных систем // Зб.иаук.праць. Вид-во СУДУ. Серія “Технїчни науки ’’.-Луганськ, 1999.-с. 95-97.

6. Ремень В.И. Повышение экономичности и эффективности регулирования температуры теплоносителя охлаждающих систем тепловозов // Тез.докл. 9 Междунар.научн.-техн. конф.” Проблемы развития рельсового транспорта “.-Алушта, 1999.-с. 26.

7. Ю.И.Осенин, В.И.Ремень, Я.В. Мугпкаев. Повышение эффективности устройств регулирования температуры теплоносителей систем охлаждения тепловозов //Вісн. Східноукр. держ. ун-ту. - 2000. - № 2(24).-с.263-266.

8. А.С. 1348572, МКИ F15 С 3 / 04 “ Пневматический усилитель “. За-яв.04.11.85. Опубл. 30.10.87.-Бюл.№40.-2 с. СулигаВ.И., Ремень В.И., Черствой A.A.

9. A. С. 1550238, МКИ F 15 С 3 / 04 “ Пневматический аналоговый пре образователь Заяв. 08.10.87. Опублю 15.03.90. Бюл.№10.- Зс. Марголин В.Ю., Пильтенко А.А, Ремень В.И.

10. Заяв, на винахід № 99116431 МПК б F 15 С 3/04 ’’Пневматичний підсилювач”. Подан. 26.11.1999 р. Ремень В. I., Коваленко А. А.,

Мушкаев Я. В.

11. Заяв, на винахід № 99116429 МПК 6 16 ТІ/16 “Пропорційний розподільник”.Подан. 26.11.1999 р. Ремень В.І., Осенін ІО.І.,

Мушкаєв ЯВ.

АНОТАЦІЇ

Ремені, В.І. “Підвищення тсхніко-економічної ефективності пристроїв регулювання температури теплоносителей систем охолодження тешіовоїів”-Рукошіс.

Дисертація на конкурс ученого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.22.07-рухливої склад залізниць і тяга поїздів. -Східноукраїнський державний університет, Луганськ,2000 р.

Захищаються 11 наукових праць, у тому числі 2 авторських посвідчення

і 2 позитивних рішений на винаходи, що містять дослідження питань підвищення економічності систем охолодження тепловозів шляхом застосування позиціонерів із клапанами-підешповачами, призначених для підтримки оптимальних температур теплоносителей на кожному режимі роботи теплоенергетичної установки. .

На базі запропонованих математичних моделей і експериментальних досліджень розроблений ряд перспективних конструкцій підсилювально-перетворюючих устроїв, застосування яких у системах охолодження тепловозів і інших промислових установок дозволить поліпшити якість регулювання, збільшити область усталеності системи і підвищити ефективність охолодних устроїв.

Ключове слово: тепловоз,устрій, що прохолоджує, регулятор, клапан-підсилювач, позиціонер.

Ремень В.И. “Повышение технико-экономичной эффективности устройств регулирования температурь» теплоносителей систем охлаждения тепловозов”-Рукопнсь.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук но специальности 05.22.07-подвижной состав железных дорог и тяга поездов. - Восточноукраинекий государственный университет. Луганск,2000 г.

Защищаются 11 научных работ, б том числе 2 авторских свидетельства и 2 положительных решения на изобретения, содержащих исследования вопросов повышения экономичности систем охлаждения тепловозов путем поддержания оптимальных температур теплоносителей на каждом режиме работы теплоэнергетической установки благодаря применению позиционеров с клапанами-усилителями, предназначенных для управления работой мембранных приводов угла установки лопаток вентилятора и регулирования расхода охлаждающего воздуха.

В диссертации проведен обзор и рассмотрены системы охлаждения теплоносителей тепловозов с различными элементами и устройствами регулирования температуры и методы их расчета.

В настоящее время в системах охлаждения локомотивов применяются в основном простые по конструкции релейные устройства регулирования температуры теплоносителя, которые не обеспечивают качественного регулирования температуры и приводят к значительному увеличению расхода энергии на привод вентиляторов охлаждающих устройств. Эти устройства могут работать в автоколебательном режиме, что создает тяжелые условия для двигателя в целом.

Исходя из цели и задач исследований, были предложены принципиальные схемы и конструктивные варианты позиционеров , имеющие дополнительны обратные связи по различным возмущающим воздействиям (давлению, перемещению, температуре и т.д. и т.п.) и обладающими улучшенными статическими и динамическими характеристиками, использование которых для управления и регулирования расходом воздуха в системах охлаждения приводит к повышению эффективности их работы и двигателя в целом.

Разработанная математическая модель и ее аппроксимационные варианты позволили достаточно точно рассчитать переходные процессы и частотные характеристики позиционеров и провести анализ влияния геометрических и энергетических параметров на их динамические характеристики. Для решения системы дифференциальных уравнений, описывающих происходящие в позиционерах процессы, был выбран метод Рунге-Кутта и все вычисления производились в среде пакета прикладных программ MATLAB for WINDOW S. Проведешше экспериментальные исследования позволили определить опытные величины, входящие в математическую модель (коэффициенты расхода ц, гидродинамической силы V)/ и вязкого трения а) и проверить ее адекватность по критерию Фишера. Была разработана методика проведения эксперимента и определены погрешности измерений. Используя планирование эксперимента, методом Паде-аппроксимации получены уравнения функции отклика, позволяющие достаточно просто и с малой ошибкой рассчитать переходные процессы, которые в дальнейшем используются для расчета динамических характеристик элементов и устройств системы охлаждения в целом.____________

Разработаны принципиальные схемы охлаждающих устройств с позиционерами на базе клапанов-усилителей, обладающими улучшенными статическими и динамическими характеристиками, которые позволяют повысить экономичность ТЭУ. Исследованы характеристики элементов и устройств системы охлаждения на математической модели. Определены границы устойчивости, режимы настройки и влияние ее параметров на характер переходного процесса. Показано, что использование разработанных клапанов-усилителей с улучшенными статическими и динамическими характеристиками в позиционерах для регулирования расхода воздуха в охлаждающих системах теплоносителей тепловозов позволяет уменьшить погрешность и увеличить точность поддержания оптимальных температур

на всех режимах работы ТЭУ.. Применение астатических комбинированных устройств регулирования температуры с разработанными позиционерами в охлаждающей системе двигателя тепловоз 2 ТЭ 121 позволит, согласно расчетам, уменьшить расход топлива на 1,2г/л.с.ч и повысить коэффициент полезного действия двигателя на 0,3%.

Ключевые слова: тепловоз, охлаждающее устройство, регулятор, клапан-усилигель, позиционер.

Remen V.I. "Increasing of Locomotive Cooling System of Temperature Regulation Devices of Heat-Carrier Technical Efficicncy" - Manuscript

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of technical science on a speciality 05.22.07- rolling-stock of railways and the train traction. -East Ukrainian State University, Lugansk, 2000.

Eleven scientific papers, including two patents and two positive solutions on the inventions, containing research of problems of increasing locomotive cooling system of heat-canier profitability by application of positioners with valves - amplifiers intended for maintaining of optimum temperatures of heat-carriers on each operational mode of heat power installation have been submitted to support.

On basis of offered mathematical models and experimental reseaiches the number of perspective constructions positioners with valve-amplifiers are developed, which application in locomotive cooling systems and other industrial installations will allow to improve quality of regulation, to increase area of stability of this system and to increase efficiency of cooling systems.

Key word: locomotive, cooling system, regulator, valve - amplifier, positioner.