автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Совершенствование законов регулирования силовых установок тепловозов с целью повышения их технико-экономических характеристик

Фурман Виктор Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЗАКОНОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК ТЕПЛОВОЗОВ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ИХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Специальность

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 г 0Г3

Самара

2011

005011674

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный университет путей сообщения» (СамГУПС) на кафедре «Локомотивы».

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор

заседании диссертационного совета Д218.011.01 в Самарском государственном университете путей сообщения по адресу: г. Самара, ул. Свободы, 2а, корп. 5, ауд. 5216.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан «¿У» 201(Рг.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по адресу диссертационного совета Д218.011.01: 443066, г. Самара, 1-й Безымянный пер., 18, СамГУПС, факс: (846) 262-30-76.

Коссов Евгений Евгеньевич

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Грищенко Александр Васильевич

- кандидат технических наук, Азаренко Валентин Алексеевич

Ведущая организация:

Московский государственный университет путей сообщения Защита диссертации состоится РЗ 2012 г. в.

часов на

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 218.011.01

кандидат технических наук, доцент В.С. Целиковская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность.

Природные топливно-энергетические ресурсы и созданный производственный, научно-технический и кадровый потенциал энергетического сектора экономики - национальное достояние России. Вопросы рационального и эффективного использования топливно-энергетических ресурсов становятся в настоящее время одним из основных необходимых условии дальнейшего развития практически всех отраслей народного хозяйства России.

Одним из направлений осуществления этих мероприятий является повышение эффективности и надежности технических средств железнодорожного транспорта, снижение удельных транспортных издержек на основе ускорения внедрения новой техники, прогрессивной технологии и автоматизированных систем управления, повышения уровня ремонтных работ.

Использование автоматизированных систем управления и диагностирования локомотивов в перспективе позволяет компенсировать рост затрат на топливно-энергетические ресурсы. Поэтому необходимо проведение научных исследований, направленных на разработку новых методов и средств управлени-ия энергетическими установками тепловозов и их оборудованием.

Диссертационная работа направлена на совершенствование систем управления дизель-генераторами при работе на установившихся режимах и в переходных процессах с целью снижения расхода топлива при эксплуатации тепловозов , что является актуальной задачей.

Цель и задачи исследований.

Целью исследования является разработка и реализация законов управления силовыми установками тепловозов при применении электронного управления частотой вращения коленчатого вала дизеля и мощностью тяговой передачи.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Выполнить анализ существующих систем регулирования,дизель-генераторами тепловозов, проанализировать реализуемые в них законы управления и эффективность их использования.

2. На основе теоретического исследования выявить взаимосвязи между реализуемыми законами управления дизель-генераторами и техникоэкономическими показателями работы тепловозов.

3. Разработать предложения по усовершенствованию законов управления дизель-генераторами тепловозов и алгоритмы их реализации электронными системами регулирования.

4. Разработать конструкции электронных систем регулирования и программы, реализующие выбранные законы и алгоритмы управления.

5. Провести эксплуатационную проверку работоспособности и расчет экономической эффективности использования разработанных систем на тепловозах.

Объект исследования. Системы управления дизель-генераторами тепловозов.

Предмет исследования. Взаимосвязь реализуемых законов регулирования частоты вращения и мощности дизель-генераторов с техникоэкономическими показателями работы тепловозов.

Методы исследования.

Поставленная задача решалась методами математического моделирования показателей работы тепловозов, экспериментальными исследованиями процессов и алгоритмов управления силовыми установками тепловозов на стендах и тепловозах.

Научная новизна работы.

Разработаны новые подходы к созданию алгоритмов регулирования силовых установок тепловозов, реализующих оптимальное управление частотой вращения и мощностью дизель-генераторов при работе на установившихся и переходных режимах работы.

Разработан алгоритм управления силовой установкой тепловоза с адаптацией режимов работы к внешним условиям.

Введено новое понятие - скоростная ограничительная характеристика переходного процесса.

Разработана методика определения предлагаемой характеристики, определены рациональные скоростные (тепловозные) характеристики с учетом ограничительной характеристики переходного процесса.

Достоверность научных положений и результатов.

Достоверность научных положений, выводов и результатов исследований подтверждена положительным опытом эксплуатации тепловозов, оснащенных электронными системами управления, реализующими разработанные в диссертации характеристики и алгоритмы.

Практическая ценность.

Разработано программное обеспечение, реализующее предложенные автором характеристики и алгоритмы управления, для дизель-генераторов тепловозов.

Реализация результатов работы

Разработанные алгоритмы управления составили основу созданных под руководством автора электронных регуляторов частоты вращения и мощности типа ЭРЧМЗОТ, которые установлены и эксплуатируются на тепловозах ЧМЭЗ, ТЭМ2, ТЭМ18Д, 2ТЭ10, 2ТЭ116, ТЭП70 и 2ТЭ25 в количестве более 2000 ед.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Алгоритм и способ реализации оптимального управления переходным процессом дизель-генератора тепловоза.

2. Понятие и метод определения ограничительной характеристики переходного процесса.

3. Алгоритм и способ реализации процесса адаптации заданных характеристик нагружения в зависимости от внешних условий работы тепловоза.

Апробация работы.

Основные материалы диссертации поэтапно докладывались, обсуждались и получили одобрение на Межотраслевой научно-технической конференции «Современные проблемы развития поршневых ДВС», посвященной 75-летию кафедры судовых ДВС и дизельных установок Санкт-Петербургского государственного морского университета, 2005г., на Всероссийском научнотехническом семинаре в МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2005 и в 2006гг., на Международной конференции Двигатель-2007, посвященной 100-летию школы двига-телестроения МГТУ им. Н.Э. Баумана,2007г., на научно-техническом семинаре кафедры «Локомотивы» СамГУПС, 2011 г.

Публикации.

Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в

1 монографии, 10 статьях, из них 4 - в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, тезисах двух докладов, а также в 5 патентах, выданных Госреестром изобретений РФ.

Структура и объем работы.

Диссертация изложена на 149 страницах машинописного текста, включая 16 таблиц, 30 рисунков, и состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка из 91 наименования приложений на 6 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, как совершенствование законов управления силовыми установками тепловозов, научная новизна исследования и практическая ценность внедрения на железнодорожном транспорте электронных регуляторов, реализующих разработанные алгоритмы управления.

В первой главе проведен анализ развития систем управления дизель-генераторами тепловозов от первого тепловоза с электрической передачей, созданного профессором Гаккелем Я.М. в 1924 г., до современных гидромеханических объединенных регуляторов, созданных фирмой \Vodward (США), Коломенским тепловозостроительным заводом и другими. Значительный вклад в создание и развитие систем управления тепловозными силовыми установками внесли Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ), Харьковский политехнический институт (ХПИ), Московское высшее техническое училище им. Н.Э.Баумана (МВТУ), Харьковский институт инженеров железнодорожного транспорта (ХИИТ) и ряд других организаций. Вопросы совершенствования процессов регулирования дизель-генераторов исследовали Крутов В.И., Толшин В.И., Грунауэр А.А., Круглов М.Г., Белостоц-кий А.М., Кудряш А.П., Гиттис В.Б., Долгих И.Д., Володин А.И., Коссов Е.Е., Канило П.М. и ряд других.

В начале развития тепловозной тяги перед системами регулирования ставились задачи обеспечения заданных величин частоты вращения и мощности на

установившихся режимах работы дизель-генератора. Рассмотрены принципы регулирования режимов работы на первом тепловозе Я.М.Гаккеля, на тепловозах типа ТЭМ1, ТЭЗ, 2ТЭ10.

Показано, что по мере увеличения степени форсировки дизелей по наддуву от 0,5 до 2,0 МПа возрастают требования к системам регулирования. Становится необходимым качественно изменить управление неустановившимися режимами, характерными для работы тепловозов. Наивысшим достижением в развитии систем регулирования на базе гидромеханических регуляторов является реіулятор 4-7РС2, созданный под руководством Б.П.Колосова на Коломенском тепловозостроительном заводе.

Кроме оригинальной конструкции в регулятор введены дополнительные ограничительные характеристики подачи топлива и нагрузки в зависимости от давления наддува. Регуляторы 4-7РС2 хорошо зарекомендовали себя в эксплуатации. Недостатками этого регулятора явились нестабильность настроек при длительной эксплуатации и сложность настройки ограничителей, требовавшей высокой квалификации обслуживающего персонала.

Дальнейшим шагом в развитии процессов регулирования статических скоростных характеристик дизель-генераторов тепловозов явилось создание электронных систем управления статическими характеристиками дизель-генераторов. Одной из таких систем является система Bright Star фирмы Дже-нерал Электрик США. В этой системе с высокой точностью задаются частота вращения дизеля и мощность тягового генератора.

Универсальная микропроцессорная система тепловозной автоматики (МСУД) создана в России усилиями специалистов Всероссийского научноисследовательского конструкторского тепловозного института (ВНИКТИ), г. Коломна Московской области. Так же как и система Bright Star фирмы GE, система МСУД позволяет задавать статические скоростные характеристики дизель-генераторов с широким изменением поля заданных режимов работы. В этой системе в соответствии с установленной позицией контроллера задается частота вращения коленчатого вала дизеля и уровень мощности тягового генератора по «селективной» характеристике. Система МСУД широко применяется на тепловозах М62,2ТЭ10МК, 2ТЭ116, ТЭП70 и др.

Приведенный в диссертации анализ развития систем регулирования тепловозных дизель-генераторов показывает, что при появлении электронных систем управления мощностью тяговой передачи, оказались не решенными задачи создания электронных систем регулирования частоты вращения коленчатого вала и мощности тягового генератора.

На основании материалов первого раздела поставлены следующие задачи исследования:

- сформулировать алгоритм управления переходным процессом дизель-генератора тепловоза при повышении форсировки дизеля по среднему эффективному давлению для реализации в микропроцессорной системе управления;

- разработать программное обеспечение систем регулирования дизель-генераторов тепловозов при оптимальном переходном процессе и изменении статических скоростных характеристик в широком диапазоне рабочих режимов;

- разработать конструкции и схемные решения для электронного управления частотой вращения и нагрузкой тепловозных дизель-генераторов;

- проанализировать влияние формы статических скоростных характеристик на показатели работы тепловозов в различных климатических условиях;

- реализовать в конкретных конструкциях разработанные законы управления дизель-генераторами;

- провести эксплуатационные испытания разработанных конструкций и программ с определением их технико-экономических характеристик.

Во втором главе проведен анализ теоретических исследований, посвященных работе тепловозных дизель-генераторов и методам оценки показателей работы тепловозов на режимах эксплуатации. Большой вклад в решение этой проблемы внесли А.З.Хомич, А.Э.Симеон, А.И.Володин, Г.А.Фофанов, ЛА.Грунауэр, И.Д.Долгих, Э.Д.Тартаковский и др. Известны методы расчета показателей работы дизель-генераторов на установившихся и переходных процессах ВЛТолшина, В.ИКрутова, А.М.Белостоцкого, Л.Е.Тимановской и др. Разработанные методы расчета показателей работы дизель-генераторов и тепловозов на режимах эксплуатации позволяют оценить разработанные конструкции и принятые алгоритмы регулирования по топливной экономичности и про-

изводительности. Однако при разработке новых алгоритмов регулирования, перечисленные выше методики оказались неприемлемыми.

В данной работе за основу принималась формулировка оптимального переходного режима в тепловозном дизель-генераторе, как режима с максимальным быстродействием при ограничении параметров рабочего процесса. В диссертации за основу теоретического исследования принята методика расчета показателей работы дизель-генератора на режимах эксплуатации, разработанная Е.Е.Коссовым. Задачей данного исследования на первом этапе явилась разработка алгоритмов и программного обеспечения для реализации в электронном регуляторе заданных законов регулирования по статическим характеристикам и алгоритмов оптимального управления переходными процессами. В работе представлен уточненный алгоритм управления переходным процессом. Сложность заключалась в том, чтобы обеспечить независимое управление частотой вращения коленчатого вала и мощностью тягового генератора при обеспечении заданных ограничений параметров рабочего процесса и заданного быстродействия по угловому ускорению коленчатого вала. Задача решена автором путем задания приоритетов при выборе управляющих воздействий в виде изменений подачи топлива и возбуждения тягового генератора. При наличии рассогласований в фактических и заданных величинах частоты вращения коленчатого вала и мощности тягового генератора, изменение подачи топлива определяется по ограничению параметров рабочего процесса.

Уточнены и включены в алгоритмы и программное обеспечение требования тяги поездов к показателям работы дизель-генератора в эксплуатационном режиме:

- в переходном процессе приема нагрузки мощность тягового генератора не должна снижаться, т.е.

(1Р?!си :-0 при (0,<0Л " Р/Р г- (О

где о)а, (>)а* - текущая и заданная угловая скорость коленчатого вала,

рад/с;

Рг, Рг* - текущая и заданная мощность тягового генератора, Вт;

- темп увеличения мощности тягового генератора не должен превышать величины, ограниченной условиями трогания состава с места и при его движении;

- заданы ограничительные параметры рабочего процесса и вращательного движения коленчатого вала и присоединенных к нему агрегатов;

- допустимый расход топлива В, кГ/с;

- допустимое ускорение коленчатого вала йсо/Ш, рад/с2;

- допустимый темп изменения мощности тягового генератора (¡Р/Л ,

Вт/с;

- допустимый суммарный коэффициент избытка воздуха сад

- допустимый уровень температур рабочего тела и теплоносителей и т.п.

При выборе величин управляющих параметров использовалось дифференциальное уравнение вращательного движения коленчатого вала:

л <у/(ЛЛ2) \й(од1<а)г\н{я^В!й1 +в-(1ч1<цу

~(1РМ1 -¿РТР'Л-с1Р/с!1 - (2.)

где Рр— мощность дизеля, передаваемая тяговому генератору, кВт;

РГр, Р«с - мощности механических потерь в двигателе и агрегатов собственных нужд тепловоза;

- суммарный момент инерции вращающихся узлов дизеля и агрегатов тепловоза, присоединенных к валу дизеля.

Теоретический анализ законов управления дизель-генераторов проводился путем моделирования режимов работы тепловозов при выполнении поездных операций, характерных для исследуемого типа локомотива.

В диссертации рассмотрены основные допущения и алгоритм имитационной модели расчета показателей работы тепловоза в эксплуатации. Сокращенно порядок расчета показателей работы тепловоза можно представить следующим образом:

1. По параметрам элемента профиля пути и заданной скорости движения V* определяется необходимая мощность силовой установки тепловоза в установившемся режиме Р*т, обеспечивающая достижение заданной скорости движения с некоторым ускорением (I У*/Ж:

К = 4'{<2 +р)^-+(№\ + №)£> +Р(Г'о+Г,Х (3)

где - коэффициент массы с учетом изменения кинетической энергии вращающихся масс, равный 1,08;

Q, Р — масса соответсвенно поезда и локомотива;

ТГ”о. ГГ’о - основное удельное сопротивление движения соответственно поезда и локомотива;

Щ - дополнительное удельное сопротивление движения от уклона.

2. Проверяется возможность реализации заданной силы тяги Р*г. Если тяговая мощность Р*г меньше номинальной, то рассчитывается угловая скорость Щ коленчатого вала дизеля, необходимая для ее реализации. В расчетах принималось, что потери в тяговой передаче пропорциональны току тяговых электродвигателей или силе тяги Рк:

Р пт РП

(4)

где Рпттшг потери в передаче при реализации номинальной мощности Рт,юл, и максимальной силе тяги Рк-тах.

3. С помощью математической модели рабочих процессов в дизель-генераторе рассчитываются показатели переходного процесса дизеля с заданным интервалом времени /іі.

4. Затем производится интегрирование дифференциального уравнения движения поезда с заданным интервалом времени Л , определяются значения <іРк/йі и сі УМ и сравниваются с заданными. Если (¡Р^/Ж и <1 ¥/(1: превышают заданные значения, то вычисляется допустимое значение [¿Р//<//], соответствующее ограничениям, которое затем используется в расчете переходного процесса.

5. Проверяется путь, пройденный поездом от начала движения по участку, и заданная скорость его движения. Если поезд преодолел заданное расстояние Ь, то расчет прекращается. Если скорость достигла заданного значения, его ускорение принимается равным нулю, вычисляются значения заданной мощности Р*т и угловой скорости коленчатого вала дизеля шй, соответствующие равновесному режиму.

• 12 Проверяются условия окончания переходного процесса. В рабочих программах предусмотрено увеличение шага интегрирования уравнений движения поезда после окончания переходного процесса.

В качестве критерия качества при оценке эффективности законов регулирования принимался максимум производительности локомотива при производстве поездной операции П, отнесенной к расходу топлива В:

W'=n/B=> max (*)

Если учесть, что производительность локомотива

П = А/Т>

где А - работа выполняемая при осуществлении данной операции, Дж;

Т - время проведения поездной операции, с, то критерий можно записать в виде

W = В-Т =* min > при A=const (б)

Максимум критерия достигался методом итераций при пошаговом изменении рассматриваемых законов регулирования. В качестве параметров при выборе законов регулирования принимались ограничительная характеристика переходного процесса, быстродействие силовой установки, уровни заданных скоростных характеристик, ограничительные величины углового ускорения коленчатого вала, темпа изменения нагрузки тягового генератора, внешние условия по температуре и давлению наружного воздуха.

Имеется ряд работ, посвященных выбору рациональных скоростных характеристик по заданному критерию качества. В этих работах параметром рабочего процесса выбирался коэффициент избытка воздуха. Однако отсутствуют обоснования его максимально допустимой величины. Эта величина в переходном процессе принималась в пределах 1,2 -г- 1,35, и на наш взгляд, требует дополнительных обоснований. На рис. 1 представлена схема переходных процессов, осуществляемых гидромеханическим регулятором 4-7РС2 и предлагаемого в диссертации. Площадь ограничения линиями 1,2’,3’,4,5’,6’ представляет собой работу, затраченную на изменение кинетической энергии вращения коленчатого вала и связанных с ним агрегатов.

Эта площадь снизу ограничена линиями 1,6’,5’, сверху 1,2’,3’. Линия 1,6’ обеспечивает постоянство тяговой мощности во время переходного процесса. Линия 6’,5’ соответствует селективной скоростной характеристике ВР. При применении современных систем управления от селективной характеристики ВБ можно отказаться. Тогда величина энергии, направленной на изменение скоростного режима может быть увеличена по линии 6’5. На наш взгляд следует уделить большее внимание верхней границе этой площади (2’,3’, рис. 1). В литературе отсутствуют обоснован™ выбора уровня ограничительной характеристики (линия 2

’3’).

В рассматриваемом процессе (1,2’, рис. 1) изменение индикаторной мощности при увеличении подачи топлива будет происходить при постоянной частоте вращения коленчатого вала и при практически постоянном расходе воздуха через дизель, так как при быстром изменении подачи топлива (линия 1,2’, рис. 1) свободный турбокомпрессор в силу инерционности не успевает изменить режим работы.

Рис. 1. Переходный процесс в дизель-генераторе тепловоза в серийном (1,2', 3', 4, 5', 6') и в разработанном (1,2, 3,4, 5) вариантах (схематично)

АВ - скоростная (тепловозная) характеристика;

СБ - ограничительная скоростная характеристика установившегося режима;

ЕР - селективная скоростная характеристика;

2,3 - вновь проложенная ограничительная характеристика переходного процесса.

Определим изменение индикаторной мощности:

Р, = Н.ЯДю,2'2яг. (?)

где Ни - низшая теплотворная способность топлива, кДж/кг;

Wà- частота вращения коленчатого вала, р/с;

Tji - индикаторный коэффициент полезного действия (К.П.Д.).

В силу принятых допущений получим:

Получим:

так как

dp =

H„Z со,

CCz

dP =

2жх Gv2kt

і drj.

(8)

(9)

À0Z a>dqa

H„Z a> 2ttt

. Gv27TT -2 г « daz=— -r, qjK

Ira*

ÀsüCûd'Zj

ÔJI

ôaz

(10)

(ii)

В рассматриваемом процессе индикаторная мощность Р, достигает максимума при ¿Р,=0, то есть при

Таким образом при «мгновенном» повышении подачи топлива индикаторная мощность будет повышаться только до определенной величины, обусловленной соотношением (12) и дальнейшее повышение подачи приводит лишь к повышению дымления без увеличения мощности.

Величина допустимой подачи топлива будет зависеть от уровня мощности дизель-генератора в начале переходного процесса двигателя. Выбор рациональ-

ных уровней мощности для различных частот вращения проводился на основании имитации режимов работы тепловоза по минимуму величины критерия (6).

В соответствии с изложенными выше теоретическими положениями были определены рациональные законы управления основного парка эксплуатируемых тепловозов ТЭМ2, ЧМЭЗ, 2ТЭ10, 2ТЭ116, ТЭП70, 2ТЭ25 с учетом новых положений о выборе ограничительной характеристики переходного процесса. Выбор рационального закона управления (скоростной тепловозной характеристики) проводился по описанной выше методике после предварительного расчета уровней ограничительных характеристик переходного процесса и назначения вариантов скоростных характеристик для оценки их эффективности по выбранному критерию.

Проведенные расчеты показали, что совершенствование законов управления может быть более эффективным при одновременном изменении характеристик дизеля, тяговой передачи и способов регулирования.

В диссертации рассмотрены примеры совершенствования микропроцессорных систем регулирования при изменении скоростных характеристик дизелей за счет совершенствования систем наддува и применения в силовой электрической цепи локомотива накопителей энергии.

По результатам теоретических исследований сформулированы технические задачи, решение которых позволяет реализовать выбранные законы регулирования.

Третья глава посвящена разработке микропроцессорной системы автоматического регулирования частоты вращения коленчатого вала дизеля и мощности тягового генератора тепловозов. В диссертации приведены структурная и функциональная схемы разработанной микропроцессорной системы автоматического регулирования.

Особенностью этой микропроцессорной системы является ее универсальность и возможность расширения функций при усложнении законов регулирования управляемого объекта и алгоритмов его функционирования. В 32-х разрядной вычислительной части системы используется 484 процессор Репйшп И. Вычислительная часть получает сигналы от объекта регулирования, формирует управляющие сигналы и передает их органам управления. В диссертации

описаны конструктивное исполнение и основные функции, выполняемые системой на тепловозе. Отличительной особенностью управляющей системы является исполнительное устройство ИУ, функциональная схема которого показана на рис. 2.

ИУ предназначено для управления рейками топливных насосов высокого давления дизеля и состоит (см.рис. 2) из трех корпусов: верхнего 1, среднего 2 и нижнего 3, крышки 4 и датчика положения 5, закрепленного на верхнем корпусе. В верхнем корпусе 1 расположен выходной вал 6, рычаг 7 и система рычагов 8 обратной связи. К торцу верхнего корпуса четырьмя болтами крепится поворотный магнит 9. Рядом на корпусе находится штепсельный разъем (на рис. не показан) для его подключения к блоку управления.

Рис. 2. Функциональная схема исполнительного устройства ЭГУ 104

В среднем корпусе 2 расположены шестерни масляного насоса 10 и 11, втулка золотника 12, золотник 13, поршень сервомотора и аккумулятор (на рис.

2 не показан).

Силовой вал

В нижнем корпусе 3 располагается приводной вал 14, манжета 15 и шариковый подшипник 16, который фиксируется фланцем 17.

Разработаны чертежи установки микропроцессорной системы на тепловозах указанных типов и датчики, необходимые для ее функционирования.

В четвертой главе приведены результаты испытаний и эксплуатации микропроцессорной системы регулирования ЭРЧМЗОТ. Система устанавливается на тепловозах ТЭМ2, ЧМЭЗ, 2ТЭ10, 2ТЭ116, ТЭП70, 2ТЭ25.

Испытания системы ЭР4М30Т проводились на стендах ООО «ППП «Ди-зельавтоматика», ОАО «Коломенский завод» и на тепловозах. В процессе испытаний на установившихся и в переходных процессах установлено, что показатели работы системы регулирования как регулятора частоты вращения и регулятора мощности тягового генератора, удовлетворяют всем требованиям к таким устройствам, предусмотренным нормативной документацией. На рис. 3 приведена осциллограмма переходного процесса в дизель-генераторе 2А-9ДГ тепловоза ТЭП70 при переводе позиции контроллера с 1-й на 15-ю.

Рис. 3. Переходный процесс разгона дизеля

Время набора оборотов двигателя при переводе контроллера машиниста с нулевой на пятнадцатую позицию не превышает 23 с. При этом заброс оборотов при выходе на номинальную нагрузку составляет не более 0,6%. Такой существенный показатель, как нестабильность частоты вращения коленчатого вала двигателя на холостом ходу и под нагрузкой не превышает 0,55% при допуске 4%.

Из приведенных кривых переходных процессов видно (рис. 3), что длительность переходного процесса дизеля составляет всего 40 с, а подача топлива устанавливается по заданной ранее ограничительной характеристике переходного процесса Ир. После достижения заданной частоты вращения коленчатого вала (о>й, рис. 3) нагружение дизеля осуществляется регулированием мощности тягового генератора (1ТГ, рис. 3). Это позволяет считать процесс управления силовой установкой тепловоза оптимальным с точки зрения максимального быстродействия полноты использования мощности дизеля, минимизации эксплуатационного расхода топлива, дымности выхлопа, а также снижения температурной напряженности и повышения надежности.

Испытаниями установлено, что применение микропроцессорной системы регулирования ЭРЧМ30Т позволяет существенно улучшить экологические характеристики по окислам азота и углерода (до 10 + 20 %), по дымлению в 2 -з-

3 раза.

На 01.01.2011 г. на тепловозах установлено более 2000 систем. Принято решение ОАО «РЖД» об оснащении такими системами всего эксплуатируемого парка тепловозов.

В работе приведены результаты эксплуатации тепловозов ЧМЭЗ на Приволжской и Московской ж.д., которые подтвердили высокую надежность работы системы и повышение топливной экономичности тепловозов.

В диссертации рассмотрены примеры использования системы при расширении области рабочих режимов дизеля за счет совершенствования системы наддува и при применении накопителя энергии в силовой электрической цепи тепловоза.

В пятой главе приведены методика и результаты техникоэкономической эффективности применения электронных регуляторов и разра-

ботанных законов управления в эксплуатации. Показано, что применение электронных регуляторов, установленных на тепловозах, дает экономический эффект более 430млн.руб. в год. Изменение области рабочих режимов и применение адаптации характеристик на тепловозе 2ТЭ116 позволяет дополнительно экономить на стоимости топлива более 370,0 тыс.руб. в год на один тепловоз.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации решена крупная научно-техническая задача совершенствования законов регулирования дизель-генераторов тепловозов путем создания и внедрения микропроцессорных систем регулирования частоты вращения коленчатого вала дизеля и мощности тягового генератора, позволивших повысить топливную экономичность тепловозов. В процессе решения основной задачи исследования поставлены и решены следующие вопросы:

1. Проведен анализ развития систем регулирования тепловозов, на основании которого сделан вывод о необходимости существенного повышения качества регулирования силовых установок по мере увеличения форсировки по наддуву. Имевшиеся в эксплуатации электрогидромеханические регуляторы фирмы Woodward (США) и 4-7РС2, Коломенского тепловозостроительного завода (Россия), не могут обеспечить требуемую стабильность работы и дальнейшее совершенствование законов управления.

2. Впервые введено понятие «ограничительная скоростная характеристика переходного процесса», дана методика ее определения и проведена оценка влияния на заданные скоростные (тепловозные) характеристики. Показано, что ограничением подачи топлива в переходном процессе является не ограничение дымности выхлопа, а снижение темпа роста индикаторной мощности.

3. Теоретический анализ влияния законов регулирования на показатель поездной работы показал, что за счет совершенствования системы управления можно снизить расход топлива тепловозами в эксплуатации от 3 до 15% в зависимости от вида поездной работы при сохранении их производительности.

4. Применение усовершенствованных законов управления возможно только при существенном улучшении качества системы регулирования. В диссертации задача решена путем создания электронных регуляторов частоты

вращения коленчатого вала и мощности тягового генератора, для которых разработаны программное обеспечение, электронные планы, схемные решения, конструкции исполнительных устройств и датчиков.

5. При непосредственном участии автора данной работы созданы электронные регуляторы ЭРЧМЗОТ для дизель-генераторов тепловозов ЧМЭ2, ЧМЭЗ, ТЭМ18Д, 2ТЭ10, 2ТЭ116, ТЭП70 всех модификаций. Разработаны проекты установки и эксплуатационная документация. В настоящее время регуляторы ЭРЧМЗОТ успешно эксплуатируются более чем на 2000 тепловозах РЖД и стран содружества.

6. На базе созданного электронного регулятора ЭРЧМЗОТ впервые создана адаптивная система управления, корректирующая закон регулирования в зависимости от температуры наружного воздуха. Система реализована на тепловозе 2ТЭ116 №1360 и в эксплуатации позволила получить стабильную экономию топлива 9-10%, что хорошо согласуется с результатами теоретических исследований.

7. Внедрение электронного регулирования обладает высокой техникоэкономической эффективностью. Применение регулятора ЭРЧМЗОТ на тепловозах дает экономию около 430,0 млн.руб. в год. Применение адаптивной системы позволяет только за счет снижения расхода топлива дополнительно экономить более 370,0 тыс.руб. в год на каждый тепловоз.

Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в следующих печатных работах:

1. Фурман В.В., Аникеев И.П., Коссов Е.Е., Кирьянов А.Н., Лобанов С.В. Электронный регулятор дизеля тепловоза ЧМЭЗ, "Локомотив", № 3,2002г., 7 с.

2. Фурман В.В., Аникеев И.П., Коссов Е.Е., Нестрахов A.C., Бычков Д.А., Кирьянов А.Н.Лобанов С.В. Электронный регулятор для дизель-генератора магистрального тепловоза, "Локомотив”, № 6,2004г., 5 с.

3. Фурман В.В., Аникеев И.П., Коссов Е.Е.,Нестрахов A.C., Бычков Д.А., Кирьянов А.Н., Лобанов С.В. Электронный регулятор для дизель-генератора магистрального тепловоза, "Локомотив", № 7,2004г., 4 с.

4. Фурман В.В., Аникеев И.ГІ., Кирьянов А.Н., Лобанов C.B. Электронный регулятор для маневрового тепловоза ЧМЭЗ, "Локомотив", № 7, 8, 9, 2010г., 7 с.

5. Коссов Е.Е., Шапран Е.М., Фурман В.В. Совершенствование режимов работы силовых энергетических систем тепловозов, Монография. Луганск, Издательство Східноукраінский национальный университет им. Владимира Даля,

2006., 280 с.

6. Марков В.А., Фурман В.В., Полухин Е.Е. Улучшение показателей топливной экономичности и токсичности отработавших газов путем совершенствования системы автоматического регулирования частоты вращения, «Грузовик &», 2005, № 11, с.25-30, «Грузовик &», 2005, № 12, с.19-24.

7. Марков В.А., Шленов М.И., Фурман В.В., Оценка расхода топлива и токсичности отработавших газов дизеля на различных режимах, «Грузовик &», 2006, № 2, с.40-49.

8. Марков В.А., Шленов М.И., Полухин Е.Е., Шатров В.И., Поздняков В.Ф., Фурман В.В. Влияние формы внешней скоростной характеристики на токсичность отработавших газов дизеля в переходных процессах, Материалы докладов международной конференции "Двигатель-2007", посвященной 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э. Баумана. М.: МГТУ им. Баумана,

2007., с.329-335.

9. Кузнецов А.Г., Марков В.А., Шатров В.И., Фурман В.В., Афанасьев В.Н. Методика оценки расхода топлива и выбросов токсичных компонентов отработавших газов транспортного дизеля на неустановившихся режимах. Материалы докладов секции "Двигатели внутреннего сгорания" международного симпозиума "Образование через науку", посвященного 175-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005., с. 94.

10. Кузнецов А.Г., Марков В.А., Шатров В.И., Фурман В.В. Оценка расхода топлива и выбросов вредных веществ с отработавшими газами дизеля, работающего на неустановившихся режимах, Материалы межотраслевой научнотехнической конференции "Современные проблемы развития поршневых ДВС", посвященной 75-летию кафедры судовых ДВС и дизельных установок Санкт-Петербургского государственного морского технического университета. С.-Пб.: СПбГМТУ, 2005., с.28-29.

11. Кузнецов А.Г., Марков' В.А., Шатров В.И., Шленов М.И., Полухин Е.Е., Фурман В.В. Методика оценки расхода топлива и токсичности ОГ дизеля на неустановившихся режимах работы, Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. 2005. № 4. (Тезисы доклада на ВНТС в МГТУ им. Н.Э. Баумана), с. 113.

12. Кузнецов А.Г., Марков В.А., Шатров В.И., Фурман В.В., Федянов A.B. Анализ статических и динамических свойств САР дизель-генератора, Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. 2006. № 3. (Тезисы доклада на ВНТС в МГТУ им. Н.Э. Баумана), с.112-113.

13. Коссов Е.Е., Аникиев И.П., Кирьянов А.Н., Лобанов B.C., Черезов И.А., Фурман В.В., Миронов В.А.. Электронное управление подачей топлива, «Локомотив», №7,2011 г., с.29-31.

Список изобретений (патентов)

1. Фурман В.В., Иванов В.А. Электромагнитное исполнительное устройство с крестообразным пружинным шарниром, №2390817, Заявка № 200В115085 Приоритет изобретения 16 апреля 2008г. Зарегистрировано в Гос.реестре изобретений РФ 27 мая 2010г. Срок действия патента истекает 16 апреля 2028 г.

2. Фурман В.В., Лобанов С.В., Протасов Д.Б. Способ регулирования частоты вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания., №2168647, Заявка № 99126219 Приоритет изобретения 14 декабря 1999г. Зарегистрировано в Гос.реестре изобретений РФ 10 июня 2001г.. Срок действия патента истекает 14 декабря 2019 г.

3. Фурман В.В.Чертов С.Н., Способ улучшения качества регулирования двигателей внутреннего сгорания и устройство для его осуществления, №2179253, Заявка № 2000102778, Приоритет изобретения 03 февраля 2000г. Зарегистрировано в Гос.реестре изобретений РФ 10 февраля 2000г. Срок действия патента истекает 03 февраля 2020 г.

4. Фурман В.В., Кирьянов А.Н., Лобанов С.В., Коссов Е.Е. Способ управления работой транспортного средства с электрической передачей и устройство для его осуществления, №2182086, Заявка № 2000123013. Приоритет изобретения 04 сентября 2000г. Зарегистрировано в Гос.реестре изобретений РФ 10 мая 2002г. Срок действия патента истекает 04 сентября 2020 г.

5. Фурман В.В., Кирьянов А.Н., Панов С.В., Иванов В.А., Лобанов С.В. Электронная система управления топливоподачей дизеля, №2199676. Заявка № 2000115062. Приоритет изобретения 09 июня 2000г. Зарегистрировано в Гос.реестре изобретений РФ 27 февраля 2003г. Срок действия патента истекает 09 нюня 2020 г.

Фурман Виктор Владимирович Совершенствование законов регулирования силовых установок тепловозов с целью повышения ш технико-экономических характеристик

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Подписано в печать 16.01.2012. Формат 60x90 1/16. Уел. печ. л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ № 2.

Отпечатано в Самарском государственном университете путей сообщения.

443022, Самара, Заводское шоссе, 18.

Тел. (846) 999-01-56.

61 12-5/1866

На правах рукописи

Фурман Виктор Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЗАКОНОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК ТЕПЛОВОЗОВ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ИХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ

ХАРАКТРИСТИК

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов

и электрификация

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Е.Е.Коссов

Самара 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................... 4

1. АНАЛИЗ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРОВ ТЕПЛОВОЗОВ............................................. 8

2. МЕТОДЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ И ЗАКОНОВ УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРОВ ............................................................................................................36

2.1. Анализ исследований эксплуатационных режимов работы тепловозных дизель-генераторных установок................................................................36

2.2. Уточненный алгоритм управления переходным процессом силовых установок тепловозов......................................................................................................37

2.3. Методика выбора рациональных законов управления режимами работ тепловозных дизель-генераторов........................................ 45

2.4. Методика выбора скоростной ограничительной характеристики переходного процесса.............................................................. 55

2.5. Алгоритм рационального переходного процесса при реализации управления электронными системами.......................................... 66

2.6. Задачи реализации рациональных законов управления при применении современных и перспективных установок............................. 68

3. РАЗРАБОТКА МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ И МОЩНОСТИ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРОВ ТЕПЛОВОЗОВ............ 75

3.1. Общие принципы построения системы автоматического регулирования ................................................................................... 75

3.2. Устройство, технические характеристики и работа основных частей микропроцессорной системы................................................ 81

3.3. Работа микропроцессорной системы на тепловозе..................... 91

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ И ЭКСПЛУАТАЦИИ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ.................. 96

4.1. Показатели работы микропроцессорной системы регулирования на

установившихся режимах и в переходных процессах....................... 96

4.2. Реализация расширения функциональных возможностей системы

при изменении скоростных характеристик дизеля........................... 100

5. ОЦЕНКА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКЩЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ НА ТЕПЛОВОЗАХ............................................................... 113

5.1. Оценка технико-экономической эффективности применения микропроцессорной системы по результатам эксплуатационных испытаний..........................................................................................................................................................из

5.2. Эффективность применения микропроцессорной системы

ЭР4МЗ ОТЗ на тепловозах 2ТЭ116................................................ 119

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................... 132

Список литературы............................................................... 134

Приложения......................................................................... 143

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность.

Природные топливно-энергетические ресурсы и созданный производственный, научно-технический и кадровый потенциал энергетического сектора экономики - национальное достояние России. Вопросы рационального и эффективного использования топливно-энергетических ресурсов становятся в настоящее время одним из основных необходимых условий дальнейшего развития практически всех отраслей народного хозяйства России.

Одним из направлений осуществления этих мероприятий является повышение эффективности и надежности технических средств железнодорожного транспорта, снижение удельных транспортных издержек на основе ускорения внедрения новой техники, прогрессивной технологии и автоматизированных систем управления, повышения уровня ремонтных работ [1,2].

Использование автоматизированных систем управления и диагностирования локомотивов в перспективе позволяет компенсировать рост затрат на топливно-энергетические ресурсы. Поэтому необходимо проведение научных исследований, направленных на разработку новых методов и средств управлени-ия энергетическими установками тепловозов и их оборудованием

Диссертационная работа направлена на совершенствование систем управления дизель-генераторами при работе на установившихся режимах и в переходных процессах с целью снижения расхода топлива при эксплуатации тепловозов , что является актуальной задачей.

Цель и задачи исследований.

Целью исследования является разработка и реализация законов управления силовыми установками тепловозов при применении электронного управления частотой вращения коленчатого вала дизеля и мощностью тяговой передачи.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Выполнить анализ существующих систем регулирования, дизель-генераторами тепловозов, проанализировать реализуемые в них законы управления и эффективность их использования.

2. На основе теоретического исследования выявить взаимосвязи между реализуемыми законами управления дизель-генераторами и технико-экономическими показателями работы тепловозов.

3. Разработать предложения по усовершенствованию законов управления дизель-генераторами тепловозов и алгоритмы их реализации электронными системами регулирования.

4. Разработать конструкции электронных систем регулирования и программы, реализующие выбранные законы и алгоритмы управления.

5. Провести эксплуатационную проверку работоспособности и расчет экономической эффективности использования разработанных систем на тепловозах.

Объект исследования. Системы управления дизель-генераторами тепловозов.

Предмет исследования. Взаимосвязь реализуемых законов регулирования частоты вращения и мощности дизель-генераторов с технико-экономическими показателями работы тепловозов.

Методы исследования.

Поставленная задача решалась методами математического моделирования показателей работы тепловозов, экспериментальными исследованиями процессов и алгоритмов управления силовыми установками тепловозов на стендах и тепловозах.

Научная новизна работы.

Разработаны новые подходы к созданию алгоритмов регулирования силовых установок тепловозов, реализующих оптимальное управление частотой вращения и мощностью дизель-генераторов при работе на установившихся и переходных режимах работы.

Разработан алгоритм управления силовой установкой тепловоза с адаптацией режимов работы к внешним условиям.

Введено новое понятие - скоростная ограничительная характеристика переходного процесса.

Разработана методика определения предлагаемой характеристики, определены рациональные скоростные (тепловозные) характеристики с учетом ограничительной характеристики переходного процесса.

Достоверность научных положений и результатов.

Достоверность научных положений, выводов и результатов исследований подтверждена положительным опытом эксплуатации тепловозов, оснащенных электронными системами управления, реализующими разработанные в диссертации характеристики и алгоритмы.

Практическая ценность.

Разработано программное обеспечение, реализующее предложенные автором характеристики и алгоритмы управления, для дизель-генераторов тепловозов .

Реализация результатов работы

Разработанные алгоритмы управления составили основу созданных под руководством автора электронных регуляторов частоты вращения и мощности типа ЭРЧМЗОТ, которые установлены и эксплуатируются на тепловозах ЧМЭЗ, ТЭМ2, ТЭМ18Д, 2ТЭ10, 2ТЭ116, ТЭП70 и 2ТЭ25 в количестве более 2000 ед.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Алгоритм и способ реализации оптимального управления переходным процессом дизель-генератора тепловоза.

2. Понятие и метод определения ограничительной характеристики переходного процесса.

3. Алгоритм и способ реализации процесса адаптации заданных характеристик нагружения в зависимости от внешних условий работы тепловоза.

Апробация работы.

Основные материалы диссертации поэтапно докладывались, обсуждались и получили одобрение на Межотраслевой научно-технической конференции «Современные проблемы развития поршневых ДВС», посвященной 75-летию кафедры судовых ДВС и дизельных установок Санкт-Петербургского государственного морского университета, 2005г., на Всероссийском научно-

техническом семинаре в МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2005 и в 2006гг., на Международной конференции Двигатель-2007, посвященной 100-летию школы двига-телестроения МГТУ им. Н.Э. Баумана,2007г., на научно-техническом семинаре кафедры «Локомотивы» СамГУПС, 2011 г.

Публикации.

Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в монографии, 10 статьях, из них 4 - в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ, тезисах двух докладов, а также в 5 патентах, выданных Госреестром изобретений РФ.

Структура и объем работы.

Диссертация изложена на 149 страницах машинописного текста, включая 16 таблиц, 30 рисунков, и состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка из 91 наименования и 5 приложений на 6 страницах.

1. АНАЛИЗ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРАМИ ТЕПЛОВОЗОВ

Развитие систем управления дизель-генераторами тепловозов началось с создания в России первого в мире мощного тепловоза с электрической передачей в 1924 году [3,4]. Руководил работами профессор Яков Модестович Гаккель. В то время уже существовали регуляторы частоты вращения коленчатого вала дизеля для судовых и стационарных установок [5]. Это были гидромеханические регуляторы с жесткой обратной связью, позволяющие поддерживать заданную частоту вращения коленчатого вала дизеля за счет регулирования подачи топлива при определенном крутящем моменте. При создании тепловоза с электрической передачей стало очевидным, что крутящий момент на валу двигателя зависит как от частоты вращения коленчатого вала, так и от момента тягового генератора, зависящего от тока его возбуждения и скорости движения тепловоза [6].

Для каждой заданной частоты вращения коленчатого вала дизеля нужно было выбрать режим работы генератора, который в свою очередь зависел от скорости движения тепловоза. На тепловозе Я.М.Гаккеля устанавливались два контроллера управления - один для дискретного изменения заданной частоты вращения коленчатого вала, другой для плавного изменения возбуждения тягового генератора. При заданной и автоматически поддерживаемой частоте вращения машинист должен был регулировать возбуждение тягового генератора так, чтобы при разных скоростях движения мощность тягового генератора соответствовала заданной частоте вращения (заданному закону регулирования Рг=Рг(соД где Рг - мощность на фланце тягового генератора, кВт ; ©а - угловая скорость

вращения коленчатого вала дизеля, рад/с.

Рассмотрим более подробно закон регулирования, алгоритм такого управления и связанные с ним процессы. Схематично универсальная

характеристика дизеля без наддува или с низким наддувом показана на рис.1.1.

По оси абсцисс отложена относительная частота вращения коленчатого вала дизеля шд. За единицу принята номинальная частота вращения. Диапазон рабочих частот составляет, (1-юд0), где Шд0 - частота вращения холостого хода дизеля. По оси ординат отложена относительная индикаторная мощность двигателя Рг Для двигателей с низким наддувом или без наддува внешняя характеристика с определенным приближением, связанным с характеристиками системы топливоподачи, представляет собой линию СБ. По сути ординаты линии СБ представляют собой максимальную мощность двигателя по внешней скоростной характеристике при работе на

стационарных режимах.

Линия АБ представляет собой характеристику мощности механических потерь в дизеле и потерь, связанных с обеспечением работы силовой установки на тепловозе (вентиляторы охлаждения теплоносителей и электрических машин, вспомогательный генератор, насосы, тормозной компрессор и т.п.). В зависимости от режимов работы ординаты линии АБ могут меняться, однако для нашего рассмотрения это обстоятельство не

имеет принципиального значения.

Разность ординат линий СБ и АБ представляет собой свободную мощность двигателя. Разность ординат линий ВЕ и АР представляет собой заданную (назначенную) скоростную характеристику - мощность, передаваемая на вал тягового генератора в зависимости от частоты вращения

в установившихся режимах тяги.

При работе на любой фиксированной /-й частоте вращения

коленчатого вала справедливо соотношение:

Ри = Рп + Рва + Рп > М

где Р1 - индикаторная мощность двигателя;

1,0

í ;

/5 / 1 7 4 3

с 9

/ в шее 8

О

1,0 щ

Рис. 1.1. Скоростные характеристики дизеля без наддува или с низким

наддувом (схематично)

р, - относительная индикаторная мощность дизеля; сод - относительная частота вращения коленчатого вала;

СО - максимальная индикаторная мощность дизеля (внешняя скоростная характеристика);

АБ - мощность механических потерь в дизеле и агрегатах тепловоза;

ВЕ - генераторная (тепловозная) характеристика дизеля;

Фд. 5 р.. _ частота вращения и индикаторная мощность в ьй момент времени;

б)д(1+1), Р¿а+1) ~ частота вращения и индикаторная мощность нового режима;

1_9 _ уровни индикаторной мощности, характерные для переходного

процесса.

рп - мощность трения в двигателе; рва - мощность агрегатов тепловоза; рп - мощность на фланце тягового генератора или:

Ни-Чц1(0, Г1и 2 -т/{2тг)-Рп+Рю+Рп* М

где Ни - низшая удельная теплотворная способность топлива, Дж/кГ; д¥ - цикловая передача топлива при г'-й частоте вращения, кГ/цикл; щ - индикаторный к.п.д. дизеля; Х- число цилиндров дизеля;

х - коэффициент тактности, (1 и 2 для двух- и четырехтактных дизелей). При переходе с одной позиции на другую машинист сначала перемещает контроллер управления частотой вращения, а затем после достижения дизелем заданной угловой скорости ©¿(¡+1) вторым контроллером устанавливает требуемую мощность генератора Рго+1). С первого момента времени процесса изменения заданной частоты вращения соотношение (1) меняется:

Ни-Чц 0)дгЛп 2 •Т/{27Г) =Рт+Рс+Рг+Ьй)»(}о)д11Ж > С1-3)

где - суммарный момент инерции вращения вала двигателя и

присоединенных агрегатов, кГм2;

0)д. - угловая частота вращения коленчатого вала в начале переходного

процесса, рад/с.

Графически процесс можно изобразить следующим образом. Пусть мы хотим изменить режим работы с содь Рц на 6%+/;, Р^+и (точка 1, рис. 1.1). Для реализации ускорения йсод1Л регулятор увеличит цикловую подачу топлива так, чтобы индикаторная мощность увеличилась на величину

ЬьРгЗъОьЛюь'йг' (ы)

На рис.1.1 это отрезок 1-5. По мере роста угловой частоты ®д будут увеличиваться все составляющие правой части уравнения (1.2). Схематично это можно отобразить следующим образом. Так как возбуждение тягового генератора не изменялось, мощность генератора будет изменяться пропорционально частоте вращения (отрезок 1-3, рис.1.1). В интервале изменения частоты вращения от юд до со^+д) можно принять, что мощность трения в дизеле и мощность агрегатов тепловоза так же пропорциональны частоте вращения. На рис.1.1 изменение этой составляющей - отрезок 3-4, соответствующий отрезку 8-9.

Суммарная индикаторная мощность дизеля в переходном процессе показана отрезком 5-6 (рис.1.1). При достижении заданной угловой скорости соэ(1+1) индикаторная мощность снизится на величину

АР, = Згсоб^йсоь^йг (Ь5)

и будет соответствовать ординате точки 4 (рис.1.1). Машинист, изменяя возбуждение генератора, приведет индикаторную мощность в соответствие с заданной для данной угловой скорости коленчатого вала (отрезок 4-7, рис.1.1). Мощность агрегатов тепловоза может изменяться на 50-60%, точность поддержания заданной угловой скорости у гидромеханических регуляторов находится в пределах ±4%, поэтому установленная машинистом мощность двигателя может отличаться от заданной на 8-10%.

Для низкофорсированных дизелей такая точность регулирования была вполне приемлемой, так как между заданной (линия ВЕ, рис.1.1) и внешней (линия СБ, рис.1.1) характеристиками имеется достаточно большой запас и при изменении скоростного режима увеличение мощности на величину АР; не выходит за допустимую границу (линия СБ, рис.1.1). При последующем развитии тепловозной тяги [7,8,9] от применения подобных систем отказались, так как в экстремальных ситуациях машинист не в состоянии совмещать управление движением поезда с управлением силовой установкой.

Задача автоматического изменения мощности тягового генератора при увеличении частоты вращения коленчатого вала двигателя была решена путем совершенствования тяговой передачи. В систему возбуждения тягового генератора был введен специальный агрегат (возбудитель), характеристики которого зависели от режима работы генератора и частоты вращения коленчатого вала [10,11].

Такими системами возбужд�