автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Теоретические основы и методология выбора объёмов и технологий модернизации тепловозов по критерию стоимости жизненного цикла

На правах рукописи

БАБЕЛ Марек

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И МЕТОДОЛОГИЯ ВЫБОРА ОБЪЁМОВ И ТЕХНОЛОГИЙ МОДЕРНИЗАЦИИ ТЕПЛОВОЗОВ ПО КРИТЕРИЮ СТОИМОСТИ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА

Специальность: 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог,

тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени ДОКТОРА технических наук

16 ОКТ 2014

Москва - 2014 г.

005553513

005553513

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский. институт железнодорожного транспорта» (ОАО ВНИИЖТ).

Научный консультант

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

доктор технических наук, профессор Коссов Евгений Евгеньевич.

доктор технических наук, профессор Грищенко Александр Васильевич, профессор кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения» (ПГУПС);

доктор технических наук, профессор Носырев Дмитрий Яковлевич, профессор кафедры «Локомотивы» ФГБОУ ВПО «Самарский государственный университет путей сообщения» (СамГУПС);

доктор технических наук, профессор Шантаренко Сергей Георгиевич, проректор по научной работе ФГБОУ ВПО «Омский государственный университет путей сообщения» (ОмГУПС).

ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет» (БГТУ).

Защита диссертации состоится «19» ноября 2014г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 218.002.01 при Открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» (ОАО «ВНИИЖТ») по адресу:

129626, г. Москва, ул. 3-я Мытищинская, д. 10, зал Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ОАО «ВНИИЖТ» wvvw.vniizht.ru.

Автореферат разослан «10» октября 2014г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета института, а также по e-mail: Chanturidze.Qlga@vniizht.ru. факс. 8(495)602-80-20, 8(495)687-64-56.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ермоленко Дмитрий Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы.

В транспортной системе России и Польши железнодорожный транспорт занимает особое место. Именно поэтому подъём производства в отдельные периоды прошлого века непосредственно связан с развитием и работоспособностью железных дорог. В настоящее время в период ожидаемого роста производства роль железных дорог также трудно переоценить. Основной грузооборот на железных дорогах России (85%) осуществляется на электрифицированных линиях, однако вся маневровая и вывозная работа, а также подпитка основных магистралей осуществляется автономным тяговым подвижным составом.

Подобная тенденция наблюдается на Польских Железных Дорогах (ПЖД). Грузоперевозки, приходящиеся на электрифицированные линии, составляют около 82%. Однако грузооборот осуществляемый частными компаниями -операторами (около50% участия в рынке грузовых перевозок) выполняются в основном (более 60%) тепловозной тягой. Работа промышленных и горнодобывающих предприятий также осуществляется автономной тягой. Нельзя забывать и о стратегической безопасности в случае стихийных бедствий и других форс-мажорных обстоятельств.

Эти соображения определяют необходимость внимательного отношения к автономной тяге, к её работоспособности сегодня и в перспективе.

Средний возраст тепловозов ПЖД превышает 30 лет, их плановое обновление не проводилось в течение последних 10-15 лет. Состояние парков подвижного состава характеризуется ухудшением общего технического состояния, снижением эксплуатационной надёжности и резким ростом эксплуатационных затрат. К тому же постоянно требуется выполнение больших объёмов ремонтных работ, что отвлекает подвижной состав от эксплуатации на железных дорогах и требует дополнительных капиталовложений. Стоимость ремонтов растёт из года в год пропорционально степени физического износа машин.

Мировой опыт показывает, что проблема обновления парка локомотивов может быть решена как за счёт поставок нового, так и за счет модернизации эксплуатируемого подвижного состава с продлением срока службы. Сдерживающим фактором на пути быстрого обновления тягового состава по

первому варианту является то, что далеко не все железные дороги и частные компании могут позволить себе заменить старые локомотивы новыми.

По мнению автора альтернативы модернизации на сегодня нет. Применение современных технологий в модернизированных локомотивах требует новых подходов к техническому обслуживанию и ремонту, снабжению материалами и запасными частями. Для работы на обновленной технике нужны качественно иные знания и навыки. В этом смысле модернизация ничем не отличается от перехода на принципиально новую технику. И как всякое техническое перевооружение, требует значительных скоординированных усилий всех участников этого процесса: заказчиков, поставщиков, контрагентов.

Объект исследования: автономный тяговый подвижной состав польских железных дорог.

Предмет исследования: объемы и технология производства модернизации тягового подвижного состава Степень разработанности проблемы.

Вопросам выбора объёмов и технологий модернизации тепловозов уделяется большое внимание в железнодорожных администрациях различных стран.

Значительный вклад в решение названной проблемы, как в теоретическом, так и практическом плане, внесли и вносят учёные и специалисты ОАО ВНИИЖТ, ОАО ВНИКТИ, МГУПС (МИИТ), ПГУПС (ЛИИЖТ), РГУПС (РИИЖТ), СамГУПС, ОГУПС, ХИИТ, Института подвижного состава (IPSz РК) г. Краков и (IPS Tabor) г. Познань, Научно-технического центра железнодорожного транспорта (CNTK) г. Варшава, Польша, Института Транспорта г. Острава, Чехия и ряда других научных организаций.

Определённый теоретический и практический вклад в решение проблемы модернизации ТПС вносят специалисты компаний и заводов, занимающихся разработкой и производством комплектующих, а также модернизацией подвижного состава. Представляют интерес разработки ХК «Коломенский Завод», ООО «ППП Дизельавтоматика», CKD Прага, CZ Loco, Lokel (Чехия), NES (Словакия), Newag, Pesa (Польша), ремонтных заводов (депо) России, Украины, Германии, Франции, Литвы и других стран.

Исследования Коссова B.C., Нестерова Э.И., Вульфова A.B., Шантаренко С.Г., Носырева Д.Я., Грищенко A.B., Балабина В.И., Иоффе А.Г., Тартаковского Э.Д., Marciniak Z„ Müller J„ Skala В., Winkler F., Bacher W., Rendler K., Noak T. и др. внесли существенный вклад в разработку теоретических и практических вопросов, связанных с выбором объёмов и технологий модернизации локомотивов.

Цель диссертационной работы:

• разработка методологии выбора объектов и объемов модернизации автономного тягового подвижного состава по критерию стоимости жизненного цикла и технологий практической реализации выбранных объемов в условиях ремонтных предприятий.

Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1.Проведён анализ технического состояния тепловозного парка польских железных дорог (ПЖД) и определены тенденции его обновления.

2. Научно обоснован подход к решению проблемы поддержания парка тепловозов в рабочем состоянии, соответствующем современному уровню и обеспечивающем их экономическую эффективность, путём модернизации.

3. Разработан научный методологический подход к решению обоснованного выбора объемов модернизации конкретных типов тепловозов на основании критерия стоимости жизненного цикла.

4. Проведены систематизация и оценка составляющих жизненного цикла тепловоза в соответствии с условиями его эксплуатации;

5. Разработана методика оценки эффективности модернизации тепловозов с учётом характеристик до и после обновления.

6. Предложено при оценке эффективности и выборе комплектовки оборудования локомотива при модернизации дополнить понятие стоимости жизненного цикла представлением этой величины в виде отношения стоимости к производительности. Показано, что при определении расходов эксплуатации целесообразно величины, зависимые от времени, представить в виде дифференциалов отдельных видов затрат.

7. Разработаны математические модели расчета показателей работы силовых установок тепловоза в установившихся и переходных процессах с учетом накопленных повреждений в теплонапряженных узлах дизеля и расчёта расходов, связанных с содержанием локомотивов в рабочем состоянии.

8. Для тепловозов польских железных дорог и промышленных предприятий объемы модернизации, для рассматриваемых серий локомотивов, определены путем варьирования стоимости жизненного цикла в зависимости от варианта комплектации и условий эксплуатации. Научная новизна:

• в диссертации в отличие от решения задач модернизации отдельных локомотивов впервые решалась проблема модернизации парка локомотивов в совокупности по всей стране, а именно в Польше;

• в отличие от множества примеров оценки эффективности проведенной модернизации с помощью понятия стоимости жизненного цикла (ЬСС) в диссертации это понятие применено как инструмент на стадии выбора объемов модернизации путем расчета ЬСС для различных конструктивных вариантов исполнения локомотива;

• впервые предложено расширить понятие жизненного цикла путем представления части составляющих ЬСС в виде дифференциалов по времени. Это позволило применить в вычислениях ЬСС математическое моделирование рабочих процессов в системах локомотивов при выполнении поездной работы;

• в диссертации впервые разработаны математические модели нестационарных процессов дизелей с импульсным газотурбинным наддувом и процессов накопления повреждений в деталях цилиндропоршневой группы и газовыпускного тракта;

• предложено при оценке эффективности модернизации в случаях существенного изменения характеристик локомотива по мощности и тяговым свойствам применять величину стоимости жизненного цикла, отнесенную к производительности локомотива (I_.CC/Pl).

Теоретическая и практическая ценность.

Разработана методология выбора объектов и объемов модернизации тепловозов польских железных дорог. Реализованы рабочие проекты модернизации основных серий тепловозов и технология ее выполнения. Разработаны методы и методики оценки эффективности работы тепловозов после модернизации. Разработаны и внедрены предложения по развитию производства на польских предприятиях ряда основных узлов и комплектующего оборудования, применяемых при модернизации тепловозов,

таких как тяговые генераторы, тяговые двигатели, компрессоры, микропроцессорные контроллеры, статические преобразователи и др. Разработаны методические руководства и программы обучения по новым дисциплинам, которые внедрены в учебный процесс Института Подвижного Состава Краковской Политехники.

Методы исследований. При решении поставленных в диссертационной работе задач принят комплексный метод исследований, включающий в себя анализ и обобщение данных научно-технической литературы, методы статистического анализа эксплуатационных данных, математическое моделирование рабочих процессов в системах локомотивов, имитационное моделирование процессов тяги, экспериментальные методы оценки характеристик локомотивов в процессе эксплуатации после модернизации. Основные положения, выносимые на защиту:

• модернизация локомотивов не единичное явление, а неизбежный процесс, позволяющий поддерживать парк локомотивов в рабочем состоянии для обеспечения провозной способности железных дорог с наименьшими затратами;

• единый подход к выбору объектов и к определению объемов модернизации конкретных локомотивов по предложенной методике с использованием понятия ЬСС не имеет альтернативы и может применяться для различных условий эксплуатации;

• предложение об использовании дифференциалов составляющих стоимости жизненного цикла, позволяющее применять математическое моделирование рабочих процессов основных узлов локомотива при определении составляющих жизненного цикла;

• целесообразность определения эффективности модернизации с учетом понятия относительной стоимости жизненного цикла (ЬСС/Р[ ).

Реализация результатов работы.

Разработанная автором методология внедрена в Институте Подвижного Состава Краковской Политехники в учебном процессе и используется специально созданной лабораторией «Исследование стоимости жизненного цикла» для научного обоснования целесообразности и оценки эффективности модернизации подвижного состава, эксплуатируемого на ПЖД и

промышленных предприятиях. Под руководством или с участием автора диссертации в соответствии с разработанной методологией выбраны объемы и проведена оценка эффективности модернизации, разработаны рабочие проекты и технологии модернизации тепловозов серий SM42, SP/SU42, SP32, SM48, М62, которые внедрены на ремонтных заводах А.О. «Newag» и A.O.«Pesa».

Разработанные варианты модернизации тепловозов и технологии их реализации нашли широкое применение на польских железных дорогах. В настоящее время с учетом разработанной методики модернизировано более 270 ед. локомотивов. Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на конференциях:

• XVIII Международной научной конференции - Подвижной состав железных дорог (Польша, Силезская Политехника, г. Катовице, 2008г.);

• XIX Международной научной конференции - Подвижной состав железных дорог (Польша, Познанская Политехника, г. Познань, 2010г.);

• Научно-технической конференции - «Новые технологии и технические решения для промышленного железнодорожного транспорта» (Польша, г. Порай 2010г.);

• Научном семинаре Института подвижного состава Краковской Политехники «Повышение эффективности работы тепловозов SM31 в эксплуатации» (Польша, г. Краков, 2011г.);

• III Международном форуме — Транспортная наука. Инновационные решения для бизнеса. Объединенный учёный совет ОАО «РЖД» (Россия, г. Щербинка, 2013г.);

• Международном отраслевом форуме - Перспективы локомотивного рынка. Модернизировать или купить новые локомотивы? Железнодорожный Курьер (Польша, г. Варшава, 2014г.);

• Научном семинаре Института подвижного состава Краковской Политехники - «Исследование целесообразности модернизации тепловозов SM42 с применением асинхронных ТЭД» (Польша, г. Краков, 2014г.);

• XX Международной научной конференции — Подвижной состав железных дорог (Польша, Вроцлавская Политехника, г. Вроцлав, 2014г.);

• На расширенном заседании научно - технического совета отделения

«Тяговый подвижной состав» Открытого акционерного общества «Научно -исследовательского института железнодорожного транспорта» (ОАО ВНИИЖТ) (Россия, г. Москва, 2014г.). Публикации.

Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в 25 печатных работах, из них 11 в журналах из перечня рецензируемых изданий ВАК Минобрнауки России. Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, приложений. Полный объём диссертации составляет 266 страниц, в том числе 226 страниц основного текста, 23 таблицы, 61 рисунок, список использованной литературы из 117 наименований на 11 страницах, 13 приложений на 29 страницах. Содержание работы.

В первой главе приведен подробный анализ эффективности обновления парка тепловозов путём модернизации. Проанализированы основные причины возникновения целесообразности модернизации подвижного состава. Быстрое старение локомотивного парка на фоне роста грузо-пассажирооборота выдвигает перед железнодорожным транспортом на первый план проблему обновления локомотивного парка. Закупки новых локомотивов в России, на Украине, в Польше и в странах Евросоюза реализуются в объемах недостаточных для компенсации износа парка.

В инвентарном парке Польских железных дорог (ПЖД), промышленных предприятий и частных операторов по итогам 2012 года содержится около 2400 тепловозов, в том числе в собственности основного оператора - ОАО Cargo ПЖД, находится свыше 1400 единиц. Анализ показывает, что средний возраст тепловозов в Польше составляет 35 лет. В структуре парка тепловозов 64% приходится на маневровые и маневрово-вывозные локомотивы.

По оценкам автора средний уровень технического износа маневровых и магистральных тепловозов превысил 80%. Такое техническое состояние тепловозного парка Польши является неудовлетворительным и не отвечает потребности рынка.

В связи с моральным и физическим износом этого парка частные операторы принимают усилия для сохранения конкурентоспособности на рынке перевозок путём обновления своего локомотивного парка. Однако в

большинстве случаев из-за отсутствия средств на приобретение новых тепловозов решением этой проблемы является исключительно модернизация имеющегося парка локомотивов.

Вопросам выбора объёмов и технологий модернизации тепловозов уделяется большое внимание. Значительный вклад в решение названной проблемы, как в теоретическом, так и практическом плане, внесли и вносят учёные и специалисты ОАО ВНИИЖТ, ОАО ВНИКТИ, МГУПС (МИИТ), ПГУПС (ЛИИЖТ), РГУПС (РИИЖТ), СамГУПС, ХИИТ, институты подвижного состава г. Краков и Познань (Польша) и ряда других организаций, в том числе заводов и компаний — ХК «Коломенский Завод», тепловозоремонтные заводы ОАО РЖД, ООО «ППП Дизельавтоматика» и др., занимающиеся ремонтом и модернизацией подвижного состава.

В работах Коссова B.C., Нестерова Э.И., Вульфова А.Б., Фомиченко В.А. (РИИЖТ), Носырева Д.Я. (СамГУПС), Грищенко A.B. (ЛИИЖТ), Тартаковского Э.Д., Павлова Л.Н., Marciniak Z., Tulecki A., Müller J., Skala В., Winkler F., Bacher W., Сычёва B.A., компании Frost&Sullivan, и других представлены результаты проработок теоретических и практических вопросов, связанных с выбором объёмов и технологий, а также способов технико-экономической оценки эффективности модернизации локомотивов.

Суммируя многолетний и разнообразный опыт модернизации тепловозов на пространстве колеи 1520мм, можно выделить три основных направления. Во-первых, это реконструкция тепловозов типа М62 (2М62), 2ТЭ10 и 2ТЭ116 с установкой новых дизелей Коломенского завода. Данная технология нашла применение в России, Белоруссии, Узбекистане и Литве. Во-вторых, получил распространение проект фирмы CZ Loco (Чехия) по использованию дизелей фирмы Caterpillar для тепловозов ЧМЭЗ. Такой опыт имеется на Украине, в Белоруссии, Литве и Латвии. В-третьих, самостоятельным направлением обновления парка дизельных локомотивов стала установка новых модулей фирмы General Electric (GE). Именно по этому пути пошли в Казахстане, Монголии и на Украине.

Наибольшее количество модернизированных тепловозов приходится на тепловозы типа 2ТЭ10М и 2М62 с заменой серийных дизелей 1 ОД 100 и 14Д40 на дизели Д49 - 16ЧН26/26 и 12ЧН26/26, соответственно. При модернизации остались без изменения тяговый генератор постоянного тока, электрические аппараты и вспомогательное оборудование. В связи с использованием нового

дизеля изменяется схема водяной, масляной и топливной систем, а также воздухоснабжения. Кроме дизеля на тепловозах 2ТЭ10 устанавливают и универсальную автоматическую систему управления тепловозом (УСТА), систему регулирования температуры теплоносителей, меняют валы и муфты приводов вспомогательного оборудования.

Результаты эксплуатационных испытаний подтвердили данные ранее проведенных технико-экономических расчетов. Срок окупаемости проведенной модернизации составляет 2,4 года для тепловозов 2М62 и 1,9 года для тепловозов 2ТЭ10.

Таким образом, выполненная модернизация обеспечивает тепловозам современные технико-экономические показатели, в том числе снижение расходов на тягу поездов и затрат труда на осуществление ТО и ТР локомотивов. Модернизация тепловозов, как таковая, создается внедрением рациональных норм периодических ТО и ТР тепловозов 2ТЭ10 с дизелем Д49, обеспечивающих снижение нормативных затрат труда для выполнения ТО и ТР на 42%.

Однако значительно повысить надежность тепловоза 2ТЭ10 не удается. Модернизированные тепловозы имеют низкие пробеги из-за отказов нового и старого оборудования. Неудовлетворительна надежность УСТА, валопроводов с резинокордовыми муфтами, низковольтных электрических цепей, трубопроводов и т. п. Недостатком модернизации является то, что основа надежности - проводка электрических цепей и соединений трубопроводов, конструкция секций охлаждающих устройств, моторно-осевых подшипников и т. п. остались прежними на уровне 50-х годов прошлого века.

Известен опыт железных дорог Германии (DB) по внедрению модернизации выше названных узлов, систем и деталей на тепловозах серии 232 (ТЭ109). Па сегодняшний день, благодаря проведенной модернизации, для тепловозов серии 232 достигнут коэффициент технической готовности - 0,94. Из плановых ремонтов этих тепловозов были фактически исключены ремонты ТР-2 и ТР-3.

Другим направлением модернизации может быть технология фирмы CZ Loco - Чехия, примененная при модернизации тепловозов ЧМЭЗ. Суть процесса модернизации заключается в радикальном обновлении оборудования - от серийного локомотива остаются только главная рама и экипажная часть.

По данным разработчиков проекта, в результате модернизации локомотива срок службы продлевается минимум на 15 лет, эксплуатационный расход топлива снижается на 20%, а масла - на 50% .

По выше указанной технологии модернизация тепловозов ЧМЭЗ осуществляется на Украине, в Белоруссии, Литве и Латвии. При этом почти вся работа по сборке крупных блоков тепловоза производится в Чехии, а окончательный монтаж осуществляется на мощностях, выбранных заказчиком.

Совершенно особое направление модернизации тепловозов было разработано компанией General Electric (GE). Это модернизация с использованием готовых модулей, разработанных специально для ремоторизации старых локомотивов типа 2М62, 2ТЭ10, ТЭ114. Этот вариант модернизации осуществляется в Казахстане для казахских железных дорог и на Украине для железных дорог Якутии. На модернизируемом тепловозе сохраняется только серийная кабина машиниста и вместо снятого оборудования устанавливается готовый силовой модуль «Super Skid».

В случае выбора варианта модернизации по предложению GE возникает довольно затруднительный вопрос - доставка запасных частей, которая требует не только дополнительных средств, но и времени.

Оздоровление тепловозного парка РЖД путём его модернизации продолжается, но по сравнению с общим локомотивным парком число модернизированных магистральных тепловозов незначительно и составляет, по оценкам автора, около 15%. Подобная тенденция наблюдается и в других железнодорожных администрациях «Пространства 1520».

В сфере обновления своего тепловозного парка немецкие железные дороги (DB AG) с середины 1990-х годов главное внимание уделяли повышению экономичности, надёжности и эксплуатационно-технической готовности тепловозов.

При этом были выбраны два пути:

• модернизация с заменой дизеля (ремоторизация);

• модернизация без замены дизеля.

Для магистральных тепловозов базовой серии 232 (годы постройки 1972 -82) с электрической передачей, оба вышеуказанные пути модернизации / ремоторизации нашли применение. Во время ремоторизации этой серии тепловозов вместо дизелей 5Д49 устанавливались дизели 12Д49М мощностью

2220 кВт и 2-5Д49М с повышенной до 2940 кВт мощностью - тепловозы серии 241. Серийный тяговый синхронный генератор замене не подлежал. В ходе ремоторизации выполнялись также работы по модернизации отдельных систем, узлов, и аппаратов:

• улучшение условий работы дизеля: усовершенствование системы воздухоснабжения, смазки, подогрева воды дизеля («тёплый» запуск), внедрение системы диагностики дизеля;

• замена отдельных элементов электрической системы элементами с повышенной надёжностью;

• устранение причин износа узлов и частых отказов; применение новых сортов горюче-смазочных материалов;

• оптимизация системы технического обслуживания и ремонта.

По вышеуказанному объёму были модернизированы 74 единицы тепловозов базовой серии 232.

Объём модернизации почти 40-о летних маневрово-вывозных тепловозов серии 290 с гидропередачей предусматривал проведение следующих работ:

• установка нового быстроходного дизеля MTU типа 4000-R41 с повышенной до 1000кВт мощностью (серийный дизель имел мощность 810кВт);

• установка усовершенствованной гидропередачи и карданных валов;

• реконструкция топливной, выпускной систем и воздухоснабжения;

• установка новой системы охлаждения дизеля с гидроприводом вентилятора, а также агрегата предварительного подогрева воды;

• применён винтовой компрессор с гидроприводом.

Срок службы тепловоза после модернизации продлён на 16 лет. По вышеуказанному объёму модернизировано 400 единиц тепловозов серии 290.

Другой подход к обновлению локомотивного парка в Германии был применён на универсальных магистральных тепловозах серии V200.1 с гидропередачей (постройки 1963-И 965 годов), эксплуатируемых частным оператором в пассажирском и грузовом движении. В ходе модернизации на тепловозе установлены два дизеля компании Deutz типа TBD 620 V12 мощностью 1250кВт каждый. Это связано, прежде всего, с относительно небольшим тепловозным парком этих компаний, для которых является проблемой замена отказавшего на линии локомотива и доставка его в депо. Полностью переработана электрическая схема управления тепловозом,

благодаря чему удалось её упростить. Кабины машиниста оборудованы кондиционерами. В электрических шкафах и на пультах управления применены современные аппараты и приборы. По вышеуказанному объёму реализуется программа модернизации 20-и единиц тепловозов серии V200.1.

Вариант модернизации с применением двух дизелей вместо одного был использован на маневрово-вывозных тепловозах серии ВВ 63500 во Франции, эксплуатируемых компанией-оператором RATP в регионе Парижа. Объём модернизации тепловозов серии ВВ 63500 предусматривал выполнение следующих работ:

• установка двух отдельных силовых агрегатов состоящих из дизелей компании Deutz мощностью 345кВт и синхронного генератора;

• установка вспомогательного дизель-генератора;

• добаластировка тепловоза до 80т с целью улучшения сцепных свойств;

• обновление кабины машиниста с установкой нового эргономичного пульта управления, а также изменение конфигурации капотов;

• привод вспомогательных устройств асинхронными электродвигателями;

• модернизация пневматической системы с установкой нового компрессора и системы противобоксовочно - противоюзной защиты;

• внедрение автоматической системы управления Д-Г-и и тепловозом.

Программа модернизации по вышеуказанному объёму была реализована на 10-и тепловозах серии ВВ 63500.

Экологические аспекты являлись одной из основных причин реализации программы модернизации этих тепловозов и магистральных тепловозов серии СС 72000 эксплуатируемых Национальным обществом железных дорог Франции. В программу модернизации были включены 30 локомотивов. Работы выполнялись в совмещении с капитальным ремонтом тепловоза.

Установка на этих локомотивах, постройки 1960-х годов, новых дизелей позволила уменьшить более чем на 70% выделение в атмосферу оксидов углерода и углеводородов, на 40% оксидов азота и на 80% - твёрдых частиц (сажи). Вместо дизеля AGOV16 ESHR мощностью 2355кВт был установлен двигатель типа 16 PA4-200VGA компании Pielstick мощностью 2650кВт. Штатный главный синхронный генератор замене не подлежал. Новый дизель оснащён электронной системой впрыска топлива и электронным регулятором частоты вращения и мощности.

На железных дорогах Швеции компании-операторы пользуются поддержкой Государства при реализации проектов по модернизации локомотивного парка. При поддержке на сумму 4 млн. евро логистическая компания Greencargo модернизировала свой парк грузовых тепловозов серии Т44 в количестве 62 единиц.

Объём модернизации этой серии тепловозов предусматривал существенное обновление оборудования - от серийных локомотивов, постройки 1968 - 72-х годов, остаются только главная рама, экипажная часть и капоты с кабиной машиниста. Вместо дизель-генераторной установки с двухтактным дизелем 12VGMEMD мощностью 1235кВт и генератором постоянного тока установлена силовая установка включающая дизель MTU типа 12V4000 R43 мощностью 1500кВт, главный и вспомогательный синхронные генераторы. Дизель оборудован системой электронного впрыска топлива Common-Reil. Срок службы модернизированных тепловозов серии Т44 продлён минимум на 15 лет.

Вопросами модернизации тепловозов на железных дорогах Чехии и Словакии занимаются учёные и специалисты Института Транспорта г. Острава, CKD Прага, CZ Loco, NES, Lokel и др.

Объём работ предусматривал, главным образом, замену серийных дизелей новыми (ремоторизация) с проведением соответствующих конструкционных изменений. Такие работы проведены на маневрово-вывозных тепловозах серии 740 (ЧМЭ2) с дизелями Caterpillar типа 3512 мощностью 880кВт (порядка 10 единиц), серии 770 (ЧМЭЗ) с дизелями Caterpillar типа 3512 мощностью 990кВт (около 60 единиц), на магистральных тепловозах серий 751, 753 с дизелями K6S310DR мощностью 990-1210кВт. Многолетний опыт модернизации локомотивов позволил специалистам Чехии и Словакии внедрить систему модернизации тепловозов с использованием готовых собранных крупных блоков — модулей, окончательный монтаж которых осуществляется на тепловозе. С целью реализации этого варианта модернизации в Чехии и Словакии был освоен выпуск следующих машин, устройств и узлов:

• синхронных главных и вспомогательных генераторов;

• выпрямителей, инверторов, микропроцессорных контроллеров;

• винтовых компрессоров, глушителей выхлопа и др.

По вышеуказанной схеме прошли модернизацию тепловозы серий 711, 701, 703, 750, 753, 740 (ЧМЭ2), 736 и 770 (ЧМЭЗ).

На железных дорогах Чехии во второй половине 1990-х годов накоплен определённый опыт по модернизации тепловозов с применением двух автомобильных дизелей вместо одного.

Модернизация по этому варианту осуществлялась на универсальных тепловозах капотного исполнения серии 714 постройки 1970-х годов. От серийного тепловоза осталась только главная рама и экипажная часть. Локомотив оборудован электродинамическим тормозом. Передний и задний капоты имеют малую высоту. Это обеспечивает круговой обзор из кабины. По указанному объёму было модернизировано свыше 50 тепловозов. Стоимость модернизации тепловозов серии 714 с применением двух силовых установок не превысила 50% стоимости нового тепловоза.

Заинтересованность модернизацией локомотивов на польских железных дорогах (ПЖД) возникла в первой половине 1990-х годов в результате происходящих процессов реструктуризации ПЖД , в том числе либерализации рынка перевозок.

Значительный вклад в решение проблемы модернизации тягового подвижного состава в Польше внесли и вносят учёные и специалисты Института Подвижного Состава Краковской Политехники г. Краков, Института «TABOR» в г. Познань и других компаний.

Анализ наиболее значимых примеров модернизации тепловозов в «Пространстве 1520» и в Евросоюзе показал, что, несмотря на самые разные примеры решения этих задач, нет устоявшегося единого подхода к выбору объектов и обоснованию объемов модернизации:

1. Средний возраст тепловозов железнодорожных администраций «Пространства 1520» и Евросоюза составляет 35 лет, их плановое обновление не проводилось в течение последних 10-15 лет.

2. Состояние тепловозного парка характеризуется ухудшением общего технического состояния, снижением эксплуатационной надёжности и резким ростом эксплуатационных затрат.

3. Обеспечение перевозок по железным дорогам в необходимом объёме остаётся под вопросом ввиду неблагоприятной ситуации с тяговым составом.

4. В рамках программы обновления локомотивного парка железнодорожных администраций наряду с поступлением новых локомотивов, широкое распространение получила практика модернизации тепловозов с целью продления срока их службы и улучшения технико-эксплуатационных характеристик.

5. Разработанные и выполненные проекты модернизации тепловозов показали, что для реализации этого процесса были выбраны следующие пути:

• модернизация без замены дизеля - совершенствование отдельных систем, узлов и аппаратов тепловозов (применяется на железных дорогах Германии);

• модернизация с заменой дизеля (ремоторизация) с адаптацией нового двигателя со старыми системами тепловоза, в том числе гидропередачей (применяется на железных дорогах России, Германии, Франции, Чехии, Польши и др.);

• модернизация с заменой дизель-генератора и переходом на вариант передачи переменно-постоянного тока. Этот вариант, как правило, предусматривает переработку электрической схемы управления дизелем и передачей (применяется на железных дорогах Франции, Швеции, Чехии, Польши и др.);

• модернизация с установкой двух дизель - генераторов (или двух дизелей на тепловозах с гидропередачей) вместо одной силовой установки. Эти варианты применяются на тепловозах частных операторов в Германии, Франции, Чехии;

• модернизация, заключающаяся в радикальном обновлении оборудования, а также компоновки капотов, кузовов и кабин машиниста - от серийного тепловоза остаются только главная рама и экипажная часть (применяется на железных дорогах Казахстана, Украины - технология вЕ, Франции, Швеции, Чехии, Словакии, Польши и др.).

6. Не существует установившегося подхода к выбору объёмов, глубины модернизации тепловозов, а также оценки технико - экономической эффективности. В ряде случаев это приводило к отрицательным результатам.

Постановка стратегии решения проблемы модернизации тепловозов.

1. Провести анализ технического состояния тепловозного парка польских железных дорог (ПЖД) и определить тенденции его обновления.

2. Разработать технические требования, предъявляемые к узлам, агрегатам, системам и конструкторским решениям выбранных для модернизации тепловозов ПЖД. Предложить ПЖД и частным операторам программу модернизации эксплуатируемого ими серийного тепловозного парка.

3. Разработать обобщённую методологию проведения анализа стоимости жизненного цикла (ЬСС) для обоснования альтернативных решений (вариантов модернизации) локомотивов.

4. Применить в вычислениях составляющих величины ЬСС ТПС математическое моделирование рабочих процессов в системах локомотивов при выполнении поездной работы.

5. Разработать математические модели рабочих процессов дизель-генераторов тепловозов, имитирующие переменные во времени режимы работы в эксплуатации.

6. Разработать методику поиска оптимальных характеристик нагружения дизель-генераторов по заданному критерию.

7. Определить серии тепловозов и объёмы целесообразной модернизации путем варьирования стоимости жизненного цикла в зависимости от выбранной комплектовки оборудования.

Вторая глава диссертации посвящена стратегии определения целесообразности объёма модернизации с использованием понятия стоимости жизненного цикла (ЬСС). Методика определения объектов модернизации базируется на основе анализа состояния эксплуатируемого парка и прогнозов изменения объёма перевозочной работы.

В последние 1О лет на железнодорожном транспорте Польши обозначилась тенденция увеличения грузооборота. По данным автора, около 18% грузооборота страны выполняется тепловозной тягой. В диссертации приведен подробный анализ составляющих поездной работы и прогнозы развития перевозок.

В основе анализа перевозок определены основные показатели, по которым производится выбор типа локомотива объем модернизации локомотивов:

• возраст, количество данной серии, текущее и прогнозируемое техническое состояние;

• надёжность и конструкционные особенности;

• расход топлива и других эксплуатационных материалов;

• тяговые свойства и их приспособляемость к виду выполняемой работы;

• условия и стоимость содержания - ТО и ремонта, в -том числе доступ к запасным частям и их цены;

• квалификация и опыт рабочего персонала реализующего ТО и ремонты;

• оборудование депо, требуемой технической и технологической документацией;

• воздействие на окружающую среду.

Результатом анализа является оценка локомотива и его эксплуатационных свойств в техническом, экономическом и правовом отношении.

Относительно не сложным является проведение оценки локомотива в техническом отношении. Многие свойства можно определить в виде параметров и сравнить с другими типами эксплуатируемых локомотивов, требованиями, вытекающими из выполняемой работы, а также получаемыми в современных предлагаемых конструкциях. Не представляет затруднений оценка в правовом отношении.

Наиболее затруднительной является оценка локомотива в экономическом отношении, так как она должна учитывать действительные преобладающие эксплуатационные расходы локомотива, получить которые можно только в случае надлежащей регистрации отдельных составляющих эксплуатационных расходов тепловоза.

В диссертации определены основные показатели, которым должны удовлетворять модернизированные тепловозы, показано, что в настоящее время на ПЖД тепловозы не в состоянии выполнить эти требования.

В работе дана оценка состояния эксплуатируемого тепловозного парка ПЖД в аспекте его модернизации. Показано, что можно удовлетворить предъявляемые требования, если проводить модернизацию в несколько этапов. Условно можно принять три этапа модернизации:

• базовая модернизация;

• расширенная модернизация;

• глубокая модернизация локомотива.

В диссертации подробно указаны основные положения, положенные в основу разработки технических требований к модернизируемым локомотивам.

Промышленность Польши не выпускает дизелей для применения на выбранных для модернизации тепловозах, поэтому важным этапом работы является научно-техническое обоснование выбора типа двигателя и его производителя. При этом необходимо учитывать следующее факторы:

• диапазон мощности данного типа дизелей для определённых серий локомотивов;

• габаритные размеры, позволяющие установку дизеля на главной раме при сниженной высоте крыши кузова;

• применение современных технических решений в конструкции узлов дизеля;

• выполнение действующих требований по нормам токсичности в отработавших газах;

• цена закупки вместе с расходами на содержание в эксплуатации, ремонтный ресурс;

• опыт производителя по применению дизелей на тепловозах;

• присутствие на отечественном рынке сервисного обслуживания и доступа к запасным частям.

Анализ показывает, что при модернизации желательно применять передачу переменно - постоянного и переменного тока, а также микропроцессорные системы управления. Такие решения позволяют лучшим образом использовать сцепление, эксплуатировать колёса с большей разницей диаметров, применить электрический привод оборудования, обеспечить оптимальное управление силовой установкой и всем локомотивом, а также диагностику основных систем и узлов. В диссертации рассмотрены требования, предъявляемые к локомотивам в отношении периодичности ТО и ремонта, к обеспечению условий работы локомотивных бригад, а также к применению в конструкции современных локомотивов модульного исполнения основных узлов.

Обязательным требованием является оборудование локомотива во время модернизации современной противопожарной установкой. Она должна содержать: систему датчиков, трубок и сопел, расположенных в кабине

машиниста и камерах тепловоза; баллон со средством тушения, а также контроллер пожарной сигнализации и оповещения о пожаре.

Компании-операторы ПЖД не заинтересованы при модернизации своего локомотивного парка вмешательством в ходовую часть тепловозов. Конструкторские решения этих узлов оправдали себя в многолетней эксплуатации и достаточно надёжные. Однако в процессе модернизации тягового состава необходимо предусмотреть установку на тележках систем гребнесмазывателей.

Выполнение во время модернизации локомотива тех или иных требований связано с соблюдением записей действующих государственных РГ^, отраслевых ВЫ, европейских РМ-ЕИ, а также международных (МСЖД) ШС стандартов и норм для автономного тягового подвижного состава.

На основании проделанного анализа в диссертации разработана методология оценки стоимости жизненного цикла тепловозов при вариации компоновок и конструкционных изменений при модернизации. Вопросам применения анализа ЬСС в виде инструмента в процессе принятия решений при реализации новых инвестиций в железнодорожной отрасли уделяется большое внимание. Свой вклад в решение названной проблемы, как в теоретическом, так и практическом плане, внесли и вносят учёные и специалисты Союза европейской железнодорожной промышленности, ОАО РЖД, ОАО ВНИИЖТ, Украинской государственной академии железнодорожного транспорта, СМТК г. Варшава, Института Подвижного Состава Краковской Политехники, изготовителей ПС и ряда организаций.

В работах Павлова Л.Н., Осяева А.Т., \Volframa Т., Тартаковского Э.Д. и др. представлены результаты проработок теоретических вопросов, связанных с понятием стоимости жизненного цикла - ЬСС, для ТПС, составляющими ЬСС, необходимостью применения анализа ЬСС для ТПС, сделан анализ мирового опыта по вопросам адаптации категории ЬСС к условиям эксплуатационной работы ТПС. Тем не менее нет единых, всесторонне обоснованных рекомендаций к применению этого подхода при решении задан модернизации локомотивного парка.

В данной работе в основу разработанной методологии положены принятые в Европейских странах нормативные документы:

• Европейский стандарт ЕЫ 50126 - Объекты железнодорожного транспорта. Требования и подтверждение надёжности, безотказности, ремонтопригодности и безопасности;

• Европейский стандарт EN 60300-3-3:2006 - Управление надёжностью. Руководство по применению — Оценка расходов жизненного цикла.

На основе рекомендаций вышеуказанных нормативных документов разработана обобщённая методология определения эффективности работы локомотивов и целесообразности их модернизации. В методологии анализа ЬСС для тепловозов выделено шесть основных этапов.

На первом этапе определяется стоимость жизненного цикла тяговой единицы, которая включает расходы, связанные с приобретением, владением и ликвидацией:

ЬСС = СТ|+ Ссод +С-жс + Су , , [евро/год] (1)

где Сц.Сут-стоимость приобретения (модернизации) и утилизации; Ссод. Сэкс- стоимость содержания и эксплуатации локомотива. Расходы на содержание и эксплуатацию локомотива представим в виде: Ссод = Сго+ Сцр +Сцр , (2)

где Сто - стоимость плановых технических осмотров; Спр - стоимость плановых периодических ремонтов; Снр - стоимость неплановых ремонтов. Расходы неплановых ремонтов Снр выразим как:

Сцр = Сотк+ Сврес > (3)

где Сотк - стоимость неплановых ремонтов при отказах локомотива;

Сврес ~ стоимость восстановительных работ и деталей, выработавших ресурс, в зависимости от режима работы локомотива в эксплуатации. Стоимость эксплуатации локомотива представим в виде:

Сэкс = Сг+ Ссм+ С[п + С л б , (4)

где Ст - стоимость израсходованного топлива;

Сем - стоимость израсходованных смазочных материалов; Стп- стоимость израсходованных теплоносителей; Сдб -стоимость содержания локомотивных бригад.

Расходы на утилизацию для тепловозов незначительны и, как правило, при определении стоимости жизненного цикла не учитываются.

Часть составляющих, входящих в стоимость жизненного цикла ЬСС-Сэкс, Сир - носит временной характер и зависит от режимов эксплуатации. В свою очередь расходы ССод по времени не меняются и фиксированы по временным интервалам.

В диссертации показатели работы тепловозов в эксплуатации предлагается определять на основании моделирования рабочих процессов в дизель-генераторах при имитации поездной работы локомотива в районе предполагаемой эксплуатации или маневровой работы. При моделировании поездной работы некоторая часть показателей, определяющих компоненты стоимости жизненного цикла, может быть получена в виде мгновенных величин на каждом шаге интегрирования.

Продифференцируем по времени выражение (1):

В правой части уравнения (5) останутся компоненты, зависящие от времени. В данной работе предлагается метод определения дифференциалов некоторых из них. Пусть в результате моделирования поездной работы локомотива и процессов в его силовой установке получены величины мгновенного расхода топлива Ъть расхода смазочных материалов Ьсш, расхода охлаждающих жидкостей Ьтш, величин накопленных повреждений Мц,-цПГ в лимитирующих узлах и т.п. Интегрируя по времени выражение (5), получим составляющие ЬСС в виде:

с11СС = с1Сжс + с1(С01К+ СВЕес).

(5)

Т;

О

Т;

(6)

О

Т1

О

СвРЕС — I /С'рЦПг[^Ц1ЦПг(^В1)] ■ dt,

о

где цт, цсм, цТц - цена топлива, смазочных материалов и теплоносителей; С'рцпг- стоимость дополнительного ремонта дизеля от относительной величины накопленных повреждений /Уц, цПг в деталях ЦПГ дизеля в зависимости от уровня максимальной температуры в цикле нагружения за время единичного режима Г., усл. ед./с.

На втором этапе определяются основные показатели надёжности в соответствии с Евростандартом EN 60300-3-3:2006.

Стоимость неплановых ремонтов Сотк определяется с использованием функции интенсивности отказов X(t), включая все элементы тепловоза.

Для модернизированного тепловоза принята и определена постоянная интенсивность отказов Mi), что, согласно распределению Вейбулла, определяет срок нормальной эксплуатации локомотива, в котором выступают случайные отказы, вызванные внешними факторами.

На основе выше сформулированных заданий расходы неплановых ремонтов Сотк определим как:

где С мат— средняя стоимость материалов текущего ремонта, евро\ Ттг — средняя трудоёмкость текущего ремонта, ч; Срч— стоимость рабочего часа при текущих ремонтах, евро/ч; t - время работы локомотива, ч/год.

В разработанной методологии для определения расходов отсутствия готовности используется коэффициент готовности А, определённый на этапе анализа надёжности локомотива.

Величину потерянных возможностей, в виде расходов, связанных с отсутствием готовности Cor, определим как:

Сотк= [W ■ t] ■ [СМЛТ + (Ттг- Ср.,)], [евро/год],

(7)

С„, = [8760 ■(1-А)] -Сш,. [евро/год] где Сил — расходы, связанные с простоем локомотива, евро/ч, А — коэффициент готовности.

(В)

В рамках третьего этапа необходимо разработать модель по оценке жизненного цикла локомотива согласно Евростандарту £N60300-3-3:2006.

В основу методологии анализа ЬСС для локомотивов, разработанной в Институте Подвижного Состава Краковской Политехники, принята методика - программное обеспечение САТЬОС фирмы 8ух1есоп, которым могут пользоваться специалисты железнодорожного транспорта в рамках процессов, относящихся к сфере оценки жизненного цикла.

Анализ модели ЬСС, проводимый в рамках четвёртого этапа, касается:

• расчёта всех элементов расхода, включенных в модель;

• идентификации преобладающих расходов в ЬСС.

Согласно Руководству ЕС от 16.06.2008г. - «Анализ затраты-выгоды инвестиционных проектов» (раздел Транспорт), расчёт величины ЬСС проводится для 25-и летнего периода эксплуатации локомотива.

Этап пятый в предлагаемой методологии это пересмотр и представление результатов анализа ЬСС с целью проведения оценки всех категорий расходов для выбора наиболее приемлемого варианта поставки тяговой единицы.

На шестом этапе проводится верификация разработанной модели и самого анализа ЬСС. На рисунке 1 представлена блок - схема разработанной методологии.

Разработанная методология положена в основу научно - обоснованного подхода к выбору наиболее эффективного варианта обновления ТПС ПЖД.

Обобщённая методология обладает простотой, легко воспринимается и позволяет использовать её для расчёта ЬСС различных типов тепловозов.

В случае если, при модернизации существенно меняются характеристики локомотива и, следовательно его производительность Рь, в диссертации предложено использовать понятие приведённой величины ¿ССщ>:

ЬСС,,? = ЬСС / Ри [евро/ткл 1.6р.] (9)

Согласно вышеизложенной методологии была проведена оценка эффективности вариантов модернизации тепловозов ПЖД серий: БМ42, БМ42 с двумя Д-Г установками, 8Р32, М62, М62вЕ и 81145.

Значительный объем диссертации посвящен разработке новых узлов и теоретическому анализу процессов, характерных для агрегатов выбранного для модернизации типа тепловоза.

Модернизация локомотива

Варианты объёмов модернизации Расходы приобретения

Сп

Эксплуатационные данные по локомотиву:

Режимы работы тепловоза; Действительный расход топлива, масла;

Время работы, пробег, перевозочная работа;

Нормы периодичности, продолжительности и трудоёмкости ТО и ремонта локомотива; Количество отказов, неплановых ремонтов по тепловозу.

Р1 Р2 РЗ

1 5 ТЫС. KMJ 75 тыс. км С. км

150 ты

300 тыс. км|(15 000ч) --------

_ 600 тыс. км (30 000m)v

1 500 тыс. км (75 000ч)

Ст

-L

Структура модели LCC

I LCC, Стоимость жизненного цикла - □ KN, Расходы приобретения fi ■ Kl. Инвестиционные расходы * □ КМ, Расходы на модернизацию ■ □ КР, Расходы владения я В KUT, Расходы на содержание

е E1KUK, Расходы непланового содержания

® 1UNB8, Расходы текущих ТР без вывода тепловоза в DNBZ. Расходы текущих ТР с выводом тепловоза a HKUP, Расходы планового содержания ® □ NG. Расходы КР «•□ NR1, РасходыТР1 ш О NR2. Расходы ТР2 в □ Pl. Расходы ТОТ ® □ Р2, Расходы Т02 « □ РЗ, Расходы ТОЗ в El KUZ, Расходы эксплуатации ® □ KZP, Расходы на топливо

Caibtc

1 CJKZO. Расходы на дизельное масло

Анализ RAM Определение показателей надёжности локомотива: X, MTTF, MTBF, MTR, MTTR, А.

Mt)

0.2 0,3 0,4 0.5 0.6 0.7 0.8 0,9

а вариант о ^вариант 1 вариант 2

Другие расходы

Эксплуатационные материалы

• Дизельное масло;

• Теплоносители и др.

Рисунок 1 - Блок - схема методологии анализа стоимости жизненного цикла (ЬСС) тепловоза

Совершенствование отдельных систем и агрегатов тепловозов представляет собой оптимизационную задачу, которая не может быть решена экспериментальными методами. Единственным приемлемым путем её решения является математическое моделирование рабочих процессов дизелей в режимах эксплуатации.

Проведённый выше анализ показал, что часть составляющих, входящих в стоимость жизненного цикла LCC локомотива, имеет временной характер и зависит от режимов эксплуатации. Было предложено проводить расчёт этих составляющих на основе моделирования рабочих процессов дизель-генератора при эксплуатации с учётом установившихся режимов и переходных процессов.

Используя математическую модель силовой установки тепловоза можно решать как задачи совершенствования отдельных систем и агрегатов локомотивов, так и проводить расчёт отдельных показателей LCC. В целом, такой подход позволяет решать проблему выбора объёма модернизации серийных тепловозов, и проводить оценку эффективности этого мероприятия путём анализа составляющих, входящих в стоимость жизненного цикла LCC.

В диссертации разработана и использовалась в расчетах стоимости жизнешюго цикла математическая модель рабочих процессов дизель - генератора a8C22W в переходных и установившихся режимах. Основными требованиями применимости математической модели являются её адекватность объектам исследований, компактность и универсальность с точки зрения описания процессов в комбинированных двигателях.

Особенностью дизелей типа a8C22W на тепловозах серии SM31 является применение импульсной системы наддува. Известны работы Орлина A.C., Симеона А.Э., Цшшера К., Wallace F., Круглова М.Г., Красовского О.Г. и др., в которых разработана теория газодинамических процессов в поршневых двигателях. Однако, в виду сложности определения начальных условий при специфической конфигурации газовоздушного тракта двигателей, применение таких разработок при оценке эксплуатационных показателей тепловозных дизелей не нашло применения. Автором разработана математическая модель рабочих процессов комбинированных двигателей типа а8С22 и a8C22W при работе на установившихся и переходных режимах, которые учитывают совместную работу поршневого двигателя с импульсной турбиной,

компрессором, системами газовоздушного тракта тепловоза, особенности работы дизелей на маневрово - вывозных тепловозах.

Математическая модель имитирует функциональные связи, применяемые в системах управления угловой скоростью коленчатого вала и мощностью дизеля тепловозов. В качестве допущений при моделировании принято: 1. Исполнительные устройства систем управления работают так, что в каждый момент времени скорость изменения управляемой величины К пропорциональна величине рассогласования и обратно пропорциональна постоянной времени лк _ к'-к

И = — • (Ш)

где К*, К- заданное и фактическое значения управляемой величины;

Тк - постоянная времени системы регулирования величины К. 1. В любой момент времени справедлив баланс энергий

ьт-ни-щ = ы„ + ыв + ыг + к-шд-^-, (П)

где Ыг - мощность, передаваемая тяговому генератору;

- сумма моментов инерции дизеля и агрегатов тепловоза, приведенных к валу дизеля;

ско^ск - угловое ускорение коленчатого вала дизеля. В расчетах уравнение (11) используется в дифференциальной форме:

, дщ йсод r(^Nм аыв аыг\

Для дизель-генераторов (Д-Г) тепловозов ПЖД серии 8М42, 8М31 составляющая с1№/(и представляет собой сумму двух слагаемых

dNг с1Ыс йо)а

—- = —----Н--— ИЗ"»

йшд сН dt ' 1}

где - изменение мощности дизеля в зависимости от угловой скорости

коленчатого вала при постоянной скорости движения;

<глгид

- заданное изменение мощности дизеля, управляемое регулятором мощности в зависимости от положения индуктивного датчика.

(12)

3. В начале в уравнение (12) подставляется величина возможного приращения подачи топлива [dbr/dt], вычисленная по условиям ограничений параметров рабочего процесса дизеля, и вычисляется величина углового ускорения коленчатого вала при постоянстве мощности Np, передаваемой тяговому генератору. При достижении допустимого углового ускорения коленчатого вала [dcog/dt], заданного ограничениями или соображениями иного порядка, в уравнение (12) подставляются величины возможной скорости приращения подачи топлива [dbx/dt] и заданного углового ускорения коленчатого вала dco g/dt, и определяется величина возможного приращения мощности тягового генератора dNr/dt. Если полученная величина скорости приращения мощности меньше допустимой [dNr/dt], то величины [dbr/dt] и dNr/dt считаются найденными управлениями. Если величина dNr/dt больше допустимой, то в уравнение (12) подставляются допустимые величины [dcog/dt] и [dNr/dt], и вычисляется скорость изменения расхода топлива dbr/dt. Величины dbr/dt и [dNr/dt] являются искомыми управлениями.

Если величины dcog/dt и dNr/dt представить в виде слагаемых, функционально зависящих от времени, частоты вращения коленчатого вала, давления наддува и т.п., то рассмотренный метод можно использовать для имитации логических связей существующих систем управления.

Такой подход позволяет исключить влияние качества работы систем управления на показатели переходных процессов и разрабатывать новые законы управления при изменении взаимосвязи переменных, входящих в уравнение (12).

При создании модели предполагалось, что изменение давления газов в выпускном коллекторе двигателя во времени или по углу поворота коленчатого вала cog представляет собой периодическую функцию с периодом

Т = cog • ф*. (14)

Фаза изменения давления газа в коллекторе ср* будет равна величине сдвига фаз работы цилиндров. Предположим, что периодический процесс в коллекторе можно представить в виде некоторой последовательности процессов продолжительностью Дер, связанных граничными условиями. Таких последовательных процессов может быть достаточно много, однако по связи с процессами во впускном коллекторе

существуют два характерных интервала: процесс принудительного выпуска (угол

фв , ф8) и процесс продувки (угол ф8 , фЬе) - рисунок 2, а).

Р, МПа

0,18

0,14

0,10_______

100 160 220 280 340 400 ф ПКВ

Я_%_ \=

¡1)

расчётная схема дизелей типа а8С22 с импульсной системой наддува при продувке - б) и свободном выпуске - в)

В двигателе с импульсным наддувом принудительный выпуск полностью отделен от процессов во впускном коллекторе и может быть рассчитан по известным методикам, если заданы параметры рабочего тела в цилиндре. Процесс продувки непосредственно связан с процессами во впускном коллекторе. Расчет процесса продувки проводится совместно с расчётами процессов во впускном тракте двигателя, включая устройства тепловоза, воздушный фильтр I, компрессор 2, охладитель НВ 3, поршневую часть 4, турбину 7 и выпускные устройства 8 (рисунок 2, б). Перепады давлений в процессах впуска и принудительного выпуска рассчитывали независимо друг от друга. Оба процесса описываются системой нелинейных

алгебраических уравнений, отражающих квазистационарное течение рабочего тела по элементам впускного и выпускного трактов. Расчет течения рабочего тела в процессах продувки и выпуска проводился последовательно по средним значениям давлений, температур и расходов рабочего тела в соответствующих периодах с принятым интервалом Д(р (рисунок 2, а). Начальными параметрами для расчета выпускного тракта в случае принудительного выпуска являются значения параметров, определенные в процессе расчета выпускного тракта при продувке.

Газодинамический расчет турбины турбокомпрессора в переходном процессе ведется с учетом изменения углов набегания потока на решетку рабочего колеса. В работе представлен полный алгоритм расчета турбины.

Расчет переходного и установившегося режимов работы дизеля осуществляется с помощью одной программы, блок - схема которой показана на рисунке 3. По рассмотренной блок - схеме составлены и откорректированы программы расчета показателей работы дизелей а8С22 и а8С22'\¥ на установившихся режимах и в переходных процессах. В работе подробно описана функциональная структура

алгоритма расчёта переходного процесса двигателей.

Рисунок 3 - Блок-схема алгоритма расчёта переходного процесса двигателей с импульсным наддувом

На рисунке 4 указаны расчетные и экспериментальные показатели работы дизелей а8С22\¥ по нагрузочной и тепловозной характеристикам.

Анализ полученных данных показал, что сходимость параметров вполне удовлетворительная. Расхождение между расчетными и экспериментальными данными не превышает 2-4%. Некоторое различие угловой скорости ротора ТК, давления наддува и расхода воздуха на режимах частичной мощности объясняется, главным образом, тем, что отсутствуют данные по характеристикам компрессоров в зоне низких значений сотк.

ТБ, К 320

310 Штк рад/с 1800

1000

де "/кВт-1

250 230

м

л/"

Штк >

ч РБ Рт

- бь

\ --- де 1-о

Тт, К Т5,

к

850 330

3?0

/ЬО Штк.

рад/с

6Я0 1600

Ря, Рт

кПа 1200

80

800

40 кВт

900

ГПЬ,

кг/с 500

1,6

100

1,2

Тт

Ц)ТК с«

И Й

\Р5 Рт

\ бь

Тт, К 800

700

600 Р5, Рт кПа 80

40

бь, кг/с

1,5 1,0 0,5

300 400 500 600 700 800 900 Ые, кВт 50 60 70 80 90 100 шд, рад/с

а) б) Рисунок 4 - Показатели работы дизель - генераторов а8С22\¥ по нагрузочной (0^=104 рад/с)-а) и тепловозной - б) характеристикам Те, Тт - температура воздуха в ресивере и газов перед турбиной; Ре, Рт - давление надувочного воздуха и газов перед турбиной; СОчтс - угловая скорость коленчатого вала дизеля и ротора ТК; Ог, ОЬ - расход топлива и воздуха; N6 - эффективная мощность дизеля. --эксперимент;-----расчёт

На рисунке 5 представлены расчетные и экспериментальные временные характеристики переходного процесса в дизель-генераторах а8С22\У при быстром переводе рукоятки управления с IV на XI позицию контроллера. Как видим, совпадение расчетных и экспериментальных характеристик вполне

удовлетворительное. Расчетные временные характеристики переходного процесса хорошо согласуются с экспериментальными данными. Наибольшее отклонение расчетных данных наблюдалось по величинам давления наддува и составляет 6%. Остальные показатели не отличаются от эксперимента более чем на 3%.

Рисунок 5 - Временные характеристики переходного процесса в дизель - генераторе 8C22W cog, оотк — угловая скорость коленчатого вала дизеля и ротора ТК; Ps — давление надувочного воздуха; gu - цикловая подача топлива; Ne - эффективная мощность дизеля: --эксперимент;----- расчёт

Удовлетворительная адекватность математических моделей рабочих процессов в двигателях типа а8С22 и a8C22W позволяет сформулировать стратегию поиска рациональной (оптимальной) характеристики нагружения дизель-генератора, с учётом режимов эксплуатации тепловоза, в соответствии с выбранным критерием.

В качестве критерия предложено принимать минимум произведения :

W=B, • Tat —> min при А, = const, (15)

где Вт ,Тат- расход топлива и время при выполнении тепловозом заданной поездной работы А,.

С целью оценки влияния ресурса дизеля на стоимость эксплуатационной работы тепловоза, введем в критерий качества стоимость технического обслуживания и ремонта двигателя в зависимости от теплонапряженности деталей ЦПГ и средне - эксплуатационной угловой скорости коленчатого вала. Тогда критерий качества запишется в виде

V/ = С-Тат , [усл. ед.-с] (16)

где С = Ст+ Ср + С'р,

С,- - стоимость топлива, расходуемого за время выполнения заданной поездной работы;

Ср - стоимость текущего технического обслуживания и ремонта дизеля в

период между заводскими ремонтами; С'р - стоимость неплановых ремонтов дизеля.

В работе приведены методики и результаты оценки составляющих выбранного критерия.

На основании вышесказанного определена методология выбора объёма модернизации для эксплуатируемых серий локомотивов ПЖД. Основные моменты этой методологии определяют следующие позиции:

1. Разрабатываются технические требования (ТТ) для модернизации выбранной серии тепловозов, основой которых являются положения нормативной государственной, отраслевой и международной, документации для автономного подвижного состава.

2. Проводится научно-техническое обоснование целесообразности применения новых узлов на модернизируемых локомотивах. Разрабатываются технические задания на их установку на тепловозе.

3. Разрабатываются варианты комплектации тепловоза для модернизации.

4. Проводятся расчёты стоимости жизненного цикла (ЬСС) для выбранных вариантов комплектации по изложенной выше методологии и выбирается оптимальный вариант.

5. После согласования с заказчиком предлагаемого варианта модернизации тепловоза проводятся расчеты, необходимые для обеспечения надежной работы.

6. Разрабатывается конструкторская документация для проведения модернизации выбранной серии локомотивов, и, как правило, проводится её согласование с заказчиком.

7. Разрабатываются технические условия приёмки тепловоза после модернизации.

8. Разрабатывается техническое описание и инструкция по эксплуатации модернизированного тепловоза.

9. Разрабатывается новая система технического обслуживания и ремонта модернизированного тепловоза.

10. Проводятся сертификационные стендовые и эксплуатационные испытания модернизированного тепловоза.

11. Разрабатывается программа поднадзорной эксплуатации первого экземпляра модернизированного тепловоза.

Согласно выше изложенной методологии был проведён выбор объёмов модернизации для тепловозов польских железных дорог серий SM42, SM42 в двухдизельном варианте и с асинхронными тяговыми электродвигателями, SP32, SM31HM62.

В третьей главе приведены объёмы и конструкторские решения по модернизации тепловозов польских железных дорог.

Проведённые в период 1994-1997гг. под руководством автора теоретические и практические работы в области модернизации тепловозов позволили, во-первых, предложить компаниям - операторам модернизацию как экономически выгодный вариант обновления своего локомотивного парка. Во-вторых, в стране появились производители различного вида оборудования для модернизации подвижного состава, а также представители известных зарубежных компаний, например, Caterpillar, MTU, CUMMINS. В-третьих, накоплен определённый опыт по расчётам, анализам и внедрению новых решений и технологий, а также инженерных программ проектирования в области модернизации тепловозов.

С целью расширения области тяговых режимов тепловозов серии SM42 автором, совместно со специалистами Научно-технического Центра Железнодорожного Транспорта (CNTK), был разработан вариант их

модернизации с применением привода ТЭД от аккумуляторной батареи. По предложенному варианту проведена модернизация 10-и тепловозов. В диссертации подробно рассмотрены результаты (объемы) модернизации тепловозов серий БМ42, БМ42 в двухдизельном варианте и с использованием асинхронных ТЭД, 8Р32, БР/БШг, 8Т44 (М62), их технические характеристики и результаты поднадзорной эксплуатации

Особое место в процессе модернизации тепловозов занимает тепловоз серии 8М31, на котором благодаря внедрению электронного регулятора удалось существенно улучшить качество переходных процессов в дизеле и эффективность работы по скоростным характеристикам.

Приведённая в диссертации методика и результаты исследований статических и временных характеристик тепловозных дизелей серии а8С22, а8С22\\^ позволили сформулировать стратегию поиска оптимальных (рациональных) характеристик в зависимости от объекта исследования и имеющихся технических средств. Разработанная методика позволяет в каждом конкретном случае выбрать оптимальную характеристику и параметры, определяющие качество переходных процессов.

Расчётные зависимости критерия качества \Уч. от разности ординат серийной и расчётных характеристик при неизменной ограничительной характеристике показывают, что с повышением тепловозной характеристики значение критерия возрастает (рисунок 6). Это объясняется увеличением стоимости дополнительного ремонта в связи с ухудшением параметров переходных процессов дизеля и ростом теплонапряжённости деталей ЦПГ.

Рисунок 6 - Зависимость критерия качества от разности ординат серийной и расчётных тепловозных характеристик

Минимальное значение критерия наблюдается при тепловозной

характеристике, сниженной по сравнению с серийной на 20-23% в области угловой скорости коленчатого вала 75-80 рад/с. Выбранная эксплуатационная характеристика, учитывающая особенности маневровой работы, позволяет защитить дизель от тепловых перегрузок и обеспечить приемлемые показатели переходных процессов при различных эксплуатационных режимах.

В результате проведенных исследований установлено:

• оптимальной, с точки зрения экономичности тепловоза 5М31, а также долговечности основных узлов дизеля а8С22\\', является тепловозная характеристика, сниженная по сравнению с серийной на 20 - 23% в области = 75 - 80 рад/с;

• снижение скоростной характеристики сопровождается уменьшением значений температур газов перед турбиной на величину 100^120К при работе дизеля а8С22\У на переходных режимах;

• приближённая оценка ресурса цилиндровых крышек дизеля показала, что снижение теплонапряжённости их работы приводит к повышению расчётной долговечности в 2,8 раза;

• топливная экономичность тепловоза с учётом работы двигателя на установившихся и переходных режимах сохраняется на заданном для серийной характеристики уровне.

В целом по третьей главе:

1.В результате проведённых расчётов выбрана рациональная (оптимальная) характеристика нагружения дизелей а8С22\У тепловозов 8М31 в соответствии с принятым критерием эффективности.

2. Разработан электронный регулятор оборотов и мощности дизелей а8С22 и а8С22\У для реализации на тепловозе 8М31 выбранной рациональной характеристики нагружения.

3. Для расширения области тяговых режимов тепловоза БМ42 разработан объём и технология его модернизации, заключающаяся в применении привода ТЭД от аккумуляторной батареи. По предложенному объему модернизированы 10 тепловозов БМ42.

4. Разработан объём и технология модернизации основной серии локомотивов ПЖД — тепловозов SM42. Суть модернизации заключается в радикальном обновлении оборудования - от серийного тепловоза остаются только главная рама и экипажная часть. В настоящее время в эксплуатации работает свыше 170 единиц модернизированных тепловозов SM42.

5. Проведён технический анализ целесообразности модернизации тепловозов SM42 в двухдизельном варианте. В результате анализа установлено, что тепловоз SM42 с двумя Д-Г установками (дизели Caterpillar С15) уступает по топливной экономичности и тяговым свойствам модернизированному тепловозу SM42 с одним Д-Г (дизель Caterpillar С27) при выполнении ими маневрово - вывозной работы.

6. Разработан объём и технология модернизации пассажирских тепловозов SP32 заключающаяся в замене дизеля, совершенствованию системы управления и поездного отопления, а также улучшению тяговых свойств и условий работы локомотивной бригады. Предложенный объём модернизации принят компанией-оператором к реализации.

7. Предложен объём, разработана компоновка и комплектация для модернизации тепловозов SM42 с применением асинхронных ТЭД. Тепловоз предназначен для работы с грузовыми сборными и вывозными поездами в районах промышленных и горнодобывающих предприятий.

8. Разработаны варианты модульных дизель-генераторных установок для модернизации всех серий тепловозов ПЖД. Модульная конструкция Д-Г использует дизели двух производителей - фирмы Caterpillar и ХК «Коломенский завод» и тяговые электрические машины отечественного производителя - завода EMIT А.О.

В четвертой главе представлены результаты эксплуатационных испытаний модернизированных тепловозов и технико-экономическая оценка результатов модернизации.

Сертифицирующей организацией, полномочной разработать и передать в Федеральное бюро ПЖД заключение по испытаниям, являлся Институт Подвижного Состава Краковской Политехники.

Для всех модернизированных тепловозов выполнен анализ стоимости

жизненного цикла (ЬСС) в 25-и летнем периоде эксплуатации для недисконтированных значений расходов, базируясь на фиксированных ценах (нетто) из уровня конкретного года, в котором проводились анализы эффективности. Такой подход согласован с компаниями-операторами, для которых проводились расчёты.

В диссертации для каждого из модернизированных тепловозов представлены подробные результаты анализа ЬСС. Было принято, что анализ имеет характер сравнения, заключающийся в сравнении экономических эффектов получаемых во время эксплуатации серийного варианта тепловоза с эффектами, получаемыми после его модернизации - рисунки 7-12.

1. Модернизация системы управления силовой установкой на тепловозе БМЗ!.

Cost (EURO)

вариант О

вариант 1

8,0% ^ 11,4% ^1,4%

24,1%

Bill

— 61,3% НИШ ,--;

1,0%

а)

Вариант О

б)

Вариант 1

Рисунок 7 - Сравнение LCC - а) и основные категории расходов в величинах LCC - б) для анализируемых вариантов тепловозов SM31

2. Модернизация тепловозов серии SM42 с дизелями Caterpillar типа С27.

SM42 CAT С27 SM42 а8С22

OLCC

а)

SM42 CAT С27 SM42 а8С22

Я KN ИКР

б)

Рисунок 8 - Сравнение величин ЬСС - а) и доля расходов на приобретение КЫ и владения КР в ЬСС - б) для анализируемых вариантов тепловозов 5М42

4.4% 0,3% 0,3%

2.4%Д>.3%1,1%^0,2%

а) 'наитии' мши

□ KZP BKUP □ KN □ KUB я K8G BKOS я KZO

О KZP BKUP □ KN □ KUB HKBG ta KOS BKZO

Рисунок 9 - Преобладающие расходы в LCC для анализируемых вариантов

3. Модернизация тепловозов серии SM42 с двумя дизель-генераторными установками ( дизели Caterpillar типа С15).

1 » LCC

ggggg] Шв

g <=>

оо 5 § г-

£ to ЙйЁ; со по - §Ш4Я ШШШ

со Г-£

ЙЙВЙ

Вариант О Вариант! Вариант 2 Вариант О Вариант 1 Вариант 2

а) б)

Рисунок 10 - Сравнение прогнозируемой - а) и фактической - б) величин LCC

для анализируемых вариантов тепловозов SM42 с дизелями:

0 - серийный; 1- С27; 2 - 2 х CI5

SS ...... m Я .......}

-i-2,3% ^2,7%

Вариант О Вариант 1 Вариант 2 Вариант о Вариант 1 Вариант 2

а) б)

Рисунок 11 - Основные категории расходов в прогнозируемой - а) и фактической - б) величинах 1_СС для анализируемых вариантов тепловозов БМ42

4. Модернизация тепловозов серии М62.

CoiUEUR)

10000 000 I 1

7 500 000 1Л О оо

5000 000 - 00 № №

2 500 000 0 И гН Ш-Щ мяв

Я

N

00 1X1

0

01

Ю 01 СП

(Л 01 01 СП

А

1004 90Х 80% J04 60Х

и*

- 40%

ж

- го* 10«

5,8% М,8% 0^0,2% #^0,4% Щ0,4%

8*0% .....

■

9,4%

11,6%

80,0%

I

77,6

ч

B:)|lll-.tirr 0 BilJIIMIfT 1 влршшт 2 вариант 3

а)

Вариант 0 Вариант 1

.. шш..

Вариант 2

ИИ f 'кив

ЙЦ KN 75'°» KUP

¡1 ни

Вариант 3

б)

Рисунок 12 - Сравнение величин LCC - а) и основные категории расходов в LCC - б) анализируемых вариантов модернизации тепловозов М62 с дизелями:

I-XK «Коломенский завод» 12ЧН26/26; 2 - Caterpillar 3512В ; 3-MTU12V4000 R41 Обозначения на рисунках 7—12:

KZO - затраты расхода масла, KUB - расходы непланового содержания, KN - расходы приобретения, KUP - расходы планового содержания, KZP - затраты расхода топлива, KOS - плата за загрязнение окружающей среды, KBG - расходы отсутствия готовности.

По результатам сравнений величин LCC модернизированных тепловозов, а также проведения оценки состояния эксплуатируемого тепловозного парка в диссертации разработаны предложения по дальнейшему развитию модернизации локомотивного парка ПЖД и частных компаний - операторов. Развитие отдельных отраслей промышленности и подготовки кадров. На основе результатов проведённого автором анализа технических возможностей отечественной промышленности по выпуску оборудования для локомотивов, с учётом предлагаемых объёмов их модернизации, были определены следующие направления развития отдельных отраслей промышленности Польши:

1. В сфере тепловозных дизелей - создать на выбранном отечественном предприятии, с участием ведущей мировой дизелестроительной компании, совместную сборку дизелей нового поколения.

2. В сфере тяговых электрических машин — освоить/возобновить выпуск тяговых и вспомогательных синхронных генераторов в диапазоне

мощностей 600-1600кВт и 60-И00кВт, соответственно. Для модернизации тепловозов с применением асинхронных ТЭД освоить производство бесколлекторного тягового электродвигателя путём переконструирования серийного двигателя с использованием его корпусных деталей.

3. В сфере тяговых электроустройств и аппаратов - освоить производство силовых статических преобразователей, а также инверторов тока для бесколлекторных тяговых приводов тепловозов; возобновить выпуск силовых контакторов.

4. В сфере микропроцессорной техники - освоить производство микропроцессорных контроллеров систем управления тяговым приводом тепловоза, взаимодействующих с электронными регуляторами частоты вращения и мощности дизелей и другими системами локомотива.

5. В сфере вспомогательных устройств - освоить производство винтовых компрессоров для пневматических систем локомотивов.

6. В сфере производства тормозного оборудования - освоить сборку пневматических щитов с тормозным оборудованием ведущих компаний: Кпогг-Ьгетяе, ОегНкоп, SabWabco.

7. В сфере производства материалов и компонентов для конструкции отдельных узлов локомотивов - освоить выпуск боковых раздвижных окон современной конструкции и лобовых многослойных стёкол для кабин машиниста. Для отделки стен, потолков, пультов управления в кабинах машиниста освоить производство облицовочных материалов из негорючей полиэфирной смолы.

В целом транспортное машиностроение в Польше имеет определённый потенциал для устойчивого инновационного и технологического развития для реализации производства вышеуказанных машин, устройств, узлов, материалов и других комплектующих используемых, как при модернизации локомотивов, так и производстве нового ПС.

Решение задачи научно-технического обеспечения реализации предлагаемых программ модернизации тепловозного парка ПЖД предусматривает проведение исследовательских и опытно-конструкторских работ, направленных на проектирование локомотивов нового поколения.

На основании вышесказанного автором, в рамках специальностей механического факультета Краковской Политехники, предложены новые дисциплины и разработаны для них программы обучения студентов по следующим направлениям:

1. По специальности «Производственный инжиниринг средств транспорта»

• Модульная конструкция средств транспорта;

• Производство и обновление средств транспорта;

• Компьютерная поддержка производства средств транспорта;

2. По новой специальности «Инжиниринг промышленного дизайна»

• Конструкция подвижного состава железных дорог;

• Проектирование подвижного состава железных дорог;

• Современные инженерные системы проектирования ПС.

По всем вышеназванным специальностям, в учебном году 2013/2014 началось обучение студентов на механическом факультете Краковской Политехники.

Заключение

В диссертационной работе поставлена и решена научно-прикладная проблема обоснования целесообразности модернизации автономного тягового подвижного состава польских железных дорог (ПЖД), определения объектов и объемов модернизации конкретных серий тепловозов на основании расширенного понятия стоимости жизненного цикла тягового подвижного состава. Разработаны технологии и решены практические задачи реализации, выбранных объёмов модернизации в условиях ремонтных предприятий Польши. Решение проблемы имеет большое народно-хозяйственное значение для обеспечения грузовых и пассажирских перевозок железнодорожным транспортом Польши, развития отраслей промышленности, связанных с процессами модернизации и, освоения новых специальностей в учебном процессе высших учебных заведений страны.

В результате проведённых в диссертации исследований получены следующие научные и практические результаты:

1. Выполнена оценка состояния локомотивов польских железных дорог и их эксплуатационных свойств в техническом, экономическом и правовом отношениях для принятия решения по их модернизации.

2. Разработаны технические требования, предъявляемые к узлам, агрегатам, системам и конструкторским решениям выбранных для модернизации тепловозов ПЖД. Предложена для компаний - операторов программа модернизации эксплуатируемого серийного тепловозного парка.

3. Разработана обобщённая методология проведения анализа стоимости жизненного цикла (ЬСС) для обоснования альтернативных решений (вариантов модернизации) локомотивов.

4. Впервые предложено расширить понятие жизненного цикла путем представления части составляющих ЬСС в виде дифференциалов по времени. Это позволило применить в вычислениях ЬСС математическое моделирование рабочих процессов в системах локомотивов при выполнении поездной работы.

5. Разработаны математические модели рабочих процессов Д-Г тепловозов, имитирующие переменные во времени режимы работы в эксплуатации. Впервые разработаны математические модели нестационарных процессов дизелей с импульсным газотурбинным наддувом и процессов накопления повреждений в деталях цилиндропоршневой группы и газовыпускного тракта в процессе эксплуатации.

6. Разработана методика поиска оптимальной характеристики нагружения Д-Г и проведён расчёт временных составляющих входящих в состав величины ЬСС локомотива. Выбрана оптимальная, по заданному критерию, характеристика нагружения высокофорсированного дизеля а8С22\У, для реализации которой на тепловозе БМ31 внедрен разработанный с участием автора электронный регулятор частоты вращения и мощности Д-Г.

7. Для выбранных серий тепловозов ПЖД определены целесообразные объёмы модернизации путём варьирования стоимости жизненного цикла в зависимости от комплектации оборудования. Практическое использование разработанной методологии для оценки эффективности модернизации тепловозов ПЖД позволило получить следующие результаты:

• модернизировать систему регулирования мощности тепловозов серии SM31 с применением электронного регулятора частоты вращения и мощности, реализующую выбранную оптимальную характеристику нагружения. Расходы жизненного цикла (LCC) тепловоза SM31 с модернизированной системой управления Д-Г установкой на 10,7% меньше LCC серийного локомотива. Это обеспечивает экономию в течение эксплуатации порядка 476190 евро на один тепловоз;

• выполнить модернизацию маневровых тепловозов серии SM42 заключающуюся в радикальном обновлении оборудования. Модернизация этой серии локомотивов обеспечивает высокую экономию - порядка 37,2% от полных затрат жизненного цикла по сравнению с серийным тепловозом, что составляет около 1,5 млн. евро для одного локомотива;

• провести модернизацию пассажирских тепловозов серии SP32. Общие расходы жизненного цикла модернизированного локомотива, по сравнению с серийным, уменьшены на 19-23%, в зависимости от режимов работы тепловоза SP32 в пассажирском движении. Для каждого локомотива это даёт экономию порядка 0,95 - 1,16млн. евро;

• сравнительный анализ стоимости жизненного цикла для грузовых тепловозов серии ST44 (М62) с вариантами их модернизации - дизели Д49 АХК «Коломенский Завод», Caterpillar, MTU показал, что наиболее эффективным является вариант с применением дизелей Д49;

• показано, что модернизация тепловозов SM42 в двухдизельном варианте является нецелесообразной. Стоимость жизненного цикла двухдизельного локомотива, в зависимости от режимов работы дизелей, на 17-26% выше LCC модернизированного тепловоза SM42 с одним дизель-генератором;

8. Разработанная автором методология внедрена в Институте подвижного состава Краковской Политехники в учебном процессе и используется специально созданной лабораторией «Исследование стоимости жизненного цикла» для научного обоснования целесообразности и оценки эффективности модернизации подвижного состава.

9. Разработаны и внедрены предложения по развитию производства на польских предприятиях ряда основных узлов и комплектующего

оборудования, применяемых при модернизации тепловозов, таких как тяговые генераторы и двигатели, компрессоры, электронные регуляторы, микропроцессорные контроллеры, статические преобразователи и др.

10. Разработанные автором методические руководства и программы по новым дисциплинам внедрены в учебный процесс специальностей механического факультета Краковской Политехники.

11. Результаты эксплуатационных испытаний подтвердили расчётную эффективность работы модернизированных тепловозов и позволили существенно расширить программу модернизации. В настоящее время с учётом разработанной методологии модернизировано более 270 единиц тепловозов.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации в изданиях, рекомендуемых ВАК.

1. Бабел, М. Повышение эффективности работы дизелей тепловозов серии 8М31/ М. Бабел, Е.Е. Коссов // Вестник Транспорта Поволжья. - 2012.-№6(36).-С. 14-17.

2. Бабел, М. Тепловоз серии БМ42 с аккумуляторным приводом тяговых электродвигателей / М. Бабел, Г. Жепеевски // Наука и Техника Транспорта. -2013. -№3. -С. 63-69.

3. Бабел, М. Анализ стоимости жизненного цикла (ЬСС) при оценке эффективности подвижного состава / М. Бабел, М. Шкода, Е.Е. Коссов // Вестник ВНИИЖТ. - 2013. - № 6. - С. 55-60.

4. Бабел, М. Модернизация тепловозов серии М62 с учётом критерия стоимости жизненного цикла / М. Бабел, М. Шкода // Вестник Транспорта Поволжья. - 2014. -№ 1 (43). - С. 13-18.

5. Лаптев, В. А. Охлаждающее устройство тепловоза 2ТЭ116 новой конструкции с термодинамически расширяемыми блочными радиаторами / В.А. Лаптев, М. Бабел, В.Г. Стряпихин, И.М. Носиков // Вестник Транспорта Поволжья. - 2014. - № 1 (43). - С. 19-26.

6. Бабел, М. Модернизация маневрового тепловоза БМ42 / М. Бабел, А. Тулэцки // Наука и Техника Транспорта. - 2014. - № 1. - С.79-87.

7. Луков, Н.М. Методика расчета статических характеристик и параметров энергетической установки локомотива как объекта регулирования частоты вращения вала / Н.М. Луков, М. Бабел // Инновации и инвестиции. - 2014. -№ 1. - С. 194-196.

8. Бабел, М. Выбор объёма модернизации пассажирского тепловоза SP32 по критерию стоимости жизненного цикла / М. Бабел, М. Шкода // Вестник СамГУПС. - 2014. - № 1(23). - С. 73-78.

9. Луков, Н.М. Электрическая передача локомотива переменного тока с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором без тяговых преобразователей / Н.М. Луков, М. Бабел // Инновации и инвестиции. - 2014. -№ 2. - С. 224-226.

10. Луков, Н.М. Автоматическая комбинированная микропроцессорная система регулирования температуры топлива для дизелей локомотива / Н.М. Луков, М. Бабел // Глобальный научный потенциал. - 2014. - № 2(35). -С. 60-64.

11. Бабел, М. Анализ целесообразности модернизации тепловозов серии SM42 в двухдизельном варианте с учётом критерия стоимости жизненного цикла / М. Бабел, М. Шкода // Инновации и инвестиции. - 2014,-№ 3. - С. 234-238.

Прочие публикации по теме диссертации.

12. Коссов, Е.Е. Математическая модель рабочих процессов дизелей 8ЧН22/27 на режимах эксплуатации /Е.Е. Коссов, М. Бабел. - М., 1987. - 21 с. -Деп. в ЦНИИТЭИТЯЖМАШ, № 1971-тм 87.

13. Коссов, Е. Е. Моделирование выпускной системы тепловозного дизеля с импульсным наддувом на переходных режимах/ Е.Е. Коссов, М. Бабел. - М., 1988. - 26 с. - Деп. в ЦНИИТЭИТЯЖМАШ, № 61-тм 88.

14. Kossov, Е. Е. Zagadnienia modelowania eksploatacyjnych warunków ргасу trakcyjnych silników spalinowych / E.E. Kossov, M. Babel // Silniki Spalinowe. -1988.-№ 2.-C. 27-31.

15. Бабел, M. Повышение эффективности работы тепловозных дизелей 8ЧН22/27 согласованием характеристик нагружения с режимами эксплуатации: дис. ... канд. тех. наук: 05.22.07 / Бабел Марек. - М., 1989. - 129 с.

16. Бабел, M. Повышение эффективности работы тепловозных дизелей 8ЧН22/27 согласованием характеристик нагружения с режимами эксплуатации: автореф. дис. ... канд. тех. наук: 05.22.07 /Бабел Марек. - М., 1989. - 23 с.

17. Babel, M. Zwiçkszenie efektywnosci pracy lokomotyw spalinowych w eksploatacji na drodze optymalizacji warunköw pracy silnika wysokoprçznego z wykorzystaniem elektronicznego regulatora obrotôw i mocy / M. Babel, E. Kossov. -Poznan: Politechnika Poznanska. I Sympozjum Naukowe. Automatyzacja pracy silnikôw wysokoprçznych, 1992. - C. 69-78.

18. Babel, M. Analiza dotychczasowych propozycji modernizacji manewrowych lokomotyw spalinowych: «Opracowanie koncepcji modernizacji manewrowych lokomotyw spalinowych eksploatowanych na PKP w aspekcie techniczno -ekonomicznym» / M. Babel. - Poznan: Politechnika Poznanska, 1996. - C. 108-121.

19. Babel, M. Napçd bateryjny lokomotyw serii SM42/ M. Babel, H. Rzepiejewski // Technika Transportu Szynowego. -1997. - № 6. - C. 9-13.

20. Opracowanie dokumentacji technicznej modernizacji lokomotywy spalinowej serii SM42 eksploatowanej vv warunkach przedsiçbiorstwa hutniczego: отчет о НИР / M. Babel, A.Tulecki. - Krakow: Instytut pojazdöw szynowych PK, 2006. - № M-8/363. - 55c.

21. Modernizacja lokomotywy spalinowej serii SP32. Studium wykonalnosci: отчет о НИР / M. Babel, A. Tulecki, M. Szkoda. - Krakow: Instytut pojazdöw szynowych PK, 2008. - № NB-4. - 88c.

22. Studium techniczno-ekonomiczne modernizacji lokomotywy spalinowej serii SM42 w wariancie dwusilnikowym: отчет о НИР / M. Babel, M. Szkoda,

A. Tulecki. - Krakow: Instytut pojazdöw szynowych PK, 2009. - № NB-15. - 49c.

23. Babel, M. Modernizacja spalinowej lokomotywy serii SM31 / M. Babel,

B. Szachniewicz // Technika Transportu Szynowego. - 2012. - № 4. - C. 44-47.

24. Бабел, M. Модернизация пассажирского тепловоза SP32 / M. Бабел, M. Гуровски // Локомотив-информ. -2013. - №2. - С. 22-28.

25. Kossov, Е. Improvements in transient performance under locomotive diesel-generator mode changing conditions / E. Kossov, M. Babel, V. Furman // Mechanics. Technical transactions. Cracow University of Technology. - 2014. - № 1-M. - Issue 4. - C. 41-48.

Подписано к печати 13.08.2014 г. Формат бумаги 60x90 1/16 Объем 3 п.л. Тип. ОАО «ВНИИЖТ» Зак. №104 Тираж 100