автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Улучшение эксплуатационных показателей маневровых тепловозов

На правах рукописи §0?

КРУЧЕК Вячеслав Викторович

УЛУЧШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ МАНЕВРОВЫХ ТЕПЛОВОЗОВ

Специальность 05. 22. 07 - Подвижной состав железных дорог,

тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДПР 2012

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2012

005020523

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения» на кафедре «Локомотивы и локомотивное хозяйство»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

ГРИЩЕНКО АЛЕКСАНДР ВАСИЛЬЕВИЧ

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

КИСЕЛЕВ ИГОРЬ ГЕОРГИЕВИЧ

профессор кафедры «Теплотехника и теплосиловые установки» ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения» кандидат технических наук

МУРАТОВ АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

доцент кафедры «Локомотивы» ФГБОУ ВПО «Самарский государственный университет путей сообщения»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения».

Защита диссертации состоится «26» апреля 2012 года в 15час. ЗОмин. на заседании диссертационного совета Д218.008.05 на базе ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения» по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 9, ауд. 5-407.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петербургского государственного университета путей сообщения и на сайте Минобрнауки www.vak.ed.gov.ru.

Автореферат разослан «26» марта 2012 года.

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный печатью, просим направлять в адрес ученого совета университета.

Ученый секретарь диссертационного совет д.т.н., доцент /

Никитин Виктор Валерьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современное видение развития локомотивной отрасли - это создание новых типов и серий тепловозов, сконструированных с учетом мировой и отечественной практики на базе передовых научных знаний. Практика эксплуатации тепловозов показывает, что среди локомотивов всех родов службы, включая пассажирские, грузовые, грузо-вывозные, наименьший среднеэксплуатационный КПД имеют маневровые и промышленные тепловозы. Это объясняется тем, что специфика работы этих тепловозов отличается большой неравномерностью нагрузок их силовых установок в течение суток - от длительного простоя в ожидании работы до максимальной. Причем, работа на холостом ходу и малых нагрузках, когда эффективный КПД дизеля мал, значительно превосходит по времени работу на полной мощности. Поэтому общие эксплуатационные затраты на содержание этих тепловозов, включая расходы на топливо, достаточно велики. Наблюдения за эксплуатационными режимами маневровых тепловозов на станциях с различным объемом работ показывают, что для достижения максимальной экономичности тепловоза рационально разделить паспортную мощность энергетической установки как минимум на две части и реализовывать ее двумя дизелями. Однако теории расчета рационального соотношения мощностей дизелей входящих в многодизельную силовую установку (МСУ) тепловоза отсутствует. Принцип управления МСУ должен обеспечивать не только минимальный удельный расход топлива каждым дизелем в отдельности, но и обеспечивать высокую готовность к работе неработающего дизеля, доводя суммарную номинальную мощность тепловоза в любой момент времени до заданного максимального паспортного значения. Кроме этого, за счет возможной поочередной работы отдельных дизелей многодизельной силовой установки тепловоза возможно увеличение пробегов между плановыми ремонтами и техническими осмотрами. Так как работа тепловозного дизеля без прогрева основных систем

1

до рабочих температур влечет недопустимо большие износы трущихся поверхностей деталей шатунно-поршневой группы, то создание единой системы охлаждения спаренных дизелей позволит решить эту задачу без дополнительных устройств прогрева. Кроме этого появляется возможность снизить мощность механических затрат на привод вентилятора шахты холодильного устройства тепловоза. Все эти мероприятия позволят повысить надежность и среднеэксплуатационный КПД тепловоза.

Таким образом, создание методики выбора соотношения эффективных мощностей дизелей, входящих в состав МСУ тепловоза, учитывающей род службы локомотива, тип, серию и характеристики спариваемых дизелей, а также способ их нагружения и разработка объединенной системы охлаждения дизелей, обеспечивающая постоянную готовность тепловоза к работе и повышающая надежность узлов шахты холодильника, позволят решить важную и актуальную задачу ж.д. транспорта - улучшить эксплуатационные показатели маневровых тепловозов.

Объект исследования работы. Объектом исследования работы является многодизельная силовая установка маневрового тепловоза.

Предмет исследования работы. Предметом исследования является среднеэксплуатационный КПД маневрового тепловоза, а также тепловые и гидравлические процессы, проходящие в водяной системе многодизельной силовой установки.

Общая методика исследований. Разработка математических моделей, методика обработки, а также анализ расчетных и экспериментальных данных выполнены с использованием методов теорий термодинамики, гидравлики, математической статистики и планирования экспериментов.

Сбор статистических материалов по режимам работы маневровых тепловозов проведен с применением комплекса АСК ВИС.

Цель и задачи работы. Целью исследований является улучшение эксплуатационных показателей маневровых тепловозов путем применения

многодизельной силовой установки.

Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Выполнен анализ эффективности эксплуатации маневровых тепловозов при различных объемах работы, включая работу на сортировочной горке, территории локомотивного депо и станции;

2. Разработана методика расчета среднеэксплуатационного КПД тепловоза, позволяющая оценить эффективность и целесообразность совместной работы дизелей с различными эксплуатационными характеристиками на одном тепловозе;

3. Выполнена оптимизация зависимости среднеэксплуатационного КПД тепловоза, выполнена по методу Хука-Дживса для различных вариантов распределения нагрузки с целью определения оптимального соотношения агрегатной мощности МСУ для каждого рассмотренного варианта нагружения маневрового тепловоза;

4. Предложен метод совершенствования системы охлаждения многодизельного тепловоза за счет объединения автономных систем охлаждения составляющих МСУ дизелей в единую гидравлическую сеть;

5. Разработана математическая модель системы охлаждения многодизельной силовой установки тепловоза, позволяющая исследовать гидравлические и тепловые процессы в системе охлаждения;

6. Выполнены экспериментальные исследования по определению часового и удельного расхода топлива дизелей в МСУ и получены характеристики водяной системы тепловозного дизеля маневрового тепловоза.

Научная новизна работы:

1. Теоретически обоснована методика выбора оптимального соотношения агрегатных мощностей МСУ с учетом реальных условий работы маневрового тепловоза;

2. Предложена методика расчета среднеэксплуатационного КПД маневрового тепловоза с МСУ и выбора способа ее нагружения с использованием метода оптимизации Хука-Дживса, учитывающая индивидуальные расходные характеристики дизелей и режимы работы тепловоза;

3. Разработана математическая модель тепловых и гидравлических процессов в системе охлаждения многодизельного тепловоза, позволяющая оценить распределение температуры в ее отдельных узлах и интенсивность теплоотдачи в окружающую среду при переменных величинах расхода охлаждающей жидкости и различных режимах нагружения;

4. Определены зависимости изменения температуры и расхода охлаждающей жидкости в системе охлаждения МСУ при нестационарных эксплуатационных режимах работы тепловоза в маневровом и поездном движении.

Практическая значимость работы:

1. Разработаны эксплуатационные и технологические рекомендации по повышению экономической эффективности работы МСУ и надежности маневрового тепловоза;

2. Методика выбора оптимального соотношения агрегатных мощностей в МСУ внедрена при проектировании маневрового тепловоза;

3. Разработаны рекомендации по расчету среднеэксплуатационного КПД тепловоза с МСУ, включая однодизельную, с учетом индивидуальных характеристик дизелей и режимов работы;

4. Выработаны основные направления повышения среднеэксплуатационного КПД маневрового тепловоза в поездном и маневровом движении;

5. Показана необходимость учета тепловых потоков в системе охлаждения многодизельного тепловоза при определении среднеэксплуатационного КПД тепловоза и мощности вентиляторов шахты холодильника;

6. Предложено устройство, позволяющее в аварийных режимах при отрицательных температурах окружающей среды предохранять трубопровод водяной системы тепловозного дизеля от замерзания путем автоматизации процесса слива охлаждающей жидкости.

Апробация результатов работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались:

1. На VI международной научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты» (г. Санкт-Петербург, 8 -10 июля 2009 года);

2. На межвузовской научно-техническая конференции студентов, аспирантов и молодых учёных (Неделя науки - 2010), С-Пб., 22 марта - 2 апреля 2010г.;

3. На межвузовской научно-техническая конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Транспорт: проблемы, идеи, перспективы» (Неделя науки - 2011), С-Пб, 12-27 апреля 2011 г.;

4. Материалы диссертационной работы представлены в дирекцию по тепловозам ОАО «ВЭлНИИ».

Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в б печатных работах, в том числе статей - 6, из них 3 - в ведущих рецензируемых научных изданиях из перечня ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 144 страницах машинописного текста, включая 18 таблиц, 32 рисунка и состоит из введения, пяти глав, выводов, списка используемой литературы из 84 наименований и 4 приложений.

Основное содержание диссертационной работы

Во введении доказана актуальность выбранной темы, обоснована ее экономическая целесообразность и важность для развития ж.д. отрасли.

5

Сформулированы общие цели и задачи исследования. Определены объект и предметы исследования.

В первой главе выполнен анализ диаграмм распределения времени работы, зависимостей удельного эффективного расхода топлива дизелями по позициям контроллера машиниста, включая холостой ход и малые нагрузки, грузовыми, пассажирскими и маневровыми тепловозами. Также был проведен анализ зависимостей коэффициента мощности дизельных установок тепловозов от объема и рода выполняемой работы на различных ж.д. объектах. Анализ времени работы маневровых тепловозов показал, что холостой ход за сутки в некоторых случаях достигает 80%, а средняя величина по сети ж.д. составляет ~ 60%, при этом среднеэксплуатацион-ный КПД тепловоза только 12 - 14%.

В первой главе рассмотрены причины низкой эффективности работы силовых установок маневровых тепловозов и пути её повышения, а также проведен обзор теоретических и практических работ ученых научно-исследовательских институтов, конструкторских и технологических отделов тепловозостроительных и тепловозоремонтных заводов, а также учебных вузов, работающих в этом направлении.

Применительно к маневровым тепловозам повышение среднеэксплуа-тационного КПД возможно за счет приспособления силовой установки к условиям эксплуатации. Одним из способов приспособления силовой установки маневровых тепловозов к условиям эксплуатации является применение МСУ, состоящей из нескольких дизелей, как минимум - двух. При этом принцип формирования многодизельной силовой установки должен заключаться в том, что суммарная расчетная номинальная мощность тепловоза распределяется между составляющими МСУ дизелями или в одинаковых или в разных пропорциях в зависимости от условий эксплуатации.

В связи с этим в первой главе уделяется большое внимание обзору литературных источников, описывающих применение и особенности работы

6

МСУ на различных видах транспорта, включая морской, речной и железнодорожный.

В первой главе сделан краткий обзор конструкций, характеристик и принципов работы водяных систем тепловозов с несколькими дизелями в секции ранней постройки.

Во второй главе приведены теоретические выкладки при разработке методики выбора рационального соотношения агрегатных мощностей МСУ тепловоза. Под агрегатной мощностью следует понимать номинальную эффективную мощность дизеля, входящего в состав МСУ тепловоза. Каждый набор дизельных двигателей в составе МСУ можно рассматривать в качестве одного из вариантов ее компоновки. Поскольку одна и та же номинальная эффективная мощность МСУ может быть получена при различном соотношении эффективных мощностей входящих в нее двигателей, актуальной является задача выбора той компоновки МСУ, которая в конкретных условиях эксплуатации позволит получить максимальный среднеэксплуатационный КПД тепловоза.

В состав МСУ тепловоза могут быть включены дизели разных типов и серий, у которых скоростные, нагрузочные и универсальные характеристики отличаются друг от друга.

Оценку вариантов компоновки дизелей с разными агрегатными мощностями, входящих в МСУ, наиболее объективно можно осуществить по среднеэксплуатационному КПД тепловоза, который учитывает экономические характеристики и режимы работы дизелей, а также особенности эксплуатации тепловоза.

Для расчета среднеэксплуатационного эффективного КПД тепловоза с многодизельной силовой установкой, состоящей из п дизелей, в работе по-

лучено выражение:

МСУ

п т

ЪЪ^ец'Ьд-Чт

/

где ц'ш- КПД передачи мощности тепловоза в_/-м режиме работы МСУ; п - количество дизелей в МСУ тепловоза; т - количество режимов работы МСУ; Шу - эффективная мощность г'-го дизеля ву'-м режиме работы МСУ, кВт\ - время работы /-го дизеля в /-м режиме работы МСУ, ч; Ь,,х - часовой расход топлива ¿-го дизеля на холостом ходу, кг/ч; (2я - низшая удельная теплота сгорания дизельного топлива, кДж/кг.

Тогда с учетом (1) среднеэксплуатационный КПД тепловоза с двухди-зельной силовой установкой определяется следующим выражением:

ПГ' = т-~-^ • (2)

Р 3600 К ъа 2хх

Для решения задачи выбора оптимального соотношения агрегатных мощностей МСУ для маневрового тепловоза с учетом условий эксплуатации и характеристик дизелей, входящих в МСУ, применен метод оптимизации Хука-Дживса. При реализации оптимизационного метода Хука-Дживса выражение (2) принято в качестве характеристического критерия оптимальности компоновки многодизельной силовой установки. В качестве граничных условий системы подлежащей оптимизации были приняты характеристики дизелей, входящих в МСУ, и электрической передачи мощности тепловоза, а затраты мощности на вспомогательные нужды тепловоза были приняты постоянными величинами и независящими от суммарной мощности силовой установки, режимов работы отдельных дизелей и условий эксплуатации.

Значения эффективных мощностей первого дизеля Ntl| и второго дизеля , входящих в состав МСУ, в каждом /-м режиме МСУ должны удовлетворять условию: Лг<|; + Ыс1/ — М"СУ, (3)

где - заданная паспортная мощность МСУ ву'-м режиме, кВт.

Кроме того, вполне очевидными являются ограничения:

Ntil < N'cl™ ; (4)

(5)

Известно, что эффективный КПД дизеля МСУ является функцией его эффективной мощности: T]el. =/J(iV1( ); (6)

П.г1=/ЛК11)- (7)

Среднеэксилуатационный КПД электрической передачи мощности тепловоза в j-м режиме его работы определяется главным образом мощно-

АГЛ/СУ TCP

стью силовои установки Д . и средним током 1,/г тягового генератора в соответствующем режиме: //„,,, = f^(Nl.'cv, Г^'). (8)

Средние значения тока тягового генератора в каждом режиме работы, зависящие от внешних условий эксплуатации тепловоза, и значения часовых расходов топлива каждым дизелем на холостом ходу /, и b , яв-

lxi 2хх

ляющиеся характеристиками дизелей, при решении поставленных задач по оптимизации соотношения эффективных мощностей дизелей для МСУ и режимов нагружения могут рассматриваться как константы. Тогда, учитывая условие (3), в качестве независимых переменных можно принять значения мощности одного из дизелей рассматриваемой компоновки МСУ тепловоза в режимах 1 ...7)1, а критерий (2) рассматривать как функцию m переменных.

Тогда выражения (3 - 7), описывающие взаимосвязи между переменными задачи оптимизации и отражающие влияние независимых переменных на степень достижения цели, определяемой характеристическим критерием (2) могут рассматриваться в качестве модели задачи выбора рациональной компоновки МСУ тепловоза с п — числом дизелей.

Результаты расчетов двухдизельного маневрового тепловоза для различных вариантов компоновки агрегатных мощностей МСУ при работе на

станциях с разными объемами работ (в работе рассмотрено пять вариан-

9

tob) произведены в соответствии с вышеизложенной методикой определения среднеэксплуатационного КПД тепловоза и метода оптимизации Хука-Дживса и представлены на рис.1.

Рис Л. Результаты оптимизации соотношения агрегатных мощностей МСУ маневрового тепловоза по среднеэксплуатационному КПД для станций с различным объемом работ

В третьей главе дано обоснование целесообразности объединения в одну общую систему автономных систем охлаждения дизелей, входящих в МСУ маневрового тепловоза.

Математическая модель систем охлаждения многодизельных силовых установок разработана с целью проверки и сравнения работоспособности раздельного (автономного) и объединенного охлаждения дизелей МСУ тепловозов, а также для оценки работоспособности и целесообразности применения того или иного варианта компоновки и поиска путей оптимизации ее параметров и характеристик. Математическая модель гидравлической сети объединенной системы охлаждения (ОСО) дизелей позволяет исследовать гидравлические и тепловые процессы, протекающие в ней и определить величину снижения механических затрат на привод вентиляторов шахты холодильника тепловоза.

Модель гидравлической сети системы охлаждения МСУ тепловоза учитывает параметры трубопроводов, теплоносителей, корпусов дизелей, включая материал изготовления, температуру окружающей среды и многие другие параметры.

В четвертой главе выполнено моделирование тепловых и гидравлических процессов объединенной и раздельной системы охлаждения МСУ, состоящей из двух дизелей.

Математическое описание процессов циркуляции охлаждающей жидкости, подведения теплоты в систему, отведения теплоты через корпусы дизелей и шахту системы охлаждения в ОСО тепловоза, изображенной на рис. 2, представляет систему уравнений (9).

Рис.2. Схема работы ОСО двухдизельной силовой установки тепловоза, работающей в режиме полной мощности: Д1 — дизель с меньшей номинальной эффективной мощностью; Д2 - дизель с большей номинальной эффективной мощностью; Bl, В2 - водяные насосы соответственно дизелей Д1 и Д2; TRI, ТК2 - турбокомпрессоры соответственно дизелей Д1 и Д2; ТП1, ТП2 - топливоподогреватели дизелей соответственно Д1 и Д2; Ш -шахта холодильника тепловоза.

В четвертой главе работы представлены результаты математического моделирования работы объединенной системы охлаждения двухдизельной силовой установки тепловоза в следующих вариантах: синхронная работа

дизелей Д1 и Д2\ работающий дизель Д! (с меньшей номинальной эффективной мощностью) и неработающий дизель Д2 с большей номинальной

G3 + G5-G4 =0; G»-G4-G, =0; G, -G2-G3 = 0; G2+Gs-G4 = 0;

Gí+G.o-C?, =0;

G,-Gn-Gs = 0; G8 -G, -G10 =0;

S, ■ G,J + S2 ■ G¡ + Ss ■ G¡ + S6 ■ G¡ + • G? + S, ■ G¡ + S, ■ G,2 + S12 ■ G¿ = tf, + H2; S3 -Gü-Ss -G*-S2 G¡= 0; -S, -Gf + St-Gí-Si-G^-H,; su ■ GM - ■ Gg - Ss ■ Gg = 0; — ■ G,2 - S]0 ■ G,J„ —St -Gl = —i/2;

nподвод _nB .

y¡ ~Уд\' вГ™ =G2-c.-(t2-tl\

nподвод _ nB . У 2 ~Уд2,

Qnomoa = Gs -c, (ís -í2)

y-fОТВОД _ с- I <2 +<5 <6 +t7

И2 ~~ Д2 Д2 I j ^

g ОТВОД _ g ПОДВОД ^ ПОДВОД .

n отвод _ , p ^ +

Уз - кш 'гш I 2 2—

e,0BÍW=G„-c.-(ís-í1)

.(9

где її - температура охлаждающей жидкости на входе в дизель Д1 и на выходе из шахты, °С; Ь - температура охлаждающей жидкости на выходе из дизеля Д1 и на входе в дизель Д2, °С; ¡3 - температура охлаждающей жидкости на выходе из дизеля Д2 и на входе в шахту, °С; 14 - температура атмосферного воздуха, °С; температура корпуса дизеля Д/, °С; 16 - температура корпуса дизеля Д2, °С; 17- температура воздуха на выходе из шахты, °С\ Ні - напор г'-го водяного насоса, л<; С,, 05, С6 ,С7,С.>- расходы охлаждающей жидкости через трубопроводы, кг/с; С2, Сн - расходы охлаждающей жидкости через дизели Д1 и Д2, кг/с\ С3, Сп - расходы охлаждаю-

щей жидкости через турбокомпрессоры ТК1 и ТК2, кг/с; Gio - расходы охлаждающей жидкости через топливоподогреватели ТП1 и 7772, кг/с; Gn -расход охлаждающей жидкости через шахту, кг/с; Q"-":v'°'1, д^'лвод . п0дВ0. ды теплоты в систему охлаждения, кВт; Q'fl";i, . отводы теплоты из системы охлаждения, кВт; Q",:, 0'!г_ - количество теплоты (по тепловому балансу), отводимое охлаждающей водой от дизелей Д1 и Д2, кВт; Q™, Q"n " неувязки теплового баланса дизелей Д1 и Д2, кВт; ад/, (хд2 - коэффициент теплоотдачи для поверхностей дизелей Д1 и Д2,кВт!.и1-"с; с„ - средняя массовая удельная теплоемкость воды, кДж/кг °С; с„ - средняя массовая удельная теплоемкость воздуха, кДж/кг °С; Fjy, Fjp - расчётные поверхности теплообмена дизелей Д1 иД2, м2; кш - коэффициент теплопередачи, отнесенный к оребренной трубчатой поверхности, кВт/м2°С; Fm -расчётная поверхность теплообмена шахты, м2; С,'/! - весовой расход воздуха через шахту, кг/с.

эффективной мощностью; наоборот - неработающий дизель Д1 и работающий дизель Д2. Разработанная математическая модель системы охлаждения двухдизельной силовой установки тепловоза позволяет решить задачу сравнения затрат мощности Л'* на привод вентилятора шахты холодильника как при объединенных водяных системах охлаждения дизелей, так и при раздельных. Результаты этих решений представлены на рис.З.В работе предложено техническое решение защиты трубопровода водяной системы тепловоза от размораживания в аварийных случаях эксплуатации тепловозов.

Пятая глава посвящена описанию экспериментальных установок и методик испытаний для получения данных, позволивших установить достоверность математических моделей и зависимостей, лежащих в основе разработанных теоретических положений и методик работы.

Экспериментальные исследования по снятию скоростных и нагрузочных характеристик дизельных двигателей проведены на площадке ЗАО ЭТС «Машиностроительный завод» С-Пб на дизелях ЯМЗ-236М2 и Caterpillar 3512.

Для определения зависимости удельного эффективного расхода топлива от внешней нагрузки был применен весовой метод. По полученным экспериментальным путем нагрузочным характеристикам, были определены и построены экономические характеристики испытуемых дизелей. Для каждого режима работы испытуемого дизеля были определены частоты вращения коленчатого вала, соответствующие минимальному удельному эффективному расходу топливу, а также был определен часовой расход топлива этими дизелями на холостом ходу.

Экспериментальные исследования системы охлаждения тепловозного дизеля проводились в тепловозной лаборатории кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» ПГУПС. Целью эксперимента являлась проверка правильности принципов построения математических моделей систем объединенного и раздельного охлаждения дизелей, разработанных в четвертой главе работы.

Адекватность разработанной математической модели системы охлаждения дизеля оценивалось по сходимости расчетных теоретических значений расхода С,гв'"' и падения напора 1г 'А( 4 охлаждающей жидкости, протекающей через систему охлаждения дизеля с измеренными в ходе испытаний значениями - расходом С™ и падением напора к'!Ш.

Сравнение результатов эксперимента и моделирования работы системы на различных режимах работы силовой установки представлены на рис.4. Аналогичные результаты были получены для падений напора воды

ян/

при циркуляции ее через дизель Дйд и охладитель дГ,„ .

^......Т^Т" Т^г-т-Т—Г'

— — СО »для»»*» огпллд^тив .......Раздел*«« о*лагдв>«»е у*1

| 1 -> *

1 ,-И

** ~ 1

____ 1

1

1

Схема нагру^ения МСУ, Нв^Ки', ^В^кВт

ОШ!

Рпс.З. Мощность на привод вентилятора шахты холодильника двухднзелышго маневрового тепловоза с объединенными н раздельными водяным и системами охлаждения дизелей.

18 1« Н « О

о* в 6 4, 2 О

■■■•|"|-Г"ГТТ"ГТ"Т"Т'

- -Рз^ет^ьщ зьг-еник

! | >

•

А П

"1 1

1 2 3

5

Рис.4. Расчетные и экспериментальные значения расходов

охлаждающей жидкости через систему охлаждения дизеля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании изложенных в работе теоретических исследований подтвержденных экспериментальными данными можно сделать следующие выводы:

1. Разработана методика определения среднеэксплуатационного КПД тепловозов разных родов службы с МСУ, дающая возможность оценить эффективность и целесообразность совместной работы дизелей с различными эксплуатационными характеристиками на одном тепловозе;

2. Разработана методика определения рационального соотношения агрегатных мощностей МСУ для тепловозов по критерию наибольшего среднеэксплуатационного КПД с использованием методов теории оптимизации. Разработанная методика принята к внедрению дирекцией по тепловозам ОАО «ВЭлНИИ»;

3. Применение многодизельной силовой установки на маневровом тепловозе приводит к повышению среднеэксплуатационного КПД тепловоза на 1 - 5% в зависимости от специфики диаграммы времени работы локомотива;

4. Разработана математическая модель системы охлаждения МСУ тепловоза, отличающаяся тем, что позволяет моделировать гидравлические и тепловые процессы, происходящие в ней с учетом работы вентилятора шахты холодильника тепловоза;

5. Теоретически обоснована схема объединенной системы охлаждения дизелей тепловоза, которая позволяет повысить среднеэксплуатационный КПД тепловоза за счет дополнительных отводов теплоты через корпусы неработающих дизелей МСУ, а также снизить механические затраты на привод вентилятора шахты холодильника на 0,5 - 1,0%;

6. Сравнительные расчеты среднеэксплуатационного КПД маневрового тепловоза показывают, что наибольший эффект от применения МСУ наблюдается на станциях, где холостой ход составляет более 50% времени работы тепловоза за смену. Повышение составит от 1 до 5%;

7. Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается проверкой согласованности теоретических и экспериментальных исследований удельных эффективных расходов топлива дизелями, а также расходов и напоров теплоносителей в водяных системах тепловозов, расхождение которых не превышает 8%.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Кручек В.В. Факторы надежности дизелей // Повышение надежности и экономичности локомотивов (сб. научн. трудов под ред. A.B. Грищенко) - СПб.: ПГУПС, 2008. - С.82-84;

2. Кручек В.В. Экономичность тепловозных дизелей // Повышение надежности и экономичности локомотивов (сб. научн. трудов под ред. A.B. Грищенко) - СПб.: ПГУПС, 2008. - С.84-85;

3. Кручек В.В. Повышение эффективности работы энергетических установок тепловозов // Известия ПГУПС, 2009. - №4. - С.105-114.

4. Кручек В.В. Система охлаждения двухдизельной энергетической установки // Известия ПГУПС, 2011. - №1. - С.189-196.

5. Кручек В.В. Двухдизельная силовая установка для маневрового тепловоза // Известия ПГУПС, 2011. - №3. - С.62-70.

6. Грищенко A.B., Кручек В.А., Кручек В.В. Оценка эффективности тепловозной многодизельной энергетической установки с объединенной системой охлаждения //Известия ПГУПС, 2012. - №1. - С.46-51.

Подписано к печати 21.03.2012 Печать - ризография. Бумага для множит, апп. Тираж 100 зкч_зак № 248._

Печ.л. -1,0 Формат 60x84 1\16

СР ПГУПС

190031, Санкт-Петербург, Московский пр. 9 16

61 12-5/2325

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Петербургский государственный университет путей сообщения"

На правах рукописи

ЩР'

Кручек Вячеслав Викторович

УЛУЧШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ МАНЕВРОВЫХ ТЕПЛОВОЗОВ

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 Грищенко А.В.

Санкт-Петербург 2012

СОДЕРЖАНИЕ

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

ГЛАВА 1

ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЕПЛОВОЗОВ. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ О ПРИМЕНЕНИИ МНОГОДИЗЕЛЬНЫХ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК НА ТРАНСПОРТЕ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ...................................................9

1.1. Режимы работы тепловозов.........................................................................9

1.2. Эксплуатационная экономичность маневровых тепловозов.................15

1.3. Работа дизеля маневрового тепловоза на холостом ходу

и малых нагрузках......................................................................................18

1.4. Методы совершенствования эксплуатационных

характеристик тепловозов.........................................................................20

1.5. Применение много дизельных силовых установок на тепловозах........25

1.6. Постановка задач исследования................................................33

1.7. Выводы по главе 1....................................................................................34

ГЛАВА 2

МЕТОДИКА РАСЧЕТА СООТНОШЕНИЯ

АГРЕГАТНЫХ МОЩНОСТЕЙ МНОГОДИЗЕЛЬНОЙ

СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ ТЕПЛОВОЗА..........................................35

2.1. Компоновка много дизельной силовой установки тепловоза................35

2.2. Среднеэксплуатационный КПД

много дизельной силовой установки.........................................................38

2.3. Критерий выбора агрегатных мощностей дизелей многодизельной силовой установки тепловоза.......................................41

2.3.1. Среднеэксплуатационный КПД тепловоза

с много дизельной силовой установкой..........................................41

2.3.2. Краткий обзор и выбор метода оптимизации КПД

много дизельной силовой установки тепловозов...........................44

2.4. Анализ вариантов компоновки агрегатных мощностей многодизельной силовой установки маневрового тепловоза................48

2.5. Выводы по главе 2......................................................................................55

ГЛАВА 3

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ

МНОГО ДИЗЕЛЬНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ ТЕПЛОВОЗА...............57

3.1. Системы охлаждения многодизельных

силовых установок....................................................................................57

3.2. Пути совершенствования систем охлаждения

многодизельных силовых установок тепловозов....................................66

3.3. Математическое моделирование систем охлаждения

силовой установки тепловоза....................................................................69

3.3.1. Моделирование гидравлической сети системы охлаждения.......69

3.3.2. Подвод теплоты дп°яв°д в систему охлаждения............................72

3.3.3. Отвод теплоты через корпус работающего дизеля <2рдВОД ..........73

3.3.4. Отвод теплоты через корпус неработающего дизеля Q°H„Boa ......75

3.3.5. Отвод теплоты через шахту холодильника тепловоза <2шх°д.....76

3.3.6. Моделирование режимов работы вентилятора.............................78

3.4. Выводы по главе 3......................................................................................83

ГЛАВА 4

ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ

МНОГОДИЗЕЛЬНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ ТЕПЛОВОЗА...............84

4.1. Моделирование системы охлаждения многодизельной

силовой установки маневрового тепловоза.............................................84

4.2. Моделирование объединенной системы охлаждения............................85

4.2.1. Математическая модель ОСО при работе дизеля

меньшей номинальной мощности...................................................86

4.2.2. Математическая модель ОСО при работе дизеля

большей номинальной мощности...................................................88

4.2.3. Математическая модель ОСО при синхронной работе дизелей .89

4.2.4. Математическая модель раздельного охлаждения МСУ.............91

4.3. Анализ результатов моделирования работы систем охлаждения многодизельной силовой установки тепловоза.......................................93

4.4. Устройство для защиты трубопровода

водяной системы тепловоза от размораживания....................................98

4.5. Выводы по главе 4....................................................................................102

ГЛАВА 5

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ..........................................103

5.1. Экспериментальные исследования дизельных двигателей..................103

5.2. Экспериментальные исследования системы охлаждения....................108

5.3. Выводы по главе 5....................................................................................117

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................118

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.......................................120

ПРИЛОЖЕНИЯ...............................................................................................128

Приложение 1...................................................................................................129

Приложение 2...................................................................................................139

Приложение 3...................................................................................................143

Приложение 4...................................................................................................144

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. В связи с дефицитом и растущей стоимости природных ресурсов вопросы снижения потребления дизельного топлива являются одними из приоритетных направлений развития транспортной отрасли.

Основная доля расхода топливно-энергетических ресурсов ОАО «РЖД» приходится на тягу поездов - 82% электроэнергии и 90% дизельного топлива. Компания ОАО «РЖД» в 2007 году на приобретение топливно-энергетических ресурсов израсходовала 113 млрд. рублей, в 2008 году - 156 млрд. рублей [14,15]. В 2009-2011 годах эта тенденция продолжилась. В связи с этими обстоятельствами компания приняла стратегию энергетического развития сроком до 2030 года, согласно которой одним из способов снижения потребления дизельного топлива является улучшение эксплуатационных характеристик тепловозов и в первую очередь маневровых. В качестве мер, направленных на совершенствование эксплуатационных характеристик маневровых тепловозов является введение в локомотивный парк многодизельных

маневровых тепловозов.

Многодизельные тепловозы представляют собой подвижной состав нового поколения и требуют исследовательского подхода как на стадии проектирования, так и в стадии эксплуатации.

Цель и задачи работы. Целью исследований является улучшение эксплуатационных показателей маневровых тепловозов путем применения многодизельной силовой установки.

Для достижения поставленной цели были поставлены и решены

следующие задачи:

1. Выполнен анализ эффективности эксплуатации маневровых тепловозов при различных объемах работы, включая работу на сортировочной горке, территории локомотивного депо и станции;

2. Разработана методика расчета среднеэксплуатационного КПД тепловоза, позволяющая оценить эффективность и целесообразность совместной работы дизелей с различными эксплуатационными

характеристиками на одном тепловозе;

3. Выполнена оптимизация зависимости среднеэксплуатационного КПД тепловоза для различных вариантов распределения нагрузки с целью определения оптимального соотношения агрегатной мощности МСУ для каждого рассмотренного варианта нагружения маневрового тепловоза;

4. Предложен метод "совершенствования системы охлаждения

многодизельного тепловоза за счет объединения автономных систем охлаждения составляющих МСУ дизелей в единую гидравлическую сеть;

5. Разработана математическая модель системы охлаждения многодизельной силовой установки тепловоза, позволяющая исследовать гидравлические и тепловые процессы в системе охлаждения;

6. Выполнены экспериментальные исследования по определению часового и удельного расхода топлива дизелями в МСУ и получены характеристики водяной системы тепловозного дизеля маневрового

тепловоза. ■ --г -

Объект исследования работы. Объектом исследования работы является многодизельная силовая установка (МСУ) маневрового тепловоза.

Предмет исследования работы. Предметом исследования является среднеэксплуатационный КПД маневрового тепловоза, а также тепловые и гидравлические процессы, происходящие в водяной системе многодизельной силовой установки.

Научная новизна работы:

1. Теоретически обоснована методика выбора оптимального соотношения агрегатных мощностей МСУ с учетом реальных условий работы маневрового тепловоза;

2. Предложена методика расчета среднеэксплуатационного КПД маневрового тепловоза с МСУ и выбора способа ее нагружения с использованием метода оптимизации Хука-Дживса, учитывающая индивидуальные расходные характеристики дизелей и режимы работы тепловоза;

3. Разработана математическая модель тепловых и гидравлических процессов в системе охлаждения многодизельного тепловоза, позволяющая оценить распределение температуры в ее отдельных узлах и интенсивность теплоотдачи в окружающую среду при переменных величинах расхода охлаждающей жидкости и различных режимах нагружения;

4. Определены зависимости изменения температуры и расхода охлаждающей жидкости в системе охлаждения МСУ при нестационарных эксплуатационных режимах работы тепловоза в маневровом и поездном движении.

Практическая значимость работы:

1. Разработаны эксплуатационные и технологические рекомендации по повышению экономической эффективности работы МСУ и надежности маневрового тепловоза;

2. Методика выбора оптимального соотношения агрегатных мощностей в МСУ внедрена при проектировании маневрового тепловоза;

3. Разработаны рекомендации по расчету среднеэксплуатационного КПД тепловоза с МСУ, включая однодизельную, с учетом индивидуальных характеристик дизелей и режимов работы;

4. Выработаны основные направления повышения среднеэксплуатационного КПД маневрового тепловоза в поездном и маневровом движении;

5. Показана необходимость учета тепловых потоков в системе охлаждения многодизельного тепловоза при определении среднеэксплуатационного КПД тепловоза и мощности вентиляторов шахты холодильника;

6. Предложено устройство, позволяющее в аварийных режимах при отрицательных температурах окружающей среды предохранять трубопровод водяной системы тещювозного дизеля от замерзания путем автоматизации процесса слива охлаждающей жидкости.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались:

1. На VI международной ;научно^техничеекой конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты» (г. Санкт-Петербург, 8-10 июля 2009 года);

2. На межвузовской научно-техническая конференции студентов, аспирантов и молодых учёных (неделя науки - 2010) (г. Санкт-Петербург, 22 марта - 2 апреля 2010 г.);

3. На межвузовской научно-техническая конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Транспорт: проблемы, идеи, перспективы» (неделя науки - 2011) (г. Санкт-Петербург, 12-27 апреля 2011 г.);

4. Материалы диссертационной работы представлены в дирекцию по тепловозам ОАО «ВЭлНИИ» 15.11.2011.

Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в 6 печатных работах, в том числе статей - 6, из них 3 - в ведущих рецензируемых научных изданиях из Перечня ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 144 страницах машинописного текста, включая 18 таблиц, 32 рисунка и состоит из введения, пяти глав, выводов, списка используемой литературы из 84 наименований и 4 приложений.

ГЛАВА 1

ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЕПЛОВОЗОВ. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ О ПРИМЕНЕНИИ МНОГОДИЗЕЛЬНЫХ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК НА ТРАНСПОРТЕ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Режимы работы тепловозов

Режимы работы тепловозов разных родов службы в эксплуатации отличаются большим разнообразием и зависят от множества факторов. Наиболее значимыми факторами являются: профиль пути, график движения поездов, род груза и объем выполняемой работы, грузонапряженность ж.д. участка, станции или промышленного предприятия, климатические условия, тип передачи мощности (электрическая, гидравлическая), а также параметры энергетической установки тепловоза. Широкая номенклатура, применяемых дизелей в качестве силовых установок дополнительно увеличивает число факторов, которые влияют на режимы работы тепловозов.

Для оценки специфики работы маневровых локомотивов и локомотивов других родов службы снимаются диаграммы распределения времени по позициям контроллера машиниста и рассчитываются коэффициенты использования мощности дизеля локомотива (/с). В качестве оценочных показателей режимов работы тепловозов в эксплуатации эти данные являются наиболее информативными. Коэффициент использования мощности дизеля локомотива определяется как отношение среднеэксплуатационной мощности дизеля (МС1) к номинальной паспортной мощности (Лг(71„,;) [1, 2]:

к ■

N

еном

Под среднеэксплуатационной мощностью Ысэ понимают отношение суммы произведений времени работы ^ и эффективной мощности дизеля на каждой позиции контроллера машиниста к суммарному времени работы тепловоза на всех позициях контроллера машиниста:

2><

1=0

Если учитывается время работы дизеля под нагрузкой и на холостом ходу, то коэффициент использования мощности носит название

коэффициента использования мощности брутто кбР, а если учитывается

только время работы дизеля под нагрузкой, то этот коэффициент называется коэффициентом использования мощности нетто - кнт [1].

Периодический мониторинг режимов работы тепловозов со снятием диаграммы распределения времени по позициям контроллера машиниста, а так же количеством переключений контроллера машиниста и количества набора нагрузки на дизель и сбросов неоднократно проводился на различных железных дорогах страны, станциях и участках в разное время года исследователями многих организаций. В качестве примеров на рис. 1.1 - 1.3 представлены результаты такого мониторинга для грузового тепловоза 2ТЭ116, пассажирского тепловоза ТЭП70 и маневрового тепловоза ТЭМ1 [1]. На рис. 1.4 отражены результаты непрерывного мониторинга режимов работы тепловозов серии ЧМЭЗ локомотивных депо Октябрьской ж.д. в 2011 году с использованием системы непрерывного удаленного контроля параметров локомотивов в эксплуатации АСК-ВИС-2В при работе на грузовом дворе локомотивных депо и станциях.

40

£

о о

я)

Л 30

20 10 0

\й

V

П N \

г —^ Ч 2,9 1,4 5,7 4,2 7.6 2,9 4,2 3,5 0,5 12,3

} 0 о 0 0,7 0 Щ ж 1 ж ж л. —" ¡1

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

ПКМ

0,32 0,30

0,28 % §

0,26 * и М

0,24

ад

0,22 0,20

Рис. 1.1. Диаграмма распределения времени работы и зависимость среднего эффективного расхода топлива дизелем по позициям контроллера

машиниста грузового тепловоза 2ТЭ116 при кбР =0,27 и кнт =0,60

0,32 0,30 0,28 0,26

0,24 «"

5 0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

ПКМ

0,22 0,20

Рис. 1.2. Диаграмма распределения времени работы и зависимость среднего эффективного расхода топлива дизелем по позициям контроллера

машиниста пассажирского тепловоза ТЭП70 при кбР =0,35 и Кнт =0,54

60

о4 50

N-1 й 40

о

»о 30

а

&

20

о>

О,

РЗ 10

0

53'

V

\

8 10 9 5

4 0 0

0,41

0,36 ¡г

н

В

0,31

И

О)

0,26 Ы)

0,21

0 12345678

ПКМ

Рис. 1.3. Диаграмма распределения времени работы и зависимость среднего эффективного расхода топлива дизелем по позициям контроллера машиниста маневрового тепловоза ТЭМ1 при работе на

сортировочной горке при кбр=0,087-0,122 и кнт =0,16-0,20

е--

70 60 50

(3

ю 40

со Л

4>

О, Л

30 20 10 0

е

5,0 п 2,5 2,0 0,8 0,8 1,0 0,6 0,25

0,41

0,36

0,31

0,26

и4 н

и

м

ш

ад

0,21

0

3

4 5 ПКМ

3

Рис. 1.4. Диаграмма распределения времени работы и зависимость среднего эффективного расхода топлива дизелем по позициям контроллера машиниста маневрового тепловоза ЧМЭЗ при работе на грузовом дворе

локомотивного депо и станции при кбР =0,087-0,122 и Кнт =0,16-0,20

Из диаграммы распределения времени работы по позициям контроллера машиниста грузового тепловоза 2ТЭ116 за 29,5 часов его

работы, представленной на рис. 1.1, видно, что на холостом ходу дизель 1А-5Д49 работал 53,6% времени. Под нагрузкой дизель преимущественно работал на 15-й (12,8% времени) и на 10-й (7,6% времени) позициях контроллера машиниста. При этом коэффициенты использования мощности составили к6р = 0,27 и кнт = 0,60. Преимущественная езда на

15 -й позиции объясняется наличием сложного участка в виде затяжного подъема, на котором тепловоз следовал на этой позиции в течение 1 ч. 26 мин. При этом мощность дизеля составила от 0,76 до 1,0 номинальной мощности (NeHOM) и реализовывалась в течение 23,9% времени.

Работа пассажирского тепловоза ТЭП70 при движении со скорым поездом весом 850 тс, представленная на рис. 1.2, характеризуется следующими данными. На холостом ходу тепловоз проработал 38,5% суммарного времени, под нагрузкой преимущественно использовались 15-я (19,3%) и 7-я (11,3%) позиции контроллера машиниста. Коэффициенты использования мощности тепловоза ТЭП70 при этом составили кб = 0,35 и = 0,54 .

На рис. 1.3 и рис. 1.4 дано наглядное распределение времени работы маневровых тепловозов ТЭМ1, имеющих мощность дизеля 735 кВт, и тепловозов ЧМЭЗ с мощностью 990 кВт, на крупных сортировочных станциях при выполнении маневр�