автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Выбор и научное обоснование технико-экономических показателей тепловозных дизелей для локомотивного парка Украины

'\ О

харківська державна академія

- ц 0!М ‘•'’ Залізничного транспорту

ВИБІР ТА НАУКОВЕ ОБГРУНТУВАННЯ ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНИХ ПОКАЗНИКІВ ТЕПЛОВОЗНИХ ДИЗЕЛІВ ДЛЯ ЛОКОМОТИВНОГО ПАРКУ УКРАЇНИ

05.05.03 - теплові двигуни

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Харків - 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Харківській державній академії залізничного транспорту (ХарДАЗТ) Міністерства транспорту України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Єрощенков Станіслав Аркадійович, Харківська державна академія залізничного транспорту, завідувач кафедри.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Шеховцов Анатолій Федорович, Харківський державний політехнічний університет, завідувач кафедри;

кандидат технічних наук, професор Тимченко Ігор Іванович, Харківський державний автомобільно-дорожній технічний університет, завідувач кафедри.

Провідна установа - Український транспортний університет, кафедра “Термодинаміка та двигуни”, Міністерство освіти і науки України, м. Київ,

Захист відбудеться “ ^ 2000 року о В3' годині на засі-

данні спеціалізованої вченої ради Д 64.820.03 при Харківській державній академії залізничного транспорту за адресою 61050, м. Харків, майдан Фейербаха, 7.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківської держаної академії залізничного транспорту, 61050, м. Харків, майдан Фейербаха, 7

Автореферат розісланий сАблкЛ 2000 року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Лялюк В.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Залізничний транспорт є значним споживачем двигунів внутрішнього згорання (ДВЗ). Вони використовуються в силових установках тягового та рефрижераторного рухомого складу, дизель-електричних станцій, будівельних і шляхових машин, автотранспорту і споживають більш ніж 540 тис. тон рідкого палива та 25 тис. тон дизельного масла на рік. 85% загальної потужності всіх ДВЗ, які використовуються на залізничному транспорті, припадає на силові установки тягового рухомого складу (ТРС) - тепловози та дизель-поїзди.

Технічний стан парку ТРС “Укрзалізниці” вимагає заміни тепловозних дизелів, які відпрацювали свій моторесурс, на сучасні двигуни. Перспективними для України є дизелі типоряду Д80 (ЧН26/27), розроблені в науково

- технологічному підприємстві - конструкторському бюро з середньообер-тових дизелів, ДП “Завод ім. В.О.Малишева”, м. Харків.

Вітчизняна промисловість ще не виготовляє такі дизелі серійно. Тому замовник, “Укрзалізниця”, повинен обгрунтувати і сформулювати для заводу - виробника вимоги до їхніх техніко-економічних показників.

Важливими для дизелів ТРС показниками є значення питомих серед-ньоексплуатаційних витрат палива, витрати на ремонт і технічне обслуговування, які мають бути мінімальними. Досягти цього можна шляхом вибору для кожної модифікації дизеля оптимальних конструктивних та регулювальних параметрів. Визначення оптимальних параметрів здійснюється на етапі проектування дизеля і з урахування його призначення та умов експлуатації. Задача вибору оптимальних параметрів модифікацій дизелів типоряду Д80 різного конструктивного виконання та призначення досі не розв’язувалась.

Актуальність теми дисертації зумовлена тим, що вона спрямована на обгрунтування та визначення конструктивних, регулювальних та техніко-економічних показників дизелів одного типоряду Д80 з метою зниження фінансових витрат у локомотивному господарстві України.

Зв’язок роботи з науковими програмами. Робота виконана згідно з Державною програмою розвитку виробництва двигунів внутрішнього згоряння в Україні (1996 р.), Державною програмою “Розвиток рейкового рухомого складу соціального призначення для залізничного транспорту міського господарства (1997 р.) і “Концепцією та програмою реструктуризації на залізничному транспорті України” (1998 р.)

Мета і задачі дослідження. Метою є розробка і практична реалізація заходів по створенню сімейства економічних та екологічно чистих тепловозних дизелів одного типоряду з широким діапазоном потужності.

Для досягнення цієї мети необхідно розв’язати такі задачі:

1 Провести аналіз технічного стану силових установок тепловозного парку та парку дизель-поїздів, умов їх експлуатації, ремонту та технічного обслуговування, а також аналіз складових фінансових витрат на утримання дизелів ТРС на залізницях України;

2 Уточнити базову математичну модель чотиритактних дизелів Харківської державної академії залізничного транспорту (ХарДАЗТ) та адаптувати її для розрахунків характеристик дизелів типоряду Д80;

3 Розробити методику визначення конструктивних та регулювальних параметрів дизелів типоряду Д80, які забезпечать мінімум питомих серед-ньоексплуатаційних витрат палива;

4 Розробити методику оцінки економічної ефективності переходу на один типоряд тепловозних дизелів;

5 Провести розрахункові дослідження, стендові, реостатні та експлуатаційні випробування дослідної партії дизелів 1Д80 (16ЧН26/27) та 4Д80Б (12ЧН26/27);

6 Розробити методику урахування впливу перехідних процесів на питомі середньоексплуатаційні витрати палива £>е.с,с,;

7 Розробити рекомендації заводу-виробнику щодо вибору конструктивних та регулювальних параметрів дизелів 1Д80Б (16ЧН26/27), 4Д80Б (12ЧН26/27)та 10Д80Б (6ЧН26/27).

Наукова новизна одержаних результатів:

1 Отримано емпіричні залежності для визначення характеристик тепловиділення та теплообміну в циліндрі дизеля Д80. Застосування цих залежностей дозволило адаптувати базову модель ХарДАЗТ робочого циклу чотиритактного дизеля для розрахунку характеристик дизелів типо-ряда Д80.

2 Розроблено методику визначення конструктивних та регулювальних параметрів дизелів типоряду Д80, які забезпечать мінімум питомих се-редньоексплуатаційних витрат палива.

3 Розроблено методику оцінки економічної ефективності застосування одного типоряду дизелів в локомотивному господарстві України.

4 Запропоновано методику експериментального визначення коефіцієнту Кп, який враховує вплив перехідних процесів на питомі середньоексплуатаційні витрати палива.

Практичне значення одержаних результатів:

1 Для кожної з трьох модифікацій дизелів, а саме 1Д80Б, 4Д80Б, 10Д80Б, визначено десять конструктивних та регулювальних параметрів, які забезпечать в заданих умовах експлуатації мінімальне значення питомої середньоексплуатаційної витрати палива Рекомендації щодо вибору цих параметрів передано заводу-виробнику.

2 Одержано усередненні гістограми завантажень дизелів маневрових тепловозів в експлуатації та запропоновано одногодинний цикл заванта-

ження дизелів маневрових тепловозів під час реостатних випробувань який дозволяє визначити питомі середньоексплуатаційні витрати пали ва;

3 Впроваджено методику та програму оперативного визначення експлуа таційної паливної економічності дизелів маневрових тепловозів;

4 Для дизелів маневрових тепловозів одержано значення коефіцієнта Кп який враховує вплив перехідних процесів на питомі середньоексплуата ційні витрати палива;

5 Впроваджено програми розрахунку економічної ефективності від засто сування в локомотивному господарстві “Укрзалізниці” одного типоряд; дизелів.

Особистий внесок здобувана

1 Одержав нові результати завантаження маневрових та магістральних ло комотивів в експлуатації на залізницях України та розробив усереднен; гістограму завантаження маневрових тепловозів.

2 Вніс доповнення до базової математичної моделі та програми розрахуй ку параметрів робочого циклу та характеристик дизеля, розроблених ; ХарДАЗ'Г, що дало можливість адекватно розрахувати параметри чоти ритактних дизелів типоряду Д80.

3 Приєднав програму розрахунку параметрів робочого циклу та ефектив них показників чотиритактного дизеля до програми оптимізації, яка реа лізує алгоритм методу Хука-Дживса у поєднанні з методом штрафнії: функцій для врахування обмежень на параметри циклу.

4 Розробив цикл завантаження дизеля маневрового тепловоза, який дозво ляє за одну годину реостатних випробувань визначити питому середньо експлуатаційну витрату палива.

5 Розробив методику визначення економічної ефективності від модерні зації парку тепловозів та дизель-поїздів одним типорядом дизелів.

6 Одержав експериментально значення коефіцієнта Кп„ який враховуї вплив перехідних процесів на питомі середньоексплуатаційні витраті палива.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи докладе

ні і обговорені на:

- науково-практичній конференції з проблем захисту повітряного басейн) від шкідливих викидів транспортних засобів, Харків, 1997 р.

- третьому конгресі двигунобудівників України (з міжнародною участю) 12.09.1998 р.

- науково-технічних конференціях кафедр Харківської державної академії залізничного транспорту та спеціалістів залізничного транспорту (: міжнародною участю), Харків 1998 р., 1999 р.

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковані е

семи статтях та тезах доповідей міжнародних конференцій.

Структура роботи. Дисертаційна робота має вступ, чотири розділи і эдаток. Повний обсяг дисертації складає 194 сторінок, з них ілюстрації 39 горінок ( 54 рисунків), таблиць 34 сторінок ( 40 таблиць), додатків 24 сто-інок ( 8 додаток ), список використаних літературних джерел 10 сторінок 21 найменувань).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розглядається технічний стан ТРС залізничного транспорту країни, зокрема силових установок тепловозів і дизель-поїздів. Пропороться шляхи розв’язання проблеми заміни цих установок вітчизняними изелями, сформульовані технічні і наукові задачі, що виникають при цьо-У-

У першому розділі розглянуто особливості експлуатації дизелів магіс-эальних і маневрових тепловозів в сучасних умовах на мережі залізниць країни. Доведено, що гістограми експлуатаційних режимів зазначених іпів тепловозів відрізняються від аналогічних гістограм 10...15-ти річної івнини.

Наведено аналіз експлуатаційних витрат на тепловозну тягу у локомо-івному господарстві за 1996 - 1998 роки, звідки випливає, що 32,6% із нх припадає на паливо й масло і 20% - на обслуговування і ремонт. У і'язку із старінням техніки ці витрати зростають. Зазначено, що собівар-сть ремонту дизеля іноземного виробництва в 1,8...2 рази більша, ніж збівартість ремонту дизеля вітчизняного виробництва. [1].

Зроблено висновок, що основні резерви зниження експлуатаційних ви-эат на тепловозну тягу знаходяться саме в цих двох статтях витрат. Для іиження витрат на паливо необхідно змінити ідеологію проектування те-повозних дизелів, а замовникам - вимоги до дизелів. Завод - виробник полнен виготовляти тепловозні дизелі, які забезпечать мінімум питомих се-гдньоексплуатаційних витрат палива. Ці витрати визначаються за форму-эю

е...=ка*Н------- • 0)

ІХГ<

де Кп - коефіцієнт, який враховує вплив перехідних процесів; к — кіль-ість режимів на тепловозній характеристиці (позицій контролера машині-га); Ие і - ефективна потужність дизеля на і - режимі, кВт; ge, - питома фективна витрата палива на і - режимі, кг/кВт-год; х, - відносний час ро-оти дизеля тепловоза на і - режимі в експлуатації.

Гістограма експлуатаційних режимів має бути задана виробнику замо-ником дизелів.

Для зниження витрат коштів на обслуговування і ремонт тепловозних зелів, парк ТРС «Укрзалізниці» має бути оснащений дизелями одного поряду. Показано, що такими дизелями можуть бути дизелі типоряду 10 виробництва ДП «Завод ім. В.О. Малишева».

Наприкінці розділу сформульована мета дослідження і методи її досяг-ння.

У другому розділі наведено методики математичного моделювання бочого циклу чотиритактних дизелів типоряду Д80, оптимізації їх кон-руктивних і регулювальних параметрів за мінімумом с е, а також оцін-економічного ефекту від впровадження дизелів даного типоряду 2,3,6]. При розрахунках робочого циклу за базову була прийнята модель ірограма кафедри «Теплотехніка і теплові двигуни» ХарДАЗТу, яка ба-ється на зонному (термодинамічному) підході до моделювання процесів ■азоповітряному тракті дизеля.

Для адаптації цієї моделі до розрахунку дизелів типоряду Д80 до неї есено ряд уточнень, отриманих за результатами обробки індикаторних іграм дизеля типу Д70 (ЧН25/27), який був прототипом дизелів Д80. Ці очнення стосуються способу визначення закону згоряння палива та ха-ктеристик теплообміну у циліндрі.

Закон згоряння палива розраховується за формулою І.І.Вібе, у якій по-зник т та умовна тривалість згоряння <рг визначається з таких емпірич-х формул:

Коефіцієнт тепловіддачі між робочим тілом і стінками камери згорян-визначається за емпіричними формулами, які мають форму відомих за-жностей Г.Вошні та Зйхельберга, але відрізняються значеннями коефіці-тів та показників ступенів.

Для процесу стискування

т=0, якщо В<0,6485-10'3 кг,

т=0,61159В103-0,3914971, якщо В>0,6485-10_3 кг , (2)

(3)

(4)

Для процесу горіння

(

р

9.81

Т~°-53 1.56С„ +

з^-іо-У^р-р^іст5]08

848М

(5)

К,. = [3,3 +4,06942-10"3 • (пДш - пд)- 4,810467• 1 (Г7-пд ]• 8,06-10"5 . (6)

Для процесу випуску

а = 2,684с"3'3

РТ

(7)

9,81 -10'

Для процесу наповнення

9,81-104 ‘

РТ

(8)

Період затримки спалаху палива в циліндрі двигуна визначається за емпіричною залежністю:

де РІГ-тиск і температура робочого тіла в циліндрі, Па і К;

Еак = 22000 кДж/кмоль - енергія активації.

Оскільки сьогодні відсутня достатньо достовірна модель розрахунку процесів у відцентровому компресорі, для чотирьох типів компресорів турбокомпресорів ТК-41, ТК-30, ТК-23 і ТК-18 шляхом обробки паспортних характеристик методом найменших квадратів отримані аналітичні залежності витрати повітря Ок і к.к.д. компресора т)к від двох чинників — частоти обертання ротора птк і ступеня підвищення тиску пк у вигляді поліномів третього ступеня, які вводяться в загальну математичну модель робочого циклу.

У роботі вперше використано метод прямої оптимізації питомої серед-ньоексплуатаційної витрати палива чотиритактного дизеля, яка вважається функцією мети. Розроблені методика та програма дозволяють вести опти-мізацію з будь-якою кількістю керованих параметрів.

У дослідженні при заданому типі випускної системи керованих параметрів було дев’ять: ступінь стискування, чотири фази газорозподілу, кут початку впорскування палива, мінімальна площа прохідного перерізу соплового апарата турбіни, об’єми впускних і випускних колекторів.

За обмежувальні параметри були прийняті максимальний тиск згоряння Рг і середня температура Іт випускних газів на вході до турбіни. З досвіду експлуатації дизелів Д70 гранично припустимими є Рг таг=12МПа і

Задача умовної оптимізації перетворювалась на задачу безумовної шляхом застосування методу штрафних функцій. Шукали мінімум допоміжної функції

Де 8е с є - питома середньоексплуатаційна витрата палива, яка визначається за формулою (1); <рх(Р,) и <р2(ґт) - штрафи за перевищення припустимих значень обмежувальних параметрів хоча б на одному із режимів тепловозної характеристики , які визначаються за формулами

Еак .е8.314 т

(9)

ІГтах~560°С.

ф, =Є.с. + <РАРя) + Ч>г(,т)

(10)

ГО. „„„ . (]2)

и • К'т-^~‘т)ІІт^Л якм/о 1Т > /гтх , це £, - коефіцієнт, який управляє розміром штрафу.

Процес пошуку мінімуму функції Ф здійснювався за алгоритмом Хука-Дживса.

У розділі також викладена запропонована методика визначення економічного ефекту Эуз від застосування одного типоряду дизелів у локомотивному господарстві України [1, 2]. Відмінність її від відомих методик полягає в тому, що вона враховує середньоексплуатаційну витрату палива, рівень уніфікації дизелів і платню за викиди шкідливих речовин у навколишнє середовище. ■

Економічний ефект визначається за формулою

Эуз = Э + Эзд + Эд+Эв , (13)

де Э - економічний ефект від зниження собівартості ремонтів (визначається як різниця між річними витратами на ремонт парку дизелів різного типа та однотипних);

Э3д - економічний ефект від відмови закупівлі дизелів за кордоном (визначається як різниця між вартістю партії імпортних та вітчизняних дизелів, віднесеної на один рік з нормативного періоду окупності);

Эд - економічний ефект від зниження експлуатаційних витрат на закупівлю палива та дизельного масла ( визначається як різниця річних витрат на палива та масло для парку дизелів, які порівнюють);

Эв - економічний ефект від зниження викидів шкідливих речовин з відпрацьованими газами в атмосферу (визначається як різниця між платнею за викиди шкідливих речовин з відпрацьованими газами для парку дизелів, які порівнюються).

У третьому розділі наведені результати розрахункового дослідження характеристик тепловозних дизелів 16ЧН26/27(1 Д80Б), І2ЧН26/27(4Д80Б), 6ЧН26/27(10Д80), а також 12ЧН26/27(4Д80Б) із системою відключення шести циліндрів на режимах малих навантажень при оптимізації за мінімумом §ссс .

Для заміни дизелів 1А-5Д49 тепловозів 2ТЭ116, а також для застосування на перспективних магістральних тепловозах рекомендовано шістна-дцятициліндрову модифікацію дизеля типоряду Д80 потужністю А^=2205кВт із двохколекторною системою ГТН, рівнем форсування />е=1,154МПа при и=1000 хв'1 (дизель 1Д80Б). Досягнуті при оптимізації показники наведені на рис.1. При цьому питома середньоексплуатаційна

•ітрата палива складе gccc =0,227...0,229 кг/кВт-гол при /0?= 1,05... 1,06,

0 на 10% менше, ніжу 1А-5Д49.

Для заміни дизелів КбБЗІООН. тепловозів ЧМЭЗ рекомендовано двана-дятициліндрова модифікація дизелів Д80 із двох - або чотириколектор-зю випускною системою і рівнем форсування Ре=0,924МПа (7'/е=993кВт) эи п=750 хв'1 (дизель 4Д80Б). Питома середньоексплуатаційна витрата їлива буде 0,255...0,257 кг/кВт-год при Л7т=1,07, що на 9...10% менше, !ж у чеського КбБЗІООІІ. На рис. 2 наведені основні зовнішні та індика->рні показники дизеля 4Д80Б за тепловозною характеристикою. Дизель ає чотириколекторну випускну систему та оптимальні конструктивні та ггулювальні параметри.

Для поліпшення експлуатаційної паливної економічності дизелів 4Д80 двохколекторною системою ГТН запропоновано застосувати систему дключення шести циліндрів при роботі на 0...2 позиціях контролера ма-иніста. При цьому §с се =0,246 кг/кВт-год при /07=1,07, що на 4,5% та 3,5% менше, ніж у дизелів 4Д80Б і КбБЗЮВЯ відповідно.

Як альтернатива дизелю 4Д80Б розглянуто дві шестициліндрові моди-ікації (10Д80) з різними номінальними потужностями (630кВт та 815кВт зи ид=750 хв"1 ), з одно- і двохколекторною системою ГТН. Питома сере-іьоексплуатаційна витрата палива у дизелів 10Д80 з одноколекторною істемою ГТН склала 0,2373 кг/кВт-год і 0,2412 кг/кВт-год відповідно, епловози з такими дизелями доцільно використовувати для виконання го-юдарських і маневрових робіт у локомотивних депо і на станціях, а та-зж на малонавантажених гірках [5, 6]. Тепловозні характеристики дизелів ЭД80 із різними номінальними потужностями наведені на рис.З і рис. 4.

У четвертому розділі дається опис стенду для випробувань дизелів, ікористаної вимірювальної апаратури, оцінка похибок вимірів, результа-

1 стендових, реостатних і експлуатаційних випробувань дизелів 1Д80Б і Ц80Б, а також розрахунок економічної ефективності від застосування ди-:лів типоряду Д80 на залізничному транспорті України [7].

Стендові випробування перших зразків дизелів 1Д80Б і 4Д80Б показа-

1, що мають місце суттєві розбіжності між значеннями зовнішніх показ-иків, отриманих розрахунковим і експериментальним методами. Контроле розбирання дизелів дозволило встановити, що мали місце порушення технології виготовлення ряду деталей. Ступінь стискування була І... 12,1 замість рекомендованої 12,5, а фази газорозподілу відрізнялися а5... 10 °о.к.в. відрекомендованих. .

Для перевірки адекватності математичного моделювання робочого ци-іу фактичні значення ступеня стискування і фаз газорозподілу були вве-їні в модель дизеля. Отримані розрахунком зовнішні показники з задові->ною похибкою, до 3%, співпали з експериментальними для обох моди-ікацій [5].

Стендові випробування дизелів 1Д80Б №2 і №5, у яких фактичні зна-ення всіх конструктивних і регулювальних параметрів відповідали реко-ендованим, підтвердили отримані розрахунковим методом зовнішні пока-іики (точки на рис. 1 і 2).

Порівняльні експлуатаційні випробування трьох базових тепловозів 13116 із дизелями 1А-5Д49 і одного 2ТЭ116 №1069 із дизелями 1Д80Б на іговому плечі Основа-Полтава показали, що витрата палива на вимірювач

О4 ткм брутто) у тепловоза 2ТЭ116 №1069 на 5,66% менша, ніж у базових

ч.

Для прискореної експериментальної оцінки експлуатаційної економіч-ості дизелів маневрових тепловозів розроблено одногодинний експлуата-ійний цикл. Цей цикл отримано шляхом статистичної обробки даних що-

э кількості, тривалості і послідовності зміни режимів завантаження мане-эових тепловозів (переключень контролера машиніста) на сортувальних рках Донецької, Південної і Південно-Західної залізниць.

Реостатні випробування тепловоза ЧМЭЗ №5398 із дизелем КбБЗІООІІ тепловоза ЧМЭЗ №2944 із дизелем 4Д80Б, проведені за розробленим од-огодинним циклом, показали, що питома середньоексплуатаційна витрата алива в тепловоза ЧМЭЗ N2944 на 8,3% нижче, ніж у ЧМЭЗ N5398.

У розділі наведена методика експериментального визначення значення зефіцієнта Кп у формулі (1). Для дизелів 4Д80Б, встановлених на тепло-ззах ЧМЭЗ, /Г/т=1,07 [7].

Розрахунок економічної ефективності показав, що економічний ефект д модернізації тепловозного парки “Укрзалізниці” одним типорядом ди-:лів Д80 складатиме 71,9 млн.грн на рік у цінах 1999 року.

ВИСНОВКИ

В дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення науко-зї задачі, яка полягає у виборі та науковому обгрунтуванні техніко-сономічних показників тепловозних дизелів для локомотивного парку країни.

Тепловозний парк і парк дизель поїздів “Укрзалізниці” на 95% оснащені дизельними силовими установками іноземного виробництва (Росія, ехія, Угорщина), 28% з яких на початок 2000 р. виробили свій моторе-фс, а до 2010 р. вироблять 100%. їх заміну доцільно робити дизелями ві-іизняного виробництва.

Основними статтями експлуатаційних витрат на тепловозну тягу у ло-змотивному господарстві є витрати на паливо й масло (32,6%) і витрати і ремонт і обслуговування (20%). Для зниження витрат за цими статтями юбхідно проектувати вітчизняні дизелі, виходячи з умови досягнення мі-імуму середньоексплуатаційної витрати палива, і вони всі повинні бути

ідного типоряду. Рекомендуються дизелі типоряду Д80 виробництва ДП

Завод ім. В.О.Малишева”.

В роботі:

уточнено математичну модель ХарДАЗТ робочого циклу чотиритактних дизелів шляхом введення емпіричних рівнянь для розрахунку процесу вигоряння палива в циліндрі, теплообміну між робочим тілом і стінками камери згоряння і періоду затримки спалаху палива, що дозволило адаптувати її для розрахунку характеристик дизелів типоряду Д80; розроблено методику прямої оптимізації конструктивних і регулювальних параметрів чотиритактних дизелів за мінімумом питомої середньо-експлуатаційної витрати палива;

розроблено методику оцінки економічної ефективності застосування на залізничному транспорті України тепловозних дизелів одного типоря-

ду;

■ розрахункове дослідження характеристик трьох модифікацій тепловозних дизелів типоряду Д80 показало, що питома середньоексплуатаційна витрата палива се при оптимальному складанні дизелів 1Д80Б (16ЧН26/27) і 4Д80Б (12ЧН26/27) на 9...11% менша, ніж у дизелів 1А-5Д49 і КбЗЗІОБЯ тепловозів 2ТЭ116 і ЧМЭЗ відповідно. Застосування системи відключення шести циліндрів на дизелях 4Д80Б дозволяє знизити ge се ще на 4.5%. При використанні дизелів 10Д80 (6ЧН26/27) потужністю N6 НОМ=630 кВт і №„„,=815 кВт на тепловозах ЧМЭЗ зменшення §ссе складе 18...20% у порівнянні з базовим дизелем КбБЗЮБК;

- стендові випробування дизелів 1Д80Б і 4Д80Б, які мали рекомендовані конструктивні та регулювальні параметри, підтвердили результати розрахункових досліджень;

- порівняльні експлуатаційні випробування трьох тепловозів 2ТЭ116 із дизелями 1А-5Д49 і одного з дизелями 1Д80Б показали, що витрата палива на вимірювач у тепловоза з дизелями 1Д80Б на 5,66% менша, ніж у базових;

- за результатами обробки статистичних даних щодо завантаження дизелів маневрових тепловозів в експлуатації розроблені усереднена гістограма експлуатаційних режимів і одногодинний випробувальний цикл;

- реостатні випробування двох тепловозів ЧМЭЗ за запропонованим од-ногодинним циклом показали, що ge сс в тепловоза з дизелем 4Д80Б на 8,3% менша, ніж у тепловоза з дизелем КбБЗ 1 (ШІІ;

- розроблено методику експериментального визначення коефіцієнта Кп, який враховує вплив перехідних режимів на питомі середньоексплуата-ційні витрати палива і показано, що для дизелів маневрових тепловозів Ял =1,07;

- економічний ефект від модернізації тепловозів серій 2ТЭ116, 2М62 і ЧМЭЗ дизелями типоряду Д80 складатиме для ’’Укрзалізниці” 71,9 млн. грн. на рік;

- рекомендації щодо вибору типу ГТН, конструктивних та регулювальних параметрів дизелів типоряду Д80 прийняті до впровадження в ДІЇ “Завод ім. В.О. Малишева”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Сергиенко Н.И. Пути снижения эксплуатационных расходов в локомотивном хозяйстве железных дорог Украины. // Залізнич. транспорт Украї-ни.-1999.-№4.-С. 28-30.

2. Сергиенко Н.И., Скалецкий П.С. Экономическая эффективность модернизации тепловозного парка Укрзализниці. // Залізнич. транспорт України,- 1999.-№3.-С. 16-17.

3. Ерощенков С.А., Крушедольский А.Г., Сергиенко Н.И. Результаты расчетного исследования показателей десятицилиндрового V—образного дизеля типа Д80 по тепловозной характеристике. //Авиационно-космическая техника и технология: Труды Государственного аэрокосмического университета им.Н.Е.Жуковского (Харьковский авиационный институт) - Харьков: Гос. Аэрокос. У-т. «ХАИ».1998 Вып. 5.-С.34-38.

4. Сергиенко Н.И., Михайлов И.Д., Ибрагимов С.А. Опыт проведения экологической паспортизации тепловозов на предприятиях Украины. / Материалы научно-технической конференции по проблеме защиты воздушного бассейна от вредных выбросов транспортных средств. - Харьков,-1997.-С.18-20.

5. Срощенков С.А., Крушедольський О.Г., Сергієнко М.І. Оцінка ступеня досконалості тепловозних дизелів сімейства Д80 // Міжвуз. зб. наук, праць / ХарДАЗТ.-1998,- Вип.32,- С.3-9.

6. Ерощенков С.А., Крушедольский А.Г., Пелепейченко В.И., Сергиенко Н.И. Выбор модификации двигателей семейства Д80 для тепловозов ЧМЭЗ. // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. -1999.-Вып.60. С.40-47.

7. Зайончковский В.Н., Ерощенков С.А., Сергиенко Н.И. Определение эксплуатационных свойств тепловозных дизелей 1Д80 и 4Д80. // Залізнич. транспорт України. - 2000.- №2. - С. 18-20.

АНОТАЦІЯ

Сергієнко М.І. Вибір та наукове обгрунтування техніко-економічних показників тепловозних дизелів для локомотивного парку України.

Дисертація є рукопис, поданий на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.03 - теплові двигуни, - Харківська державна академія залізничного транспорту, Харків 2000.

Дисертація спрямована на пошук, обгрунтування і визначення техніко-іномічних показників дизелів одного типоряду з метою зниження експ-ітаційних витрат у локомотивному господарстві України. У роботі роз-іена теорія математичного моделювання характеристик тепловозних чо-іитактних двигунів типу Д80 з оптимізацією їх конструктивних і регу-вальних параметрів. Розроблено методику розрахунку і визначено еко-гіічний ефект від модернізації тепловозного парку Укрзалізниці одним юрядом дизелів Д80. Одержано результати стендових і експлуатаційних іробувань дизелів 1Д80Б і 4Д80Б. Запропоновано усереднену гістогра-режимів завантаження дизеля маневрового тепловоза, одногодинний :плуатаційний цикл для проведення реостатних випробувань та вперше іпериментапьним методом визначено значення коефіцієнту, який врахо-: вплив перехідних процесів на середньоесплуатаційні витрати палива іеля маневрового тепловоза.

Ключові слова: тяговий рухомий склад, питомі средньоексплуатаційні фати палива, типоряд дизелів, оптимізація параметрів, гістограма експ-ітаційних навантажень, випробувальний цикл.

SUMMARY

Sergienko N.I. A choice and scientific grounding of technical and economic ameters of diesel locomotive engines for locomotive park of Ukraine. Dissertation is a manuscript for a scientific degree of a candidate of 'ineering sciences on the specialty 05.05.03 - heat engines, Kharkov State ademy of Railway Transport, Kharkov 2000.

The dissertation is directed to search, grounding and determination of hnical and economic parameters of diesel engines of one type with the rpose of operational (financial) expenses reduction in locomotive facilities of raine. A theory of mathematical modeling of Д80 type four stroke diesel omotive engines working process with their constructive and regulating •ameters optimizating has been developed in this work.

The technique of accounting has been developed and the economic benefit m the modernization of diesel-locomotive park of Ukrzaliznytsia with one ie of four stroke Д80 type diesel engines is determined. Stand and operational ts experimental results of 1Д80Б and 4Д80Б diesel engines has been received, r the first time the coefficient value which takes into account the transition >cesses influence to a shunting locomotive average operational fuel expenses

5 been determined experimentally.

Key words: tractive rolling — stock, specific average operational fuel senses, diesel engines types, optimization of parameters, histogram of srational loadings, testing cycle.

АННОТАЦИЯ

Сергиенко Н.И. Выбор и научное обоснование технико-экономических эказателей тепловозных дизелей для локомотивного парка Украины.

Диссертация является рукописью, представленной на соискание ученой гепени кандидата технических наук по специальности 05.05.03 - тепловые вигатели. - Харьковская государственная академия железнодорожного эанспорта, Харьков, 2000.

Тепловозный парк и парк дизель-поездов железнодорожного транспор-

I Украины на 95% оснащен силовыми установками (дизелями ) иностран-эго производства (Россия, Чехия, Венгрия ), 28% из которых выработали юй моторесурс, а к 2010 г. потребуется замена их всех.

Диссертация посвящена разработке научно обоснованных требований к :пловозным дизелям, предназначенным на замену иностранных из усло-1Я получения отраслью максимального экономического эффекта, а также етодов реализации этих требований. Показано, что эффект может быть элучен за счет модернизации тепловозного парка дизелями одного типо-ада Д80 производства ГП «Завод им. В.А.Малышева», конструктивные и ггулировочные параметры которых выбраны из условия обеспечения ми-имума удельного среднеэксплуатационного расхода топлива ge ср э . Это эзволит снизить две основные статьи эксплуатационных расходов в ло-эмотивном хозяйстве на тепловозную тягу - затраты на топливо и масло и пграты на обслуживание и ремонт, составляющие соответственно 32,6% и 3%.

Рассмотрены условия эксплуатации и особенности ремонта и обслу-ивания маневровых и магистральных тепловозов. Показано, что гисто->аммы загрузки обоих типов тепловозов характеризуются большим вре-енем работы на режимах малых нагрузок и холостого хода, чем гисто->аммы 10-15 летней давности. Затраты на ремонт и обслуживание дизелей вставляют 44% от общих затрат по тепловозам, при этом они для отечест-:нных дизелей в 1,8-2 раза меньше, чем для иностранных. По мере старе-ия локомотивного парка эти все затраты растут.

Исследование по определению оптимальных значений конструктивных регулировочных параметров трех модификаций (16ЧН26/27, 12ЧН26/27, ЧН26/27) дизелей типоряда Д80, а также модификации 12ЧН26/27 с от-ночением шести цилиндров при работе на режимах холостого хода и ма-31х нагрузок, выполнено расчетным методом с использованием уточнен-эй автором математической модели рабочего цикла четырехтактных ди-шей и разработанной методики прямой оптимизации, а определение эко-эмического эффекта от внедрения предлагаемых дизелей — с помощью 1зработанной методики определения экономической эффективности.

Уточнение математической модели рабочего цикла дизеля заключалось в использовании полученных автором характеристик тепловыделения и теплообмены газа со стенками цилиндра.

Методика прямой оптимизации реализует алгоритм Хука-Дживса в сочетании с методом штрафных функций. Функцией цели является минимум удельного среднеэксплуатационного расхода топлива, а управляемыми переменными - девять конструктивных и регулировочных параметров: степень сжатия, четыре фазы газораспределения, угол начала впрыскивания топлива, минимальная площадь проходного сечения соплового аппарата турбины турбокомпрессора, объемы впускного и выпускных коллекторов при заданном типе выпускной системы. В качестве ограничительных параметров использовались максимальное давление сгорания и средняя температура газов на входе в турбину.

Методика определения экономической эффективности от внедрения одного типоряда дизелей Д80 в локомотивном хозяйстве Укрзалізниці отличается от известных тем, что учитывает среднеэсплуатационный расход топлива, уровень унификации дизелей и платежи за выбросы вредных веществ с отработавшими газами.

Приведены результаты стендовых испытаний дизелей 16ЧН26/27 (1Д80Б) и 12ЧН26/27 (4Д80Б), подтвердившие результаты расчетных исследований, а также результаты реостатных и эксплуатационных испытаний тепловозов 2ТЭ116 и ЧМЭЗ, модернизированных дизелями 1Д80Б и 4Д80Б.

Показано, что £есР..э дизелей этих тепловозов на 5,66% и 8,3% меньше, чем со штатными дизелями 1А-5Д49 и КбБЗ 1(Ш11.

Путем обработки статистических данных о времени работы дизелей маневровых тепловозов на отдельных позициях и о порядке смены позиций контроллера машиниста, получена усредненная гистограмма загрузки и предложен одночасовой эксплуатационный цикл, позволяющий в условия реостатных испытаний по разработанной методике определить удельный среднеэксплуатационный расход топлива.

Экспериментальным методам, с использованием разработанного эксплуатационного цикла, определено значение коэффициента Кп , учитывающего влияние переходных процессов на ^ ср э . Для дизелей маневровых тепловозов Кп=1,07.

Показано, что экономический эффект от модернизации тепловозного парка Укрзалізниці одним типорядом дизелей Д80 составляет 71,9 млн. грн. в год в ценах 1999 года.

Ключевые слова: тяговый подвижный состав, удельный среднеэксплуатационный расход топлива, типоряд дизелей, оптимизация параметров, гистограмма эксплуатационных нагрузок, испытательный цикл.

Рис. 1. Показники дизеля 1Д80Б за

тепловозною характеристикою

Рис. 2. Показники дизеля 4Д80Б за

тепловозною характеристикою

одноколекторна випускна система, двоколекторна випускна система,

Рис. 3. Показники роботи дизеля 10Д80 потужністю Рис. 4. Показники роботи дизеля 10Д80 потужністю

Ые.„о«=815 кВт за тепловозною ^.Ном=630 кВт за тепловозною

Автореферат •

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Вибір та наукове обгрунтування техніко-економічних показників тепловозних дизелів для локомотивного парку України

Сергієнко Микола Іванович

Відповідальній за випуск А.О. Каграманян

Підписано до друку

Формат паперу 64x84 1/16. Папір писальний.

Друк офсетний. Умови. - друк. арк. 1,0. Обл. - вид. арк.. 1,2

Замовлення №^2. Наклад 100 екз.___________________________

Вид. ХарДАЗТ, м. Харків-50 майд. Фейербаха, 7.

Друк. ХарДАЗТ, м. Харків-50 майд. Фейербаха, 7.