CC BY
13
Анотацн:
В статп представленi особливостi та ре-зультати проведених po6iT з визначення закономь рностей змiни масового та мщностного показник1в вiд варiацiï геометричних параметрiв для перспек-тивних профiлiв вагонобудування.
В статье представленные особенности и результаты проведенных работ по определению за-
кономерностей изменения массового и прочностного показателей от вариации геометрических параметров для перспективных профилей вагоностроения.
In the article the presented features and results of the conducted works on determination of conformities to law of change mass and prochnostnogo indexes from variation of geometrical parameters for the perspective types of carriage building
УДК 629.4.064
ТАРТАКОВСЬКИЙ Е.Д., д.т.н., професор (УкрДАЗТ); КРИВОШЕЯ Ю.В., к.т.н., доцент (ДонВТ); РЯБКО КО., ст. викл. (Дон1ЗТ).
Анал1з експериментальних даних та ïx пор1вняння з результатами теоретичних досл1джень на основ1 розроблено'1 адаптовано'1 матема-тично'1 модел1 акумуляторних батарей системи пуску тепловозних ди-зел1в
Постановка проблеми
Недосконалiсть систем пуску маневро-вих тепловозiв головним чином пояснюеться застосуванням застарiлих пiдходiв та методiв при 1х проектуваннi та розрахунках.
Вищевказана ситуацiя визначае акту-альнiсть та важливiсгь проведення науково-дослiдних робiт, спрямованих на подовження термiну служби акумуляторних батарей за рахунок застосування нового схемо-техтчного рiшення системи пуску тепловозних дизелiв на основi даних теоретичних до-
слщжень з застосуванням адаптованих мате-матичних моделей яю в повнш м1р1 вщобра-жають процеси що прот1кають в акумуля-торнш батаре пщ час пуску.
Постановка задач1
При аналiзi експериментальних даних та 1х порiвняннi з теоретичними результатами моделювання акумуляторних батарей системи пуску тепловозних ди-зелiв необхщно враховувати, умови робо-ти акумуляторно! батаре! пiд час пуску,
вольт-амперш i розрядш характеристики при рiзнiй температурi навколишнього середовища i ступеня розряду. Тобто, модель акумулятора повинна враховувати збшьшення внутрiшнього опору при роз-рядi i при змш температури.
Адаптацiя математично'1 моделi аку-муляторних батарей тепловозiв з врахуванням характеристик експлуатаци являеться актуальною задачею.
Анал1з публ1кац1й
Розробцi та адаптаци математичних моделей якi в повнш мiрi описують проце-си що прот1кають в акумуляторних батареях тепловозiв пiд час пуску прид^еться достатня увага. В [1] розглянута матема-тична модель свинцево-кислотного акуму-лятора заснована на диференцшних рiвняннях в частинних похiдних. Визна-чення доцiльних спрощень математичних моделей акумуляторних батарей тепло-возiв було розглянуто в [2].
Розглянут моделi дозволяють визначити основш параметри роботи аку-муляторних батарей в електричних колах системи пуску тепловозних дизелiв, однак не в повнш мiрi враховують специфiку експлуатаци. Таю моделi невиправдано складнi та вимагають адаптацп для пуско-вих режимiв.
Основний матер1ал досл1дження
Розглянемо кожну складову рiвняння
(8) наведеного в [1]. Емтричний вираз (3) в [1] для рiвноважноi ЕРС на початку розряду вiрогiдний при щшьносп електро-лiту q вiд 1,20 до 1,34 г/см3. В [3] наводиться бшьш точне стввщношення, яке дае похибку при щшьносп електролiту вiд 1,05 до 1,34 г/см3 менше 2% вщ табличних значень [4]:
Е0 = 0.8 + q0
Якщо тривалiсть пiкового значення пускового струму не перевищуе 1 с, i тем-
пература електролiту близько 30 °С, а при цьому максимальний струм складае близь-ко 1650 А, то, навггь не враховуючи спад струму в часi, ця складова дасть похибку менше 1% при розрахунку пускового струму. При необхщносп цю похибку можна мiнiмiзувати вибором коефiцiента к при ЕРС поляризаци, так як i той й шший доданок враховуе концентрацшш змiни в електролiтi. Так як щшьшсть електролiту залежить вiд температури, то прийнято приводити щiльнiсть до говно'' температури. Приймемо цю температуру рiвною 25 °С. Тодi перш, нiж скористатися виразом (8) наведеного в [1] ^ у вах наступних ви-разах), необхщно перерахувати щiльнiсть за наступною формулою [5]:
q25=qt+0,0007(T-25).
Користуючись виразом (8) в [1], за-пишемо вираз для ЕРС поляризаци для ткового графiка навантаження акумуля-торно'1' батаре", беручи при цьому макси-мальний струм розряду за постшну величину: Ipj=const. Оскiльки, в цьому виразi коефiцiент дифузи прийнятий за постшну величину для певно'1' температури та по-чатково'1' концентраци електролiту Со, га-барити акумулятора теж постшш, то, об'еднуючи константи, вираз можна пере-писати у виглядi [75]:
Еп = В Ъ Ь --1 '
;=1
де в =
0.052
р ■ и ■ а4в ■ ж
'217^10 217410л
В = (1.75 + 0.26■ С9 ■
9 29815 Т
У виразi (8) наведеного в [1] припущено, що внутршнш отр акумулятора незмiнний, це справедливо лише при коротких розрядах, що найбшьш точно вщповщае робот акумуляторно'1' батаре'1' пiд час пуску дизеля, в зв'язку з цим в по-дальших перетвореннях виразу (8) в [1] немае необхщносп, так я вш в повному обсязi описуе процеси протшаючи в бата-ре'1'.
Параметризащя виразу (8) в [1] для акумулятора типу 6СТ-190 здшснюеться за довщковими та розрахунково-теоретичним або експериментальним даним.
Габарити акумулятора зазначеш в паспортi батаре!.
Постiйна Фарадея: Е = 96487 Кл / моль.
Для температури 25 °С: Явт ~ 3мОм,.
Початкова щiльнiсгь елекгролiту 1,27 г/см3.
9 2
Коефщент дифузп: Б =2,63 10- м/с .
Значения коефщенпв К0,5, в i к визначеш з вольт-амперних i розрядних характеристик акумулятора, побудованих за чисельною моделлю заснованою на ди-ференщальних рiвняннях в частинних похiдних.
Використовуючи ранiше виведений вираз для ЕРС поляризацп для шково! форми розрядного струму, можна побуду-вати вольт-амперш характеристики акуму-лятора для будь-якого ступеня розряду, пiдставляючи необхiднi значення струму i часу. Так, щоб побудувати вольT"ампернi характеристики для розрядженого акуму-лятора струмом твгодинного розряду, тобто технiчний стан батаре! вiдповiдае половинi емностi, необхiдно тдставити в якостi тривалого - твгодинний струм розряду, в якост часу першого ступеня розряду - 1800 с, в якосп часу другого ступеня розряду - тривалють ткового значення максимального струму: t + 1800 секунд. У цьому випадку вираз прийме вигляд:
ыц
И п
(г) = Е0 - 1КЯ0 (1 + К0. 5) - - • 10. - - (1К - 10. 5
В,
к
Використовуючи цей вираз, легко визначити вольт-амперну характеристику як для повнiстю розрядженого акумулятора, так i для будь якого стану розрщже-носп.
У результатi розрахункiв отриманi вольт-амперш характеристики акумулятора типу 6СТ-190 для зарядженого i розрядженого сташв при рiзнiй температурi i струмi розряду. А також розрядш характеристики акумулятора. На рис. 1 та 2
наведених в [1] представлен результати чисельних розрахункiв, суцiльна лшя -модель з диференцiальними рiвняннями, пунктир - розроблена модель. Розбiжнiсть мiж спрощеною розробленою моделлю i моделлю, засновано! на диференцiальних рiвняннях, менше 7% у всьому розгляну-тому дiапазонi температур i ступеня розряду, як для розрядних, так i вольт-амперних характеристик акумулятора. Таким чином, можна вважати, що спроще-ний вираз для вольт-амперних i розрядних характеристик можна порiвняти зi складною моделлю засновано! на диферен-щальних рiвнянь. Але, параметризацiя спрощеного виразу, на вщмшу вiд остан-ньо! моделi, може бути здiйснена за зовшшшм електричним характеристикам акумулятора. Таким чином, для виршен-ня поставлених завдань модершзацп си-стеми пуску тепловозних дизелiв перспек-тивними акумуляторними батареями, рацiональне застосування отримано! спрощено! моделi. При розрахунку як за моделлю в частинних похщних так i за розробленою моделлю отримано, що опiр акумулятора при зниженш температури з 25 до 0 °С збiльшуеться в 1,5 рази. В [3] приведет аналопчш даш, справедливi як для стартерних, так i для стацюнарних акумуляторiв. Вiдповiдно паспортним даним акумуляторно! батаре! типу 6СТ-190 вольт-амперш характеристики за даними ВестаДшро, розрахунковi вольT"ампернi характеристики за розробленою методикою вiдрiзняються вiд зазначених на 5 %. Це пояснюеться рiзницею у внутрiшньому опорi акумулятора.
Вольт-амперш характеристики, визначеш за розробленою моделлю, дають похибку розрахунку струму по вщношен-ню до використовуваних в практищ менше 7%.
Застосування нелшшно! вольт-амперно! характеристики акумуляторно! батаре! або и апроксимащя двома лама-ними кривими не виправдано складна, i при розрахунку ткових значень струму в
системi пуску тепловозних дизелiв припу-стимо вважати вольт-амперну характеристику прямолiнiйною, при цьому похибка випрямлення не перевищить 5%. Таким чином, вольт-амперну характеристику акумулятора можна охарактеризувати значенням напруги холостого ходу i пус-ковим струмом на виводах акумуляторноi батарей Такий пщхщ використовуеться в зарубiжнiй практищ.
Для мiнiмiзацii похибки розрахунку пускового струму по розрахунковим вольт-амперним характеристикам, необ-хщно врахувати, що напруга холостого ходу повинна бути дещо нижчою шж ЕРС акумулятора. Це обумовлено нелшшшстю початково1 дiлянки характеристики за-рядженого акумулятора. Тому розрахун-кову ЕРС повшстю зарядженого акумуля-тора визначимо як
Е = Е0 - (0,02 - 0,05) В.
При цьому зменшуеться похибка в порiвняннi в експериментальними даними i д^чо'1 методикою розрахунку системи пуску тепловозних дизелiв з 7 до 5%. Для розрядженого акумулятора Е = Е0, так як тсля зняття декiлькох вiдсоткiв емностi характеристика стае практично лшшною.
Проведенi експерименти по розряду акумуляторно1 батаре1 з фшсуванням 11 ЕРС, пускового струму i напруги пщтвер-джують правомiрнiсть використання спрощено! методики для розрахунку тко-вих значень струму.
Експерименти проводилися на дш-чих тепловозах локомотивного депо До-нецькоi залiзницi ТЧ-20 Ясинувата, мета-лургiйного комбiнату «ЗапорiзьСталь», як з штатними акумуляторними батареями 55ТН-150-У2 Са+, так i з автомобшьними 6СТ-190 що складаються з 8 свинцево-кислотних акумуляторних батарей.
Для вимiрiв пiкових значень пуско-вих струмiв застосованi вимiрювальнi шунти ШС-150, пуск дизеля тепловоза проводився у штатному режима Парале-льно вимiрювальному шунту пiдключався пристрш реестрацп аналогових сигналiв
АЦП/ЦАП Sigma16/16 USB, та за-пам'ятовуючий осцилограф С8-17 який дозволяе зафiксувати осцилограми, отри-маного струму i напруги перехщного про-цесу. Додатково проводилось осцилогра-фування напруги акумуляторно'1 батаре'1, що дозволило однозначно визначити па-раметри роботи акумуляторних батарей в OTCTeMi пуску тепловозних дизелiв.
Також було проведене визначення опору пусково'1 системи за допомогою мi-кроомметру.
Визначення ЕРС i внутрiшнього опору зарядженого акумулятора, що зна-ходиться в сташ рiвновазi, проводилося АЦП/ЦАП до включення рубильника ба-таре'1 ОБА. Шсля пiдключення ланцюгiв управлiння, також проводилися вимiри АЦ,П/ЦАП. За отриманими АЦП/ЦАП та осцилографом, осцилограмами струму i напруги визначалися ЕРС i внутршнш опiр акумуляторiв.
На рис. 1 i 2 представлеш осцилог-рами пускового струму, отриманого за допомогою АЦП.
За осцилограмами струму i напруги визначалося ЕРС, розрядна напруга i вну-трiшнiй опiр акумуляторiв. Зiставлення отриманих експериментальних даних з розрахунково-теоретичними здшснювало-ся за допомогою розроблено'1 моделi.
Оскiльки модель була параметризована для акумулятора типу 6СТ-190 емнь стю 190 Агод, то отриманi значення ем-ностей i внутрiшнього опору для акумулятора емшстю 150, 450 А год необхщно привести, вважаючи, що батарея емшстю 150 А год вщповщае батаре'1 типу 6СТ-190 0,79, вщповщно 6СТ-1902,37.
Для автомобiльних акумуляторних батарей втизняного виробництва отри-мано, що батарея по емносп вiдповiдае штатним акумуляторам типу 55ТН-150-У2 Са+, вщповщно отримаш значення пускового струму перераховуються з узгоджен-ням до «номеру» батаре'1 - 0,79, або - 2,37.
пуску, суцшьна лiнiя вiдповiдаe мо-дернiзованiй системi, пунктирна штатнш.
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
Рис. 1. - Осцилограма пуску дизеля тепловоза ЧМЕ3 №3422
1000
500
3 Т.рокм
Рис. 3. - Експериментальш значення розрядно! напруги
На рис. 4 представлеш експериментальш значення залежносп змши емностi акумуляторно! батаре! вiд строку експлуа-тацп.
5 t,c
2
3
4
п
Рис. 2. - Осцилограма пуску дизеля тепловоза ЧМЕ3 №3422, струм акумуля-торно! батаре!
На рис. 3 представлеш експериментальш значення розрядно! напруги на ви-водах акумуляторно! батаре! 6СТ-190 в залежносп вiд строку експлуатацп з штатною та модернiзованою системою
Рис. 4. - Залежшсть змiни емносп акумуляторно'1 батаре'1 6СТ-190 вiд строку експлуатацп.
Для акумуляторно'1 батаре'1 типу 6СТ-190 за допомогою адаптовано'1 моделi отримано, що при будь-якому ступеш розряду похибка мiж експериментальними даними та розрахунково-теоретичними не
перевершуе 5%. Причиною отриманоi по-хибки може являтись не урахування змши пористостi i ефективноi поверхнi пластин акумулятора в процесi розряду, що прояв-ляеться в неточному визначенш розрахун-ково'1 ЕРС поляризаци. Однак, для шже-нерних розрахункiв отриманi похибки ць лком прийнятнi.
Таким чином, розроблена модель до-зволяе прогнозувати розрядш характеристики акумуляторних батарей при твго-динному та годинному струмах розряду з бшьшою точнiстю, оскшьки за цих струмах по-перше зростае частка омiчних втрат на активному внутршньому опорi в загальних втратах напруги, пiд-друге вольт-амперна характеристика акумуля-тора стае бшьш лiнiйною.
Таким чином, розроблену математи-чну модель рщинно!' свинцево-кислотноi акумуляторноi батареi для коротких ре-жимiв розряду можна використовувати при розрахунку ткових значень струму пуску, так як похибка розрахунку струму не перевищить 7% при використанш ката-ложних значень внутрiшнього опору за-ряджених акумуляторiв.
Висновки
Проведено анашз експериментальних даних та ïx порiвняннi з теоретичними результатами моделювання акумуляторних батарей системи пуску тепловозних дизе-лiв з врахуванням умови роботи тд час пуску, вольт-амперних i розрядних характеристик при рiзнiй темперaтурi навколи-шнього середовища i ступеня розряду.
Розроблено адаптовану математичну модель рiдинноï свинцево-кислотноï стар-терноï тепловозноï aкумуляторноï батарей що дозволяе враховувати при розрахунку стутнь розряду, теxнiчний стан, вплив максимальних значень пускових струмiв в дiaпaзонi розрахункових умов прийнятих при проектуванш систем пуску тепловозних дизелiв.
На основi мaтемaтичноï моделi
отримано параметри електричних характеристик aкумуляторiв, для розрахунку мшмального струму aкумуляторноï бата-реï при пуску, необхщного для нaдiйноï роботи пусковоï системи.
Показано, що вольт-амперну характеристику свинцево-кислотного акумуля-тора стосовно розрахунку ткового струму можна вважати прямолшшною у всьому дiaпaзонi можливих значень струму, при цьому похибка випрямлення не переви-щуе 5%.
Список лггератури
1. Колесник 1.К., Рябко К.О., Анaлiз математичних моделей акумуля-торних батарей системи пуску тепловоз-них дизелiв // Збiрник наукових праць ДонГЗТ, вип. 26 - Донецьк, 2011. - С. 119
- 123.
2. Рябко К.О., Визначення до-цшьних спрощень математичних моделей акумуляторних батарей тепловозiв // Збiр-ник наукових праць Дон1ЗТ, вип. 27 - Донецьк, 2011. - С. 137 - 141.
3. Варыпаев В.Н, и др. Химические источники тока: Учеб. пособие для хим. - технол. спец. вузов / В.Н. Варыпаев, М.А. Дасоян, В.А. Никольский и др.; Под ред. В.Н. Варыпаева. - М.; Высш. шк., 1990.
- 240 с.
4. Дасоян М.А. Химические источники тока. - Л.: Энергия, Ленингр. отд-ние, 1969. - 587 с.
5. Поляков А.М., Разработка методики и технических средств расчетного и экспериментального определения токов короткого замыкания от аккумуляторных батарей с учетом измерения их параметров в процессе эксплуатации // Диссертация на соискание ученой степени к.т.н., специальность 05.14.02 - электростанции и энергетические системы. Москва 2001. - 163 с.
Анотацн:
Виконано анал1з експериментальних даних та !х порiвияииi з теоретичными результатами, враховуючи умови роботи тд час пуску, вольт-амперш i розрядиi характеристики при рiзиiй тем-пературi иавколишиього середовища i ступеня розряду.
Розроблено адаптовану математичну модель рвдинно! свинцево-кислотно! стартерно! тепловоз-но! акумуляторно! батаре!.
Отримано параметри електричних характеристик акумуляторiв, для розрахунку мшмального струму акумуляторно! батаре! при пуску, необхщ-ного для надшно! роботи пусково! системи.
Выполнен анализ экспериментальных данных и их сравнение с теоретическими результатами, учитывая условия работы при пуске, вольт-амперные и разрядные характеристики при различной температуре окружающей среды и степени
разряда.
Разработана адаптированная математическая модель жидкостной свинцово-кислотной стартерной тепловозной аккумуляторной батареи.
Получены параметры электрических характеристик аккумуляторов, для расчета минимального тока аккумуляторной батареи при пуске, необходимого для надежной работы пусковой системы.
The analysis of experimental data and their comparison with theoretical results, taking into account the working conditions at start-up, the current-voltage and discharge characteristics at different ambient temperatures and the extent of the discharge.
Developed an adapted mathematical model of a liquid lead-acid starter battery of diesel.
Parameters of the electrical characteristics of the batteries, to calculate the minimum current during start-up battery required for the reliable operation of the trigger system.
УДК 621.873.2
КОВАЛЕНКО ОС., асистент (УкрДАЗТ).
Техшчний аналп стану силового обладнання вантажоп1дйомних крашв
Постановка проблеми
Аналiз зареестрованих вщмов пока-зуе, що силове обладнання вщноситься до обладнання, що часто виходить з ладу. На його огляд i ремонт витрачаються велию трудовi та матерiальнi ресурси. До основ-них характерних пошкоджень елеменпв силового обладнання вщносяться:
- вали i ос - трщини або злами, скручування або вигин, знос шийок i
цапф, знос або зiм'яття шпоночних канавок, шлщв i рiзьблення;
- гальмiвнi барабани i шкiви - задири на барабанах i шкiвах, трщини, нерiвно-мiрний знос барабанiв та шкiвiв;
- зубчастi i черв'ячш передачi - зно-шування та викришування зубiв;
- пiдшипники кочення - зношування дорiжки кочення, трщини i злами в кшь-цях i тiлах кочення; порушення посадки кшець;
