CC BY
26
Тогда поврежденность материала в соответствии с теорией Пальмгрена определяется в виде:
N
у = —.
N (3)
Таким образом, на основании предложенного алгоритма (см. рисунок 3) и по технологии контроля качества (см. рисунок 1) можно оценить степень поврежденности материала объекта контроля.
УДК 629.424.1: 502.1
Е. И. Сковородников, М. В. Тарута, Ю. Б. Гришина
АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ДИЗЕЛЬНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
В статье представлена методика статистической обработки протоколов экологических испытаний тепловозов серии ЧМЭ3. Представлен алгоритм, дающий возможность оценить полноту сгорания топлива в цилиндре двигателя, что позволит повысить точность оценки термодинамических параметров рабочего цикла дизеля.
Контроль количества вредных выбросов в отработавших газах тепловозных дизелей с использованием пунктов экологического контроля (ПЭКов) локомотивных депо осуществляется на ряде позиций контроллера машиниста (КМ) (не менее четырех) по содержанию оксидов азота (КОх), оксидов углерода (CO), углеводородов (СпНт) в отработавших газах и их
дымности (Щ). Результаты контроля оформляются в форме таблицы 1.
Предварительно перед обработкой информации для контроля технического состояния локомотива по результатам экологического испытаний необходимо выполнить ее первичную обработку с целью исключения случайных, связанных с технологией реостатных испытаний и квалификацией обслуживающего персонала, и закономерных, связанных с точностью средств измерений, ошибок.
Известно, что количество вредных выбросов (NOx, СО, СпНт) и дымность отработавших газов (Щ дизель-генераторных установок магистральных и маневровых тепловозов есть величины случайные и зависят
от возраста локомотива, который характеризуется его наработкой (км, ч) от постройки до момента контроля;
параметров настройки и экономичности дизеля, его технического состояния, которое может характеризоваться наработкой между плановыми и неплановыми ремонтами, или показателями эксплуатационной надежности тепловоза и его основных узлов и агрегатов за определенный промежуток времени;
системы и технологии экологических испытаний, квалификации обслуживающего персонала и периодичности контроля качества измерений;
условий эксплуатации и степени использования результатов экологического контроля в системе ремонта тепловозов по состоянию или при формировании объемов плановых технических обслуживаний и ремонтов.
На рисунке 1 приведены гистограммы, характеризующие распределение вредных выбросов и дымности отработавших газов контрольной группы тепловозов (92 тепловоза серии
ЧМЭ 3) для нулевой позиции контроллера машиниста и номинального режима работы (8-я позиция).
Таблица 1 - Форма протокола экологических испытаний
Протокол испытаний тепловоза серии №
Тип дизеля Номер дизеля
Дата изготовления Пробег после изготовления, км
Срок проведения КР Пробег после КР, км (мес.)
Срок проведения ТР-3 Пробег после ТР-3, км (мес.)
Вид ремонта Дата испытаний
Атмосферные условия: температура 1;а, °С
давление Ра, кПа влажность фа, %
Коэффициент атмосферных условий г га + 273 ] , " [ 3 00 ) ( 100 1 Ра ^ 0,65
Коэффициент приведения дымности к нормальным условиям А = (-22,94 + 48,97Б - 25,02Б: )
Режим испытаний Результаты испытаний
частота
позиция КМ мощность ДГУ, кВт вращения кол. вала, И, % ЫОх, г/м3 СО, г/м3 СпНт, г/м3
мин
1 1 1 1
0 Рв0 п1 2 2 2 2
3 3 3 3
ср. ср. ср. ср.
1 1 1 1
3 Рез П2 2 2 2 2
3 3 3 3
ср. ср. ср. ср.
1 1 1 1
5 Ре 5 П3 2 2 2 2
3 3 3 3
ср. ср. ср. ср.
1 1 1 1
7 Ре7 П5 2 2 2 2
3 3 3 3
ср. ср. ср. ср.
1 1 1 1
9 Ре9 п7 2 2 2 2
3 3 3 3
ср. ср. ср. ср.
Очевидно, что скорее всего эксплуатируемые локомотивы, возраст которых более 20 лет, не настолько чисты с экологической точки зрения, а просто установленные в методиках [1, 2] допустимые значения недостаточно объективны или определены без учета изменения технического состояния локомотива.
Наличие оксида углерода и дымность продуктов сгорания являются критериями некачественного сгорания топлива. Известно, что при полном сгорании топлива в цилиндре дизеля количество СО в отработавших газах равно нулю, а величина дымности в этом случае не может быть измерена существующими конструкциями дымомеров.
В общем случае качество исходной информации может характеризоваться зависимостями, представленными на рисунке 2.
Максимальное отклонение измеренных значений СО для анализируемой группы тепловозов от среднего значения составляет ± 3,02 %, максимальное отклонение ЫОх - ± 14 %.
16 14 12 10 п 8 6 4 2 0
0-я позиция КМ
0,38 0,46 0,54 0,62 г/м 0,79 ЫОх-►
14 12 10
8-я позиция КМ
1,51 1,63 1,75 ЫОх -
г/м3
1,99
0-я позиция КМ
8-я позиция КМ
35 30 25 20 15 10
п 1—1 1-1 П
0,07 0,10 0,12 0,15 г/м3 0,20 СО -►
8 7 6 5 п 4 3 2 1 0
0,82 0,94 1,07 СО-
г/м3
1,33
0-я позиция КМ
8-я позиция КМ
14 12 10 8 6 4 2 0
1,33 1,67 2,00 2,34 % 3,00 N-►
14,7 18,4 22,1 % 29,4 N-►
Рисунок 1 - Распределение вредных выбросов в отработавших газах дизеля К68310ВЯ по позициям контроллера машиниста тепловоза ЧМЭ 3
8
6
п
4
2
0
п
5
0
7
6
5
4
3
п
п
2
1
0
30
20
10
□
0 3 5 7 9
Позиция КМ —►
П - С(э)1тпп; С (к); И-С(э)тах; ■ -С(н)
2,5
г/м
^ДЫС
г/м3
2
ЫОх
0 3 5 7 9 Позиция КМ -►
□ -СО(э)тт; ■ -СО(к); [1]-С0)э)тах; И-СО(н) б
Значительные отклонения наблюдаются при измерении дымности отработавших газов. Величина отклонения измеренных величин от среднестатистического значения для номинального режима достигает 62 %, что недопустимо для практического использования. Такое значительное отклонение результатов контроля (см. рисунок 2) может являться причиной либо неудовлетворительного технического состояния тепловозов, однако в этом случае замеренное количество СО и ЫОХ должно значительно отличаться от их
средних эксплуатационных значений. Если таких существенных различий не наблюдается, то очевидно, что используемые приборы и методы не удовлетворяют требованиям эксплуатации.
Основной целью экологических испытаний следует считать установление качества протекания рабочего процесса в цилиндре дизеля, причин повышенного (если это имеет место) содержания контролируемых элементов в продуктах сгорания. В технической документации к пунктам экологического контроля (ПЭКам) приведена величина допустимых норм выбросов контролируемых элементов, по превышению которых (или по непревышению) можно судить о техническом состоянии локомотива. Несомненно, что получить достоверные результаты о техническом состоянии тепловоза при экологических испытаниях мож-но при соблюдении следующих обязательных условий:
- известен элементарный состав топлива (С + Н + Б + О = 1);
- известна величина удельного расхода топлива (Ье, кг/(кВт-ч)) для заданного режима испытаний (Ые, кВт; п, мин-1);
- известны или поддаются определению по результатам испытаний коэффициенты избытка воздуха для сгорания топлива (а) и наполнения цилиндра свежим зарядом (цу) по контролируемым режимам.
0 3 5 7
Позиция КМ -►
□ -ЫОх(э)тт; □-ЫОх(к); П-МОх(э)тах; в
- ЫОх(н)
Рисунок 2 - Соотношение количества вредных выбросов в отработавших газах дизельных двигателей с нормативными и среднеэксплуатационными значениями
%
1
0
0
Тогда, используя основные положения теории двигателей внутреннего сгорания, можно определить следующие характеристики рабочего цикла: теоретически необходимое количество воздуха для сгорания единицы топлива, кмоль/кг, LO; характеристику топлива, Ь; часовой расход топлива на режиме испытаний, кг/ч, 5ч; коэффициент, характеризующий отношение количества водорода и оксида углерода в продуктах неполного сгорания топлива (если оно имеет место), К; общее количество воздуха для сгорания топлива, Мв.
Предполагая, что топливо в дизеле сгорает полностью (что естественно не так), состав продуктов сгорания для режима испытаний можно определить по выражениям: Mc02 = 3,65ВЧС; Mн2o = 9,0\BчH,■Mso2 = 199В^; M02 = 3,36(а-1)(0,79 + Ь)ВЧ; Мщ = 22,13а4А.
Тогда плотность продуктов сгорания (кг/м3) и их массовое количество можно вычислить по формулам:
1,98М
од
2,93М,
пр.сг
М„
80,
0,60М
пр.сг
М„
И0
" пр.сг
М„
1,43М0 1,25МЛ ■ +-- +
пр.сг
М„
" пр.сг
М„
(1)
пр.сг
М<мас) = м + м + м + м0 + м
пр.сг С и2 И 20 Л02 02 п2
(2)
Так как топливо в цилиндре двигателя сгорает неполностью и полнота его сгорания оценивается в основном по содержанию оксидов углерода в отработавших газах, уравнения (1), (2) могут характеризовать максимально возможное количество парниковых газов (С02, Н20) в продуктах сгорания. В общем случае в составе отработавших газов дизелей кроме названных парниковых газов могут присутствовать озон, метан, метилен, метил, формил и т. д., однако их содержание по сравнению с количеством С02 и Н20 незначительно.
Для выбранного режима испытаний (мощность и частота вращения коленчатого вала дизеля, удельный расход топлива) по результатам экологического контроля, т. е. по содержанию оксида углерода т^, оксидов азота т^^, углеводородов () и дымности отработавших газов (N( кс ), необходимо следующее.
1. Определить объемный состав продуктов сгорания (м /ч)
М(мас)
М(об) _ пр.сг
пр.сг
пр.сг
(3)
и, используя коэффициент приведения, рассчитать количество оксида и диоксида азота в от-
3
работавших газах, г/м :
т
т(экс) (экс) _'ПМ0Х
т -2,533
т
(экс) _ т(экс) N0, 'ПМ0Г
т(экс)
N0х
2,533
(4)
2. Установить массовый состав (г/ч) вредных выбросов в отработавших газах:
М(экс) = М(об) т(экс) • М(экс) = М(об) т(экс) • М(экс) = М(об) т(экс) • М(экс) = М(об) т(экс)
1У1С0 ^ пр.сг" 1С0 ' 1У1802 ^ пр.сг"'Я02 ' N02 ^пр.с г" 1Ы02 ' 1У1 N0 ^ пр.сг" 1Ы0 •
3. С учетом замеренного значения дымности отработавших газов рассчитать количество углерода (сажи) в продуктах сгорания, используя эмпирическое выражение
М(;КС) = м(о6) , )
С пр.сг ^ 1 лг(экс)
10"3 N(экс)
2,1N(экс) + 259,367
(5)
4. Количество двуокиси углерода в продуктах сгорания топлива вычисляется по выраже-
нию:
м (экс) -
0,083 • 44,011(Мс - 0,4288М(х^с) - М^). (6)
5. На основании выполненных расчетов полнота сгорания топлива в цилиндрах двигателя определится так:
/с = 1
М
( экс)
СО2
м.
(7)
СО
где МСО, - количество двуокиси углерода в отработавших газах при условии полного сгорания топлива.
По доле несгоревшего топлива на каждой позиции контроллера машиниста корректируется количество теплоты, полезно использованной в рабочем цикле двигателя, и количество несгоревших составляющих топлива: углерода, серы, азота и др.
Результаты расчета по приведенному выше алгоритму представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Результаты экологических испытаний тепловоза ЧМЭ 3
Наименование параметра Значение параметра для позиции контроллера машиниста
0-я 5-я 9-я
1 2 3 4
Номинальная мощность дизеля, кВт 880
Номинальный расход топлива, кг/(кВт-ч) 0,220
Мощность дизеля, кВт 18 260 880
Результаты экологического контроля
Количество СО ВВ, г/м3 0,094 0,205 0,885
Количество ЫОх ВВ, г/м3 0,414 3,588 1,871
Количество £02 ВВ, г/м3 0 0 0
Дымность продуктов сгорания Ы, % 3 6 18
Параметры теоретического цикла
Всего топлива, кг/ч 6,052 70,324 187,615
Всего воздуха, кг/ч 4846 4998 7875
Всего рабочего тела, кг/ч 4852 5068 8063
Коэффициент избытка воздуха, а 55,917 4,963 2,931
Количество продуктов полного сгорания
Всего продуктов сгорания, кг/ч 5047 5231 8274
Плотность продуктов сгорания, кг/м3 1,298 1,307 1,314
Объем продуктов сгорания, м3/ч 3888 4001 6295
Количество диоксида углерода С02, кг/ч 18,682 217,070 579,112
Количество диоксида серы БО2, кг/ч 0,073 0,843 2,250
Количество водяных паров Н2О, кг/ч 7,415 86,153 229,844
Количество кислорода О2, кг/ч 1303 1093 1421
Количество азота Ы2, кг/ч 3718 3834 6042
Параметры действительного цикла
Удельный расход топлива, кг/(кВт-ч) 0,344 0,270 0,213
Часовой расход топлива, кг/ч 6 70 188
Количество выделенного тепла, кДж/кг 40909 42276 41819
Количество оксида углерода СО, кг/ч 0,365 0,820 5,571
Количество оксида азота ЫО, кг/ч 0,635 5,668 4,650
Количество диоксида азота ЫО2, кг/ч 0,974 8,689 7,128
Окончание таблицы 2
1 2 3 4
Количество диоксида серы £02, кг/ч 0, (0) 0, (0) 0, (0)
Количество водяных паров Н20, кг/ч 6,050 83,090 209,020
Количество водорода Н2, кг/ч 0,151 0,340 2,311
Количество азота И2, кг/ч 3256 3468 5864
Дымность продуктов сгорания, % 3 6 18
Дымность продуктов сгорания, г/м3 0,012 0,024 0,081
Дымность продуктов сгорания, кг/ч 0,046 0,097 0,511
Доля несгоревшего топлива, % 3,965 0,755 1,829
Количество сажи (с учетом /с), кг/ч 0,033 0,006 0,015
Количество сажи (с учетом дымности), кг/ч 0,046 0,097 0,511
Всего продуктов сгорания, м3/ч 3281 3773 6653
Список литературы
1. ГОСТ Р 50953-96. Выбросы вредных веществ и дымность отработавших газов магистральных и маневровых тепловозов. Нормы и методы определения [Текст]. - М.: Изд-во стандартов, 1996. - 20 с.
2. Тепловозные двигатели внутреннего сгорания [Текст]: Учебник. 2-е изд., перераб. и доп. / А. Э. Симеон, А. 3. Хомич и др. - М.: Транспорт, 1987. - 536 с.
УДК 621.914.7
Ф. В. Чегодаев
УСТАНОВКА ДЛЯ РЕМОНТА КОЛЛЕКТОРОВ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Рассматриваются пути построения станка дляремонта коллекторов тяговых двигателей. Отмечается, что существующие способы реализации данной задачи не обеспечивают достаточной точности и технологичности процесса ремонта. Предлагается способ построения установки для ремонта коллекторов тяговых двигателей на основе замкнутой системы автоматическогоуправления с вихретоковым датчиком, имеющим статическую характеристику в виде нечетной функции, а также реализация безлюфтового привода поворота якоря на основе фрикционной передачи.
Объектами исследования являются технология и оборудование для ремонта коллектора тягового электродвигателя локомотива. Одним из направлений работы является обоснование вариантов совершенствования станка для продорожки коллектора. Полученные результаты могут быть использованы при модернизации существующего или изготовлении нового станка.
В тяговом электродвигателе коллектор является одним из важнейших и наиболее сложных узлов по количеству деталей, технологии изготовления и ремонта. Трудоемкость его обслуживания составляет основную долю затрат на содержание двигателя в целом.
При эксплуатации тягового электродвигателя в результате действия сил трения и высокой плотности тока между щетками и коллектором на поверхности появляется износ, приводящий к нарушению надежного электрического контакта. Устраняют износ токарной обработкой с последующими шлифованием и накаткой. После токарной обработки происходит изменение глубины и геометрии паза между коллекторными пластинами, а также остаются заусеницы на краях пластин, что приводит к снижению электроизоляционных свойств коллектора. Загрязнение межламельного пространства и уменьшение глубины паза после токар-
