CC BY
234
62
Современные технологии - транспорту
Кроме этого, разработанные кинематические модели дают возможность уточнить требования к жесткости элементов крепления и вероятным упругим перемещениям элементов ходовых частей исходя из обеспечения работоспособности тормозных систем.
Библиографический список
1. Автоматические тормоза / В. Г. Иноземцев, В. М. Казаринов, В. Ф. Ясенцев. -М. : Транспорт. - 1981. - 464 с.
2. Расчет и проектирование пневматической и механической частей тормозов вагонов / П. С. Анисимов, В. А. Юдин, А. Н. Шамаков. - М. : Маршрут. - 2005. - 248 с. -ISBN 5-89035-292-X.
УДК 629.424.3:621.436
В. В. Кручек
ДВУХДИЗЕЛЬНАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ МАНЕВРОВОГО ТЕПЛОВОЗА
В связи с ограниченностью и высокой стоимостью природных ресурсов, в число которых входит дизельное топливо, актуален вопрос их экономии. Предлагается сокращать расход дизельного топлива, потребляемого маневровыми тепловозами, за счёт применения двухдизельных энергетических установок. В статье рассматриваются вопросы выбора процентного соотношения мощности между дизелями двухдизельной энергетической установки маневрового тепловоза, основанного на минимальном расходе топлива. Предлагается способ расходов топлива на каждой позиции контроллера машиниста.
маневровый тепловоз, диаграмма нагружения, удельный расход топлива, часовой расход топлива, расходная характеристика дизеля, номинальный режим, холостой ход.
Введение
Специфика работы маневровых тепловозов заключается в том, что большую часть времени дизель работает в режиме малых нагрузок. Данные режимы характеризуются низким КПД и повышенным расходом топлива. Поэтому в статье предлагается использование на маневровом тепловозе двухдизельной силовой установки. Исходя из условий работы тепловозов, замена одного дизеля на два, суммарная мощность которых равна мощности замененного дизеля, позволит эксплуатировать каждый дизель в наиболее экономичном режиме.
2011/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
63
1 Способы повышения экономичности транспортных двигателей
Тепловозы, работающие на территории Российской Федерации, потребляют около 15 % производимого в стране дизельного топлива. С целью снижения расхода топлива и повышения среднеэксплуатационного КПД тепловоза необходимо продолжать необходимые научно-технические исследования путей повышения экономичности тепловозов.
Данные исследования ведутся в течение всех лет существования тепловозов и условно подразделяются на два направления:
совершенствование конструкций дизелей;
приспособляемость имеющихся в эксплуатации дизелей к условиям работы.
В первом направлении на данный момент выполнен большой объем научно-исследовательских работ. Это совершенствование системы воздухоснабжения дизеля, например, за счет применения регистрового наддува и подкрутки ротора турбокомпрессора от дополнительного источника энергии. Кроме того, улучшение качества рабочего процесса в цилиндрах дизеля возможно за счет повышения эффективности камер сгорания, повышения максимального давления газа в цилиндре дизеля, улучшения качества топлива, повышения эффективности вспомогательных систем дизеля, а также улучшения качества работы систем автоматического регулирования.
Во втором направлении, в отличие от первого, исследования стали проводиться намного позже. Приспособление тепловозных дизелей к особенностям работы тепловозов требует оптимизации расходных характеристик из условий наименьшего расхода топлива при существующих в эксплуатации режимов работы. Оптимизация расходных характеристик вновь проектируемых дизелей связана с дополнительными исследованиями и их доводкой на заводах-изготовителях. Оптимизация расходных характеристик осуществляется путем согласования с графиками нагрузки дизелей тепловозов.
2 Актуальность использования в составе силовой установки маневрового тепловоза двух дизелей
Кафедрой «Локомотивы и локомотивное хозяйство» ПГУПС были произведены исследования нагружения дизеля K6S310DR маневрового тепловоза ЧМЭ3 по станции Лихоборы Московской железной дороги. По данным результатам исследований была построена диаграмма нагружения, представленная на рисунке 1. Данная диаграмма показывает время работы дизеля K6S310DR на каждой позиции контроллера машиниста. На диаграмме нагружения (рис. 1) общее время работы дизеля в процентном отношении составляет 73,95 %, т. к. оставшиеся 26,05 % времени суток дизель был заглушен. Диаграмма нагружения показывает все особенности
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/3
64
Современные технологии - транспорту
эксплуатации энергетической установки. Диаграммы нагружения для различных участков железных дорог построены многими авторами различных исследовательских работ [1].
позиции
Рис. 1. Диаграмма нагружения дизеля K6S310DR маневрового тепловоза
ЧМЭ3 № 0466 по станции Лихоборы
Из рисунка 1 видно, что большую часть дизель K6S310DR маневрового тепловоза ЧМЭ 3 эксплуатировался на холостом ходу и первых трёх позициях контроллера машиниста, что соответствует низким значениям эффективной мощности и частот вращения коленчатого вала. Однако при малых мощностях и частотах вращения коленчатого вала дизеля наблюдается рост удельного эффективного и индикаторного расхода топлива. Следовательно, дизель тепловоза работает в неэкономичных условиях большую часть времени, что приводит к перерасходу топлива.
Многочисленные исследования режимов работы дизелей тепловозов в эксплуатации дают в общем аналогичные результаты, которые в свою очередь показывают, что силовые установки тепловозов эксплуатируются как на установившихся, так и на неустановившихся режимах, т. е. при переменных во времени нагрузках, частотах вращения коленчатого вала, температурах деталей и теплоносителей в системах охлаждения и смазки двигателя. Также в эксплуатации тепловозных дизелей имеют место холостой ход и частичные нагрузочные режимы.
В данной статье предлагается способ повышения экономичности энергетических установок маневровых тепловозов за счёт согласования расходных характеристик с графиками нагрузки дизелей тепловозов. Это предлагается делать путём замены энергетической установки из одного ди-
2011/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
65
зеля на энергетическую установку из двух транспортных дизелей с условием, что суммарная мощность двух дизелей равна номинальной мощности заменённого дизеля.
При этом принцип нагружения двухдизельной силовой установки следующий: изначально нагружается главный дизель до номинальной мощности, далее запускается и вступает в работу вспомогательный дизель, при этом главный дизель продолжает работать в номинальном режиме. Следовательно, момент запуска вспомогательного дизеля будет определяться выходом главного дизеля на номинальный режим работы.
Это позволит эксплуатировать каждый дизель в номинальном режиме или близком к нему, что положительно скажется на экономичности тепловоза в целом с точки зрения расхода топлива.
3 Определение расхода топлива дизелями
На рисунках 2, 3 показаны графические зависимости удельного эффективного расхода топлива ge от мощности Ne дизелей 1-5Д49 и 10Д100
[1]. Значение мощности указано в относительных единицах Ne.
Ne
Рис. 2. Зависимость удельного эффективного расхода топлива ge от мощности Ne дизеля 1-5Д49
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/3
66
Современные технологии - транспорту
Рис. 3. Зависимость удельного эффективного расхода топлива ge от мощности Ne дизеля 10Д100
Данные графические зависимости интерполированы в две формулы, которые можно применять для сравнительных расчетов расходов топлива дизелями. Это справедливо, т. к. графики расходов топлива всех дизелей имеют практически одинаковую форму.
Первая формула справедлива при определении расхода топлива для нагрузки дизеля менее 0,3 от Ne:
g =-A + B
N
где А и В - размерные коэффициенты, кгк£т ч.
В таблице 1 приведены значения коэффициентов А и В при разных значениях v .
ТАБЛИЦА 1. Значения коэффициентов А и В.
v А к/кВт - ч В кг/ ’ /кВт - ч
0,02 0,0000975 0,243
0,1 0,00470 0,230
0,2 0,00937 0,215
0,3 0,0129 0,203
0,4 0,0166 0,191
1,0 0,0395 0,134
2011/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
67
Вторая формула справедлива при определении расхода топлива для нагрузки дизеля начиная от 0,3 номинальной мощности Ne:
g = 0,2508 - 0,06778 -i- + 0,03996 ■~LT - 0,00602 .
e N N2 N3
e e e
Расход топлива дизелем в сутки
B = Х ga- Ne,-Xt ,
где gei - удельный расход топлива при i-м режиме (позиции контроллера машиниста) работы, кг/вт ч;
Nei - мощность на i-м режиме работы;
Ti - продолжительность работы на i-м режиме.
4 Выбор процентного соотношения мощности дизелей в составе двухдизельной силовой установки
При включении в состав энергетической установки двух дизелей стоит вопрос о выборе мощности между дизелями, так как входящие в состав силовой установки двигатели могут иметь как одинаковые, так и разные значения мощностей и частот вращения вала. Если принять общую мощность двухдизельной силовой установки за 100 %, то значение этих 100 % между дизелями можно распределить различным образом, начиная от соотношения 1% к 99 % и заканчивая соотношением 50 % к 50 %. Каждый вариант процентного соотношения между дизелями получается за счёт подбора дизелей соответствующих мощностей.
Оптимальный вариант соотношения мощности должен соответствовать минимальному расходу топлива. При этом для каждого варианта нагрузочной диаграммы будет строго определенное оптимальное процентное соотношение мощности между дизелями с точки зрения расхода топлива.
Пусть имеется нагрузочная диаграмма однодвигательной силовой установки, состоящая из n столбцов (рис. 4). Каждый столбец нагрузочной диаграммы представляет собой определённое значение мощности, которое было востребовано условиями работы, и определённое время.
В соответствии с числом двигателей нагрузочная диаграмма разбивается на участки У. Под участком У нагрузочной диаграммы следует понимать столбец диаграммы или совокупность столбцов. Так как каждый столбец диаграммы нагружения соответствует мощности какого-то режима работы силовой установки, то и каждый участок У диаграммы соответствует определённому значению мощности Ne или сумме мощностей.
Приняв суммарное число столбцов диаграммы за 100 %, можно в процентных соотношениях представлять мощности каждого участка.
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/3
68
Современные технологии - транспорту
I,
%
Рис. 4. Пример диаграммы нагружения двигателя
Так как диаграмма нагружения разбивается на участки исходя из числа двигателей, то суммарная мощность каждого участка соответствует номинальной мощности двигателя. Разбиение осуществляется путём складывания мощностей соседних столбцов нагрузочной диаграммы.
При одном и том же числе двигателей нагрузочная диаграмма может быть разбита на участки с разными пропорциями мощности каждого участка. Это происходит за сёт складывания столбцов в различных пропорциях и соотношениях.
На рисунках 2, 3 показаны два варианта процентного соотношения мощностей двигателей двухдвигательной энергетической установки.
Первая комбинация соответствует сумме мощностей участков У1 и У2. Таким образом, первый двигатель будет иметь номинальную мощность Ne1 = Ne1, второй двигатель Ne2 = Ne2 + Ne3 + Ne4 +... + Nen.
Вторая комбинация соответствует участкам У3 и У4. Следовательно, мощность первого двигателя Nfl = Nel + Ne2, мощность второго двигателя
Ne2 = Ne3 + Ne4 + ... + Nen .
По аналогичному принципу любая нагрузочная диаграмма может быть разбита на участки, соответствующие номинальной мощности двигателя, подразумеваемого под каждым участком диаграммы нагружения.
2011/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
69
Конечной целью разбиения нагрузочной диаграммы на различные участки является определение всех возможных комбинаций процентных соотношений мощности двигателей, входящих в состав многодвигательной силовой установки. Из всех имеющихся комбинаций двигателей необходимо выбрать ту, которая будет соответствовать минимальному часовому расходу топлива.
Сравнительные расчёты расходов топлива в соответствии с диаграммой нагружения, показанной на рисунке 1, и произведённые по формулам (1), (2), (3) дают следующие результаты. Дизель мощностью 1000 кВт за сутки расходует 235,1 кг топлива. Если на данном тепловозе применить двухдизельную силовую установку с двумя дизелями суммарной мощностью 1000 кВт, при этом мощность первого дизеля будет составлять 50 кВт, а мощность второго дизеля 950 кВт, то расход составит 146,8 кг топлива в сутки. Двухдизельная силовая установка с мощностью первого дизеля 100 кВт, второго дизеля 900 кВт будет расходовать 142,2 кг топлива в сутки.
Заключение
Двухдизельные маневровые тепловозы строятся для эксплуатации на железных дорогах Российской Федерации, поэтому вопросы их экономичной эксплуатации на сегодняшний день очень важны и актуальны.
В конце 2008 года на Московской железной дороге начал работу опытный вариант двухдизельного маневрового тепловоза [2]. Данный тепловоз был изготовлен на базе маневрового тепловоза ЧМЭ3 №4342. Работы по модернизации тепловоза проводились на предприятии ОАО «Ярославский электровозоремонтный завод».
Брянский машиностроительный завод готовит к выпуску новый маневровый тепловоз ТЭМ33 с двухдизельной энергетической установкой, состоящей из двух дизель-генераторов [3].
Сравнительные расчеты расходов топлива, результаты которых приведены в данной статье, показывают с точки зрения расхода топлива экономичность применения на тепловозах двухдизельных энергетических установок.
Библиографический список
1. Режимы работы тепловозов и пути повышения их топливной экономичности / Г. А. Фофанов, Э. А. Пахомов, А. А. Лосев // Вестник ВНИИЖТа. - 1983. - № 6. -C. 21- 25.
2. Двусильная тяга / М. В. Балашкина // Гудок. - 2011. - № 34. - С. 1.
3. Один дизель - хорошо, два - лучше! / М. В. Балашкина // Северная магистраль. -2008. - № 37. - С. 5.
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/3
