Грузовой железнодорожный поезд модульного типа Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

lijitii

''"Сацл***

Грузовой железнодорожный поезд модульного типа

И.К. Александров,

профессор Вологодского государственного технического университета (ВоГТУ), д.т.н.

В статье дается теоретическое обоснование эффективности замены традиционной схемы грузового железнодорожного поезда, представляющего цепь последовательно соединенных с локомотивом вагонов, на модульную схему, где состав комплектуется из нескольких самостоятельных блоков (модули), параллельно подключенных к контактной электрической сети и состоящих из тягового (моторный) вагона, к которому присоединяются несколько стандартных (неприводные) вагонов.

Ключевые слова: подвижной состав, модульная схема.

Freight railway train of modular type

I.K. Aleksandrov

This paper gives theoretical substantiation for the effectiveness of replacing the traditional scheme of freight train, representing a chain of cars all successively connected to the locomotive by a modular scheme, where the rolling stock is assembled of several independent blocks (modules) connected in parallel to the contact electrical network consisting of a traction (motor) car, joined by several standard (non-drive) cars.

Keywords: rolling stock, modular design.

Энергетическая нецелесообразность передачи механической энергии за счет многозвенных, разветвленных кинематических цепей (КЦ) доказана в ряде работ [1-6 и др.], где показано, что во многих конструктивных решениях деление потока мощности гораздо эффективнее осуществлять за счет электрифицированных систем, а зачастую даже гидравлические передачи оказываются более рациональными, чем сложные механические трансмиссии.

Для принципиального повышения эффективности одной из таких разветвленных, получивших широкое распространение КЦ, для которой в статье сделан предварительный энерго-экономический анализ, необходима, на наш взгляд, серьезная модернизация. Такую энергетически нерациональную разветвленную КЦ представляет собой грузовой железнодорожный состав, где передача тягового усилия от локомотива на колесные пары вагонов осуществляется за счет последовательно-параллельной разветвленной КЦ.

В качестве альтернативы традиционной схеме железнодорожного состава предлагается вариант, где кинематические связи существенно упрощены и частично заменены электрическими. Назовем такую схему комплектования железнодорожного состава модульной. Модуль представляет собой комплексную единицу подвижного состава, состоящую из снабженного приводным электродвигателем тягового вагона, к которому подсоединяются один или несколько обычных (неприводных) вагонов.

Для анализа рассматриваемых КЦ можно использовать принцип построения блок-схемы КЦ (рис. 1), который описан в [6].

В соответствии с методикой [6] составления блок-схем введено понятие собирательного звена (СЗ) - элемента КЦ, который объединяет (собирает) несколько потоков мощности. Каждое СЗ маркируется по уровню удаления его от энергетической установки (ЭУ) и ему присуждается порядковый номер на данном уровне. ЭУ также принимают как СЗ на нулевом уровне с порядковым номером 1, то есть СЗ 0,1.

СЗ соединяются между собой внутренними КЦ (см. рис. 1, сплошная линия). От любого СЗ могут ответвляться внешние КЦ (штриховая линия), которые заканчиваются рабочим органом, непосредственно совершающим полезную работу. В нашем случае таким рабочим органом является колесная пара.

Применительно к железнодорожному составу: СЗ 1-го уровня - система сцепных устройств поезда (сцепка); СЗ 2-го уровня - вагоны; СЗ 3-го уровня - вагонные тележки, которые объединяют колесные пары.

Для энергетического расчета КЦ, который заключается в определении непроизводительных потерь в цепи и требуемой мощности ЭУ, необходимо располагать энергетическими характеристиками каждого элемента КЦ: предельным КПД и моментом холостого хода (усилие, обеспечивающее движение при отсутствии внешней нагрузки). Для этого необходимо провести соответствующие экспериментальные

7 8 '9 ю ш гг вх ££

а

¿■Ъ АЪ

237238 239240

/ поря&обьй юнер модут 12 3 4 | I I

порядкойыи номрр СЗ

Рис. 1. Блок-схема кинематической цепи: а - поезд с локомотивом; б - поезд, составленный из двухвагонных модулей

исследования, что является одной из задач последующих исследований.

На данном этапе исследований не ставится цель определения абсолютных суммарных потерь в кинематической цепи поезда, а делается попытка оценить

А 55 &

4 3 2

12 3 г 5 6 55 56 57 58 59 60 N Порядкодый номер бпгонп -

а

Рис. 2. Изменение тягового усилия в сцепке между вагонами: а - Т для поезда с локомотивом; б - Т для поезда, составленного из трехвагонных модулей

влияние на энергоэффективность КЦ одного ее элемента - сцепного устройства при передаче энергетического потока (тяговое усилие) от энергоустановки (локомотив) к вагонам. При этом конструктивные параметры вагонных тележек, колесных пар, то есть элементов кинематической цепи 2-го и 3-го уровней, остаются без изменений.

Предварительный энергетический анализ двух схем комплектования поезда проведем по упрощенной методике, используя условную тяговую единицу (1 Т.Е.) измерения - безразмерную величину, определяющую тяговое усилие, необходимое для транспортировки одного груженого вагона с заданной скоростью по горизонтальному участку пути с учетом потерь на перекатывание колесных пар, в их подшипниках, подрессоренной вагонной тележке, а также аэродинамических потерь.

Очевидно, что КПД модуля (см. рис. 1) выше, чем КПД поезда с локомотивом, так как в последнем случае используется значительно большее число внутренних КЦ, каждая из которых создает дополнительные энергетические потери. Заметим, что КПД модуля однозначно определяет и КПД всего поезда, составленного из этих модулей.

В традиционном составе с локомотивом изменение тягового усилия, возникающего в сцепке между вагонами, пропорционально возрастает по мере приближения вагона к локомотиву. Для рассмотрения в качестве примера принят состав из 60 вагонов (рис. 2). Те же показатели определены применительно к составу из 60 вагонов, но сформированному из трехва-гонных модулей. Преимущества последней схемы очевидны:

• в модульной схеме значительная часть внутренних КЦ заменена электрическими связями за счет прямого соединения ЭУ тягового вагона с контактной сетью;

1

б

б

• каждый тяговый вагон перемещается самостоятельно без использования сцепного устройства;

• в сцепке между модулями отсутствует тяговое усилие;

• тяговое усилие, передаваемое на первый вагон поезда с локомотивом, составляет 60 Т.Е., в то время как максимальное тяговое усилие в данном модуле всего 2 Т.Е.

Первые три условия обеспечивают снижение энергопотребления модульным поездом за счет уменьшения непроизводительных потерь в сцепном устройстве.

Четвертое условие принципиально меняет требования к конструкции вагона. Разрывное усилие, а соответственно и ударная нагрузка, передаваемая на нижнюю раму первого вагона (а в составе с локомотивом любой вагон может оказаться первым), как видно из представленных схем, в 30 раз больше, чем максимальное значение этого усилия в модуле. Соответственно может быть значительно уменьшена и металлоемкость несущей рамы вагона, воспринимающей пониженное разрывное (ударное) усилие. С учетом того, что масса тележек, бортов вагона, платформы остается без изменений, то (предварительные расчеты) масса порожнего вагона будет снижена примерно на 12...15 %, что позволит пропорционально увеличить массу перевозимого вагоном груза (нетто).

Рассмотрим возможность повышения энергоэффективности состава за счет снижения фрикционных потерь в сцепном устройстве при использовании модульной схемы.

Суммарное тяговое усилие Тл (Т.Е.), передаваемое через сцепные устройства поезда с локомотивом, определяем по формуле N(N + 1)

Т =

где N - число вагонов в составе.

(1)

Для определения абсолютной величины фрикционных потерь Тфр для поезда с локомотивом в сцепке необходимо экспериментально установить КПД лсц сцепного устройства (одна из задач предстоящих экспериментальных исследований)

Гфр=(1-Лвц)Г,.

(2)

Если сцепное устройство представить как механический компенсатор, то можно допустить лсц = 0,96, то есть ориентировочно безвозвратно теряется в каждом сцепном устройстве около 4 % действующего в нем тягового усилия.

Суммарное тяговое усилие Тм (Т.Е.), передаваемое через сцепные устройства поезда модульного типа, определяем по формуле

т Ы

тм =— г, п

(3)

где п - число вагонов в модуле; г - суммарное число тяговых единиц в модуле, Т.Е.

Зависимость г от числа п вагонов в модуле представлена ниже:

п.................... 2 3 4 5 6

г.................... 1 3 6 10 15

Энергетическую эффективность от применения модульной схемы оцениваем коэффициентом Ксн снижения нагрузки на сцепное устройство 2г

Т

V — м _

Лсн --- ■

(4)

ТД п(ЛГ + 1) Коэффициент снижения нагрузки на сцепное устройство и фрикционные потери в сцепке зависят от числа вагонов в модуле с учетом общего числа вагонов в составе (табл. 1). В примере число N стабилизировано в пределах 60 вагонов. По аналогии, используя зависимости (1)...(4), можно выполнить расчеты для различных сочетаний N и п.

Сопоставительный анализ, выполненный в рамках упрощенного экспресс-метода, может быть представлен также в виде интегрального критерия, названного

Таблица 1

Число вагонов Число тяговых единиц Коэффициент Фрикционные потери в сцепке, Т.Е.

в модуле п в составе N в модуле 1 снижения нагрузки на сцепное устройство Ксн поезда с локомотивом (1 - л ) Т » 'сц' л модульного поезда (1 - л ) Т х 'сц' м

2 60 1 0,016 73,2 1,2

3 60 3 0,032 73,2 2,4

4 60 6 0,046 73,2 3,6

5 60 10 0,066 73,2 4,8

6 60 15 0,081 73,2 6

нами коэффициентом энергетической эффективности (КЭЭ) силовой установки, который достаточно близок к значению КПД сцепного устройства.

В качестве полезной работы, совершаемой ЭУ, примем тяговое усилие, необходимое для транспортировки всех вагонов поезда и численно равное количеству вагонов в поезде, умноженному на условную тяговую единицу (Т.Е.)

Тиол = N-1 Т.Е.

За непроизводительные потери (Т.Е.) примем фрикционные потери в сцепке поезда Гфр . Тогда по аналогии с понятием КПД предложенный критерий для поезда с локомотивом определится по выражению

Т N

КЭЭ=--=---,

^пол+7фр ЛГ + (1-Г1сц)Гл

или после преобразования 1

кээ =

1+а-Лсц)

N + 1

(5)

,сц' 2

Определим коэффициент энергетической эффективности ЭУ для поезда, состоящего из модулей

ЛГ ЛГ

КЭЭМ =

м+ц-цсц)тм лг+а-лсч)—г'

п

или после преобразования 1

кээм =

(6)

1+0-Лсц):

На основании формулы (6) еще раз убеждаемся в том, что КПД модульного состава не зависит от числа вагонов в поезде.

Для различных вариантов комплектаций состава при « 0,96 расчеты КЭЭ дали следующие результаты. Для поезда из 60 вагонов с локомотивом КЭЭл = 0,45, для поезда, состоящего из модулей, КЭЭм приведен ниже:

Число вагонов в модуле ...2 3 4 5 6 КЭЭ ........................................0,98 0,96 0,94 0,92 0,91

На первый взгляд очевидно энергетическое преимущество двухвагонного модуля. Однако решение по выбору оптимального модуля может быть принято только в результате экономического обоснования, что также является направлением предстоящих исследований. При этом следует учесть, что тяговый вагон может менять категорию, то есть число прицепных вагонов можно варьировать в зависимости от их собственной массы и степени загрузки.

Еще одно преимущество модульной схемы - это существенное повышение эксплуатационного КПД подвижного состава. Любой локомотив имеет вполне определенную (конечную) установленную мощность, которая реализуется на 100 % только при условии транспортировки большегрузного поезда, что в реальных условиях эксплуатации подвижного состава далеко не всегда может быть обеспечено. Таким образом, зачастую силовая установка локомотива оказывается недогруженной, а пропорционально снижению нагрузки на локомотив уменьшается его эксплуатационный КПД, который при холостом перегоне достигает нулевого значения.

При использовании модульной схемы этот недостаток автоматически исключается, так как суммарная установленная мощность всех тяговых вагонов не является фиксированной, а пропорциональна числу вагонов в составе. Таким образом, эксплуатационный КПД модульного состава независимо от его общей грузоподъемности остается стабильно равным единице. Модульная схема также позволяет комплектовать состав любой грузоподъемности, ограничение числа вагонов в составе определяется только максимальной электрической мощностью контактной сети.

Принципиальное преимущество модульной схемы заключается также в расширении возможности рекуперации электрической энергии в контактную сеть при торможении (остановке) поезда путем электродинамического торможения энергоустановками

Рис. 3. Схема к определению Т и ТЕ

Таблица 2

Число вагонов в составе 5 10 20 30 40 50 60

Суммарное тяговое усилие, Т.Е. 5,66 12,6 31,56 60,08 103 167,5 264,5

КПД сцепного устройства 0,883 0,793 0,634 0,5 0,388 0,3 0,23

тяговых вагонов. За счет этого в большинстве случаев при снижении скорости движения поезда будет обеспечиваться преобразование кинетической энергии поезда в электрическую и возврат ее в контактную сеть. По результатам проведенных нами экспериментальных исследований троллейбусов средний коэффициент рекуперации составляет около 30 %.

Возможности использования для этой цели локомотива существенно ограничены ввиду недостаточности силы его сцепления с железнодорожным полотном. Традиционный поезд тормозит исключительно за счет механической системы торможения вагонов состава.

И еще один недостаток традиционной схемы. Локомотив, имеющий массу до 300 т и являясь мощным источником вибрации, создает динамическую сосредоточенную нагрузку, разрушающе действующую на железнодорожные мосты, пути и окружающие строения. При использовании модульной схемы этот недостаток исключается.

КЭЭ в качестве интегрального критерия позволил использовать упрощенную методику сопоставительного анализа энергетической эффективности модульной схемы формирования железнодорожного состава в сравнении с традиционной. В рамках предварительного анализа не ставилась цель получения интегрального критерия с высокой степенью достоверности, но очень важным являлась убедительность доказательства принципиальных преимуществ предлагаемого технического решения.

Теперь представим более строгое доказательство зависимости, определяющей энергетические потери в сцепном устройстве поезда с локомотивом. Сразу отметим, что в последовательной кинематической цепи имеет место нелинейное нарастание фрикционных потерь [2, 4]. Эта нелинейность возрастает с увеличением длины КЦ. Таким образом, если применительно к модулю с небольшим числом вагонов КПД сцепного устройства можно принять постоянным, то для состава с локомотивом такое допущение приводит к существенной ошибке.

Так же, как это было принято выше, для анализа используем условную тяговую единицу (Т.Е).

Из схемы (рис. 3) можно понять, как изменяется соотношение между усилием тяги, обеспечивающим работу по транспортировке вагонов, и суммарным усилием тяги на локомотиве с учетом непроизводительных (фрикционные) потерь в сцепке.

Усилие тяги, необходимое для транспортировки N вагонов, будем считать показателем, определяющим полезную работу, выполняемую локомотивом: Тпол = N-1 Т.Е. Поэтому в расчетах принимаем условие ГПОл = N. (7)

Суммарное тяговое усилие Tz на локомотиве определяется суммой усилий Т. на транспортировку каждого /-го вагона с учетом фрикционных потерь, возникающих в сцепном устройстве под действием /-го усилия при передаче его по данному элементу кинематической цепи. С учетом Т. и КПД сцепного устройства псц запишем зависимость для определения суммарного тягового усилия на локомотиве

= Т1 + Т2 + Т3 + - + Ti + - + Т N =

111 1 1 1 ,QN

=-+ + —3— + ••• + —— + ••• + —tT= (8)

Лсц Лсц 'Псц 'Псц 'Псц 1=1 Лсц

На основе зависимостей (7) и (8) определяем КПД сцепного устройства поезда

N _ N

1 • (9)

Лл

N

1 = 1 Л сц

Результаты проведенного на основе указанных зависимостей энергетического расчета (рис. 4)

\ 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0

th=f(N) ГЕ -1 (Л О

Т.Е. 240 200 160 120 80 40

10

20

30

40

50

60 N

Рис. 4. Зависимости КПД г|л сцепного устройства поезда и тягового усилия ТЕ на локомотиве от числа N вагонов в составе

сцепного устройства грузового поезда при условии, что КПД одного элемента сцепного устройства псц « 0,96, приведены в табл. 2.

Рассматриваемая кинематическая цепь энергетически иррациональна - увеличение тягового усилия и, соответственно, числа транспортируемых вагонов приводит к резкому снижению КПД энергоустановки, так как значительная часть ее энергии затрачивается на преодоление непроизводительных потерь, возникающих в сцепном устройстве. Возникает парадокс: чем больше мощность энергетической установки, тем ниже ее энергетическая эффективность. С применением модульной схемы комплектования железнодорожного состава этот недостаток практически исключается.

Поскольку КПД сцепки определяется показательной функцией, то, естественно, значение его очень чувствительно к величине основания функции.

На данный момент нам эта величина не известна, поэтому необходимы соответствующие экспериментальные исследования. Вероятнее всего, что эта величина не имеет постоянного значения, а существенно зависит от качества железнодорожного полотна.

Литература

1. Александров И.К. Определение потерь в механических трансмиссиях с учетом нагрузочных режимов // Техника в сельском хозяйстве. - 1999. - № 1. - С. 20-24.

2. Александров И.К. Энергетическая неэффективность разветвленных кинематических цепей // Вестник машиностроения. - 2010. - № 4. - C. 20-28.

3. Александров И.К. Определение потерь в кинематических парах и механических трансмиссиях на основе закона Амонтона - Кулона // Вестник машиностроения. - 2010. - № 5. - C. 8-15.

4. Aleksandrov I.K. Determining the Losses in Kinematic Pairs and Mechanical Transmissions on the Basis of the Amontons-Coulomb // ISSN 1068-798X, Russian Engineering Research. - 2010. - Vol. 30, No 5. - Р. 435-441.

5. Aleksandrov I.K. Energy Inefficiency of Branched Kinematic Chains // ISSN 1068-798X, Russian Engineering Research. - 2010. - Vol. 30, No 4. - Р. 335-342.

6. Александров И.К. Энергетический анализ механизмов и машин. Теоретическое и экспериментальное обоснование принципов исследования и определения энергетических потерь в механизмах и машинах: монография. - Вологда: ВоГТУ, 2011. - 244 с.

Компания ООО «Балсити» остается крупнейшим в России производителем автомобильных баллонов для сжиженного углеводородного газа, занимая лидирующие позиции на российском рынке.

За 10-летний период производственной деятельности компания освоила и поставила потребителям значительное количество как стандартных баллонов цилиндрической формы вместимостью от 30 до 220 л, так и специальных спаренной и тороидальной форм вместимостью от 42 до 95 л различной конструкции более 60 наименований, из которых свыше 50 % занимают специальные. Постоянное обновление производственных мощностей, подготовка и переподготовка кадров, проведение комплекса испытаний и контроля являются залогом стабильности и качества производимой компанией товарной продукции.

ООО «Балсити» остается эксклюзивным поставщиком автомобильных баллонов для сжиженного углеводородного газа на конвейер Горьковского автозавода.

На предприятии компании внедрена и действует система менеджмента качества в соответствии с ГОСТ Р ИСО 9001-2008 (ISO 9001-2008). Баллоны сертифицированы по Международным правилам ЕЭК ООН № 67-01 с дополнениями 1-9, а также на соответствие требованиям Технического регламента «О безопасности колесных транспортных средств», что обеспечивает их применение в топливных системах различных типов автомобилей, использующих в качестве топлива сжиженный углеводородный газ (пропан, бутан и их смеси) под давлением 2,0 МПа.