Исследование процессов пуска дизеля K6S310DR с использованием енергоемких конденсаторов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

п+1

N = ^ т{ + п +1;

I=1

тут п - число КР вагона за термш його служби;

mi - структура ¿-го ремонтного циклу.

Величину ¡1 слщ трактувати як термш гаранти заводу-виробника, а рiвняння (18) використовувати для його розрахунку. Даш величини ¡2 та ¡3 слiд трактувати в якост термiнiв гаранти ДР та КР вщповщно, якi рекомендовано розраховувати за формулою (19).

Висновок. Запропонована методика розрахунку оптимальних мiжремонтних пробшв за формулами (17) та (18) на вщмшу вiд роботи [3] не потребуе реалiзаци складних програм на ЕОМ та припускае узагальнення.

Список лтератури

1 Селиванов А.И. Основы старения машин. -М.: Машиностроение, 1964. -404с.

2 Устич П. А., Хаба И.И., Ивашов В. А. и др. Вагонное хозяйство. -М.: Маршрут, 2003. -560с.

3 Колегаев Р.Н. Экономическая оценка качества оптимизации системы ремонта машин. - М.: Машиностроение, 1980. -240с.

УДК 621.436

Паламарчук Н.В., д.т.н., профессор (ДонИЖТ) Черняк Ю.В., к.т.н., доцент (ДонИЖТ) Писарев Л. Т., к.ф.-м.н., доцент (ДонИЖТ) Рябко К.А., инженер (ДонИЖТ) Фычак В.Г., студент (ДонИЖТ)

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПУСКА ДИЗЕЛЯ К68310БЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЕНЕРГОЕМКИХ КОНДЕНСАТОРОВ

Постановка проблемы. Исследования показали, что существующие системы пуска мощных тепловозных двигателей имеют ряд существенных недостатков, обусловленных непосредственным подключением стартерной

машины к автономному источнику питания ограниченной мощности -стартерной аккумуляторной батареи. Из них основным является резкое нарастание пускового тока аккумуляторной батареи, превышающее ток прокрутки в 1,5 - 2 раза. При пуске дизеля величина пускового тока может достигать 2000 А, что кроме отрицательного воздействия на двигатель, приводит к значительному разряду аккумуляторных батарей при нескольких повторных пусках. После пуска дизеля аккумуляторная батарея заряжается при постоянном напряжении. На пуск дизеля аккумуляторная батарея расходует 4 - 6% своей номинальной емкости. Через два часа после пуска аккумуляторная батарея полностью заряжается, восстановив свою первоначальную емкость. Если батарея разряжена на 15%, то свою емкость она восстановит через 3-4 часа. Согласно проведенным исследованиям число пусков дизеля достигает 20 - 30 в сутки. Поэтому в эксплуатационных условиях аккумуляторные батареи не всегда заряжаются до номинальной емкости, а систематические недозарядки, как известно, приводят к сульфатации пластин и, как следствие, быстрому выходу аккумуляторной батареи из строя.

Также опыт эксплуатации показывает, что из-за низкого уровня технического состояния аккумуляторных батарей тепловозов часто не используется один из резервов экономии дизельного топлива - отключение дизеля даже при длительных стоянках тепловоза при температуре наружного воздуха +15...20°С. Это, прежде всего, объясняется невозможностью повторного пуска при остановке дизелей.

Плохое техническое состояние, малый срок службы аккумуляторных батарей вызывают необходимость разработки принципиально отличного способа организации пуска тепловозных дизелей.

Одним из таких способов является применение комбинированной системы пуска - батарея + конденсатор.

Цель статьи. В настоящей статье поставлена задача возможности применения конденсаторных комплектов для пуска двигателей тепловозов ЧМЭ3. Целью статьи является анализ полученных данных испытаний на объектах, возможность применения аккумуляторных батарей меньшей емкости в паре с конденсаторным комплектом.

Анализ последних исследований и публикаций. Комбинированные системы пуска батарея + конденсатор успешно эксплуатируются на рельсовом транспорте уже более 10 лет, постепенно вытесняя традиционные только аккумуляторные системы.

Конденсаторы получают всё более широкое распространение в различных сферах применения, начиная с малогабаритной электроники и

средств связи до крупных энергосистем с запасом энергии в несколько мегаджоулей.

Этому способствовали всесторонние исследования природы и возможных потребительских качеств конденсаторов. Уникальные параметры по выходной мощности и сроку службы изначально определили использование таких конденсаторов в мощных процессах для повышения уровня надёжности в эксплуатации. Этот тип источников тока успешно конкурирует с аккумуляторными батареями. В зависимости от энергозапаса конденсатора он обычно используется в системах вместе с батареей или вместо неё.

Основной материал исследования. Обычно процесс пуска принято делить на три основных стадии.

Первая стадия - прокручивание коленчатого дизеля только стартером. Уравнение моментов, отражающее состояние системы стартер -двигатель, имеет вид:

Мст - мсопр = ¡^+Мк, (1)

где Мст - крутящий момент стартера, приведенный к коленчатому валу двигателя;

Моопр - момент сопротивления прокручиванию коленчатого вала двигателя;

I - момент инерции двигателя, приведенный к коленчатому валу двигателя;

da

- - угловое ускорение коленчатого вала двигателя;

dt

Мк - момент компрессии, вызываемый сжатием и расширением воздуха в цилиндрах при первых оборотах.

Вторая стадия - вращение коленчатого вала двигателя моментом, передаваемым ему стартером и моментом, создаваемым индикаторной работой в цилиндрах дизеля.

Уравнение моментов на второй стадии пуска имеет вид:

М +ТМ. = М +1 — , (2)

от гц сопр dt

где ЕМ - сумма индикаторных моментов.

Третья стадия характеризуется появлением регулярных вспышек в цилиндрах, она завершает процесс пуска. Стартерное устройство отключается, и уравнение принимает вид:

> М +1 —, (3)

щ сопр

Момент, развиваемый стартером, определяется выражением

М = с1Ф, (4)

т.е. является функцией тока стартерной цепи I и магнитного потока стартера Ф. Приблизительно можно считать, что

Ф = сф 1,

ф '

где сф - коэффициент, зависящий от конструкции электродвигателя. Тогда выражение момента примет вид:

М = ССф1 \ (5)

Таким образом, момент, развиваемый стартером, зависит от его конструкции и квадрата величины тока, проходящего через его обмотки. Закон нарастания пускового тока определяется формулой

и -

1 ПУСК = ^ (1 - X (6)

где Т - электромагнитная постоянная времени пусковой цепи.

Электромагнитная постоянная времени Т зависит от индуктивности пусковой цепи. Чем больше величина Т, тем медленнее происходит процесс нарастания пускового тока при включении пусковых контакторов

Выпускавшиеся до недавнего времени конденсаторы не обладали достаточно большой емкостью энергии, чтобы их можно было рассматривать как альтернативный источник импульсной энергии. Разработанный недавно импульсный энергоемкий "суперконденсатор"

позволил в корне изменить систему пуска дизеля. Конденсатор не содержит токсических веществ, его конструкция достаточно проста, применяемые материалы получены с использованием передовых технологий.

Существует два широко распространенных режима эксплуатации суперконденсаторов в объектах применения. Первый - хранение конденсатора в рабочей схеме в незаряженном состоянии. При этом конденсатор заряжается непосредственно перед использованием и после разряда на рабочую нагрузку отключается от зарядной схемы до следующего включения. Преимуществом этого вида эксплуатации является очень большой срок службы конденсатора, т.к. в промежутках между включениями его напряжение близко к нулю. Все процессы на электродах, ведущие к старению, как бы «заморожены» в этом состоянии. Но существует эксплуатационное неудобство этого метода - требуется время на полный заряд конденсатора.

Второй способ эксплуатации демонстрирует готовность немедленного разряда, но при этом срок службы конденсаторного комплекта ниже, чем в первом режиме и требуются меры по уравниванию напряжений элементов высоковольтной цепи.

Наличие периода предстартовой подготовки для пуска дизеля позволяет применять первый вариант работы конденсатора, при этом возможен спокойный длительный заряд конденсатора от бортовой батареи без перегрузки её по току.

Суперконденсаторы обладают более высокой, на 1-2 порядка, удельной мощностью, по сравнению со стартерными батареями. Поэтому их можно эффективно использовать на борту локомотива для реализации наиболее мощных процессов - прокрутки вала двигателя в начальный момент пуска.

Существует большое количество технических решений применения конденсаторов в пусковых системах. Но в большинстве случаев конденсаторный комплект соединен параллельно с бортовой батарей через контрольно-управляющую схему.

Принципиальный вид схемы включения конденсатора в пусковую цепь приведён на рисунке 1.

Во время предстартовой подготовки, конденсаторный комплект С заряжается от батареи АБ через тиристор УБ, открываемый по команде, и через токоограничивающий резистор Я для снижения токовой нагрузки для батареи.

Разряд на нагрузку электромашины, т.е. собственно пуск дизеля происходит одновременно для батареи и конденсатора (через диод УБ) при замкнутых контактах пусковой цепи К.

После пуска, конденсатор С выводится из зарядной цепи закрытием тиристора УБ.

-0-

K

+

+

| АБ

VD 2S

-0-

1——1 C

ЙУ = 1,02

R

Я

VS

б

S

K

Рисунок 1 - Принципиальная схема включения конденсаторного комплекта

в пусковую систему тепловоза

АБ - бортовая аккумуляторная батарея; C - конденсаторы;

S - электромашина/стартер; VD - диод; VS - тиристор;

R - токоограничивающий резистор; К - пусковые контакторы.

Рассмотрим циклограмму пуска дизеля тепловоза ЧМЭ3 (рисунок 2), построенную в результате обработки экспериментальных данных полученных на испытаниях в Локомотивное депо Ясиноватая. Мощность дизеля - 1350л.с. Тип используемой батареи: никель-кадмиевая, 150 А-ч, напряжение 90 В. Состояние батареи - свежезаряженная (степень заряда ~ 100%). Температура окружающей среды + 6о С.

«

х

1 о. с е т

1

Напряжение

р 4

-

1400

1200

1000

300

600

400

200

<

í

9.5

1.5

25

3.5

Время пуска, сок

Рисунок 2 - Циклограмма пуска ток/напряжение

Из анализа кривых рисунка 2 видно, что даже при благоприятных условиях для пуска, падение напряжения при полностью заряженной батарее составило более 41% в начальный момент, при пусковом токе ~ 1200 А. Дизель устойчиво запустился через 3 сек.

На рисунке 3 приведено изменение мощности, снимаемой с батареи в ходе прокрутки дизеля до пуска. Видно, что максимальная разрядная мощность достигает ~ 66 кВт и около 2 сек. удерживается на уровне 40...50 кВт. Общее количество энергии, выведенное с батареи за весь пусковой цикл - 124,5 кДж, в том числе за 1,5 сек. - 65,5 кДж, за 1 сек. - 56 кДж.

Рассмотрим моделирование начала пуска, осуществленного с параллельно подключенным энергоемким конденсатором к аккумуляторной батарее (рисунок 4). Видно, что батарея может выдать начальный пусковой ток для этого типа дизеля приблизительно 790 А. В это же время конденсаторный комплект компенсирует разность тока, необходимого для пуска и суммарно с батареей реализует нормальное вращение коленчатого вала двигателя в начале старта.

Рисунок 3 - График изменения мощности стартерного разряда

бортовой батареи

Моделирование графиков мощности (рисунок 5) показывает, что установленный конденсаторный комплект выдает меньше мощности, чем аккумуляторная батарея. Из графиков также видно, что отбираемая мощность от аккумуляторной батареи при пуске с конденсаторным комплектом несколько ниже, чем при пуске только от полностью заряженной батареи.

Моделирование процессов пуска тепловозного дизеля с использованием комплектов суперконденсаторов показывает, что в зависимости от энергоемкости устанавливаемого комплекта

суперконденсаторов зависит необходимая емкость устанавливаемых аккумуляторных батарей. Значительное увеличение энергоемкости конденсаторных комплектов приведет к неоправданному увеличению цены пускового устройства. Более целесообразно применение серийно выпускаемых необслуживаемых автомобильных аккумуляторных батарей в сочетании с комплектом конденсаторов с энергоемкостью не более 80 -120 кДж.

В настоящее время из-за отсутствия «родных» батарей N0-150 устанавливаются следующие типы аккумуляторных батарей:

- чешские щелочные аккумуляторные батареи КРН-150Р, гарантийный срок эксплуатации 15 месяцев, цена - 64 тыс. грн., являющиеся аналогом батареи N0-150;

- луганские щелочные аккумуляторные батареи 75КРЬ-125РУ3, емкостью 125 Ач; габаритные размеры: длина - 481; ширина - 171; высота - 391; вес - 622,5 кг., гарантийный срок эксплуатации устанавливается в зависимости от эксплуатационных условий, цена - 42 тыс. грн.;

- кислотные аккумуляторные батареи 55ТН-150-У2 Са+, производства харьковского завода «Владар», гарантийный срок эксплуатации 1 год, габаритные размеры: длина - 404; ширина - 132; высота - 380; вес - 565 кг, цена 32 тыс. грн.

Стоимость предлагаемой системы пуска, состоящей из комплекта суперконденсаторов и необслуживаемых автомобильных аккумуляторных батарей составляет 28 - 30 тыс. гривен. Окончательная цена зависит от энергоемкости устанавливаемых конденсаторов и типа автомобильных батарей.

Рисунок 4 - Графики моделирования процесса пуска. Батарея +

конденсатор

Рисунок 5 - Графики моделирования мощности начального периода прокрутки. Батарея + конденсаторный комплект

На рисунке 6 показано расположение аккумуляторных батарей 75 КРН-150 на тепловозе ЧМЭ3, а на рисунке 7 показано расположение автомобильных аккумуляторов типа 6СТ-100 и комплекта суперконденсаторов на тепловозе ЧМЭ3.

Рисунок 6 - Расположение аккумуляторных батарей КК8 - 150 на тепловозе ЧМЭ3; а) - вид сбоку; б) - вид сверху

Рисунок 7 - Расположение аккумуляторных батарей 6СТ - 100 А3 на тепловозе ЧМЭ3; а) - вид сбоку; б) - вид сверху

Выводы. Проведенное исследование процессов пуска дизелей только от аккумуляторной батареи комбинированных систем батарея + комплект конденсаторов показало:

- конденсаторный комплект, работая в паре с бортовой батареей, берет на себя часть нагрузки в период максимальной востребованности энергии на стартере (первые секунды пуска двигателя);

- состояние степени заряженности батареи не влияет на пусковые характеристики;

- батарея не испытывает большой токовой нагрузки при пуске, режим её эксплуатации становится более умеренным;

- отмечается более полное использование энергии пуска. Преимущества комбинированной системы батарея + конденсатор над традиционной пусковой системой на базе только батареи:

- обеспечивается гарантированный пуск дизеля при любом состоянии бортовой аккумуляторной батареи, включая эксплуатацию в холодное время года;

- возможен пуск без участия бортовой батареи или с использованием батареи с уменьшенной ёмкостью;

- циклический ресурс конденсаторов - сотни тысяч циклов заряд-разряд. Глубина разряда бортовой батареи при работе в паре с конденсатором уменьшается, при этом возрастает её срок службы. Отмечено, что система конденсаторный комплект + батарея эксплуатируется как минимум вдвое дольше;

- примерно в 2 раза уменьшаются издержки по обслуживанию и ремонту бортовой батареи.

Следует отметить, что пусковая стойка конденсаторного комплекта представляет собой довольно компактное устройство, а то, что конденсаторы герметичны и не требуют никакого обслуживания в течение всего срока службы, даёт возможность размещать конденсаторный комплект в труднодоступных местах отсеков локомотива. Кроме того, вышеуказанные пункты преимуществ комбинированной системы доказывают её высокую надёжность в эксплуатации, практическую независимость от множества воздействующих факторов.

Экономические аспекты эффективности использования конденсаторов в системах пуска локомотивов основываются на правильном выборе энергозапаса конденсатора, учитывая специфику работы локомотива.

Экономическая эффективность использования комбинированных систем достигается за счет:

- увеличения срока службы системы;

- уменьшения издержек по обслуживанию.

Общеизвестно, что обслуживаемая батарея за срок службы требует затрат равных или даже превышающих начальную стоимость батареи. Легко подсчитать какая экономия может быть достигнута при увеличении срока службы в 2 раза и снижения издержек по обслуживанию в 3 раза.

- возможности установки на борту батареи с уменьшенной в 2-3 раза ёмкостью и соответственно уменьшенной ценой;

- при установке конденсаторного комплекта экономия достигается за счёт снижения расхода топлива. То есть за счёт возможности часто останавливать двигатель во время стоянки локомотива с гарантией его последующего пуска. Кроме того, возможно увеличение ресурса двигателя.

Расчеты показывают, что конденсаторный комплект полностью окупается за 2 - 4 месяца с начала эксплуатации, исходя из расчёта стоимости топлива и интенсивности эксплуатации.

Недостатком комбинированной системы пуска является, наличие токоограничивающего резистора в схеме заряда конденсаторных комплектов для снижения броска тока батареи в начальный момент. Это

влечет за собой невысокую эффективность зарядного процесса и выделение тепла в окружающую среду. Наилучший выход -использование импульсных преобразователей. Однако их стоимость в настоящее время экономически не приемлема.

Исходя из вышеизложенного, предлагаемая, комбинированная система пуска, является наиболее эффективной и экономически выгодной в настоящее время.

Список литературы

1. Нотик З.Х., Тепловозы ЧМЭ3, ЧМЭ3Т: Пособие машинисту. - М.: Транспорт, 1990. 381 с.: ил., табл.

2. Нотик З.Х., Электрическое оборудование тепловоза ЧМЭ3: Учеб. пособие для сред. ПТУ. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1987. 191 с.: ил., табл.

3. Аккумуляторные батареи. Гос. науч. -исслед. ин-т автомобильного транспорта - НИИАТ. Изд-во «Транспорт», 1970г., 196 с.

4. Савельев И.В. Курс общей физики, т. 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика: Учебное пособие. - 2-е изд., перераб. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982.-496 с.

5. Аккумуляторы и батареи аккумуляторные щелочные никель-кадмиевые негерметичные: Руководство по эксплуатации. ЖШИТ 563514.003 РЭ - 52 с.

6. Правила изготовителя по эксплуатации никель-кадмиевых аккумуляторных элементов и батарей типов КРЬ, КРМ и КРН и по уходу за ними. БЕЯЛК - 17 с.

7. Кислотные аккумуляторные батареи 55ТН-150-У2 Са+: Руководство по эксплуатации. «Владар».

8. Аккумуляторы подвижного состава. Драчев Г.Г. Изд-во «Транспорт», 1970.

169 с.

9. Стартерные аккумуляторные батареи: Устройство, эксплуатация и ремонт / М.А. Досоян, Н.И. Курзуков, В.М. Ягнятинский. - М.: Транспорт, 1991. - 255 с.