CC BY
32
Расчет годового эффекта также сведен в таблицу 2.
Ожидаемый годовой эффект Эгод от внедрения форсунок с пневмодогружателем при цене на дизельное топливо 15,9 р/кг составит 162,7 тыс. р. на один тепловоз.
Данная система впрыска топлива может применяться для установки на тепловозах ТЭМ2 (дизель ПД1М), а также ЧМЭЗ (дизель КбЗЗКЮЯ).
Список литературы
1. Беляев, А. А. Автоматическая система регулирования давления впрыска топлива в зависимости от режима работы дизеля [Текст] / В. А. Четвергов, В. Т. Данковцев, А. А. Беляев // Труды всерос. науч.-практ. конф. «Транспорт-2008»: В 3 ч. / Ростовский гос. ун-т путей сообщения. Ростов-на-Дону, 2008. - Ч. 3. - 303 с.
2. Беляев, А. А. Регулирование давления впрыска топлива в зависимости от режимов работы тепловозных дизелей [Текст] / В. А. Четвергов, В. Т. Данковцев, А. А. Беляев // Труды всерос. науч.-практ. конф. «Транспорт-2009»: В 3 ч. / Ростовский гос. ун-т путей сообщения. Ростов-на-Дону, 2009. - Ч. 3. - 423 с.
УДК 629.424.3:621.436
А. И. Володин, Д. В. Балагин, Ю. С. Комкова
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ТЕПЛОВОЗНОМ ДИЗЕЛЕ
В статье рассматриваются вопросы математического моделирования нестационарных температурных полей на поверхности цилиндропоришевой группы тепловозного дизеля.
В настоящее время отечественной и зарубежной промышленностью освоена большая номенклатура инфракрасных термометров, тепловизоров и пирометров, которые практически безынерционны, работают в реальном масштабе времени, позволяют измерять температуру от - 40 до 3000 °С. Эти приборы обеспечивают непрерывное, быстрое и безопасное измерение температуры объектов, которые двигаются, имеют очень высокую температуру или находятся в труднодоступном месте. Приборы обладают высокой оптической разрешающей возможностью (погрешность 0,01 °С) и широким набором функций [2].
При тепловой диагностике основным источником информации о температурном поле и его градиентах служит инфракрасное излучение. Сложность процессов, формирующих тепловые поля узлов и деталей подвижного состава, требует разработки адекватных математических моделей физических процессов, характеризующих различного рода взаимодействия составных частей подвижного состава не только друг с другом, но и с внешними системами, а также разработки и адаптации диагностических систем ИК-радиометрического контроля в условиях реальной эксплуатации.
Подвижной состав генерирует собственное инфракрасное излучение за счет работы дизеля, электрических машин (400 К), торможения локомотивов и вагонов (400 - 800 К), нагрева буксовых узлов (340 К) и т. п. В результате происходит формирование внешних тепловых полей, отражающих процессы, происходящие внутри объектов в зависимости от их технического состояния [1].Разработка общих форм математических моделей теплоэнергетической визуализации технических объектов в зависимости от внутренних термодинамических процессов с последующей реализацией в виде прикладных программ для использования их в системах технического диагностирования решит проблему широкого использования методов тепловой диагностики для целей диагностирования.
6 ИЗВЕСТИЯ ТранссШВш^=^Ш
Основным источником теплоты на тепловозах является дизель-генераторная установка (ДГУ). Характер тепловых полей на внешней поверхности дизеля отражает качество протекания рабочего процесса в цилиндрах и работы ДГУ в целом. Таким образом, термодинамическая визуализация внутренних тепловых процессов позволит не только произвести тепловизи-онную диагностику, но и сформировать в дальнейшем энергетический паспорт дизеля.
На первом этапе исследований необходимо рассмотреть процессы выделения теплоты при сгорании рабочей смеси, ее передачи через стенку цилиндра в систему охлаждения, крышке цилиндра (при ее наличии), головке поршня и т. д. Прежде всего для этого необходимо составить внешний тепловой баланс для номинального режима работы и исследовать процессы распространения теплоты через стенки дизеля.
Внешний тепловой баланс двигателя удобно представить через схему внутреннего теплового баланса (рисунок 1), из которой видно, как формируются составляющие внешнего теплового баланса [3].
Теплота, выделившаяся при сгорании топлива, обозначена 0. Теплота 0, эквивалентна индикаторной работе в цилиндре двигателя. Теплота, эквивалентная эффективной работе <2е, состоит из теплоты 0ед, соответствующей эффективной работе поршневой части, и теплоты 0ет, эквивалентной эффективной работе турбины, передаваемой на вал двигателя; теплота, отводимая от двигателя охлаждающей жидкостью или воздухом, обозначена 0В; теплота 0Г, отводимая из двигателя с выпускными газами, состоит в общем случае из физической теплоты газов 0Г.ф и химической теплоты 0ГХ.
В дизелях теплота, отводимая с выпускными газами из поршневой части, направляется в газовую турбину. В общем случае этот тепловой поток делится на два: один соответствует полезной работе турбины и внутренним потерям теплоты в ней, другой - теплоте, отводимой из турбины с выпускными газами. Теплота, соответствующая полезной работе турбины, делится на теплоту, эквивалентную работе, передаваемой на вал двигателя 0ет, и на теплоту, эквивалентную работе привода компрессора 0ТК. При работе турбины теряется часть теплоты 04, которая отводится частично охлаждающей турбину жидкостью (вода), а часть теплоты 08 отводится через стенки турбины.
Работа турбины затрачивается на сжатие в компрессоре воздуха. Теплота 0К, эквивалентная работе сжатия наддувочного воздуха, возвращается в цилиндр двигателя при наполнении. При сжатии воздуха в компрессоре он подогревается и дополнительно вносит в цилиндр дизеля теплоту 01. Подогрев воздуха происходит от выпускных газов (теплота 0ю) и охлаждающей жидкости (теплота 02).
В большинстве двигателей, работающих с высоким наддувом, устанавливается охладитель наддувочного воздуха (ОХНВ). Теплота, отводимая в ОХНВ, обозначена 03. Теплота, эквивалентная энтальпии сжатого воздуха 0К, возвращается обратно в поршневую часть. В турбине и компрессоре имеются потери теплоты трения в подшипниках 09. Теплота, эквивалентная работе трения в подшипниках, выносится из турбины смазочным маслом в ОХНВ и присоединяется к тепловому потоку, который выносится из двигателя охладителем.
Теплота, эквивалентная работе трения 0Т частично передается смазывающему детали маслу (теплота 05) и деталям двигателя (теплота 06), уносится охладителем и рассеивается в окружающую среду через стенки корпуса двигателя (теплота 07).
Применение турбины, работающей на выпускных газах, уменьшает долю теплоты, отводимой с газами, и увеличивает долю полезно используемой теплоты. В двигателях, не имеющих передачи от турбины к валу двигателя, нет потока теплоты 0ет.
В случае отключения ОХНВ исключается поток теплоты <2з.
По результатам расчета внешнего теплового баланса необходимо рассмотреть теплонапря-женность деталей дизеля, которая зависит от величины теплового потока через единицу площади поверхности или сечения детали, ее температуры, температурного градиента в стенках и температуры поверхностей трения. Каждый из указанных параметров в отдельности не отражает тепло-напряженности детали. Плотность теплового потока характеризуется величиной с], Вт/м2 [4]:
где <2 ~ количество теплоты, проходящей через поверхность детали, Вт;
Т7 - площадь поверхности детали, м2.
Величина теплового потока зависит от степени форсировки двигателя, т. е. от количества топлива, сжигаемого в единице объема цилиндра, и от числа оборотов, или частоты подвода теплоты. Величина теплового потока, проходящего через разные части поверхностей деталей двигателя, различна, поэтому значения температуры разных точек детали неодинаковы.
Температура газов в цилиндре циклически изменяется. Вследствие этого тепловой поток тоже все время меняется. При значительном колебании температуры газов в пределах одного рабочего цикла температура стенки детали изменяется незначительно. По опытным данным в быстроходных двигателях на глубине 1 мм от поверхности, соприкасающейся с горячими газами, колебания температуры не превышают 8 - 10° С. Замена менее теплопроводного материала - чугуна - на более теплопроводный - алюминий - уменьшает колебание температуры примерно в 1,4 - 1,6 раза [7].
Температура поверхности, соприкасающейся с охладителем, практически остается постоянной, а различие температур по толщине стенки детали вызывает неодинаковое ее расширение и определяет температурные напряжения в ней. При увеличении теплового потока средние значения температуры поверхностей детали возрастают.
Повышение температуры стенки возможно до определенного уровня, обусловленного свойствами материала, а в том случае, если поверхность детали является поверхностью трения, то условиями сохранения смазки.
Величина тепловых потоков, проходящих через детали двигателя, определяется напряженностью рабочего процесса, свойствами материала, толщиной стенок детали, температурой охладителя и скоростью движения его относительно стенок. Величину теплового потока через стенки цилиндра можно определить по количеству теплоты, отводимой охладителем. По опытным данным доля теплоты, отводимой с охладителем, для разных двигателей различна и уменьшается при увеличении форсировки процесса путем повышения давления наддува и увеличении размеров цилиндра двигателя и составляет 0,35-0,10 подведенной теплоты.
Средняя величина удельного теплового потока через стенки цилиндра для двигателей различных типов q = 87225 - 348900 Вт/м2 [6].
Меньшие значения относятся к четырехтактным двигателям без наддува, а большие - к двухтактным форсированным. Тепловой поток на различных участках рабочего цилиндра неодинаков. Наибольшее количество теплоты, примерно до 60 %, отводится через головку цилиндра и примерно до 40 % - через стенки цилиндров и другие детали двигателя. Наиболее теплонапряженными являются те детали, которым передается наибольшее количество теплоты - это головка цилиндра и детали, интенсивное охлаждение которых затруднительно (поршень и клапаны). Определить количество теплоты, проходящей через отдельные детали двигателя (поршень, втулку, клапаны и т. п.), чтобы выявить их температуру и температурные напряжения, чрезвычайно трудно. Сложность и разнообразие конструктивных форм деталей, равно как и характера теплообмена между рабочим телом и стенками, требуют применения современных программ ЗЭ моделирования процессов нестационарной теплопроводности в технических объектах сложной конфигурации, с помощью которых можно идентифицировать процессы, происходящие внутри технических объектов с внешней теплоэнергетической визуализацией. Моделирование распределения теплового поля в цилиндровой гильзе тепловозного двигателя эффективно выполнять на основе применения метода конечных элементов с применением современных программных продуктов ЗБ-моделирования, таких как 8оНсГ\¥огк8, Со8то8\¥огк8, ШБ^ап (рисунок 2).
8 ИЗВЕСТИЯ ТранссШВш^=^Ш
Цилиндровая втулка рассматривается в продольном сечении без сопутствующих элементов (водяная рубашка, уплотнительные кольца и т. д.).
При расчете в качестве материала цилиндровой втулки принят специальный чугун, легированный добавлением хрома, никеля, молибдена, меди с коэффициентом теплопроводности: А = 56 Вт/(м-К) [5].
а б
Рисунок 2 - Моделирование процессов теплопередачи в цилиндровой гильзе тепловозного дизеля 10Д100: а - поля распределения температуры в виде изотерм; б - компоненты теплового потока в векторной форме
Усредненный по поверхности коэффициент теплоотдачи от рабочего тела к стенкам цилиндра (освнутр= 12570 Вт/м -К) принят по результатам исследований Г. Б. Розенблита для установившегося режима работы дизеля [4].
Достоверное определение среднего коэффициента теплоотдачи от втулки цилиндра к охлаждающей воде усложняется наличием тонкого пристенного слоя, где агрегатное состояние охлаждающей воды периодически меняется в условиях ее принудительного движения и вибрации теплоотдающей поверхности втулки. По исследованиям Г. Б. Розенблита, на основе обработки обширных экспериментальных данных по тепловозным дизелям в критериях подобия получено эмпирическое выражение для коэффициента теплоотдачи ав в охлаждающую воду.
Для втулок, полость охлаждения которых образуется напрессованной на нее рубашкой, а определяется по формуле [4]:
\у°-41\¥0-23
39 2 ——2— виб (2)
^В 0.32 ,0.36 '
экв
где \¥п - скорость течения охлаждающей воды, м/с;
\¥виб- скорость вибрации втулки в месте, соответствующем перекладке поршня в в.м.т., м/с;
V- кинематическая вязкость охлаждающей воды, м2/с;
с1экв - эквивалентный диаметр, м.
Теоретические исследования проводились с помощью программных средств конечно-элементного анализа теплообменных процессов, а также редактора электронных таблиц.
В результате моделирования процессов теплопередачи через стенку цилиндровой втулки получены температурные поля, градиенты и тепловые потоки (см. рисунок 2).
В дальнейшем планируется провести моделирование цилиндровой втулки в комплексе с сопутствующими элементами в блоке дизеля при разных условиях работы.
Полученные таким образом математические модели будут представлять собой зависимость теплоэнергетического портрета объекта от его технического состояния и режима работы, что особенно важно для транспортных средств, и с высокой достоверностью реализовы-вать картину распределения температуры на его поверхности.
В настоящее время на кафедре «Локомотивы» разрабатывается ЗБ-модель цилиндро-поршневой группы на примере дизеля 1 ОД 100. Данная модель позволит оперативно и с высо-
№ 4(8) 2011
кой достоверностью представить тепловую картину диагностируемой дизель-генераторной установки с учетом внутренних и внешних факторов, определяющих ее работоспособность.
Список литературы
1. Алексенко, В. М. Тепловая диагностика элементов подвижного состава: Монография [Текст] / В. М. Алексенко. - М.: Маршрут, 2006. - 398 с.
2. Володин, А. И. Локомотивные энергетические установки: Учебник [Текст] / А. И. Володин. - М.: Желдориздат, 2002. - 718 с.
3. Орлин, А. С. Двигатели внутреннего сгорания: Учебник [Текст] / А. С. Орлин, Н. А. Круглова. - М.: Машиностроение, 1971. - 399 с.
4. Симеон, А. Э. Тепловозные двигатели внутреннего сгорания: Учебник [Текст] / А. Э. Симеон, А. 3. Хомич, А. А. Куриц. - М.: Транспорт, 1987. - 536 с.
5. Луканин, В. Н. Теплотехника: Учебник [Текст] / В. Н. Луканин, М. Г. Шатров, Г. М. Камфер. - М.: Высшая школа, 2002. - 671 с.
6. Аврунин, А. Г. Тепловозные дизели 2Д100 и 1 ОД 100: Учебник [Текст] / А. Г. Аврунин. -М.: Транспорт, 1970. - 320 с.
7. Крутов, В. И. Автоматическое регулирование и управление двигателей внутреннего сгорания: Учебник [Текст] / В. И. Крутов. - М.: Машиностроение, 1989. - 416 с.
УДК 621.332
Е. М. Дербилов
ОСОБЕННОСТИ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТОКОПРИЕМНИКОВ И КОНТАКТНЫХ ПОДВЕСОК
НА СОПРЯЖЕНИЯХ
В статье рассмотрена динамическая модель взаимодеь/ствия токоприемника с контактного подвеской для расчета контактного нажатия в сопряжениях анкерных участков. Предложены алгоритмы расчета жесткости, высотного положения и приведенной массы контактного подвески в зоне сопряженгт. Описаны характерг1-стики разрабатываемого асимметричного токоприемника, приведены результаты расчета взаимоОействия данного токоприемника с контактного подвеской КС.-200-06.
Известно, что срок службы контактного провода зависит от множества влияющих факторов, большинство из которых определяет главным образом средний износ провода. Лишь характер изменений нажатия в контакте существенно влияет на неравномерность износа контактного провода: при большой разнице контактного нажатия на контактном проводе появляются отдельные зоны с повышенным износом. Необходимость замены контактного провода определяется не только его средним износом, но размерами и числом локальных износов. Именно последнее обстоятельство и обусловливает одну из главных задач исследования процесса механического взаимодействия токоприемника и контактного провода - определение условий стабилизации и оптимизации контактного нажатия [1].
Износ токосъемных элементов прямо зависит от контактного нажатия, при увеличении которого интенсивность истирания токоприемника и контактного провода увеличивается. Уменьшение нажатия приводит к снижению износа, но только до определенного значения, после которого дальнейшее уменьшение нажатия ведет к росту износа за счет искрообразования и электроэрозионного разрушения взаимодействующих материалов в зоне контакта.
При увеличении скоростей движения большое внимание уделяется конструкции сопряжений и методам расчета контактного нажатия в сопряжениях анкерных участков, так как именно они становятся причиной ограничения скоростей движения по участку [2]. Особенность
ю ИЗВЕСТИЯ ТрансДШ^^И^И
