CC BY
25
Електричний транспорт
УДК 629.424 ^к 10.20998/2074-272Х.2018.2.10
С.Г. Буряковький, А. С. Маслiй, В.В. Панченко, Д.П. Помазан, 1.В. Дешс
ДОСЛ1ДЖЕННЯ РЕЖИМ1В РОБОТИ ТЕПЛОВОЗА ЧМЕ3 НА 1М1ТАЦ1ЙН1Й МОДЕЛ1
Розроблено Мтацшну модель тепловоза ЧМЕ3, шо складаеться з дизеля з регулятором клькост обертш колтчастого валу, тягового генератора пост1йного струму незалежного збудження та тягового електричного приводу. Проведене тестування роботи ттацшноТ модет на профл дтянки шляху Харкв - Мерефа, при цьому основними обмеженнями е час руху, який для даного перегону не повинен перевищувати 45 хв., а також максимальна допустима швидкисть, яка для вантажних потягш складае 80км/год. Отримана тривимгрна поверхня, що показуе залежнсть витрат палива локомотива вiд режиму ведення потяга машинистом при виконант однаковоТроботи, тобто однакового часу руху по перегону. Бiбл. 8, рис. 6. Ключовi слова: тепловоз, iмiтацшна модель, дизель, тяговий електропривод, профшь шляху, витрати палива, режим ведення по1зда.
Разработана имитационная модель тепловоза ЧМЭ3, которая состоит из дизеля с регулятором числа оборотов коленчатого вала, тягового генератора постоянного тока независимого возбуждения и тягового электрического привода. Проведено тестирование работы имитационной модели на профиле участка пути Харьков - Мерефа, при этом основными ограничениями являются время движения, для данного перегона не должно превышать 45 мин., а также максимальная допустимая скорость, которая для грузовых поездов составляет 80км/ч. Получена трехмерная поверхность, которая показывает зависимость расхода топлива локомотива от режима ведения поезда машинистом при выполнении одинаковой работы, то есть одинакового времени движения по перегону. Библ. 8, рис. 6. Ключевые слова: тепловоз, имитационная модель, дизель, тяговый электропривод, профиль пути, расход топлива, режим ведения поезда.
Вступ. Ефективне використання паливно-енергетичних ресурсш е одтею з найважливших задач, що стоять перед економшою Укра!ни. Закон Укра!ни «Про енергозбереження» визначае енергетичну ефектив-шсть економши одним з головних стратепчних орiенти-рiв довгостроково! державно! енергетично! полггики [1].
Залiзничний транспорт е одним з найбшьших споживачiв енергоресурав в кра!ш. Енергетична ефе-ктившсть в сучасних умовах е найважлившим фактором пвдвищення конкурентоспроможносл укра!нсь-ких залiзниць на внутршньому i м1жнародному ринку транспортних послуг. У 2010 рощ постановою Нонету Мiнiстрiв Украши була затверджена Транспорт-на стратепя Украши на перюд до 2020 року, метою яко!, зокрема, е оптимiзацiя енергоспоживання при безумовному виконаннi послуг з перевезення ванта-ж1в i збереженш енергобезпеки компани.
Основна частка витрат паливно-енергетичних ре-сурсiв в компани доводиться на тягу по!здав. Сьогодт це 82% всього обсягу споживання компанiею електроенер-ги i 90% дизельного палива [2]. Тому i упор в енергозбе-реженнi зроблений, передуст, на основний вид дяльно-стi - перевiзний процес. У зв'язку з цим питання щдви-щення енергоефективностi е досить актуальним для за-лiзницi та вимагае подальших дослвджень.
Аналiз лiтературних даних та постановка проблеми. Проведений огляд [3] показуе, що тепло-вози ЧМЕ3 складають 97 % усього парку маневрових локомотивiв укра!нсько! залiзницi. Окрiм маневрово! роботи на станщях цi тепловози часто використову-ються для вивiзно! роботи, а також у примiському русi. В умовах запровадження швидкiсного руху особливого значення набувае оптимiзацiя режимiв ведення даних титв по!здв донками. В умовах тдви-щення швидкосп проходження дiлянки слад не забу-вати про витрати паливно-енергетичних ресурав.
Як зазначено у [4], умови роботи локомотива при веденш по1здв характеризуються безперервною змь ною сили тяги i швидкостi руху, до цього також дм-нки шляху з недостатшм зчепленням. При цьому по-тужнiсть локомотива залежить ввд багатьох обставин, вона змiнюеться в залежносп ввд швидкостi, що реа-лiзуеться, вибрано! позици контролера машишста та
ступеня ослаблення поля збудження. Щ обставини дозволяють реалiзувати досить рiзноманiтнi режими керування тяговим рухомим складом, що часто вщрь зняються вiд прийнятих при тягових розрахунках i зазначених в режимних картах.
Для рiзних умов експлуатаци рацiональнi режими водiння по!здав мають суттeвi особливостi. Це не дозво-ляе рекомендувати один режим ведення по!зда як опти-мальний для вс1х практично можливих умов руху по дшянщ, оск1льки навiть на однш i тш самш дшянщ цi умови часто змiнюються. Крiм того, характеристики електричних машин i конкретних локомотив1в в залеж-носп ввд !х технiчного стану можуть в певних межах вiдрiзнятися ввд вщповщних паспортних даних.
Все це створюе труднощi при розробцi та практичному використанш рацiональних режимiв водiння по!здв. Однак досввд показуе, що навггь при наявнос-п режимних карт i реалiзацi! рекомендованих режи-мiв водiння по!здв, техшчно обгрунтованих для де-яких середшх експлуатацiйних умов, фактичнi витрати електроенерги i палива у рiзних машинiстiв на одних i тих же дiлянках рiзний, вщхилення можуть бути як в бшьшу, так i в меншу сторону ввд встановлено! норми (до 10%).
Виходячи з вищесказаного, можна зробити ви-сновок, що дослiдження режимiв ведення по!зда дм-нкою е дуже важливим. Найбiльш прийнятним способом дослвдження е iмiтацiйне моделювання, тому що воно дае змогу отримати важливi статистичнi данi з достатньою точшстю [5].
Цiль та 3aia4i досл1дження. Метою роботи е дослщження рiзних режимiв ведення по!зда тепловозом ЧМЕ3 на предмет !х оптимальностi за показника-ми часу проходження дшянки та витрат палива.
Для досягнення поставлено! мети необхвдно:
• розробити iмiтацiйну модель уах складових елементiв тепловозу, що приймають участь у ство-реннi та реал1зацп сили тяги;
• обрати та змоделювати дiлянку шляху, на якш буде виконуватись дослiдження;
• визначити режими ведення по!зда та дослвдити кожен з них.
© С.Г. Буряковький, А.С. Маслш, В.В. Панченко, Д.П. Помазан, 1.В. Дешс
Викладення основного матерiалу. Дизель-генераторна установка разом з електричною частиною об'екга дослвдження складаеться з таких основних конс-трукцшних елеменпв: пульта керування, дизеля з регулятором кшькосп оберпв колшчастого валу, тягового генератора постшного струму незалежного збудження та тягового електричного приводу. Структурна схема такого об'екга дослвдження наведена на рис. 1.
ridiz
М,
V,
ML
СР NB SCD kfiiel D fOd DCG TED
Я,
V,
Np =
Np -1 якщо Im > In v Vt > Vs Np якщо Im < In А V - 5 < Vt < V , (1) Np +1 якщо Im < In а Vt < Vs - 5
Рис. 1. Функциональна схема моделi тепловозу ЧМЕ3: CP - пульт керування; SCD - регулятор кшькосп оберпв дизеля; D - дизель; DCG - генератор постшного струму 3i збуджувачем; TED - тяговий електропривод
Вхвдними параметрами для блоку CP е швидк1сть по!зда Vt та струм двигуна Im, ввд величин яких зале-жить номер позицп контролера машинiста Np та задана шльшсть обертiв дизелю n^, яка е вхвдною величиною для блоку SCD. В залежносп ввд ndz та ndz SCD визначае необхвдну к1льк1сть палива kfuei. На основi к^ та моменту навантаження MlgS DCG отримуе ввд D значення md. Величина Eg, що е вхiдним параметром блоку TED, розраховуеться DCG в залежносп ввд Np та Im. На виходi TED формуеться значення Vp.
Пульт машинiста CP тепловозу ЧМЕ3 мае 8 по-зицш змiни напруги на тягових двигунах та двi позицп послаблення поля. На кожнш позицй' за допомо-гою автоматичних регуляторiв тдтримуються сталi значення частоти обертання колшчастого валу дизеля та напруги на клемах збуджувача [6].
Змодельований пульт керування здшснюе пере-ключення позицш контролера машинiста в залежностi ввд двох координат, а саме: струму двигушв та швид-костi руху по!зда. Робота блоку, що моделюе пульт, здiйснюеться за наступними умовами:
де Ыр - номер позицп контролера машишста, 1т -струм двигуна, 1п - номшальний струм двигуна, Vt -поточна швидшсть руху по!зда, - задана швидшсть руху по!зда.
Для виключення можливосп занадто частого пе-реключення позицш анал1з необхвдносп переключення ввдбуваеться з штервалом 1 с. Для виключення велико! кшькосп переключень у сталому режиму коли фактич-на швидшсть близька до задано!, встановлена мертва зона у 5 км/год, у яшй не ввдбуваеться переключень, а рух здшснюеться на обранш рашше позицп.
Структурна схема, що реал1зуе умову (1), наведена на рис. 2, де Р8 - блок вибору позицп. Обраний номер позицп, також, перетворюеться у задану частоту оберпв дизеля п^.
Рис. 2. Структурна схема модел1 пульта керування
Уа дизел1 за характером свое! роботи дуже чут-лив1 до змши навантаження. Збшьшення на вантаження на дизель викликае зниження частоти обертання колшчастого валу («просадку оберпв»), що може призвести до зупинки дизеля, а зменшення навантаження супро-воджуеться р1зким зростанням частоти обертання валу, тобто дизель може тти у «рознос» [7].
Для шдтримання постшно! частоти обертання валу в умовах змшного навангаження на дизель потр1бен спещальний регулятор, що автоматично керуе паливни-ми насосами. Встановлений на дизел К68310БК ввдце-нтровий всережимний регулятор непрямо! до захищае його ввд перевантаження, виконуючи функци регулятора потужносп. Об'еднаний регулятор можна представити як П1-регулятор швидкосп обертання колшчастого валу дизеля, вихвдною величиною якого е кшьшсть палива, що необхщно подати до цилшдру.
В основу 1м1тацшно! модел1 дизеля покладена шдикаторна д1аграма його роботи. Процеси, що ввд-буваються в цил1ндрах поршневого двигуна, можуть бути зображеш у вигляд1 1ндикаторно! д1аграми. 1нди-каторна д1аграма - це граф1чне ввдображення змши тиску газу в цил1ндр1 поршневого двигуна в залежносп ввд перемщення поршня або кута повороту кривошипу [8]. Для дизеля К68310БЯ розрахована та побудована шдикаторна д1аграма його роботи. 1нди-каторна д1аграма побудована у вигляд1 залежносп змши тиску Р у цил1ндр1 двигуна ввд змши об'ем1в V пвд час перемщення поршня.
Для модел1 дизелю користування д1аграмою у осях Р та V е досить незручним, тому наведену д1аг-раму перетворено у д1аграму в осях ^ та 5", де ^ - сила, що д1е на поршень, 5 - перемщення поршня. Ддаг-рама залежносп сили, що д1е на поршень ввд перемь щення наведена на рис. 3.
12
х ¡0
\ \
\ \
\ 4
N -----
4 —___
—__
0.1
0,2 S. m
0.3
0.4
Рис. 3. Дiаграма роботи дизеля K6S310DR
На тепловозi встановлений генератор, що е деся-типолюсною машиною постiйного струму з незалеж-
ним збудженням. Живлення незалежно! обмотки збудження генератора здшснюеться ввд збуджувача -машини постiйного струму, що об'еднана валом i3 допомгжним генератором.
Блок, що моделюе тяговий електропривод включае в себе, окрiм тягового електродвигуна, блоки, що моде-люють рух потяга дiлянкою та гальмування потяга.
Модель блок1в опору руху по!зда виконана за емпiричними формулами для локомотива та вагошв. У якосп профiлю шляху використаний профшь дм-нки Харкав - Мерефа. Вхвдним параметром для блоку вибору ухилу е шлях, що пройшов потяг, який отри-муеться шляхом штегрування швидкостi руху по!зда.
Вхвдними змiнними для роботи блоку гальмування е задана швидшсть Vs, поточна швидкисть потяга Vt та номер позицiï контролера машишста тепловоза Np. Для виключення режиму, при якому вiдбуваеть-ся гальмування з працюючими тяговими двигунами, виконуеться перевiрка поточного положення ручки контролера машишста. Якщо положення ненульове, то гальмування не ввдбуваеться.
Тестування роботи iмiтацiйноï моделi проводилось при параметрах, що наведеш вище. При цьому основними обмеженнями були час руху, який для перегону Харшв - Мерефа не повинен перевищувати 45 хв., а також максимальна допустима швидшсть, яка для вантажних потяпв складае 80км/год. З урахуван-ням цього iснуе можливють використовувати рiзнi iнтенсивностi розгону потяга з подальшим утриман-ням середньоï швидкостi по перегону. На рис. 4 представлен! два види тахограм руху потяга. iV, km/h
V.. km/h
V,. km/h
Vu,
V. km/h
I. s
t.,
б
О 500 1000 I. s 1500 2000 2500
Рис. 5. Осцилограми роботи локомотива при максимальнш
швидкосп 60 км/год: 1 - задана тахограма; 2 - реальна швидшсть потяга; 3 - профшь шляху; 4 - витрати палива; 5 - номер позици контролера машишста; 6 - напруга на тяговому двигунц 7 - струм тягового двигуна
На отриманих осцилограмах кривою 3 показано процес набору позицш, який змшюеться при рiзних величинах максимально! швидкостi. Кожнш позици вiдповiдаe змiна напруги на тягових двигунах (крива 6) та величини струму (крива 7) в них, яка обмежувалась на рiвнi 600 А. На графiках прослвджуеться тенденцiя зростання витрати палива при збшьшенш максимально! швидкостi, що потребуе бiльш детального досль дження. Змiнюючи максимальну швидкисть трикутно! дiаграми в дiапазонi 70-95 км/год з кроком 5 км/год були отримаш результати, як представленi у виглядi тривимiрноï поверхнi (рис. 6).
Рис. 4. Рiзновиди тахограм розгону поЬда: а - трикутна; б - трапецещальна
На показаних тахограмах td - це час руху по перегону, який для двох тахограм мають однаковi значения. Змша iнтенсивностi розгону потяга приводить до змши максимальних швидкостей, що на приведе-них дiаграмах представлен як Vm1, Vm2. В програмно-му комплексi Matlab за допомогою m-файла була написана пвдпрограма, в як1й проводився розрахунок штенсивносп розгону та гальмування потяга вщ зада-ноï максимальноï швидкостi при умовi дотримання часу руху по перегону. При дослщженш роботи потяга на iмiтацiйнiй моделi задавались тахограми з мак-симальними швидкостями в iнтервалi 40-80 км/год з кроком 10 км/год. На рис. 5 показан осцилограми роботи маневрового тепловозу з 10 вагонами, при максимальнш швидкосп 60 км/год.
Рис. 6. Змша витрат палива в залежносп вщ максимально швидкосп задана дiаграми
Отримана поверхня п1дтверджуе залежнiсть витрат палива локомотива ввд режиму ведення потяга машишстом (в1д часу роботи локомотива на певнш позицiï та штенсивносп переходу з позици на позицш) при виконанш однаковоï роботи, тобто однако-вого часу руху по перегону. Найменшi витрати палива, а саме 29-31 кг мають мюце при встановленш максимально!' швидкосп на рiвнi 40-50 км/год. А тому юнуе необхiднiсть в оптимiзацiï заданоï тахограми ведення поïзда та розробщ системи автоматичного керування з використанням регулятора швидкостi, який би бшьш точно в!дпрацьовував таку тахограму.
Висновки. Розроблена iмiтацiйна модель тепловозу ЧМЕ3, яка складаеться з пульта керування, дизе-
а
ля з регулятором кшькосп оберпв кол1нчастого валу, тягового генератора постшного струму незалежного збудження та тягового електричного приводу з двигу-нами постшного струму послщовного збудження. Розроблений алгоритм, що 1мггуе роботу машишста, тобто здшснюе переключення позицш контролера та керуе гальмами. В основу моделювання дизеля покла-дена вдикаторна д1аграма його роботи, що апрокси-мована неперервними залежностями. Отримана 1м1та-цшна модель дае змогу отримати важлив1 статистичн1 дан для проведення анал1зу режим1в ведения по!зда.
Проведений ряд дослщжень режим1в при змш тахограми швидкосп. Зм1нюючи максимальну швидшсть трикутно! д1аграми в д1апазон1 70-95 км/год з кроком 5 км/год отримаш осцилограми роботи тепловоза з постшним заваитажениям на реальнш дшянщ шляху Харк1в - Мерефа.
З осцилограм видно, що струм при рус дшянкою був нижче, шж номшальний, i у шкових режимах досягав 500А. Час проходження дшянки 1з заданим темпом розгону та обмеженням швидкосп на р1вш 60 км/год склав 2530 с.
До модел включений блок, що обчислюе витра-ти палива тепловозом. На основ1 даних, що отримаш у результат! моделювання, збудована тривим1рна пове-рхня, яка вщображае залежнють витрат палива вщ часу проходження д1лянки та максимально! швидкосп руху. Встановлено, що найменш1 витрати палива, а саме 29-31 кг мають мюце при встановленш максимально! швидкосп на р1вш 40-50 км/год.
Отриман1 в ход1 дослвдження результати показу-ють, що юнуе потреба у створены системи автоматичного керування з використанням регулятора швидкосп, який би бшьш точно вщпрацьовував задану тахограму, а також оптишзацд режим1в ведення по!зда.
СПИСОК Л1ТЕРАТУРИ
1. http://www.uz.gov.ua/about/general_information.
2. Ефименко Ю.И., Ковалев В.И., Логинов С.И. Железные дороги. Общий курс: Учебник. - М.: УМЦ ЖДТ, 2014. - 503 с.
3. Кулаев Ю.Ф. Економжа затзничного транспорту: на-вчальний поабник. - Нгжин: Вид-во Аспект. Полпраф, 2006. - 232 с.
4. Franzitta V., Curto D., Milone D., Trapanese M. Energy Saving in Public Transport Using Renewable Energy // Sustainability. -2017. - vol.9. - no.12. - p. 106. doi: 10.3390/su9010106.
5. Velten K. Mathematical Modeling and Simulation. - Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, Germany, 2008. doi: 10.1002/9783527627608.
6. Буряковський С.Г., Маслш А.С., Помазан Д.П., Дешс 1.В. Обгрунтування иеобхiдностi модериiзацi! тепловозу ЧМЕ3 iз використанням гiбридно! силово! установки // Еле-ктрифiкацiя транспорту. - 2016. - №12. - С. 82-86.
7. Xin Q. Engine-vehicle matching analysis in diesel powertrain system design // Diesel Engine System Design. - 2013. -pp. 348-394. doi: 10.1533/9780857090836.2.348.
8. Diesel Engine. Van Nostrand's Scientific Encyclopedia. John Wiley & Sons, Inc., 2005. doi: 10.1002/0471743984.vse2527.
REFERENCES
1. Available at: http://www.uz.gov.ua/en/about/general information (accessed 08 May 2017).
2. Efimenko Yu.I., Kovalev V.I., Loginov S.I. Zheleznyie dorogi. Obschiy kurs [Railways. General course]. Moscow, UMC ZhDT Publ., 2014. 503 p. (Rus).
3. Kulaev Yu.F. EkonomIka zalIznichnogo transportu. Navchalniy posibnik [The Economics of Railway Transport. A Textbook]. Nizhyn, Aspect. Poligraph Publ., 2006. 232 p. (Ukr).
4. Franzitta V., Curto D., Milone D., Trapanese M. Energy Saving in Public Transport Using Renewable Energy. Sustainability, 2017, vol.9, no.12, p. 106. doi: 10.3390/su9010106.
5. Velten K. Mathematical Modeling and Simulation. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, Germany, 2008. doi: 10.1002/9783527627608.
6. Buryakovs'kyy S.H., Masliy A.S., Pomazan D.P., Denys I.V. Rationale for modernization of diesel locomotives CHME3 using hybrid propulsion system. Electrification of Transport, 2016, no.12, pp. 82-86. (Ukr).
7. Xin Q. Engine-vehicle matching analysis in diesel powertrain system design. Diesel Engine System Design, 2013, pp. 348-394. doi: 10.1533/9780857090836.2.348.
8. Diesel Engine. Van Nostrand's Scientific Encyclopedia. John Wiley & Sons, Inc., 2005. doi: 10.1002/0471743984.vse2527.
Надтшяа (received) 13.02.2018
Буряковський Сергт Геннадшович1, д.т.н., директор, Масят Артем Сергшович2, к.т.н., доц., Панченко Владислав Вадимович2, к.т.н., доц., Помазан Данияо Павлович2, астрант, Детс 1гор Ваяершович3, генераяьний директор,
1 НДПК1 «Молшя»
Нацюнальний техтчний ушверситет «Харкгвський полiтехшчний шститут», 61002, Харюв, вул. Кирпичова, 2, e-mail: sergbyr@i.ua
2 Укра!нський державний утверситет залiзничного транспорту, 61050, Харюв, пл. Фейербаха 7,
е-mail: a.masliy@ukr.net, vlad_panchenko@ukr.net, danil.pomazan@ukr.net
3 ПрАТ «КАРТЕЛЬ»,
50026, вул. Днгпровське шосе, 84а, Кривий Рп\ е-mail: div99@ukr.net
S.G. Buriakovskyi, A.S. Maslii2, V.V. Panchenko2, D.P. Pomazan2, I.V. Denis3
1 Scientific-&-Research Planning-&-Design Institute «Molniya», National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», 2, Kyrpychova Str., Kharkiv, 61002, Ukraine.
2 Ukrainian State University of Railway Transport, 7, Feierbakh Square, Kharkiv, 61050, Ukraine.
3 PJSC «CARTEL»,
84a, Dnieper highway Str., Kriviy Rig, 50026, Ukraine. The research of the operation modes of the diesel locomotive CHME3 on the imitation model.
Introduction. Fuel consumption by diesel locomotive during operation depends significantly on many factors, among which the main is the mode of driving a train. Purpose. Research on the mathematical model of the modes of driving a train on the site of Kharkiv-Merefa with the purpose of the main oscillograms of the operation of the locomotive on the site. Methodology. A mathematical model of the operation of the main units of the locomotive CHME3 in the Matlab environment was developed. The model of the diesel engine is based on the calculated indicator diagram of its operation, which is approximated by a continuous dependence. The control panel operates on a system of conditions, the purpose of which is to maintain the set speed. Results. In the course of the simulation, statistical data were obtained on the fuel consumption of the diesel locomotive when it operated on a section with a train of constant mass. Based on the data obtained, a three-dimensional surface is constructed showing the dependence of the fuel consumption on the time of the site's exploration and the maximum speed on the site. Practical value. The dependence obtained can be used to optimize the driving behavior of trains along a section. The apparent dependence of fuel consumption on the driver's behavior is the basis for the further development of automatic locomotive speed control systems. References 8, figures 6. Key words: diesel locomotive, imitation model, diesel engine, traction electric drive, road profile, fuel consumption, train mode.
