CC BY
34
Кандидат технических наук, первый проректор университета, проректор по учебной работе, заведующий кафедрой «Автоматика и телемеханика», ОмГУПС.
Тел.: (3812) 31-06-00.
E-mail: LunevSA@omgups.ru
Сероштанов Сергей Сергеевич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Автоматика и телемеханика», ОмГУПС.
Тел.: (3812) 31-18-72.
E-mail: seroshtanovss@mail.ru
Присухина Илона Вадимовна
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Аспирант кафедры «Автоматика и телемеханика», ОмГУПС
Тел.: (3812) 56-26-64.
E-mail: PrisukhinaIV@omgups.ru
Ходкевич Антон Геннадьевич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, декан заочного факультета университета, доцент кафедры «Автоматика и телемеханика», ОмГУПС.
Тел.: (3812) 31-18-72.
E-mail: HodkevichAG@omgups.ru
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Лунев, С. А. Непрерывная оценка состояния обратной тяговой рельсовой сети в условиях организации тяжеловесного движения [Текст] / С. А. Лунев, С. С. Сероштанов, И. В. Присухина, А. Г. Ходкевич // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2017. - № 1 (29). - С. 2 - 9.
Candidate of Technical Sciences, first vice-rector of the university, head of the department «Automation and telemechanics», OSTU.
Phone: (3812) 31-06-00. E-mail: LunevSA@omgups.ru
Seroshtanov Sergey Sergeevich
Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation. Candidate of Technical Sciences, senior lecturer of the department «Automation and telemechanics», OSTU. Phone: (3812) 31-18-72. E-mail: seroshtanovss@mail.ru
Prisukhina Ilona Vadimovna
Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation. Postgraduate student of the department «Automation and telemechanics», OSTU. Phone: (3812) 56-26-64. E-mail: PrisukhinaIV@omgups.ru
Hodkevich Anton Gennadievich
Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation. Candidate of Technical Sciences, the head of Correspondence faculty, senior lecturer of the department "Automation and telemechanics", OSTU. Phone: (3812) 31-18-72. E-mail: HodkevichAG@omgups.ru
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Lunev S. A., Seroshtanov S. S., Prisukhina I. V., Hodkevich A. G. The uninterrupted state evaluation of backward traction circuit in heavyweight traffic conditions. Journal of Transsib Railway Studies, 2017, vol. 29, no. 1, pp. 2 - 9. (In Russian).
УДК 629.424.001.57
В. В. Молчанов, В. О. Носков, В. А. Четвергов, А. В. Чулков
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ФОРМИРОВАНИЯ РЕЖИМОВ НАГРУЗКИ И ПРОГРЕВА ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНЫХ УСТАНОВОК ТЕПЛОВОЗОВ
Аннотация. В статье на основе анализа экспериментальных данных параметров в режиме реальной эксплуатации тепловоза составлена математическая модель. Представленная математическая модель описыва-
ет техническое состояние локомотива, оценивает его параметры и характеристики, позволяет оценить техническое состояние, режимы работы, расход топлива ДГУ тепловозов. Знание режимов работы дизель-генераторных установок тепловозов в поездной работе является исходным материалом для анализа технических характеристик силового оборудования локомотивов и выработки рекомендаций по их оптимизации применительно к условиям эксплуатации.
Ключевые слова: дизельный двигатель, техническое состояние, техническая эксплуатация, вероятностно-статистический метод, расход топлива, объект эксплуатации.
Viktor V. Molchanov, Vitalii O. Noskov, Vitalii A. Chetvergov, Alexey V. Chulkov
Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation
MODELINY OF TECHNICAL OPERATION PROCESS AND FORMATION OF LOAD CONDITION AND HEATIND OF DIESEL GENERATION SETS
Abstract. On the basis of experimental data thereis a mathematical model in thisarticle. Its made from the registration options in acfual operation mode of the locomotive. This mathematical model describes the technical condition of the locomotive and evaluates the parameters and characteristics. Considerable attention is paid to complex state operation of the facility. In dealing with the mathhematical model it's defined the main locomotive operation indicator.
Keywords: diesel engine, technical condition, technical operation, probability-statistic method, fuel consumption, an object of exploitation.
Параметры, характеризующие условия эксплуатации, техническое состояние тепловозов и режимы их работы, зависят от многочисленных, иногда трудноконтролируемых факторов. Поэтому получение математического описания основных закономерностей, связанных с функционированием тепловозов, представляет собой сложную исследовательскую задачу, которая может решаться двумя методами: детерминистическим и вероятностно-статистическим.
Детерминистический метод использует физические закономерности изменений исследуемого объекта, например, тепловоза, и не учитывает все многообразие реально действующих на него факторов технической эксплуатации и режимов работы дизель-генераторных установок (ДГУ) тепловозов. При анализе экспериментальных данных, отображающих множество взаимосвязанных и случайно изменяющихся параметров, целесообразнее использовать вероятностно-статистический метод [1 - 3].
По способу накопления экспериментальных данных статические методы подразделяются на активные и пассивные. Активный метод предполагает получение и последующий анализ экспериментальных данных в условиях искусственных возмущений, которые вводятся в процессе эксплуатации исследуемого объекта по заранее планируемой программе.
Способ пассивного наблюдения предполагает регистрацию параметров в режиме реальной эксплуатации тепловозов (без внесения преднамеренных возмущений). Такой способ увеличивает время эксперимента, но он оказывается экономически оправданным, а иногда единственно возможным.
Многие физические процессы, отражающие техническое состояние и воздействие внешних условий, можно выразить в виде математической модели и оценить их параметры и характеристики с помощью вероятностно-статического метода.
Исходной информацией для оценки вероятностей явились статические частоты нахождения тепловозных дизелей в том или ином режиме или состоянии.
Для составления математической модели стратегии процесса технической эксплуатации локомотив и последующего анализа рассмотрим множество M(wi) технических состояний
wi. Эти состояния характеризуются конкретными сочетаниями параметров основных агрегатов и систем, определяющих степень работоспособности и эффективности использования тепловоза в условиях реальной эксплуатации [2 - 4].
Множество М (у) параметров условий эксплуатации у зависит от объективных и субъективных факторов, действующих в течение всего рассматриваемого периода (климатические условия, профиль и состояние пути, правила обслуживания и пропуска поездов и т. д.). Стратегия технической эксплуатации М(^) включает в себя наборы (организационных и
технологических параметров, правила ремонта, регулировки, настройки и использования тепловоза), то есть наиболее субъективную часть условий эксплуатации, которая может быть целенаправленно изменена во время наблюдения или эксперимента.
Множество М(8) состояний эксплуатации описывается видом проводимого технического обслуживания или ремонта, выполняемой работой (стоянка, тяга поездов, выбег, горячий простой, торможение и т. д.). При более подробном рассмотрении состояний могут быть учтены, например, номер позиции контроллера машиниста, режим боксования, сочетание работы вспомогательного оборудования или другие важные для исследования обстоятельства и показатели. Графическое изображение стратегии технической эксплуатации ДГУ тепловозов показана на рисунке 1.
Ясно, что возникающее состояние эксплуатации 8{ является не вполне детерминированным следствием наблюдаемых состояний объекта ^ , условий у и правил стратегии .
Комплекс
'зкапуатацни А№ )
Рисунок 1 - Структурная схема стратегии технической эксплуатации тепловоза
В структурной схеме под совокупностью технических состояний подразумеваются реализуемая мощность, расход топлива, затраты на топливо и т. д.
Совокупность внешних условий - это температура и давление наружного воздуха и их влияние на параметры ДГУ тепловозов.
Объектами приложения используемых моделей являются тепловозный дизель и конкретные показатели его использования: режим работы (номер позиции контроллера машиниста), реализуемая мощность, расход топлива и его стоимость.
Поэтому процесс технической эксплуатации тепловоза определяется как стохастатиче-ское отображение комплексов состояний М (wi), условий М (у ) и стратегии М () на множество М(88) , что можно выразить формулой
(®„ у,, ) ^ (8). (1)
Таким образом, множества М(wj), М(уг), М) определяют статистические закономерности чередования и продолжительности состояний , а случайный процесс ) заключается в смене этих состояний во времени и протекает по следующей схеме. Первоначально при t = процесс находится в некотором состоянии 5 . Через случайное время ti пребывания в 5 , распределенное по закону ), с вероятностью Р.. в момент ^ = t0 + ti в соответствии с наблюдаемыми м>1, yi, si возникает состояние 5.. При t2 = t1 + tj осуществляется новый переход [3].
Оценки основных параметров процесса технической эксплуатации тепловоза могут быть получены по данным наблюдений за некоторое время tн . Так, вероятности перехода Р. оценивается величинами
П
р = П-, (2)
п,
а вероятности пребывания в состояниях Si -
Р = ^, (3)
'н
где п.. - число переходов из 5 в 5.;
п. - число попаданий в состояние 5;
1 1
t1н - общее время пребывания в состоянии 5..
Например, если целевым назначением локомотива считать некоторое состояние 5 ., а через ti обозначить математическое ожидание времени ti пребывания в состоянии 5г, то критерий использования тепловоза можно принять в виде:
К. =--- =-р-- = ^ тах. (4)
р+Х р^ 1+—- X Р. ^ 1 1+Т}
В этом случае величина
Т1 =
—X Р,Л (5)
Р.1 Ь *1
определяет коэффициент непроизводительных потерь времени.
Если вместо ti использовать математическое ожидание сг стоимости пребывания в состоянии 5, то получим экономический критерий оптимизации дополнительных затрат на единицу наработки
С. =— X Ргсг ^ тт. (6)
Рг t] **
При подробном изучении процесса технической эксплуатации локомотива возникает необходимость более детального описания состояний 5г. Для тепловоза важнейшими характеристиками являются распределение номера к используемой позиции контроллера машиниста и реализуемой в работе эффективной мощности Ые. Исследования [2, 3] показали, что
для обширного восточного региона железных дорог распределение вероятностей величины к аппроксимируется суперпозицией двух законов Пуассона вида:
р = 0,535-°— е-0,5 + 0,465-— е-10, (7)
* *! *!
а плотность распределения мощности можно рассматривать как суперпозицию экспоненциального и нормального законов:
1 1 (N-А^-)2
/ (N) = а- — + а2П— е < , (8)
К1 ^2я<72
где а 1, а2, А1, А2 - весовые коэффициенты и математические ожидания экспоненциальной и нормальной составляющих;
<2 - среднее квадратическое отклонение нормальной составляющей.
При решении конкретных задач или построении частных математических моделей необходимы дополнительные характеристики состояний 8г процесса технической эксплуатации. Важнейшим показателем работы тепловоза является расход топлива [5].
Если состояние 8г обозначать в соответствии с номером г наблюдаемой позиции контроллера машиниста, на которой дизель-генератором развивается мощность N, то для оценки математического ожидания затрат топлива в единицу времени получаем:
т
Вч = £ Ье (N ) Ар , (9)
г=1
где Ье (Ае) - зависимость удельного расхода топлива от мощности.
Выражение (9) определяет абсолютную величину расхода топлива на единицу выполненной работы дизель-генераторной установки во всем диапазоне нагрузок в процессе функционирования тепловоза [4]. Для оценки эффективности эксплуатации тепловозных дизелей необходимо перейти к среднему за время 1н часовому расходу топлива
В ±Ь (N) я
Вч = - = л—--= Е Ье (К, , (10)
г=1
где Рг - статическая оценка вероятности Рг пребывания дизель-генератора тепловоза в состоянии 8г.
В выражении (10) удельный расход топлива Ье () можно заменить его стоимостью, тогда формула (10) будет выражать денежные затраты.
Следовательно, выражение (10) определяет в математической модели процесса технической эксплуатации тепловоза величину подлежащих минимизации затрат, т. е. одну из основных целевых функций процесса.
Соответствие теоретической модели исходным экспериментальным данным проверена по критерию Хи - квадрат Пирсона.
Рассмотрим подробнее возможности минимизации затрат через отдельные составляющие формулы (10). Величины вероятностей р (или их статистические оценки р ) характеризуют долю времени пребывания процесса эксплуатации 8^) в состоянии 8г [4].
№20:279ш ИЗВЕСТИЯ Транссиба 13
Мощность дизель-генератора Ле реализуемая на тягу, соответствует условиям реальной
эксплуатации, определяющей частоту использования различных позиций контроллера машиниста Пк, является величиной случайной, распределенной по нормальному закону с плотностью /( Ле). Долю времени работы ДГУ на каждой позиции контроллера р в режиме тяги (вероятность работы на 1-й позиции) можно аппроксимировать суперпозицией законов Пуассона [5 - 7].
Реализация описанной методики позволила аппроксимировать сложные распределения параметров режимов работы ДГУ при обслуживании поездов и при прогреве дизелей тепловозов в зимних условиях. Например, статистическое распределение реализуемой мощности ДГУ, тепловоза 2ТЭ116 представлено на рисунках 2, 3.
В приведенной зависимости весовой коэффициент экспоненциальной составляющей С1 = 256 при средней мощности ДГУ в режиме малых нагрузок Ле1, равной 264 кВт. Коэффициент нормальной составляющей, характеризующий долю работы в основном нагрузочном режиме, составляет 0,44 при средней нагрузке Ле = 1283 кВт.
2
1/кВт
1,2
ХДО-ю3
0,8
0,4
2000
Рисунок 2 - Статическое распределение мощности ДГУ тепловоза при обслуживании порожних составов 1,6
1/кВт
0,8
/лу-103 0 4
400
800
Ле
1200 кВт -►
2000
Рисунок 3 - Статическое распределение мощности ДГУ тепловоза при обслуживании груженых составов
0
0
На рисунках 2, 3 показаны параметры статических распределений реализации мощности ДГУ и расхода топлива в процессе эксплуатации тепловозов.
Таким образом, разработанная модель позволила определять параметры распределения случайных величин, характеризующих режимы нагрузки дизель-генераторных установок тепловозов в условиях их реальной эксплуатации.
Список литературы
1. Эксплуатационная надежность и режимы технического обслуживания самолетов [Текст] / Н. Н. Смирнов, А. М. Андронов и др. - М.: Транспорт, 1974. - 304 с.
2. Александров, А. М. Вероятностное описание, экспериментальное и теоретическое исследования режимов работы тепловозных дизелей [Текст] / А. М. Александров, В. А. Четвергов, А. В. Чулков // Сб. науч. тр. ЦНИДИ. - М., 1983. - С. 11 - 27.
3. Анисимов, А. С. Вероятностная модель формирования режимов работы тепловозных дизель-генераторных установок в эксплуатации [Текст] / А. С. Анисимов, Е. И. Сковородников, А. В. Чулков // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2013. -№ 4. - С. 2 - 9.
4. Балагин, О. В. Математическая модель процесса технической эксплуатации дизельных локомотивов [Текст] / О. В. Балагин, А. В. Чулков, Д. В. Балагин // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2010. - № 4. - С. 2 - 6.
5. Фофанов, Г. А. Режимы работы тепловозов и пути повышения их топливной экономичности [Текст] / Г. А. Фофанов, Э. А. Пахомов, А. А. Лосев // Вестник ВНИИЖТа. - М., 1983. - № 6. - С. 21 - 25.
6. Четвергов, В. А. Модели параметрических отказов локомотивов в эксплуатации [Текст] / В. А. Четвергов, С. М. Овчаренко, К. И. Грейф // Известия Трассиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2012. - № 2 (10). - С. 51 - 58.
7. Четвергов, В. А. Наработка локомотивов в едином временном пространстве [Текст] / В. А. Четвергов, А. И. Мишин, П. А. Сиряк // Известия Трассиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2013. - № 2 (14). - С. 37 - 45.
References
1. Smirnov N. N., Andronov A. M., Vladimirov I. I., Lemin Y. I. Ekspluatatsionnaia nadezh-nost' i rezhimy tekhnicheskogo obsluzhivaniia samoletov (Serviceability and modes of aircraft maintenance). Moscow: Transport, 1974, 304 p.
2. Alexandrov A. M., Chetvergov V. A., Chulkov A. V. Probabilistic description, experimental and theoretical researches of diesel engines modes [Veroiatnostnoe opisanie, eksperimental'noe i teoreticheskoe issledovaniia rezhimov raboty teplovoznykh dizelei]/ Sbornik nauchnyh trudov CNIDI, 1983, p. 11 - 27.
3. Anisimov, A. S., Skovorodnokov E. I., Chulkov A. V. Probability model formation of modes of locomotive diesel generation sets in operation [Veroiatnostnaia model' formirovaniia rezhimov raboty teplovoznykh dizel'-generatornykh ustanovok v ekspluatatsii]. Izvestiia Transsiba - The journal of Transsib Railway Studies, 2013, no. 4, p. 2 - 9.
4. Balagin O. V., Chulkov A. V., Balagin D. V. Mathematical model of technical operation process of diesel locomotives [Matematicheskaia model' protsessa tekhnicheskoi ekspluatatsii dizel'-nykh lokomotivov]. Izvestiia Transsiba - The journal of Transsib Railway Studies, 2010, no. 4, p. 2 - 6.
5. Fofanov G. A., Pakhomov E. A., Losev A. A. Modes of locomotives operation and nays of ihcrease their fuel economy [Rezhimy raboty teplovozov i puti povysheniia ikh toplivnoi ekonomichnosti]. Vestnik VNIIZhTa - Bulletin of VNIIZhT, 1983, no. 6, р. 21 - 25.
6. Chetvergov V. A., Ovcharenko S. M., Greyf K. I. Models of parametric failures of locomotives in operation [Modeli parametricheskikh otkazov lokomotivov v ekspluatatsii] Izvestiia Transsiba - The journal of Transsib Railway Studies, 2012, no. 2 (10), p. 51 - 58.
7. Chetvergov V. A., Mischin A. I., Siryk P. A. Hours of locomotives in the same temporal space [Narabotka lokomotivov v edinom vremennom prostranstve]. Izvestiia Transsiba - The journal of Transsib Railway Studies, 2013, no. 2 (14), p. 37 - 45.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Молчанов Виктор Васильевич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Локомотивы», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812) 41-08.
E-mail: MolchanovVV@omgups.ru
Носков Виталий Олегович
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Лаборант кафедры «Локомотивы», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812) 41-08.
E-mail: NoskovVO@omgups.ru
Четвергов Виталий Алексеевич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Доктор технических наук, профессор кафедры «Локомотивы», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812) 41-08.
Чулков Алексей Владимирович
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Локомотивы», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812) 41-08.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Моделирование процесса технической эксплуатации и формирования режимов нагрузки и прогрева дизель-генераторных установок тепловозов [Текст] / В. В. Молчанов, В. О. Носков и др. // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. -2017. - № 1 (29). - С. 9 - 16.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Molchanov Viktor Vasilievich
Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russiаn Federation. Candidate of Technical Sciences, associate professor of the department «Locomotives», OSTU. Phone: +7 (3812) 41-08. E-mail: MolchanovVV@omgups.ru
Noskov Vitalii Olegovich
Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russiаn Federation. Technical of the department « Locomotives», OSTU. Phone: +7 (3812) 41-08. E-mail: NoskovVO@omgups.ru
Chetvergov Vitalii Alexseevich
Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russiаn Federation. Doctor of Technical Sciences, Professor of the department « Locomotives », OSTU. Phone: +7 (3812) 41-08.
Chulkov Alexsey Vladimirovich
Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russiаn Federation. Candidate of Technical Sciences, associate professor of the department «Locomotives», OSTU. Phone: +7 (3812) 41-08.
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Molchanov V. V., Noskov V. O., Chetvergov V. A., Chulkov A. V. Modeliny of technical operation process and formation of load condition and heating of diesel generation sets. Journal of Transsib Railway Studies, 2017, vol. 29, no. 1, pp. 9 - 16. (In Russian).
