Обґрунтування необхідності модернізації тепловозу ЧМЕ3 із використанням гібридної силової установки Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.424.1.001.76

С. Г. БУРЯКОВСЬКИЙ1 (УкрДУЗТ), А. С. МАСЛ1Й2 (УкрДУЗТ), Д. П. ПОМАЗАН3 (УкрДУЗТ), I. В. ДЕН1С (ПРАТ «КАРТЕЛЬ»)

Укра'шський державний унiверситет залiзничного транспорту, пл. Фейербаха, 7, м. Харюв, 61050, Укра'на, 1к.т.н., професор, тел.: +380503012069, ел. пошта: 8вгаЬуг@1.иа. ОЯСЮ: orcid.orQ/0000-0001-9422-6390. 2к.т.н., доцент, тел.: +380974137970, ел. пошта: a.masliy@ukr.net. ОЯСЮ: orcid.org/0000-0003-0938-7144. 3студент, тел.: +380630176561, ел. пошта: danil.pomazan@mail.ru. ОЯСЮ: orcid.org/0000-0002-5467-8824. ПрАТ «КАРТЕЛЬ» вул. Днiпровське шосе, 84а, м. Кривий Рiг, 50026, Укра'на, генеральний директор, тел.: +380503214176, ел. пошта: div99@ukr.net. ОЯСЮ: orcid.org/0000-0002-0160-2340

ОБГРУНТУВАННЯ НЕОБХ1ДНОСТ1 МОДЕРН13АЩ1 ТЕПЛОВОЗУ ЧМЕ3 13 ВИКОРИСТАННЯМ Г1БРИДНО1 СИЛОВО1 УСТАНОВКИ

Вступ

В умовах подорожчання паливно-енергетичних ресурав гостро постае питания пiдвищення енергоефективностi роботи рухомого складу, зокрема маневрових тепловозiв. Одним i3 шлях1в вирiшення ще! проблеми е застосування пбридно! силово! установки.

Аналiз останшх дослiджень i публжацш та видiлення невир1шених частин загальнот проблеми

Дослiдження питання модершзацп маневрових локомотиыв i, зокрема, тепловозу ЧМЕ3 представлене у працях А.П. Фалендиша,

A.Л. Сумцова, О.В. Клименко, Ю.В. Черняка,

B.О. Гатченко, А.В. Гаюр, А.1. Вараюна, 1.Н. Вараюна, В.В. Менухова [1-5] та iн., у яких наведенi аналiзи рiзних способiв модершзацп тепловоза ЧМЕ3. Проте там не представлен моделi, яю б наглядно показували ефект вiд модершзацп.

Мета стaттi

Висвiтлення одного зi способiв пiдвищення

енергоефектпвносп тепловозу ЧМЕЗ, а саме:

глибоко! модершзацп з використанням п6ридно! силово! установки та електроприводу на базi вентильно-iндyкторних двигушв.

Виклад основного мaтерiaлу дослiдження

Як показуе статистика, бшьше 40% маневрово! роботи приходиться на простiй з двигуном, що працюе, а 10-15% часу приходиться на пересування без вагошв [8]. Розподiлення режимiв роботи маневрового локомотива показане на рис. 1. Також тепловози ЧМЕ3 використовуються у легкш по!знш робой iз невеликою кiлькiстю вагонiв.

■ ПрОСТШ 3 ВИМКНЕНИМ двигуном

Одиночне слщування

■ Слщування з вагонами

■ ПростШ з двигуном. що працюе

Рис. 1. Розподшення режимiв роботи маневрового локомотива

Рис. 2. Загальний вид модел1 руху пойда з тепловозом ЧМЕ3

© Буряковський С. Г., Маслш А. С. та ш., 2016 ISSN2307-4221 Електрифтащя транспорту, № 12. - 2016.

З вище сказаного видно, що використання потужних маневрових тепловозiв не оправдане економiчно, тому що використання тепловозiв при частковому завантаженш веде до перевитрат палива.

Для дослщження властивостей тепловозу та шдрахунку витрати палива при по1знш робот iз по!здом масою 500 т. на д^нщ Харкiв-Мерефа була створена iмiтацiйна модель у середовищi МаАаЬ, яка зображена на рис. 2

Результатом моделювання е графiки швидко-стi руху по!зда, моменту на валу двигуна та час-тоти обертання вала дизеля (рис. 3, 4, 5).

З графтв видно, що при використанш сис-теми генератор-двигун вщбуваеться стушнчас-тий розпн потяга, що негативно впливае на роботу тягових двигунiв та редукторiв.

В режимi тяги величина витрат палива прий-маеться вщповщно до позицн контролера маши-шста, що використовуеться. Значення витрат палива для кожно! позицн контролера машишс-та локомотива ЧМЕЗ наведеш у таблищ.

Рис. 3. Швидк1сть руху по1'зда

4500 4000 3500 3000 ! 1 ! 1 1 1

2500

2000 1500 1000 500

0 ! ,

Рис. 4. Момент на валу двигуна

Рис. 5. Частота обертання вала дизеля

Таблиця 1

Годинна витрата палива тепловозом ЧМЕ3

Показник Позищя контролера машишста

1 2 3 4 5 6 7 8

Витрати палива, кг/год 31 63 96 110 120 160 174 180

© Буряковський С. Г., Маслш А. С. та ш., 2016

У вщповщносп до ща методики у результат математичного моделювання було визначено, що витрати палива на дшянщ Харкiв-Мерефа склали 100 кг.

У модернiзованому варiантi пропонуеться встановлення дизель-генераторшл установки Î3

синхронним генератором меншо1 потужностi, яка працюе на зарядку акумуляторно! батаре!. Вiд батаре! живляться через статичш перетво-рювачi тяговi вентильно-iндукторнi двигуни. Принципова схема модершзованого тепловозу наведена на рис. 6.

Батаре!

Рис. 6. Принципова схема модершзованого тепловозу ЧМЕ3

В якосп тягового обраний вентильно-iндукторний двигун, який в^^зняеться високою надiйнiстю та високим ККД. Використання стати-чних перетворювачiв покращуе тяговi характеристики тепловоза, тому що це дозволяе здшснити плавний пуск iз необхвдним прискоренням.

Перевагами вентильночндукторних двигунiв з використанням статичних перетворювачiв е:

- простота конструкцп;

- висока нацiйнiсть;

- низька собiвартiсть;

- низький момент шерцл;

- можливiсть роботи у складних умовах;

- висока ремонтопридаттсть;

- низью втрати в роторi;

- мшмальт температуры коефiцiенти.

Ц переваги показують перспективнiсть засто-сування даного типу електромеханiчних перетво-рювачiв у якосп тягових.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Фалендиш, А. П. Анал1з вар1ант1в модершза-ци тепловоз1в сери ЧМЕ3 [Текст] / А.П. Фалендиш, А.Л. Сумцов, О.В. Клименко // Зб. наук. пр / Дон. шст зал. трансп. - Донецьк, 2013. - Вип. 36 - С. 162166.

2. Черняк, Ю.В.. Анал1з юнуючих 1 перспектив-них напрям1в застосування рекуперативних систем на транспорт! з метою тдвищення його енергоефек-тивност! [Текст] / Ю.В. Черняк, В.О. Гатченко, А.В. Гаюр // Зб. наук. пр / Дон. шст зал. трансп.. - Донецьк, 2014. - Вип. 37 - С. 134-139.

3. Варакин, А.И. Маневровый и универсальный локомотив с гибридной силовой установкой и накопителем энергии на базе электрохимиеских конденсаторов [Текст ] / А.И. Варакин, И.Н.Варакин, В.В. Менухов //Наука и техника транспорта, 2007 - №12 - с. 34-40.

4. Фалендиш, А. П. Визначення рацюнальних параметр!в пбридного маневрового тепловоза на баз! ЧМЕ3 [Текст] / А.П. Фалендиш, М.В. Волода-рець, О.В. Артеменко // Зб. наук. пр / Схвдноукр. нац. ушверс. !м. В.Даля. - Северодонецьк, 2015. -

Висновок

Таким чином, у ходi дослщження була створена iмiтацiйна модель руху по!зда з тепловозом ЧМЕ3, яка дозволяе розглянути процеси, що вщ-буваються при рус та обчислити витрати палива на роботу тепловоза. Був запропонований один зi способiв глибоко! модернiзацiï тепловозу, а саме застосування гiбридноï силовоï установки та еле-ктроприводу на базi вентильно-iндукторних дви-гунiв. Гiбридна силова установка дае змогу зни-зити витрати паливо-мастильних матерiалiв через те, що вона меншоï потужностi, шж iснуюча, а також вона працюе на номшальному режимi з постшними обертами, на вiдмiну вiд iснуючоï системи. Використання електроприводу на базi вентильно-iндукторних двигунiв дозволить зни-зити витрати на ремонт, а також покращити тяго-вi характеристики локомотива.

REFERENCES

1. Falendysh, A. P. Analiz variantiv modernizatsiyi teplovoziv seriyi ChME3 [Analysis of upgrade options locomotives series CHME3] / A.P. Falendysh, A.L. Sumtsov, O.V. Klymenko // Zb. nauk. pr / Don. inst zal. transp [Technologies. Donetsk Institute of Railway Transport] Donetsk, 2013. Vol. 36. PP. 162-166.

2. Chernyak, Yu.V.. Analiz isnuyuchykh i perspek-tyvnykh napryamiv zastosuvannya rekuperatyvnykh system na transporti z metoyu pidvyshchennya yoho enerhoefektyvnosti [Analysis of existing and future areas of applica-tion recuperative systems in transport to improve its energy efficiency] / Yu.V. Chernyak, V.O. Hatchenko, A.V. Hayur // Zb. nauk. pr / Don. inst zal. transp. [Technologies. Donetsk Institute of Railway Transport] Donetsk, 2014. Vol. 37. PP. 134-139.

3. Varakyn, A.Y. Manevrovyi y unyversal'nyi lokomotyv s hybrydnoy sylovoy ustanovkoy y nakopy-telem enerhyy na baze elektrokhymyeskykh kondensa-torov [Shunting and versatile locomotive with hybrid-term propulsion and energy storage based on electrochemical capacitors] / A.Y. Varakyn, Y.N.Varakyn, V.V. Menukhov //Nauka y tekhnyka transporta [Science and Transport Equipment]. 2007. №12. PP. 34-40.

4. Falendysh, A. P. Vyznachennya ratsional'nykh parametriv hibrydnoho manevrovoho teplovoza na bazi

© Буряковський С. Г., Маслш А. С. та ш., 2016

Вип. 1(218) - С. 253-256.

5. Щербаков, В. Т. Маневровые локомотивы с комбинированной (гибридной) силовой установкой [Текст] / В.Т. Щербаков, Л.М. Бондаренко, Ю.П. Ерохин //Локомотив. - 2011. - №. 8. - С. 33-35.

6. Про створення Транспортно! стратеги Укра!-ни на перюд до 2020 року [Електронний ресурс]: постанова Кабшету Мiнiстрiв Укра!ни ввд 20.10.2010 р. №2174 р. - Режим доступу: http://zakon5.rada.gov.ua/ - (Дата звернення 06.07.2016).

7. Гапанович, В.А. Энергосбережение на железнодорожном транспорте [Текст] : учебник для вузов / В.А. Гапанович, В.Д. Авилов, Б.А. Аржанников. -М.: Изд. Дом МИСиС, 2012. - 620 с.

8. Овчинников, В. М. Пути снижения расхода топлива в маневровой работе на железнодорожных станциях [Текст] / В. М. Овчинников и др. // Вестник БелГУТа: Наука и транспорт. - 2010. - № 2 (21). - С. 151-158.

9. Енергозберпаючий шлях розвитку [Електронний ресурс] : шформащя / Газета «Мапстраль» -Режим доступу : http://www.magistral-uz.com.ua/articles/energozberigajuchij-shljah-rozvitku.html. - (Дата звернення 06.07.2016).

Надшшла до друку 15.12.2016.

Внутршнш рецензент Гетьман Г. К.

ChME3 [Determination of rational parameters of hybrid shunting locomotive at the chme3] / A.P. Falendysh, M.V. Volodarets', O.V. Artemenko // Zb. nauk. pr / Skhidnoukr. nats. univers. im. V.Dalya [Technologies. East Ukrainian National University of Dal]. Syevyero-donetsk, 2015. Vol. 1(218). PP. 253-256.

5. Shcherbakov, V. T. Manevrovbie lokomotyvbi s kombynyrovannoy (hybrydnoy) sylovoy ustanovkoy [Shunting locomotives with a combined (hybrid) propulsion system] / V.T. Shcherbakov, L.M. Bondarenko, Yu.P. Erokhyn //Lokomotyv [Locomotive]. 2011. № 8. PP. 33-35.

6. On establishment of the Transport Strategy of Ukraine till 2020 [electronic resource]: the Cabinet of Ministers of Ukraine dated 20.10.2010 g. №2174 p. -Access: http://zakon5.rada.gov.ua/ - (Date of appeal 06.07 .2016).

7. Hapanovych V. A., Avylov V. D., Arzhannykov B. A. Enerhosberezhenye na zheleznodorozhnom transporte [Energy savings in rail transport] Moscow, MYSyS Publ., 2012. 620 p.

8. Ovchynnykov, V. M. Puty snyzhenyya raskhoda toplyva v manevrovoy rabote na zheleznodorozhnbikh stantsyyakh [Ways to reduce fuel consumption in shunting operations at railway stations] / V. M. Ovchynnykov y dr. // Vestnyk BelHUTa: Nauka y transport. [Bulletin of the Belarusian State University of Transport: Science and Transportation] 2010. № 2 (21). PP. 151-158.

9. Energy saving path of development [ele-enforcement resource]: information / Newspaper "Highway" - Access: http://www.magistral.uz.com.ua/articles/energozberigaj uchij-shljah-rozvitku.html. - (06.07.2016 Date of appeal).

3oBHimmH pe^menr COKÎM G. I.

Стаття присвячена проблемам неефективного використання паливно-енергетичних ресурав маневровими тепловозами пщ час виконання ними роб^. Станом на 2009 рк тепловози ЧМЕ3 (особливо в Росп i в Украíнi) ^м сво'х основних функцiй, часто використовуються, як локомотиви примiських поíздiв на коротких мало-задiяних дiлянках. Тому даний час питання зниження споживання паливно-енергетичних ресурав е досить гострим для нашо' кражи, тому ця стаття е досить актуальною. Розроблен iмiтацiйнi моделi роботи тепловозу досить наглядно показують неефективнiсть системи, що використовуеться у даний час. Функцюнально модель подiляеться на блоки, що моделюють роботу дизеля, тягового генератора, тягових двигуыв та блоку, що обчислюе опiр руху по'зда. Для обчислення опору руху по'зда прийнята дiлянка Харкiв-Мерефа. Запро-понована функцюнальна схема гiбридного тепловозу включае дизель, синхронний стартер-генератор, ви-прямляч, акумуляторну та суперконденсаторну батаре', статичний перетворювач, тяговi двигуни. Використання накопичувачiв енергп на тепловозi дозволяе запровадити системи керування тяговими двигунами для покращення 'х характеристик. Застосування пбридного тепловозу дозволяе пiдвищити його ККД за рахунок високого ККД при робот вiд накопичувачiв енергп. Подiбне рiшення дозволяе скоротити витрату палива не менше нiж на 40%, так як бтьша частина маневрово' роботи буде здiйснюватися на живлены вщ тягово' акумуляторно' батаре', i забезпечити високу екологiчну чистоту локомотива. Економiя палива пiсля виконання тако' модернiзацií складае близько 100 т на рк при таюй економп час повернення коштв, витрачених на модернiзацiю, складае близько 5 роюв.

Ключовi слова: тепловоз ЧМЕ3; гiбридна силова установка; математична модель; вентильночндукторний двигун.

УДК 629.424.1.001.76

С. Г. БУРЯКОВСКИЙ1 (УкрДУЖТ), А. С. МАСЛИЙ2 (УкрДУЖТ), Д. П. ПОМАЗАН3 (УкрДУЖТ), И. В. ДЕНИС (ЧАО «КАРТЕЛЬ»)

Украинская государственная академия железнодорожного транспорта, пл. Фейербаха, 7, г. Харьков, 61050, Украина 1к.т.н., профессор, тел.: +380503012069, эл. почта: serаbyr@i.ua. ОЯСЮ: orcid.org/0000-0001-9422-6390. 2к.т.н., доцент, тел.: +380974137970, эл. почта: a.masliy@ukr.net. ОЯСЮ: orcid.org/0000-0003-0938-7144. 3студент, тел.: +380630176561, эл. почта: danil.pomazan@mail.ru. ОЯСЮ: orcid.org/0000-0002-5467-8824. ЧАО «КАРТЕЛЬ» ул. Днепровское шоссе, 84а, м. Кривой Рог, 50026, Украина, генеральный директор, тел.: +380503214176, эл. почта: div99@ukr.net. ОЯСЮ: orcid.org/0000-0002-0160-2340

© Буряковський С. Г., Маслш А. С. та ш., 2016

ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ МОДЕРНИЗАЦИИ ТЕПЛОВОЗА ЧМЭ3 С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИБРИДНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ

Статья посвящена проблемам неэффективного использования топливно-энергетических ресурсов маневровыми тепловозами при выполнении ими работ. По состоянию на 2009 год тепловозы ЧМЭ3 (особенно в России и в Украине) кроме своих основных функций, часто используются, как локомотивы пригородных поездов на коротких малодеятельных участках. Поэтому настоящее время вопрос снижения потребления топливно-энергетических ресурсов является достаточно острым для нашей страны, поэтому эта статья является достаточно актуальной. Разработанные имитационные модели работы тепловоза достаточно наглядно показывают неэффективность системы, используемой в настоящее время. Функционально модель делится на блоки, моделирующие работу дизеля, тягового генератора, тяговых двигателей и блока, который вычисляет сопротивление движению поезда. Для вычисления сопротивления движению поезда принят участок Харьков-Мерефа. Предложенная функциональная схема гибридного тепловоза включает дизель, синхронный стартер-генератор, выпрямитель, аккумуляторную и суперконденсаторную батареи, статический преобразователь, тяговые двигатели. Использование накопителей энергии на тепловозе позволяет внедрить системы управления тяговыми двигателями для улучшения их характеристик. Применение гибридного тепловоза позволяет повысить его КПД за счет высокого КПД при работе от накопителей энергии. Подобное решение позволяет сократить расход топлива не менее чем на 40%, так как большая часть маневровой работы будет осуществляться на питании от тяговой аккумуляторной батареи, и обеспечить высокую экологическую чистоту локомотива. Экономия топлива после выполнения такой модернизации составляет около 100 т в год, при такой экономии возврат средств, потраченных на модернизацию, составляет около 5 лет.

Ключевые слова: тепловоз ЧМЭ3; гибридная силовая установка; математическая модель; вентильно-индукторный двигатель.

Ukrainian State Academy of Railway Transport. Feuerbach sq., 7, Kharkov, 61050, Ukraine 1Ph.D., Professor, tel: +380503012069, e-mail: sergbyr@i.ua, ORCID: orcid.org/0000-0001-9422-6390, 2Ph.D., docent, tel: +380974137970, e-mail: a.masliy@ukr.net, ORCID: orcid.org/0000-0003-0938-7144. 3student, tel: +380630176561, e-mail: danil.pomazan@mail.ru, ORCID: orcid.org/0000-0002-5467-8824, PJSC "CARTEL" str. Dnieper highway, 84a, m. Krivoy Rog, 50026, Ukraine, CEO, tel: +380503214176, email: div99@ukr.net, ORCID: orcid.org/0000-0002-0160-2340

RATIONALE FOR MODERNIZATION OF DIESEL LOCOMOTIVES CHME3 USING HYBRID PROPULSION SYSTEM

This article is devoted to problems of inefficient use of energy resources shunting locomotives during their work. As of 2009, diesel chme3 (especially in Russia and Ukraine) in addition to its core functions, often used as a commuter train locomotives on short malozadiyanyh areas. So now the question of reducing consumption of energy resources is quite acute for our country, so this article is very relevant. The developed simulation model of locomotive quite clearly shows the inefficiency of the system in use at present. Functionally, the model is divided into blocks of modeling jobs diesel traction generator and traction motors unit that calculates the resistance of the train. To calculate the resistance of the train entered Kharkiv-Merefa. The proposed functional diagram of a hybrid locomotive includes diesel, synchronous starter generator, rectifier, battery and battery ultracap, static converters, traction engines. The use of energy storage allows to introduce diesel locomotive traction engines control systems to improve their performance. Application hydride locomotive can increase its efficiency by high efficiency when working on energy storage. This solution can reduce fuel consumption by at least 40%, as most of shunting will be powered by the traction battery, and ensure high environmental cleanliness locomotive. Fuel savings after implementation of this modernization is about 100 tons per year, in this economy you return the money spent on modernization, is about 5 years.

Keywords: CHME3 diesel; hybrid propulsion system; mathematical model; valve-inductor motor.

Внутренний рецензент Гетьман Г. К.

Внешний рецензент Сокол. Е. И.

UDC 629.424.1.001.76

S. H. BURYAKOVS'KYY1 (USURT), A. S. MASLIY2 (USURT), D. P. POMAZAN3 (USURT), I. V. DENYS (PJSC "CARTEL")

Internal reviewer Getman G. K.

External reviewer Sokil Ye. I.

© Буряковський С. Г., Маслш А. С. та ш., 2016