CC BY
52
УДК 629.421.2.016.2
Г. К. ГЕТЬМАН, С. В. АРПУЛЬ (ДИИТ)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ НОМИНАЛЬНОГО РЕЖИМА ПАССАЖИРСКИХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ДЛЯ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ УКРАИНЫ
Наведено основш результата визначення ращональних napaMeTpiB номшального режиму пасажирських електровозiв з асинхронним тяговим приводом для зaлiзниць Украни.
Приведены основные результаты определения рациональных параметров номинального режима пассажирских электровозов с асинхронным тяговым приводом для железных дорог Украины.
The basic results of determination of rational parameters of the nominal regime of passenger electric locomotives with an asynchronous hauling drive for railways of Ukraine are presented.
В связи с необходимостью обновления электровозного парка железных дорог Украины возникает необходимость определения рационального мощностного ряда электровозов. В настоящей статье приведены результаты решения этой задачи применительно к пассажирским электровозам с асинхронным тяговым приводом.
Наиболее важными внешними параметрами электровозов являются: мощность Ун , сила тяги
и скорость номинального режима. Задача определения именно этих параметров возникает в первую очередь при составлении технических требований на новый электроподвижной состав.
Как показано в [1], в качестве показателей рациональности выбора внешних параметров электровоза целесообразно принять минимум затрат энергоресурсов на тягу поездов А, избыточной мощности потребного локомотивного парка у^ и кратности тяги ук , поскольку снижение численных значений этих показателей ведет к уменьшению капитальных вложений на обновление локомотивного парка и снижению эксплуатационных затрат, а следовательно обуславливает повышение конкурентоспособности железнодорожных перевозок. В этом случае задача определения рационального мощностно-го ряда может быть сформулирована следующим образом.
Для заданных значений:
— реализуемой технической скорости движения ит;
— составности поездов п;
— маршрута движения поездов
найти такой ряд сочетаний параметров номинального режима пассажирских электровозов
^нЬ}; {Мн2, vs2, Fкн2,}; • • • ; {Mни,
F^n,}, которые будут удовлетворять условиям:
A
Ум
Ук
^ min
(1)
при выполнении условии:
d v
ускорение при vH —
dv
ускорение при vK —
0 < v < vH - °пз;
1 = 00оо
v = v„ - °оз ;
(2)
i = 000о
пусковая сила тяги F„„ < F
00
кп " сц '
где - расчетная сила сцепления электровоза;
апз, и аоз - заданные значения ускорения поезда.
Как показано в [2], при выборе массы электровоза из условия полного использования возможности реализации силы тяги по сцеплению оптимальное по минимуму затрат электроэнергии на тягу поезда управление поездом и соответствующий ему расход электроэнергии на 1 т-км работы, а также приходящаяся на 1 т массы поезда мощность номинального режима не зависит от массы поезда и определяется только типом привода (коллекторный, асинхронный) и заданным временем хода по участку или величиной технической скорости. Поэтому задача (1) распадается на две самостоятельные задачи выбора:
— соответствующей удельной мощности тяги Уу, скорости номинального режима из условия
^ min
(3)
при выполнении условия (2);
- мощности номинального режима из условия
^ min.
(4)
Для решения задачи A ^ min (3) использована методика, подробно изложенная в [3].
В результате, для принятого в качестве расчетного участка Днепропетровск - Киев получены зависимости оптимальных по минимуму расхода электроэнергии значений скорости номинального режима ин(ор1) и удельной мощности тяги N от требуемой технической скорости движения (рис. 1 и 2). Кривые 1 соответствуют действующим ограничениям скорости, а кривые 2 - случаю, когда для всех перегонов участка установлена допустимая скорость движения 140 км/ч. Расчет выполнен для ускорений ап = 0,3 м/с2 и ао = 0,05 м/с2. Показанная пунктиром часть зависимостей рн(0р)(рт) и Му(ор((рт) не может приниматься к рассмотрению, т.к. для нее ускорение ао < 0,05 м/с2.
v И(вр1)!
км/ч 90 80 70 60 50 40 30 20
105
110
115
120
125
130
135 v т, км/ч
Рис. 1. Зависимость скорости номинального режима от технической скорости движения
135 v т, км/ч
нального режима и уровнем допустимой скорости движения на участке.
Так, при существующих ограничениях максимальной скорости может быть реализована техническая скорость движения порядка 110 км/ч. Для этого удельная мощность тяги должна составлять 7,5 кВт/т, что соответствует скорости номинального режима 65.. .70 км/ч.
Однако, Укрзализныця планирует повышение скоростей движения пассажирских поездов, как следует из табл. 1, до 135 км/ч.
Таблица 1
Расчетное время нахождения поездов в движении и необходимые на перспективу уровни технической скорости движения поездов Vт на основных направлениях пассажирских перевозок Укрзализныци
Направление сообщения Расстояние, км Время пребывания поезда в движении, час:мин. vT, км/ч Род тока
Киев-Полтава 336 2:30 134.4 переменный
Полтава-Харьков 155 1:10 132.9 тепловоз
Киев-Харьков 491 3:40 133.9 -
Киев- Днепропетровск (через Полтаву) 531 4:00 132.8 перем/пост
Киев-Луганск (через Полтаву) 804 7:05 113.5 перем/пост
Днепропетровск-Симферополь 485 3:40 132.3 постоянный
Киев-Одесса 652 5:00 130.4 переменный
Рис. 2. Зависимость удельной мощности номинального режима от технической скорости движения
Приведенные данные расчетов позволяют сделать вывод о том, что уровень достижимой скорости движения определяется двумя основными факторами: удельной мощностью номи-
Как следует из графиков рис. 1 и 2, планируемое повышение технической скорости движения может быть достигнуто за счет повышения допустимых скоростей движения до уровня 140.160 км/ч и ввода в эксплуатацию электровозов, обеспечивающих при скорости номинального режима 80.85 км/ч реализацию удельной мощности тяги 10 кВт/т.
Потребная мощность номинального режима пассажирских электровозов при заданной скорости определяется массой поезда. Это следует из приведенной в [4] формулы, которую для асинхронного привода можно представить в виде
N = 2,725 [1 + кр ] [+102 ап (1 + у)] б , (5)
где N - мощность продолжительного режима электровоза, Вт;
2
N
105
110
115
120
125
130
ин - скорость номинального режима электровоза, км/ч;
кр - коэффициент, который представляет собой долю массы локомотива от массы состава
[5]; 2
ап - значение пускового ускорения, м/с ;
(1+у) - коэффициент инерции вращающихся масс;
^он - основное удельное сопротивление движению поезда в режиме тяги при скорости ин.
Масса пассажирских поездов определяется их составностью. Поскольку последняя для поездов различных назначений колеблется в широких пределах, как следует из данных рис. 3, то распределение потребной мощности электровозов должно быть определено с учетом доли всех поездо-участков в формировании численности пассажирского парка Укрзализныци.
I I I I I 1 1 1 1
! ! ! ! I
—г - -- —■ - - !
¡.Л - -■ - - г. 1.Г
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 Число вагонов, шт
Рис. 3. Распределение составности пассажирских поездов по железным дорогам Украины
^у(йИ1=7,5 кВт/т
у=110 км/ч
Л
1228 2095 2962 3830 4697 5564 6431 7298 8165 9032 9899 10766 М„ кВт
Рис. 4. Распределение потребной мощности номинального режима пассажирских электровозов для железных дорог Укрзализныци при ит = 110 км/ч
В качестве первого приближения можно принять, что участки, обслуживаемые электровозами всех дорог, характеризуются одинако-
выми распределениями составности пассажирских поездов. Тогда распределение потребной мощности может быть получено с помощью формулы (5) непосредственно на основании распределения составности поездов. Для двух рассматриваемых случаев (ит = 110 км/ч и ит = 135 км/ч) они показаны на рис. 4 и 5.
а 50
I ,„
N,(„1-10 кВт/т
ут = 135 км/ч
11
1635 2790 3944 5098 6253 7407 8561 9716 10870 12024 13179 14333 кВт
Рис. 5. Распределение потребной мощности номинального режима пассажирских электровозов для железных дорог Укрзализныци при ит = 135 км/ч
На основании полученного распределения потребной мощности номинального режима решена задача (4). В результате использования предложенной в [6] методики получены несравнимые по Парето сочетания показателей оптимизации мощностного ряда (избыточная мощность и средняя кратность тяги ук) на интервале изменения потребной мощности номинального режима. При решении задачи предполагалось, что необходимые для реализации требуемой мощности тяговые сцепы формировались из однотипных тяговых модулей. Результаты расчетов приведены на рис. 6 и 7.
■ у N0 кВт
\
V
Nу(о„»)-7,5 кВт/т; V н=65 км/ч
Р
| & -4---чн---©
'^ал? N н) _
Рис. 6. Зависимость избыточной мощности и кратности тяги ук от мощности тягового модуля X (для реализации технической скорости движения 110 км/ч)
Анализ данных рис. 6 и 7 указывает на наличие мощности тягового модуля, выгодной с токи зрения снижения недоиспользованной
90
^-85 км/ч
80
70
60
30
20
10
90
80
70
60
50
40
30
20
10
90
V„ -65 км/ч
80
70
60
4 -
4000
50
3
3000
40
30
2 - -
2000
1000
0
0
0
4000
6000
8000
мощности. Так, при ит = 110 км/ч можно реализовать мощность N = 4800 кВт/т, которая при кратности тяги ук = 1,93, близкой к сложившейся в настоящее время в практике применения двухсекционных локомотивов, обеспечивает снижение избыточной мощности с 56 % до 28 % (вдвое). Как нетрудно установить, сопоставляя рис. 3 и 4, для вождения поездов состав-ностью до 12 вагонов требуется один тяговый модуль, а выше 12 вагонов - два модуля.
Nу(ор()=10 кВт/т; V н=85 км/ч
ас
---Г ^---г9
19 I \
/«N н) УN N н)
V
-тв—е-
кВт 5000 4000
0
^"ю кгс 60000 50000
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 кВт
Рис. 7. Зависимость избыточной мощности ум и кратности тяги ук от мощности тягового модуля X (для реализации технической скорости движения 135 км/ч)
Отметим, что указанные параметры номинального режима тягового модуля полностью соответствуют параметрам электровоза ДС3, эксплуатация которого требует при составно-сти выше 12 вагонов применения двойной тяги.
На перспективу необходима реализация технической скорости 135 км/ч. Для этого требуется, как следует из данных рис. 5 и 7, увеличение мощности номинального режима до 6400 кВт. Причем, парк должен включать 84 % двухсекционных и 16 % односекционных электровозов.
Такие электровозы реализуемы технически в четырехосном и восьмиосном вариантах. Их тяговые характеристики будут соответствовать приведенным на рис. 8.
В заключение следует отметить, что ввод в эксплуатацию одно- и двухсекционных электровозов обеспечивает снижение количества потребных для вождения поездов секций на 8 % при соответствующем снижении расходов на содержание подвижного состава.
2-(2»-2„)
Nн=12800 кВт
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 ®. км/ч
Рис. 8. Тяговые характеристики перспективных пассажирских электровозов с асинхронным тяговым приводом
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гетьман, Г. К. Определение оптимальной по минимуму расхода энергии на движение поезда мощности локомотива [Текст] / Г. К. Гетьман // Транспорт. Математичне моделювання в шже-нерних та економiчних задачах транспорту : зб. наук. пр. / за ред. А. А. Босова та ш. - Д.: Оч, 1999. - С. 177-182.
2. Гетьман, Г. К. Выбор параметров номинального режима электровозов для грузовых перевозок [Текст] / Г. К. Гетьман // Вюник Схвдноукр. держ. ун-ту iм. В. Даля. - Вип. 8 (114). - Ч. 2. -Луганськ: СУДУ, 2007. - С. 31-36.
3. Гетьман, Г. К. Выбор оптимальных параметров перспективных электровозов для грузового движения [Текст] / Г. К. Гетьман // Залiзн. трансп. Украни. - 2000. - № 3. - С. 47-51.
4. Гетьман, Г. К. Определение рациональных параметров номинального режима тяговых средств рельсового транспорта [Текст] / Г. К. Гетьман, Ю. В. Михайленко, С. В. Арпуль // Вюник Дншропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна. - 2008. - Вип. 22. - Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2008. - С. 13-17.
5. Арпуль, С. В. Моделирование области допустимых управлений уравнения движения пассажирского поезда [Текст] / С. В. Арпуль // Вюник Дшпропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна. - 2003. - Вип. 4. - Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2003. - С. 17-23.
6. Гетьман, Г. К. Определение оптимальной градации мощности локомотивов для осуществления грузовых перевозок на заданной железнодорожной линии [Текст] / Г. К. Гетьман // Вюник Харк. держ. полггехн. ун-ту : зб. наук. пр. -Вип. 49. - Х.: ХДПУ, 1999. - С. 30-35.
Поступила в редколлегию 24.12.2008.
40000
30000
20000
10000
0
г»
5
4
3
2
0
