CC BY
22
В. В., Попов Д. И., Литвинов А. В.; заявитель и патентообладатель Омский гос. ун-т путей сообщения. - № 2014112920/07; заявл. 02.04.2014; опубл. 27.09.2014, Бюл. № 27.
3. Пат. 143348 Российская Федерация, МПК G01R 31/00 (2006.01) Устройство для испытания асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки [Текст] / Авилов В. Д., Попов Д. И., Литвинов А. В.; заявитель и патентообладатель Омский гос. ун-т путей сообщения. -№ 2014112919/28; заявл. 02.04.2014; опубл. 20.07.2014, Бюл. № 20.
4. Пат. 2229723 Российская Федерация, МПК G01R 31/00 (2006.01) Способ измерения активной мощности нагрузки в электрических цепях переменного тока [Текст] / Михотин В. Д., Чернецов В. И.; заявитель и патентообладатель Омский гос. ун-т путей сообщения. -№ 2002114571/28; заявл. 03.06.2002; опубл. 27.05.2004, Бюл. № 15.
5. Бейерлейн, Е. В. Анализ схем испытания асинхронных тяговых двигателей [Текст] / Е. В. Бейерлейн, А. Б. Цукублин // Современные техника и технологии: Материалы Х меж-дунар. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых: В 2 т. / Томский поли-техн. ун-т. - Томск, 2004. - Т.1. - С. 215 - 217.
6. Пат. 2296338 Российская Федерация, МПК G01R 21/06 (2006.01) Способ измерения активной мощности нагрузки в электрических цепях переменного тока [Текст] / Алейников Н. М., Алейников А. Н.; заявитель и патентообладатель Воронежский гос. ун-т. -№ 2005133352/28; заявл. 28.10.2005; опубл. 27.03.2007, Бюл. № 9.
7. Авилов, В. Д. Методика определения потерь в двухзвенных преобразователях частоты в составе стенда для испытания асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки [Текст] / В. Д. Авилов, Д. И. Попов, А. В. Литвинов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - 2014. - № 1 (17). - С. 2 - 8.
References
1. Avilov V. D., Popov D. I., Litvinov A. V. Patent RU 140678, 2013.
2. Avilov V. D., Harlamov V. V., Popov D. I., Litvinov A. V. Patent RU 145998, 2014.
3. Avilov V. D., Popov D. I., Litvinov A. V. Patent RU 143348, 2014.
4. Mihotin V. D., Chernecov V. I. Patent RU 2229723, 2004.
5. Beyerlein E. V., Tzucublin A. B. Analysis of the test set-up of asynchronous traction engines [Analiz shem ispitanii asinhronnih tiagovih dvigatelei]. Materiali X Mezhdunarodnoi nauchno-practicheskoi konferentsii «Sovremennaai tehnika i tehnologii» (Materials of the X Int. conference «Modern equipment and technologies»). - Tomsk, 2004, pp. 215 - 217.
6. Aleynikov N. M., Aleynikov A. N. Patent RU 2296338, 2007.
7. Avilov V. D., Popov D. I., Litvinov A. V. Method of determining the losses in two-tier frequency converters as part of test bench for asynchronous motors by mutual load [Metodika opre-delenia poter' v dvuhzvennih preobrazovateliah chastoti v sostave stenda dlia ispitania asinhronnih dvigatelei metodom vzaimnoi nagruzki]. Izvestiia Transsiba - The Trans-Siberian Bulletin, 2014, no. 1 (17), pp. 2 - 8.
УДК 621.2.082.18
С. Г. Шантаренко, М. Ф. Капустьян, А. В. Обрывалин
ОЦЕНКА ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ В УЗЛАХ ЭКИПАЖНОЙ ЧАСТИ ЭЛЕКТРОВОЗОВ
В статье предложены методики оценки потерь мощности в моторно-осевых подшипниках, буксовых узлах, тяговой зубчатой передаче. Выявлены зависимости между потерями мощности, диаметром бандажа колесной пары и скоростной характеристикой колесно-моторного блока. Полученные результаты могут быть использованы для оценки технического состояния и энергетической эффективности тягового подвижного состава железных дорог.
62 ИЗВЕСТИЯ Транссиба ^^ № 3(23) 2015
= _
В настоящее время уделяется значительное внимание вопросам повышения энергетической эффективности и энергосбережения. Энергосбережение и повышение энергетической эффективности рассматривается как один из основных источников будущего экономического роста страны. Государственная программа РФ «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года», состоящая из ряда подпрограмм, одной из которых является «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на транспорте», задает основные пути развития в этом направлении и подчеркивает его приоритетность как для транспорта в целом, так и для железнодорожного транспорта в частности. Одной из задач в рамках «Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года» является внедрение инновационных материалов, технических средств и технологий в области эксплуатации и ремонта инфраструктуры и подвижного состава, обеспечивающих снижение стоимости жизненного цикла подвижного состава и повышение надежности его эксплуатации [1]. Таким образом, одним из важнейших показателей качества ремонта является энергоэффективность отремонтированного электровоза.
В данной работе рассматривается вопрос об оценке потерь мощности в узлах экипажной части электровозов как наиболее нагруженных в эксплуатации. Суммарные потери мощности в экипажной части электровоза складываются из потерь мощности в следующих узлах и передачах: моторно-осевом подшипнике, буксовом узле, зубчатой передаче, а также потери мощности из-за разности скоростных характеристик колесно-моторных блоков и уменьшения диаметра колеса.
Оценка потерь мощности в подшипниках скольжения.
Потери мощности на трение при условии, что подшипник скольжения находится под воздействием постоянной по величине и направлению нагрузки, а скорость относительного перемещения поверхностей в номинальном режиме неизменна (стационарная задача гидродинамической теории смазки), определяются по формуле (1):
N =
где I - длина вкладыша подшипника, м; d - диаметр шейки вала, м; о - угловая скорость, 1/с; / - динамическая вязкость, Па с; у - относительный зазор,
(— • d2 -о1 • и/
2у
4,
(1)
0А
У = ^ d
(2)
где А - радиальный зазор в подшипнике, м;
4 - безразмерный коэффициент гидродинамических потерь в осевом подшипнике, который определяется с учетом отношения — и % по диаграмме коэффициентов сопротивления
d
шипа вращению с учетом трения в нерабочей части зазора для подшипника с цилиндрической расточкой [2, с. 85].
Относительный эксцентриситет % определяется по диаграмме коэффициентов нагруженнос-
ти для подшипника с цилиндрической расточкой [2, с. 74] исходя из значений — и коэффициента
d
нагруженности £ , который определяется по формуле:
Ж -у2 I •d• /-о
где Ж - нагрузка на подшипник, Н.
Исходные данные к расчету принимались с учетом усредненных данных эксплуатационных параметров электровозов ВЛ10 и ВЛ80, они приведены в таблице 1. Среди приведенных данных переменной величиной выступает радиальный зазор А, который является регламентируемым и контролируемым параметром при выходе электровоза из ремонта.
Таблица 1 - Исходные данные для расчета потерь мощности в моторно-осевом подшипнике (МОПе) электровозов серий ВЛ-10 и ВЛ-80
Параметр 1, м ё, м ю, 1/с д, Па с Д, мм W, Н
Значение параметра 0,304 0,205 163 0,06 0,1 - 1,0 12500
Выполненные по формулам (1) - (3) расчеты в среде МаШСАВ позволили получить данные по потерям мощности на трение в моторно-осевом подшипнике, приведенные в таблице 2.
Таблица 2 - Расчетные значения по потерям мощности на трение в моторно-осевом подшипнике
Радиальный зазор, мм 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
Потери мощности N КВт 12,4 10,96 9,69 8,54 7,55 6,64 5,89 5,26 4,765 4,4
По результатам расчетов построена зависимость потерь мощности в моторно-осевом подшипнике от радиального зазора (рисунок 1).
Рисунок 1 - Потери мощности в моторно-осевом подшипнике электровозов серий ВЛ-10 и ВЛ-80
Аппроксимируя зависимость (см. рисунок 1), получим выражение для определения потерь мощности на трение в моторно-осевом подшипнике:
А^моп = 6,5А2 - 16А +13,9. (4)
Оценка потерь мощности в подшипниках качения.
При вращении деталей подшипников качения в местах контактов всегда возникают трение качения и трение скольжения. Каждая составляющая потерь на трение сложным образом зависит от условий эксплуатации (частоты вращения, нагрузки, температурного режима и смазки) и конструктивного исполнения, определяющего контактные взаимодействия.
В инженерной практике момент трения М(Нмм) в подшипнике качения определяют
по формуле:
М = 0,5 • / • ^ • а,
тр > ^ усл г >
усл г
(5)
где / = 2,92к(Д + Д)/(Р • а) - условный коэффициент трения для роликовых подшипников [3];
к - коэффициент трения качения, 0,015; Р - диаметр тела качения, мм;
Р - диаметр беговой дорожки внутреннего кольца подшипника, мм;
64 ИЗВЕСТИЯ Транссиба ^^ № 3(23) 2015
= _
^ - радиальная нагрузка, Н; d - диаметр внутреннего кольца, мм.
Приняв, что в процессе эксплуатации подвергаются износу тела качения, и выразив этот износ через радиальный зазор, получим уравнение для определения /усл:
/усл = 2,92£
0,6( Д - d)-А
+ Д I /
0,6( Д - d)-А4
• d,
(6)
где Д - диаметр наружного кольца подшипника, мм; А - радиальный зазор в подшипнике, мм;
Ц - диаметр беговой дорожки внутреннего кольца подшипника, мм,
Д = d + 0,2(Д - d).
(7)
Таким образом, можно определить изменение величины момента трения в зависимости от изменения величины радиального зазора, а соответственно оценить изменение потерь мощности в узле при установившемся режиме работы N (Вт) [3]:
Мтр • п N = —. 9550
(8)
где п - частота вращения подшипника, об/мин.
Исходные данные к расчету потерь мощности в буксовых узлах электровозов серий ВЛ80 и ВЛ10 в зависимости от их технического состояния приведены в таблице 3.
Таблица 3 - Данные о техническом состоянии подшипников качения буксового узла
Наименование узла Параметры, ед. измер.
D, мм d, мм Д, мм Fr, Н п, об/мин
Подшипник буксового узла 320 180 0,08 - 0,37 60000 995
После подстановки значений из таблицы 2 в выражения (5) - (8) были определены значения потерь мощности и построена соответствующая зависимость, представленная на рисунке 2, аппроксимация которой позволила получить выражение для определения потерь мощности в буксовых узлах тягового подвижного состава:
АPбп =0,045+0,81 А.
(9)
Радиальный
Рисунок 2 - Потери мощности в буксовом узле электровозов серий ВЛ-10 и ВЛ-80 Оценка потерь мощности в зубчатой передаче.
При взаимном перекатывании со скольжением профилей зубьев часть энергии, подводимой к ведущему элементу, затрачивается на преодоление трения скольжения и качения. Тре-
нием качения в силовых зубчатых передачах пренебрегают ввиду его малости. Таким образом, мощность АРзп, теряемая на трение в зубчатом зацеплении, будет равна мощности, теряемой на трения скольжение #ск [4]:
АР =N =¥ • Г• I•щ
зп ск п Л 1
1 + л
(10)
"2 J
где / - коэффициент трения скольжения, 0,06; щ - угловая скорость ведущего колеса, с-1; ^ и ^ - число зубьев ведущего и ведомого колес; ¥ - нормальная сила в зацеплении, Н, определяемая по формуле:
¥ =
2Т
а сов а сов р'
(11)
где Т - крутящий момент, Н м; а - угол зацепления; Р - угол наклона зубьев; а - делительный диаметр, мм;
Т = Р,
щ
(12)
где Р - мощность на валу ТЭД в длительном режиме, кВт;
I - расстояние от контактной точки зацепления до полюса, мм, определяется по выражению:
, 0.5тп .
I =-сова + А,
2
(13)
где п - модуль, мм;
А - общий боковой зазор в зубчатой передаче, мм.
Исходные данные для расчета потерь мощности в зубчатой передаче в зависимости от общего бокового зазора для электровозов серий ВЛ80 и ВЛ10 приведены в таблице 4.
Таблица 4 - Исходные данные для расчета потерь мощности в зубчатой передаче
Серия электровоза Параметры, ед. измер.
г2 т, мм Д, мм Р,° Р, кВт
ВЛ80 21 88 10 0,44 - 4,5 24 770
ВЛ10 21 88 10 0,44 - 4,5 24 575
Выполненные по формулам (10) - (13) расчеты позволили построить графики изменения потерь мощности на трение в зубчатом зацеплении для электровозов серий ВЛ10 и ВЛ80, которые приведены на рисунке 3.
Аппроксимируя зависимости, приведенные на рисунке 3, получаем выражения для определения потерь мощности на трение в зубчатых передачах:
для ВЛ80 - АРЖ (А ) = 0,3А + 2,4; (14)
для ВЛ10 - АРЖ (А ) = 0,25А +1,65 . (15)
Оценка потерь мощности из-за изменения диаметра колеса и разности скоростных характеристик колесно-моторных блоков.
Ввиду того, что в процессе эксплуатации электровоза происходит износ бандажа колеса колесной пары, будут наблюдаться потери мощности. Определить эти потери мощности из-за изменения диаметра колеса можно путем расчета по формулам:
66 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 3(23) 2015
= _
Nп = N
тах
-К,
(16)
где - максимальная мощность, выдаваемая на одну колесную пару с максимально возможным диаметром колеса (новое), кВт;
Nj - мощность, выдаваемая на одну колесную пару с г-м диаметром колеса в связи с его износом или механической обработкой, кВт.
Рисунок 3 - Потери мощности в зубчатой передаче электровозов серий ВЛ-10 и ВЛ-80 в зависимости от общего бокового зазора
N =
2ж- М • п
60
где М - крутящий момент на колесе, кН-м;
п - число оборотов колесной пары, об/мин,
М = ¥ • ^
(17)
(18)
где ¥ - тяговое усилие на оси колесной пары, кН; - радиус колеса, м.
Потери мощности из-за разности скоростных характеристик колесно-моторных блоков (КМБ) определяются по формуле:
Р =■
^ЭД 0,5 • СХ
(19)
к 100%
где ^эд - мощность на валах ТЭД в длительном режиме, кВт;
к - количество осей;
СХ - скоростная характеристика КМБ, %.
Процесс эксплуатации тягового подвижного состава сопровождается изнашиванием рассмотренных выше узлов и передач, что приводит к изменению размеров радиальных и боковых зазоров, уменьшению диаметра бандажей колесных пар, изменению скоростной характеристики. Предложенные методики определения потерь мощности можно применять для оценки технического состояния и энергетической эффективности тягового подвижного состава.
Список литературы
1. Авилов, В. Д. Оценка энергетической эффективности применения метода взаимной нагрузки при испытании асинхронных тяговых двигателей [Текст] / В. Д. Авилов, Д. И. Попов, А. В. Литвинов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2013. -№ 3 (15). - С. 2 - 6.
2. Воскресенский, В. А. Расчет и проектирование опор скольжения: Справочник [Текст]/ В. А. Воскресенский, В. И. Дьяков. - М.: Машиностроение, 1980. - 224 с.
3. Перель, Л. Я. Подшипники качения [Текст]: Расчет, проектирование и обслуживание опор: Справочник / Л. Я. Перель, А. А. Филатов. - М.: Машиностроение, 1992. - 608 с.
4. Гинзбург, Е. Г. Зубчатые передачи [Текст]: Справочник / Е. Г. Гинзбург, Н. Б. Фирун и др. - Л.: Машиностроение, 1980. - 416 с.
References
1. Avilov, D. V. Evaluation of the energy efficiency of application of the method of mutual load when testing asynchronous traction motors [Ocenka energeticheskoi effektivnosti primeneniy metoda vzaimnoi nagruzki pri ispitanii asinhronnih tygovih dvigatelei]. Izvestiia Transsiba - The Trans-Siberian Bulletin, 2013, no. 3 (15), pp. 2 - 6.
2. Voskresensky, V. A., Raschet i proektirovanie opor skolgeniy (Calculation and design of sliding). Moscow, 1980, 224 p.
3. Perel, J. L. Podshipniki kacheniy (Bearings). Moscow, 1992, 608 p.
4. Ginzburg, E. G. Zubchatieperedachi (Gear). Leningrad, 1980, 416 p.
УДК 620.98:62-682
С. В. Глухов, В. Ф. Тарута, М. В. Глухова
УТИЛИЗАЦИЯ ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ РЕОСТАТНЫХ ИСПЫТАНИЙ
Реостатные испытания в обязательном порядке проводятся после ремонтов тепловозов. В качестве реостата используется комплекс оборудования с помещением обслуживающего персонала, размещаемый на определенном расстоянии от административных зданий. Для отопления помещения обслуживающего персонала используется централизованное отопление, себестоимость которого значительна, и транзитные тепловые потери часто соизмеримы с полезным потреблением отапливаемого помещения. В работе рассмотрена возможность использования вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) на цели отопления станции реостатных испытаний. Отмечено, что в отдельных депо мероприятия по утилизации тепловой энергии от нагрузочных реостатов внедрены, но распространения не получили. Указаны внешние сдерживающие факторы, ограничивающие внедрение утилизационных установок, в том числе технические и организационные. Предложены основные мероприятия, которые целесообразно рассматривать при возможном внедрении утилизационных установок. Произведен расчет выработки тепловой энергии на реостате при типовых испытаниях тепловозов ТЭМ2 и величины нагрева теплоносителя в типовых нагрузочных водяных реостатах. Предложена схема использования ВЭР в низкотемпературных системах отопления. Отмечены преимущества использования низкотемпературных систем отопления. Произведен расчет требуемой выработки тепловой энергии утилизационной установкой за каждый месяц в течение года на примере депо ст. Омск. Отмечено, что требуемое количество испытаний для компенсации тепловых потерь совпадает с графиками работы станций реостатных испытаний большинства депо и делается вывод о применимости указанного способа испытаний. Рассчитан экономический эффект от внедрения мероприятий с учетом капитальных затрат на сооружения быстро-возводимого здания над открытым реостатным баком.
В комплекс устройств, сооружаемых на территории локомотивного депо, входят установки для послеремонтных нагрузочных (реостатных) испытаний (РИ) тепловозов на специально оборудованных позициях, которые размещаются на открытых площадках, отдаленных от производственных и жилых объектов.
На реостатных испытаниях производятся обкатка, доводка, регулировка дизель-генераторной установки (ДГУ) под нагрузкой, регулировка и доводка электрической схемы с одновременной проверкой качества монтажа и работы всех сборочных единиц, размещенных на тепловозе.
68 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 3(23) 2015
— = 2vl 5
