Оценка влияния процессов боксования колесных пар тепловозов на их энергетическую эффективность в эксплуатации Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ И ЭКОЛОГИЯ ЛОКОМОТИВНОГО ХОЗЯЙСТВА

УДК 625.282-52.001.5

А. В. Грищенко, В. В. Грачев,

Ф. Ю. Базилевский, Д. Н. Курилкин

Петербургский государственный университет путей сообщения

Императора Александра I

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ БОКСОВАНИЯ КОЛЕСНЫХ ПАР ТЕПЛОВОЗОВ НА ИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКУЮ ЭФФЕКТИВНОСТЬ В ЭКСПЛУАТАЦИИ

На основании анализа данных подсистемы бортовой диагностики 24 секций тепловозов серии 2ТЭ116У выполнена статистическая оценка влияния боксования колесных пар на эксплуатационную эффективность тепловозов.

бортовая подсистема диагностики, боксование, дополнительное проскальзывание колесных пар, удельный эффективный расход топлива.

Введение

Практически все серийно выпускаемые в настоящее время тепловозы оборудованы комплексной микропроцессорной системой управления (МСУ) различных модификаций. Эта система представляет собой мощный информационно-управляющий комплекс, включающий как подсистему управления оборудованием локомотива, так и мощную многофункциональную подсистему бортовой диагностики. Последняя непрерывно контролирует и накапливает большой объем измерительной информации, характеризующей состояние основного оборудования локомотива. Так, в подсистеме бортовой диагностики тепловозов серий 2ТЭ116У и ТЭП70БС два раза в секунду фикси-

51

руются и запоминаются значения 115(2ТЭ116У) и 105(ТЭП70БС) аналоговых параметров, 160 входных дискретных и 48 выходных управляющих сигналов.

Наряду с контролем и прогнозом изменения технического состояния как локомотива в целом, так и основных видов его оборудования эта информация позволяет решать ряд других не менее важных задач. Одна из них - оценка факторов, определяющих энергетическую эффективность тепловоза в условиях эксплуатации. Основные эти факторы (масса поезда, режим его ведения по участку, техническое состояние дизеля тепловоза) хорошо известны, оценка степени их влияния на энергоэффективность тепловоза не вызывает существенных разногласий у специалистов. Однако оценки влияния других, менее значимых факторов, существенно различаются. К таким факторам относится, в частности, боксование колесных пар.

Для количественной оценки значений составляющих топливного баланса тепловозов в условиях эксплуатации проанализированы данные бортовой подсистемы диагностики системы МСУ-ТП 24 секций тепловозов серии 2ТЭ116У, эксплуатировавшихся на участках обращения локомотивов Октябрьской дирекции тяги в период с июня по сентябрь 2013 г.

1 Методика оценки

Дополнительный расход топлива на боксование обусловлен, во-первых, увеличением избыточного проскальзывания колесных пар в период боксова-ния, а во-вторых, повышением удельного расхода топлива дизелем во время ликвидации боксования вследствие снижения мощности тягового генератора.

Дополнительный расход топлива на боксование на j-й позиции контроллера машиниста может быть определен из следующего выражения:

ABbox = Ккп • Кск • Kge • Kt • Адаз • Hox ' gj ном, (1)

где АБ]Ъох - дополнительный расход топлива на процессы боксования, кг; Адиз -работа на валу дизеля на j-й позиции контроллера, кВтч; gj ном - средний удельный эффективный расход топлива дизелем на j-й позиции контроллера,

кг/кВтч; tJbox - относительное время ксования на j-й позиции контроллера; Ккп - коэффициент, учитывающий количество боксующих колесных пар, может изменяться от 0 (при отсутствии боксования) до 1 (при боксовании всех шести колесных пар); Кск - коэффициент, определяющий долю энергии тягового электродвигаетля (ТЭД), которая тратится на дополнительное проскальзывание колесных пар, связанное с боксованием; Kge - коэффициент, учитывающий увеличение удельного эффективного расхода топлива вслед-

52

ствие снижения мощности дизеля во время ликвидации боксования; Kt - коэффициент, учитывающий время восстановления мощности дизеля после прекращения боксования.

Произведение Адиз • gj ном в выражении (1) представляет собой количество топлива, израсходованное тепловозом на j-й позиции контроллера

машиниста за время Tj работы на этой позиции. В течение доли tjox времени от Tj наблюдались признаки боксования, по крайней мере, одной из шести колесных пар. Тогда абсолютное количество топлива, израсходованное за время боксования на j-й позиции контроллера машиниста, определится как произведение AJm3 • gJj ном • tjox, кг. Однако не все это топливо израсходовано на боксо-вание. Поскольку в процессе контролируемого боксования сила тяги частично сохраняется, часть этого топлива (в большинстве случаев, основная часть) по-прежнему тратится на тягу. Доля топлива, которое расходуется на боксова-ние, определяется дополнительным избыточным проскальзыванием колесной пары сверх того, которое имеет место при реализации касательной силы тяги. Величина этого дополнительного проскальзывания учитывается коэффициентом Кск, который может принимать значения от 0 (при отсутствии боксования) до 1 (если колесная пара вращается без реализации силы тяги).

В период боксования энергия, вырабатываемая дизелем, подводится ко всем шести колесным парам. При этом на боксование будет тратиться только энергия, подводимая к боксующим колесным парам. Если колесная пара не боксует, вся энергия, подводимая к ней, расходуется на тягу. Количество одновременно боксующих колесных пар учитывается коэффициентом Ккп, который может изменяться от 0 (при отсутствии боксования) до 1 (при боксовании всех шести колесных пар).

При ликвидации боксования может снижаться мощность тягового генератора, а следовательно, и дизеля. При этом частота вращения коленчатого вала дизеля сохраняется неизменной, т. е. дизель в период ликвидации боксования работает в режимах нагрузочной характеристики с пониженной мощностью, а следовательно, с пониженным механическим и эффективным КПД (увеличенным сверх gj ном удельным эффективным расходом топлива). Увеличение удельного эффективного расхода топлива дизеля в период ликвидации боксования учитывается коэффициентом К .

gj

Время работы дизеля с пониженной мощностью может превосходить время боксования, если мощность генератора восстанавливается плавно во избежание повторного срыва в боксование. Это увеличение времени работы дизеля с пониженной мощностью по отношению ко времени боксования учитывается коэффициентом К.

Значение коэффициентов, входящих в выражение (1), оценивалось по результатам анализа данных бортовой подсистемы диагностики тепловозов, накопленных в период их рядовой эксплуатации.

53

Значение коэффициента Кск дополнительного проскальзывания колесных пар определялось исходя из следующих соображений. В процессе реализации силы тяги без боксования величина избыточного проскальзывания колесной пары может изменяется от 0 (движение в режиме выбега без проскальзывания) до 1,5 % (движение с максимальной силой тяги на грани потери сцепления). Текущее значение избыточного проскальзывания колесной пары определяется условиями сцепления и реализуемым ею тяговым усилием, т. е. вращающим моментом ТЭД. Поскольку анализировались данные с 24 секций тепловозов за длительный (примерно полгода) период эксплуатации на одних участках обслуживания, условия сцепления можно принять в среднем одинаковыми для всех секций. Тогда величина проскальзывания колесной пары при реализации тягового усилия без боксования может быть определена из выражения

Лю - Км • /ТЭд , (2)

где КМ - коэффициент пропорциональности, А-2.

Коэффициент пропорциональности может быть определен из предположения, что предельная величина сила тяги с проскальзыванием колесной пары 1,5 % реализуется в расчетном режиме работы ТЭД (для двигателя ЭД-133 он соответствует силе тока якоря 890 А), т. е.

Км -0015-1,894• 10-8, А-2. м 8902

Распределение времени работы ТЭД тепловозов с различными значениями среднего тока, построенное по результатам обработки измерительной информации подсистем диагностики тепловозов, представлено на рис. 1.

Как следует из приведенных фрагментов, мощность на выходе выпрямительной установки этой секции несколько завышена, вследствие чего она обладает повышенной склонностью к боксованию. За 150 с работы на 11-й позиции признак боксования (уменьшение угла управления тиристорами, по крайней мере, одного канала тягового выпрямителя) наблюдался 7 раз, за 210 с работы на 15-й позиции противобоксовочная защита вступала в работу 5 раз.

При этом только один раз можно отметить увеличение частоты вращения 5 КП с 55,3 до 58,2 км/ч, т. е. на 5,2 %. Во всех других случаях боксование прекращается системой поосного регулирования силы тяги без заметного увеличения проскальзывания колесных пар, что свидетельствует о высокой точности и надежности работы противобоксовочной защиты. Тем не менее, для обеспечения запаса надежности расчета величину относительного проскальзывания колесной пары при боксовании можно принять равной 10,5 %. Тогда величина коэффициента Кск составит 0,095. Это означает, что 9,5 %

54

0,2

2 0,18 V§ 0,16

го

«0,14

I 0,12

СО

О)

о

0,08

(1)

0,06

0,04

0,02

0

0,1

1 t 1

± III

СГ JTJ& J$ jy jyjy jP ->* <? <r* _sP Jo5 л° л*5 Jp<P & ЪфуууУУ&&<Г<у><§><о>У'\>(§>

Средний ток ТЭД, А

Рис. 1. Распределение среднего относительного времени работы тягового электродвигателя с разной силой тока

энергии, подводимой к колесным парам в период боксования, расходуется на их избыточное проскальзывание.

На рис. 2 представлена статистическая функция распределения относительного времени работы ТЭД с различной силой тока и зависимость скорости относительного проскальзывания колесной пары от величины тока якоря ТЭД.

Из рис. 2 следует, что с вероятностью, близкой к 1, средняя сила тока якоря ТЭД в каждый момент времени не превысит 700 А, что соответствует

1,4

1,2

1

0,8

0,6

0,4

0,2

0

Ш

0

1 J3

ц

ш

н

0

1

н

0

ш

ш

1

ш

о.

U

ЧР

04

с£

го

с

X

.0

I

и

ш

ц

0

а:

ш

5

1

го

со

.0

го

J3

ц

го

а:

и

О

О.

с

Средний ток ТЭД, А

Рис. 2. Статистическая функция распределения времени работы ТЭД (1) и зависимость относительного проскальзывания КП от силы тока якоря в отсутствие боксования (2)

55

относительному проскальзыванию КП 0,9-1 %. Этот уровень относительного проскальзывания (1 %) может быть принят за среднее значение проскальзывания Аю0 в отсутствие боксования. Величину относительного проскальзывания КП в период боксования можно оценить на основании анализа изменения параметров силовой цепи тепловоза в период боксования. На рис. 3 представлены фрагменты временных диаграмм изменения параметров электрической передачи одной из секций тепловоза 2ТЭ116У на 11-й и 15-й позициях контроллера.

Среднее количество боксующих колесных пар также может быть определено из рис. 3. Из 12 случаев боксования один раз наблюдалось одновременное боксование всех 6 колесных пар, дважды - 4 колесных пар, в 9 случаях признаки боксования наблюдались у единственной колесной пары. В среднем может быть принято значение Ккп = 0,5, что соответствует трем одновременно боксующим колесным парам.

Как следует из рис. 3, снижение мощности на выходе выпрямительной установки в процессе ликвидации боксования на 11-й позиции контроллера как правило, не превышает 100-110 кВт, что составляет 6-8 % от мощности в установившемся режиме в отсутствие боксования. Исключение составил единственный случай боксования всех 6 колесных пар, когда мощность была снижена на 50 %. На 15-й позиции контроллера в двух случаях снижение мощности составило 200-210 кВт (8-9 %), в трех случаях заметного снижения мощности не наблюдалось. В среднем можно принять снижение мощности дизеля при ликвидации боксования равным 25 %. Как следует из нагрузочной характеристики дизеля 18-9ДГ, снижение эффективной мощности на 25 % от номинальной для соответствующего скоростного режима по нагрузочной характеристике приводит к увеличению удельного эффективного расхода топлива от 2-3 % (в режимах, близких к номинальным) до 7-8 % (на низких позициях контроллера), т. е. величина коэффициента К в выражении (1) должна составлять 1,03-1,08. Для обеспечения необходимого запаса надежности расчета можно принять его значение равным 1,1.

Из рис. 3 также следует, что время работы дизеля с пониженной мощностью примерно соответствует времени боксования (т. е. времени, в течение которого, по крайней мере, один из углов управления тяговым выпрямителем меньше 120 эл. град.). Однако вновь руководствуясь необходимостью обеспечения запаса надежности расчета, величину коэффициента К( принимают равной 2, т. е. предполагается, что время работы дизеля с пониженной мощностью в 2 раза превышает время боксования.

2 Результаты оценки

Расчет выполнялся для всей выборки локомотивов в целом за весь период работы. Исходными данными для него являются (см. таблицу):

56

Рис. 3. Изменение параметров силовой цепи тепловоза серии 2ТЭ116У на 11-й (а) и 15-й (б) позициях контроллера машиниста

Скорость тепловоза, угол канала выпрямителя, км/час, эл .гр.

Н-ь Н-ь

NJ -рь 05 00 О N)

ЦП Н-ь Н-ь N) N) ио

о о ЦП О ЦП О

о о о о О О

о о о О о

Мощность на выходе ВУ, кВт

140 -|-1-1-1-1--1-1-1--1-1-1--1-1--1-1-1--1-1--1-1-1--г 3500

1600 1620 1640 1660 1680 1700 1720 1740

Время, сек

а\

р

Скорость тепловоза, угол канала выпрямителя, км/час, эл. гр.

NJ -рь СЛ 00 О N)

О О О О О О

О О (Л О

О О О О

ООО

Мощность ТГ, кВт

140 I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I 11 2500

58

Расчет дополнительного расхода топлива при боксовании

ПКМ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Всего

Работа дизелей за период, кВт-ч 4533,59 7002,65 15326,89 26871,76 35659,31 23379,54 42979,62 21120,3 51532,4 31649,51 62124,61 16528,01 32703,13 4773,20 3542,71

Расход топлива за период, кг 1326,037 1918,727 3893,031 6287,992 8016,214 5143,5 9326,577 4515,52 10899,1 6655,891 13033,74 3449,396 6818,603 994,2581 736,88 83015,48

Относит. время боксования 0,000226 0,004197 0,003286 0,001966 0,001631 0,00133 0,001523 0,005299 0,001009 0,000618 0,001523 0,001216 0,002643 0,000899 0,000365

Работа за время боксования, кВт-ч 2,0488 58,778 100,739 105,644 116,354 62,177 130,935 223,822 104,028 39,136 189,25 40,209 172,873 8,584 2,584

Расход топлива за время боксования, кг 0,659 17,716 28,146 27,193 28,772 15,047 31,254 52,638 24,202 9,053 43,675 9,231 39,648 1,967 0,5911

Расход топлива на боксование, кг 0,0313 0,842 1,337 1,292 1,367 0,715 1,485 2,500 1,150 0,430 2,075 0,438 1,883 0,0934 0,0281 15,665

• расчетное суммарное количество топлива, израсходованное всеми локомотивами выборки на каждой позиции контроллера машиниста;

• доля времени, в течение которого наблюдался признак боксования (уменьшение угла управления тиристорами хотя бы одного канала тягового выпрямителя) в целом по всей выборке локомотивов на каждой позиции контроллера машиниста.

Дополнительный расход топлива, обусловленный проскальзыванием колесных пар при боксовании, определен следующим образом:

^Bbox = Ккп ‘ Кск ‘ Kge ‘ Kt ‘ ХВДиз ‘ Чох; (3)

j=1

ABbox = 0,5 • 0,095 -1,1 • 2 • (1326,037 • 0,000226 +

+1918,727 • 0,004197 + 3893,031 • 0,003286 +

+ 6287,992 • 0,001966 + 8016,214 • 0,001631 +

+ 5143,5 • 0,00133 + 9326,577 • 0,001523 +

+ 4515,52 • 0,005299 +10899,1 • 0,001009 +

+ 6655,891 • 0,000618 +13033,74 • 0,001523 +

+ 3449,396 • 0,001216 + 6818,603 • 0,002643 +

+ 994,2581 • 0,000899 + 736,88 • 0,000365) =

= 15,664 кг.

Суммарный расход топлива тепловозов за весь период выборки составляет:

Вдиз = 1326,037+1918,727 + 3893,031 + 6287,992 + + 8016,214 + 5143,5 + 9326,577 + 4515,52 +

+10899,1 + 6655,891 +13033,74 + 3449,396 +

+ 6818,603 + 994,2581 + 736,8 =

= 83015,37 кг.

Заключение

Относительная величина дополнительно расхода топлива, обусловленного дополнительным проскальзыванием колесных пар при боксовании, составляет 15,664/83015,37 = 0,01887 %, или 18,9 г на каждые 100 кг топлива, израсходованного дизелем.

59

Если в результате нарушения развески относительная продолжительность боксования увеличится в 10 раз и составит 2 % от общего времени работы локомотива, относительное увеличение расхода топлива, обусловленное дополнительным проскальзыванием при боксовании, не превысит 0,2 %. При этом повышается вероятность срыва колесных пар в режимах, близком к расчетному. Это может привести к ухудшению тяговых свойств тепловоза, однако, учитывая относительно небольшую долю топлива, расходуемую в таких режимах, практически не скажется на его энергоэффективности.

© Грищенко А. В., Грачев В. В., Базилевский Ф. Ю., Курилкин Д. Н., 2014

60