CC BY
35
Транспортная энергетика
Отношения наибольших эквивалентных напряжений [3]
Ъ/а 1,0 0,75 0,5 0,25 0
m 0,62 0,625 0,649 0,646 0,6
Допускаемые значения для рельсовой стали [q0 ] = 800 ^ 1000 МПа.
Таким образом, для двух видов нагружения в точке контакта бандажа существует два объема материала, которые испытывают основную деформацию. Одним из них является очень тонкий слой у поверхности площадки контакта, другим - подповерхностный объем вблизи места максимальных касательных напряжений. Когда к поверхности прикладывается тангенциальное (тягового) усилие, эти объемы приближаются друг к другу и могут образовывать одну область потенциального разрушения материала. Даже если при этом нормальная деформация на поверхности носит упругий характер, вблизи поверхности могут возникнуть пластические деформации. Кроме того, при движении под поверхностью катания бандажа возникает циклическое напряжение сжатия-растяжения, приводящее к накоплению под поверхностной пластической деформации и к возникновению остаточных напряжений в материале [4]. Такое поведение материала является причиной различных видов контактно-усталостных дефектов на поверхности катания бандажа.
По результатам расчетов по представленной выше методике получено, что у гибкого бандажа предельные значения по контактным напряжениям достигаются на скорости 350 км/ч, а у стандартного - 100 км/ч. Гибкий бандаж на скорости движения 100 км/ч имеет уровень контактных напряжений на 32 % меньше, чем у стандартного бандажа.
Список литературы
1. Пат. 2207250 Россия, МКИ 7 B 60 B 9/12. Колесо рельсового транспортного средства / В. В. Шилер, А. В. Шилер, А. Н. Головаш, П. Н. Рубежанский (Россия). - № 2000125462/28; Заявлено 09.10.2000; Опубл. 27.06.2003. Бюл. № 18.
2. Машиностроение: Энциклопедический справочник [Текст]. М.: Машгиз, 1947. - Т. 1. -Кн. 2. - 456 с.
3. Механическая часть тягового подвижного состава: Учебник [Текст] / И. В. Бирюков, А. Н. Савоськин и др. - М.: Транспорт, 1992. - 440 с.
4. Обобщение передового опыта тяжеловесного движения: вопросы взаимодействия колеса и рельса [Текст]: Пер. с англ./ У. Дж. Харрис, С. М. Захаров и др. - М.: Интекст, 2002. -408 с.
5. Демкин, Н. Б. Фактическая площадь касания твердых поверхностей [Текст] / Н. Б. Демкин / АН СССР. М., 1962. - 110 с.
6. Крагельский, И. В. Фрикционные автоколебания [Текст] / И. В. Крагельский, Н. В. Гитгис. - М.: Наука, 1987. - 171 с.
7. Вериго, М. Ф. Взаимодействие пути и подвижного состава [Текст] / М. Ф. Вериго, А. Я. Коган - М.: Транспорт, 1986. - 559 с.
УДК 621.331:621.311
А. С. Вильгельм, А. Л. Каштанов, М. М. Никифоров
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ДИАГРАММ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ
Эффективность использования электроэнергии на тягу поездов зависит от множества факторов. Оценка энергоэффективности электротяги, так же, как и разработка рекомендаций по её повышению, должна осуществляться применительно к каждому участку электрифицированных железных дорог. Одним из спосо-
бое определения оптимального уровня расхода электроэнергии на тягу поездов и возврата электрической энергии электроподвижным составом в контактную сеть является построение энергетических диаграмм участков железных дорог.
Согласно отчетным данным за 2011 г. на электрической тяге в ОАО «Российские железные дороги» выполняется 85,3 % перевозочной работы, при том, что по протяженности электрифицированные железные дороги составляют только половину от общей длины железнодорожной сети.
Одним из эффективных путей повышения энергоэффективности электротяги, нашедших широкое применение на сети железных дорог, является применение рекуперативного торможения. Экономия электроэнергии за счет применения рекуперативного торможения в 2011 г. составила 3,2 % от расхода электроэнергии на тягу поездов. Однако потенциально возможный уровень рекуперации электроэнергии на сети железных дорог до настоящего времени еще не достигнут. Это подтверждается хотя бы тем фактом, что в 1988 г. объем рекуперированной энергии был выше, чем в 2011 г., на 5,8 %.
Кроме того, за прошедший с 1988 г. период существенно изменилась элементная база, на которой проектируются выпрямительно-инверторные преобразователи тяговых подстанций, появились новые типы электроподвижного состава (ЭПС), такие как 2ЭС6, 2ЭС10, 2ЭС5К. В ходе капитального ремонта электровозы серий ВЛ80С, ВЛ80Т, которые согласно проекту не были оборудованы системами рекуперативного торможения, модернизируются до серий ВЛ80СК, ВЛ80ТК, имеющих соответствующее оборудование.
Все это указывает на необходимость продолжения исследовательских работ по расширению полигонов применения рекуперативного торможения.
Для оценки потенциала энергоэффективности применения рекуперативного торможения в Омском государственном университете путей сообщения разработана соответствующая методика [1], основанная на использовании имитационного моделирования с применением программного комплекса «Кортэс», разработанного ОАО «ВНИИЖТ» и утвержденного к использованию Департаментом электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД» телеграммой ОАО «РЖД» № 3/1429 от 12.04.2006.
В ходе такой оценки определяется текущий уровень энергоэффективности тяги поездов на конкретном участке (в том числе и энергоэффективность применения рекуперативного торможения), а также оценивается максимально достижимый объем рекуперируемой электроэнергии для поездов различного веса и при использовании различных типов ЭПС.
Наиболее удобным способом представления полученных в ходе имитационного моделирования значений потребления на тягу и возврата электроэнергии является графический метод, т. е. построение так называемых энергетических диаграмм, отображающих минимально возможный уровень расхода энергии на тягу и максимально возможный уровень энергии рекуперации по всем перегонам участка. При этом для каждой серии электровоза по исследуемому участку проводятся тяговые расчеты пропуска единичного поезда требуемого веса (это могут быть значения весов, взятые на основании приказа по железной дороге об установлении унифицированных и критических весов грузовых поездов, или любые другие веса, обращающиеся на данном участке в зависимости от поставленных задач).
В качестве исходных данных для тяговых расчетов необходимы следующие данные:
- продольный профиль и план пути моделируемого участка с указанием мест расположения на них раздельных объектов;
- весовые нормы поездов (критические и унифицированные);
- действующие на участке ограничения скорости для грузовых, пассажирских и пригородных поездов;
- установленная техническая и участковая скорости на данном поездоучастке;
- уровни напряжения на токоприемнике ЭПС при движении по данному поездоучастку.
В программе тяговых расчетов комплекса «Кортэс» имеется возможность учета типа и
количества секций электроподвижного состава (вплоть до указания конкретных мест применения кратной тяги), типа подшипников, используемых в подвижном составе, а также массы и длины поезда, что в свою очередь позволяет корректировать значение нагрузки на ось в
64 ИЗВЕСТИЯ Транссиба №2О2!20)
необходимых пределах. Кроме того, можно задавать станции остановки поезда, начальную скорость движения, начальный перегрев обмоток двигателей, коэффициент снижения сцепления колес с рельсами, обусловленный погодными и не только условиями, тип рекуперативного торможения (максимальное - для поддержания и снижения скорости или регулиро-вочное - только для поддержания скорости). С помощью функции «Режимная карта» имеется возможность задания на любом отдельном участке пути значений напряжения в контактной сети, максимальной позиции контроллера машиниста в режимах тяги или рекуперации, значения, до которого необходимо снижать скорость при торможении, и значения коэффициента сцепления. Таким образом, имеется возможность моделирования движения поезда как при идеальных условиях, так и при условиях, приближенных к реальным.
После введения и корректировки всей необходимой для расчета информации и выполнения тягового расчета имеется возможность сформировать отчет о выполненном расчете, который содержит информацию о расходе энергии, рекуперации, выполненной работе, времени хода по участку и другую информацию (рисунок 1).
С 1 - Блокнот ЕВ! в
Файл Правка Формат Вид Справка
(ОРТЭС - тяговые расчёты, отчёт о поездке. 02. и!. 2С1. 1:5:46:07 Вариант 1 А
Файл участка: D:\A-c\12 А-с - 1.р"Гк дорога: северная Участок: А - с / А - с тип пути: бесстыковой состав: груз., 100%рсл. поезд: ВЛ10, масса 3884 т, длина 733 р, локомотив вл!$ Расход энергии: 1425,0 квт-ч; рекуперация 143,4 квт-ч; (10,1%) Удельный расход: активн. 7,9 Вт-ч/т-км техническая скорость: 59,3 км/ч макс, ток поезда 2247 А на кт 365,86 макс, перегрев обмоток двиг. 48" (доп. 1304) на кт 339,56
перегон длина, время хода, мин КМ полн. п.ТОКОМ Расход энергии КВТ-Ч остановки кратн. тяга
А - В 21,600 21,4 17,0 В - С 24,600 25,3 10,8 917, 9 507) 1
А-С 46,200 46,8 27,8 142 5,0 Г" " **
< I
Рисунок 1 - Итоговый отчет о проведенном тяговом расчете
Из рисунка 1 видно, что участок А - С включает в себя два перегона: А - В и В - С, по каждому из которых приводятся длина, время хода (полное и под током) и расход электроэнергии.
Информация о значениях уровней напряжения на токоприемниках электроподвижного состава, корректируемых в режимной карте, является очень важной, так как потребленная и рекуперированная энергия рассчитывается программой на основании значений тока, напряжения и времени хода в режимах тяги и рекуперации. Повышение адекватности тягового расчета (приближение условий его проведения к реальным условиям на участке) осуществляется за счет корректировки этих значений по результатам контрольных поездок и анализа данных систем регистрации параметров движения и автоведения (РПДА).
Контрольные поездки позволяют определить общие удельные показатели по участку в целом и оценить адекватность произведенных расчетов. Для детального анализа расхода электроэнергии и объема энергии рекуперации с целью внесения корректировок в расчеты необходим анализ данных РПДА по результатам поездок локомотивных бригад на исследуемых участках.
Как видно из рисунка 1, значение энергии рекуперации в отчете приведено только итоговое по участку в целом. Объемы энергии рекуперации для каждой серии электровоза на участке по перегонам определяются на основании полученных в результате расчета графиков тока рекуперации (рисунок 2) с учетом уровня напряжения в контактной сети, полученного по результатам анализа данных РПДА.
Таким образом, анализ данных РПДА представляет собой обработку значений напряже-
ния на токоприемнике ЭПС в процессе движения по перегонам в режимах тяги и рекуперации. Результаты анализа данных РПДА вносятся в таблицу 1.
Рисунок 2 - Графики тока двигателей и электровоза, скорости движения поезда и температуры перегрева обмоток двигателей
Таблица 1 - Анализ данных РПДА
Координата, км Поездка №1 Поездка №2 Поездка № п Среднее значение
напряжение, В ток, А напряжение, В ток, А напряжение, В ток, А напряжение, В ток, А
1001,2 3 330 550 3 350 570 3 500 620 3 370 585
Для корректировки напряжения на токоприемниках электровозов в тяговых расчетах используются средние значения из таблицы 1. Возможны также анализ средних значений токов и сопоставление их с расчетными значениями. Данный анализ предваряет расчеты в «Кортэс», т. е. в программе, осуществляющей тяговые расчеты, выделяются интервалы тяги и рекуперации, на которых и задаются средние значения напряжения и тока, полученные по результатам анализа.
В итоге энергетическая диаграмма является результатом проведенных тяговых расчетов с корректировкой значений напряжения на токоприемниках ЭПС по результатам анализа данных РПДА о параметрах движения электровоза.
Как было отмечено выше, в программном комплексе «Кортэс» программа для выполнения тяговых расчетов в отчете о поездке выдает информацию о расходе электроэнергии по перегонам. В свою очередь энергия рекуперации по каждому перегону для ЭПС постоянного тока рассчитывается согласно правилам тяговых расчетов по выражению, кВт-ч:
эпс=
Уи/ м
/ 1 э э ср
1000
(1)
где & - время в рекуперации, ч;
/Эср - средний ток электровоза в рекуперации, А;
иэ - фактическое напряжение на токоприемнике ЭПС, В.
Для ЭПС переменного тока, кВт-ч,
ЭПС
Э ки/с1а{ 1000
м
(2)
где /¿а ср - действующее значение активного тока, среднее за время рекуперации А?, А;
к - коэффициент формы кривой напряжения на данном иэ, определяемый в зависимости от напряжения на токоприемнике электровоза (рисунок 3).
ШШ! 2012
Транспортная энергетика
Значение среднего тока электровоза /э ср в рекуперации определяется по расчетным данным о поездке после выполнения тягового расчета в комплексе «Кортэс» по кривым тока рекуперации (см. рисунок 2) или из отчета в табличной форме.
Рисунок 3 - Зависимость коэффициента формы кривой напряжения от значения напряжения на токоприемнике
На рисунке 4 приведены энергетические диаграммы участка А - К для электровоза 2ВЛ10. Энергетические диаграммы построены для поездов унифицированного (вертикальная штриховка) и критического (наклонная штриховка) весов (в данном случае - 3 300 и 6 300 т соответственно) и отображают расход Жи и возврат тр электроэнергии электровозом по каждому перегону данного участка в четном и нечетном направлениях.
Все результаты расчетов для построения энергетических диаграмм представлены также в табличной форме и отображают по участку в целом и по каждому перегону в отдельности длину перегона, объем выполненной работы, время хода, удельные расход и рекуперацию. В таблице 2 представлены результаты расчетов для диаграмм участка А - К в нечетном направлении.
А - К, НЕЧЕТНОЕ направление, 2ВЛ10 м_
\Л/п
\Л/р
т 6300т
□ 6300т Рек
□ 3300т
□ 3300т Рек
А В
Р С н
I и к
| кВтч
\Л/п 400
\Л/р
А - К, ЧЕТНОЕ направление, 2ВЛ10
734
□ 6300т
^ 6300т Рек
□ 3500т
□ 3500т Рек
№ 2(10) 2012
Рисунок 4 - Энергетические диаграммы участка А - К для электровоза 2ВЛ10
453
я 99
54
171
176 161
29_=16
20
-64
62
30
800
626
530
297
142
89-81
69 70
47
42 44
45 39
5 7
37
95
114—111
-196
-400
333
-353
■600
Таблица 2 - Отчет о показателях по участку А - К для электровоза 2ВЛ10 при движении в нечетном направлении
Перегон Длина, км Работа, 104ткм брутто Время хода по перегону, ч Расход энергии, кВт-ч Удельный расход энергии, кВт-ч/104ткм брутто Энергия рекуперации, кВт-ч Удельная рекуперация, кВт-ч/104ткм брутто
Вес поезда 6 300 (критический вес)
А - В 4,5 3,00 3,9 50 16,7 100 33,3
В - С 6,1 4,07 6,6 450 110,6 0,0
С - Б 21 14,00 23,6 1600 114,3 0,0
Б - Е 14,5 9,67 17 1200 124,1 300 31,0
Е - Б 11,9 7,93 12,7 950 119,7 0,0
Б - О 3,5 2,33 3,2 150 64,3 0,0
О - Н 5,4 3,60 5 200 55,5 0,0
Н - I 10,2 6,80 9,7 450 66,2 250 36,8
I - I 3,1 2,07 4,7 500 241,9 0,0
I - К 2,2 1,47 3,9 400 272,7 0,0
Итого 82,40 54,94 90,30 5950 108,3 650 11,8
Вес поезда 3 300 (унифицированный вес)
А - В 4,5 1,65 4,1 150 90,9 50 30,3
В - С 6,1 2,24 5,9 250 111,7 50 22,3
С - Б 21 7,70 18,9 800 103,9 0,0
Б - Е 14,5 5,32 13,5 550 103,5 100 18,8
Е - Б 11,9 4,36 11,3 400 91,6 0,0
Б - О 3,5 1,28 3 200 155,8 0,0
О - Н 5,4 1,98 4,8 150 75,7 0,0
Н - I 10,2 3,74 8,9 250 66,8 150 40,1
I - I 3,1 1,14 3,5 250 219,9 0,0
I - К 2,2 0,81 3,2 250 309,8 0,0
Итого 82,40 30,22 77,10 3250 107,5 350 11,6
В соответствии с распоряжением ОАО «РЖД» № 809 «О дополнительных мерах по повышению энергоэффективности тягового электроснабжения» от 14.04.2011 в 2011 г. сотрудниками Омского государственного университета путей сообщения была выполнена оценка по -тенциала энергоэффективности применения рекуперативного торможения на участках Западно-Сибирской, Южно-Уральской и Красноярской железных дорог.
По результатам проведенных исследований было получено, что потенциал повышения эффективности рекуперации на первое полугодие 2011 г. составил 91 408 тыс. кВт-ч, что в свою очередь составляет 22,3 % от фактического уровня рекуперации. Реализация мероприятий, направленных на повышение эффективности возврата электроподвижным составом электроэнергии в тяговую сеть, позволит увеличить значение удельной рекуперации в границах Западно-Сибирской железной дороги с 2,7 до 3,45 кВт-ч/104 ткм брутто, ЮжноУральской - с 4,2 до 5,07 кВт-ч/104 ткм брутто и Красноярской - с 11,7 до 13,91 кВт-ч/104 ткм брутто. Основными направлениями по повышению эффективности рекуперативного торможения являются качественная настройка схем рекуперации, повышение квалификации машинистов, подбор тяговых двигателей со схожими характеристиками, своевременное выявление электровозов с неисправной либо разрегулированной системой рекуперации, а также установка на тяговых подстанциях приемников избыточной энергии рекуперации.
1. Никифоров, М. М. Методика оценки потенциала энергоэффективности применения рекуперативного торможения [Текст] // М. М. Никифоров, А. Л. Каштанов, В. А. Кандаев // Известия Транссиба/ Омский гос. ун-т путей сообщения, - Омск, 2012, - № 1 (9). - С. 72 - 78.
68 ИЗВЕСТИЯ Транссиба №2П21120)
