CC BY
43
УДК 621.423.1
А. В. Плаксин1, С. В. Швецов2
1 Западно-Сибирская железная дорога - филиал ОАО «РЖД», г. Новосибирск, Российская Федерация;
2Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПАССАЖИРСКИХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА РАВНИННЫХ УЧАСТКАХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
Аннотация. Расход электроэнергии на тягу зависит от большого числа эксплуатационных показателей, в том числе и от использования мощности электроподвижного состава. На российских железных дорогах имеются равнинные участки большой протяженности, на которых эксплуатируемые электровозы нерационально используют свою мощность и работают в режимах с низкими энергетическими показателями.
Цель работы - рассмотреть пути повышения энергетической эффективности пассажирских электровозов, такие как эксплуатация электроподвижного состава с рациональными значениями мощности и числа осей для обеспечения современных пассажирских перевозок на равнинных участках пути большой протяженности и оценить их энергетические показатели.
Для достижения указанной цели было определено рациональное значение мощности, необходимой для вождения поездов на рассматриваемом участке пути с максимальными скоростями движения 160 км/ч, проведены расчеты асинхронных тяговых двигателей, получены тягово-энергетические характеристики электровозов с асинхронным тяговым приводом, и предложена методика сравнения, позволяющая оценить разницу расхода электроэнергии на тягу электровозов с асинхронным тяговым приводом (с рациональными значениями мощности и числа осей) с эксплуатируемыми в настоящее время электровозами постоянного тока ЭП2К.
На основании проведенного исследования был сделан вывод о том, что имеются резервы повышения энергетической эффективности пассажирских электровозов на равнинных участках пути большой протяженности, такие как эксплуатация электроподвижного состава с рациональными значениями мощности и числа осей, соответствующих массе поезда, скорости движения и профилю пути, которые позволят значительно снизить расходы электроэнергии на тягу поездов.
Ключевые слова: энергетическая эффективность, тяга поездов, пассажирский электровоз, постоянный ток, энергетические показатели, рациональное значение мощности, асинхронный тяговый двигатель.
Alexey V. Plaksin1, Semen V. Shvetsov2
1The West Siberian railway - branch of JSC «Russian Railways», Novosibirsk, Russian Federation;
2Omsk state transport University (OSTU), Omsk, Russian Federation
WAYS TO IMPROVE ENERGY EFFICIENCY PASSENGER LOCOMOTIVES WHEN
OPERATING ON THE PLAINS RAILWAYS
Abstract. Electricity consumption for traction depends on a number of operational parameters, including the use of power of electric rolling stock. On Russian Railways there are flat areas of great extent, which operated the locomotives inefficient use ofpower and work modes with low energy performance. The aim of this work is to examine ways to improve the energy efficiency ofpassenger locomotives, such as the operation of electric rolling stock with rational values ofpower and number of axes for the modern passenger transport on the flat sections of the road long-haul and assess their energy performance.
To achieve this goal was determined by the rational value of the power required for driving trains on this stretch of track with maximum speeds of 160 km/h, the calculations of the asynchronous traction motors obtained traction and power characteristics of electric locomotives with asynchronous traction drive, and a proposed comparison methodology, allowing to evaluate the difference of power consumption for traction of electric locomotives with asynchronous traction drive (with rational values ofpower and number of axes) currently operating a DC electric locomotive EP2K.
On the basis of the conducted research it was concluded that there are reserves for improvement of energy efficiency ofpassenger locomotives on the flat sections of the road long-haul, such as operation of electric rolling stock with rational values of power and number of axes corresponding to the train weight, speed and track profile, which will significantly reduce the cost of electricity for traction of trains.
Keywords: energy efficiency, pull trains, passenger electric locomotives, direct current, energy performance, sustainable value of the power asynchronous traction motor.
ИЗВЕСТИЯ Транссиба 43
Энергосбережение относится к основным проблемам жизнеобеспечения во многих странах. Железнодорожный транспорт, и в первую очередь электрифицированный, является одним из крупных потребителей электроэнергии.
За последние годы уже многое сделано в области рационального использования электроэнергии на тягу поездов. Свидетельством тому является постоянное снижение удельного расхода электроэнергии - одного из основных показателей экономичности работы электрических железных дорог. Однако не все резервы экономии электрической энергии еще использованы, что подтверждается на примере пассажирских электровозов, эксплуатируемых на равнинных участках пути. В источнике [1] показано, что на равнинном участке Новосибирск - Омск электровозы ЭП2К нерационально используют свою мощность и работают в режимах с низкой нагрузкой - среднее значение развиваемой локомотивом мощности составляет менее 20 % от их номинального (часового) значения.
Необходимо отметить, что нерациональное использование мощности пассажирскими электровозами происходит на протяжении нескольких десятков лет. Анализ отчетных данных о работе локомотивов за 1973 г. [2] показывает, что мощность, потребляемая пассажирскими электровозами за время движения, была весьма далека от их номинального значения и находилась в пределах 13 - 16 %, в связи с чем эксплуатационная мощность пассажирских электровозов на протяжении нескольких десятков лет была и остается значительно ниже их номинального значения. В результате этого большинство электровозов работает с низкими энергетическими показателями, а расход электроэнергии на тягу пассажирских поездов имеет завышенное значение в сравнении с тем, которое могло бы быть, если бы электровозы обладали меньшей мощностью.
Для повышения энергетической эффективности электроподвижного состава (ЭПС) при его эксплуатации в режимах с низкой загруженностью применяют способ регулирования мощности. На пассажирском ЭПС он используется на электровозах ЧС7, оборудованных системой оперативного регулирования мощности, о возможном его применении на электровозах ЭП2К и ЭП20 указано в работах [1, 3]. Однако способ регулирования мощности, является вынужденной мерой. Большего снижения расхода энергии, на наш взгляд, можно добиться при эксплуатации ЭПС с мощностью и числом осей, соответствующим массе поезда, скорости движения и профилю пути.
В связи с тем, что на российских железных дорогах имеются равнинные участки большой протяженности, определим рациональное по тягово-энергетическим показателям значение мощности электровозов при осуществлении пассажирских перевозок на равнинных участках пути. В качестве примера рассмотрим участок Новосибирск - Челябинск протяженностью 1400 км, профиль пути на котором преимущественно равнинный.
Выбор мощности пассажирских электровозов рассматривается в ряде работ [4, 5], где показано, что значение мощности зависит от ряда параметров, основными из которых являются максимальная скорость движения, масса поезда, пусковые скорость и сила тяги, определяющие величину ускорения поезда в период разгона. Если сравнить среднюю участковую и среднюю техническую скорости пассажирских электровозов ЭП2К на участке Новосибирск - Барабинск -Омск [1], то отличие скоростей составит не более 2,6 %, что указывает на малое количество остановок пассажирских электровозов на данном участке. Кроме того, имеются поезда, которые без остановок проходят расстояние в 300 км (например, поезда «Москва - Пекин» и «Москва -Владивосток»). Поэтому основными параметрами при выборе мощности для данного участка, на наш взгляд, являются максимальная скорость движения по участку и масса поезда.
Для определения рационального значения мощности, необходимой для вождения пассажирских поездов на равнинных участках пути, были определены расчетные зависимости силы тяги и мощности в зависимости от заданных значений максимальной скорости движения и массы поезда [4].
Расчетные значения силы тяги на ободе колес электровоза были определены так [4]:
^ = 9,81 • ^л • К + ™, ) + 9,81 • тв ■ О0 + ^пг + ) , (1)
где т и тв - массы локомотива и вагонов;
w/ и wI - основные удельные сопротивления движению электровоза и вагонов;
и - дополнительные удельные сопротивления движению от подвагонных генераторов и от уклона (принимаем равным нулю).
Расчетные значения мощности на ободе колес локомотива были рассчитаны по формуле [4]
р - К • V • ¥ .
кр п кр -
(2)
где Кп - переводной коэффициент; V - скорость движения.
С учетом того, что номинальная (полезная) и расчетная мощности электровоза связаны со отношением [4, 5]
р - Ркр р кн ?
к
(3)
где к^ - коэффициент перегрузки, который для пассажирских электровозов можно принять равным к -1,1, номинальное значение мощности локомотива было определено как [1, 6]
Р.,
Рн =
Лэ
(4)
где Лзр - расчетный КПД электровоза, который был принят равным 90 %.
Значения силы тяги и мощности, рассчитанных для средних масс (в пределах 600 -900 тонн) и скоростей движения пассажирских поездов, начиная от максимально разрешенных на данном участке - 120 км/ч (скорость 140 км/ч разрешена только на 1 перегоне) [1] и до конструкционной скорости движения электровозов ЭП2К (160 км/ч), эксплуатируемых на рассматриваемом полигоне, представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Значения силы тяги и мощности электровозов, необходимых для эксплуатации на равнинных участках пути
Расчетная скорость У0, км/ч 120 140 160
Масса состава тв, т 600 748 900 600 748 900 600 748 900
Расчетная сила тяги ^кр, кН 41,24 49,30 57,58 48,42 57,78 67,39 56,77 67,64 78,81
Расчетная мощность Ркр, кВт 1375 1643 1919 1883 2247 2621 2523 3006 3502
Номинальная (полезная) мощность Ркн, кВт 1250 1494 1745 1712 2043 2382 2294 2733 3184
Номинальная мощность Рн, кВт 1388 1660 1939 1902 2270 2647 2548 3037 3538
Как видно из данных таблицы 1, для вождения поездов массами 600 - 900 тонн на равнинных участках пути с максимальными скоростями движения 120 км/ч номинальной была бы мощность электровоза 2000 кВт, а со скоростями движения 160 км/ч - 3600 кВт.
Для определения снижения расхода электроэнергии при возможной эксплуатации электровозов с рациональными значениями мощности для обеспечения современных пассажирских перевозок на равнинных участках пути было проведено сравнение эксплуатации локомотивов с рациональными значениями мощности с эксплуатируемыми электровозами ЭП2К.
В связи с прогнозируемым увеличением скоростей движения на перегонах рассматривать возможность эксплуатации электровозов, которые рассчитаны на максимальную скорость движения 120 км/ч, на наш взгляд, нецелесообразно. Более перспективным представляется рассмотреть возможность эксплуатации электровозов с рациональным по тягово-энергетическим показателям значением мощности для обеспечения современного пассажиропотока с максимальными скоростями движения 160 км/ч. Кроме этого, учитывая, что в настоящее время промышленностью освоен выпуск современных локомотивов с АТД, имеющими номинальную осевую мощность более 1000 кВт (номинальная мощность одного тягового двигателя электро-
№,3'371) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 45
воза ЭП10 равняется 1200 кВт), что позволяет эксплуатировать электровозы с АТД в четырехосном исполнении с той же мощностью, что и у шестиосных электровозов ЭП2К (4800 кВт), была рассмотрена возможность эксплуатации электровозов с АТП с рациональными значениями мощности в четырехосном исполнении.
Для оценки снижения расхода электроэнергии от величины выбранного значения номинальной мощности электровоза сравнение было проведено на примере электровозов с АТД в четырехосном исполнении с двумя значениями номинальной мощности - 4800 кВт (соответствующей мощности электровозов ЭП2К) и 3600 кВт (рациональной для вождения пассажирских поездов на данном участке).
Поскольку предстояло провести сравнение разных типажей локомотивов с различными тяговыми приводами и числом осей, сравнение вариантов было рассмотрено подробно. В качестве критерия определения энергетической эффективности электровозов был принят минимум расхода электроэнергии на тягу при осуществлении перевозок на заданном участке пути. Расход электроэнергии на тягу можно представить как [5, 6]
t t V
1к 1 1к ту*
А = | Рэ (0^ = — \ Рк ^ )Л = | Рк (5)
^ ^э т ^ ^э т
где р , Р - значения мощности, потребляемой из сети и на ободе колес электровоза; t - время движения электровоза;
t., ^ - начальный и конечный моменты времени движения электровоза на участке; г]эт - КПД локомотива без учета потерь на собственные нужды; & - путь, пройденный электровозом;
5Н , £к - координаты пути, соответствующие началу и концу участка. Приведя выражение (5) к виду [1, 5]
А = 103 • Рэ • & = 103 • рк • & = 103 • Кп • Рк • & , (6)
V V •Ъ.т Л3.т ,
разницу расходов электроэнергии сравниваемых электровозов при идентичных режимах движения поезда V (&) можно определить как
= А1(6) - А2(4) = (1 •Щ , (7)
А1(6) Рк1 Г/э.т2
где А1(6) и А2(4) - расходы электроэнергии электровозов на тягу; Рк1 и - значения сил тяги электровозов;
77эт1 и ^ т2 - величины КПД сравниваемых электровозов без учета потерь на собственные нужды.
Далее, представив разницу масс электровозов как Аш = шл1 - шл2, а силы тяги локомотивов уравнениями = • (шл1 + Ш) и ^ = ^02 • (шл1 + шв -Аш), значение р2 было преобразовано как = Рк1 - АР = - м>'0 • Аш, а уравнение (7) приведено к виду:
Аа = (1 - ^ -АР .Щ = (1 - ^ -Ч Аш •П, (8)
Рк1 ^э.т2 Рк1 ^э.т2
где АР = Рк1 -= м>о •Аш - разница силы тяги электровозов.
Анализ выражений (7) и (8) показывает, что расход электроэнергии при сравнении электровозов определяется следующими показателями, от которых зависят изменения затрат электроэнергии:
разницей масс локомотивов, в связи с чем для ведения поезда с одинаковым числом вагонов (одинаковой массы состава) будут требоваться различные силы тяги сравниваемых электровозов;
значениями величин КПД электровозов.
Как видно из формул (7) - (8), для оценки разницы расхода электроэнергии сравниваемых вариантов необходимо знать значения масс, силы тяги и КПД электровозов, для определения которых нужны тягово-энергетические характеристики (ТЭХ) ЭПС. Характеристики электровозов ЭП2К принимаем на основании работы [1], где подробно рассмотрен их расчет.
Для получения ТЭХ электровоза с АТД по методике [7] были проведены расчеты АТД мощностью 1200 кВт (с параметрами, близкими к параметрам АТД электровоза ЭП10 - НТА-1200 [8, 9]) и 900 кВт. Значения основных величин, полученных при расчетах АТД и необходимых для расчета характеристик электровозов, приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Основные параметры асинхронных тяговых двигателей с номинальными мощностями 1200 и 900 кВт
Основные параметры Обозначение АТД, кВт
1200 900
1 2 3 4
Номинальная мощность, кВт Номинальное напряжение первой гармоники фазы, В Номинальный ток первой гармоники фазы статора, А Номинальный ток ротора, приведенный к току статора, А Максимальная скорость движения электровоза, км/ч Скорость движения электровоза в номинальном режиме, км/ч Номинальная частота тока статора, Гц Номинальная частота тока ротора, Гц Номинальный магнитный поток, Вб Активное сопротивление обмотки статора при 20 /130 °С, Ом Активное сопротивление обмотки ротора, приведенное к обмотке статора при 20 ° С / 130 ° С, Ом Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора, Ом Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора, приведенное к обмотке статора, Ом Действующее значение намагничивающего тока, А Основные номинальные потери в стали статора, кВт Номинальные добавочные потери в обмотках статора / ротора, кВт Номинальные добавочные пульсационные потери статора / ротора, кВт Потери в стали от высшего гармонического напряжения, Вт Коэффициент мощности, cos ф Номинальные потери от первой гармоники в меди статора / ротора, кВт Механические потери, кВт Добавочные потери в двигателе без учета потерь от высших гармоник, кВт Сумма добавочных потерь от высших гармоник, кВт КПД при питании от источника синусоидального напряжения / инвертора Рн иф1н Лн 11н V у макс V, /1н /2н Фн Г\ 1200 1260 378 327 160 81,7 67,4 0,647 0,0948 0,0281 / 0,0404 900 978 364 325 160 81,7 67,4 0,838 0,0736 0,0281 / 0,0404
r2' Xi 0,0255 / 0,0367 0,35 0,0255 / 0,0367 0,35
X/2 ЛРс.н ЛР1д.н / ЛР2д.н ЛРм1.п / ЛРм2.п ЛРсвг 0,399 140 18,95 1,685 / 3,730 1,183 / 5,380 635 0,399 102 11,75 1,015 / 2,250 0,712 / 3,240 395
cos ф ЛРм1.н / ЛРм2.н ЛРмех.н ЛРмд ЕЛРдоб.н П атд.н 0,85 17,5 / 11,7 2,45 6,05 12,55 0,955 / 0,946 0,87 16,25 / 11,6 1,85 4,65 7,60 0,950 / 0,943
По полученным для номинального режима АТД данным были рассчитаны характеристики для нагрузочных режимов работы по методике, приведенной в работе [7]. Для этой цели были определены следующие значения параметров АТД:
i№ 3(31) Л Л л ч ИЗВЕСТИЯ Транссиба 47
=2017
ток статора
1 = и ф1н • у
V
,'2 1
,2 , / Т1 ^2
Х1 в'
(1 + Т^ + (^)2 • г2 ,
II
2
(Ь2 + с 2а2) + (й2 + е2а2) \ + 2г а ^
в21 в
ток ротора, приведенный к статору,
12 = Цф1н • у •-
II
(Ь2 + с2а2) + (й2 + е2а2)• \ + 2г • а•
в2 1 в
электромагнитный момент
7-2
м, =
Ш1 ^ф1н 2
1
9,81®
• У •
1н
(Ь2 + с2а2) •в + (й2 + е2а2) • ^ + 2т; • а
в
(10)
(11)
В приведенных выше формулах в - параметр абсолютного скольжения, вычисляемый как /2
в =-; Ш - число фаз обмотки статора; ты - номинальная угловая скорость вращающегося
У1н
магнитного поля статора; у ,а, Ь, с, й и е - вспомогательные обозначения величин, входящие в формулы, были определены как [7]
У =
а = Ь = ^(1 + Т2); с = х 0 т; й = е = 1 + т1 ,
и.
' ф1(н) /н Х0
где Хо - индуктивное сопротивление намагничивающей ветви, %0 было рассчитано так:
х 0
и ф1- V х 1
(12)
(13)
т1 , т 2 - коэффициенты рассеяния статора и ротора, определяемые как
Т — т — ■
Т1 = ; т 2 = ;
X о X о
т - общий коэффициент рассеяния, рассчитываемый по формуле [7]
т т^ + + .
(14)
(15)
По найденному электромагнитному моменту была определена полная механическая мощность [7]
Рмх = МЭШ1Н • (а - в).
(16)
Для дальнейших расчетов были получены потери мощности для различных нагрузочных режимов, которые определялись по формулам [7]: в стали -
ДРС = ДРс.н • 4 • а1,5; а
(17)
1
2
2
суммарные добавочные -
механические -
X ^Доб = 0,02 • Мэ • Wl;
АР
AT) _ мех.н
мех
n;
(18)
(19)
в меди -
Т Т'
АРм = АРм1н • (у^)2 + АРм2н • (тг)2 ТТ
(20)
'1н
1 2н
Значения потерь мощности при номинальном режиме работы АТД - в стали ( ЛРс н), механические ( ЛРмех н) и в меди ( ЛРм1н и ЛР^Н) - были приняты согласно данным таблицы 2.
Полезная мощность была найдена путем вычета потерь в стали в сумме с механическими и добавочными из полной механической мощности [7]:
Р = Р - (АР + АР + SAP J .
2 мх V c мех доб/
Подведенная активная мощность была рассчитана как [7]
Р = Рмх +АРм.
1 мх м
Тяговое усилие на ободе колеса определялось по формуле [7]
0,367 • Р • п • п • п
' 1 Iатд Iтп Iзп
F = ■
V
(21)
(22)
(23)
где цтп - КПД тягового преобразователя (ТП); ■Лзп - КПД зубчатой передачи (ЗП); ■Лзп - КПД АТД, который находился по формуле [7]
П атд
Р
Р
(24)
Значение КПД ЗП были определены согласно ГОСТ 2582-81 по аппроксимированным значениям, приведенным в источнике [ 1].
Наибольшую сложность представляет расчет потерь мощности в ТП локомотива. Различные формы токов, значительные скорости их нарастания, а также принимаемый ряд допущений (линеаризация и неучитываемый разброс характеристик) осложняют задачу и могут привести к большим погрешностям при расчетах [10]. В работе [3] приведена энергетическая диаграмма электровоза ЭП20 в номинальном режиме при его питании от сети постоянного тока, где показано, что величина потерь на ТП составляет 1,42 %. В источнике [10] приведена зависимость КПД преобразователя от тока, из которой можно увидеть, что КПД преобразователя при изменении тока в пределах 40 - 100 % от его номинального значения меняется незначительно и его величина составляет 99 %, в связи с чем значение КПД ТП было принято равным 99 %, а характеристики электровоза с АТД были рассчитаны для значений токов, находящихся в пределах 40 - 100 % от номинального значения. Следует отметить, что значение КПД электровоза мощностью 4800 кВт при номинальном режиме работы по рассчитанным ТЭХ с учетом потерь в сетевом дросселе, принятых согласно рекомендациям работы [3], составило 89,9 %, что сопоставимо с номинальным значением КПД электровоза ЭП20 без учета потерь мощности на соб-
i№ 3(31) Л Л Jf ч ИЗВЕСТИЯ Транссиба 49
=2017
ственные нужды 89,8 % [3]. В качестве примера на рисунке 1 представлены ТЭХ четырехосного электровоза с АТД мощностью 4800 кВт, приведенные к одному колесно-моторному блоку.
Рисунок 1 - Тягово-энергетические характеристики четырехосного электровоза с АТД мощностью 4800 кВт, приведенные к одному колесно-моторному блоку
С использованием ТЭХ было проведено сравнение энергетической эффективности эксплуатации электровозов ЭП2К и четырехосных локомотивов с АТД мощностью 4800 и 3600 кВт.
В связи с тем, что электровоз с АТД при заданной скорости движения может реализовать любое тяговое усилие в зависимости от заданных параметров регулирования (путем изменения подводимого напряжения или его частоты), сравнение электровозов было проведено по следующей методике.
1. Применительно к электровозу ЭП2К для заданных значений масс и скоростей движения было рассчитано сопротивление движению поезда, по ТЭХ выбрана ближайшая характеристика электровоза, на которой определены значения силы тяги Рк1 и КПД электровоза г/эт1.
2. Для найденного значения силы тяги Рк1 было уточнено значение массы вагонов, которые может везти электровоз постоянного тока на данной характеристике равномерно длительное время, по формуле [6]
Шв =
- Шл100 + )
+ ^Пг +
(25)
3. Применительно к электровозу с АТД была определена величина силы тяги, которую нужно развить данному локомотиву для ведения поезда с уточненной массой вагонов с равномерной скоростью движения длительное время, по формуле
Рк2 = Рк1 - АР = Рк1 - • АШ .
(26)
4. Для заданного значения скорости движения путем подбора частоты и величины напряжения АТД была рассчитана характеристика электровоза с АТД, при которой можно реализовать значение силы тяги , и определен коэффициент полезного действия электровоза т2.
5. По найденным значениям , , и Т1эт2 было проведено сравнение энергетической эффективности электровозов ЭП2К с четырехосными локомотивами с АТП мощностью 4800 и 3600 кВт по формуле (7). Результаты сравнения приведены в таблице 3.
Таблица 3 - Анализ сравнения показателей эксплуатации электровозов ЭП2К с четырехосными электровозами с АТП номинальной мощностью 4800 и 3600 кВт
Типаж электровоза, число осей, ед. Номинальная мощность электровоза Рэ, кВт Масса электровоза Шл, т Масса вагонов (состава) Шв, т Скорость Соединение ТД (частота питаю- Напряжение ТД ид, В Ток двигателя /д, А Сила тяги КПД электровоза пэ % Снижение расхода
движения Уэ, км/ч щего напряжения /¡), Гц электровоза кН электроэнергии Ла , %
ЭП2К,
6 4800 135 П-ОП3 1500 339,000 65,053 91,4
АТП,
4 4800 95 752,363 154,404 (126,772) 1260 227,700 61,484 90,1 4,165
АТП,
4 3600 95 (127,268) 1026,9 280,647 61,484 90,2 4,229
ЭП2К,
6 4800 135 П-ОП1 1500 282,500 61,847 90,6
АТП,
4 4800 95 859,653 134,032 (110,269) 1008 237,200 58,918 89,6 3,618
АТП,
4 3600 95 (110,322) 978 240,882 58,918 90,2 4,313
ЭП2К,
6 4800 135 СП-ОП3 1000 282,500 43,855 87,7
АТП,
4 4800 95 635,239 122,016 (100,373) 819 192,600 41,266 86,6 4,709
АТП,
4 3600 95 (100,231) 880,2 175,520 41,266 88,5 6,754
ЭП2К,
6 4800 135 СП-ОП2 1000 260,000 43,582 86,8
АТП,
4 4800 95 695,778 111,843 (92,065) 756 156,200 41,258 85,7 4,162
АТП,
4 3600 95 (91,981) 782,4 181,214 41,258 87,9 6,517
ЭП2К,
6 4800 135 СП-ПП 1000 200,000 35,747 83,3
АТП,
4 4800 95 605,155 100,691 (82,805) 693 162,925 33,691 82,6 4,954
АТП,
4 3600 95 (82,796) 684,6 158,379 33,691 85,3 7,962
ЭП2К,
6 4800 135 СП-ПП 1000 230,000 46,280 85,2
АТП,
4 4800 95 890,451 91,447 (75,188) 756 178,084 44,404 84,5 3,260
АТП,
4 3600 95 (75,300) 684,6 185,033 44,404 86,9 5,931
ЭП2К,
6 4800 135 С-ОП5 500 280,000 31,073 78,1
АТП,
4 4800 95 621,072 75,396 (62,478) 567 144,788 29,534 78,1 4,988
АТП,
4 3600 95 (62,635) 489 153,894 29,534 80,9 8,277
ЭП2К,
6 4800 135 С-ОП3 500 260,000 34,240 77,3
АТП,
4 4800 95 739,052 63,432 (52,254) 504 150,500 32,901 77,3 3,912
АТП,
4 3600 95 (52,264) 489 149,083 32,901 80,1 7,271
№ 3(31) л л л ч ИЗВЕСТИЯ Транссиба 51
=2017
Как видно из данных таблицы 3, при вождении поездов с массами, близкими к средней массе поезда на рассматриваемом участке пути в диапазоне скоростей движения от 60 до 160 км/ч четырехосными электровозами с АТД с мощностью 4800 кВт, расход электроэнергии на тягу может быть снижен на 3,5 - 5 %, а электровозами с АТД с мощностью 3600 кВт еще больше -от 4 до 8 %. Как следует из анализа значений, приведенных в таблице 3, четырехосные электровозы на равнинном участке пути способны водить поезда массой 900 т со скоростью движения 154 км/ч с током 280 А (при номинальном токе 364 А), что говорит о возможном запасе мощности.
Для полноты проводимого анализа помимо оценки разницы расхода электроэнергии сравниваемых электровозов была произведена проверка локомотивов по условиям сцепления колес с рельсами и определено время их разгона до средней скорости движения на участке.
С этой целью был рассчитан минимальный вес, который должен иметь четырехосный электровоз при максимальной скорости движения 160 км/ч и массах поезда 1350 (максимально разрешенной на участке [1]) и 748 т по формуле [4]
кр
9,81 -щ
тл2 Шп , (27)
где у - коэффициент сцепления электровоза, определяемый как [4]
3
щ = 0,28 +--0,0007 -V, (28)
50 + 20 - V
и определено, что четырехосные локомотивы (массой 95 т) по условиям сцепления колес с рельсами могут водить составы массой 1350 и 748 т со скоростью движения 160 км/ч на участках с подъемами 3 и 11 %о соответственно.
Расчет времени разгона электровозов был проведен на основании следующих положений.
Пусковая сила тяги электровоза ограничивается либо условиями сцепления колес локомотива с рельсами, либо максимальным током ТД. Сила тяги, определяемая условиями сцепления колес электровоза с рельсами, была рассчитана по неравенству [4]
^п.э < Рсц = 9,81 - тл -щ-103. (29)
Сила тяги, определяемая перегрузочной способностью двигателя, была найдена для наибольшего значения тока при пуске, который соответствует следующему значению [4]:
I б = К п.э -I э , (30)
где кпэ - коэффициент эксплуатационной перегрузки, равный 1,6 - 1,8 [4].
Сравнение времени разгона электровозов до средней скорости движения на рассматриваемом участке (81,4 км/ч) показало, что в период пуска у четырехосного электровоза с АТД ограничение пусковой силы тяги будет по условиям сцепления колес с рельсами, а у электровоза ЭП2К пусковая сила тяги будет ограничена токовой нагрузкой (790 А), в связи с чем время разгона электровоза ЭП2К со средней массой поезда (748 т) до средней скорости движения составит 1 минуту 27 секунд, а четырехосного - 1 минуту 49 секунд и будет отличаться на 22,1 секунды, или на 25,5 %.
На основании проведенного сравнительного анализа можно сделать вывод о том, что при эксплуатации электровозов с рациональным значением мощности и числа осей для обеспечения современных пассажирских перевозок на равнинных участках пути можно снизить расход электроэнергии на тягу на 3,5 - 8 %, и это без учета снижения расхода электроэнергии на вспомогательный привод.
Эксплуатация электровозов с рациональным значением мощности в четырехосном исполнении несмотря на незначительное увеличение времени разгона в сравнении с шестиосным типажом является предпочтительней с экономической точки зрения - меньшее число осей (колесных пар), ТД и другого оборудования, что облегчает затраты на производство, обслуживание и ремонт ЭПС. Еще одним положительным качеством данных электровозов при значительном
увеличении пассажиропотока является возможность использования их по системе многих единиц (СМЕ), что гораздо предпочтительнее с экономической точки зрения, чем эксплуатация по СМЕ шестиосных локомотивов.
Можно рассмотреть также эксплуатацию на равнинных участках пути электровозов различной мощности. Применение локомотивов двух типов на одном участке и подбор их под поезда с соответствующими массами и количеством остановок позволит значительно снизить расход электроэнергии на тягу.
Список литературы
1. Плаксин, А. В. Пути снижения расхода электроэнергии при эксплуатации пассажирских электровозов на равнинных участках пути [Текст] / А. В. Плаксин, С. В. Швецов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2017. - № 1 (29). - С. 35 - 47.
2. Перцовский, Л. М. Энергетическая эффективность электрической тяги [Текст] / Л. М. Перцовский // Железнодорожный транспорт. - 1974. - № 12. - С. 39 - 43.
3. Андрющенко, А. А. Повышение энергетической эффективности пассажирских электровозов с асинхронным тяговым приводом [Текст] / А. А. Андрющенко, А. А. Зарифьян, П. Г. Колпахчьян // Известия ПГУПСа. - 2015. - № 4. - С. 5 - 14.
4. Проектирование систем управления подвижным составом электрических железных дорог. [Текст] / Под ред. Д. Д. Захарченко. - М.: Транспорт, 1964. - 351 с.
5. Гетьман, Г. К. Выбор параметров номинального режима магистральных электровозов [Текст] / Г. К. Гетьман, С. В. Арпуль, Р. Н. Демчук // Зал1зничний транспорт Украши. - 2009. -№ 3. - С. 11 - 14.
6. Розенфельд, В. Е. Теория электрической тяги: Учебник [Текст] / В. Е. Розенфельд, И. П. Исаев, Н. Н. Сидоров. - М.: Транспорт, 1983. - 328 с.
7. Проектирование тяговых электрических машин: Учебник. [Текст] / Под ред. М. Д. На-ходкина. - М.: Транспорт, 1976. - 624 с.
8. Электровоз двойного питания ЭП10: особенности конструкции и электрических схем. [Текст] / А. И. Лещев, С. С. Матекин и др. // Локомотив. - 1999. - № 11. - С. 28 - 32.
9. Захаров, В. И. Электровоз двойного питания ЭП10: особенности конструкции и электрических схем [Текст] / В. И. Захаров, М. А. Комаровский, П. М. Лузиков // Локомотив. - 2000. -№ 1. - С. 30 - 32.
10. Преобразовательные полупроводниковые устройства подвижного состава [Текст] / Под ред. Ю. М. Инькова. - М.: Транспорт, 1982. - 263 с.
References
1. Plaksin A. V., Shvetsov S. V. Puti snizheniya raskhoda ehlektroehnergii pri ehkspluatacii passazhirskih ehlektrovozov na ravninnyh uchastkah puti (Ways to reduce energy consumption in the operation of passenger electric locomotives on the flat sections of the road). Izvestiya Transsiba - The journal of Transsib Railway Studies, 2017, no. 1 (29), pp. 35 - 47.
2. Pertsovsky L. M. Energeticheskaya ehffektivnost' ehlektricheskoj tyagi (Energy efficiency of electric traction). Zheleznodorozhnyj transport - Railway transport, 1974, no. 12, pp. 39 - 43.
3. Andryushchenko A. A., Zarifyan А. А., Kolpahchyan P. G. Povyshenie energeticheskoy effek-tivnosti passazhirskikh elektrovozov s asinkhronnym tyagovym privodom (Improving the energy efficiency of locomotives with asynchronous traction motor). Izvestiya PGUPS - Processing Petersburg Transport University, 2015, no. 4, pp. 5 - 14.
4. Rotanov N. A., Zaharchenko D. D., Gorchakov E. V., Plaks A.V., Milyutin S. V., Nekra-sov V. I. Proektirovanie sistem upravleniya podvizhnym sostavom ehlektricheskih zheleznyh dorog (Designing control systems for rolling stock of electric Railways). Moscow: Transport, 1964, - 351 p.
5. Getman, G. K., Arpul S. V., Demchuk R. N. Vybor parametrov nominal'nogo rezhima magis-tral'nyh ehlektrovozov (The Choice of parameters of the nominal mode electric locomotives) / Zaliz-nichnij transport Ukraini - Zaliznychnyi transport Ukraini), 2009, no. 3, pp. 11 - 14.
6. Rosenfeld V. E., Isaev I. P., Sidorov N. N. Teoriya elektricheskoy tyagi (Theory of electric traction). Moscow: Transport, 1983, 328 p.
!№ 3(31) Л Л Jt ^ ИЗВЕСТИЯ Транссиба 53
=2017
7. Nakhodkin M. D., Vasilenko G V., Bocharov V. I., Kozorezov M. A. Proektirovanie tyagovyh ehlektricheskih mashin. Uchebnik. (Design of traction electric machines. The Textbook). Moscow.: Transport, 1976. - 624 p.
8. Leshchev A. I., Matekin S. S., Usvizky S. A., Kirillov V. S. Ehlektrovoz dvojnogo pitaniya EP10: osobennosti konstrukcii i ehlektricheskih skhem (Electric dual power ЭП10: design and electrical circuits). Lokomotiv - The Locomotive, 1999, no. 11, pp. 28 - 32.
9. Zaharov V. I., M. A. Komorowski M. A., Luzikov P. M. EHlektrovoz dvojnogo pitaniya EP10: osobennosti konstrukcii i ehlektricheskih skhem (Electric Locomotive dual power EP10: design features and electrical circuits). Lokomotiv - The Locomotive, 2000, no. 1, pp. 30 - 32.
10. Inkov Yu. M., Rotanov N. A., Feoktistov V. P., Chausov O. G. Preobrazovatel'nye po-luprovodnikovye ustrojstva podvizhnogo sostava (Converter semiconductor devices of rolling stock). Moscow: Transport, 1982. - 263 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Плаксин Алексей Владимирович
Западно-Сибирская железная дорога - филиал ОАО «РЖД».
Вокзальная магистраль, д. 12, г. Новосибирск, 630004, Российская Федерация.
Ведущий инженер дорожного топливно-энергетического центра.
E-mail: [email protected]
Plaksin Alexey Vladimirovich
The West Siberian railway - branch of JSC «RZD». 12, Vokzalnaya Magistral, Novosibirsk, 630004, the Russion Federation.
Leading engineer of road fuel and energy centre. E-mail: [email protected]
Швецов Семен Васильевич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Подвижной состав электрических железных дорог», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812) 31-34-19. E-mail: [email protected]
Shvetsov Semen Vasilyevich
Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx av., Omsk, 644046, the Russion Federation.
Ph. D., associate professor of the department «Rolling stock of electric railways», OSTU. Phone: +7 (3812) 31-34-19 E-mail: [email protected]
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Плаксин, А. В. Пути повышения энергетической эффективности пассажирских электровозов при эксплуатации на равнинных участках железных дорог [Текст] / А. В. Плаксин, С. В. Швецов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. -2017. - № 3 (31). - С. 43 - 54.
Plaksin A. V., Shvetsov S. V. Ways to improve energy efficiency passenger locomotives when operating on the plains rail ways. Journal of Transsib Railway Studies, 2017, vol. 31, no. 3, pp. 43 - 54. (In Russian).
УДК 625.032
В. Г. Солоненко, Н. М. Махметов, С. Е. Бекжанова, И. С. Коптлеуов
Казахская академия транспорта и коммуникаций им. М.Тынышпаева (КазАТК), г. Алматы, Казахстан
ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ ПРОИЗВОДСТВА ТОО «КВК» НА ТЕЛЕЖКАХ МОДЕЛИ 18-9996
Аннотация. Изложены некоторые результаты динамических испытанй полувагонов с двухосными тележками 2К1. Выполнены сравнительные расчеты по исследованию влияния тележек на основные динамические показатели.
