CC BY
76
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Локомотивы», ОмГУПС.
Тел.: (3812) 31-34-17.
E-mail: BalaginDV@omgups.ru
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Овчаренко, С. М. Повышение эффективности работы системы охлаждения тепловозов в эксплуатации [Текст] / С. М. Овчаренко, О. В. Балагин, Д. В. Бала-гин // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2017. - № 1 (29). - С. 27 - 35.
35, Marx av.m Omsk, 644046, Russia. Candidate of Technical Sciences, the senior lecturer of the department «Locomotives», OSTU. Phone: (3812) 31-16-72. E-mail: BalaginDV@omgups.ru
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Ovcharenko S. M., Balagin O. V., Balagin D. V. Increase in overall performance locomotives cooling systems in operation. Journal of Transsib Railway Studies, 2017, vol. 29, no. 1, pp. 27 - 35. (In Russian).
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 СНИЖЕНИЯ РАСХОДА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПАССАЖИРСКИХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ 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. В связи с тем, что российские железные дороги характеризуются ярко выраженной неравномерностью участков пути, где наряду с холмисто-горным и горным профилем имеются и равнинные перегоны большой протяженности, электровозы при эксплуатации на разных по сложности участках пути имеют различную нагрузку, а следовательно, эксплуатируются и с разными энергетическими показателями.
Цель данной статьи - оценить энергетические показатели электровозов при вождении пассажирских поездов на равнинных участках пути и рассмотреть возможные пути повышения их энергетической эффективности.
Для достижения указанной цели был проведен анализ работы пассажирских электровозов ЭП2К на равнинном участке Новосибирск - Омск Западно-Сибирской железной дороги, определены средние значения скоростей движения и масс пассажирских поездов, для которых были рассчитаны мощность, коэффициент использования мощности и оценка экономичности работы электровозов.
На основании проведенного исследования было определено, что электровозы ЭП2К на равнинных участках железных дорог большой протяженности работают в неэкономичных режимах из-за их избыточной мощностью, которую невозможно реализовать. В связи с этим был сделан вывод о резервах экономии электроэнергии на тех участках железных дорог, где по условиям эксплуатации наблюдается явное недоиспользование мощности электровозов, предложен способ повышения эффективности их использования за счет применения ступенчатого регулирования мощности и произведена сравнительная оценка работы электровозов ЭП2К на всех и части тяговых двигателей.
Ключевые слова: энергетическая эффективность, тяга поездов, пассажирский электровоз, постоянный ток, энергетические показатели, степень использования мощности, регулирование мощности.
Alexey V. Plaksin1, Semen V. Shvetsov2
:The West Siberian railway - branch of JSC «Russian Railways», Novosibirsk, Russian Federation 2Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, Russian Federation
WAYS TO REDUCE ELECTRIC POWER CONSUMPTION IN THE OPERATION OF LOCOMOTIVES ON FLAT SECTIONS OF RAILWAYS
Abstract. Electricity consumption for traction depends on a number of operational parameters, including the use of power of electric rolling stock. Due to the fact that the Russian Railways are characterized by pronounced uneven
sections of track, which, along with the hilly-mountain and mountain profile and has flat stretches long-haul locomotives when operating on different difficulty sections of the road have a different load and therefore operated with a different energy indicators.
The purpose of this study was to evaluate the energy performance of the electric locomotives for driving passenger trains on flat terrain and the possible ways to increase their energy efficiency.
To achieve this goal was the analysis of passenger electric locomotives EP2K on a flat site Novosibirsk-Omsk, West-Siberian railway, the mean values of the speeds and masses ofpassenger trains have been calculated for capacity, utilization factor, power rating and efficiency of electric locomotives.
On the basis of the conducted research it was determined that the EP2K electric locomotives in the plains of the Railways a large extent operate in inefficient modes, due to their excess capacity, which is impossible to implement. In this regard, it was concluded that reserves of energy saving in those areas of Railways, where the operating conditions there is a clear underutilization of the capacity of the locomotives, a method of increasing the efficiency of their use through the use of a stepped power control and comparative evaluation of EP2K electric locomotives on all parts and traction motors.
Keywords: energy efficiency, pull trains, passenger electric locomotives, direct current, energy performance, degree of power, the power regulation
Снижение расхода электроэнергии на тягу при соблюдении графиковых скоростей движения и масс поездов является одной из важнейших задач на железнодорожном транспорте, и данному вопросу уделяется повышенное внимание со стороны работников железных дорог, а также ученых и специалистов. За последние годы в этой области сделано многое, однако не все резервы еще использованы.
Так, в пассажирском движении электровозы ЭП2К эксплуатируются в настоящее время на участке от Мариинска до Самары на профиле пути, имеющем ярко выраженную неравномерность, где наряду с холмисто-горным и горным профилем имеются и равнинные перегоны большой протяженности. К равнинному профилю можно отнести весь участок от Новосибирска до Челябинска протяженностью 1400 км. Очевидно, что при работе локомотивов на разных по сложности участках пути они имеют и различную нагрузку, а следовательно, эксплуатируются и с разными энергетическими показателями.
Произведем оценку энергетических показателей электровозов ЭП2К при вождении пассажирских поездов на участке от Новосибирска до Омска, протяженность которого составляет более 600 км.
Оценить экономичность работы электровозов можно с помощью универсального энергетического показателя - коэффициента полезного действия (КПД). Для наглядности удобно воспользоваться универсальной характеристикой зависимости степени использования КПД электровоза СКПД от коэффициента использования мощности Kp, которая приведена на рисунке 1.
100 98 96 94 92 90 88 86 84 82
С
КПД' %
140
Кр, %
Рисунок 1 - Универсальная характеристика зависимости степени использования КПД электровоза от коэффициента использования мощности
Данная зависимость получена из табличных значений процентных характеристик [1], которые были аппроксимированы (достоверность аппроксимации R2 = 0,9985) и приведены к следующему виду:
С = -2,9189- 10-11 • К6 +1,9307- 10-8 • K5 -5,1905- 10-6 • К4 +
код р р Р
+7,2753 • 10-4 Кр - 5,6724 • 10-2 Кр + 2,3434 • Kp + 60,03,
(1)
где СКПд - степень использования КПД, определяемая как отношение КПД электровоза пэ к КПД электровоза в часовом режиме работы пэч [1]:
Скпд
Лэ
Пэ,
•100%.
(2)
Kp - коэффициент использования мощности, определяемый как отношение мощности локомотива на ободе колес Рк к аналогичной мощности в часовом режиме работы Pкч [1]:
КР = 400%. (3)
Р р 4 '
к.ч
Как видно из рисунка 1, степень использования КПД электровоза зависит от загруженности локомотива, и наибольшая его величина достигается при работе с мощностью, близкой к номинальной. Отклонение от номинального режима работы приводит к снижению энергетических показателей электровоза, в особенности при работе локомотивов с мощностью менее 20 % от номинальной. Данное утверждение подтверждается в работах, выполненных на эту тему [2 - 4].
Мощность на ободе колес локомотива определяется как [1]
Р =«• ^ Р,
(4)
где а - переводной коэффициент;
V - скорость движения;
р - сила тяги локомотива.
Силу тяги локомотива, необходимую для преодоления сил сопротивления движению поезда, определяют по формуле [5]:
р = тл(щ0 + Щ) + тв(Щ + ™пг + Щ X (5)
где т и т - массы локомотива и вагонов;
л в
Щ и Щ - основные удельные сопротивления движению электровоза и вагонов;
щпг и щ - дополнительные удельные сопротивления движению от подвагонных генераторов и от уклона (щ принимаем равным нулю).
Мощность на ободе колес электровоза в часовом режиме работы можно вычислить по формуле [1]:
Р = Р •П , (6)
к.ч ч 1э.ч ' V /
где Рч - мощность электровоза при часовом режиме работы.
С целью определения мощности, которую развивает электровоз при вождении поездов на равнинных участках пути, по данным автоматизированной системы централизованной обработки маршрутов машинистов (АС ЦОММ) была произведена выборка средних скоростей движения и масс пассажирских поездов на участках Новосибирск - Барабинск и Барабинск -Омск за 2013 - 2015 гг. (помесячно). Результаты выборки представлены в таблицах 1 - 2.
Таблица 1 — Среднемесячные значения средних технических скоростей движения и масс пассажирских поездов на участках Новосибирск - Барабинск и Барабинск - Омск в период 2013 - 2015 гг.
Новосибирск - Барабинск Барабинск - Омск
Период работы 2015 год 2014 год 2013 год 2015 год 2014 год 2013 год
ско- масса ско- масса ско- масса ско- масса ско- масса ско- масса
рость, км/ч поезда, т рость, км/ч поезда, т рость, км/ч поезда, т рость, км/ч поезда, т рость, км/ч поезда, т рость, км/ч поезда, т
Январь 84,5 706 77,7 804 80,1 756 80,0 731 81,0 787 81,2 759
Февраль 85,9 635 78,2 723 79,9 757 79,7 684 81,4 691 81,0 705
Март 86,3 607 77,7 740 80,0 751 79,9 672 81,1 698 81,6 713
Апрель 86,5 597 78,6 748 81,2 781 80,1 675 80,9 694 81,4 729
Май 86,3 641 77,8 771 80,1 778 80,4 690 81,7 708 81,9 717
Июнь 86,4 663 82,4 815 77,9 810 79,9 735 79,3 793 82,2 780
Июль 86,5 731 83,3 816 78,3 866 79,8 802 80,4 836 81,4 850
Август 86,5 753 84,0 797 78,5 862 79,9 814 79,7 850 81,0 861
Сентябрь 86,0 681 83,4 760 78,3 791 80,0 733 80,0 753 81,2 780
Октябрь 85,7 647 83,5 731 78,8 771 80,2 706 80,1 716 81,7 754
Ноябрь 86,1 656 83,7 750 78,2 795 80,4 726 79,8 739 81,7 767
Декабрь 86,5 673 83,9 753 77,4 826 80,3 748 79,6 746 80,8 784
За год 86,1 667 81,2 767 79,0 795 80,0 726 80,4 751 81,4 766
Таблица 2 - Средние значения скоростей движения и масс пассажирских поездов на участке Новосибирск -Омск за 2013 - 2015 гг.
Период работы Участок работы Участковая скорость, км/ч Техническая скорость, км/ч Масса поезда, т
2015 год Барабинск - Новосибирск 84,7 86,1 666
Барабинск - Омск 77,6 80,0 731
Новосибирск - Омск 81,1 83,1 699
2014 год Барабинск - Новосибирск 80,0 81,4 768
Барабинск - Омск 77,8 80,3 757
Новосибирск - Омск 78,9 80,9 762
2013 год Барабинск - Новосибирск 76,8 79,0 796
Барабинск - Омск 78,7 81,4 772
Новосибирск - Омск 77,8 80,2 784
Среднее значение за 2013 - 2015 гг. Новосибирск - Омск 79,3 81,4 748
Анализ данных таблиц 1 - 2 показывает, что за период с 2013 по 2015 г. среднемесячные массы пассажирских поездов на участке от Новосибирска до Омска находились в пределах от 597 до 866 т, а среднемесячные технические скорости движения по участкам - 77,4 -86,5 км/ч. При этом средняя масса поездов за данный период времени составила 748 т, а средняя техническая скорость - 81,4 км/ч.
Для оценки экономичности режимов работы электровозов ЭП2К при вождении пассажирских поездов на равнинных участках железной дороги для различных значений масс поездов и скоростей движения (до максимально разрешенных на данных участках) по формулам (1) - (6) были определены значения мощности, необходимой для преодоления равнинного участка пути, коэффициент использования мощности Кр и степень использования КПД Скпд.
Результаты расчетов представлены в таблице 3.
По данным таблицы 3 можно сделать вывод о том, что электровозам ЭП2К при вождении поездов массой от 600 до 870 т со скоростями движения 77 - 86 км/ч для преодоления равнинного профиля пути требуется развить мощность не более 1000 кВт, а среднее значение развиваемой локомотивом мощности в этих диапазонах масс и скоростей составляет 850 кВт. В связи с этим электровозы на равнинных участках пути используют свою мощность менее чем на 20 % от ее номинального (часового) значения и работают в неоптимальных по энергетике режимах со степенью использования КПД менее 95 %, т. е. режим их работы характери-
зуется дополнительными энергетическими затратами. Как видно из таблицы 3, только при вождении пассажирских поездов с максимально разрешенными или близкими к ним скоростями движения (140 км/ч) и массой поездов (1350 т) на Западно-Сибирской железной дороге степень использования КПД электровозов будет максимальной.
Таблица 3 - Значения мощности, необходимой для преодоления сил сопротивления движению поезда, коэффициента использования мощности и степени использования КПД электровозов ЭП2К
Масса поезда, т Скорость движения, км/ч
70 80 90 100 120 140
Рк Кр скпд Рк Кр скпд Рк Кр скпд Рк Кр скпд Рк Кр скпд Рк Кр скпд
1350 1165 26,6 93,6 1392 31,8 95,9 1658 37,9 97,7 1968 44,9 98,9 2736 62,5 100,0 3727 85,1 99,9
1200 1046 23,9 92,0 1251 28,6 94,5 1491 34,0 96,6 1771 40,4 98,2 2464 56,3 99,8 3358 76,7 100,0
1000 888 20,3 89,5 1062 24,3 92,2 1268 29,0 94,7 1508 34,4 96,8 2101 48,0 99,3 2866 65,4 100,0
800 729 16,6 86,3 874 20,0 89,2 1045 23,9 92,0 1244 28,4 94,5 1738 39,7 98,1 2375 54,2 99,7
700 650 14,8 84,4 780 17,8 87,4 934 21,3 90,3 1113 25,4 92,9 1556 35,5 97,1 2129 48,6 99,3
600 571 13,0 82,4 686 15,7 85,3 822 18,8 88,2 981 22,4 91,0 1375 31,4 95,7 1883 43,0 98,7
400 412 9,4 77,6 498 11,4 80,3 600 13,7 83,2 718 16,4 86,1 1011 23,1 91,5 1391 31,8 95,9
На основании проведенного анализа можно сделать вывод о том, что электровозы ЭП2К на равнинных участках железных дорог большой протяженности работают в неэкономичных режимах из-за их избыточной мощности. В связи с этим имеются резервы экономии электроэнергии на тех участках железных дорог, где по условиям эксплуатации наблюдается недоиспользование мощности электровозов.
Основным путем повышения энергетических показателей электровозов ЭП2К при вождении пассажирских поездов на равнинных участках, на наш взгляд, является применение ступенчатого регулирования мощности за счет отключения отдельных тяговых двигателей (ТД) и увеличения суммарного КПД локомотивов.
В связи с тем, что в некоторых публикациях [6] указано, что «в общем случае мощность потерь энергии или КПД не определяют однозначно расход электроэнергии на тягу» и «методика решения задачи должна базироваться на оценке разности расхода электроэнергии для сравниваемых режимов», представляется целесообразным дополнительно оценить экономическую эффективность работы электровозов ЭП2К на всех и части ТД по разности расхода электроэнергии, которую можно получить по характеристикам электровозов.
Обычно паспортные тяговые характеристики для всех ступеней регулирования скорости изменением напряжения получают путем пересчетов на основании заданных характеристик для одного режима работы ТД в предположении независимости потерь в ТД и зубчатых передачах от величины напряжения на коллекторе [1, 6]. Такие расчеты могут привести к ошибкам, достигающим нескольких процентов. Более точно рассчитать характеристики можно на основании нагрузочных характеристик ТД и значений потерь [1]. Поскольку при отключении части ТД экономия электроэнергии может достигать нескольких процентов, расчет характеристик необходимо проводить по результатам испытаний ТД и рекомендациям ГОСТ 2582-81.
Расчет характеристик электровоза для всех ступеней регулирования скорости был выполнен по данным протокола испытаний ТД ЭД153У1 пассажирских электровозов ЭП2К [7] в соответствии с методикой [8] и рекомендациями ГОСТ 2582-81. За основу были приняты нагрузочные характеристики двигателя, полученные по результатам испытаний. В качестве примера приведена аппроксимированная зависимость нагрузочной характеристики двигателя ЭД153У1 при холостом ходе (достоверность аппроксимации Я2 = 0,999995 ):
Е
— = 8,7675-10-13-(/в )5 + 1,6969-10-9 • (Д )4 - 8,5206"7 • (Д )3 -п (7)
-2,3 3 77 -10-4 •(/в )2 + 0,3477 • (/в ) + 1,0694,
где Е - ЭДС ТД;
n - частота вращения якоря ТД; 1в - ток возбуждения ТД.
Потери для различных нагрузочных режимов были определены следующим образом [8]. Электрические потери (потери в меди) в обмотках ТД
Д Рд.эл. = 1 д * (Г + Гдп+ко + ß ' Ггп ), (8)
где 1д - ток ТД;
гя, гдп+ко, Ггп - сопротивления обмоток якоря, компенсационной, добавочных и главных полюсов ТД;
ß - степень возбуждения ТД.
Магнитные (в стали) и добавочные потери в ТД
Д Рд.(маг+д.) = (1 + kд ) • (~Г~)2 ' "Д Рд.маг.н, (9)
СФн V
где Ф - магнитный поток ТД;
Фн - номинальный магнитный поток ТД;
с - конструктивная постоянная ТД;
Кн - номинальная скорость движения электровоза;
кд - коэффициент добавочных потерь был аппроксимирован (достоверность аппроксимации R2 = 0,9999 ) и приведен к следующему виду:
кд =-0,0191'(-^ )3 + 0,20Ь(-^ )2-0,118 "(^) + 0,235, (10)
д III
д.н д.н д.н
где I - номинальный ток ТД. Механические потери в ТД
V
р = (__) * р (11)
Д д.мех / Д д.мех.н * V /
н
Потери в контакте «щетка - коллектор» ТД электровоза
Д рд.эщ = ( I ) Д Рд.эщ.н . (12)
д.н
Значения потерь при номинальных режимах работы ТД - электрические (д Рдэлн ), магнитные ( дРдмагн ), механические ( д Рдмехн ) и в щеточном контакте ( д Рдэщн ) были приняты согласно данным протокола испытаний ТД при номинальном режиме работы [7].
Потери в зубчатой передаче электровоза определялись в соответствии с рекомендациями ГОСТ 2582-81 и путем аппроксимации были приведены к зависимости КПД от отношения подведенной мощности Рд к номинальной Рдн (достоверность аппроксимации Я2 = 0,9999):
П = 0,0275 • (-^)6 + 0,1622 • (-^)5 -1,281- (-Р)4 + 2,8893 • (-Р)3 -1зп ' Р Р Р Р (13)
д.н. д.н. д.н. д.н.
Р Р
- 3,0327 • (—)2 +1,541 • (—) + 0,6616.
Р Р
д. . д. .
Полученные тяговые характеристики, а также з начение сопротивления движению поезда массой 748 т а рав и ом участке пути представле ы а рису ке 2.
Анализ графиков на рисунке 2 наглядно показывает, что у электровозов ЭП2К существует область тяговых характеристик, где отсутствуют естественные характеристики и которая при вождении поездов массой 748 т находится в пределах 75 - 95 км/ч, что соответствует средним скоростям движения данных электровозов на рассматриваемых участках. Отсутствие естественных характеристик приводит к тому, что для поддержания заданной скорости в данном диапазоне скоростей движения машинисты чередуют движение на высшем соединении ТД с избыточным значением силы тяги - сериес-параллельном (СП) соединении, полном поле (ПП) с движением на низшем соединении ТД с недостаточным значением силы тяги - сериесном (С) соединении пятой ступени ослабления возбуждения (ОП5).
км/ч
V -
Рисунок 2 - Тяговые характеристики электровоза ЭП2К и значение сопротивления движению поезда массой 748 т на равнинном участке пути
Заполнить неперекрытую область естественных характеристик и получить дополнительные характеристики можно путем отключения 3 ТД (одной ветки) на СП-соединении электровоза. На рисунке 3 приведены дополнительные характеристики при работе электровоза на 3 ТД на СП-соединении, которые были получены как / = / тд /2.
По полученным характеристикам было проведено сравнение работы электровозов на всех и части ТД. В работе [6] приведена методика, где проводится сравнение близких по значениям скорости и силы тяги режимов работы электровоза постоянного тока на всех и части ТД и производится оценка снижения расхода электроэнергии по формуле:
Да* = ^^, (14)
а1
где а1, а 2 - удельные (отнесенные к 1 ткм или 1 поездо-км перевозочной работы) расходы электроэнергии на тягу на данном участке, определяемые как
«,= ; (15)
103- РЭ2 (16) а2 =---, (16)
^2'(тл + тв )
где Рэ1 и Рэ2 - значения потребляемых из сети мощностей сравниваемых вариантов; У1 и У2 - значения скоростей движения сравниваемых вариантов.
кН
;-соединение СП-пп
Бк, W
V
км/ч
Рисунок 3 - Тяговые и дополнительные характеристики электровоза ЭП2К и сопротивление движению
поезда массой 748 т на равнинном участке пути.
Стоит отметить, что потребляемая из сети мощность так же, как и удельный расход электроэнергии, зависят от скорости движения электровоза. Так, потребляемую из сети мощность можно представить как [1]
•• У [тл (К + Кг ) + тв (К + Кпг + Кг )]
Рэ =
а
Лэ
а
Лэ
(17)
тогда удельный расход электроэнергии на тягу
• [ тл (Ч + К ) + тв (К + Кпг + К ) ]
а •
а = •
Лэ -(тл + тв)
(18)
Расчет, проведенный по формуле (18), показывает, что при вождении электровозом ЭП2К пассажирского поезда массой 748 т со скоростью движения 97 км/ч удельный расход электроэнергии на тягу составит 14,98 кВт-ч/ткм, а при вождении со скоростью 98 км/ч -15,09 кВт-ч/ткм. Расчет выполнялся в сопоставимых условиях при одинаковом значении КПД электровоза. Таким образом, отклонение скорости движения всего на 1 км/ч приводит к изменению удельного расхода электроэнергии на 0,11 кВт-ч/ткм, или 0,7 %, что является весьма ощутимой величиной, так как экономия электроэнергии при частичном отключении ТД может составлять единицы или даже доли процента.
В связи с этим представляется более объективным при сравнении вариантов (на всех и на части ТД) рассмотреть работу электровоза не в одном близком к заданной скорости движения режиме, а наиболее приближенно к условиям эксплуатации, где для поддержания заданной скорости движения избыток тяги можно компенсировать движением с меньшим значением силы тяги и определить удельный расход электроэнергии пропорционально времени работы в каждом из режимов, тем более что современная вычислительная техника позволяет рассчитать характеристики электровоза для заданной скорости движения.
Оценка сравниваемых вариантов была произведена путем выполнения тяговых расчетов по следующей методике.
№ 1(29) 2017
Проинтегрировав уравнение движения поезда по пути с использованием разложения функции V(Б) в ряд Тейлора [1]
ЛV ДБ2 Л2V V (Б + ДБ) = V (Б) + ДБ — +
ДБ
2 ДБ2
(19)
ДБ2 Д^
при условии---- = 0,1 ^ 0,5 км/ч был определен путь, проходимый электровозом при
2 ДБ2
заданной средней скорости движения в каждом режиме:
Vр • Д V
ДБ1 =
ср
/у
и
Vср • Д V ДБ 2 = —-
2 /з
и время работы электровоза в каждом из режимов:
60 • ЛV
Дг1 = •
/у
Д( 2 =
60-АК
/з
(20)
(21)
где V - средняя скорость движения;
Д V - интервал изменения скорости движения; 2, - ускорение поезда;
/у , /з - удельные ускоряющие и замедляющие усилия электровоза в соответствующем режиме работы, определяемые по формуле [5]:
/у =
т + т
л в
/з =■
р.
т + т
лв
(22)
где 1, Рк2 - значения сил тяг электровоза в соответствующих режимах работы.
Основное удельное сопротивление движению поезда с учетом увеличения потерь в зубчатой передаче при отключении части ТД, которые можно определить как [1]
Р =
Д1 хх
К • (^х - »'а) • V • т N + К
было приведено к виду:
^ + » •К (»0' + » )• т
= ((-°-х-)тл + > 0 пг7 в
N + К
(тл + тв )
(23)
(24)
где »х - основное удельное сопротивление движению электровоза без тока; К - число отключенных ТД; N - число ТД, участвующих в режиме тяги.
По характеристикам электровоза и вычисленным значениям пути и времени работы в каждом из режимов был определен удельный расход электроэнергии на единицу пути для каждого из вариантов работы электровоза по формуле:
*
а =
Рэ.1р + Рэ.2р • Д2
60000 • (ДБ1 + ДБ2)(тл + тв)
(25)
где Рэ 1р и Рэ 2р - значения потребляемых из сети мощностей при соответствующих режимах работы.
Оценка разницы расхода электроэнергии сравниваемых вариантов (на всех и части ТД) была произведена по формуле (14), которая с учетом преобразований была приведена к виду:
л
2
/ I (Рэ.части ТД г А^части ТД г ) Е (Авсех ТД г )
Аа* = (1 - -М---у1-), (26)
Е (Рэ .всех ТД г А^всех ТД г ) Е (Ачасти ТД г ) г=1 г =1
где А^всех ТД г, А^части ТД г - время работы электровоза на всех и части ТД в каждом из режимов работы;
А£всех ТД г, А£части тд г - путь, проходимый электровозом на всех и части ТД в каждом из режимов работы;
Рэвсех тд г Рэчасти тД I - значения мощностей потребляемых из сети в каждом режиме работы электровоза на всех и части ТД определяемых как
Р = N • I •и (27)
э.г "''г ^ТД г ^ТД г' 4 7
где N2 - число ТД, участвующих в тяге, в соответствующем режиме работы; I . - ток одного ТД в соответствующем режиме работы;
ТД г
иТд г - напряжение одного ТД в соответствующем режиме работы.
Результаты сравнения экономичности электровозов ЭП2К при работе на всех и на 3 ТД на СП-соединении приведены в таблице 4.
Таблица 4 - Анализ работы электровозов ЭП2К на всех и части ТД (3 ТД на СП-соединении)
Средняя скорость движения V, км/ч Масса вагонов Мв, т Соединение тяговых двигателей / величина ослабления поля, % Ток одного ТД 1тд „ А Сила тяги одного ко- лесно-моторного блока (КМБ) ^к.о.1, кН Число рабочих ТД N Путь, проходимый электровозом при А¥= = 1 км/ч АSi, км Время работы электровоза А4 мин Удельный расход электроэнергии а, кВт-ч/ткм Процент снижения расхода электроэнергии Аа*, %
99,158 780 СП-ОП1 / 80 % СП-ПП / 100 % 254,0 204,39 7,922 6,157 6 6 9,395 5,582 5,685 3,377 15,574 4,276
99,158 780 СП-ОП5 / 40 % СП-ОП4 / 46 % 504,515 442,06 16,553 14,476 3 3 6,931 42,129 4,194 25,492 14,909
96,04 720 СП-ПП / 100 % С-ОП5 / 40 % 214 215 6,708 2,989 6 6 86,915 1,531 54,3 0,956 15,502 5,374
96,04 720 СП-ОП1 / 85 % СП-ПП / 100 % 462,5 397,19 15,65 13,369 3 3 5,251 74,056 3,28 46,264 14,669
92,551 780 СП-ПП / 100 % С-ОП5 / 40 % 226,0 224,07 7,416 3,256 6 6 12,042 1,568 7,806 1,016 15,082 5,197
92,551 780 СП-ОП3 / 54 % СП-ОП2 / 66 % 419,21 346,2 14,674 11,978 3 3 20,034 5,44 12,988 3,527 14,298
80,495 780 СП-ПП / 100 % С-ОП-5 / 40 % 282,5 262,145 10,99 4,493 6 6 1,101 2,584 0,821 1,926 14,364 6,31
80,495 780 СП-ОП1 / 85 % СП-ПП / 100 % 349,68 282,5 13,905 10,99 3 3 11,991 4,829 8,938 3,60 13,457
75,368 840 СП-ПП / 100 % С-ОП5 / 40 % 318,2 282,5 13,386 5,228 6 6 0,746 3,454 0,594 2,749 14,10 6,865
75,368 840 СП-ОП1 / 85 % СП-ПП / 100 % 392,94 318,2 16,804 13,386 3 3 3,072 63,06 2,445 50,202 13,132
Из анализа данных таблицы 4 можно сделать вывод о том, что при вождении электровозами ЭП2К пассажирских поездов массой 720 - 840 т (12 - 14 вагонов) со скоростями дви-
жения от 75 до 100 км/ч при отключении 3 ТД расход электроэнергии может быть снижен на 4 - 6,5 %. Отключение ТД рекомендуется производить при движении электровоза на СП-соединении (отключать 3 ТД), что позволит осуществлять движение в области отсутствия естественных характеристик электровоза. При отключении части ТД на данном соединении для поддержания заданной скорости движения в пределах 75 - 96 км/ч машинисту не нужно будет переходить с высшего соединения (СП-ПП) на низшее (С-ОП5), что также позволит снизить колебания тяговой нагрузки, которые приводят к увеличению потерь в контактной сети и уменьшить число коммутаций в цепи электровоза [9]. Кроме этого при отключении 3 ТД на СП-соединении появляется возможность чередования работы электровоза по группам ТД, участвующих в тяговом режиме (при соответствующих преобразованиях в цепях можно эксплуатировать электровоз сначала на одной, а затем на другой группе ТД), а также избежать излишнего (ненужного) переключения контакторов при сбросе и наборе позиций при переходе с СП-соединения ПП на С-соединение ОП5 [10].
Существует мнение, что отключение отдельных ТД может привести оставшиеся в работе движущие оси к нагрузкам, предельным по сцеплению. На самом деле это не так. Расчетами было установлено (рисунок 4), что режим отключения 3 ТД электровоза осуществляется с силами тяги колесно-моторных блоков Рко = /Ы, значительно меньшими, чем сила тяги по
сцеплению Рк0 сц 0 .
Оценивая значения Рко для режима работы электровоза на части двигателей, можно заключить, что они составляют величину примерно 0,35 от сил, предельных по сцеплению при эксплуатации электровоза на равнинном участке пути (см. рисунок 4).
кН
м
Fko, Бк.сц.о
Fk.o^o
Fkq (max) при отключени и 3 ТД
Fkq (max) при работе на всех ТД
V км/ч
Рисунок 4 - Значения ограничения по сцеплению и сил тяг, развиваемых одним колесно-моторным блоком
при работе электровоза на всех и части ТД
Проведенная оценка снижения расхода электроэнергии позволяет сделать вывод об имеющихся резервах повышения энергетической эффективности электровозов ЭП2К при эксплуатации на равнинных участках пути. Небольшие изменения силовой схемы и схемы цепей управления позволят без серьезных затрат провести эксперимент по отключению части ТД.
Список литературы
1. Розенфельд, В. Е. Теория электрической тяги: Учебник [Текст] / В. Е. Розенфельд, И. П. Исаев, Н. Н. Сидоров. - М.: Транспорт, 1983. - 328 с.
2. Бабич, В. М. Повышение энергетической эффективности электровозов: Учебное пособие [Текст] / Омская гос. акад. путей сообщения. - Омск, 1995. - 112 с.
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 / ПГУПС. - Санкт-Петербург. - 2015. - № 4. - С. 5 - 14.
4. Плаксин, А. В. Об использовании мощности пассажирских электровозов на участке Исилькуль - Инская [Текст] / А. В. Плаксин // Повышение тягово-энергетической эффективности и надежности электроподвижного состава: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 1999. С. 57 - 61.
5. Правила тяговых расчетов для поездной работы [Текст] / П. Т. Гребенюк, А. Н. Долга-нов и др. - М.: Транспорт, 1985. - 287 с.
6. Гетьман, Г. К. Еще раз об определении экономии электроэнергии на тягу за счет частичного отключения тяговых двигателей электроподвижного состава [Текст] / Г. К. Гетьман, В. Е. Васильев // Наука та прогресс транспорту // Вюник Дншропетровського нацю-нального ушверситету зал1зничного транспорту. - Дншропетровськ, 2013. - № 5 (47).
7. Протокол предварительных испытаний электродвигателя тягового постоянного тока ЭД153У1 для пассажирского электровоза ЭП2К. ТХ.218.1022 / Завод «Электротяжмаш». -Харьков, 2007. - 36 с.
8. Курбасов, А. С. Проектирование тяговых электродвигателей: Учебник [Текст] /
A. С. Курбасов, В. И. Седов, Л. Н. Сорин. - М.: Транспорт, 1987. - 536 с.
9. Бабич В. М. Оптимальное регулирование мощности многоосного сцепа в тяге /
B. М. Бабич, А. Н. Крыгин // Состояние и перспективы развития электровозостроения в стране: Тезисы докл. всесоюзной науч.-техн. конф. / Всерос. науч.-исслед. и проектно-конструкторский ин-т электровозостроения. - Новочеркасск, 1991. - С. 12, 13.
10. Саблин О. И. Снижение избыточной мощности тягового средства в процессе движения [Текст] / О. И. Саблин, В. В. Артемчук // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - Харьков, 2012. - № 6/8. - С. 34 - 38.
References
1. Rosenfeld V. E., Isaev I. P., Sidorov N. N. Teoriya elektricheskoy tyagi (Theory of electric traction). Moscow: Transport, 1983, 328 p.
2. Babich V. M. Povyshenie jenergeticheskoj jeffektivnosti jelektrovozov: Uchebnoe posobie (Improving the energy efficiency of locomotives: textbook). Omsk: OSTU, 1995, 112 p.
3. Andryushchenko A. A., Zarifian А. А., Kolpahchyan P. G. Povyshenie energeticheskoy effektivnosti 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. Plaksin, A. V. Ob ispolzovanii moshchnosti passazhirskikh elektrovozov na uchastke Isilkul - Inskaya (About using the power of the locomotives in the area of Isil'kul' - Inskaya). Increase traction and energy efficiency and reliability of electric rolling stock, Omsk, 1999. pp. 5761.
5. Pravila tyagovykh raschetov dlya poezdnoy raboty (Rules of traction calculations for train operation). Moscow: Transport, 1985, 287 p.
6. Getman, G. K. Vasilyev V. E. Eshhe raz ob opredelenii jekonomii jelektrojenergii na tjagu za schet chastichnogo otkljuchenija tjagovyh dvigatelej jelektropodvizhnogo sostava ^gain about the definition of saving of electrical energy for traction due to partial disconnection of traction motors of electric rolling stock). Nauka ta progress transport. Visnyk national transport University salbnikova, 2013, no. 5 (47).
7. Protokolpredvaritel'nyh ispytanij jelektrodvigatelja tjagovogopostojannogo toka JeD153U1 dlja passazhirskogo jelektrovoza JeP2K. TH.218.1022 (Protocol preliminary testing of the traction motor DC ЭД153У1 for passenger electric locomotive EP2K. TX.218.1022), State enterprise plant «Electrotyazhmash», Kharkov, 2007 - 36 p.
8. Kurbatov A. S., Sedov V. I., Sorin L. N. Proektirovanie tjagovyh jelektrodvigatelej. Ucheb-nik (Design of traction motors. The Textbook). - Moscow: Transport, 1987. - 536 p.
9. Babich, V. M., Krygin A. N. Optimal'noe regulirovanie moshhnosti mnogoosnogo scepa v tjage Tezisy dokladov «Sostojanie i perspektivy razvitija jelektrovozostroenija v strane (Optimal power control of multi-axis coupling gear in the thrust) Abstracts of the «State and prospects of development of electric locomotive engineering in the country». Novocherkassk, 19916 pp. 12 - 13.
10. Sablin O. I., Artemchuk V. V. Snizhenie izbytochnoj moshhnosti tjagovogo sredstva vpro-cesse dvizhenija (Reduction of excess capacity of the traction means in motion). East European journal of advanced technologies, Kharkov, 2012, no. 6/8. - pp. 34 - 38.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Плаксин Алексей Владимирович
Западно-Сибирская железная дорога - филиал ОАО «РЖД».
Вокзальная магистраль, д. 12, г. Новосибирск, 630004, Российская Федерация.
Ведущий инженер Западно-Сибирской железной дороги - филиала ОАО «РЖД».
E-mail: Plaksin.av@mail.ru
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: 89040708125@yandex.ru
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Plaksin Alexey Vladimirovich
The West Siberian railway - branch of JSC «RZD». 12, Vokzalnaya Magistral, Novosibirsk, 630004, the Russian Federation.
Leading engineer of the West Siberian railway -branch of JSC «RZD».
E-mail: Plaksin.av@mail.ru
Shvetsov Semen Vasilyevich
Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx av., Omsk, 644046, the Russian Federation. Candidate of Technical Sciences, associate professor of the department «Rolling stock of electric railways», OSTU.
Phone: +7 (3812) 31-34-19 E-mail: 89040708125@yandex.ru
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Плаксин, А. В. Пути снижения расхода электрической энергии при эксплуатации пассажирских электровозов на равнинных участках железных дорог [Текст] / А. В. Плаксин, С. В. Швецов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. -2017. - № 1 (29). - С. 35 - 47.
Plaksin A. V., Shvetsov S. V. Ways to reduce electric power consumption in the operation of locomotives on flat sections of Railways. Journal of Transsib Railway Studies, 2017, vol. 29, no. 1, pp. 35 - 47. (In Russian).
УДК 621.313
В. В. Харламов, Д. И. Попов, М. Ф. Байсадыков
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
АЛГОРИТМ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РЕСУРСА РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЩЕТОК ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
Аннотация. В данной статье приведены обобщенные результаты исследований изменения интенсивности изнашивания электрических щеток тяговых электродвигателей электровозов. На основании проведенных исследований сформирован алгоритм для прогнозирования ресурса работы щеток с учетом параметров режима работы электродвигателей. С целью повышения достоверности расчета составлены алгоритмы, позволяющие дополнительно учесть воздействие микрогеометрии коллектора на процесс работы щетки.
Ключевые слова: машина постоянного тока, коллекторно-щеточный узел, щетка, износ, прогнозирование.
