CC BY
30
УДК 629.424.1
Фалендиш А.П., д. т. н.(УкрДАЗТ) Володарець М.В., астрант (УкрДАЗТ)
РОЗРОБКА МОДЕЛ1 ДЛЯ ВИБОРУ ПОТУЖН1СНИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАНЕВРОВОГО ТЕПЛОВОЗУ 13 Г1БРИДНОЮ
ПЕРЕДАЧЕЮ
Постановка проблеми.В експлуатацп потужнють силово! установки тепловозу змшюеться в широких межах. З багатьох спостережень виходить, що коефщент завантаження силово! установки локомотиву залежить вiд полiгону експлуатацп i в основному не перевишуе величини 0,5. [1] Тобто середня експлуатацшна потужнють силово!' установки локомотиву складае не бшьше половини вiд 11 повно! потужностi.
Якщо встановити на локомотив накопичувач енергп достатньо! емностi, то встановлену потужнють силово!' установки можна знизити у два рази i бшьше, без шкоди для виконання тягово! роботи.
У якостi можливих накопичувачiв енергп можуть бути використаш акумуляторнi батаре!, конденсатори високо! емносп, гiроскопiчнi апарати [2]. Енергоемнiсть накопичувача на локомотивi обмежена ваговими, об'емними i вартiсними характеристиками.
Тому е доцшьним визначення мтмально! енергоемностi накопичувача, яка необхщна для виконання певного виду роботи локомотиву.
Мета статтьРозробка моделi визначення необхщно! енергоемностi накопичувача енергп та потужностi силово! установки для маневрового тепловозу iз гiбридною передачею.
Викладення основного матерiалу.Застосування накопичувачiв енергп у тяговш мережi локомотиву - е одним iз шляхiв зниження витрат палива на тягу в усьому свт [3]. Це е найбшьш актуальним для тягового рухомого складу, який працюе у iмпульсному режимi, наприклад: моторвагонний рухомий склад, маневровi локомотиви.
Практика доводить, що середньоексплуатацшна потужнiсть дизелiв маневрових тепловозiв складае 10-15% вiд номiнально! потужност дизеля. Тому використання накопичувача енергп саме для маневрового тепловозу е найбшьш доречним.
Для проектування пбридного тепловозу необхщно визначитись iз параметрами дизель-генераторно! установки i накопичувачiв енергп.
Локомотив працюватиме за наступною схемою: робота на середшх навантаженнях буде забезпечуватися роботою двигуна мало!' потужностi, пiд час роботи на холостому ходi та низьких навантаженнях двигун мало! потужност буде поповнювати запас енергп у накопичувач i здiйснювати роботу тепловоза, а на високих навантаженнях робота тепловоза буде здшснюватися за рахунок енергп накопичувача i за рахунок роботи двигуна мало! потужносп.
Iснуючi моделi розрахунку параметрiв локомотиву [4,5,6] не передбачають гiбридну тягу, тому в даному видi використовуватись не можуть i потребують !х доопрацювання. Було розроблено модель визначення технiко-економiчних показникiв маневрового тепловозу iз гiбридною передачею [7], але виникае необхiднiсть у визначенш його оптимальних параметрiв.
Першим кроком для виршення цього питання е розробка моделi визначення необхщно! енергоемност накопичувача енергп та потужностi силово! установки для маневрового тепловозу iз гiбридною передачею. Було розроблено таку модель.
Процедура вирiшення ще! задачi представлена на рисунку 1.
Рисунок 1. - Процедура визначення необхщно! енергоемност накопичувача енергп та потужност силово! установки маневрового тепловозу iз гiбридною передачею
На основi розроблено! процедури було складено алгоритм програми розрахунку необхщно! енергоемност накопичувача енерги та потужностi силово! установки маневрового тепловозу iз пбридною передачею, який зображено на рисунку 2.
Початок
N1 Лт
Ео
Анал1з розрахункових
даних по!здки локомотиву за даними Б1СР
Розрахунок енергоемносп накопичувача енерги
n,Tсм,Nf(т)
Еу, Е(т), Еп^
i, Nsteep, ]
Enej, Nengj
Виб1р потужност силово! енергетично! установки
Ь Ncр, Npr, Nust¡
Визначення залежноси необхщно! енергоемност накопичувача енерги[ потужност силово! установки проектуемого тепловозу
Ene(Neng)
Кiнець
Рисунок 2 - Алгоритм програми розрахунку необхщно! енергоемносп накопичувача енерги та потужност силово! установки маневрового тепловозу iз пбридною передачею
Для анаизу даних Б1С-Р вихiдними даними е: потужнють силово! установки №, яка визначалась протягом по!здки кожш 2 хвилини Ах. В результат отримуемо: значення кiлькостi зафiксованих даних п, тривалiсть роботи тепловозу тсм, а також залежнiсть Ж(т).
Шд час вибору потужностi силово! енергетично! установки вихiдними даними е: вектор i за даними Б1С-Р, кшьюсть шагiв Nsteep змiнювання потужножностi силово! установки, що розраховуеться, а на основi цього вектор j. При цьому обчислюються: коефiцiент змiни потужност bj, середня потужнiсть за даними Б1С-Р Ncр, потужнiсть Npr, яка приймаеться у якост базово! для розрахунюв, потужнiсть силово! установки, що розраховуеться, Nustj.
Для розрахунку енергоемност накопичувача енергп використовуються наступнi вихщш данi: початкова потужнiсть розрахунку Ео. При цьому розраховуеться мтмально необхщна енергоемнiсть накопичувача енергп Enej в залежност вiд обрано! потужностi силово! установки, а також визначаеться енергоемшсть накопичувача енергп Е1,| на кожному етат змiнювання необхiдно! потужностi тепловозу, i залежнiсть енергп Е(т), потребуемо! локомотивом вiд накопичувача, вiд часу роботи т.
Для визначення залежност Епе(№^) необхiдно! енергоемностi накопичувача енергп i потужностi силово! установки тепловозу, що проектуеться, вихщними даними е вектор Nengj значень потужностi проектуемо! силово! установки i вектор Enej значень мiнiмально! енергоемностi накопичувача, необхщно! для забезпечення вихiдно! роботи локомотиву.
На основi запропонованого алгоритму було розроблено програму розрахунку необхiдно! енергоемностi накопичувача енергп та потужност силово! установки маневрового тепловозу iз гiбридною передачею за допомогою пакету програм Mathcad, вiкно яко! зображено на рисунку 3.
Використовуючи цю програму при проектуванш маневрового тепловозу iз пбридною передачею, можна вибрати рацiональнi сшввщношення його силово! установки i накопичувача енергп.
Розглянемо !! застосування на прикладi тепловозу ЧМЕ3.
За даними Б1С-Р для тепловоза ЧМЕ3 №2191 було побудовано залежшсть експлуатацiйно! потужност локомотиву N£1 вiд часу його роботи Т|. Цю залежнiсть зображено на рисунку 4.
Далi обираемо потужшсть силово! установки локомотиву i в залежностi вiд цього розраховуемо енергоемшсть накопичувача енергп для кожного ьтого шагу змши експлуатацiйно! потужност локомотиву. Графiчно це зображуеться у виглядi залежностi енергоемностi Е; накопичувача енергп вщ часу роботи локомотиву Т;.
Рисунок 3. - Вшно програми розрахунку необхщно! енергоемност накопичувача енерги та потужност силово! установки маневрового тепловозу i3 гiбридною передачею
Рисунок 4. - Залежшсть експлуатацшно1 потужностi тепловозу ЧМЕ3 вiд часу його роботи за даними Б1С-Р
Так, на рисунку 5 для розглянутого вище режиму роботи тепловозу ЧМЕ3 наведено залежнють Еi при обранш потужностi силово!
установки 60 кВт.
Рисунок 5. - Залежшсть енергоемност накопичувача енергп вiд часу роботи локомотиву Ti. для потужност силово! установки 60 кВт
З наведеного рисунку виходить, що для силово! установки потужнютю 60 кВт необхщно обрати накопичувач енергп Í3 мiнiмальною енергоемнютю 27 МДж.
I на завершальному етапi для проектуемого тепловозу з урахуванням змши його експлуатацiйно! потужност будуеться залежнiсть енергоемностi накопичувача енергп Ene вщ потужностi обрано! силово! установки Neng. Залежнiсть Ene(Neng) для розглянутого режиму роботи тепловозу ЧМЕ3 зображено на рисунку 6.
О 10 20 30 40 50 60 70 SO 90 100 110 120 130 1« .0, Neng Д35
Потужшстъ ПрОеКГуЕШЛ СШЮБ01 yCiaHDEEK
Рисунок 6. - Залежшсть енергоемност накопичувача енергп Ene вiд потужностi обрано! силово! установки Neng для заданого режиму роботи
Обираючи тип накопичувача, потрiбно також враховувати його масо-габаритш показники. Тому виникае необхiднiсть у розрахунку гранично! енергоемност накопичувачiв енергп, яка обмежуеться вiльним простором тепловозу. Для цього необхщно знати ix питомi вагу i емнiсть.
В таблиц 1 наведено питомi показники рiзноманiтниx накопичувачiв енергп.
Таблиця 1. - Питомi показники накопичувачiв енергп
Тип накопичувача Питома маса, кг/кДж Питомий об'ем, л/кДж
Конденсатор ООО «МНПО Эконд» 0,37 0,19
Електрохiмiчний конденсатор «Эсма» 0,068 0,0465
Маховичний 0,0042 0,0009
Нiкель-кадмiевий акумулятор 0,021 0,012
Лтй-юнний акумулятор 0,0003 0,001
На основi цих показникiв, а також за умови обмеження вшьного простору тепловозу ЧМЭ3, було розраховано граничну енергоемшсть рiзноманiтних накопичувачiв енергп. Результати розрахунку наведено у таблищ 2.
Таблиця 2. - Результати розрахунку гранично! енергоемност рiзноманiтних накопичувачiв енергп для тепловозу ЧМЕ3.
Тип накопичувача Енергоемшсть за типом обмеження, МДж
За масою За об'емом
Конденсатор ООО «МНПО Эконд» 54 211
Електрохiмiчний конденсатор «Эсма» 294 860
Маховичний 4761 44444
Нiкель-кадмiевий акумулятор 952 3333
Лтй-юнний акумулятор 66667 40000
1з порiвняння розрахункiв, якi наведено у таблищ 2 i на рисунку 6, виходить, що для локомотиву ЧМЕ3 можна обрати будь-який iз вищенаведених накопичувачiв за умови !х масо-габаритних параметрiв.
Висновки.
1) Проведений анаиз роботи iснуючих маневрових тепловозiв.
2) Розроблена модель розрахунку необхщно! енергоемност накопичувача енергп та потужностi силово! установки маневрового тепловозу i3 пбридною передачею, процедура, алгоритм та на основi !х програма цього розрахунку.
3) Обгрунтовано доцiльнiсть використання рiзноманiтниx накопичувачiв енергп за умови ix масо-габаритних параметрiв.
4) В подальшому необxiдно розробити модель визначення оптимальних параметрiв маневрового тепловозу iз пбридною передачею, виходячи з економiчноl ефективност цього заходу.
Список лтератури
1. Коссов Е. Е., Азаренко В. А., Комарицкий М. М. К вопросу выбора мощност-ных характеристик перспективного автономного тягового подвижного состава // Транспорт Российской Федерации. — 2007. — № 10. — С. 20-21.
2. Гулиа Н.В. Накопители энергии. - М.: Наука, 1980, с.137-138.
3. Фалендыш А.П., Володарец Н.В. Оценка технического уровня маневрових тепловозов с гибридной передачей // Вюник схщноукрашського нацюнального ушверситету 1меш Володимира Даля.- №5(147) 2010. - С. 134-141.
4. Конструкция, расчет и проектирование локомотивов: Учеб. для студентов ВУЗов/ Под ред. А.А. Камаева. - М.: Машиностроение, 1981. - 351с.
5. Конструкция и динамика тепловозов. - 2-е изд., доп.; Под. ред. В.Н. Иванова - М.: Транспорт, 1974. - 336 с.
6. Механическая часть тягового подвижного состава: Учеб. Для вузов ж.-д. т-та. / И.В. Бирюков, А.Н. Савоськин, Г.П. Бурчак и др.; Под ред. И.В. Бирюкова. - М.: Транспорт, 1992. -440 с.
7. Фалендиш А.П., Володарець М.В. Розробка модел1 розрахунку техшко-економ1чних параметр1в маневрового тепловозу 1з застосуванням гибридно! тяги // Зб1рник наукових праць Дон1ЗТ. - 2010. - №23. - С. 125-156-162.
