CC BY
8
УДК 656.224.022.846
С. В. АРПУЛЬ (ДНУЗТ), Г. К. ГЕТЬМАН (ДНУЗТ)
Кафедра «Електрорухомий склад залiзниць», Днiпропетровський нацiональний унiверситет залiзничного транспорту iменi академiка В. Лазаряна, вул. Лазаряна 2, м. Днтро, Укра'на, 49010, тел. (056)373-15-31, ел. пошта: де^ап-дк@Киа, ОЯСЮ: orcid.org/0000-0002-3471-6096
ВИЗНАЧЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТ1 МОДУЛЬНО! ТЯГИ
Вступ
Графiком руху по!здiв для кожного напрям-ку з^знично! лши, виходячи з техшчних мож-ливостей тягового засобу, зокрема тягового електрорухомого складу, встановлюсться певна норма маси состава, яка повинна вщповщати повному використанню потужностi тягового засобу. Однак на практищ маса состава носить випадковий характер, а вщхилення маси состава вщ норми в меншу сторону приводить до появи надлишку тягово! потужносп.
Надлишкова потужнiсть не може бути вико-ристана на пiдвищення швидкосп, оскiльки в графiку руху, незалежно вiд маси, всi по!зда прокладаються з однаковою розрахунковою ходовою швидюстю. Наявнiсть надлишково! потужностi негативно впливае на економiчнi показники перевiзного процесу, тому що приводить до росту витрат на вщновлення (попов-нення) i утримання парку тягових засобiв, а та-кож до збшьшення витрати електроенергп на тягу по]дщв.
Зменшити надлишкову потужнють тягових засобiв, а значить i сумарну потужнiсть парку тягових засобiв, можна за рахунок використан-ня модульно! тяги, тобто за рахунок водшня по!здiв тяговими зчепами, сформованими з ок-ремих тягових модулiв з розрахунку, щоб !х потужнють була достатньою для водiння конкретного по!зда.
Пiд тяговим модулем маеться на увазi тягова одиниця, придатна для використання як у скла-дi зчепу, так i самостiйно.
Постановка та виршення задачi визна-чення параметрiв тягових засоб1в
Науковi й методолопчш основи вибору оп-тимальних зовнiшнiх параметрiв тягових моду-лiв i визначення обумовлено! !хшм викорис-танням економн витрат на вщновлення (попов-нення) експлуатованого парку викладеш в [13].
Однак для бшьш повно! оцiнки економiчно! доцшьност застосування модульно! тяги слiд вивчити питання И енергетично! ефективностi, оскшьки в цей час витрати на енергоноси вно-
сять вагому складову у витрати, що визначають собiвартiсть продукцн.
Зниження витрати енерги на тягу по]дщв при модульнiй тязi обумовлене зниженням частки маси транспортного засобу в мас по!зда й зниженням витрат енерги на власш потреби.
Установимо взаемозв'язок витрати енерги на рух по!зда й маси тягового зчепу. Нижче визна-ченостi заради необхiднi викладення будуть виконаш стосовно до електрифiкованих залiз-ниць, однак отриманi результати можуть бути легко поширенi на будь-який вид тяги.
Нехай незалежно вщ маси по!зда й потужносп номiнального режиму тягового зчепу реаль зуеться керування, якому вiдповiдае рух по!зда на заданiй дiлянцi зi змiною фазових координат стану вщповщно до деяко! криво! швидкостi .
Вщнесеш до 1 т маси складу Q витрати електроенергп на тягу представимо у виглядi [1]
а = (1 + kp К1 j /к (S) dS,
(1)
де 5п, 5к - координати шляху, вiдповiдно на початку та в кiнцi дiльницi;
/к - питома (вщнесена до одиницi маси по!зда) сила тяги;
кр - коефщент, що визначаеться вщно-шенням маси тягового зчепу Р до маси состава д, тобто кР = рд;
П - середне значення к.п.д. тягового модуля.
На пiдставi рiвняння руху по!зда залежнють /к (S) визначаеться по заданш кривiй швидкосп V (5)
як
/к (s) = vv + wo (v (s)) + < (s)
(2)
де V - швидкiсть руху по!зда;
- розмiрний коефiцiент, що залежить вiд прийнятих одиниць вимiру фiзичних величин;
wo - основний питомий ошр руху по!зда в режимi тяги;
© Арпуль С. В., Гетьман Г. К., 2017
S
П
/(5) - поздовжнiй профшь коли задано! дiльницi.
Сила тяги повинна задовольняти умовi
0 < /к (5 )< /К ( )),
Де /к (v) - гранична питома тягова характеристика.
З урахуванням (2) на шдст^ (1) одержимо
1 + k
a = -
P
ц
J wO ((S)) dS
де
Vn = V
S =s,
Ji (S) dS +
Sn
та vk = vs =s,
2 2 VK - Vn
2 %
(3)
Якщо потужнiсть зчепу перевищуе необхщ-ну для ведення по!зда, то маса такого зчепу Р > Р0, тобто е надлишок маси, а коефiцieнт
кр > кр о .
Позначимо вщносну величину надлишково! маси як
5 р =( Р - Ро )/ Ро.
Тодi буде мати мюце спiввiдношення
кр = кро (1 + 5р). (5)
Допустимо, що за час рейсу потенцшна й кь нетична енергiя по!зда не змшиться. Тодi ви-трати електроенергп будуть визначатися робо-тою з подолання сил основного опору руху поезда
Вплив величини надлишково! потужиосп тяги на витрати електроенергi! у виразi (3) вра-ховуеться за допомогою коефiцiент кР, який фпуруе в множнику перед квадратною дужкою, а також у виразах, що визначають величину основного опору руху wО [3].
Потужнiсть сучасних тягових засобiв у но-мiнальному режимi обмежуеться умовами зче-плення, тому мшмальна маса тягового зчепу, необхщна для водiння по!здiв задано! маси буде визначатися виразом
1+к
Sk
a = -
P
ц
J wo (V (S)) dS . (6)
Po =
Q (wO(V) + an (1+ Y))
1000 (V)-(((V) + an (1 + y))
V = V
(4)
Слщ зазначити, що на пiдставi (6) для зни-ження витрат eHepriï на тягу за рахунок засто-сування модульноï тяги одержимо оцiнку зни-зу, тому що тут не враховусться можливе зб> льшення потенцiйноï енергiï поïзда та втрати в гальмах.
Вщносну величину збiльшення витрат енер-riï на тягу, обумовлену наявнютю надлишково!' потужностi тяги (маси зчепу), представимо як
Н
„(« p ) = -,,
(7)
де ук - розрахунковий коефщент зчеп-лення;
W(o - питомий основний опiр руху сос-
де a0 = a I kp =kpo . На пiдставi (6) запишемо
тава;
М>о - питомий основний отр руху тягового засобу в режимi тяги;
1+у - коефщент iнерцi! обертових мас;
ап - задане значення пускового приско-
рення;
Ун - швидкiсть номiнального режиму тягового модуля.
Величиш Ро вiдповiдае мiнiмальне значення коефщента кро = кр р р й рiвнiсть потужнос-
Р=Ро
т номiнального режиму й потужностi, необхщ-но! для ведення по!зда, тобто вщсутшсть надлишково! потужностi.
a 1 + к
J Wo(kp ,V ) dS
P sn
kP0
К
J W((kP0,V ) dS
(8)
Введемо в розгляд поняття так званого сере-днього по шляху питомого опору руху по!зда тобто
|^(V(5= ^(5К -5п).
Тодi замiсть (8) отримаемо
a = 1 + kP WoS (kP )
a0 1 + kP0 wos (kP0)
(9)
© Арпуль С. В., Гетьман Г. К., 2017
П
П
s
П
Зпдно даним [4] середнiй по шляху питомий onip руху wos можна представити у виглядi
WOS = kWW ОС
де kw - коефщент пpoпopцiйнoстi, який для тягового зчепу й для складу можна прийня-ти однаковими;
woe - отр руху по!зда при середнш швидкoстi руху на дiльницi. Зпдно [3]
woe =
kpwO e + wOe 1 + kP
модуля задовольняе умовi х — а , надлишкова маса тягових зчешв, що доводиться на один по!зд, складе
Ур = Ê j № + 1)X - y ]/p (y)dy, (13)
де х - маса тягового модуля; п - цiла частина числа Ь/х. При виводi рiвняня (13) враховане, те що:
х х
(10) j( x - y ) fp (y )dy = j( x - y )fp( y )dy
Врахувавши (10) на пiдставi (9) i (7) отрима-емо:
а = kpKс+<с а(6р )=аЛ. (11)
а0 k W + w" kP0 + p
0 lvP0ry0C ^ УУОС P0 y
де Р = <с/ ^Оо.
Вираз (11) дозволяе звести завдання про енергетичну ефективнiсть модульно! тяги до завдання визначення надлишково! маси тягового зчепу.
Очевидно, що р е функщею швидкосп по-!зда.
Величина кР0 визначаеться формулi, яка ви-пливае з (4)
< (V)+ап (1+т)
kp =
1000 у к (V )-(wO (V ) + ап (1 + у))
V = VH
Нехай для задано! дiльницi вiдомий закон розподшу маси составiв. Тодi, використовуючи вираз (4), можна отримати закон розподшу не-
обхiдно! маси тягового зчепу /р (у) , показаний на рис. 1.
т\
0 а х Ь У
Рис. 1. Розподш 1мов1рностей необхвдно! маси тягового зчепу
В^^зки 0а та 0Ь представляють найменше й найбшьше значення необхiдно! маси тягового зчепу.
Для випадку, коли тяговi зчепи формуються з однотипних модулiв, а мшмальна потужнiсть модуля вибираеться так, що вщповщна !й маса
и
j ( * - y)fP ( y)dy =
nx n+1)x
j [(n +1)y - y ]/p (y)dy
а (п+1)х
I /р (у = 0 I /р (у= 0
тому що^ ^ .
''о • Ь
?
Середне значення потужносп кiл власних потреб РВП визначаеться номiнальною потужш-стю Ын тягового модуля
P = k N
1 ВП ""ВГ'Н
(14)
(12)
де коефщент квп залежить вщ типу тягового засобу та може бути визначений на пiдставi да-них, наведених в [5].
При заданш номiнальнiй швидкостi Ун i масi состава Q потужнють номшального режиму тягового модуля визначаеться як [1]
Ын = 2,725 VКН kрVн д, кВт. (15)
З виразiв (14) i (15) випливае, що рют пито-мих витрат енергi! на власш потреби обумовле-ний збшьшенням маси тягового зчепу Р вщнос-но його необхiдно! величини Р0, можна визна-чити як
аВП (kP ) авп (kP 0 ) авп (kP0 )
або
а вп = kplkp0 — 1
(16)
Висновки
Приведена вище методика дозволяе отрима-ти оцшку енергетично! ефективностi модульно! тяги для зaлiзниць Укра!ни.
© Арпуль С. В., Гетьман Г. К., 2017
Так, попередш розрахунки показали, що ви-користання модульно! тяги, в порiвняннi з ви-користанням в експлуатацп тiльки тягових за-собiв одного типу, забезпечуе можливiсть зни-зити до 8 % обсяги закупiвлi тягових засобiв для укомплектування парку. В такiй же пропо-
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Гетьман Г. К. Выбор параметров номинального режима магистральных электровозов / Г. К. Гетьман, С. В. Арпуль, Р. Н. Демчук // Зал1зничний транс-порт Укра!ни. - 2оо9. - № 3. - С.11-14.
2. Гетьман Г. К. Определение оптимального мощностного ряда тяговых средств для пассажирских перевозок на полигоне тяги / Г. К. Гетьман, С. В. Ар-пуль, Е. А. Довгань // Вюник Дшпропет-ровського нацюнального ушверситету зал1зничного транспорту 1меш академжа В. Лазаряна. - 2оо5. -Вип. 9. - С.47-5о.
3. Арпуль С. В. Моделирование области допустимых управлений уравнения движения пассажирского поезда / С. В. Арпуль // Вюник Дшпропет-ровського нацюнального ушверситету зал1зничного транспорту 1меш академжа В. Лазаряна. - 2оо4. -Вип. 4. - С.17-22.
4. Тихонов К.К. Оптимальные ходовые скорости грузовых поездов // Труды МИИТ. Вып. 172. -М.: Транспорт, 1964. - 282 с.
5. Правила тяговых расчетов для поездной работы. М.: Транспорт, 1985. - 287 с.
Надшшла до друку 21.о4.2о17.
рцп знизяться витрати на утримання тягових засоб1в. Застосування в експлуатацп тягових засоб1в, якi формуються з тягових модулiв, забезпечуе, як встановлено за розробленою в ро-ботi методикою, можливiсть зменшення до 3 % витрат електроенергп на тягу по1зд1в.
REFERENCES
1. Getman G. K. Vybor parametrov nominalnogo rezhima magistralnykh elektrovozov / G. K. Getman, S. V. ArpuF, R. N. Demchuk // Zaliznichnyy transport Ukraini. - 2009. - № 3. - S.11-14.
2. Getman G. K. Opredelenie optimalnogo moshchnostnogo riada tiagovykh sredstv dlia passazhir-skikh perevozok na poligone tiagi / G. K. Getman, S. V. Arpul, E. A. Dovgan // Visnik Dnipropetrovskogo natcionalnogo universitetu zaliznichnogo transportu imeni akademika V. Lazariana. - 2005. - Vip. 9. - S.47-50.
3. Arpul S. V. Modelirovanie oblasti dopustimykh upravlenii uravneniia dvizheniia passazhirskogo poezda / S. V. Arpul // Visnik Dnipropetrovskogo natcional-nogo universitetu zaliznichnogo transportu imeni akademika V. Lazariana. - 2004. - Vip. 4. - S.17-22.
4. Tihonov K.K. Optimalnye hodovye skorosti gru-zovykh poezdov // Trudy MIIT. Vyp. 172. - M.: Transport, 1964. - 282 s.
5. Pravila tiagovykh raschetov dlia po-ezdnoi raboty. M.: Transport, 1985. - 287 s.
Внутршнш рецензент Костт М. О. Зовшшнш рецензент Андрieнко П. Д.
Так як маса составiв на практик не вщповщае повному використанню потужност тягового засобу, то це приводить до появи надлишку тяговоТ потужностi.
Надлишкова потужнiсть не може бути використана на пщвищення швидкостi, оскiльки в графику руху, незалежно вiд маси, вс поТзда прокладаються з однаковою розрахунковою ходовою швидкiстю. Наявнiсть надлишковоТ потужностi негативно впливае на економiчнi показники перевiзного процесу, тому що приводить до росту витрат на вщновлення (поповнення) i утримання парку тягових засобiв, а також до збшь-шення витрати електроенергп на тягу поТздв.
Зменшити надлишкову потужнiсть тягових засобiв, а значить i сумарну потужнiсть парку тягових засо-бiв, можна за рахунок використання модульноТ тяги, тобто за рахунок водшня поТздiв тяговими зчепами, сформованими з окремих тягових модулiв з розрахунку, щоб Тх потужшсть була достатньою для водiння конкретного поТзда.
Наведет в робот залежносп дозволяють отримати оцiнку енергетичноТ ефективносп модульноТ тяги для залiзниць УкраТни.
Використання модульноТ тяги, в порiвняннi з використанням в експлуатацiТ тшьки тягових засобiв одного типу, забезпечуе можлив^ь знизити до 8% обсяги закупiвлi тягових засобiв для укомплектування парку. В такш же пропорцп знизяться витрати на утримання тягових засобiв. Застосування в експлуатацп тягових засобiв, як формуються з тягових модулiв, забезпечуе, як встановлено за розробленою в робот методикою, можливють зменшення до 3% витрат електроенергп на тягу поТздв.
Ключовi слова: тяговий модуль; надлишкова маса; надлишкова потужшсть; тяговий зчеп; гранична тя-гова характеристика.
© Арпуль С. В., Гетьман Г. К., 2017 ISSN2307-4221 Електрифтащя транспорту, № 13. - 2017.
УДК 656.224.022.846
С. В. АРПУЛЬ (ДНУЖТ), Г. К. ГЕТЬМАН (ДНУЖТ)
Кафедра «Электроподвижной состав железных дорог», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Макарова 2, г. Днипро, Украина, 49010, тел. (056) 373-15-31, эл. почта: getman-gk0i.ua, ОЯСЮ: orcid.org/0000-0002-3471-6096
Так как масса составов на практике не отвечает полному использованию мощности тяговых средств, то это приводит к появления излишка тяговой мощности.
Избыточная мощность не может быть использована на повышение скорости, поскольку в графике движения, независимо от массы, все поезда прокладываются с одинаковой расчетной ходовой скоростью. Наличие избыточной мощности отрицательно влияет на экономические показатели перевозочного процесса, потому что приводит к росту расходов на восстановление (пополнение) и содержание парка тяговых средств, а также к увеличению расходов электроэнергии на тягу поездов.
Уменьшить избыточную мощность тяговых средств, а значит и суммарную мощность парка тяговых средств, можно за счет использования модульной тяги, то есть за счет вождения поездов тяговыми сцепами, сформированными из отдельных тяговых модулей из расчета, чтобы их мощность была достаточной для вождения конкретного поезда.
Приведенные в работе зависимости позволяют получить оценку энергетической эффективности модульной тяги для железных дорог Украины.
Использование модульной тяги, в сравнении с использованием в эксплуатации только тяговых средств одного типа, обеспечивает возможность снизить до 8 % объемы закупки тяговых средств для комплектации парка. В такой же пропорции снизятся расходы на содержание парка тяговых средств. Применение в эксплуатации тяговых средств, которые формируются из тяговых модулей, обеспечивает, как установлено по разработанной в работе методике, возможность уменьшения до 3 % расхода электроэнергии на тягу поездов.
Ключевые слова: тяговый модуль; избыточная масса; избыточная мощность; тяговый сцеп; предельная тяговая характеристика.
Department of "Electric rolling stock of railways", Dnepropetrovsk national university of railway transport of thename of academician V. Lazaryana, street of Lazaryana 2, Dnipro, Ukraine, 49010, tel.: (056) 373-15-31, e-mail: getman-gk@i.ua, ORCID: orcid.org/0000-0002-3471-6096
DETERMINING THE EFFECTIVENESS OF MODULAR TRACTION
Because mass of compositions does not answer the complete use of power of hauling facilities in practice, then it results in appearances of surplus of hauling power.
Surplus power can not be used on a rev-up, as in the graphic arts of motion, regardless of mass, all trains are laid with identical working on-speed. The presence of surplus power negatively influences on the economic indicators of vehicular process, because results in the height of charges on renewal (addition) and maintenance of park of hauling facilities, and also to the increase of charges of electric power on traction of trains.
To decrease surplus power of hauling facilities, and total power of park of hauling facilities, it is possible due to the use of module traction, id est due to driving of trains the hauling hooks formed from the separate hauling modules from a calculation, that their power was sufficient for driving of concrete train.
The dependences driven to work allow to get the estimation of power efficiency of module traction for the railways of Ukraine.
The use of module traction, by comparison to the use in exploitation only of hauling facilities of one type, provides possibility to bring down to 8 % volumes of purchase of hauling facilities for acquisition of park. In the same proportion charges will go down on maintenance of park of hauling facilities. Application is in exploitation of hauling facilities that is formed from the hauling modules, provides, as set on the methodology worked out in-process, possibility of reduction to 3 % expenses of electric power on traction of trains.
Keywords: traction module; excess weight; excess capacity; towing coupling; maximum traction characteristics.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МОДУЛЬНОЙ ТЯГИ
Внутренний рецензент Костин Н. А.
Внешний рецензент Андриенко П. Д.
UDC 656.224.022.846
S. V. ARPUL (DNURT), H. K. HETMAN (DNURT)
Internal reviewer Kostin M. O.
External reviewer Andrienko P. D.
© Арпуль С. В., Гетьман Г. К., 2017 ISSN2307-4221 Електрифтащя транспорту, № 13. - 2017.
