CC BY
26
Список литературы
1. Маслов, Г. П. Аэродинамические показатели токоприемников скоростного электрического подвижного состава [Текст] / Г. П. Маслов, М. А. Дятлова // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2010.- № 1. - С. 20 - 25.
2. Ступаков, С. А. Исследование изнашивания контактных пар устройств токосъема электрического транспорта на основе математического моделирования [Текст] / С. А. Ступа-ков, Т. В. Охрименко // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. -2012. - № 1. - С. 50 - 59.
3. Михеев, В. П. Контактные сети и линии электропередачи [Текст] / В. П. Михеев. - М.: Маршрут, 2003. - 416 с.
4. Михеев, В. П. Особенности узлов и характеристик перспективных токоприемников: Конспект лекций [Текст] / В. П. Михеев / Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. - Омск, 1991. - 67 с.
5. Беляев, И. А. Токоприемники электроподвижного состава [Текст] / И. А. Беляев. - М.: Транспорт, 1970. - 192 с.
6. Аркашев А. Е. Моделирование взаимодействия токоприемника и контактной подвески с учетом отрыва полоза от контактного провода [Текст] / А. Е. Аркашев, И. В. Ларькин // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2011.- № 3. - С. 2 - 8.
7. Алямовский, А. А. SoHdWorks 2007/2008. Компьютерное моделирование в инженерной практике [Текст] / А. А. Алямовский, Е. В. Одинцов, А. И. Харитонович. - СПб: БХВ-Петербург, 2008. - 1040 с.
8. Маслов, Г. П. Рациональная аэродинамическая характеристика токоприемника по условиям токосъема [Текст] / Г. П. Маслов, А. Е. Чепурко // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2012. - № 3. - С. 34 - 40.
УДК 621.313
Ю. М. Бугай
влияние толщины бандажа колесной пары на расход электроэнергии при различных нагрузочных режимах работы
электровозов постоянного тока
Ожидаемое увеличение объемов перевозок и увеличение интенсивности движения потребуют серьезного пересмотра технологической культуры ремонта и эксплуатации тягового подвижного состава. Потери электроэнергии в пусковом реостате электровоза составляют значительный процент от общего уровня расхода электроэнергии. Общий уровень потерь зависит также от массы, объема и толщины бандажа колесной пары.
На расход электроэнергии электровозами постоянного тока влияют многие факторы: вес поезда, план и профиль пути, мастерство локомотивных бригад и т. д. Более подробно рассмотрим влияние толщины бандажа колесной пары электровоза (электровозы серии ВЛ10У) на его энергопотребление при различных режимах работы.
Скорость движения электровоза определяется по формуле:
V = 0,1885 (1)
Ц
где 0,1885 - коэффициент;
Дк - диаметр колеса, зависящий от толщины бандажа, м;
ц - передаточное число зубчатой передачи;
п - частота вращения вала двигателя, об/мин.
Момент на оси и касательная сила тяги колесной пары взаимосвязаны между собой соотношением:
м0 = у" Якд. (2)
Анализ выражений (1) и (2) показывает, что при уменьшении диаметра колеса колесной пары скорость электровоза уменьшается, а касательная сила тяги увеличивается при одинаковых значениях токов двигателей.
Тяговые характеристики электровоза серии ВЛ10У с диаметром колеса 1250 мм (диаметр колеса новой колесной пары) приведены на рисунке 1. По мере износа бандажа (уменьшение диаметра колеса) тяговые характеристики будут изменяться. Рассмотрим, какими будут тяговые характеристики электровоза с толщиной бандажа 46 мм, близкой к минимально допустимому значению (45 мм). Минимально допустимую толщину бандажа рассматривать не будем, так как при толщине 45 мм производится смена колесной пары.
70000
Як
кгс
50000
400000
.30000
200000
10000
С \ \ \\ СП
к ОП4 \ \ \ ОП. \ ОП2 ОП4 у^4 ОП3 \ ОП2 П ОП4 ОП3
^ ОП1 X ПП ОП1 ПП ПО ^ -ЧЧЭ
20
40
60
80
км/ч
120
Рисунок 1 - Тяговые характеристики электровоза ВЛ10У с диаметром колеса 1250 мм
Чтобы получить тяговые характеристики для электровоза с толщиной бандажа 46 мм, необходимо каждую точку характеристики пересчитать по выражениям: скорость электровоза -
1162
V
1162
касательная сила тяги электровоза
Я
к1162
1250
1250 1162
-VI
1250'
Я
к1250;
(3)
(4)
где Г1250 и Як1250 - соответственно скорость (км/ч) и касательная сила тяги (кгс) локомотива для каждой точки тяговой характеристики электровоза с толщиной бандажа 90 мм (диаметр колеса - 1250 мм);
№ 2012
0
0
V
06301360
У1162 и Fk1162 - скорость (км/ч) и касательная сила тяги (кгс) локомотива для каждой точки тяговой характеристики электровоза с толщиной бандажа 46 мм (диаметр колеса -1162 мм), полученной из тяговой характеристики электровоза с толщиной бандажа 90 мм.
Полученные тяговые характеристики для электровоза ВЛ10У с толщиной бандажа 46 мм (диаметр колеса - 1162 мм) приведены на рисунке 2.
V -►
Рисунок 2 - Тяговые характеристики электровоза ВЛ10У с диаметром колеса 1162 мм Токовые характеристики электровоза ВЛ10У с диаметром колеса 1250 мм приведены на рисунке 3.
V -►
Рисунок 3 - Токовые характеристики электровоза с диаметром колеса 1250 мм
Чтобы получить токовые характеристики для электровоза с диаметром колеса 1162 мм, необходимо для каждого значения тока электровоза (см. рисунок 3) пересчитать скорость по формуле (3). Полученные токовые характеристики электровоза с диаметром колеса 1162 мм приведены на рисунке 4.
3500
А
2500
2000
1500
1000
500
п
сп оп4 оп3
л\ с оп4 оп3 оп2 оп2 оп1 п
оп4 ^ оп3 юп? п оп1 п
10 20 30 40 50 60
V -►
70
80 км/ч 100
Рисунок 4 - Токовые характеристики электровоза с диаметром колеса 1162 мм
1800
кВт
\ \\
\ \\у
\\\
V \ 1. \ \\
ш \ п
с \ \ ^ ОГ14 0П4 ■-"■ ОПЗ
ОГИ ПГ1 ПГ1 ^ ОП2 от ■■■ пп
1400
1200
1000
800
600
400
200
ЛРэ
20
30
АО
50
60
70
км/ч
юп
Рисунок 5 - Разность электрических мощностей электровозов серии ВЛ10У с толщиной бандажа 90 и 46 мм
при работе с одинаковыми скоростями движения
Работу электровозов с толщиной бандажа 90 и 46 мм можно рассматривать, принимая одинаковые скорости движения и одинаковые касательные силы тяги. Рассмотрим, как на
4(12)
№ 2012
0
0
V
06301360
электрическую мощность локомотива будет влиять толщина бандажа при одинаковых скоростях движения электровоза. Поочередно задаемся одинаковыми скоростями движения электровоза и для каждой скорости по рисункам 3 и 4 определяем ток электровоза. При номинальном уровне напряжения определяем электрическую мощность электровозов для толщины бандажа 90 и 46 мм, вычисляем разность этих мощностей путем вычитания электрической мощности электровоза с толщиной бандажа 46 мм из электрической мощности электровоза с толщиной бандажа 90 мм (электрическая мощность электровоза с толщиной бандажа 90 мм всегда выше) и на рисунке 5 строим зависимости разности электрических мощностей электровозов от скорости движения электровоза для всех соединений ТЭД (С, СП, П) и значений ослаблений поля.
Рассмотрим влияние толщины бандажа на электрическую мощность электровоза при одинаковых касательных силах тяги локомотива. Для этого задаемся одинаковыми касательными силами тяги локомотива, по рисункам 1 и 2 определяем скорость для электровоза с толщиной бандажа 90 и 46 мм. Далее для этих значений скоростей по токовым характеристикам электровоза (см. рисунки 3, 4) определяем ток электровоза. Рассчитываем электрическую мощность электровоза для номинального уровня напряжения. Определяем разность электрических мощностей и на рисунке 6 строим зависимости разности электрических мощностей от касательной силы тяги электровоза для всех соединений ТЭД (С, СП, П). Так же, как и в первом случае, электрическая мощность электровоза с толщиной бандажа 90 мм всегда выше электрической мощности электровоза с толщиной бандажа 46 мм. Значения разности электрических мощностей для сериесного соединения тяговых двигателей и всех величин ослабления поля расположены в области между прямыми 1 и 2, для сериес-параллельного соединения - между прямыми 3 и 4, для параллельного соединения - между прямыми 5 и 6.
Fk -►
Рисунок 6 - Разность электрических мощностей электровозов серии ВЛ10У с толщиной бандажа 90 и 46 мм
при работе с одинаковыми касательными силами тяги
Практически электровозы с различной толщиной бандажа могут работать как с одинаковыми скоростями движения, так и с одинаковыми силами тяги. Все зависит от плана и профиля пути, веса поезда, погодных условий и т. д. При следовании резервом, а также с поездами малой массы преобладает режим работы электровозов с одинаковыми скоростями дви-
жения, когда поезд интенсивно разгоняется, выходит на максимально допустимый уровень скорости, а затем поддерживает скорость движения поезда в допустимых пределах для данного участка. При вождении поездов большой массы определяющим фактором является сила тяги локомотива, поэтому здесь будет преобладать режим вождения поездов с одинаковыми касательными силами тяги.
Разность электрических мощностей при реализации одинаковых скоростей или сил тяги локомотива не означает, что будет получена экономия электроэнергии в том или другом случае. Расчеты показывают, что при различной толщине бандажа и прочих равных условиях суммарный расход электроэнергии за одну поездку получается одинаковым (без учета потерь в пусковом реостате при разгоне поезда). Расчет проведен для прямого горизонтального участка пути достаточно большой длины с одинаковыми массами и средними скоростями движения путем чередования режима тяги на ходовых позициях и выбега (в большинстве случаев характерен такой режим работы электровозов). Отличие заключается в том, что при разгоне поезда на безреостатных позициях с одинаковыми скоростями при начале и окончании движения (скорость включения и выключения режима тяги) у электровозов с более тонкими бандажами интервал режима тяги по продолжительности больше, но с меньшим током электровоза, интервал выбега по продолжительности и пройденному пути одинаковый.
Пуск, как один из элементов режима ведения поезда, характеризуется значительными потерями электроэнергии в пусковом реостате, поэтому потери энергии, возникающие при пуске, принято рассматривать и учитывать как отдельную составляющую расхода электроэнергии.
Потери в пусковом реостате определяются по формуле, кВт-ч:
ER =
1000
(5)
где R - сопротивление пускового реостата, Ом;
I - ток пускового реостата, А;
_ - продолжительность работы электровоза на реостатной позиции, ч.
На величину этих параметров в свое время оказывают влияние масса поезда, план и профиль пути, количество остановок в пути, скорость выхода на безреостатную позицию, погодные условия, мастерство локомотивных бригад и др.
В каждом отдельном случае при разгоне одного и того же поезда при всех прочих одинаковых условиях (план и профиль пути, время года и т. д.) потери в пусковом реостате будут разными. Связано это в основном с интенсивностью набора реостатных позиций. Для рассмотрения в качестве базового примем график зависимости потерь энергии Ек в пусковом реостате электровоза ВЛ10 с составом массой 4000 т на прямом горизонтальном участке пути от среднего значения пускового тока (рисунок 7). Окончанием пуска здесь считается выход на безреостатную характеристику, соответствующую полному возбуждению тяговых двигателей при параллельном соединении.
Рассмотрим, как на потери в пусковом реостате влияет толщина бандажа электровоза при различных значениях массы состава, величины подъема и среднего пускового тока электровоза.
При уменьшении толщины бандажа колесной пары при одинаковых токах касательная сила тяги колесной пары с тонким бандажом будет выше, определяется она по формуле:
Рисунок 7 - График зависимости потерь энергии в пусковом реостате электровоза ВЛ10 с составом массой 4000 т на прямом горизонтальном участке пути от среднего значения пускового тока
06301360
¥кх - ^£1250' (6)
где Fk1250 - касательная сила тяги колесной пары с толщиной бандажа 90 мм (диаметр колеса -1250 мм), кН;
Вх - диаметр колеса колесной пары, касательную силу тяги которой требуется определить, мм.
Для определения потерь в пусковом реостате кроме среднего значения пускового тока необходимо знать еще время. Для этого потребуется провести ряд дополнительных расчетов.
По пусковым характеристикам электровоза для различных значений тока определяем касательную силу тяги одной колесной пары при полном возбуждении тяговых двигателей и скорость выхода на безреостатную характеристику, соответствующую полному возбуждению тяговых двигателей при параллельном соединении (например, для тока 300 А касательная сила тяги Fкд = 2618 кгс, скорость V = 58,3 км/ч).
Основное сопротивление движению поезда определяем по формуле:
Ж - 9,81ю0(тл + тс) (7)
1000 ' ( )
Основное удельное сопротивление движению электровоза в режиме тяги определяем по формуле:
ю0' - 1,9 + 0,01 V + 0,0003V2. (8)
Основное удельное сопротивление движению вагонов определяем по уравнению:
„ 3 + 0,1 V + 0,0025V2 ю0"- 0,7 +-----. (9)
40
Основное удельное сопротивление движению поезда вычисляем по выражению:
. тл т
®0 - ®0'-л— + ®0-с— + г. (10)
тл + тс тл + тс
По второму закону Ньютона определяем ускорение поезда:
Fк - Ж
а
тл + тс
(11)
Время разгона поезда до выхода на безреостатную характеристику определяем по формуле:
^ - V
'- -^аг • (12)
Потери в пусковом реостате будем определять по рисунку 7 пропорционально длительности разгона до выхода на безреостатную характеристику для каждого значения толщины бандажа. Изменение массы поезда и величины подъема вызовет изменение основного сопротивления движению поезда, а следовательно, и продолжительности разгона и величины потерь энергии в пусковом реостате. Расчеты потерь энергии проведены для максимальной толщины бандажа электровоза 90 мм, для бандажа 46 мм и для среднего значения толщины бандажа 68 мм. Расчеты проведены для различных значений массы поезда на прямом горизонтальном участке пути и для прямых горизонтальных участков пути с различной величиной подъема. Результаты расчетов сведены в таблице.
Результаты расчета потерь энергии в пусковом реостате при различной толщине бандажа с составами различной массы на прямых участках пути с различной величиной подъема
Среднее значение пусково- 300 350 400 450 500 550 600 650
го тока, А
Скорость выхода на безреос- 58,3 54,1 50,9 48,3 46,3 44,7 43,4 42,5
татную характеристику, км/ч
Касательная сила тяги од- 2618 3295 4013 4694 5381 6066 6743 7399
ного КМБ, кгс
Масса состава, т Подъем, %0 Потери в пусковом реостате, кВт-ч
Толщина бандажа - 90 мм
1000 0 26,6 20,1 17,1 14,9 13,4 12,4 11,9 11,8
3000 0 80,7 59 49,1 42,2 37,5 34,5 33 32,5
5000 0 152 106,6 86,4 73,3 64,4 58,8 56 54,9
1000 1 28,4 21,2 17,8 15,4 13,7 12,7 12,2 12
3000 1 99,4 68,8 55,3 46,6 40,8 37,1 35,3 34,5
5000 1 237 143,6 108 87,7 74,9 67 62,7 60,9
1000 2 30,4 22,3 18,5 16 14,2 13 12,5 12,3
3000 2 129,7 82,5 63,4 52,1 44,8 40,2 37,8 36,8
5000 2 560,4 220,4 143,8 109,1 89,4 77,7 71,3 68,2
1000 3 32,8 23,6 19,4 16,6 14,6 13,4 12,8 12,6
3000 3 186,7 103,1 74,2 59 49,6 43,9 40,8 39,3
5000 3 484,9 215,5 144,5 110,9 92,6 82,7 77,6
Толщина бандажа - 68 мм
1000 0 25,6 19,4 16,5 14,3 12,9 11,9 11,5 11,3
3000 0 77,2 56,6 47,1 40,6 36,1 33,2 31,8 31,3
5000 0 144,4 101,8 82,7 70,2 61,8 56,5 53,8 52,8
1000 1 27,3 20,3 17,1 14,8 13,2 12,2 11,7 11,6
3000 1 94,2 65,6 52,9 44,6 39,1 35,6 33,8 33,2
5000 1 219,2 135 102,2 83,4 71,4 63,9 60 58,3
1000 2 29,1 21,4 17,8 15,3 13,6 12,5 12 11,8
3000 2 120,9 77,9 60,2 49,6 42,8 38,5 36,2 35,2
5000 2 470 200,7 133,8 102,5 84,5 73,7 67,8 65
1000 3 31,2 22,5 18,6 15,9 14 12,9 12,3 12,1
3000 3 169,1 95,9 69,9 55,8 47,1 41,8 38,9 37,6
5000 3 398,8 193,9 133,2 103,4 86,9 78 73,4
Толщина бандажа - 46 мм
1000 0 24,6 18,6 15,8 13,8 12,4 11,5 11 10,9
3000 0 73,8 54,2 45,2 39 34,6 31,9 30,5 30,1
5000 0 137,1 97 79,1 67,2 59,3 54,2 51,6 50,7
1000 1 26,1 19,5 16,4 14,2 12,7 11,7 11,3 11,1
3000 1 89,2 62,4 50,4 42,7 37,5 34,1 32,4 31,8
5000 1 202,8 126,8 96,7 79,2 68 61 57,3 55,7
1000 2 27,8 20,5 17,1 14,7 13,1 12 11,5 11,4
3000 2 112,8 73,4 57,1 47,2 40,8 36,7 34,6 33,7
5000 2 400,6 183,1 124,5 96,3 79,7 69,8 64,4 61,8
1000 3 29,8 21,5 17,8 15,2 13,5 12,3 11,8 11,6
3000 3 153,5 89,3 65,7 52,8 44,7 39,7 37,1 35,9
5000 3 334,9 175 122,8 96,4 81,6 73,5 69,4
По данным таблицы на рисунках 8 - 10 строим графики зависимости потерь энергии в пусковом реостате от среднего значения пускового тока электровоза при различных значениях толщины бандажа, массы состава и подъема прямолинейного участка пути. Кривые 1 и 2 построены для участка пути с подъемом 3 0/оо и электровозов с толщиной бандажа 90 и 46 мм соответственно, 3 и 4 - для горизонтального участка пути и толщины бандажа 90 и 46 мм.
06301360
1пср ^
Рисунок 9 - Зависимость потерь энергии в пусковом реостате от среднего значения пускового тока
с массой состава 3000 т
Анализ потерь в пусковом реостате электровоза показывает, что при любых одинаковых массах и подъемах потери всегда меньше на электровозах с более тонкими бандажами. Причем с уменьшением среднего пускового тока разность потерь возрастает. Также значительно возрастает и общий уровень потерь при любых массе, подъеме и толщине бандажа, связано это с уменьшением силы тяги электровоза, ускорения, а следовательно, с увеличением времени движения до выхода на безреостатную характеристику.
Как показывают расчеты, потери электроэнергии в пусковом реостате электровоза составляют значительный процент от общего уровня расхода электроэнергии, поэтому в пути следования нежелательно допускать большое количество остановок, особенно с большой массой состава или на подъемах, а также значительное снижение скорости с выходом на реостатные позиции.
600
кВт.ч
400
АЕК
300
200
100
\ 1 v
2
3 7 Л
300
350
400
450
500
550
А
650
/п,
Рисунок 10 - Зависимость потерь энергии в пусковом реостате от среднего значения пускового тока
с массой состава 5000 т
Приведенные результаты анализа работы электровозов постоянного тока с различной толщиной бандажа позволяют сделать следующее заключение:
изменение толщины бандажа не влияет на расход электроэнергии электровозом при работе на безреостатных позициях;
при разгоне на реостатных позициях уменьшение толщины бандажа вызывает снижение потерь энергии в пусковых реостатах электровоза при условии, что разгон осуществляется с одинаковыми пусковыми токами и скорость выхода на безреостатную характеристику одинакова;
увеличение среднего пускового тока электровоза вызывает снижение потерь энергии в пусковом реостате при любой толщине бандажа.
0
УДК 621.331
Ю. Н. Король, Ю. А. Чернов
внедрение единои автоматизированном системы мониторинга и учета электроэнергии на фидерах контактной сети и эпс - первый шаг к созданию «интеллектуальной» сети тягового электроснабжения
В статье изложено видение авторов на развитие автоматизированных систем учета электрической энергии ОАО «РЖД» с целью энергосбережения и повышения энергетической эффективности использования
06301360
