CC BY
26
УДК 656.224.022.846
С. В. АРПУЛЬ (ДНУЖТ)
Кафедра «Электроподвижной состав железных дорог», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел.: (056) 373-15-31, эл. почта: arpul@ukr.net
ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА
Введение
Первоочередной технической проблемой освоения растущих объемов пассажирских перевозок и обеспечения конкурентоспособности железнодорожного транспорта есть его техническое переоснащение с целью значительного сокращения времени перемещения пассажиров. Успешное решение этой проблемы невозможно без ввода в эксплуатацию тягового подвижного состава, в частности электровозов, отвечающих современным требованиям, так как пассажирский электроподвижной состав железных дорог Украины, особенно переменного тока, требует обновления. По данным «Укрзалiзнищ» [1] средний износ парка электровозов составляет 90 %. В 2015 году из инвентарного парка пассажирских электровозов необходимо изъять около 95 % электровозов серии ЧС2 и 75 % -серии ЧС4 у которых закончился срок службы, уже продленный до 45 лет.
Чтобы избежать приобретения малоэффективного подвижного состава, необходима разработка новых подходов к определению основных параметров электровозов - скорости и мощности номинального режима.
Постановка и решение задачи определения параметров электровозов
Для выполнения указанной выше проблемы требуется решение следующих задач:
- определение рациональных значений основных внешних параметров электровоза для вождения поездов на конкретном направлении при заданной их составности и технической скорости движения;
- определение оптимальной градации мощности парка электровозов для обеспечения пассажирских перевозок на заданном полигоне тяги.
В настоящей работе будет рассмотрено решение первой задачи. В качестве критерия оптимальности при выборе основных параметров электровоза следует принять минимум расхода электроэнергии на осуществление перевозок при заданном времени движения поездов. Та-
кой подход представляется оправданным, поскольку затраты на электроэнергию составляют существенную долю эксплуатационных расходов железных дорог.
Используя единицы измерения физических величин, регламентированные правилами тяговых расчетов [2], мощность номинального режима пассажирского электровоза определим как
Мн = 2,725 к^^п, Вт (1)
где ^кп - среднее значение предельной силы
тяги электровоза в период пуска (пусковая сила тяги);
уп - скорость выхода на характеристику номинального напряжения (пусковая скорость); км - коэффициент, равный отношению
мощности продолжительного режима к мощности, соответствующей выходу на пусковую скорость. Как показано в [2]
кы = 1 / (кхку), (2)
где ку - отношение пусковой силы тяги к силе
тяги продолжительного режима;
ку - отношение пусковой скорости к скорости продолжительного режима.
Необходимое значение пусковой силы тяги, а значит и мощности номинального режима, следует определять так, чтобы обеспечить возможность реализации в момент выхода на пусковую скорость заданной величины ускорения ап. Сформулированному условию соответствует сила тяги
^кп = (Р + 0 [ ^оп +102(1 + УН ], (3)
где Р, Q - масса электровоза и состава, соответственно;
^оп - основное удельное сопротивление движению поезда в режиме тяги при пусковой скорости;
(1 + у) - коэффициент инерции вращающихся масс;
© Арпуль С. В., 2014
ап - значение ускорения при достижении пусковой скорости и движении поезда на площадке (на основании [4 - 7] может быть принято равным 0,3.. .0,4 м/с2).
В выражении (3) фигурирует масса электровоза Р . Ее целесообразно определить из условия реализации требуемой величины ^сп при заданном расчетном коэффициенте сцепления при пусковой скорости укп, т.е. из равенства
F^ = 1000Рук
(4)
Для удобства производимых расчетов введем коэффициент
k р=Q -
(5)
который, приравняв правые части (3) и (4) и учтя, что
P< п
Q W
оп
- w
пг
)
P + Q
получим в виде Щ
k = -оп '^пг +102ап(1 + Y) р 1000 Укп -[wOп +102ап (1+ Y)]
(6)
где щ
;оп - основное удельное сопротивление движению при пусковой скорости, соответственно локомотива в режиме тяги и состава;
щпг - дополнительное удельное сопротивление движению состава от подвагонных генераторов [2].
С учетом (5) выражение (3) приведем к виду
^кп = (1 + кр)[оп +102(1 + УН] . (7)
Анализ выражения (6) показал, что основными параметрами, определяющими величину кр, являются пусковая скорость vп и ускорение при пуске ап . Значение кр не зависит от
величины уклона, так как задача решается, исходя из условия реализации заданного пускового ускорения на площадке [3]. С достаточной для практических расчетов точностью зависимость кр (ип, ап), определяемую выражением
(6), можно аппроксимировать трехчленом вида
кр = ¿0 + Мп + ¿2«% , (8)
где vп - значение пусковой скорости, км/ч; ап - значение пускового ускорения, м/с2;
¿0, ¿1 , Ь2 - коэффициенты аппроксимации, значения которых приведены в табл. 1.
Согласно (1) при заданной силе тяги Ркп мощность номинального режима является функцией пусковой скорости. Ее значение определяется исходя из принятых выше критериев оптимизации.
Анализ выражения (1) показывает, что мощность пассажирского электровоза при заданной массе поезда определяется, главным образом, величиной пусковой скорости. Следовательно, определение оптимальной мощности локомотива сводится к установлению оптимального значения пусковой скорости ип(0р?).
Для решения задачи воспользуемся предложенным в [8] подходом к определению пусковой скорости пассажирских электровозов.
Решение данной задачи предполагает выполнение следующей процедуры:
- для ряда заданных значений пусковой скорости определяются предельные тяговые характеристики электровоза [3];
- для принятых значений пусковой скорости vп на основании тяговых расчетов определяется зависимость минимального расхода электроэнергии от заданной величины технической скорости [8];
- по (ут , vп) определяется зависимость оптимальной пусковой скорости vп(0pt) соответствующей минимуму расхода электроэнергии на тягу и соответственно мощности номинального режима от технической скорости.
Установленные зависимости vп(0pt)(vx) и
Ын(0р[)(vx) характеризуют конкретный участок железнодорожной линии и не зависят от составности поезда. Докажем это утверждение.
Уравнение движения поезда представим в виде [3]
И 71
v — = $(/к (V) - Ьк (v) - Що (v) - /■(5)), (9)
а,?
где - размерный коэффициент, значение которого зависит от принятых единиц измерения физических величин;
Що - удельное основное сопротивление движению поезда;
/к - удельная сила тяги электровоза;
Ьк - удельная тормозная сила поезда;
/(,) - продольный профиль железнодорожной линии.
^п =
© Арпуль С. В., 2014
Область определения управляющих параметров Ьк (V), /к (V) и м>о (V) можно установить следующим образом.
Тормозная сила поезда может принимать следующие значения
0 < Ьк < ЬК:
(10)
где Ьк - предельное значение тормозной силы [2] Ьк = 1000 -Эр Ф Кр, (11)
где Эр - расчетный тормозной коэффициент,
определяемый действующими тормозными нормативами;
ФКр - расчетный коэффициент трения тормозных колодок.
Сила тяги электровоза удовлетворяет условию
0 < /к ( V) < f к ( v),
(12)
где /к (V) - представляет собой предельную тяговую характеристику электровоза в
удельных единицах. Как показано в [3], / к (V)
можно определить с помощью выражений приведенных в табл. 2 для определения координат предельной тяговой характеристики электровозов с коллекторными ТЭД и с асинхронными ТЭД, имеющим три зоны регулирования скорости:
- зона пуска - 0 < V < vп;
- зона поддержания постоянной мощности -^ < v < ^ :
- зона «сериесной» характеристики -Х)а< v < vк .
Отметим, что в ЭПС с асинхронными ТЭД может использоваться и две зоны регулирования, например электровозы ДС3 и ЭП10.
Приведенные в табл. 2 выражения подтверждают высказанное выше утверждение о независимости оптимального значения пусковой скорости от массы поезда, поскольку не содержат в качестве переменных массу состава и локомотива.
Таблица 1
Значения коэффициентов в выражении (8)
Тип ЭПС Ь0 Ь Ь2 Объясняемый разброс
Постоянного тока -0,061 0,0022 1,0146 98,2
Переменного тока -0,044 0,0019 0,8171 98,1
С асинхронными ТЭД 0,009 0,0011 0,5704 98,7
Таблица 2
Координаты предельной тяговой характеристики
Интервал скоростей Тип ЭПС
с асинхронными ТЭД с коллекторными ТЭД
0 < Vп f кп = ^оп + i +102 ап (1 + Y)
^ < ^ f к ( v) = f кп Vf
va < ^ / к ( V) = / кп Ф V — * ( V ^ f / к ( V) = Fj* kVV /КИ V '°п ) kf ßmin
В данной работе рассмотренная задача решена применительно к электровозам с асинхронным тяговым приводом, учитывая его перспективность.
Для выработки рекомендаций по выбору удельной мощности и скорости номинального режима перспективных пассажирских электровозов для железных дорог Украины были выполнены соответствующие расчеты для участков, электрифицированных на переменном (Юго-Западная, Одесская, Львовская ж.д.) и
постоянном (Приднепровская, Южная, Донецкая ж.д.) токе.
Расчеты выполнены для реального продольного профиля участка при следующих исходных данных:
- ускорение поезда на площадке в период разгона - не ниже 0,3 м/с2;
- остаточное ускорение поезда на площадке при достижении конструкционной скорости -0,05 м/с2;
© Арпуль С. В., 2014
- реализуемая на наитруднейшем подъеме скорость движения поезда - не ниже пусковой;
- конструкционная скорость электровоза -160 км/ч;
- ограничения максимальной скорости движения на участке - 160 км/ч.
Остановимся подробнее на анализе полученных результатов.
Следует отметить, что каждый участок характеризует «своя» зависимость уп(0р)(ут), поскольку характер этих зависимостей определяется спецификой конкретного участка (характеристики продольного профиля, установленные ограничения скорости, расстояния между раздельными пунктами и т.д.). Таким образом, одному и тому же значению технической скорости на различных участках соответствуют отличающиеся значения Уп(ор1). Сказанное наглядно иллюстрируется графиками рис. 1.
Вместе с тем на полигоне тяги, обслуживаемом тяговыми средствами одного или нескольких локомотивных депо, экономически невыгодно вводить в эксплуатацию разнотипные электровозы. Поэтому для железных дорог Украины следует выбрать пусковую скорость для полигона тяги на постоянном и переменном токе из условия возможности реализации заданной технической скорости на каждом участке полигона, т. е. как
Mopt) = max {^(opi) i (^г )i1 vT i = VT з } ,(13)
i = U,
где vг. з - заданная величина технической скорости;
k - количество участков обращения полигона тяги.
Выражение (13) представляет правило выбора лимитирующего участка на полигоне тяги, т.е. такого перегона на котором при одинаковых ограничениях скорости движения заданный уровень технической скорости реализуется при наибольшей удельной мощности электровоза, а приведенные на рис. 1 зависимости следует рассматривать как рекомендации при выборе номинальной мощности перспективных электровозов.
На основании предложенной в [3, 8] методики разработаны рекомендации по выбору параметров номинального режима перспективных пассажирских электровозов с асинхронными тяговыми двигателями для железных дорог Украины.
Для расчетов, в качестве базового варианта, принят участок Днепропетровск - Киев. Выполнено три варианта расчетов при различном сочетании ограничений максимальной скорости движения, представленных в табл. 3.
сп, им/ч 100 90 80 70 60 50 40 30
60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 V, км/ч
Рис. 1. Зависимость оптимальной пусковой скорости от технической скорости на участках Юго-Западной железной дороги
© Арпуль С. В., 2014
Таблица 3
Варианты распределения по удельному весу ограничений скорости на участке Днепропетровск - Киев
Ограничение скорости, км/ч Относительная длина ограничения скорости, %
вариант распределения ограничений
1 2 3
100 40 40 —
110 10 10 —
120 10 — 40
130 10 - 10
140 30 50 10
150 — — 10
160 - — 30
Результаты расчетов пусковой скорости и удельной мощности электровозов с асинхронным тяговым приводом для различных ограничений скорости представлены на рис. 2 и 3 кривыми 1 - 3.
Горизонтальные линии на указанных рисунках соответствуют минимальным значениям пусковой скорости и удельной мощности тяги, при которых возможна реализация конструкционной скорости электровоза при движении на горизонтальном участке пути, т.е. значения, ниже которых не обеспечивается реализация заданной величины остаточного ускорения.
Из приведенных на рис. 2 зависимостей уп(0р)(ут) также видно, что при первом варианте ограничений может быть реализована техническая скорость немногим больше 110 км/ч. При этом, для организации движения нужен электровоз, номинальный режим которого определяют скорость 60 км/ч и удельная мощность 6,9 кВт/т (точка на кривой первого варианта), что соответствует минимально возможным значениям по величине остаточного ускорения, а наращивание удельной мощности не
обеспечивает повышения технической скорости движения.
Повышение технической скорости движения пассажирских поездов сверх 110 км/ч возможно только при увеличении максимально допустимой скорости движения на участке.
В качестве возможных рассмотрены два варианта, показанные в табл. 3:
- вариант 2 - повышение максимальной скорости движения до 140 км/ч на участках, где скорость движения ограничена величиной 120 и 130 км/ч. В этом случае относительная длина участков с допускаемой скоростью 140 км/ч возрастает до 50 % общей протяженности;
- вариант 3 - повышение максимальных скоростей движения на всех элементах профиля на 20 км/ч. В этом случае максимальная скорость движения на 30 % протяженности участка достигнет отметки 160 км/ч.
Расчеты показали, что второй вариант не дает существенного увеличения технической скорости, а в третьем варианте достигается увеличение технической скорости до значения 130 км/ч при увеличении необходимой мощности электровоза (точка на кривой третьего варианта).
Vn(opV им/ч 100
90
80
70
60
50
40
30
20
1 вариант 2 1 вариант 3 вариант
ограничение по ао=0,05 м/с2
vT, им/ч
105 110 115 120 125 130
Рис. 2. Оптимальная пусковая скорость пассажирского электровоза с асинхронным тяговым приводом
© Арпуль С. В., 2014
Nу(»pO, кВт/т 12 11 10
105 110 115 120 125 130 ^ к™'4
Рис. 3. Оптимальная удельная мощность номинального режима пассажирского электровоза
с асинхронным тяговым приводом
Выводы
На основании выполненных исследований показано, что для каждой железнодорожной линии существует зависимость оптимальных значений пусковой скорости от величины потребной технической скорости движения, которая может
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Сергиенко Н. И. Решение проблем подвижного состава железных дорог Украины через взаимодействие государственного и частного секторов экономики / Н. И. Сергиенко // Локомотив-информ.
- 2010. - №6. - С. 40-46.
2. Правила тяговых расчетов для поездной работы. - М.: Транспорт, 1985. - 287 с.
3. Арпуль С. В. Определение силы тяги пассажирского электровоза при решении задач тягового обеспечения / С. В. Арпуль // Электрификация транспорта, № 5. - 2013. - С. 8-11.
4. Высокоскоростное пассажирское движение (на железных дорогах). Под ред. Колодяжного Н. В.
- М.: Транспорт, 1976. - 416 с.
5. Бещева Н. И. Местное пассажирское движение на электрифицированных линиях / Н. И. Бещева. - М.: Транспорт, 1965. - 224 с.
6. Справочник по электроподвижному составу, тепловозам и дизель-поездам / Под ред. А. И. Тищенко. Т.1. - М.: Транспорт, 1976. - 432 с.
7. Исследование высокоскоростного электропоезда ЭР200 / Под ред. В. Г. Иноземцева. Сб. науч. тр. - М.: Транспорт, 1985. - 83 с.
8. Арпуль С. В. Определение скорости движения и удельной мощности номинального режима пассажирских электровозов / С. В. Арпуль // Электрификация транспорта, № 7. - 2014. - С. 107-113.
Поступила в печать 19.11.2014.
Ключевые слова: скорость номинального режима, ускоряющая сила, удельная номинальная мощность, основное удельное сопротивление движению, удельная мощность электровоза.
Внутренний рецензент Гетьман Г. К.
быть использована для определения оптимальной скорости номинального режима электровоза.
Анализ результатов выполненных тяговых расчетов позволил установить, что пусковая скорость перспективных пассажирских электровозов с асинхронными ТЭД может быть принята равной 70 км/ч, а удельная мощность тяги 8,0 кВт/т. REFERENCES
1. Sergienko N. I. Reshenie problem podvizhnogo sostava zheleznykh dorog Ukrainy cherez vzai-modeystvie gosudarstvennogo i chastnogo sektorov ekonomiki [The solution of the problems of the rolling stock of Railways Ukraine through the interaction of public and private sectors of economy] / N. I. Sergienko // Lokomotiv-inform. - 2010. - №6. - pp. 40-46.
2. Pravila tiagovykh raschetov dlia poezdnoi raboty [Rules traction calculations for train operation]. - M.: Transport, 1985. - 287 p.
3. Arpul S. V. Opredelenie sily tiagi passazhirskogo elektrovoza pri reshenii zadach tiagovogo obespecheniia [Definition traction control passenger locomotive when solving problems traction software] / S. V. Arpul // El-ektrifikatciia transporta, № 5. - 2013. - pp. 8-11.
4. Vysokoskorostnoe passazhirskoe dvizhenie (na zheleznykh dorogakh) [High-speed passenger traffic (Railways)] Pod red. Kolodiazhnogo N. V. -M.: Transport, 1976. - 416 p.
5. Beshcheva N. I. Mestnoe passazhirskoe dvizhenie na elektrifitcirovannykh liniiakh [Local passenger traffic on electrified lines] / N. I. Beshcheva. -M.: Transport, 1965. - 224 p.
6. Spravochnik po elektropodvizhnomu sostavu, teplovozam i dizel-poezdam [Handbook of the electric rolling stock, diesel locomotives and diesel trains] / Pod red. A. I. Tishchenko. V.1. - M.: Transport, 1976. - 432 p.
7. Issledovanie vysokoskorostnogo elektropoezda ER200 [The study of high-speed trains] / Pod red. V. G. Inozemtceva. Sb. nauch. tr. - M.: Transport, 1985. - 83 p.
8. Arpul S. V. Opredelenie skorosti dvizheniia i udelnoi moshchnosti nominalnogo rezhima passazhir-skikh elektrovozov [The definition of speed and power density nominal mode of passenger electric locomotives] /S. V. Arpul // Elektrifikatciia transporta, № 7. -2014. -pp. 107-113.
Внешний рецензент Панасенко Н. В.
© Арпуль С. В., 2014
9
8
7
4
електро
:омий склад / electric rolling stock
Приведены результаты определения рациональных параметров номинального режима электроподвижного состава для вождения пассажирских поездов при заданной их составности и технической скорости движения. В работе указано, что для обновления парка электровозов необходимо решение двух отдельных задач: определение рациональных значений основных внешних параметров электровоза для вождения поездов на конкретном направлении при заданной их составности и технической скорости движения; определение оптимальной градации мощности парка электровозов для обеспечения пассажирских перевозок на заданном полигоне тяги.
В данной работе приведены результаты, касающиеся выбора рациональных параметров электровозов. Установлены критерии, определяющие оптимальные значения параметров электровозов для пассажирского движения. Установлено, что номинальная мощность электровоза при регламентированной величине пускового ускорения, характеристиках продольного профиля железнодорожного пути, известном типе тягового привода и установленной составности поезда, однозначно определяется величиной пусковой скорости, поэтому задача определения оптимальных параметров номинального режима пассажирского электровоза сводится к определению оптимального значения пусковой скорости. В работе приведены рекомендации по выбору параметров номинального режима для пассажирских электровозов с асинхронным приводом.
Кафедра «Електрорухомий склад залiзниць», Днтропетровський нацюнальний ушверситет залiзничного транспорту iменi академ^а В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Днтропетровськ, Укра'ша, 49010, тел.: (056) 373-15-31, ел. почта: arpul@ukr.net
Наведено результати визначення рацюнальних параметрiв номшального режиму електрорухомого складу для обслуговування пасажирських поТздв при заданш Тх мас та техшчнш швидкост руху.
У робот зазначено, що для оновлення парку електровозiв необхщно виршення двох окремих задач: визначення рацюнальних значень основних зовшшшх параметрiв електровоза для обслуговування поТздв на конкретному напрямку при заданш Тх маа та техшчнш швидкосп руху; визначення оптимальноТ града-цп потужносп парку електровозiв для забезпечення пасажирських перевезень на заданому полнот тяги.
В данш робот наведено результати, що стосуються вибору рацюнальних параметрiв електровозiв. Встановлено критерп, що визначають оптимальш значення параметрiв електровозiв для пасажирського руху. Встановлено, що номшальна потужнють електровоза при регламентованш величин пускового прис-корення, характеристиках поздовжнього профiлю залiзничноТ колiТ, вiдомому типi тягового приводу i вста-новленiй масi поТзда, однозначно визначаеться величиною пусковоТ швидкосп, тому задача визначення оптимальних параметрiв номшального режиму пасажирського електровоза зводиться до визначення оптимального значення пусковоТ швидкосп. У робот наведено рекомендацп щодо вибору параметрiв номшального режиму для пасажирських електровозiв з асинхронним приводом.
Ключовi слова: швидкють номiнального режиму, прискорююча сила, питома номшальна потужнють, ос-новний питомий отр руху, питома потужнють електровоза.
Department of electric rolling stock of railways. Dnepropetrovsk National University of Railway Transport named after academician Lazaryana, str. Lazaryana, 2, Dnepropetrovsk, Ukraine, 49010, tel.: (056) 373-15-31, e-mail: arpul@ukr.net
THE CHOICE OF RATIONAL PARAMETERS OF THE TRACTION ELECTRIC ROLLING STOCK
The results of the determination of rational parameters of the nominal mode of the electric rolling stock for driving passenger trains at specified their trains and technical speed.
In the paper indicated that for upgrading the fleet of locomotives requires solving two separate problems: the definition of rational values of the main external parameters of the locomotive to drive trains in a specific direction at a given their trains and technical speed; determining an optimal gradation power electric locomotives for passenger traffic on the specified polygon thrust.
In this paper we present the results regarding the choice of rational parameters of electric locomotives. Established criteria that determine the optimal values of parameters of electric locomotives for passenger traffic. It is established that the nominal power of the locomotive when the regulated value of the starting acceleration characteristics of the longitudinal profile of the railway track, a known type of traction drive and installed trains train, is uniquely determined by the value of the starting speed, so the problem of determining the optimal parameters of the nominal mode of passenger locomotive is reduced to the determination of the optimal values of the starting speed. The paper contains recommendations on the choice of parameters in the nominal mode for passenger locomotives with asynchronous drive.
Keywords: speed rated mode, accelerating power unit rated power of the main specific resistance movement, the power density of the electric locomotive.
УДК 656.224.022.846
С. В. АРПУЛЬ (ДНУЗТ)
ВИБ1Р РАЦЮНАЛЬНИХ ПАРАМЕТР1В ТЯГОВОГО ЕЛЕКТРОРУХОМОГО СКЛАДУ
Внутршнш рецензент Гетьман Г. К. UDC 656.224.022.846 S. V. ARPUL (DNURT)
Зовшшнш рецензент Панасенко М. В.
Internal reviewer Getman G. K.
External reviewer Panasenko M. V.
© Арпуль С. В., 2014
