Повышение эксплуатационной эффективности дизелей маневровых тепловозов

Развитие железнодорожного транспорта определено задачами, поставленными ХХУ1 съездом КПСС и последующими Пленумами ЦК КПСС, по повышению эффективности перевозок /I/.

Одним из основных направлений повышения эффективности железнодорожных перевозок является увеличение веса и скорости движения поездов, ускорение процесса переработки составов на сортировочных станциях. Это определяет дальнейший рост секционной мощности тепловозов, которые являются одним из основных видов тяги на железных дорогах нашей страны и за рубежом.

Потребность железнодорожного транспорта в мощных локомотивах обусловила рост агрегатной мощности тепловозных дизелей, главным образом за счет увеличения среднего эффективного давления Р которое обеспечивается повышением давления наддува Рк и цикловой подачи топлива ёц.

В настоящее время на маневровых тепловозах применяют дизели различных классов с гидравлической и электрической передачами мощности. В последние годы для условий тяжелой маневровой работы отдается предпочтение тепловозам с электрической передачей мощности. По вопросу выбора типа и характеристик дизелей для маневровых тепловозов существуют противоречивые мнения. Некоторые специалисты утверждают /5,6/, что на маневровых тепловозах не целесообразно применять двигатели с повышенным и высоким газотурбинным наддувом. Другие считают, что необходимо широко внедрять двигатели с высоким газотурбинным наддувом во всех отраслях народного хозяйства, в том числе и на тепловозах /2/. Низкие значения величин удельной строительной стоимости, металлоемкости, удельного расхода топлива высокофорсированных дизелей определяют их бесспорное преимущество по сравнению с дефорсированными дизелями.

В последние годы тепловозостроительной промышленностью выпущен ряд маневровых тепловозов с высокофорсированными по наддуву дизелями типа Д49: ТЭМ5, ТЭМ6С, ТЭМ2М, ТЭМ7, ТЭМ12. Опыт эксплуатации этих тепловозов показал существенную зависимость основных показателей работы дизелей /расхода топлива, уровня дымности выхлопных газов и др./ от режимов работы и влияния различных эксплуатационных факторов. Изменение этих показателей сопровождается уменьшением надежности и экономичности работы, вызывает ухудшение тяговых свойств тепловозов.

Испытания тепловозов ТЭМ5 на переходных режимах в условиях эксплуатации показали, что расход топлива, отнесенный к средней мощности за время переходов, на 16−43% превышает расход топлива, отнесенный к той же мощности на установившемся режиме /3/. Величина перерасхода топлива увеличивается пропорционально мощности, на которую выходит дизель-генераторная установка при переводе рукоятки контроллера машиниста. Эксплуатационные испытания опытной партии тепловозов ТЭМ5, проведенные в депо Брянск-1, Московской железной дороги и депо Ховрино Октябрьской железной дороги показали, что среднеэксплуатационный расход топлива тепловозами ТЭМ5 на 8 * 14% больше среднеэксплуатационного расхода топлива тепловозами ТЭМ2 той же мощности при эксплуатации в тех же условиях /4,25/. Переходной процесс сопровождается резким увеличением дымности отработанных газов. Полученные при этом уровни дымности превышают предельно допустимые значения, предусмотренные ГОСТ 19 025–73.

По данным Уральского отделения ЦНИИ МПС применение на маневровом тепловозе ТЭМ2 вместо дизеля ПД1М высоконаддувного дизеля 6Д49 / тепловоз ТЭМ2М/ вызвало повышение расхода топлива в эксплуатации на 10,6% /5/. При сравнительных испытаниях тепловозов ТЭМ2 и ТЭМ2М на режимах, иммитирующих режимы работы дизеля при выполнении маневров толчками, установлено, что удельный расход топлива тепловозом ТЭШМ при работе на переходных режимах на 30*45% выше удельного расхода топлива тепловозом ТЭШ. Работа тепловоза ТЭШМ также сопровождается интенсивным дымлением.

Аналогичные результаты получены при испытаниях маневрового тепловоза ТЭМ6С /6/.

Применение высокофорсированных по наддуву дизелей на маневровых тепловозах привело к ухудшению их маневровых свойств. Работа этих тепловозов характеризуется низким коэффициентом использования мощности.

Высокий расход топлива указанными тепловозами в эксплуатации, интенсивное их дымление объясняется тем, что при увеличении давления наддува несколько ухудшаются динамические свойства дизелей. При этом работа дизеля происходит с низкими коэффициентами избытка воздуха для сгорания, что вызывает повышенное дымление, нагарообразование на деталях и снижает надежность работы.

Исследованиями ряда авторов и организаций /7,8,32,33,34/ установлено, что одна из основных причин ухудшения эксплуатационных характеристик высокофорсированных по наддуву дизелей состоит в рассогласовании работы систем воздухоснабжения и топ-ливоподачи. На переходных режимах набора нагрузки ухудшение приемистости силовой установки по мощности, снижение индикаторного к.п.д. происходит из-за отставания роста частоты вращения ротора турбокомпрессора и давления наддува от частоты вращения коленчатого вала и цикловой подачи топлива /97,98/. Высокое быстродействие систем регулирования частоты вращения коленчатого вала и нагрузки дизеля обеспечивает выход реек топливных насосов на упор /максимальная подача топлива в цилиндры/ через0,1−0,25с после начала переходного процесса. Вследствие инерционности ротора турбокомпрессора в первый период набора нагрузки воздушный заряд значительно меньше, чем необходимо для удовлетворительного сгорания топлива, поступающего в цилиндры. Поэтому рабочий процесс осуществляется /35/ при низких значениях коэффициента избытка воздуха /1*1.2/, индикаторного к.п.д.^. повышенных тепловых и механических нагрузках /температура выхлопных газов повышается до 900* 1200К/.

Из вышесказанного следует, что замена двигателей типа Д50 на высокофорсированные по наддуву дизели типа Д49 на маневровых тепловозах без совершенствования системы управления дизель-генератором приводит к снижению их эксплуатационной эффективности /увеличению расхода топлива и времени выполнения маневровых операций/.

В настоящее время работы по улучшению эксплуатационных качеств дизелей с высоким наддувом ведутся в следующих направлениях : — улучшение качества переходных процессов за счет постороннего воздействия на процессы в дизеле — совершенствование схем и систем наддува — совершенствование систем автоматического регулирования мощности и частоты вращения коленчатого вала дизеля — выбор оптимальных эксплуатационных характеристик дизелей.

Применение дополнительных внешних воздействий от посторонних источников, позволяющих устранить те или иные недостатки дизелей, совершенствование схем и систем наддува приводит к усложнению конструкции, снижению общей надежности силовой установки и приводят к значительному ее удорожанию. Вместе с тем установлено, что правильно организованный режим работы силовой установки в переходном процессе набора нагрузки может существенно повысить маневренность тепловоза и улучшить его топливную экономичность.

Следует отметить также, что исторически сложившаяся на железных дорогах страны унификация эксплуатационных характеристик дизелей маневровых и магистральных тепловозов в настоящее время уже не отвечает значительно возросшим требованиям маневровой службы.

Б связи с этим возникает необходимость оценить возможности удовлетворения требований маневровой работы существующими и перспективными типами дизелей с учетом сложившихся условий эксплуатации и применения современных технических средств регулирования дизелей и передачи мощности тепловозов. Необходимо на современном этапе и на перспективу выявить требования тяги при маневровой работе тепловозов к мощности силовой установки, тяговым качествам локомотива, продолжительности работы под нагрузкой и на холостом ходу и т. п. Наличие таких требований позволяет путем численного моделирования оценить эффективность применения дизелей различных типов, конструктивное исполнение силовой установки, передачи мощности дизелей, характеристики и типаж перспективных маневровых тепловозов.

Следует отметить, что маневровая служба отличается большим многообразием видов выполняемой работы, которая предъявляет к силовой установке разноречивые требования. На данном этапе развития маневровых тепловозов целесообразно выявить наиболее тяжелые режимы, характерные для всех видов маневровой работы, и по результатам их анализа разработать технические требования к дизелям маневровых тепловозов по мощности и скорости приема нагрузки, на основании которых и производить выбор основных параметров тепловозов и эксплуатационных характеристик дизель-генераторов.

Настоящая диссертационная работа посвящена решению актуальной задачи повышения эксплуатационной эффективности маневровых тепловозов за счет выбора рациональных значений мощности дизелей и сцепного веса тепловозов, а также рациональной организации режима нагружения дизель-генератора.

Решение поставленной задачи осуществляется на основе экспериментальных и аналитических исследований работы дизель-генератора маневрового тепловоза. По данным экспериментальных исследований и численного эксперимента откорректирована математическая модель дизель-генератора 1А-9ДГ, разработанная в МИИТе, применительно к дизель-генератору маневрового тепловоза с учетом его особенностей.

Выбор характеристик нагружения дизель-генератора маневровых тепловозов и их рациональных параметров произведен с учетом особенностей маневровой работы и вероятностного распределения весов, прибывающих для переработки на сортировочную станцию составов, а также с учетом степени загруженности сортировочной станции.

С помощью разработанной в настоящей диссертационной работе методики выбора эксплуатационных характеристик дизелей произведено сравнение эффективности использования на маневровых тепловозах дизелей с различным уровнем форсировки по наддуву и показана целесообразность использования на маневровых тепловозах высокофорсированных по наддуву дизелей./О.

ВЫВОДЫ:

I. На основе экспериментальных исследований откорректирована математическая модель силовой установки маневрового тепловоза.

Зависимость среднеэксплуатационной угловой скорости вращения коленчатого вала дизеля бОд от. начальной угловой скорости вращения коленчатого вала.

Рис. 3.28.

2. Математическая модель работы дизеля достоверно отражает качественные и количественные характеристики реальных процессов изменения состояния рабочего тела.

3. По результатам численного эксперимента установлена целесообразность использования на маневровых тепловозах высокофорсированных по наддуву дизелей.

4. На показатели переходного процесса в дизель-генераторе существенное влияние оказывает характер изменения нагрузки и частоты вращения коленчатого вала дизеля.

4. ХАРАКТЕРИСТИКИ НАГРУЖЕНИЯ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ И РАЦИОНАЛЬНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ МОЩНОСТИ И СЦЕПНОГО ВЕСА МАНЕВРОВЫХ ТЕПЛОВОЗОВ.

4.1. Критерий эффективности работы маневровых тепловозов.

Основными показателями, характеризующими способ выполнения маневровой операции, являются время и стоимость, затраченные на ее выполнение, которые тесно связаны с параметрами локомотива, планом и профилем пути в маневровом районе и т. д. Как известно, время и стоимость выполнения маневровой операции обратно пропорциональны, т. е. чем меньше затрачивается времени на выполнение маневровой операции, тем она дороже — выше энергетические затраты. Например, требование повышения экономичности силовой установки в переходном процессе приводит к затягиванию процесса и потере тепловозом маневренности, требование по повышению приемистости силовой установки по мощности приводит к снижению коэффициента избытка воздуха, дымлению и высоким тепловым перегрузкам. Определение критерия эффективности работы маневрового тепловоза без учета какого-либо из указанных факторов приводит к противоречивым результатам.

Совершенствование силовой установки, направленное на повышение эксплуатационной эффективности маневровых тепловозов, может быть оценено по суммарной стоимости С и времени Т выполнения тепловозом заданной маневровой работы Л .

Собственно, за критерий эффективности и/ при оптимизации работы маневровых тепловозов можно принять произведение стоимости работы тепловоза С на время Т. Работа, выполняемая тепловозом, при заданном режиме работы, известной нагрузке на ось тепловоза и заданном профиле пути определяется весом маневрового состава Qn.

Отсюда следует, что.

V.

W=mir> W-C-T при Qn= const /4.1/.

Время работы тепловоза в режиме тяги Тт определяется временем одного разгона состава *tp и количеством отцепов Уогц в составе:

Тт =2 /4.2/.

Количество отцепов в составе Мсггц определяется из следующего выражения /88/:

Уотц =i5+QOOOm4 -Qn /4.3/.

Стоимость работы тепловоза С складывается из стоимости израсходованного топлива Ст и стоимости работы тепловоза Ср, определяемой расходами по его техническому обслуживанию и ремонту, т. е.

С~Ст +СР.

Цена дизельного топлива по нормативным данным составляет 0,074 руб. за один килограмм.

Расход топлива дизелем в эксплуатации можно представить в следующем виде: И<�пч-и.

Br ~LL6t?J / +<5Тр), /4.4/ где $tlJ — расход топлива в единичном режиме — ju — число единичных режимов набора мощности силовой установки при расчете переходных процессов набора нагрузки ;

— время работы дизеля на холостом ходу — в расчетах принимаем время торможения тепловоза равным времени разгона, тогда Я⁷⁰/>Л/ ~ 7р

Для определения времени Тт и расхода топлива использу.

Стоимость работы тепловоза в эксплуатации определяем из следующих соображений.

Как известно, существенное влияние на моторесурс дизеля оказывает среднеэксплуатационная частота вращения коленчатого вала дизеля. С ее увеличением моторесурс дизеля сокращается. Одновременно с повышением динамических нагрузок при увеличении частоты вращения коленчатого вала растет износ деталей, что сокращает срок службы дизеля до заводского ремонта согласно соотношению /52/:

Т- /4.5/.

По нормативным данным /96/, представленным в таблице 4.1, суммарная стоимость всех видов технического обслуживания и ремонта дизеля маневрового тепловоза типа ТЭМ7 за один цикл составляет 29 000 руб.

Приняв срок службы маневрового тепловоза до заводского ремонта равным 9 годам, рассчитаем стоимость одной секунды работы тепловоза от указанной выше суммы, если считать, что тепловоз работает 300 дней в году и 20 часов в сутки. Для маневровых тепловозов с серийной системой регулирования частоты вращения и мощности силовой установки эта величина составляет с = -29 000- = о, 15 руб.

Р 300−20.3600.9.

Согласно результатам численного эксперимента /см.гл.З/ среднеэксплуатационная угловая скорость вращения коленчатого вала дизелей маневровых тепловозов составляет 55 * 60 род/с.

Для представленных величин среднеэксплуатационной угловой ср скорости вращения коленчатого вала со^ и нормативного срока работы маневрового тепловоза до ремонта Тр показатель степени в выражении /4.5/ равен 1,6.

Срок службы тепловозов до заводского ремонта в случае реализации дизель-генераторами различных характеристик нагружения определяется по выражению:

5Ш /4'б/.

TP~Qcf>6 > ср где (д)^ - среднеэксплуатационная угловая скорость вращения коленчатого вала — зависимость t^-^fOOg) * определенная в разделе 3, представлена на рис. 3.28. ср

Графически зависимость Тр от изображена на рис. 4.1. Тогда стоимость одной секунды работы такого тепловоза определяется из выражения:

Cpc ~300−20−3500• Тр /4−7/.

Стоимость работы дизеля за время маневровых операций по расформированию состава определяется по выражению:

Ср =Срс — Тр /АЛО/.

Данное выражение показывает, что работа дизель-генератора на повышенных частотах вращения коленчатого вала удорожает стоимость одной секунды работы маневрового тепловоза.

Величину этой стоимости следует учитывать в переходном процессе дизель-генератора в каждом принятом расчетном интервале времени и за весь период переходного процесса и прибавлять к величине стоимости расхода топлива дизелем за этот период времени.

Процедура минимизации критерия эффективности работы маневрового тепловоза при расчете характеристик нагружения реализу.

Зависимость времени работы маневрового тепловоза между капитальными ремонтами от среднеэксплуатационной угловой скорости вращения коленчатого вала дизеля.

Рис. 4.1.