Снижение эксплуатационного расхода топлива тепловозами 2ТЭ116 путем применения микропроцессорной системы управления дизель-генератором тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат технических наук Бычков, Дмитрий Аркадьевич

• Бычков, Дмитрий Аркадьевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бычков, Дмитрий Аркадьевич

Введение. 1. Выбор приоритетных направлений снижения эксплуатационного расхода топлива.

1.1. Основные факторы влияющие на удельный расход топлива.

1.1.1. Конструкционные факторы.

1.1.2. Эксплуатационные факторы.

1.2. Методы снижения расходной характеристики и изменения режимов работы дизелей по условиям эксплуатации.

1.3 Постановка задачи исследования.

2. Математическое моделирование рабочего процесса дизеля на режимах нагружения.

2.1. Общее описание математической модели и её обобщенная блок-схема.

2.2. Описание математической модели рабочих процессов дизеля.

2.2.1. Выбор модели дизеля.

2.2.2. Основные допущения и расчетная схема модели.

2.2.3. Обобщенная блок схема модели дизеля.

2.2.4. Методика расчета расхода рабочего тела. 2.2.5. Методика расчета параметров рабочего тела по элементам дизеля.

2.3. Описание модели нагрузки дизеля.

2.3.1. Расчет касательной мощности и силы тяги тепловоза.

2.3.2. Расчет ускорения поезда.

2.3.3. Расчет переходных процессов, расхода топлива и изменения мощности силовой установки.

2.3.4. Примененные профили пути.

2.3.5. Примеры работы и адекватность математической модели.

3. Оценка эффективности изменения настройки тепловозной характеристики дизеля и применения секционной тяги.

3.1. Определение настройки тепловозной характеристики дизеля.

3.1.1. Анализ влияния настройки тепловозной характеристики дизель-генератора на расход топлива тепловозом.

3.1.2. Предлагаемая настройка тепловозной характеристики и ее влияние на надежность дизеля.

3.1.3. Определение настройки предлагаемой характеристики по позициям контроллера машиниста.

3.2. Разработка алгоритма секционной тяги.

3.2.1. Энергетический баланс при синхронном и несинхронном нагружении.

3.2.2. Определение требуемой силы тяги ведущей секции.

3.2.3. Предварительное определение зоны эффективности асинхронного нагружения.

3.2.4. Точки перехода на асинхронное нагружение.

3.2.5. Определение требуемых уставок позиций контроллера машиниста.

3.2.6. Порядок осуществления переходов и ограничения налагаемые на работу в режиме асинхронного нагружения.

3.3 Численная оценка эффективности предлагаемых алгоритмов.

3.3.1. Представление предлагаемых решений в мат. модели.

3.3.2. Результаты расчетов на математической модели.

3.3.3. Анализ результатов численного исследования.

4. Особенности конструкции опытного дизель-генератора и системы управления.

4.1. Усовершенствование дизель-генераторов 1А-9ДГ исполнения 2.

4.1.1. Конструктивные изменения усовершенствованных дизелей.

4.1.2. Общее описание и принцип действия микропроцессорной системы управления.

4.2. Результаты стендовых испытаний усовершенствованных дизель-генераторов.ИЗ

5. Экспериментальная проверка эффективности применения микропроцессорной системы управления дизель-генератором.

5.1. Объект испытаний.

5.2. Материально-техническое и метрологическое обеспечение.

5.3. Условия испытаний.

5.4. Результаты испытаний.

5.4.1. Проверка работы системы в режиме запуска дизеля.

5.4.2. Работа электронной системы на холостом ходу дизель-генератора.

5.4.3. Проверка электронной системы в режиме трогания тепловоза.

5.4.4. Качество работы системы при работе дизеля под нагрузкой с учетом ограничения топливоподачи по давлению наддува.

5.4.5. Работа системы в режиме управления секционной тягой.

5.4.6. Проверка работы системы по корректировке характеристики в зависимости от температуры окружающей среды.

5.4.7. Результаты эксплуатационных испытаний.

5.5. Анализ результатов приемочных и эксплуатационных испытаний. 131 6. Технико-экономическая оценка эффективности применения модифицированного дизеля и электронной системы управления.

6.1. Методика расчета.

6.2. Расчет годовых эксплуатационных расходов.

6.2.1. Снижение годовых эксплуатационных затрат на топливо.

6.2.2. Расчет снижения годовых эксплуатационных затрат на обслуживание и ремонт.

6.2.3. Снижение эксплуатационных затрат за счет общего повышения надежности дизель-генераторной установки.

6.3. Расчет суммарной экономии годовых эксплуатационных расходов

6.4. Определение экономического эффекта за расчетный период и срока возврата капитальных вложений.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Снижение эксплуатационного расхода топлива тепловозами 2ТЭ116 путем применения микропроцессорной системы управления дизель-генератором»

Железнодорожный транспорт является крупным потребителем дизельного топлива в стране. В эксплуатационных расходах локомотивного хозяйства на топливо приходится около 40 %, что составляет более 2,5 млн. тонн на сумму около 27 млрд. руб.

Последние годы расход топлива тепловозной тягой изменяется незначительно, однако за счет роста цен, затраты на топливо увеличиваются более чем на 10 % [1]. Исследования, проведенные во ВНИИЖТе в 1970 -80х гг. показали, что расход дизельного топлива тепловозной тягой по родам службы распределяется следующим образом: в грузовом движении 84,1 %, пассажирском 11,1 %, хозяйственном 3,4 % маневровая работа 0,9 % и пригородное движение 0,41 % [2]. Т.е. расход в грузовом движении является существенно преобладающим, и соответственно снижение эксплуатационного расхода топлива существующими и вновь строящимися грузовыми магистральными тепловозами есть наиболее эффективное направление снижения затрат на энергоносители. В настоящее время серийные дизели 1А-5Д49 исполнения 2, применяемые на тепловозах типа 2ТЭ116, имеют наименьший удельный расход топлива в узком диапазоне мощности (70 -ь 100 % от номинальной). Учитывая, это и то, что усовершенствованные дизели Д49 предполагается применить и на тепловозах следующего поколения, проверка новых технических решений, связанных с повышением топливной экономичности дизель-генераторов 1А-9ДГ, является особенно своевременной.

Расход топлива силовой установкой тепловоза определяется в первую очередь конструктивными характеристиками дизеля, качеством работы системы регулирования и режимами загрузки. В последние годы в различных областях промышленности и транспорта активно внедряются управляющие системы на базе электронной техники. Перевод системы управления силовой установкой тепловоза с гидромеханической на микропроцессорную основу открывает широкие возможности по повышению качества регулирования. Это подразумевает осуществление, при необходимости, автоматической корректировки законов управления и характеристик как при статических, так и при динамических режимах, а также расширение функций системы управления (например управление секционной тягой, противобуксовочной защитой и т.п.), что позволяет существенно повысить стабильность поддержания частоты вращения вала и мощности, исключить перегрузки дизеля, четко выдержать ограничение цикловой подачи топлива по текущему значению коэффициента избытка воздуха, и в итоге должно привести к снижению эксплуатационного расхода топлива тепловозом, снижению затрат на техническое обслуживание и ремонт силовой установки и улучшению экологических характеристик.

В последние годы были созданы и проверены на железных дорогах России несколько микропроцессорных систем управления силовыми установками тепловозов, некоторые из которых уже серийно внедряются. Так на начало 2004 года на сети эксплуатировалось более двухсот тепловозов оборудованных унифицированными микропроцессорными регуляторами ЭРЧМЗОТ и пятидесяти тепловозов оборудованных УСТА. В связи с этим в настоящее время существенно расширяются возможности по реализации различных алгоритмов управления и появилась острая необходимость в разработке новых.

В результате выполненных исследований, был решен ряд задач, связанных с анализом и разработкой алгоритмов управления для созданных и внедряемых на железных дорогах Российской Федерации микропроцессорных программируемых систем управления магистральными тепловозами и их силовыми установками, в частности дизель-генератором тепловозов серии 2ТЭ116. В работе проанализированы основные факторы влияющие на топливную экономичность магистральных грузовых тепловозов в эксплуатации, выявлены наиболее важные из этих факторов и определены основные направления по снижению их негативного влияния на расход топлива, исследована новая тепловозная характеристика усовершенствованных дизель-генераторов 1А-9ДГ исп.2. с реализацией номинальной мощности при частоте вращения коленчатого вала дизеля 850 *,(7МИ11> определена требуемая настройка характеристики по позициям контроллера машиниста, проанализированы возможности повышения топливной экономичности двухсекционных магистральных тепловозов за счет применения асинхронного нагружения силовых установок, разработан новый алгоритм управления секционной тягой с автоматической корректировкой моментов переходов на синхронное или асинхронное нагружение по текущим значениям скорости движения и температуры воздуха окружающей среды.

Поставленные задачи решались с использованием методов математического моделирования, графо-аналитического и эксперимен тального исследования.

Основным методом теоретического исследования послужило математическое моделирование работы силовой установки тепловоза в условиях эксплуатации, в т. ч. переходных процессов дизеля при изменении нагрузки в зависимости от случайных факторов, связанных с поездной работой.

В качестве исходных данных широко использованы материалы научно-исследовательских работ по снижению удельного расхода дизельного топлива дизель-генераторами 1А-9ДГ второго исполнения проведенных ВНИИЖТом совместно с ОАО ХК "Коломенский завод", ООО "ППП / Дизельавтоматика" и Приволжской железной дорогой.

Основные положения диссертационной работы и ее отдельные положения докладывались на конференциях аспирантов и молодых ученых по проблемам железнодорожного транспорта (Щербинка, 2000 и 2003 г.) и на заседании научно-технического совета отдела "Автономный тяговый подвижной состав" комплексного отделения "Тяговый подвижной состав и электроснабжение".

Заключение диссертации по теме «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация», Бычков, Дмитрий Аркадьевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных исследований был решен ряд задач, связанных с разработкой и анализом алгоритмов управления для созданных и внедряемых на железных дорогах Российской Федерации микропроцессорных программируемых систем управления магистральных тепловозов, в частности, серии 2ТЭ116.

1. Проанализированы основные факторы, влияющие на топливную экономичность магистральных грузовых тепловозов в эксплуатации. Выявлены наиболее важные из них и определены основные направления по снижению их негативного влияния на расход топлива.

2. Проанализирована предложенная Коломенским заводом и ВНИИЖТом новая настройка тепловозной характеристики для усовершенствованных дизель-геиераторов 1А-9ДГ второго исполнения с реализацией номинальной мощности при частоте вращения коленчатого вала дизеля в диапазоне 850 + 1000 об/Мин

3. Определена требуемая настройка характеристики по позициям контроллера машиниста применительно к тепловозам 2ТЭ116.

4. Подтверждена возможность повышения топливной экономичности двухсекционных тепловозов 2ТЭ116 на 1,5% путем применения секционной тяги.

5. Разработан новый алгоритм управления секционной тягой тепловоза 2ТЭ116, обеспечивающий наибольшую топливную эффективность и автоматически корректирующий моменты переходов на синхронное или асинхронное нагружение по текущему значению скорости движения поезда.

6. Выполненная методом математического моделирования оценка эффективности предлагаемых мер показала, что повышение тепловозной характеристики дизеля позволяет снизить средний эксплуатационный расход топлива тепловозов 2ТЭ116 за поездку на 9,2 %, а применение нового алгоритма секционной тяги еще на 1,9 %.

7. Экспериментально подтверждено, что предложенные технические решения позволили достичь снижения расхода топлива при эксплуатации опытного тепловоза около 10,8 %, по сравнению с серийными машинами этого типа, работающими в таких же условиях.

8. Накопленный экономический эффект от эксплуатации опытного тепловоза №1360 с учётом НИОКР и дисконтирования составит 9,1 млн.руб, а при проведении усовершенствования ещё 20ти локомотивам, должен составить 231,1 млн.руб. или 5,5 млн.руб. на одну секцию. Срок возврата капитальных вложений 1 год.

9. Полученные результаты приемочных и эксплуатационных испытаний подтвердили эффективность принятых технических решений и послужили основанием для рекомендации ОАО "РЖД" об оборудовании на ОАО ХК "Коломенский завод" и Воронежском тепловозоремонтном заводе модифицированными дизелями и электронными системами управления опытно-промышленной партии из 20ти тепловозов 2ТЭ116.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бычков, Дмитрий Аркадьевич, 2005 год

1.

2. Фофанов Г. А. "Экономия топлива на тепловозах" Сборник ВНИИЖТ "Повышение топливной экономичности тепловозов", М.: Транспорт, 1991г., 128 с.

3. Якобсон П. В. "Тепловоз", М.-Л.: ОГИЗ Гострансиздат.-, 1932 г., 247 с.4 "Бюллетени тепловозной комиссии. Вып. 1", М. Транспечать НКПС, 1927 г., 53 с.

4. Малышев В. А., Шпаковский И. Д., Зейтман С. М. "Тепловоз Эзл типа 2-5-1 с электрической передачей", М.: Редбюротрансмаш, 1936 г., 349 с.

5. Якобсон П. В. "История тепловоза в СССР", М.: Трансжелдориздат., 1960 г., 211 с.

6. Глаголев Н. М. "Тепловозы". М.: Гос. трансп. ж-д. изд-во, 1948 г., 388 с.

7. Володин А. И., Фофанов Г. А. "Топливная экономичность силовых установок тепловозов", М.: Транспорт, 1979 г., 126 с.

8. Володин А. И. "Локомотивные двигатели внутреннего сгорания" Изд. 2-е перераб. и доп., М.: Транспорт, 1990 г., 256 с.

9. Хомич А. 3., Тупицын О. И., Симеон А. Э. "Экономия топлива и техническая модернизация тепловозов", М.: Транспорт, 1975 г., 264 с.

10. Кудряш А. П., Заславский Е. Г., Тартаковский Э. Д. "Резервы повышения экономичности тепловозов 2ТЭ10Л". М.: Транспорт, 1975 г., 65 с.

11. Фуфрянский Н. А., Бевзенко А. Н. "Развитие локомотивной тяги". М.: Транспорт, 1988 г., 344 с.

12. Фофанов Г. А., Пахомов Э. А., Лосев А. А. "Режимы работы тепловозов и пути повышения их топливной экономичности" Вестник ВНИИЖТ №6 Москва, 1983 г., 56 с.

13. Коссов Е. Е., Нестрахов А. С., Аникиев И. П., Бычков Д. А., Кирьянов А. Н., Лобанов С. В., Фурман В. В. "Электронный регулятор для дизель-генератора магистрального тепловоза" М.: Локомотив, 2004 г., №6 и 7.

14. Коссов Е. Е., Сухопаров С.И. "Оптимизация режимов работы тепловозных дизель-генераторов" М.: Интекст, 1999 г., 184 с.

15. Бычков Д. А. "Система автоматического управления силовой установкой тепловоза, совместимая с существующими системами автоведения" Сборник трудов ВНИИЖТ "Проблемы железнодорожного транспорта", М.: Интекст, 1999 г., с. 72 75.

16. Коссов Е. Е., Нестрахов А. С., Аникиев И. П., Бычков Д. А. "Микропроцессорная система регулирования дизель-генератора" М.: Локомотив, 2002 г., №12, 48 с.

17. Отчет о научно-исследовательской работе "Разработка и исследование опытного образца устройства для управления секционной тягой, Испытание на тепловозе 2ТЭ10Л (В). Технические требования", № И-804-Т-83 раздел За, ВНИИЖТ, Москва, 1983 г., 34 с.

18. Руденко В. Ф., Шевченко С. И., Котов И. М "Разработка алгоритма неравномерного иагружения дизелей двухсекционного тепловоза" Труды ВНИТИ. Коломна. 1988 г., №67, 167 с.

19. Коссов Е. Е. "Повышение производительности и топливной экономичности тепловозов путем оптимизации режимов работы дизелей", Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, МИИТ, Москва, 1987 г., 363 с.

20. Отчет по научно-исследовательской работе "Разработка методики выбора тепловозной характеристики четырехтактного дизеля мощностью 4000 8000 л.с. с учетом режимов эксплуатации и степени форсировки по наддуву", МИИТ, Москва, 1984 г., 73 с.

21. Иващенко Н. А., Горбунова Н. А. "Методика и результаты математической оптимизации рабочего процесса тепловозного дизеля" Двигателестроение, Л.: Машиностроение, 1989 г., №5, с. 10 12.

22. Куценко А. С. "Моделирование рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания на ЭВМ" Наукова думка, 1988 г., 104 с.

23. Глаголев Н. М. "Тепловозные двигатели внутреннего сгорания и газовые турбины" Изд. 3-е перераб. и доп., М.: Транспорт, 1973 г., 336 с.

24. Гончар Б. М., Матвеев В. В. "Методика численного моделирования переходных процессов дизелей" Труды ЦНИДИ, вып. 68, Л., 1975 г.

25. Тимановская Л. Е., Погребняк В. В., Соболь В. Н. "Применение ЭВМ для исследования динамики двигателей с турбонаддувом" Двигатели внутреннего сгорания, НИИИНФОРМТЯЖМАШ, 1975 г., №5, 29 с.

26. Симеон А. Э., Хомич А. 3., Куриц А. А. "Тепловозные двигатели внутреннего сгорания" Изд. 2-е перераб. и доп., М.: Транспорт, 1987 г., 536 с.

27. Федин К. И., Толшин В. И., Литвин С. Н. "Моделирование рабочего процесса двигателя с турбонаддувом в переходных режимах" Двигателестроение, Л.: Машиностроение, 1989 г., №5, с. 13-14.

28. Отчет по научно-исследовательской работе "Эксплуатационные испытания тепловоза 2ТЭ116", №144-Т-3 раздел 2а, ВНИИЖТ, Москва, 1973 г., 235 с.

29. Петров Г. Н., "Электрические машины" В 3-х ч. Ч. 3. Коллекторные машины постоянного и переменного тока. Изд. 2-е, перераб., М.: Энергия, 1968 г., 224 с.

30. Баранов А. М., Козлов В. Е., Фельдман Э. Д. "Развитие пропускной и провозной способности однопутных линий" Труды ВНИИЖТ, №280, М.: Транспорт. 1964 г., 196 с.

31. Фельдман Э. Д. "Технико-экономическое обоснование параметров магистральных тепловозов на перспективу", М.: Машиностроение, 1976 г., 34-63 с.

32. Хайт Э. И., Фельдман Э. Д. и др. "Методические указания по определению технико-экономической эффективности новых и усовершенствованных электровозов", М.: Транспорт, 1986 г.

33. Отчет по научно-исследовательской работе "Анализ реального профиля пути, классификация, структура и распределение профилей определенного типа для главных направлений и в целом по сети железных дорог", №1257, ВНИИЖТ, Москва, 2000 г.

34. Кудрявцев Я. Б. "Асинхронное нагружение дизелей двухсекционных тепловозов как средство повышения топливной экономичности" Сборник ВНИИЖТ "Совершенствование системы ремонта и технического обслуживания тепловозов", М.: Транспорт, 1995 г.

35. Коссов Е. Е., Аникиев И. П., Бычков Д. А. "Разработка и анализ нового алгоритма секционной тяги для тепловозов 2ТЭ116", Сборник трудов ВНИИЖТ "Железнодорожный транспорт на современном этапе развития", М.: Интекст, 2005 г., с. 73 78.

36. Технические условия "Тепловозные дизель-генераторы 1А-9ДГ" ТУ 24.06.374-83, ПО "Коломенский завод", Коломна, 1983 г.

37. Филонов С. П., Гибалов А. И., Никитин Е. А. и др. "Тепловоз 2ТЭ116", изд. 3-е перераб. и доп., М.: Транспорт, 1996 г., 334 с.

38. Отчет о научно-исследовательской работе "Снижение удельного эксплуатационного расхода топлива тепловоза 2ТЭ116 за чет внедрения на дизелях Д49 усовершенствованных узлов и электронной системы управления", №1037/01, ВНИИЖТ, Москва, 2002 г., 186 с.

39. Отчет о научно-исследовательской работе "Снижение удельного эксплуатационного расхода топлива тепловоза 2ТЭ116 за чет внедрения на дизелях Д49 усовершенствованных узлов и электронной системы управления", № 1061 /01, ВНИИЖТ, Москва, 2003 г., 86 с.

40. Руководство по эксплуатации "Система регулирования частоты вращения и мощности электронная тепловоза 2ТЭ116" ЭРЧМ30Т3.00.000-01РЭ, 000"ППП Дизельавтоматика", Саратов, 2002г.

41. Костин А. К., Ларионов В. В., Михайлов Л. И. и др. "Теплонапряженность двигателей внутреннего сгорания" Справочное пособие, Л.: Машиностроение, 1979 г., 222 с.