ТРАНСВУЗ-2015.Часть 1

Ремонт и динамика подвижного состава

эффективности использования локомотивного парка железнодорожной отрасли Узбекистана и перевозочной работы локомотивов дизельной тяги, в частности, на действующих и новых, вновь строящихся (или уже построенных) железнодорожных линиях и участках железных дорог.

Следует отметить, что работа железнодорожного транспорта АО «Ўзбекистон темир йўллари» характеризуется постоянным, ежегодным, увеличением грузооборота (млрд. тонно – км брутто, среднегодовой рост – приблизительно 3,9 процента) железных дорог по всем видам грузовых перевозок. Подтверждением сказанному, в частности, является динамика ожидаемого возрастания грузовых транзитных перевозок, обозначенная на рис. 1, объем которых к началу 2016 года, по сравнению с 2009 годом, увеличится на 19,1 процента со среднегодовым ростом, приблизительно, в 3,1 процента.

Целью данного исследования является изучение различных условий организации движения грузовых поездов и перевозочной работы локомотивов дизельной тяги, а также определение параметров основных показателей топливно-энергетической эффективности использования последних на равнинном участке железнодорожного пути, особенность которого состоит в наличии расчетного и инерционного подъемов, руководящего спуска.

Рис. 1. Диаграмма объема грузовых транзитных перевозок в тыс. тонн брутто на железных дорогах АО «Ўзбекистон темир йўллари»

170

ТРАНСВУЗ – 2015

Объект исследования – трехсекционные магистральные (поездные) грузовые тепловозы серии 3ТЭ10М и спрямленный профиль пути заданного виртуального равнинного участка железной дороги.

Предмет исследования – основные показатели перевозочной работы и параметры топливно – энергетической эффективности использования трехсекционных магистральных (поездных) грузовых тепловозов серии 3ТЭ10М с учетом приведенных расходов дизельного топлива на тягу поездов в количественном и денежном выражениях на заданном виртуальном равнинном участке железнодорожного пути.

В настоящее время, повышение эффективности использования локомотивов магистрального (поездного) тепловозного парка АО «Ўзбекистон темир йўллари» на неэлектрифицированных железнодорожных линиях и участках, в первую очередь, связано с пополнением этого парка новыми, узбекскими тепловозами серии UzTE16M в различном секционном исполнении, которые с точки зрения конструкторского решения были реализованы в результате успешного проведения начального и последующих этапов «глубокой» модернизации части магистральных (поездных) грузовых тепловозов серии ТЭ10М (приблизительно 30,8 процента от общего числа секций) путем замены дизеля 10Д100 на дизель 1А-5Д49 [1], а также вводом в

эксплуатацию модернизированных трехсекционных магистральных (поездных) грузовых тепловозов 3ТЭ10М. Их конструктивной особенностью являются унифицированная система тепловозной автоматики (микропроцессорная система регулирования мощности дизель-генератора УСТА-75-02), комплексное локомотивное устройство безопасности (система КЛУБ-У) и унифицированный пульт управления (УПУ). А для обеспечения управления и контроля параметров на трех секциях в электрической схеме базового тепловоза 2TЭ10М внесены изменения в соединениях интерфейсов и пультов управления каждой секции, а также систем подготовки пуска, пуска дизеля и пожарной сигнализации.

Для достижения поставленной цели и оценки топливно-энергетической эффективности использования трехсекционных магистральных (поездных) грузовых тепловозов 3ТЭ10М на виртуальном равнинном участке железной дороги были выполнены тяговые расчеты, опираясь на исходные данные [2] и основные положения теории локомотивной тяги с учетом известного

171

Ремонт и динамика подвижного состава

дифференциального уравнения движения поезда [3], решение которого осуществлялось графическим методом [3, 4] исходя из принципа максимального использования мощности и тягово-эксплуатационных качеств (свойств) локомотива. По тяговой характеристике упомянутого тепловоза 3ТЭ10М, на режиме тяги, это соответствует 15-й номинальной позиции контроллера машиниста на полном поле (ПП), а также на первой (ОП1) и второй (ОП2) ступенях ослабления поля тягового электродвигателя.

Критериями оценки топливно-энергетической эффективности использования трехсекционных магистральных (поездных) грузовых тепловозов 3ТЭ10М являются общий и удельный расходы дизельного топлива на тягу поездов, техническая скорость движения, времена хода грузового поезда на разных режимах вождения при организации перевозочной работы локомотивов без остановок на промежуточных станциях, а также полная и удельная стоимости, израсходованного дизельного топлива за поездку.

Характеристика профиля пути заданного виртуального равнинного участка железной дороги и условия организации движения грузовых поездов с различной массой составов (Q1 = 2500 т, Q2 = 3000 т и Q3 = 3500 т) и постоянным числом осей m = 200 осей приведены в [2].

Расход дизельного топлива для трехсекционных магистральных (поездных) грузовых тепловозов 3ТЭ10М, на номинальной 15-й позиции контроллера машиниста, принимаем равным G = 25,20 кг/мин, а на режимах холостого хода и торможения – gх = 1,14 кг/мин.

Результаты тяговых расчетов для трех вариантов вождения грузовых поездов трехсекционными магистральными (поездными) грузовыми тепловозами 3ТЭ10М на равнинном участке железнодорожного пути без остановок на промежуточной станции приведены в табл. 1 и на рис. 2, где показана динамика параметров некоторых основных показателей перевозочной работы упомянутых тепловозов в зависимости от изменения массы состава.

По данным табл. 1 рассчитаны уравнения регрессии для определения параметров основных показателей перевозочного процесса на виртуальном равнинном участке в зависимости от массы состава грузового поезда при движении без остановок на промежуточных станциях или раздельных пунктах, позволяющие при достаточной величине достоверности аппроксимации R2 = 1,0 организовать их вычисления для любой i-й массы Q грузового поезда.

172

ТРАНСВУЗ – 2015

Таблица 1 Показатели перевозочной работы тепловозов 3TЭ10М на равнинном участке

железнодорожного пути

Рис. 2. Динамика показателей использования тепловозов 3TЭ10M на равнинном участке при движении без остановок

173

Ремонт и динамика подвижного состава

Анализ результатов тяговых расчетов относительно грузового поезда с унифицированной массой состава в Q2 = 3000 т позволил сделать следующие выводы.

1. Усредненное общее время хода поезда составляет 0,54 ч, однако, уменьшение массы состава на Q = 500 т приводит к уменьшению общего времени хода поезда на 4,63 процента, а с увеличением массы состава на

Q = 500 т происходит увеличение этого времени на 2,45 процента.

2.Техническая скорость движения поезда, наоборот, при аналогичном изменении массы состава, имеет тенденцию, соответственно, к повышению и снижению в тех же пределах, причем, в среднем, она равна 85,69 км/ч.

3.Полный и удельный средние расходы дизельного топлива на тягу поездов составляют, соответственно, 495,41 кг и 36,00 кг/104 т км брутто.

4. Увеличение массы состава на Q = 500 т способствует увеличению полного расхода дизельного топлива на 15,97 процента, однако, удельный расход дизельного топлива при этом уменьшается на 0,61 процента, а уменьшение массы состава на Q = 500 т обеспечивает уменьшение полного расхода дизельного топлива на 15,89 процента и увеличение удельного расхода дизельного топлива на 0,92 процента.

5. Время хода поезда в режимах холостого хода, торможения и тяги колеблется, соответственно, от 0,250 ч до 0,180 ч и от 0,264 ч до 0,372 ч. При

174

ТРАНСВУЗ – 2015

увеличении массы состава на Q = 500 т происходит уменьшение времени хода поезда в режиме холостого хода и торможения, а также его увеличение в режиме тяги, соответственно, на 0,04 ч и 0,054 ч. Время хода поезда в режиме холостого хода и торможения увеличивается, а в режиме тяги уменьшается, соответственно, на 0,04 ч и 0,059 ч с уменьшением массы состава на Q = 500 т.

6.Уменьшение массы состава на Q = 500 т приводит к снижению показателя использования режима тяги и увеличению показателя использования режима холостого хода и торможения [4] на 7,5 процентов, а с увеличением массы состава на Q = 500 т происходит повышение и снижение этих показателей приблизительно на 8,37 процента.

7.Уменьшение массы состава на Q = 500 т приводит к снижению полной и удельной стоимости расхода дизельного топлива на 15,89 процента, а

сувеличением массы состава на Q = 500 т происходит повышение этих показателей на 15,97 процента.

Установлено, что увеличение расхода дизельного топлива за поездку на виртуальном равнинном участке связано, в первую очередь, с уменьшением времени хода грузового поезда на режимах холостого хода, торможения и увеличением времени работы силовой энергетической установки под нагрузкой, а как следствие, это способствует увеличению механической работы сил, действующих на упомянутый поезд в режиме тяги.

Результаты исследований можно рекомендовать для прогнозирования расхода дизельного топлива трехсекционными магистральными (поездными) грузовыми тепловозами 3ТЭ10М при организации перевозочной работы на виртуальных и идентичных им реальных равнинных участках железных дорог.

Список литературы

1.Аблялимов, О. С. Исследование эксплуатации тепловозов UzTE16M4 на участке Кумкурган – Ташгузар [Текст] / О. С. Аблялимов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. – Омск, 2014. – № 2 (18). – С. 2 – 7.

2.Аблялимов, О. С. Исследование эффективности использования

175

Ремонт и динамика подвижного состава

Поволжья» / Самарский гос. ун-т путей сообщения. – Самара, 2015. – № 5(53) – С. 17 – 24.

3. Кузьмич, В. Д. Теория локомотивной тяги: Учебник для вузов

А. С. Хлопцов, П. К. Шкодун, А. В. Долгова

РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ КОЛЛЕКТОРНО-ЩЕТОЧНОГО УЗЛА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Встатье приведен расчет тепловых сопротивлений элементов коллекторнощеточного электродвигателя постоянного тока. Показана методика определения тепловых сопротивлений для элементов, участвующих в процессе тепловыделения и теплопередачи с учетом влияния щеткодержателя. Полученные уравнения могут быть использованы для составления математической модели тепловых процессов в коллекторно-щеточном узле при диагностировании его технического состояния.

Внастоящее время значительное внимание исследователей уделяется

вопросам создания инновационных средств диагностирования различных электромеханических систем. Одним из элементов подобных систем являются коллекторные машины постоянного тока (МПТ), которые находят свое применение на тяговом подвижном составе, в приводе прокатных станов металлургических производств и др. сферах, где возможности широкого регулирования параметров электродвигателя должны сочетаться с низкими затратами на аппаратуру управления и контроля.

Помимо аппаратных средств, выполняющих функции пускорегулирующей аппаратуры, технические средства современных электротехнических комплексов содержат средства диагностирования, позволяющие

176

ТРАНСВУЗ – 2015

фиксировать различные параметры электродвигателей и производящие текущую оценку их технического состояния.

Разработка систем диагностирования коллекторных электродвигателей неразрывно связана с построением математических моделей функционирования, включающих в себя различные аспекты работы электрических машин: тепловые, вибрационные, акустические, параметры тока и напряжения, электромагнитные поля, создаваемые при работе [1 – 5].

В настоящей статье представлены уравнения, позволяющие выполнить построение тепловой модели коллекторного электродвигателя на основе расчета тепловых сопротивлений отдельных элементов его коллеторнощеточного узла (КЩУ).

Для исследования тепловых процессов рассматриваемых электромеханических систем необходимо определить тепловые сопротивления частей и элементов, при этом следует учитывать геометрию элементов конструкции и тепловые свойства материала, из которого эти элементы изготовлены [6]. Для исследования тепловых процессов в КЩУ МПТ, тепловая схема которого приведена на рис. 1, необходимо определить тепловые сопротивления щетки, находящейся в щеткодержателе.

Рис. 1. Тепловая схема замещения коллекторно-щеточного узла коллекторного электродвигателя постоянного тока

177

Ремонт и динамика подвижного состава

В КЩУ можно выделить следующие источники тепла: Pщ – потери на щетке, представляющие собой Джоулево тепло при протекании тока; Pконт – потери в контакте «щетка – коллектор», обусловленные как механическим трением в контакте, при протекании тока через контакт, так и электродуговым искрением на сбегающем крае щетки; Pк – потери в меди пластин коллектора. В представленной схеме приняты обозначения тепловых сопротивлений: R1 – от графита щетки к воздуху, R2 – от графита щетки к щеточному контакту, R3

– от щеточного контакта к воздуху, R4 – от контакта «щетка – коллектор» к пластине коллектора, R5 – от пластины коллектора к воздуху. Построенная 3Dмодель КЩУ расположения источников потерь и тепловых сопротивлений (см. рис. 1) позволяет наглядно представить названные элементы и их взаимное расположение.

Каждое тепловое сопротивление, обозначенное на схеме, обозначает суммарное тепловое сопротивление, действующее на нескольких участках пространства. К примеру, тепловое сопротивление R1 от графита щетки к воздуху является суммарным тепловым сопротивлением, действующим как в ширину, так и в длину сечения.

Выполним определение теплового сопротивления конструктивных элементов КЩУ. Для расчета теплового сопротивления щеток будем учитывать как площадь открытой поверхности щеток, непосредственно контактирующую с воздухом, так и площадь поверхности, находящейся в щеткодержателе.

Тепловые потоки P11, P12, P13, P14, (рис. 2, 3) проходящие от графита щетки к воздуху через щеткодержатель, встречают на своем пути тепловое сопротивление графита и тепловое сопротивление щеткодержателя. Используя принцип последовательного соединения элементов, тепловые сопротивления суммируем. Так, например, для теплового потока P11, полное тепловое сопротивление на пути от источника потери к воздуху будет суммироваться из теплового сопротивления графита и теплового сопротивления материала щеткодержателя.

– тепловое сопротивление графитовой щетки;

– тепловое сопротивление материала щеткодержателя.

Тепловое сопротивление R11г определяется c учетом толщины теплопроводящего слоя и площади области теплообмена графитовой щетки:

178

Значение R11щ определяется с учетом толщины теплопроводящего слоя и площади области теплообмена стенки щеткодержателя:

Рис. 2. Теплопроводящая площадь щетки и щеткодержателя

P11

Рис. 3. Последовательное соединение тепловых сопротивлений на пути теплового потока от графита к воздуху через щеткодержатель

179