Введение для диплома (Степанов Е.Н.) 151гр

Введение

Железнодорожный транспорт является крупнейшим потребителем энергоресурсов. Затраты на топливно-энергетические ресурсы (ТЭР) составляют в целом по сети железных дорог России примерно 11,2 % от общеотраслевых эксплуатационных расходов, из них на тягу поездов расходуется 72,2 %.

В соответствии с программой «Энергетическая стратегия ОАО «РЖД» на период до 2010 г. и на перспективу до 2020 г.», разработанной во исполнение указаний МПС России № 187у от 26.11.02 и № 88у от 16.06.03, одним из направлений работы принято совершенствование тягово-энергетических характеристик локомотивов.

В условиях реформирования отрасли большое значение приобретают вопросы повышения эксплуатационных технико-экономических показателей современных тепловозов, от уровня настройки которых зависит количество потребляемого топлива. В связи с этим повышение топливной экономичности тепловоза в эксплуатации за счет его настройки является важной задачей.

Экономия дизельного топлива на тепловозах зависит от хорошего технического состояния локомотива, умелого вождения поездов бригадами, правильной организации формирования составов и от многих других факторов. Наряду с этим важнейшим источником экономии и бережного использования топлива является снижение количественных и качественных потерь топлива при транспортировке, сливе, хранении и выдаче его на тепловозы.

Большую роль в экономном расходовании топлива играет цилиндро-поршневая группа. Известно, что от износа цилиндровых гильз, поломки или пригорания поршневых колец ухудшается плотность цилиндров, снижается давление сжатия, в результате чего нарушается нормальный процесс сгорания топлива. Кроме того, от такого состояния цилиндро-поршневой группы увеличивается расход дизельного масла и, следовательно, нагар на продувочных и выпускных окнах, уменьшается поступление воздуха в цилиндры, ухудшается его продувка. При всех случаях нарушения нормального процесса сгорания топлива ухудшается экономичность дизеля и увеличивается дымность выпускных газов.

При ведении поезда машинист должен выбирать наивыгоднейшие режимы работы дизеля и генераторной установки, с большим искусством использовать кинетическую энергию поезда (живую силу), а также противо-боксовочные и тормозные средства. В пути следования он должен постоянно поддерживать оптимальный температурный режим масла и охлаждающей воды в дизеле. Установлено, например, что от снижения температуры масла на 4—5°С увеличивается расход топлива на 1%.

В целях экономного расхода топлива в каждом локомотивном депо на основе обобщения передового опыта вождения поездов на участках обращения тепловозов должны быть разработаны режимные карты. В них должны быть указаны наиболее целесообразные положения контроллера, скорость проследования по участку, место применения тормозов и даны другие рекомендации.

Одним из элементов экономии является установление технически обоснованных норм расхода топлива и планомерное их снижение за счет лучшего использования мощности тепловоза, умелого вождения поездов, повышения технической культуры ремонта топливной аппаратуры, дизель-генераторной установки и содержания в исправности локомотива в эксплуатации.

В данной работе будет представлен проект устройства, способствующий выбору наиболее экономичного режима работы тепловозного дизеля; представлена универсальная характеристика дизеля Д49; показана зависимость удельного расхода топлива от мощности тепловоза; предложены критерии выбора оптимального режима ведения тепловоза.

1 Анализ существующих способов решения проблемы экономии топлива тепловозами

Уменьшение основного сопротивления движению подвижного состава, снижение потерь энергии при её преобразовании на локомотивах, максимальное использование кинетической энергии (живой силы) поезда, уменьшение расхода топлива на собственные и вспомогательные нужды, улучшение организации эксплуатации локомотива – вот основные пути экономии топлива.

При работе тепловоза происходит процесс преобразования тепловой энергии в механическую. Часть энергии теряется в дизеле, главном генераторе, в тяговых электродвигателях и т.д. Сокращение потерь энергии в любом из агрегатов тепловоза увеличивает долю используемой энергии на тягу поездов, т.е. повышает к.п.д. тепловоза. Прогресс в тепловозостроении обеспечил повышение к. п. д. дизельных локомотивов и соответственно снижение расхода дизельного топлива

Расход топлива на измеритель работы тепловоза зависит от его к. п. д., профиля пути, удельных сопротивлений движению состава и локомотива, веса поезда, степени использования вагонов, длительности холостой работы дизеля на стоянках и ряда других технических и эксплуатационных факторов. Расход топлива на холостом ходу дизеля 10Д100 и 2Д100 составляет 20 кг/ч; Д50 и 2Д50 — 8 кг/ч; Д70 и 5Д49 — 12 кг/ч.

Повышая к. п. д. тепловоза и сокращая холостую работу дизеля, локомотивные и ремонтные бригады могут снизить расход топлива.

Наибольшее влияние на изменение удельного сопротивления поезда оказывает скорость движения, от изменения которой зависит к. п. д. тепловоза.

Наиболее выгодный режим работы силовой установки предполагает выбор такой позиции контроллера при ведении поезда, при которой достигается наименьший расход топлива. Однако выгоднейшие комбинации позиций при ведении груженого или порожнего поезда на данном тяговом плече выбираются практически, исходя из конкретных условий.

Использование в наибольшей степени кинетической энергии (живой силы поезда) является основным источником экономии топлива. Ведение поезда по перевалистому профилю должно, как правило, осуществляться с включенной нагрузкой с тем, чтобы увеличение скорости на спусках использовать для последующего преодоления подъемов. Живая сила пропорциональна весу поезда и квадрату скорости, и чем выше будет скорость подхода поезда к подъему, тем быстрее он преодолеет подъем при меньшем расходе топлива.

Экономичное расходование топлива может быть достигнуто только при правильном и наиболее полном использовании тепловоза. При неполновесных поездах, одиночных пробегах локомотивов, при наличии предупреждений о снижении скорости движения и т. д. неизбежны излишние затраты топлива. Например, уменьшение одиночного пробега на 1% даст экономию топлива на 0,2—0,3%. Снижению расхода топлива способствует также сокращение порожнего пробега вагонов. При сокращении порожнего пробега на 1% расход топлива тепловозами снижается на 0,45%.

На расход топлива влияет и суточная производительность тепловоза. Повышение ее дает возможность выполнять поездную работу меньшим количеством тепловозов, а следовательно, меньше расходовать топлива за счет сокращения расхода на собственные нужды в ожидании поезда.

Отдельные машинисты на одном и том же участке по-разному добиваются экономии топлива, применяя различные режимы ведения поезда. На основе обобщения лучших результатов в каждом депо необходимо разрабатывать режимные карты или инструкции по вождению поездов для каждого тягового участка. При разработке этих карт выявляются наиболее экономичные способы езды не только на всем участке, но и на отдельных отрезках пути.

Таким образом, правильная организация всей перевозочной работы, борьба с непроизводительными потерями являются важным резервом экономии топлива.

Анализ показал, что эффективность учета, контроля, нормирования и анализа расхода топлива тепловозами в эксплуатации можно повысить за счет применения современных средств измерения расхода топлива и параметров работы локомотива, автоматизации процессов измерения и регистрации, новых алгоритмов обработки данных в условиях локомотивного депо.

Система включает в себя топливно-измерительную подсистему, бортовую подсистему измерения и регистрации параметров топлива и работы тепловоза, а также стационарную подсистему обработки данных. В топливно-измерительной подсистеме применены датчики, которые характеризуются высокой точностью измерения уровня и плотности топлива в широком диапазоне их значений, а также удовлетворяют эксплуатационным требованиям, предъявляемым к оборудованию тепловозов.

На тепловозе установлено следующее оборудование системы. Датчики, измеряющие параметры топлива, размещены на топливном баке. Датчики параметров работы дизеля размещены на самом двигателе и его системах. Блок регистратор установлен в кабине машиниста. Так же в кабине установлен прибор, регистрирующий изменение уровня топлива в системе, и время.

Система по контролю расхода топлива решает следующие задачи:

1. контроль количества топлива на тепловозе в любой текущий момент времени;

2. учет расхода топлива тепловозом за смену работы машиниста;

3. расчетное определение расхода топлива тепловозом за смену работы машиниста;

4. анализ расхода топлива каждым тепловозом и каждым машинистом за заданный период времени.

5. контроль местоположения тепловоза

6. связь с машинистом при совершении маневровой работы

7. контроль уровня топлива машинистом

На данный момент на тепловозах применяются различные системы измерения расхода топлива и параметров работы локомотива. Вот некоторые из них:

1 Аппаратно-программный комплексы АПК «Борт»

Аппаратно-программный комплексы АПК «Борт» был разработан ОАО «Научно-исследовательский институт технологии, контроля и диагностики железнодорожного транспорта» г. Омск в 2008 году. Основной задачей системы является регистрация и хранение параметров работы тепловозов с последующим анализом накопленных данных. Комплекс позволяет: выявить несанкционированные сливы топлива; оценить состояние систем тепловоза, как в режиме реального времени, так и при анализе накопленных данных; объективно нормировать расход топлива; отслеживать пробег тепловоза, горячего простоя, заглушенного состояния, работы тягового генератора.

Основное назначение:

- непрерывный контроль технического состояния ДГУ;

- автоматический контроль расхода топлива при эксплуатации тепловоза и определение несанкционированных его сливов;

- автоматический контроль расхода топлива используемого системами подогрева дизеля;

- создание статистической базы для формирования системы объективной информации о расходе топлива на тягу поездов для конкретной подвижной единицы с учетом условий эксплуатации;

- дублирование штатных бортовых систем контроля температуры контура охлаждения воды и масла, давления топлива и масла, оборотов дизеля и т. д.;

- создание условий для организации новой системы нормирования по фактическому расходу топливных ресурсов, исходя из условий эксплуатации, технического состояния и вида маневровой работы тепловозного парка;

- отображение на индикаторном табло измеряемых параметров;

- получение в автоматическом режиме значения плотности дизельного топлива в момент экипировки при условии, что пункт экипировки оборудован постом контроля плотности, вязкости и температуры топлива.

- запись параметров в масштабе времени в энергонезависимое устройство памяти (карточку состояния локомотива или личную карточку машиниста) для их дальнейшей передачи на сервер в базу данных и/или по радиоканалу на тот же сервер, либо передачу параметров в режиме реального времени по радиоканалу на сервер (по согласованию с заказчиком).

Комплекс обеспечивает:

-продолжительность непрерывной работы – круглосуточно;

-продолжительность непрерывной работы при отсутствии питания от бортовой сети не менее 2 часов;

-время установления рабочего режима после включения не более 1 часа;

-вывод результатов измерений на табло блока индикаторного в буквенно-цифровом представлении;

-сохранение данных измерений в энергонезависимую память личной карточки машиниста, карточки локомотива и/или модуля радиоканала для дальнейшей передачи и анализа на ПК;

-объём энергонезависимой памяти переносного модуля не менее 128 Мб для обеспечения непрерывной записи информации в течение не менее 30 суток без ее потери;

-время хранения информации на переносном модуле памяти в отсутствие внешнего питания не менее 100 часов;

-количество перезаписей в переносной модуль памяти не менее 100000;

-программную обработку накопленных данных диагностики с предоставлением результатов в виде отчетов. Указанное программное обеспечение разрабатывается по согласованию с заказчиком в установленном порядке.

Рабочие условия эксплуатации.

Температура окружающего воздуха, С°:

-для устройств, размещённых на внешней части тепловоза от минус 60 до плюс 55;

-для устройств, размещённых в кабине машиниста от минус 40 до плюс 40;

-для комплекта датчиков состояния ДГУ, размещённых в дизельном помещении и аппаратной камере тепловоза от минус 40 до плюс 60;

-для стационарных технических средств системы обработки и анализа информации, размещённых в отапливаемых служебных помещениях депо от плюс 10 до плюс 35.

2 Регистратор РПДА-Т

Регистратор РПДА-Т предназначен для автоматизированного сбора, регистрации и обработки информации о движении и работе локомотива с целью контроля, учёта работы и расхода топлива, контроля технического состояния маневровых тепловозов серий ЧМЭ3, ТЭМ2, ТЭМ7А, ТЭМ18ДМ, магистральных тепловозов 2ТЭ10, ТЭП70 . Может быть адаптирован для тепловозов других серий.

Состав регистрируемых параметров системой РПДА-Т:

- уровень, температура, плотность топлива по правому и левому датчику (для определения объема и массы топлива);

- напряжение, ток тягового генератора и вырабатываемая электроэнергия;

- срабатывание реле (для определения позиций контроллера машиниста, вкл./выкл. тормозного компрессора, реверсора, вентиляторов, вкл./выкл. дизеля, пуск/остановка дизеля);

- число импульсов от датчика вращения коленчатого вала (для определения частоты вращения коленчатого вала дизеля);

- срабатывание контакторов ослабления поля ОП1 и ОП2;

- число импульсов от датчика вращения колёсной пары (для определения скорости и пройденного пути);

- температура наружного воздуха (для определения внешних климатических условий эксплуатации).

Основная составляющая эффекта применения - снижение до 5% расхода топлива и до 2% масла за счет:

-предупреждения несанкционированного расхода топлива;

-повышения точности планирования и учета расхода топлива;

-снижения трудозатрат на анализ расхода топлива;

-повышения качества технических обслуживаний и текущих ремонтов тепловозов по результатам анализа параметров зарегистрированных системой, расшифрованный и полученный из АРМ.

-распределения маневровых тепловозов по участкам работ для оптимизации режимов работы с учётом их фактического технического состояния с целью снижения расхода топлива.

3 Система контроля расхода топлива для тепловозов СКАТ-2С и СКАТ-2С-online

СКАТ-2С - система контроля расхода топлива для тепловозов и другой техники любой мощности, собранный на регистраторе БУК-Р и 2 датчиков уровня топлива Стрела.

СКАТ-2С контролирует:

1.расход топлива

2. остаток топлива в баке (при помощи установки в одни бак 2 датчиков уровня топлива Стрела)

3. обороты двигателя, моточасы, время работы двигателя

4. время включения дополнительного оборудования, расход топлива в этом режиме

5. время работы двигателя в заданном режиме работы

6. любые параметры (положение контроллера, температуру, давление, мощность (при электротрансмиссии)) и др.

Таким образом, система позволяет ПОЛНОСТЬЮ контролировать технологические параметры работы оборудования.

СКАТ-2С является ОФФЛАЙН системой. То есть регистратором, который накапливает в себе данные (но только по счётчикам-расходомерам - их последнее значение) и передаёт их на встроенный экран.

Тем не менее, существует возможность СКАТ-2С online подключения к GPS-регистраторам по интерфейсу 232 или 485. Тем самым добавляя в систему функции онлайн-контроля и контроля местоположения.

СКАТ-2С состоит из:

1. регистратора БУК-Р

2. 2 ДУТ СТРЕЛА

3. адаптера питания

4. сумматора для подключения 2 стрел

5. любых иных датчиков давления, температуры и положения

6. адаптеров подключения к штатным датчикам тепловоза

Отображение и обработка сигналов осуществляются БУК-Р. Бортовой учетный компьютер - расширенный БУК-Р, хоть и сделан на основе Бортового учетного компьютера, но имеет значительно более широкий функционал.

Системы мониторинга автотранспорта часто избыточны. Например, для контроля статичных ёмкостей вам не нужно ни наличие GPS приёмника, ни GPRS модема для передачи данных в интернет. В таком случае вы можете использовать только БУК-Р. Все данные вы можете увидеть на его графическом экране.

Используя БУК-Р также вы можете полученные и обработанные данные передать или по 232 или 485 интерфейсу (в зависимости от версии) по протоколу modbus в систему приёма данных более высокого уровня (например, в GSM терминалы). В таком случае БУК-Р является расширителем терминала. Или можно подключить БУК-Р прямо к компьютеру и обрабатывать данные непосредственно на нём.

БУК-Р может:

-контролировать топливо в ёмкостях баках автомобиля, тепловоза, когда необходим только учет расхода топлива, а в путевые листы заносится остаток в баке;

-контролировать топливо, пропущенное через расходомер;

-контролировать выработку: пробег, время движения, простоя;

-контролировать моточасы, время работы оборудования;

-контролировать технологические параметры - обороты, скорость, и т.п.;

-управлять установками без вмешательства человека по заданным алгоритмам;

-сигнализировать персонала при выходе параметра за допускаемый диапазон, например, сигнализация заполнения группы бочек;

-решать задачи дозирования, например, выключение подкачивающего насоса при заполнении ёмкости.

Бортовой учётный компьютер осуществляет вывод на экран данных по

-расходу в литрах по каналу подачи;

-расходу в литрах по каналу обратки;

-расходу топлива результирующий (подача минус обратка)

-время работы дополнительного оборудования;

-количеству топлива в баке;

-показаниям датчиков температуры, давления многого-многого иного в заданном пользователем виде.

Онлайн версия: СКАТ-2С-online

СКАТ-2С-online, собранный на новом БУК-Р можно подключить как расширитель к любому GPS-регистратору с 485 входом. Это уже готовое решение СКАТ-2C-online в связке с терминалом Автограф. В таком случае Вы используете преимущества обоих систем:

Со стороны СКАТ-2C:

-множественность входов;

-ЖКИ дисплей для машиниста.

Со стороны регистратора:

-мониторинг в реальном времени;

-мониторинг местоположения тепловоза.

Применение данной системы позволит:

-роизводить контроль расхода топлива тепловозом в эксплуатации, вести автоматизированный учёт и нормирование;

-оперативно контролировать техническое состояние локомотива, предотвращая случаи перерасхода топлива и отказов систем локомотива;

-совершенствовать систему содержания локомотивов с учётом их текущего технического состояния;

-оперативно контролировать параметры, оказывающие влияние на безопасность движения;

-оценивать уровень мастерства и дисциплины локомотивных бригад;

-производить оценку режимов и реальной загруженности каждого локомотива и принимать меры для их рационального использования на участках работы и маршрутах;

-система может быть функционально расширена согласно требований конкретного заказчика.

Основные функции:

-запись параметров через фиксированные интервалы времени (от 1 минуты до 24 часов);

-отображение маршрута движения локомотива;

-отображение в клиентской программе в виде мгновенных значений и графиков за отчетный период (температура, уровень топлива в баках, время работы, температура масла, температура воды, давление масла, скорость, обороты двигателя, позиция контроллера, температура и т.д.).

Система может информировать пользователя о критических значениях параметров в реальном времени. Функция GeoFence позволяет вам определять географическую зону, при пересечении объектом границ которой пользователь оповещается сообщением.

Собранные данные отправляются на сервер по GPRS через фиксированные интервалы (которые возможно изменять от 1 минуты до 24 часов) или SMS (обычно от 1 до 3 раз за день).

Экономический эффект от внедрения системы мониторинга локомотивов складывается из следующих составляющих:

-предотвращение хищения дизельного топлива с тепловозов в эксплуатации;

-оперативное отслеживание технического состояния локомотива, своевременный ремонт и, как следствие, предотвращение перерасхода топлива и случаев отказа;

-принятие организационно-оперативных мер, обеспечивающих рациональное использование каждого локомотива на отдельных участках производства и маршрутах;

-снижение расхода топлива за счет внедрения системы объективного нормирования, автоматизированного учёта и контроля.

2 Математическое описание универсальных характеристик

дизель-генераторных установок тепловозов

2.1 Существующие способы математического описания универсальных

характеристик

Для дизеля, работающего на переменных режимах по мощности и частоте

вращения, оценивать его экономичность целесообразно по трехпараметровым универсальным характеристикам (рисунок 2.1), представляющим собой зависимость на установившихся режимах эффективной мощности от частоты вращения при постоянных значениях удельного эффективного расхода топлива или эффективного КПД [57].

Нагрузочные характеристики (рисунок 2.2) являются переходными для

построения универсальных характеристик. На нагрузочные характеристики

наносят горизонтальные прямые, соответствующие постоянным значениям

удельного эффективного КПД (см. рисунок 2.2, точки а, в), которые переносят

в систему координат (см. рисунок 2Л). Последовательно соединяя

точки с одинаковым удельным расходом топлива, получают универсальные

характеристики в форме эллипсов.

Из представленных характеристик тепловозных дизелей следует, что

любая заданная мощность может быть реализована в поле допустимых режимов

работы двигателя при различной частоте вращения .

Определив для других мощностей частоты вращения , при которых достигается получим зависимость , которую называют экономической характеристикой. Экономическая характеристика проходит приблизительно через вершины эллипсов, соответствующих геометрическому месту точек с постоянным удельным эффективным расходом

топлива.

Полученная экономическая характеристика может быть использована

при настройке тепловозной (генераторной) характеристики.

Эти характеристики получают в результате опытов или используя теорию

планирования эксперимента.

Рассмотрим планирование эксперимента по получению универсальной

(многопараметровой) зависимости [56].

Чтобы более точно описать область эксперимента и построить достоверную модель, особенно в тех случаях, когда зависимость от факторов достаточно сложная, приходится использовать более сложные нелинейные зависимости (например, полиномы высоких порядков) с большим числом коэффициентов аппроксимации, для чего соответственно требуется большее число уровней варьирования факторов.

Снимая по традиционной схеме 5 нагрузочных характеристик с 5 измерениями на каждой позиции контроллера, мы затратим на эксперимент 25 опытов. Это пример классического полного факторного эксперимента С точки зрения критериев оптимальности планов более «информативным» является такой план, при котором два эксперимента не содержат одинаковых уровней. Такие планы строятся, например, с использованием техники латинских квадратов и также являются ортогональными. Заметим, что использование этого плана при том же числе опытов (25) по сравнению с планом позволило рассмотреть не по 5, а по 25 уровней по каждому из двух факторов. Для классического эксперимента с 25-ю уровнями потребовалось бы 625 экспериментов.

Решение подавляющего большинства практических задач испытания

двигателей и, в частности, получение универсальной характеристики

позволяют выяснить зависимости удельного эффективного расхода

топлива gg не от одного, а от целой группы параметров. Обобщение метода

наименьших квадратов в этом случае не связано с принципиальными трудностями.

Искомая зависимость записывается в виде

(2.1)