Шимохин Василий Владимирович МЕТОДЫ МОДЕРНИЗАЦИИ РОССИЙСКИХ ТЕПЛОВОЗОВ (на примере республики САХА (Якутия)) - презентация

1 Шимохин Василий Владимирович МЕТОДЫ МОДЕРНИЗАЦИИ РОССИЙСКИХ ТЕПЛОВОЗОВ (на примере республики САХА (Якутия))

2 Актуальность проблемы. Благодаря последовательной работе по обновлению и развитию железнодорожного транспорта, развернутой в последние годы, ОАО «ЖДЯ» удалось переломить тенденцию нарастания физического и морального износа производственной базы отрасли. По итогам 2010 года компания добилась: - оборот грузового вагона ускорен к уровню прошлого года почти на 3,8 часа; - средний вес грузового поезда увеличен на 31 - тонну; - среднесуточная производительность локомотива выросла на 66 тыс. тонно-км брутто; - средняя участковая скорость увеличена на 1,3 км/час.

3

4 Среди наиболее важных направлений - улучшение качества использования подвижного состава и увеличение пропускной способности на важнейших направлениях. Особое внимание уделено экономии наиболее расходной статьи компании - использованию тяговых ресурсов.

5

6 На долю тепловозов ОАО «РЖД» приходится 12,5% основных средств железнодорожного транспорта, что составляет 53,6 млрд. руб., в том числе, 42 млрд. руб. – стоимость тягового подвижного состава, и 26% - расходы на эксплуатацию.

7

8 Модернизация локомотивов Якутии, и создание новых, более экономичных тепловозов, должна сопровождаться мерами по обеспечению их качественного содержания за счет совершенствования системы технического обслуживания, текущего и капитального ремонта. Актуальность решаемой проблемы состоит в существенных затратах трудоресурсов на восстановление и обновление локомотивного парка и снижения времени доставки грузов за счет малой скорости подвижного состава.

9

10 Объектом исследования является тепловоз и, банк технических данных об испытаниях отдельных узлов тепловозов Якутии. Предметом исследования является техническое состояние тепловозов, затратные средства на содержание, ремонт и модернизацию их.

11

12 Основным направлением работ по совершенствованию системы технического обслуживания и ремонта тепловозов является увеличение межремонтных пробегов, стремление максимально приблизить их предельные значения к технически обоснованному ресурсу базовых деталей и узлов. Необходимость на современном этапе рационального использования ресурсов, как в области эксплуатации, так и при решении задач организации диагностического процесса работы и ремонта тепловозов определяет актуальность поставленной в работе проблемы.

13

14 Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы - разработка новых методов и средств повышения эффективности работы и ремонта тепловозов, в том числе, за счет перевода их на сжиженный газ. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: - провести комплексный анализ основных направлений реформирования и особенностей функционирования тепловозов Якутии; - провести анализ состояния и эффективности использования основных средств при реформировании и модернизации тепловозов; - выполнить качественный и количественный анализ возможностей и условий для сохранения на тепловозе смеси дизельного топлива и сжиженного нефтяного газа; - разработать методику оценки надежности работы тепловоза как технической системы, состоящей из конечного количества подсистем, узлов и деталей, с целью определения наиболее эффективных методов и средств для контроля текущего технического состояния тепловоза и прогнозирования уровня его эксплуатационной надежности и экономичности; - разработать математическую модель для оценки эксплуатационных показателей дизелей тепловозов при работе на дизельном топливе, сжиженном нефтяном газе и его смесях с дизельным топливом и присадками;

15

16 Научная новизна работы заключается в следующем: - предложен критерий для количественной оценки эффективности функционирования системы технического диагностирования, состоящей из принятого комплекса диагностических средств и методов; - предложена математическая модель для оценки эксплуатационных показателей дизелей тепловозов при работе на смеси дизельного топлива и сжиженного нефтяного газа; - разработана методика для комплексной оценки влияния состава используемого топлива на экономические и экологические показатели работы тепловозов.. Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с применением методов подобия и анализа размерностей. Методы решения поставленных задач описываются с помощью дифференциальных уравнений волнового движения жидкости в трубопроводах высокого давления. При обработке экспериментальных данных использовались методы теории вероятности и математической статистики. Разработка математических моделей основана на применении теории математической статистики, корреляционного анализа, метода решения транспортных задач с использованием линейного программирования.

17

18 Апробация работы. Основные результаты и выводы диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на всесоюзных, всероссийских и международных совещаниях, в том числе, на Международной научно-технической конференции «Модернизация тепловозов. Пути решения»,г.Якутск,2007г.; на Международной научно- технической конференции «Современные технологии модернизации тягового подвижного состава для предприятий железнодорожного транспорта и частных операторов», г. Киров, 2010 г., на Международной научно-технической конференции «Перспективы развития железных дорог Якутии», Якутск, 2011 г. Публикации. По теме диссертации опубликовано девять статей. Структура и объем работы. Диссертация в форме научного доклада включает текст – 40 стр,, состоящий из введения, пяти глав и заключения, списка основных публикаций по теме диссертации, а также содержит в общей сложности 12 графических иллюстраций, 9 таблиц и список цитированной литературы из 12 наименований.

19

20 Фактический материал. В основу работы положены материалы, собранные и обработанные автором в гг. при изучении общего состояния проблемы модернизации тепловозов Якутии, материалы Международных и всероссийских конференций. В процессе выполнения работы автор диссертации использовал данные по испытаниям тепловозов, их ходовых частей и используемых дизелях. При написании третьего раздела работы автором детально проанализированы литературные данные по локомотивам. При их анализе автор пользовался любезными консультациями Тиссена В.А., С.В.Голофаева, генерального директора МК «ТРАНСМАШ», Аржакова Н.И., начальника отдела железнодорожного транспорта Министерства транспорта и дорожного хозяйства республики САХА (Якутия).

21

22 Предшествующие исследования. Кроме перечисленных выше материалов, автор проанализировал данные по модернизации железных дорог в Хабаровске, на Урале, в Сибири, на Дальнем Востоке и т.д. Имена предыдущих исследователей приведены в соответствующих разделах диссертации и в списке использованной литературы. Основы представлений о железнодорожных проблемах заложены в работах исследователей, работавших в 50-е - 90-е годы прошлого века. Среди них большую значимость имеют труды ученых старшего поколения: Федоренко Н.П., Рыбальского В.И., Вагнера Г., Митрофанова Г.Д., Жинкина Г.Н., Соколина В.П., Воропаева В.И., и многих других исследователей. В 90-е годы прошлого века и по настоящее время следующее поколение ученых развивало построения своих учителей и предшественников: Авилов В Д, Бервинов В И, Беленький А Д, Володин А И, Воробьев А А, Горский А В, Гаскаров Д В, Григорьев И Б, Исаев И П, Кузьмич В Д, Камаев В А, Кузнецов Т. Ф, Киселев В И, Малоземов Н А, Носырев Д Я, Осяев А Т, Павлович Е. С., Подшивалов А.Б., Сковородников Е И, Тартаковский, Четвергов В А, Чанкин В В., Волков Б.А., Иванов М.И., Спиридонов Э.С., Клыков М.С., Переселенков Г.С., Григорьев Н.П., Рукин М.Д., Болотин А.В., Славинский З.М., Миронов Л.А., Татаринов А.И., Загородский В.Н., и др.

23

24 Основные защищаемые положения. 1. Методы анализа современного состояния тепловозов Якутии. 2. Прогнозные рекомендации по совершенствованию тепловозов. 3. Математическая модель для оценки эксплуатационных показателей дизелей тепловозов при работе на смеси дизельного топлива и сжиженного нефтяного газа.

25

26 Глава 1. Проблемы модернизации тепловозов при работе в условиях низких температур. Накопленный опыт эксплуатации тепловозов и фундаментальных знаний работы их позволяет обозначить и определить пути решения производства и модернизации надежности и долговечности узлов, оборудования и систем тепловозов для работы в условиях низких температур. Формируется полигон и вся инфраструктура «Железных дорог Якутии», где имеется целый ряд особенностей (географические, климатические, геологические, демографические), не имеющих аналогов в мировой практике [8]. Ниже сформулированы основные цели и задачи ОАО «ЖДЯ» с позиции «Проблем модернизации тепловозов»: - обеспечение и устойчивая реализация силы тяги локомотивов при энергооптимальных режимах вождения поездов на полигоне «ЖДЯ»; - обеспечение безопасности движения поездов с установленными скоростями в условиях повышенного динамического воздействия на путь и подвижной состав; -снижение эксплуатационных потерь от повреждений и износов пар трения в системе «экипаж - путь» и от весьма затратной планово-предупредительной системы технического обслуживания и текущих ремонтов (ППС ТО и ТР).

27

28 Универсальность имеющихся проектов модернизации тепловозов и их оборудования, реализация тягово-сцепных характеристик, планово- предупредительная система ТО и ТР рассчитаны: - на европейский Север с отрицательными температурами не ниже - 45°С и положительными температурами среднеазиатского региона, где + 45°С; - на традиционные схемы оборота локомотива и плечи обслуживания локомотивными бригадами; - на отжившую затратную систему ТО и ТР. 1. Эффективная работа тепловоза зависит от устойчивой работы дизеля, которая обеспечивается: - постоянными температурными параметрами топливно-воздушной смеси, поступающей в цилиндры, независимо от температуры наружного воздуха (от + 35°С до °С) и барометрического давления; - температурой теплоносителей дизеля (масло и вода), которые должны находиться при этом в заданных пределах (76 -г- 86 С). Для реализации эффективности модернизации необходимо иметь бортовую автоматическую систему измерения и регулирования мощности ДГУ в зависимости от температуры окружающей среды и барометрического давления. 2.Анализ технического состояния тепловозного парка сети ж.д. России свидетельствует о том, что положение с неисправностями тепловозов в пути следования, неплановыми ремонтами по видам оборудования в абсолютных значениях составляют (табл.1):

29

30 Неисправности тепловозов и неплановые ремонты. Табл.1. п/п Наименование вида оборудованияСеть 1Коленчатый вал и ЦПГ1291 2Воздухонагнетатель – турбокомпрессор478 3Система охлаждения и холодильные устройства971 4Привод силовых механизмов511 5Тяговый генератор185 6ТЭД526 7КП и буксы201 8МОП166 9Автотормозное оборудование132 10Прочие Всего по сети6414

31

32 Эти статистические данные являются свидетельством конструкционных и технологических недоработок при создании локомотивов и их модернизации. Простой тепловозов на неплановых ремонтах по сети ж.д. России составил 654 тыс. часов в год.. 3. Особого внимания требуют система охлаждения воды и масла дизеля, а также воздухоохладитель (в летний период) и подогреватель воздуха - в зимний период. Ведутся работы по совершенствованию системы охлаждения тепловозов для работы в условиях низких температур, для северного широтного хода Дальневосточной железной дороги филиала ОАО «РЖД». В этом направлении имеется целый комплекс проблем и решений, которые следует реализовывать и оценивать на эффективность. Наряду с отводом тепловой энергии от теплоносителей, не менее важной остается проблема утилизации и аккумулирование тепловой энергии, чтобы можно было ее использовать при отстое локомотива или движении на выбеге, для поддержания температурных параметров узлов, устройств и систем. 4. Эффективная работа тепловозов зависит от уровня автоматической системы регулирования и согласования характеристик передачи мощности (дизель - тяговый генератор - система возбуждения - ТЭД).

33 4.1.Весьма неудачна модернизация тепловозов ТЭ10МК с заменой дизеля 1 ОД 100 на Д49, с сохранением тягового генератора ГП- 311,который рассчитан по магнитной системе на 850 об/мин якоря, а номинальная частота оборотов коленчатого вала дизеля Д об/мин. Оснащение проекта системой УСТА-04 и УСТА-05, фирменного сопровождения, а также низкий квалификационный уровень обслуживающего персонала, отсутствие методик, оснастки, оборудования, испытания, настройки гидромеханических регуляторов дизеля (7РС) и согласование их характеристик с программой УСТА лишают привлекательности эту систему и снижают эффективность проекта. Работа дизеля Д49 на номинале - равном 850 об/мин, требует повышенного расхода топлива, чтобы обеспечить тяговые электродвигатели мощностью кВт. Работа дизеля при 850 об/мин снижает мощность с 2206 до 1872 кВт.

34 4.2.При замене дизеля 1ОД 100 на Д49 нарушается развеска тепловоза (рассредоточение нагрузки по осям и колесам осей). Результаты исследований проблемы и состояния развески свидетельствуют, что все локомотивы, прошедшие модернизацию по циклу МЛП (КРП) имеют отклонения в нагрузке по осям до %, а между колесами одной оси %. Такая развеска не позволяет реализовать паспортные тягово-сцепные качества тепловозов из-за его повышенной склонности к буксованию. Результаты тягово-сцепных испытаний показали, что из-за нарушения развески недоиспользуется на каждой локомотиво-секции % тяговых возможностей. Для исправления ситуации требуется: - при модернизации по замене дизеля 1 ОД 100 на Д49 или 7FDL необходимо менять генератор ГП-311 на ГС-501, чтобы полностью использовать мощность дизеля; - всем проектам необходимо выполнять тщательную развеску, чтобы отклонение нагрузок было в пределах 2-3%, с учетом диаметров колес и характеристик рессорного подвешивания; - для условий низких температур целесообразно планировать использование бесколлекторных тяговых электродвигателей.

35 Корень ситуации - целый комплекс факторов Комплекс факторов, влияющих на теорию модернизации транспортного парка Якутии.

36 Все факторы свидетельствуют о слабых конструктивных решениях, недостаточном внедрении новых перспективных материалов и технологий, отсутствии инновационных и фундаментальных научных разработок, унифицированных деталей и узлов экипажной части, их высокой износостойкости надежности и долговечности. На основании аналитических, лабораторно-стендовых и эксплуатационных исследований работы колесно-моторных блоков и их связей с рамами тележек установлены и определены конструктивные, технологические и физико-механические недостатки резинотехнических деталей, которые применяются в экипажной части тепловозов ТЭ10, ТЭ116, ТЭП70 и 2ТЭ70. Инновационные и фундаментальные разработки требуют адаптации к работе в условиях Крайнего севера с привлечением к процессу исследований специалистов «Института физико-технических проблем Севера СО РАН Республики Саха (Якутия).

37 Эксплуатационная эффективность модернизированных тепловозов 2(3)ТЭ10М-К Северной и Дальневосточной ж.д. в части расхода дизельного топлива на тягу поездов. Таблица 2. Депо Серия тепловозаУдельный расход топлива, кг/104 ткм бр. Экономия топлива с Д49 по отношению к Д100, % Иваново Сев. ж.д.2ТЭ10М(10Д100)28,108,0 2ТЭ10М-К(Д49)25,85 Сольвычегодск Сев. ж.д. 2ТЭ10М(10Д100)24,757,5 2ТЭ10М-К(Д49)22,90 Печора Сев. ж.д.2ТЭ10М(10Д100)28,499,3 2ТЭ10М-К(Д49)25,83 Тында ДВост. ж.д.ЗТЭЮМ(ЮДЮО)35,6117,2 ЗТЭ10М-К(Д49)29,50 2ТЭ10М-К(Д49)5,720,86 2ТЭ10М(10Д100)20,22,87 2ТЭ10М-К(Д49)9,231,67 2ТЭ10М(10Д100)15,12,10

38 Сравнительные технико-экономические показатели тепловозов до и после модернизации приведены в таблице 6. Табл.6. Показатель До модернизацииПосле модернизации Тип дизеля10Д1001А-9ДГ Частота вращения коленчатого вала, об/мин850 Мощность, кВт (л.с.)2206 (3000) Масса дизель-генератора, кг Удельный расход топлива, г/кВт.ч226193,2 Часовой расход топлива на холостом ходу, кг/ч238,8 Удельный расход масла, г/кВт.ч1,280,75 Ресурс до первой переборки ТР2, тыс. км.200 Ресурс до капитального ремонта КР, тыс. км

39 Сравнительные эксплуатационные испытания показали, что тепловозы М-62 с дизель-генераторами 5-26ДГ имеют на % меньший расход топлива, в 2,5...3,0 раза меньший расход масла, в 3,8 раза меньшие затраты на техническое обслуживание. Дизель-генераторы 5-26ДГ имеют лучшие экологические показатели в сравнении с дизель-генератором 14ДГ (рис. 2). 179% 123% 100 % Звуковое давление Токсичность Дымность Сравнение экологических показателей двух дизелей.

40 152% 127% Звуковое давление Токсичность Дымность Рис.3. Сравнение экологических показателей двух других дизелей.

41

42 Система является модификацией системы компьютерного мониторинга КОМПАКС и предназначена для объективной оценки технического состояния подшипников качения и диагностики дефектов, влияющих на их ресурс. Работа системы основана на измерении текущих значений параметров вибрации вращающегося подшипника. Состояние подшипника оценивается в 4_х частотных диапазонах по результатам цифровой обработки сигналов датчика вибрации и отображается на мониторе с помощью цветных пиктограмм и цифровых значений параметров вибрации. В состав системы входит привод, которым программно управляет система.

43

44 Персональная система автоматической вибродиагностики - мощное средство оперативной диагностики оборудования, не подключенного к стационарным системам, проведения динамической балансировки агрегатов на месте их установки. Система позволяет согласно заранее составленному маршруту или произвольным образом, путем выбора необходимых установок, секций, агрегатов и точек измерения производить вибродиагностику технического состояния агрегатов как указанных, так и не указанных в маршруте, производить оперативный сбор и анализ параметров измеряемых сигналов и осуществлять диагностику технического состояния узлов машин и механизмов как по сообщениям экспертной системы, так и по значениям измеренных параметров.

45 Система имеет 2 основных режима работы: Без ПДС, при этом осуществляется контроль и сбор параметров при помощи МикроМонитора с предварительно загруженным маршрутом. После сбора данных они переносятся на ПДС для последующего подробного анализа. Совместно с ПДС, при этом имеется возможность проведения автоматической вибродиагностики оборудования на месте, анализ состояний, сигналов и трендов. Все это обеспечивается программным обеспечением ПДС. Программное обеспечение имеет 5 основных режимов работы: МОНИТОР, ИЗМЕРЕНИЕ, АНАЛИЗ, ТРЕНД, БАЛАНСИРОВКА.

46

47 МОНИТОР (основной режим). В этом режиме конфигурируются объекты диагностирования. С помощью средств встроенного редактора вводится объект диагностирования, указываются его узлы и точки измерения. По заданным показателям агрегатов система формирует критические значения диагностических признаков. Агрегаты могут быть сгруппированы в секции, насосные или компрессорные установки с определением их иерархии. Ввод объектов заканчивается определением последовательности их диагностирования. На экране МикроМонитора отображается: - сокращенное наименование установки или секции; - наименование агрегата; - сокращенное наименование точки. С помощью 2-х кнопок МикроМонитора можно не только выбрать любую точку, имеющуюся в конфигурации, но и произвести измерения в любых точках, не определенных конфигурацией. В любом случае, вся измеренная информация сохранится в Базе данных. В этом режиме на экран и встроенный динамик ПДС или головные телефоны выводятся сообщения экспертной системы с результатами автоматической диагностики технического состояния оборудования (дефект подшипника, расцентровка, кавитация, помпаж и т.д.).

48

49 АНАЛИЗ. Режим АНАЛИЗ позволяет производить анализ временных и спектральных характеристик сигналов, сохраненных в Базе данных, или производить их анализ в реальном масштабе времени при измерении сигналов. В режиме АНАЛИЗ возможна предустановка около 50 параметров для измерения и анализа сигналов, в том числе: - частота дискретизации и объем выборки; - тип весовой функции; - частота среза фильтров нижних и верхних частот; - параметры фильтров для вычисления огибающей; - параметры для вычисления оборотных гармоник.

50 4.1. Математическая модель исследования явлений, происходящих в потоке сжиженного нефтяного газа. Для исследования явлений, происходящих в потоке газообразного топлива в жидкой фазе, применялось известное из гидравлики уравнение неустано­вившегося напорного движения реальной жидкости в трубах. В общем виде это уравнение имеет вид: ( / l) z + p/ + 2 /2g + (1/ g) ( / t) + h c = 0 (1) Выражая скорость в различных участках топливной магистрали через скорость в питающем канале насоса k при помощи уравнения неразрывности, после выполнения известных преобразований получено уравнение для расчета давления p х в топливной системе в любом сечении: p x = p под - ( 2 к /2 g)[(f 2 k / f 2 x ) + сум ] +(1/g)*l пр * ( к / t),(2) где сум – коэффициент сопротивления системы; p под – давление подкачки; – удельный вес газа; f k, f x – соответствующие площади сечений; l пр – приведенная длина магистрали. Давление в напорном баке Р под можно записать как сумму давлений на­сыщенных паров применяемого топлива и избыточного давления Ри: Р под = Р нас + Р и (3)

51 Выбранное значение Рпод при любых условиях работы должно обеспе­чить превышение давления потока топлива в опасном сечении РХ над давлени­ем его насыщенных паров Рнас. Таким образом, для стабильной работы топливной аппаратуры на сжиженном газе или другом легком топливе необходимо выполнить условие: Рпод РХ> Рнас (4) Рассчитаны значения минимально необходимого давления подкачки топлива Рпод : для дизельного топлива - 1,8 кг/см, для сжиженного нефтяного газа - 8,5 кг/см. В силу малой кинематической вязкости сжиженного нефтяного газа и его смеси с дизельным то­пливом, и их относительно высокой испаряемости и сжимаемости коэффициент подачи топливной системы п при эксплуатации на них снижается. В среднем при работе на сжиженном газе коэффициент подачи топливной системы п на сжиженном нефтяном газе по сравнению со значением п на дизельном топливе, уменьша­ется на малых подачах до 30%, а на больших - до 16%.

52 4.2. Расчетно-экспериментальная методика определения воспламеняемости смеси дизельного топлива и сжиженного газа. На основе графоаналитического метода, предложенного Г. М. Камфером, а также данных А.А.Чарыкова, предположившего, что при прочих равных условиях одинаковому значению ЦЧ соответствует одинаковое значение периода задержки воспламенения, предложена расчетно-экспериментальная методика определения воспламеняемости смеси дизельного топлива, сжиженного нефтяного газа и высокоцетановой присадки. Такими присадками рекомендованы изопропилнитрат, гидроперекись кумола, бутил-нитрат и др. Предложены аналитические зависимости для оценки воспламеняемости смесей: ЦЧсм.пр = ЦЧ1* М1+ ЦЧ2 * М2 + ЦЧсм, (5) где ЦЧсм = ln ЦЧ2 - ln (ЦЧ2 – ЦЧ1) ln (100 * М1); (6) ЦЧ1 и М1 - соответственно ЦЧ и доля низкоцетанового компонента в смеси; ЦЧ2 и М2 - ЦЧ и доля высокоцетанового компонента (дизельного топ­ лива) в смеси. Формула (6) выражает величину, на которую повышается значение ЦЧ смеси от действия присадки. Значение ЦЧ1 низкоцетанового компонента, учитывая природу топлива (парафинового и ароматического основания), вычисляется по формулам:

53 ЦЧ1П =18,4 + 0,65*OЧ - 6,9*10-3*OЧ2; (7) ЦЧ1А = 30,1 + 0,25 * ОЧ - 4,7 *10-3*OЧ2; (8) где ОЧ - октановое число используемого в дизеле альтернативного легкого топлива. Значение ЦЧ2 для стандартного дизельного топлива вычисляется по выражению: ЦЧ2 = 18,4 + 0,26* у + 0,0078* у2,(9) где у = 44,7-18* + 18 * t50 – 1,32* 2- 1,53 * t502 ; (10) р9 t50 - плотность топлива и температура выкипания 50% фракции ди­ зельного топлива. Выборочные расчеты показали, что расхождение при оценке значений ЦЧ топлива и смесей с присадками по предполагаемой методике и моторным мето­дом на установке ИТ9-3 не превышает 7%.

54 4.3. Метод и математическая модель процессов топливоподачи сжиженного газа. Приведено описание метода и методика расчета процессов топливоподачи сжиженного газа в топливной аппаратуре тепловозного дизеля ПД1М. Показана необходимость применения при использовании сжиженных газов динамической теории впрыска, которая базируется на известном волновом уравнении. Современное состояние теории подобия позволяет научно обоснованно обобщать и распространять физические закономерности единичных процессов на группу им подобных. Методы подобия могут служить основой и для моделирования процессов впрыска топлива в дизелях. В общем случае необходимыми и достаточными условиями подобия процессов впрыска являются тождественность дифференциальных уравнений, опи­сывающих движение жидкости, и граничные условия у насоса и форсунки в безразмерном виде, а также геометрическое подобие систем топливоподачи. С использованием общей методологии теории подобия, были рассмотре­ ны процессы, протекающие в топливной системе дизельного двигателя. Избыточное давление в форсунке р, подъем иглы u и скорость истечения топлива через сопла 0 могут быть выражены через параметры топливной сис­темы и время:

55 p = f1(H, ст, с, Мп,р0,,, t); (11) u = f2(H, ст, с, Мп,р0,,, t); (12) 0=f3(H, ст, с, Мп, р0,,, t), (13) где Н - характеристический ход плунжера; ст = /t - характеристическая ско­рость плунжера; с - жесткость пружины форсунки; Мп - приведенная масса пружины форсунки; р0 - давление открытия иглы форсунки; - коэффициент сжимаемости топлива; - плотность топлива; t = 0/ - характеристический промежуток времени, соответствующий углу поворота кулачкового вала 0.

56 Пользуясь теорией размерностей, уравнения (11, 12, 13) можно привести к безразмерному виду: р/р0 = 1 р0/ ст2; р0; с/Нр0; Мп/ Н3; / 0, (14) u/H = 2 р0/ ст2; р0; с/Нр0; Мп/ Н3; / 0, (15) 0/ст = 3 р0/ ст2; р0; с/Нр0; Мп/ Н3; / 0, (16) Анализ уравнений (14), (15), (16) показывает, что параметры геометрически подобных топливных систем, у которых движение плунжера кинематиче­ски подобно, должны удовлетворять следующим четырем условииям: Ep = р0/ ст2=const; C= р0=const;M = Мп/ Н3=const; k8= с/Нр0= const. Это значит, что при выполнении указанных выше условий, диаграммы, отобра­ жающие изменение давления р, скорости истечения топлива 0, подъема иглы u d соответствующих безразмерных координатах p/p0, / 0; 0/ст, / 0; u/H, / 0 для разных систем, совпадут независимо от значений отдельных параметров. Величины Еп, С, Мп и kявляются критериями подобия. При принятых допущениях закон подачи топлива выражается функцией:

57 Q/Fп cT = f ( / 0) (17) Секундный расход топлива через сопло можно записать так: Q = (y/yмах)fc (2p/ ) (18) Если разделить уравнение (18) на Fп cT и приравнять его к уравнению (17), то после несложных преобразований получаем закон подачи топлива в окончательном виде: p/p0 = f ( / 0). (19) Результаты модельных сравнительных исследований процессов топливоподачи двух разных топлив у ТНВД (рис.1) и форсунки тепловозного дизеля ПД1М показали, что изменение значений давления для топлива с разной сжимаемостью существенно разнится, что требует проведения соответствующих перерегулировок топливной аппаратуры дизеля. Используемая ранее топливная система тепловоза ТЭМ-2 реконструирована сотрудниками Омского государственного университета путей сообщения в универсальную, предназначенную для работы дизельных двигателей как на дизельном топливе, так и на смеси, состоящей из сжиженных нефтяных газов и дизельного топлива [11]. Для сохранения номинальной мощности двигателя при непосредственном впрыске сжиженного газа цикловая подача последнего должна быть эквива­лентной теплоте сгорания дизельного топлива. Учитывая разницу объемных теплотворных способностей сжиженного газа и дизельного топлива, необходимо выполнить следующее условие:

58 VTQH.T = VгQн.г, (21) где VT и Vг - объемная подача соответственно дизельного топлива и сжиженного газа на один рабочий цикл, мм3 ; QH.T и Qн.г - низшая теплота сгорания соответственно дизельного топлива и сжиженного газа, МДж/л. Из выражения (21) находим объем сжиженного газа на один рабочий цикл: Vг = VT (QH.T/ Qн.г ). (22) Это условие справедливо при допущении, что сгорание обоих видов топ­лива происходит с одинаковой эффективностью. Выполнен анализ результатов экспери­ментов по определению показателей работы дизелей на сжиженном газе и его смесях с ди­зельным топливом и высокооктановой присадкой. Экспериментальные данные позволили сделать следующие выводы: - для устойчивой работы двигателя и сохранения оптимального процентно­го содержания дизельного топлива (не более 20%) в смеси необходимо использование высокооктановых присадок; - работа на указанных смесях возможна при обеспечении давления перед насосом большем чем давление насыщенных паров, при увеличении объемной производительности топливной системы на 40-45%, при регулировке топлив­ной аппаратуры на оптимальные параметры процесса впрыска, при регулировке дизеля по углу опережения впрыска смеси сжиженного газа и дизельного топлива.

59 4.4. Критерий оценки эффективности использования топлива в виде сжиженного газа. Ввиду отсутствия стандартной методики в части определения эффективности применения сжиженных газов как для экономии дизельного топлива, так и для одно­временного снижения ущерба, причиняемого загрязнением окружающей среды в районе эксплуатации тепловозов, комплексную (обобщенную) оценку энерго­экологических показателей работы тепловоза предлагается оценивать на основе анализа системы «тепловоз - сжиженный нефтяной газ - окружающая среда». Учитывая причинно-следственные связи, в качестве критерия оценки эффективности использования топлива, предложен комплексный показатель К ээ: К ээ = пт ссмKTi,(23) где пт - КПД производства сжиженных газов, пт = Qbп / (Qbн + Qсжп + Qсжэкс) (24) Qbп, Qbн, Qсжп, Qсжэкс – соответственно высшая теплота сгорания полезной части топлива сжиженных газов и исходного материала (подготовленной к перегонке нефти), энергия, эквивалентная затратам на производство сжиженных газов и на эксплуатацию установки по производству смесевого топлива; эсм- эффективный КПД дизеля при работе на сжиженных газах (либо на его смесях с дизельным топливом и присадками):

60 эсм = 3600 рэ/gi * Qн*pi(25) где gi,QH, рэ, pi - соответственно индикаторный расход топлива дизелем, низшая теплота сгорания используемого топлива или смеси, среднее эффектив­ное и индикаторное – gi, Qy, рэ, рi - соответственно индикаторный расход топлива дизелем, низшая теплота сгорания используемого топлива или смеси, среднее эффективное и индикаторное давления в цилиндре дизеля; Кт[ - коэффициент снижения токсичности по i-му компоненту вредных выбросов дизеля (NOx, СО, СН, сажа, альдегиды), который оценивается так: КTi = 1 +[(Ci1 – Ci2)/Ci1] (26) где Сп, Ci2 – концентрации i -го компонента при работе дизеля на сжиженных газах или его смеси с дизельным топливом и присадкой. Обобщая формулы (23) - (26), можно получить окончательное выражение для оценки энерго-экологического критерия работы дизеля на топливной смеси в виде: К ээ = [ (1- )* пт + эсм]* эсм[1 + (Ci1 – Ci2)/Ci1]*100% (27) где - массовая доля конденсата в продуктах сгорания топлива либо смеси. Данный критерий составил 31,1% и 33,7% при работе на дизельном топливе и смеси СНГ с дизельным топливом соответственно, что указывает на бо­лее предпочтительные экономические и экологические показатели при исполь­зовании смеси СНГ и дизельного топлива.

61 4.5. Оценка экономической эффективности применения сжиженных газов для тепловозов ТЭМ-2. При определении экономической эффективности разработки - перевода дизеля типа ПД1М на сжиженный нефтяной газ кроме различия в стоимости топлива, присадок (бутилнитрата и гидроперекиси кумола) были учтены до­ полнительные расходы, связанные с дооборудованием дизелей и их систем, а также экономия, образующаяся за счет снижения износа деталей ЦПГ и ТА двигателей. По опытным данным при работе дизеля на смеси 20% дизельного топли­ва + 78% сжиженного нефтяного газа + 2% присадки срок службы дизелей ПД1М увеличивается в 1,5 раза из-за уменьшения износа деталей ЦПГ и ТА, а также из-за увеличения срока службы моторного масла. Для оценки экономической эффективности разработки были определены следующие основные показатели: чистый дисконтированный доход (ЧДД), или интегральный экономический эффект, индекс доходности (ИД) и срок окупае­мости (Т0). Показатели эффективности определялись из расчета срока службы системы в 10 лет. В результате были получены значения ЧДД > 0 и ИД > 1, что указывает на целесообразность внедрения разработки - перевода дизеля ПД1М на смеси СНГ с дизельным топливом и присадками. Общий годовой экономи­ческий эффект разработки составил более 340 тыс. р. на один локомотив.

62 Железная дорога Якутии - дорога молодая. Дороге всего 15 лет с момента начала её строительства. Но уже сегодня дорога вносит весомый вклад в доставке народнохозяйственных грузов для Республики Саха (Якутия). Открыто пассажирское движение и теперь жители республики могут воспользоваться и железнодорожным транспортом. Имеются беспересадочные вагоны до Москвы, Хабаровска, Благовещенска. Организовано движение багажных вагонов. За текущий год по сравнению с предыдущим годом объём перевозок вырос на 34,3%. Основной груз дороги это: уголь, нефтепродукты, контейнера, строительный груз, продовольствие. Завершено строительство железной дороги до Якутска и, как следствие, увеличение грузопотока на север Республики. А это увеличение плеч обслуживания, локомотивного парка до 30 локомотивов, локомотивных бригад и обслуживающего персонала.

63 На сегодня плечи обслуживания ОАО АК «Железные дороги Якутии» - это участок Нерюнгри - грузовая - Алдан - Томмот протяжённостью 360 км. Локомотивное хозяйство имеет подменный пункт локомотивных бригад по ст. Нерюнгри грузовая и основное локомотивное депо по ст. Алдан, в котором имеется цех ТО-2 на две секции локомотива и цех ТО-3 на две секции. Цеха регламентированы для проведения ТО-2, ТО-3, ТР-1 локомотивам серии ТЭ10 и ТЭМ2. Имеются цеха: автоматный, топливный, скоростемерный, КРП - все цеха со стендами. Так же имеются цеха: токарный, аккумуляторный, электроаппаратный. Приписной парк локомотивного хозяйства ОАО АК «Железные дороги Якутии» - это: 5 локомотивов - 2ТЭ10М с дизелями Д-100 грузовое движение; 2ТЭ10МК и GE - 3 локомотива с дизелями 7FDL12 грузовое движение; - ТЭП локомотив с дизелем Д -49пассажирское движение; - ЗТЭ10МК - 2 локомотива арендованных с дизелями Д - 49 грузовое движение; - ТЭМ2 - 8 локомотивов с дизелями Д -50маневровое движение..

64 По Якутской железной дороге на локомотивы установлена следующая весовая норма в грузовых поездах по сериям локомотива: ТЭ10М - дизеля 10Д100: 900 тонн на сек.(летний период) тонн (зимний период) ТЭ1ОМК - дизеля Д-49: 1000 тонн на сек.(летний период) тонн (зимний период) Э1 ОМК-дизеля 7FDL12: тонны на сек.(летний период) тонн (зимний период). Проведённый сравнительный анализ работы трёх секций модернизированных тепловозов с дизелями 7FDL12 и трёхсекционного модернизированного тепловоза с дизелями Д-49 в суровых климатических условиях - зимой до минус 50 градусов, при обильных снегопадах и летом до плюс 30 градусов приведен в табл.9: Таблица 9 7FDL12Д-49 Перевезено, ТКБ Средний вес поезда на одну секцию, т 716,9610,4 Удельный расход топлива в кг на 10 тыс. ткм брутто: 81,991,1 Среднесуточная производительность на одну секцию тыс. ТКБ 666,2526 По депо Алдан будет построен третий корпус локомотивного депо, длиной 126 метров и шириной 60 метров, где установлены два мостовых крана грузоподъёмностью до тонн, скатоопускная канава, мастерские и многое другое. В новом цехе проводятся практически все виды ремонта, включая и тяжёлые [12].

65 Заключение. В главе 1 сформулированы основные цели и задачи ОАО «ЖДЯ» по модернизации тепловозов. Намечены основные направления исследований и совместной работы всех участников программы модернизации тепловозов. В главе 2 сформулированы главные технические решения по модернизации тепловозов. Разработано исполнение двигателя 10Д100М1Б, соответствующее всем действующим в РФ требованиям (ГОСТам). В главе 3 приведены результаты модернизации совместной работы ОАО «ЖДЯ» и «Дженерал-Электрик», позволившие получить экономический эффект от модернизации 1 ед. тепловоза в год в сумме руб., и снизить расходы топлива на 12-25%, масла – 2.5 раза, с увеличением ресурса на30 %. В главе 4 выполнен качественный и количественный анализ возможностей и условий для сохранения на тепловозе смеси дизельного топлива и сжиженного нефтяного газа. Предложена технология использования смеси дизельного топлива и сжиженного нефтяного газа для дизелей тепловозов, обеспечивающая улучше­ние эксплуатационных показателей и снижение затрат на топливо.

66 Исследована и определена степень влияния состава топливной смеси на эксплуатационные характеристики дизелей тепловозов. Разработана математическая модель для оценки эксплуатационных по­казателей дизелей тепловозов при работе на дизельном топливе, сжиженном нефтяном газе и его смесях с дизельным топливом и присадками. Установлен критерий оценки эффективности работы тепловозов на сжиженном нефтяном газе, его смеси с дизельным топливом и присадками. Проведена оценка эффективности от внедрения технологии использо­вания сжиженного нефтяного газа для работы тепловозов. Экономический эф­фект от внедрения разработанной технологии составляет более 340 тыс. р. в год на один локомотив. Полученные новые технические и технологические решения по исполь­зованию сжиженного нефтяного газа для работы дизелей тепловозов обеспечи­вающие снижение затрат на топливо в размере 3 - 5%. В главе 5 приведены итоги эксплуатации модернизированных тепловозов на ЖДЯ.

67 Спасибо за внимание