Введение к работе
Актуальность исследования. Компания ОАО «Российские железные дороги» (ОАО «РЖД») в соответствии с разработанной стратегией развития транспортного комплекса страны в ближайшем будущем планирует вкладывать значительные средства в обновление локомотивного парка Так в период 2006 — 2008 гг на закупку и модернизацию подвижного состава ОАО «РЖД» направит 167,6 млрд руб Однако, как отмечают специалисты, основная проблема заключается не столько в количестве единиц подвижного состава, сколько в соответствии его современным техническим требованиям В настоящее время основная часть локомотивного парка состоит из локомотивов, разработанных более 30 лет назад Затраты на содержание и ремонт эксплуатируемых локомотивов составляют до 64% всех расходов в течение всего их жизненного цикла, в том числе затраты на электроэнергию и топливо — свыше 35% Вместе с тем, эксплуатационные показатели как тепловозов, так и электровозов, могут быть улучшены при их модернизации за счет применения современных средств автоматизации процессов управления и регулирования Определенных положительных результатов можно добиться, в частности, в направлении совершенствования исполнительно-регулирующих устройств локомотивных автоматических систем регулирования температуры (АСРТ), в которых применяются осевые вентиляторы — систем «осевой вентилятор — привод» К таким АСРТ можно отнести автоматические системы регулирования температуры теплоносителей (воды, масла, надувочного воздуха) дизелей, обмоток тяговых электрических машин (тяговых генераторов, тяговых электродвигателей) и тяговых трансформаторов, силовых приборов (диодов, тиристоров, транзисторов) тяговых полупроводниковых преобразовательных установок (тяговых выпрямительных установок, инверторов и преобразователей частоты) Последовательное соединение звеньев автоматической системы — исполнительного механизма (ИМ) и регулирующего органа (РО) образует исполнительно-регулирующее устройство (ИРУ) В локомотивных АСРТ функции ИМ выполняет вентилятор, а функции РО — привод вентилятора КПД ИРУ зависит от КПД ИМ и КПД РО Как известно, такие конструктивные па-
раметры ИРУ с осевыми вентиляторами, как скорость вращения вала вентиляторного колеса и угол наклона лопастей осевого вентилятора, выбираются на стадии проектирования для расчетных режимов работы охлаждающих устройств При этом руководствуются требованиями обеспечения максимальных значений КПД осевого вентилятора и минимума затрат энергии на его привод при необходимом количестве и напоре охлаждающего воздуха В то же время, известно, что доля времени работы охлаждающих устройств локомотивов в расчетных режимах составляет не более 5 — 7 % от общего времени работы, в остальных случаях КПД осевого вентилятора и затраты энергии на привод могут существенно отличаться от значений, соответствующих расчетному режиму Применение на локомотивах микропроцессорных средств и систем открывает широкие возможности улучшения характеристик ИРУ, и, как следствие, повышения их технико-экономических показателей
Цель и задачи исследования Целью диссертационного исследования является разработка математической модели и методик теоретических исследований ИРУ с осевыми вентиляторами для локомотивных АСРТ и улучшение их технико-экономических показателей
В соответствии с поставленной целью в работе были решены следующие задачи
Разработка математической модели и методики расчета аэродинамических характеристик осевого вентилятора и сети с учетом конструктивных параметров вентилятора и изменения эксплуатационных факторов
Разработка методики расчета технико-экономических показателей работы системы «вентилятор — привод» с учетом изменения КПД привода, аэродинамического сопротивления сети и температуры охлаждающего воздуха
Разработка методики и проведение расчетов по определению затрат дизельного топлива на привод осевого вентилятора для локомотивных АСРТ с различными исполнительно-регулирующими устройствами
Исследования проводились на основе использования методов математического моделирования и линейной алгебры Модель базируется на теории аэродинамики осевых вентиляторов и ме-
тодах оптимизации Достоверность исследований подтверждается сходимостью результатов расчетов с опытными данными Обоснованность выводов подтверждена сопоставлением результатов теоретических и экспериментальных исследований ИРУ с осевыми вентиляторами, полученных специалистами ЦАГИ, ПО «Лю-диновотепловоз», ВНИКТИ и др При разработке математической модели широко использовалась аппроксимация опытных данных методом наименьших квадратов При недостаточной точности аппроксимации применялась интерполяция с использованием многочлена Лагранжа Для решения задачи максимизации КПД ИРУ формировалась целевая функция, глобальный экстремум которой находился методом перебора Для решения системы нелинейных уравнений применялся метод касательных
Научная новизна полученных в диссертационной работе результатов состоит в следующем
Разработана математическая модель осевого вентилятора и его привода как ИРУ АСРТ с учетом влияния на экономичность его работы конструктивных параметров вентилятора и эксплуатационных факторов
Разработана методика расчета технико-экономических показателей работы осевого вентилятора и выбора режимов работы, соответствующих наивысшим значениям КПД и наименьшим затратам энергии на привод вентилятора для системы «вентилятор — привод» с учетом изменения КПД привода, аэродинамического сопротивления сети и температуры охлаждающего воздуха
Разработаны функциональная и принципиальная схемы микропроцессорной АСРТ с ИРУ, содержащим в качестве РО осевой вентилятор, их научная новизна подтверждена полученным патентом на изобретение
Достоверность научных исследований обеспечена проверкой адекватности расчетных данных, полученных с применением разработанной математической модели, имеющимся экспериментальным данным
Практическая ценность результатов исследований заключается в разработке предложений, позволяющих повысить экономичность работы ИРУ и дающих возможность реализовать в локомотивных АСРТ выбор наиболее экономичных режимов работы
системы «осевой вентилятор — привод» при требуемых аэродинамических показателях вентилятора (количество и напор охлаждающего воздуха) Результаты работы могут быть использованы как на стадии проектирования охлаждающих устройств и АСРТ перспективных локомотивов, так и при модернизации локомотивов, находящихся в эксплуатации
Реализация результатов работы. Часть исследований выполнена в рамках НИР, включенных в раздел Плана НИОКР ОАО «РЖД» «Фундаментальные и поисковые научно-исследовательские работы» (шифр 19 10 00) в 2004 и 2005 гг (результаты работы в виде отчетов о НИР переданы функциональному заказчику — Департаменту локомотивного хозяйства ОАО «РЖД»), а также в рамках госбюджетной НИР кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» РГОТУПС «Разработка предложений по модернизации тепловозов с целью повышения их надежности и экономичности» в 2004 и 2005 гг Результаты работы внедрены в учебный процесс РГОТУПС на кафедре «Локомотивы и локомотивное хозяйство» (дисциплина «Автоматика и микропроцессорная техника локомотивов»)
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на научно-практической конференции «Инновации в эксплуатации и развитии инфраструктуры железнодорожного транспорта» (ВНИИЖТ, г Щербинка, 2004 г), на 65 Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (гДнепропетровск, 2005 г), на II международной научно-практической конференции «Современные научные достижения 2006» (гБелгород, 2006 г), на заседаниях кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» РГОТУПС в 2004, 2005, 2006, и 2007 гг
Публикации По материалам диссертации опубликовано 11 работ, включая патент РФ на изобретение Позиции 2,5,6,8,9 и 11 опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 102 наименований Общий объем диссертации 143 страницы, включая 66 рисунков и34 таблицы
