авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Совершенствование законов регулирования силовых установок тепловозов с целью повышения их технико-экономических характеристик

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи







Фурман Виктор Владимирович










СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЗАКОНОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ

СИЛОВЫХ УСТАНОВОК ТЕПЛОВОЗОВ С ЦЕЛЬЮ

ПОВЫШЕНИЯ ИХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК

Специальность

05.22.07 – Подвижной состав железных дорог, тяга поездов

и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук





Самара

2011

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный университет путей сообщения» (СамГУПС) на кафедре «Локомотивы».

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор

Коссов Евгений Евгеньевич

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Грищенко Александр Васильевич

- кандидат технических наук,

Азаренко Валентин Алексеевич

Ведущая организация:

Московский государственный университет путей сообщения

Защита диссертации состоится « » 2012 г. в___часов на заседании диссертационного совета Д218.011.01 в Самарском государственном университете путей сообщения по адресу: г. Самара, ул. Свободы, 2а, корп. 5, ауд. 5216.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан «___» ________ 2011 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по адресу диссертационного совета Д218.011.01: 443066, г. Самара, 1-й Безымянный пер., 18, СамГУПС, факс: (846) 262-30-76.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 218.011.01

кандидат технических наук, доцент В.С. Целиковская


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность.

Природные топливно-энергетические ресурсы и созданный производственный, научно-технический и кадровый потенциал энергетического сектора экономики – национальное достояние России. Вопросы рационального и эффективного использования топливно-энергетических ресурсов становятся в настоящее время одним из основных необходимых условий дальнейшего развития практически всех отраслей народного хозяйства России.

Одним из направлений осуществления этих мероприятий является повышение эффективности и надежности технических средств железнодорожного транспорта, снижение удельных транспортных издержек на основе ускорения внедрения новой техники, прогрессивной технологии и автоматизированных систем управления, повышения уровня ремонтных работ.

Использование автоматизированных систем управления и диагностирования локомотивов в перспективе позволяет компенсировать рост затрат на топливно-энергетические ресурсы. Поэтому необходимо проведение научных исследований, направленных на разработку новых методов и средств управлениия энергетическими установками тепловозов и их оборудованием.

Диссертационная работа направлена на совершенствование систем управления дизель-генераторами при работе на установившихся режимах и в переходных процессах с целью снижения расхода топлива при эксплуатации тепловозов, что является актуальной задачей.

Цель и задачи исследований.

Целью исследования является разработка и реализация законов управления силовыми установками тепловозов при применении электронного управления частотой вращения коленчатого вала дизеля и мощностью тяговой передачи.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

  1. Выполнить анализ существующих систем регулирования,дизель-генераторами тепловозов, проанализировать реализуемые в них законы управления и эффективность их использования.
  2. На основе теоретического исследования выявить взаимосвязи между реализуемыми законами управления дизель-генераторами и технико-экономическими показателями работы тепловозов.
  3. Разработать предложения по усовершенствованию законов управления дизель-генераторами тепловозов и алгоритмы их реализации электронными системами регулирования.
  4. Разработать конструкции электронных систем регулирования и программы, реализующие выбранные законы и алгоритмы управления.
  5. Провести эксплуатационную проверку работоспособности и расчет экономической эффективности использования разработанных систем на тепловозах.

Объект исследования. Системы управления дизель-генераторами тепловозов.

Предмет исследования. Взаимосвязь реализуемых законов регулирования частоты вращения и мощности дизель-генераторов с технико-экономическими показателями работы тепловозов.

Методы исследования.

Поставленная задача решалась методами математического моделирования показателей работы тепловозов, экспериментальными исследованиями процессов и алгоритмов управления силовыми установками тепловозов на стендах и тепловозах.

Научная новизна работы.

Разработаны новые подходы к созданию алгоритмов регулирования силовых установок тепловозов, реализующих оптимальное управление частотой вращения и мощностью дизель-генераторов при работе на установившихся и переходных режимах работы.

Разработан алгоритм управления силовой установкой тепловоза с адаптацией режимов работы к внешним условиям.

Введено новое понятие – скоростная ограничительная характеристика переходного процесса.

Разработана методика определения предлагаемой характеристики, определены рациональные скоростные (тепловозные) характеристики с учетом ограничительной характеристики переходного процесса.

Достоверность научных положений и результатов.

Достоверность научных положений, выводов и результатов исследований подтверждена положительным опытом эксплуатации тепловозов, оснащенных электронными системами управления, реализующими разработанные в диссертации характеристики и алгоритмы.

Практическая ценность.

Разработано программное обеспечение, реализующее предложенные автором характеристики и алгоритмы управления, для дизель-генераторов тепловозов.

Реализация результатов работы

Разработанные алгоритмы управления составили основу созданных под руководством автора электронных регуляторов частоты вращения и мощности типа ЭРЧМ30Т, которые установлены и эксплуатируются на тепловозах ЧМЭ3, ТЭМ2, ТЭМ18Д, 2ТЭ10, 2ТЭ116, ТЭП70 и 2ТЭ25 в количестве более 2000 ед.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Алгоритм и способ реализации оптимального управления переходным процессом дизель-генератора тепловоза.

2. Понятие и метод определения ограничительной характеристики переходного процесса.

3. Алгоритм и способ реализации процесса адаптации заданных характеристик нагружения в зависимости от внешних условий работы тепловоза.


Апробация работы.

Основные материалы диссертации поэтапно докладывались, обсуждались и получили одобрение на Межотраслевой научно-технической конференции «Современные проблемы развития поршневых ДВС», посвященной 75-летию кафедры судовых ДВС и дизельных установок Санкт-Петербургского государственного морского университета, 2005г., на Всероссийском научно-техническом семинаре в МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2005 и в 2006гг., на Международной конференции Двигатель-2007, посвященной 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э. Баумана,2007г., на научно-техническом семинаре кафедры «Локомотивы» СамГУПС, 2011 г.

Публикации.

Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в 1 монографии, 10 статьях, из них 4 - в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, тезисах двух докладов, а также в 5 патентах, выданных Госреестром изобретений РФ.

Структура и объем работы.

Диссертация изложена на 149 страницах машинописного текста, включая 16 таблиц, 30 рисунков, и состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка из 91 наименования приложений на 6 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, как совершенствование законов управления силовыми установками тепловозов, научная новизна исследования и практическая ценность внедрения на железнодорожном транспорте электронных регуляторов, реализующих разработанные алгоритмы управления.

В первой главе проведен анализ развития систем управления дизель-генераторами тепловозов от первого тепловоза с электрической передачей, созданного профессором Гаккелем Я.М. в 1924 г., до современных гидромеханических объединенных регуляторов, созданных фирмой Wodward (США), Коломенским тепловозостроительным заводом и другими. Значительный вклад в создание и развитие систем управления тепловозными силовыми установками внесли Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ), Харьковский политехнический институт (ХПИ), Московское высшее техническое училище им. Н.Э.Баумана (МВТУ), Харьковский институт инженеров железнодорожного транспорта (ХИИТ) и ряд других организаций. Вопросы совершенствования процессов регулирования дизель-генераторов исследовали Крутов В.И., Толшин В.И., Грунауэр А.А., Круглов М.Г., Белостоцкий А.М., Кудряш А.П., Гиттис В.Б., Долгих И.Д., Володин А.И., Коссов Е.Е., Канило П.М. и ряд других.

В начале развития тепловозной тяги перед системами регулирования ставились задачи обеспечения заданных величин частоты вращения и мощности на установившихся режимах работы дизель-генератора. Рассмотрены принципы регулирования режимов работы на первом тепловозе Я.М.Гаккеля, на тепловозах типа ТЭМ1, ТЭ3, 2ТЭ10.

Показано, что по мере увеличения степени форсировки дизелей по наддуву от 0,5 до 2,0 МПа возрастают требования к системам регулирования. Становится необходимым качественно изменить управление неустановившимися режимами, характерными для работы тепловозов. Наивысшим достижением в развитии систем регулирования на базе гидромеханических регуляторов является регулятор 4-7РС2, созданный под руководством Б.П.Колосова на Коломенском тепловозостроительном заводе.

Кроме оригинальной конструкции в регулятор введены дополнительные ограничительные характеристики подачи топлива и нагрузки в зависимости от давления наддува. Регуляторы 4-7РС2 хорошо зарекомендовали себя в эксплуатации. Недостатками этого регулятора явились нестабильность настроек при длительной эксплуатации и сложность настройки ограничителей, требовавшей высокой квалификации обслуживающего персонала.

Дальнейшим шагом в развитии процессов регулирования статических скоростных характеристик дизель-генераторов тепловозов явилось создание электронных систем управления статическими характеристиками дизель-генераторов. Одной из таких систем является система Bright Star фирмы Дженерал Электрик США. В этой системе с высокой точностью задаются частота вращения дизеля и мощность тягового генератора.

Универсальная микропроцессорная система тепловозной автоматики (МСУД) создана в России усилиями специалистов Всероссийского научно-исследовательского конструкторского тепловозного института (ВНИКТИ), г. Коломна Московской области. Так же как и система Bright Star фирмы GE, система МСУД позволяет задавать статические скоростные характеристики дизель-генераторов с широким изменением поля заданных режимов работы. В этой системе в соответствии с установленной позицией контроллера задается частота вращения коленчатого вала дизеля и уровень мощности тягового генератора по «селективной» характеристике. Система МСУД широко применяется на тепловозах М62, 2ТЭ10МК, 2ТЭ116, ТЭП70 и др.

Приведенный в диссертации анализ развития систем регулирования тепловозных дизель-генераторов показывает, что при появлении электронных систем управления мощностью тяговой передачи, оказались не решенными задачи создания электронных систем регулирования частоты вращения коленчатого вала и мощности тягового генератора.

На основании материалов первого раздела поставлены следующие задачи исследования:

- сформулировать алгоритм управления переходным процессом дизель-генератора тепловоза при повышении форсировки дизеля по среднему эффективному давлению для реализации в микропроцессорной системе управления;

- разработать программное обеспечение систем регулирования дизель-генераторов тепловозов при оптимальном переходном процессе и изменении статических скоростных характеристик в широком диапазоне рабочих режимов;

- разработать конструкции и схемные решения для электронного управления частотой вращения и нагрузкой тепловозных дизель-генераторов;

- проанализировать влияние формы статических скоростных характеристик на показатели работы тепловозов в различных климатических условиях;

- реализовать в конкретных конструкциях разработанные законы управления дизель-генераторами;

- провести эксплуатационные испытания разработанных конструкций и программ с определением их технико-экономических характеристик.

Во втором главе проведен анализ теоретических исследований, посвященных работе тепловозных дизель-генераторов и методам оценки показателей работы тепловозов на режимах эксплуатации. Большой вклад в решение этой проблемы внесли А.З.Хомич, А.Э.Симсон, А.И.Володин, Г.А.Фофанов, Л.А.Грунауэр, И.Д.Долгих, Э.Д.Тартаковский и др. Известны методы расчета показателей работы дизель-генераторов на установившихся и переходных процессах В.И.Толшина, В.И.Крутова, А.М.Белостоцкого, Л.Е.Тимановской и др. Разработанные методы расчета показателей работы дизель-генераторов и тепловозов на режимах эксплуатации позволяют оценить разработанные конструкции и принятые алгоритмы регулирования по топливной экономичности и производительности. Однако при разработке новых алгоритмов регулирования, перечисленные выше методики оказались неприемлемыми.

В данной работе за основу принималась формулировка оптимального переходного режима в тепловозном дизель-генераторе, как режима с максимальным быстродействием при ограничении параметров рабочего процесса. В диссертации за основу теоретического исследования принята методика расчета показателей работы дизель-генератора на режимах эксплуатации, разработанная Е.Е.Коссовым. Задачей данного исследования на первом этапе явилась разработка алгоритмов и программного обеспечения для реализации в электронном регуляторе заданных законов регулирования по статическим характеристикам и алгоритмов оптимального управления переходными процессами. В работе представлен уточненный алгоритм управления переходным процессом. Сложность заключалась в том, чтобы обеспечить независимое управление частотой вращения коленчатого вала и мощностью тягового генератора при обеспечении заданных ограничений параметров рабочего процесса и заданного быстродействия по угловому ускорению коленчатого вала. Задача решена автором путем задания приоритетов при выборе управляющих воздействий в виде изменений подачи топлива и возбуждения тягового генератора. При наличии рассогласований в фактических и заданных величинах частоты вращения коленчатого вала и мощности тягового генератора, изменение подачи топлива определяется по ограничению параметров рабочего процесса.

Уточнены и включены в алгоритмы и программное обеспечение требования тяги поездов к показателям работы дизель-генератора в эксплуатационном режиме:

- в переходном процессе приема нагрузки мощность тягового генератора не должна снижаться, т.е.

где д, д* - текущая и заданная угловая скорость коленчатого вала, рад/с;

РГ, РГ* - текущая и заданная мощность тягового генератора, Вт;

- темп увеличения мощности тягового генератора не должен превышать величины, ограниченной условиями трогания состава с места и при его движении;

- заданы ограничительные параметры рабочего процесса и вращательного движения коленчатого вала и присоединенных к нему агрегатов;

- допустимый расход топлива В, кГ/с;

- допустимое ускорение коленчатого вала dд/dt, рад/с2;

- допустимый темп изменения мощности тягового генератора dРГ/dt, Вт/с;

- допустимый суммарный коэффициент избытка воздуха ;

- допустимый уровень температур рабочего тела и теплоносителей и т.п.

При выборе величин управляющих параметров использовалось дифференциальное уравнение вращательного движения коленчатого вала:

где РГ – мощность дизеля, передаваемая тяговому генератору, кВт;

РТр, Рвс - мощности механических потерь в двигателе и агрегатов собственных нужд тепловоза;

J - суммарный момент инерции вращающихся узлов дизеля и агрегатов тепловоза, присоединенных к валу дизеля.

Теоретический анализ законов управления дизель-генераторов проводился путем моделирования режимов работы тепловозов при выполнении поездных операций, характерных для исследуемого типа локомотива.

В диссертации рассмотрены основные допущения и алгоритм имитационной модели расчета показателей работы тепловоза в эксплуатации. Сокращенно порядок расчета показателей работы тепловоза можно представить следующим образом:

1. По параметрам элемента профиля пути и заданной скорости движения V* определяется необходимая мощность силовой установки тепловоза в установившемся режиме P*Т, обеспечивающая достижение заданной скорости движения с некоторым ускорением dV*/dt :

где – коэффициент массы с учетом изменения кинетической энергии вращающихся масс, равный 1,08;

Q, P – масса соответсвенно поезда и локомотива;

W”0, W’0 - основное удельное сопротивление движения соответственно поезда и локомотива;

Wi - дополнительное удельное сопротивление движения от уклона.

2. Проверяется возможность реализации заданной силы тяги P*Т. Если тяговая мощность P*Т меньше номинальной, то рассчитывается угловая скорость Wд коленчатого вала дизеля, необходимая для ее реализации. В расчетах принималось, что потери в тяговой передаче пропорциональны току тяговых электродвигателей или силе тяги Fк:

где РПТmax– потери в передаче при реализации номинальной мощности PTном и максимальной силе тяги FКmax.

3. С помощью математической модели рабочих процессов в дизель-генераторе рассчитываются показатели переходного процесса дизеля с заданным интервалом времени t.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.