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:     | 1 || 3 |

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

-- [ Страница 2 ] --

4. Затем производится интегрирование дифференциального уравнения движения поезда с заданным интервалом времени t, определяются значения dFК/dt и dV/dt и сравниваются с заданными. Если dFК/dt и dV/dt превышают заданные значения, то вычисляется допустимое значение [dPГ/dt], соответствующее ограничениям, которое затем используется в расчете переходного процесса.

5. Проверяется путь, пройденный поездом от начала движения по участку, и заданная скорость его движения. Если поезд преодолел заданное расстояние L, то расчет прекращается. Если скорость достигла заданного значения, его ускорение принимается равным нулю, вычисляются значения заданной мощности P*T и угловой скорости коленчатого вала дизеля д, соответствующие равновесному режиму.

Проверяются условия окончания переходного процесса. В рабочих программах предусмотрено увеличение шага интегрирования уравнений движения поезда после окончания переходного процесса.

В качестве критерия качества при оценке эффективности законов регулирования принимался максимум производительности локомотива при производстве поездной операции П, отнесенной к расходу топлива В:

Если учесть, что производительность локомотива

,

где А – работа выполняемая при осуществлении данной операции, Дж;

Т – время проведения поездной операции, с, то критерий можно записать в виде

Максимум критерия достигался методом итераций при пошаговом изменении рассматриваемых законов регулирования. В качестве параметров при выборе законов регулирования принимались ограничительная характеристика переходного процесса, быстродействие силовой установки, уровни заданных скоростных характеристик, ограничительные величины углового ускорения коленчатого вала, темпа изменения нагрузки тягового генератора, внешние условия по температуре и давлению наружного воздуха.

Имеется ряд работ, посвященных выбору рациональных скоростных характеристик по заданному критерию качества. В этих работах параметром рабочего процесса выбирался коэффициент избытка воздуха. Однако отсутствуют обоснования его максимально допустимой величины. Эта величина в переходном процессе принималась в пределах 1,2 1,35, и на наш взгляд, требует дополнительных обоснований. На рис. 1 представлена схема переходных процессов, осуществляемых гидромеханическим регулятором 4-7РС2 и предлагаемого в диссертации. Площадь ограничения линиями 1,2’,3’,4,5’,6’ представляет собой работу, затраченную на изменение кинетической энергии вращения коленчатого вала и связанных с ним агрегатов.

Эта площадь снизу ограничена линиями 1,6’,5’, сверху 1,2’,3’. Линия 1,6’ обеспечивает постоянство тяговой мощности во время переходного процесса. Линия 6’,5’ соответствует селективной скоростной характеристике BF. При применении современных систем управления от селективной характеристики BF можно отказаться. Тогда величина энергии, направленной на изменение скоростного режима может быть увеличена по линии 6’5. На наш взгляд следует уделить большее внимание верхней границе этой площади (2’,3’, рис. 1). В литературе отсутствуют обоснования выбора уровня ограничительной характеристики (линия 2 ’3’).

В рассматриваемом процессе (1,2’, рис. 1) изменение индикаторной мощности при увеличении подачи топлива будет происходить при постоянной частоте вращения коленчатого вала и при практически постоянном расходе воздуха через дизель, так как при быстром изменении подачи топлива (линия 1,2’, рис. 1) свободный турбокомпрессор в силу инерционности не успевает изменить режим работы.

 Переходный процесс в-10

Рис. 1. Переходный процесс в дизель-генераторе тепловоза

в серийном (1, 2, 3, 4, 5, 6) и в разработанном (1, 2, 3, 4, 5) вариантах (схематично)

АВ – скоростная (тепловозная) характеристика;

CD – ограничительная скоростная характеристика установившегося режима;

EF – селективная скоростная характеристика;

2,3 – вновь проложенная ограничительная характеристика переходного процесса.

Определим изменение индикаторной мощности:

где Ни – низшая теплотворная способность топлива, кДж/кг;

Wд- частота вращения коленчатого вала, р/с;

i - индикаторный коэффициент полезного действия (к.п.д.).

В силу принятых допущений получим:

Получим:

так как

В рассматриваемом процессе индикаторная мощность Рi достигает максимума при dPi=0, то есть при

Таким образом при «мгновенном» повышении подачи топлива индикаторная мощность будет повышаться только до определенной величины, обусловленной соотношением (12) и дальнейшее повышение подачи приводит лишь к повышению дымления без увеличения мощности.

Величина допустимой подачи топлива будет зависеть от уровня мощности дизель-генератора в начале переходного процесса двигателя. Выбор рациональных уровней мощности для различных частот вращения проводился на основании имитации режимов работы тепловоза по минимуму величины критерия (6).

В соответствии с изложенными выше теоретическими положениями были определены рациональные законы управления основного парка эксплуатируемых тепловозов ТЭМ2, ЧМЭ3, 2ТЭ10, 2ТЭ116, ТЭП70, 2ТЭ25 с учетом новых положений о выборе ограничительной характеристики переходного процесса. Выбор рационального закона управления (скоростной тепловозной характеристики) проводился по описанной выше методике после предварительного расчета уровней ограничительных характеристик переходного процесса и назначения вариантов скоростных характеристик для оценки их эффективности по выбранному критерию.

Проведенные расчеты показали, что совершенствование законов управления может быть более эффективным при одновременном изменении характеристик дизеля, тяговой передачи и способов регулирования.

В диссертации рассмотрены примеры совершенствования микропроцессорных систем регулирования при изменении скоростных характеристик дизелей за счет совершенствования систем наддува и применения в силовой электрической цепи локомотива накопителей энергии.

По результатам теоретических исследований сформулированы технические задачи, решение которых позволяет реализовать выбранные законы регулирования.

Третья глава посвящена разработке микропроцессорной системы автоматического регулирования частоты вращения коленчатого вала дизеля и мощности тягового генератора тепловозов. В диссертации приведены структурная и функциональная схемы разработанной микропроцессорной системы автоматического регулирования.

Особенностью этой микропроцессорной системы является ее универсальность и возможность расширения функций при усложнении законов регулирования управляемого объекта и алгоритмов его функционирования. В 32-х разрядной вычислительной части системы используется 484 процессор Pentium . Вычислительная часть получает сигналы от объекта регулирования, формирует управляющие сигналы и передает их органам управления. В диссертации описаны конструктивное исполнение и основные функции, выполняемые системой на тепловозе. Отличительной особенностью управляющей системы является исполнительное устройство ИУ, функциональная схема которого показана на рис. 2.

ИУ предназначено для управления рейками топливных насосов высокого давления дизеля и состоит (см.рис. 2) из трех корпусов: верхнего 1, среднего 2 и нижнего 3, крышки 4 и датчика положения 5, закрепленного на верхнем корпусе. В верхнем корпусе 1 расположен выходной вал 6, рычаг 7 и система рычагов 8 обратной связи. К торцу верхнего корпуса четырьмя болтами крепится поворотный магнит 9. Рядом на корпусе находится штепсельный разъем (на рис. не показан) для его подключения к блоку управления.

 Функциональная схема-17

Рис. 2. Функциональная схема исполнительного устройства ЭГУ 104

В среднем корпусе 2 расположены шестерни масляного насоса 10 и 11, втулка золотника 12, золотник 13, поршень сервомотора и аккумулятор (на рис. 2 не показан).

В нижнем корпусе 3 располагается приводной вал 14, манжета 15 и шариковый подшипник 16, который фиксируется фланцем 17.

Разработаны чертежи установки микропроцессорной системы на тепловозах указанных типов и датчики, необходимые для ее функционирования.

В четвертой главе приведены результаты испытаний и эксплуатации микропроцессорной системы регулирования ЭРЧМ30Т. Система устанавливается на тепловозах ТЭМ2, ЧМЭ3, 2ТЭ10, 2ТЭ116, ТЭП70, 2ТЭ25.

Испытания системы ЭР4М30Т проводились на стендах ООО «ППП «Дизельавтоматика», ОАО «Коломенский завод» и на тепловозах. В процессе испытаний на установившихся и в переходных процессах установлено, что показатели работы системы регулирования как регулятора частоты вращения и регулятора мощности тягового генератора, удовлетворяют всем требованиям к таким устройствам, предусмотренным нормативной документацией. На рис. 3 приведена осциллограмма переходного процесса в дизель-генераторе 2А-9ДГ тепловоза ТЭП70 при переводе позиции контроллера с 1-й на 15-ю.

 Переходный процесс разгона дизеля -18

Рис. 3. Переходный процесс разгона дизеля

Время набора оборотов двигателя при переводе контроллера машиниста с нулевой на пятнадцатую позицию не превышает 23 с. При этом заброс оборотов при выходе на номинальную нагрузку составляет не более 0,6%. Такой существенный показатель, как нестабильность частоты вращения коленчатого вала двигателя на холостом ходу и под нагрузкой не превышает 0,55% при допуске 4%.

Из приведенных кривых переходных процессов видно (рис. 3), что длительность переходного процесса дизеля составляет всего 40 с, а подача топлива устанавливается по заданной ранее ограничительной характеристике переходного процесса hр. После достижения заданной частоты вращения коленчатого вала (д, рис. 3) нагружение дизеля осуществляется регулированием мощности тягового генератора (IТГ, рис. 3). Это позволяет считать процесс управления силовой установкой тепловоза оптимальным с точки зрения максимального быстродействия полноты использования мощности дизеля, минимизации эксплуатационного расхода топлива, дымности выхлопа, а также снижения температурной напряженности и повышения надежности.

Испытаниями установлено, что применение микропроцессорной системы регулирования ЭРЧМ30Т позволяет существенно улучшить экологические характеристики по окислам азота и углерода (до 10 20 %), по дымлению в 2 3 раза.

На 01.01.2011 г. на тепловозах установлено более 2000 систем. Принято решение ОАО «РЖД» об оснащении такими системами всего эксплуатируемого парка тепловозов.

В работе приведены результаты эксплуатации тепловозов ЧМЭ3 на Приволжской и Московской ж.д., которые подтвердили высокую надежность работы системы и повышение топливной экономичности тепловозов.

В диссертации рассмотрены примеры использования системы при расширении области рабочих режимов дизеля за счет совершенствования системы наддува и при применении накопителя энергии в силовой электрической цепи тепловоза.

В пятой главе приведены методика и результаты технико-экономической эффективности применения электронных регуляторов и разработанных законов управления в эксплуатации. Показано, что применение электронных регуляторов, установленных на тепловозах, дает экономический эффект более 430млн.руб. в год. Изменение области рабочих режимов и применение адаптации характеристик на тепловозе 2ТЭ116 позволяет дополнительно экономить на стоимости топлива более 370,0 тыс.руб. в год на один тепловоз.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации решена крупная научно-техническая задача совершенствования законов регулирования дизель-генераторов тепловозов путем создания и внедрения микропроцессорных систем регулирования частоты вращения коленчатого вала дизеля и мощности тягового генератора, позволивших повысить топливную экономичность тепловозов. В процессе решения основной задачи исследования поставлены и решены следующие вопросы:

1. Проведен анализ развития систем регулирования тепловозов, на основании которого сделан вывод о необходимости существенного повышения качества регулирования силовых установок по мере увеличения форсировки по наддуву. Имевшиеся в эксплуатации электрогидромеханические регуляторы фирмы Woodward (США) и 4-7РС2, Коломенского тепловозостроительного завода (Россия), не могут обеспечить требуемую стабильность работы и дальнейшее совершенствование законов управления.

2. Впервые введено понятие «ограничительная скоростная характеристика переходного процесса», дана методика ее определения и проведена оценка влияния на заданные скоростные (тепловозные) характеристики. Показано, что ограничением подачи топлива в переходном процессе является не ограничение дымности выхлопа, а снижение темпа роста индикаторной мощности.

3. Теоретический анализ влияния законов регулирования на показатель поездной работы показал, что за счет совершенствования системы управления можно снизить расход топлива тепловозами в эксплуатации от 3 до 15% в зависимости от вида поездной работы при сохранении их производительности.

4. Применение усовершенствованных законов управления возможно только при существенном улучшении качества системы регулирования. В диссертации задача решена путем создания электронных регуляторов частоты вращения коленчатого вала и мощности тягового генератора, для которых разработаны программное обеспечение, электронные планы, схемные решения, конструкции исполнительных устройств и датчиков.

5. При непосредственном участии автора данной работы созданы электронные регуляторы ЭРЧМ30Т для дизель-генераторов тепловозов ЧМЭ2, ЧМЭ3, ТЭМ18Д, 2ТЭ10, 2ТЭ116, ТЭП70 всех модификаций. Разработаны проекты установки и эксплуатационная документация. В настоящее время регуляторы ЭРЧМ30Т успешно эксплуатируются более чем на 2000 тепловозах РЖД и стран содружества.

6. На базе созданного электронного регулятора ЭРЧМ30Т впервые создана адаптивная система управления, корректирующая закон регулирования в зависимости от температуры наружного воздуха. Система реализована на тепловозе 2ТЭ116 №1360 и в эксплуатации позволила получить стабильную экономию топлива 9-10%, что хорошо согласуется с результатами теоретических исследований.

7. Внедрение электронного регулирования обладает высокой технико-экономической эффективностью. Применение регулятора ЭРЧМ30Т на тепловозах дает экономию около 430,0 млн.руб. в год. Применение адаптивной системы позволяет только за счет снижения расхода топлива дополнительно экономить более 370,0 тыс.руб. в год на каждый тепловоз.

Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в следующих печатных работах:

  1. Фурман В.В., Аникеев И.П., Коссов Е.Е., Кирьянов А.Н., Лобанов С.В. Электронный регулятор дизеля тепловоза ЧМЭ3, "Локомотив", № 3, 2002г., 7 с.
  2. Фурман В.В., Аникеев И.П., Коссов Е.Е., Нестрахов А.С., Бычков Д.А., Кирьянов А.Н.Лобанов С.В. Электронный регулятор для дизель-генератора магистрального тепловоза, "Локомотив", № 6, 2004г., 5 с.
  3. Фурман В.В., Аникеев И.П., Коссов Е.Е.,Нестрахов А.С., Бычков Д.А., Кирьянов А.Н., Лобанов С.В. Электронный регулятор для дизель-генератора магистрального тепловоза, "Локомотив", № 7, 2004г., 4 с.
  4. Фурман В.В., Аникеев И.П., Кирьянов А.Н., Лобанов С.В. Электронный регулятор для маневрового тепловоза ЧМЭ3, "Локомотив", № 7, 8, 9, 2010г., 7 с.
  5. Коссов Е.Е., Шапран Е.М., Фурман В.В. Совершенствование режимов работы силовых энергетических систем тепловозов, Монография. Луганск, Издательство Схiдноукраiнский национальный университет им. Владимира Даля, 2006., 280 с.
  6. Марков В.А., Фурман В.В., Полухин Е.Е. Улучшение показателей топливной экономичности и токсичности отработавших газов путем совершенствования системы автоматического регулирования частоты вращения, «Грузовик &», 2005, № 11, с.25-30, «Грузовик &», 2005, № 12, с.19-24.
  7. Марков В.А., Шленов М.И., Фурман В.В., Оценка расхода топлива и токсичности отработавших газов дизеля на различных режимах, «Грузовик &», 2006, № 2, с.40-49.
  8. Марков В.А., Шленов М.И., Полухин Е.Е., Шатров В.И., Поздняков В.Ф., Фурман В.В. Влияние формы внешней скоростной характеристики на токсичность отработавших газов дизеля в переходных процессах, Материалы докладов международной конференции "Двигатель-2007", посвященной 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э. Баумана. М.: МГТУ им. Баумана, 2007., с.329-335.
  9. Кузнецов А.Г., Марков В.А., Шатров В.И., Фурман В.В., Афанасьев В.Н. Методика оценки расхода топлива и выбросов токсичных компонентов отработавших газов транспортного дизеля на неустановившихся режимах. Материалы докладов секции "Двигатели внутреннего сгорания" международного симпозиума "Образование через науку", посвященного 175-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005., с. 94.
  10. Кузнецов А.Г., Марков В.А., Шатров В.И., Фурман В.В. Оценка расхода топлива и выбросов вредных веществ с отработавшими газами дизеля, работающего на неустановившихся режимах, Материалы межотраслевой научно-технической конференции "Современные проблемы развития поршневых ДВС", посвященной 75-летию кафедры судовых ДВС и дизельных установок Санкт-Петербургского государственного морского технического университета. С.-Пб.: СПбГМТУ, 2005., с.28-29.
  11. Кузнецов А.Г., Марков В.А., Шатров В.И., Шленов М.И., Полухин Е.Е., Фурман В.В. Методика оценки расхода топлива и токсичности ОГ дизеля на неустановившихся режимах работы, Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. 2005. № 4. (Тезисы доклада на ВНТС в МГТУ им. Н.Э. Баумана), с. 113.
  12. Кузнецов А.Г., Марков В.А., Шатров В.И., Фурман В.В., Федянов А.В. Анализ статических и динамических свойств САР дизель-генератора, Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. 2006. № 3. (Тезисы доклада на ВНТС в МГТУ им. Н.Э. Баумана), с.112-113.
  13. Коссов Е.Е., Аникиев И.П., Кирьянов А.Н., Лобанов В.С., Черезов И.А., Фурман В.В., Миронов В.А.. Электронное управление подачей топлива, «Локомотив», №7, 2011 г., с.29-31.

Список изобретений (патентов)



Pages:     | 1 || 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.