СПОСОБ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
RAILWAY VEHICLE POWER PLANT TECHNICAL STATE CONTROL METHOD

Изобретение относится к способам контроля технического состояния силовой установки железнодорожного транспортного средства (преимущественно тепловоза), преобразующей тепловую энергию сжигаемого топлива в электрическую энергию, а затем в механическую работу, и включающей в себя двигатель внутреннего сгорания (ДВС), связанные с ним главный генератор, вспомогательные агрегаты, топливную систему с топливным баком и системы управления и регулирования мощности, и может быть использовано для оперативного периодического контроля технического и энергетического состояния железнодорожного транспортного средства в процессе эксплуатации.
Известен способ контроля технического состояния силовой установки транспортного средства, преимущественно тепловоза, [1], в которую входят ДВС, главный генератор, вспомогательные агрегаты и топливная система с топливным баком, путем сравнения полученного в эксплуатации значения удельного расхода топлива при работе под нагрузкой, определяемого как частное от деления расхода топлива под нагрузкой на суммарную энергию, выработанную главным генератором и затраченную на привод вспомогательных агрегатов, с нормативным значением, для принятия решения о допустимом или недопустимом техническом состоянии силовой установки.
ц
пр
Недостатком этого способа является то, что он характеризует техническое состояние силовой установки каждый раз только в одном из множества условий эксплуатации, поэтому получаемые результаты нельзя распространить на другие условия; также нельзя обеспечить повторение этих условий, следовательно, оценить изменение технического состояния во времени, например, после ремонта железнодорожного транспортного средства. Корректировка удельного расхода топлива с помощью неопределяемых в ходе поездок коэффициентов К и К, предназначенных для учета режимов работы и переходных процессов при работе ДВС под нагрузкой, не может обеспечить приведение результатов различных поездок к одинаковым условиям нагружения силовой установки. По этой же причине отсутствует возможность сравнения технического состояния силовых установок различных железнодорожных транспортных средств. Кроме того, решение о допустимом или недопустимом уровне технического состояния в этом способе контроля принимается по результатам сравнения полученного удельного расхода топлива под нагрузкой, определяемого как отношение энергии топлива к суммарной энергии, выработанной главным генератором и затраченной на привод вспомогательных агрегатов, с нормативными значениями удельных расходов топлива ДВС, устанавливаемыми заводом-изготовителем для стандартных атмосферных условий с 5%-ным допуском. Некорректное сравнение неодинаковых по определению удельных расходов при наличии значительного допуска на нормативное значение удельного расхода топлива ДВС, используемого к тому же без учета атмосферных условий, которые в эксплуатации отличаются от стандартных, в совокупности приводит к невысокой точности результатов контроля.
Известен способ контроля технического состояния силовой установки тепловоза путем проведения его реостатных испытаний [2] с использованием автоматизированной компьютерной системы, состоящей из стабилизированного источника питания, аналого-цифрового преобразователя, компьютера, графопостроителя, принтера, автоматического электронного расходомера, комплекта датчиков и соединительных проводов, и позволяющей полностью автоматизировать процесс измерений и обработки опытных данных, сократить время испытаний, трудозатраты на их проведение, оперативно анализировать результаты, и в условиях ограниченного времени реостатных испытаний силовых установок тепловозов проводить диагностику их технического состояния с выдачей рекомендаций по устранению неисправностей.
Недостатком указанного способа является то, что его использование позволяет контролировать техническое и энергетическое состояние силовой установки тепловоза только при фиксированных уровнях ее мощности (определяемых позицией контроллера), предусмотренных системой регулирования, и не дает возможности прогнозировать техническое и энергетическое состояние силовой установки в разнообразных условиях эксплуатации, характеризующихся различным временем работы при различных уровнях мощности (позициях контроллера), отличающихся неодинаковыми значениями удельного расхода топлива или коэффициента полезного действия (КПД).
ЭКСПЛ
Известен способ контроля технического состояния силовой установки тепловоза [4] с помощью расчетного определения ее эксплуатационного КПД [3] с использованием: типовых режимов работы тепловозов различных функциональных типов в эксплуатации [5], [6], [7]; показателей, приведенных в технических условиях на силовую установку и ее узлы (ДВС, главный генератор, тяговые электродвигатели, вспомогательные агрегаты); результатов типовых расчетов КПД электрических машин в зависимости от тока нагрузки; результатов заводских; приемочных и исследовательских испытаний силовой установки.
Недостатком этого способа является то, что он характеризует с помощью эксплуатационного КПД, рассчитываемого при использовании типовых режимов загрузки тепловоза, техническое состояние силовой установки только в случае, когда характеристики всех агрегатов, и силовой установки в целом, полностью соответствуют требованиям технических условий, что не позволяет оценивать влияние изменений параметров силовой установки в ходе эксплуатации на ее техническое состояние.
Техническим результатом изобретения является обеспечение возможностей:
- контроля эксплуатационного технического состояния железнодорожного транспортного средства по результатам реостатных испытаний при минимальных затратах времени и средств, исключении необходимости длительного мониторинга показателей силовой установки в эксплуатации и проведения специальных испытаний;
- контроля технического состояния железнодорожного транспортного средства при загрузке силовой установки, соответствующей эксплуатационной, но независимой от случайных эксплуатационных факторов;
- контроля изменения технического состояния железнодорожного транспортного средства во времени (например, после ремонтов или длительной эксплуатации) при гарантированной идентичной загрузке силовой установки, соответствующей эксплуатационной;
- оценки уровня технического состояния железнодорожного транспортного средства путем сравнения результата контроля не с постоянным значением нормируемой величины, а с корректируемым в зависимости от условий проведения контроля, что повышает объективность заключения;
- обеспечения высокой точности контроля технического состояния железнодорожного транспортного средства по результатам стояночных реостатных испытаний, позволяющих минимизировать погрешности, проводимых с большой частотой измерений полезной мощности передаваемой на колеса, и затрат топлива, соответственно полезной энергии и энергии топлива.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе контроля технического состояния силовой установки железнодорожного транспортного средства (преимущественно тепловоза), преобразующей тепловую энергию сжигаемого топлива в электрическую энергию, а затем в механическую работу, и состоящей из ДВС, связанных с ним главного генератора, вспомогательных агрегатов, топливной системы с топливным баком и системы управления и регулирования мощности, включающем в себя измерение работы, выполненной силовой установкой, и затраченного при этом топлива, проведение реостатных испытаний, учет эксплуатационных режимов загрузки транспортного средства, реостатные испытания проводят при нагружении силовой установки с использованием бортовых измерительных средств, типовых, длительностью один час, тест-циклограмм, характерных для каждого функционального типа тепловозов (магистральных грузовых, магистральных пассажирских, маневровых), обеспечивающих возможность неоднократной реализации гарантированно одинаковой усредненной мощностной загрузки силовой установки, характерной для эксплуатации, включая переходные процессы, в результате которых определяют экспериментально-расчетный КПД транспортного средства в типичных условиях эксплуатации , проводят теоретический расчет контрольного расчетного КПД транспортного средства  с использованием той же, что и при реостатных испытаниях, типовой тест-циклограммы, КПД тяговых электрических машин и затрат мощности на привод вспомогательных агрегатов, но при настройке мощности и значениях расхода топлива ДВС (удельного под нагрузкой и часового на холостом ходу), соответствующих техническим условиям на силовую установку, и отсутствии переходных процессов, определяют величину показателя технического состояния транспортного средства (ПЭЛ), равного отношению  и , сравнивают ее с минимальным значением ПЭЛ, которое может иметь силовая установка, если ее энергетическое состояние удовлетворяет требованиям ТУ, дают заключение о техническом состоянии силовой установки железнодорожного транспортного средства.
Предлагаемый способ оценки технического состояния транспортного средства поясняется структурной схемой, на которой контур 1 включает схему реостатных испытаний по определению экспериментально - расчетного КПД и ряда показателей, необходимых для оценки контрольного расчетного КПД, контур 2 - схему расчета по определению контрольного расчетного КПД. Условные обозначения, примененные в схеме:
- КПД ТЭД - КПД тяговых электродвигателей;
- КПД ВУ - КПД выпрямительной установки;
- КПД ГГ - КПД главного генератора;
- КПД OP - КПД осевых редукторов.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
ГГi
BYi
ГГ(BY)i
КЭ
Проводят реостатные испытания силовой установки железнодорожного транспортного средства при реализации в автоматическом режиме разработанных на базе типовых режимов его работы типовых тест-циклограмм нагружения силовой установки на реостат, соответствующих характерным для каждого функционального типа тепловозов эксплуатационным нагрузкам, включая переходные процессы, в ходе которых непосредственно с использованием штатных бортовых средств автоматически, с минимальным шагом по времени, измеряют текущие значения мощности на клеммах главного генератора (N) или (в зависимости от конструкции силовой установки) на клеммах выпрямительной установки (N); на каждом шаге подсчитывают величины выработанной энергии; в зависимости от уровня мощности и непосредственно измеряемого тока нагрузки расчетом, с использованием результатов испытаний, проведенных заводом-изготовителем, определяют текущие значения КПД ТЭД. Произведением текущих значений N на время реализации этих значений, на текущие значения КПД ТЭД и на постоянную величину КПД ОР определяют текущие значения полезной (поступившей на колеса) энергии, суммированием которых определяют суммарное значение полезной энергии за время опыта Э
где:
ГГ(BY)i
N - текущие значения мощности на клеммах главного генератора или на клеммах выпрямительной установки (в зависимости от конструкции силовой установки);
Δt - время реализации i-ого шага тест-циклограммы, сек;
текущие значения КПД ТЭД;
- КПД ОР, равный 0,975 (константа);
К - коэффициент, учитывающий размерности используемых величин.
ВЭ
Одновременно, в ходе реостатных испытаний определяют энергию топлива Э, массовый расход которого В непосредственно измеряют с помощью штатных бортовых устройств или одним из весовых способов за время реализации типовой тест-циклограммы при нагружении силовой установки на реостат
ВЭ
Э=В×42,789, МДж
где В - массовый расход топлива, кг.
КЭ.
ВЭ
Делением Э на Э определяют величину экспериментально-расчетного КПД силовой установки железнодорожного транспортного средства  при реализации в автоматическом режиме типовых тест-циклограмм ее нагружения на реостат,
Дополнительно, с целью подготовки данных для определения контрольного расчетного КПД, при реостатных испытаниях на каждом шаге реализации типовой тест-циклограммы определяются приведенные к стандартным атмосферным условиям текущие значения мощности, затрачиваемые ДВС на привод вспомогательных агрегатов .
Проводят расчет, в ходе которого определяют:
КР
ЭР
- значение энергии Э, которая могла бы быть потенциально передана на колеса железнодорожного транспортного средства за время реализации типовой тест-циклограммы нагружения его силовой установки на реостат при паспортных (соответствующих техническим условиям) значениях мощности ДВС, затратах мощности на привод вспомогательного оборудования и КПД ТЭД, аналогичных, имевшим место при предшествующей оценке значения η
или в зависимости от конструкции силовой установки
где:
- значение мощности ДВС, соответствующее, согласно техническим условиям на силовую установку, позиции контроллера, указанной на i-м шаге реализации тест-циклограммы, кВт;
- значение мощности, затраченной ДВС на привод вспомогательных агрегатов, ранее зафиксированные при проведении реостатных испытаний на i-м шаге реализации тест-циклограммы, кВт
Индекс Пкi обозначает, что значение параметра определяется в зависимости от позиции контроллера, на i-м шаге реализации тест-циклограммы.
- текущие значения КПД ГГ, ранее зафиксированные при проведении реостатных испытаний на i-м шаге реализации тест-циклограммы.
Δt - время реализации i-го шага тест-циклограммы, сек
текущие значения КПД ТЭД, ранее зафиксированные при проведении реостатных испытаний на i-м шаге реализации тест-циклограммы.
- КПД ОР, равный 0,975 (константа);
К - коэффициент, учитывающий размерности используемых величин
ВР
- значение энергии топлива Э, которое было бы израсходовано двигателем железнодорожного транспортного средства за время реализации типовой тест-циклограммы нагружения его силовой установки на реостат при значениях удельного расхода топлива ДВС, соответствующих нижней границе паспортного поля значений, устанавливаемых заводом-изготовителем для стандартных атмосферных условий (без учета переходных процессов).
где:
- текущее значение удельного расхода топлива, соответствующее, согласно техническим условиям на силовую установку, позиции контроллера, указанной на i-м шаге реализации тест-циклограммы г/кВт час;
- значение мощности ДВС, соответствующее, согласно техническим условиям на силовую установку, позиции контроллера, указанной на i-м шаге реализации тест-циклограммы, кВт;
Δt - время реализации i-го шага тест-циклограммы, сек;
К - коэффициент, учитывающий размерности используемых величин.
КР
ВЭ
Определяют контрольный расчетный КПД силовой установки железнодорожного транспортного средства  как отношение расчетного значения Э к расчетному значению Э
Величина  определяет максимально возможное значение КПД силовой установки рассматриваемой серии транспортного средства, параметры которой отвечают требованиям технических условий, а переходные процессы отсутствуют (то есть происходят мгновенно и не приводят к увеличению удельного расхода топлива) в условиях, при которых определялась величина . Поэтому  всегда будет меньше , при этом чем больше это отличие, тем хуже техническое и энергетическое состояние силовой установки, оцениваемое с помощью ПЭЛ.
По результатам проведенных реостатных испытаний и расчета определяют ПЭЛ
Полученное значение сравнивают с минимальной величиной ПЭЛ, которую может иметь тепловоз, если его энергетическое состояние удовлетворяет требованиям ТУ с учетом допуска на величину удельного расхода топлива ДВС, установленного заводом-изготовителем, дают заключение о техническом состоянии силовой установки железнодорожного транспортного средства.
Принципиально важно, что погрешности определения затрат энергии на привод вспомогательных систем и КПД электрических машин не сказываются на точности определения ПЭЛ, так как при определении и и  используются их одинаковые величины.
Источники информации
1. Патент РФ 2266529, МПК G01M 15/00, G01F 9/00.
2. Вестник ВНИИЖТ, 1997, №3, стр. 14-16.
3. Правила по стандартизации ПР 32.213-2003, Министерство путей сообщения Российской Федерации.
4. Руководящий документ РД 32.208-2003, Министерство путей сообщения Российской Федерации.
5. Стандарт отрасли ОСТ 32.201-2002. Министерство путей сообщения Российской Федерации.
6. Стандарт отрасли ОСТ 32.198-2002. Министерство путей сообщения Российской Федерации.
7. ВНИИЖТ, Часовой режим испытания дизеля, соответствующий усредненному среднеэксплуатационному режиму работы маневрового тепловоза.