Совершенствование стационарного прогрева систем тепловозных дизелей от тепловой энергии котельных установок

имость изготовления устройства. Так, например, при изготовлении стенда для подшипников качения с наружным диаметром до 120 мм предлагаемое решение позволяет снизить трудоемкость изготовления приблизительно в 2,5 раза.

Размещение подшипников в герметичном корпусе позволяет проводить испытания в различных средах и в вакууме. Устройство отличает простота обслуживания.

Список литературы

1. Фролов, К. В. Динамика и прочность машин [Текст] / К. В. Фролов, Б. А. Левин, П. С. Анисимов // Машиностроение: Энциклопедия. - М.: Машиностроение, 2008. - 656 с.

2. Бородин, А. В. Усовершенствование роликовой буксы грузового вагона [Текст] / А. В. Бородин, Е. Н. Кулинич, Ю. А. Иванова // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2010. - № 2 (2). - С. 15 - 20.

3. Бородин, А. В. Повышение несущей способности зубчатой передачи тягового редуктора тепловоза [Текст] / А. В. Бородин, Д. В. Тарута, Т. В. Вельгодская // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2010. - № 3 (3). - С. 7 - 11.

4. Бородин, А. В. Устройства букс железнодорожного подвижного состава для восприятия рамной силы [Текст] / А. В. Бородин, Ю. А. Иванова, М. И. Ковалев // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2011. - № 1 (5). - С. 2 - 6.

5. Решетов, Д. Н. Машины и стенды для испытания деталей [Текст] / Д. Н. Решетов - М.: Машиностроение, 1979. - 344 с.

6. Пат. 1525526 (СССР), МКИ G01М 13/04. Стенд для испытания подшипников качения [Текст] / А. В. Бородин, Н. X. Хамитов. № 4396985/25-27; заявл. 23.03.88, опубл. 30.11.89. Бюл. № 44.

7. Белый, В. Д. Прочность и устойчивость стержневых систем [Текст] / В. Д. Белый // Омский политехн. ин-т. - Омск. 1981. - 82 с.

8. Беленький, Д. М. Теория надежности машин и металлоконструкций [Текст] / Д. М. Беленький, М. Г. Ханукаев. - Ростов-на-Дону: Феникс, 2004. - 608 с.

9. Бородин, А. В. Влияние модификации поверхностей сопряжения на несущую способность соединения с натягом [Текст] / А. В. Бородин, И. Л. Рязанцева // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2010. - № 1 (1). - С. 15 - 20.

УДК 629.421

В. Т. Данковцев, Р. Ю. Якушин, В. К. Фоменко, Д. А. Титанаков

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СТАЦИОНАРНОГО ПРОГРЕВА

СИСТЕМ ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ОТ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

В статье представлена разработанная стационарная установка для прогрева тепловозных дизелей от котельных установок в холодное время года.

Работа направлена на повышение эффективности использования дизельного топлива при прогреве тепловозов за счет снижения работы дизеля на холостом ходу.

В осенне-весеннее и особенно в зимнее время года возникает необходимость прогрева теплоносителей в системах тепловозных дизелей (вода, масло, топливо) для поддержания необходимого температурного уровня узлов дизеля, обеспечения безотказности его запуска, герметичности соединений, нормальных условий смазки подшипников скольжения, надежности работы топливной аппаратуры и т. д.

Как правило, прогрев систем тепловозных дизелей в настоящее время обеспечивается за счет теплоотдачи при работе силовых установок. При таком способе прогрева продолжи-

тельность работы дизелей на холостом ходу по сети железных дорог для магистральных тепловозов достигает 60 % от общего времени работы, а для маневровых - более 60 %, при этом доля расхода топлива на режимах холостого хода для магистральных тепловозов составляет в среднем 12 %, а для маневровых - 16 % от общего расхода.

Наряду со значительными затратами на дизельное топливо на режимах холостого хода наблюдается ряд отрицательных факторов, влияющих на надежность и техническое состояние локомотива, таких как интенсивность нагарообразования в выпускном тракте, разжижение моторного масла, ухудшение экологических показателей и снижение ресурса дизеля. Таким образом, с точки зрения экономической эффективности и эксплуатационной надежности необходимо использовать системы прогрева, исключающие или уменьшающие время холостого режима работы.

Применяемые в настоящее время системы внешнего прогрева тепловозов являются недостаточно эффективными, недостаточно надежными и сложными для использования в эксплуатации. В Омском государственном университете путей сообщения (ОмГУПСе) на кафедре «Локомотивы» для сокращения непроизводительного расхода горюче-смазочных материалов, повышения ресурса дизелей разработана эффективная системы прогрева силовых установок тепловозов, позволяющая поддерживать температуру воды, масла и топлива в диапазоне, рекомендуемом инструкцией по эксплуатации, и осуществлять подзарядку аккумуляторной батареи при длительных стоянках тепловозов.

В последнее время разработаны и апробированы стационарные системы прогрева тепловозов с использованием тепловой энергии котельных установок депо. В таких установках химически подготовленная охлаждающая вода, нагретая паром, подводится по трубопроводам к тепловозу и принудительно прокачивается через системы дизеля. Опыт использования стационарных систем прогрева систем дизеля типа 10Д100 показал ряд существенных недостатков, которые особенно харак- ______________________

т/- / 1 Расширительный бак Калорифер ^ —

терны в зимнее время года. В частности, не достигается полная циркуляции воды через водяные полости блока дизеля, калорифер кабины машиниста, не предусматриваются подогрев топлива и подзарядка аккумуляторной батареи

(АБ).

Необходимость подзарядки АБ, особенно при длительных от-стоях локомотивов в зимнее время, объясняется тем, что при колебании температуры наружного воздуха происходит снижение плотности электролита, разрушение пластин и, как следствие, снижается емкость батареи. С учетом указанных недостатков и особенностей прогрева при низкой температуре окружающей среды разработан наиболее эффективный способ прогрева тепловозов с одно- и двухконтурной системами охлаждения.

На рисунке 1 показана принципиальная схема стационарной

Водяные

30

Рисунок 1 - Схема стационарной установки для прогрева систем тепловозных дизелей

установки для прогрева систем дизелей. Система прогрева состоит из бойлера 1, пароводяного теплообменника 2, паропровода 3, змеевика 4, центробежного насоса 5, электродвигателя переменного тока 6, напорной 7 и сливной 8 магистралей, гибких рукавов 9, 10 с соединительными наконечниками 11, 12, вентилей 13 - 16, дугообразного отвода 17 и ограничительного элемента в виде калиброванного отверстия 18. Для поддержания необходимой температуры в пределах 75 - 80 оС и постоянства давления воды в напорной магистрали 7 предусмотрена установка в паропроводе 3 терморегулятора 19 и регулятора давления 20 в трубопроводе сброса воды 21.

В разработанной системе прогрева качество циркуляции горячей воды через системы дизеля и калорифер кабины машиниста достигается за счет установки (врезки) во всасывающем трубопроводе штатного контура охлаждения дизеля промежуточного патрубка 22 с дисковой заслонкой 23 и рукояткой с фиксированными положениями «Открыто» и «Закрыто», а также предусматривается установка дополнительных патрубков 24, 25 с вентилями 15 и 16. Для тепловозов с двухконтурными водяными системами охлаждения необходимо в штатный всасывающий трубопровод холодного контура установить также промежуточный патрубок с дисковой заслонкой.

Эффективность применения системы прогрева, особенно в зимнее время, достигается за счет подзарядки АБ и питания цепей управления локомотива от внешнего источника через внешние штатные розетки, а в качестве источника электроэнергии необходимо применять трансформатор с выпрямительным блоком 26 мощностью 2 - 2,2 кВт из расчета на один локомотив.

При работе дизеля на холостом ходу часть теплоты, выделяемой при сгорании топлива, обеспечивает прогрев систем локомотива, а остальная ее часть уносится с выпускными газами. Из-за неполноты сгорания топлива часть его также уносится с выпускными газами.

По данным локомотивного депо Омск Западно-Сибирской железной дороги известно, что среднечасовой расход топлива дизелями типа ПД1М при работе их на холостом режиме в среднем составляет 10 кг/ч. На основании справочных данных тепловых балансов дизелей известно также, что отвод тепла с выпускными газами составляет 36 % и примерно 4 % - за счет неполноты сгорания топлива от всего тепла, выделяемого при сгорании топлива в цилиндрах двигателя. Следовательно, для поддержания необходимой температуры систем дизеля в среднем расходуется 6 кг топлива за каждый час его работы. Таким образом, КПД прогрева на холостом ходу ^хх за счет теплоотвода при работе дизеля в среднем составляет 60 %.

При использовании стационарной установки для прогрева систем дизеля, необходимо произвести расчет следующих параметров:

- расхода пара через пароводяной теплообменник;

- производительности водяного центробежного насоса;

- мощности электродвигателя привода водяного насоса;

- мощности электродвигателя привода топливоподкачивающего насоса;

- мощности, потребляемой для подзарядки АБ.

Расход пара, отводимого от котельной установки депо для прогрева систем дизеля, определится по выражению, кг/ч:

^ _ В ч х хПх.хQ н ТГ

где Вчхх - среднеэксплуатационный часовой расход при работе дизеля на холостом ходу, кг/ч;

^х.х - КПД самопрогрева при работе дизеля на холостом ходу (^х.х = 0,55 ^ 0,65);

г - удельная теплота парообразования, г = 519,3 ккал/кг;

х - степень сухости пара, х = 0,98;

И - энтальпия конденсата, Ъ1 = 130,5 ккал/кг;

Лт - КПД пароводяного теплообменника, Лт = 0,98 - 0,99;

Кд - количество прогреваемых дизелей, Кд = 6.

После подстановки приведенных значений в выражение (1) получим расход пара, кг/ч: для дизеля типа ПД1М - 970,6; К6S310DR - 1164,7; 10Д100 - 2135,2.

Среднеэксплуатационный часовой расход топлива при работе дизелей без нагрузки составляет, кг/ч: для дизеля типа ПД1М - 10; К6S310DR - 12; 10Д100 - 22.

Исходя из уравнения теплового баланса производительность центробежного насоса, обеспечивающего циркуляцию воды через пароводяной теплообменник и системы дизеля, определяется по выражению, кг/ч:

G н =

В Ч.х хП х.хб н К с в н t к )

где св - удельная теплоемкость воды (св = 1 ккал/кг-°С);

¿н - температура воды на выходе из пароводяного теплообменника, ¿н = 90 оС; ^ - температура воды на выходе из системы дизеля, = 55 оС.

Производительность центробежного насоса для прогрева систем дизелей из расчета шести единиц такова, кг/ч: для дизеля ПД1М - 10388,6; К6S310DR - 12466,3; 10Д100 - 22854,9.

Для расчета мощности электродвигателя задаемся гидравлическим сопротивлением водяной системы в пределах 4 - 4,5 кгс/см (из опытных данных).

Согласно уравнению гидродинамической зависимости мощность электродвигателя,

кВт,

Р э =

Н нGI

1000пн

2

где Нн - гидравлическое сопротивление водяной системы, Н/м ; Gн - производительность насоса, м3/с; Лн - КПД насоса, Лн = 0,6 - 0,7.

После расчета по выражению (3) мощность электродвигателя для привода центробежного насоса, обеспечивающего циркуляцию воды через системы дизелей, будет такой, кВт: для ПД1М - 2,0; К6S310DR - 2,4; 10Д100 - 4,4.

Окончательно выбираем электродвигатель мощностью Рэв = 5 кВт.

Как уже отмечалось, для подогрева топлива предусматривается циркуляция воды через топливоподогреватель с использованием штатного топливоподкачивающего насоса, приводимого во вращение электродвигателем типа П21М, мощностью Рэт = 0,5 кВт.

Из опыта эксплуатации аккумуляторных батарей известно, что ток зарядки батареи I = 20 А при напряжении и = 75 В. Тогда по закону Ома расход электроэнергии для подзарядки батареи, кВт,

Р

АБ

IV 1000

20 • 75 , , т.

РАБ =-= 1,5 кВт.

1000

Суммарная мощность, потребляемая от внешнего источника, кВт,

ЪР = Рэт + Раб = 0,5 + 1,5 = 2 кВт.

Окончательно электроэнергия, потребляемая для функционирования стационарной установки, определится по выражению, кВт:

ЕРэ = ЕР + Рэв;

ЕРэ = 2 + 5 = 7 кВт.

При разработке и компоновке системы прогрева необходимо предусмотреть размещение бойлера 1, пароводяного теплообменника 2 и насоса 5 с электродвигателем 6 в теплоизолированном помещении, а размещение напорной 7 и сливной 8 магистралей - в закрытой теплоизолированной траншее или на опорах в виде теплотрассы с уклоном 1:200. Для обеспечения свободного слива воды в бойлер и поддержания уровня воды в системе дизеля не ниже уровня в расширительном баке предусматривается расположение напорной и сливной магистралей 7, 8 на 0,6 - 0,8 м выше уровня воды в бойлере, а уровень вершины дугообразного сливного отвода 17 устанавливается на уровне воды в расширительном баке.

Регулятор давления 20 и ограничительный элемент 18, установленные в трубопроводах напорной магистрали, предназначены для равномерного распределения горячей воды независимо от количества прогреваемых локомотивов.

Для установки системы прогрева рекомендуется на деповских путях выделять специальные участки с позициями, оборудованными устройствами для подвода и отвода горячей воды и разъемом для подключения к внешнему источнику электроэнергии.

Разработанная система прогрева функционирует следующим образом. После самопрогрева систем тепловоза производятся остановка дизеля, подключение цепи управления к внешнему источнику электроэнергии 26, перевод рукоятки дисковой заслонки 23 в положение «закрыто», подсоединение гибких рукавов 9, 10 к патрубкам 11, 12, открытие вентилей 13 - 16 и подключение электродвигателя 6 к сети переменного тока. С этого момента обеспечивается циркуляция горячей воды по контуру «бойлер - пароводяной теплообменник -дизель - водяные секции - бойлер». Параллельно с указанным контуром циркуляции горячая вода будет прокачиваться через калорифер кабины машиниста и топливоподогреватель 27. При температуре наружного воздуха ниже -10 оС возможно загустение (парафинирование) дизельного топлива. Для исключения этого отрицательного явления предусматривается циркуляция топлива через топливоподогреватель 27. Питание электродвигателя топливоподка-чивающего насоса 28 обеспечивается от внешнего источника 26, что исключает разрядку аккумуляторной батареи тепловоза. Для подзарядки аккумуляторных батарей от внешнего источника электроэнергии достаточно включить рубильник АБ.

Прогрев моторного масла, слитого в картер дизеля, при температуре воды 60 - 70 оС и всех узлов дизеля будет осуществляться за счет теплопередачи через металлические элементы блока и картера, а также за счет тепловой энергии, излучаемой от поверхности блока дизеля.

Для прекращения прогрева систем тепловоза необходимо произвести следующее:

- отключить циркуляцию топлива и энергообеспечение схемы от внешнего источника;

- перекрыть ранее открытые вентили, кроме вентиля 13;

- перевести рукоятки дисковых заслонок в положение «открыто»;

- при необходимости выполнить дозаправку системы охлаждения водой;

- отсоединить гибкие рукава напорной и сливной магистралей.

При отсутствии прогреваемых локомотивов, особенно в холодное время года, необходимо слить воду из напорной и сливной магистралей системы в бойлер, для чего кроме перечисленных выше операций необходимо отключить насос 6, открыть вентили 29, 30, и тогда за счет уклона магистралей 7, 8 вода самотеком будет сливаться в бойлер.

Эффективность прогрева тепловозных дизелей в значительной степени будет зависеть от оперативности подключения системы охлаждения дизеля к стационарной установке; затрат, связанных с монтажом силовых цепей, и наличия защитных сооружений, предотвращающих влияние воздушного потока на тепловые потери в окружающую среду.

Котельная установка

Линия электропитания

Забор

Линия отстоя тепловозов

Дугообразный отвод

Пар

Пар

Вода

Бойлер

Вода

Пар

Пар

-П

Электроколонки

1 -й тепловоз

Вода -

i-й тепловоз

и »?

Позиции прогрева 1- 6

Перепускной клапан

Теплоизолированное помещение •

Теплотрасса (уклон 1:200) Пароводяной теплообменник

+

Рисунок 2 - Принципиальная схема размещения позиций прогрева тепловозов

В локомотивных депо, имеющих развитое путевое хозяйство, рекомендуется организовывать участки отстоя локомотивов (см. рисунок 2) в зонах наименьшего воздействия воздушного потока или путем их ограждения защитными средствами.

Предлагаемая схема стационарной установки для прогрева систем тепловоза от тепловой энергии котельных установок обеспечивает:

- высокий КПД процесса прогрева систем дизеля (Лпр = 0,85 - 0,90);

- оперативность подключения системы охлаждения дизеля к стационарной установке и отключения от нее;

- подзарядку аккумуляторной батареи и подогрев топлива;

- электро- и противопожарную безопасность в процессе прогрева систем тепловоза;

- слив воды из трубопроводов напорной и сливной магистралей самотеком;

- стабильность физико-химических параметров охлаждающей воды дизеля при прогреве;

- автоматическое поддержание уровня воды в системе и в расширительном баке локомотива.

Применение стационарной установки для прогрева систем тепловоза приводит к исключению работы дизеля на холостом ходу для прогрева и к сокращению расхода топлива. Ожидается снижение расхода топлива в условиях эксплуатации до 1 % и повышение ресурса дизелей на 5 - 7 %.

За счет прогрева систем тепловозных дизелей от внешнего источника энергии можно значительно уменьшить время работы дизелей на холостом ходу, сократить затраты дизельного топлива, моторного масла и повысить ресурс дизелей.

Список литературы

1. Володин, А. И. Способы прогрева систем тепловозных дизелей от постороннего источника электроэнергии при отстое в зимнее время [Текст] / А. И. Володин, Р. Ю. Якушин // Новые технологии - железнодорожному транспорту: подготовка специалистов, организация перевозочного процесса, эксплуатация технических средств: Сб. науч. ст. с междунар. участ. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2000. - Ч. 3. - С. 313.

2. Анисимов, А. С. Методы исследования взаимовлияния параметров функционирования тепловоза [Текст] / А. С. Анисимов, В. А. Михеев, Ю. Б. Гришина // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2010. - № 1 (1). - С. 2 - 8.

3. Володин, А. И. Прогрев систем тепловозного дизеля в зимний период [Текст] / А. И. Володин, Р. Ю. Якушин // Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте: Сб. науч. ст. / Московский гос. ун-т путей сообщения. - М., 2000. - С. 56.

4. Балагин, О. В. Математическая модель процесса технической эксплуатации дизельных локомотивов [Текст] / О. В. Балагин, А. В. Чулков, Д. В. Балагин // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2010. - № 4 (4). - С. 2 - 6.

5. Данковцев, В. Т. Совершенствование стационарного прогрева тепловозных дизелей [Текст] / В. Т. Данковцев, Р. Ю. Якушин // Вестник инженеров-электромехаников железнодорожного транспорта / Самарская гос. акад. путей сообщения. - Самара, 2003. - Вып. 1. -С. 340.

6. Овчаренко, С. М. Влияние переходных процессов на расход топлива дизелем в эксплуатации [Текст] / С. М. Овчаренко, П. С. Корнеев, В. А. Четвергов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2012. - № 1 (9). - С. 27 - 32.

7. Якушин, Р. Ю. Способы прогрева систем тепловозных дизелей в условиях локомотивных депо [Текст] / Р. Ю. Якушин // Методы оценки технического состояния, эксплуатационной экономичности и экологической безопасности дизельных локомотивов: Монография.-М.: Желдориздат, 2007. - С. 185 - 201.

8. Володин, А. И. Исследование процессов теплопередачи в тепловозном дизеле [Текст] / А. И. Володин, Д. В. Балагин, Ю. С. Комкова // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2011. - № 4 (8). - С. 6 - 10.

УДК 625.4.015

М. А. Капралова

ОЦЕНКА АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТОКОПРИЕМНИКА ПРИ ЕГО ПРОЕКТИРОВАНИИ

В рамках проекта «Разработка и организация высокотехнологического производства нового магистрального токоприемника для применения на линиях с модернизированной инфраструктурой системы токосъема», реализуемого при поддержке Министерства образования и науки РФ, в ОмГУПСе создается токоприемник «Аист». В статье приводятся спектры обтекания этого токоприемника воздушным потоком, полученные путем расчета, с использованием которых определены его аэродинамические характеристики.

Аэродинамические свойства токоприемника принято оценивать по его аэродинамическим характеристикам, которые представляются в виде зависимостей аэродинамических сил лобового сопротивления и подъемной от скорости встречного воздушного потока. Эти характеристики можно получить при обдуве конструкции в аэродинамической трубе или в натурном эксперименте на участке электрической железной дороги.

На стадии проектирования токоприемника возможен лишь один способ оценки аэродинамических свойств - аналитический. В этом случае аэродинамические характеристики получают расчетным путем. Для выполнения расчетов необходимо знать аэродинамические коэффициенты токоприемника или его отдельных элементов. Аэродинамические коффици-енты могут быть получены путем расчета спектров обтекания. Обычно для этого пользуются виртуальным способом визуализации обтекания и на основе полученных спектров, рассчитывают аэродинамические коэффициенты [1]. Этот способ использован при проектировании токоприемника «Аист».

Расчет обтекания произведен с помощью программы SolidWoгks. При расчете выполнялись следующие этапы: разработка и необходимая модификация модели, создание проекта,