Способ контроля энергетической эффективности локомотива грузового поезда
METHOD FOR CONTROLLING POWER EFFICIENCY OF FREIGHT TRAIN LOCOMOTIVE

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, а именно к определению и нормированию расхода топливно-энергетических ресурсов на поездку грузового поезда и может найти применение для контроля энергетической эффективности перевозочного процесса, анализа причин перерасхода энергоресурса на тягу поезда, выработки рекомендаций по снижению энергоемкости перевозочного процесса, в частности, рекомендаций по направлению пережигающих локомотивов на внеплановую диагностику теплотехнического состояния.
Известен способ определения нормативного расхода энергоресурса на тягу поездов с использованием величины эквивалентного подъема, т.е. условного однообразного на всем протяжении подъема, равного по протяженности нормируемому участку, на котором механическая работа для передвижения поезда равна механической работе, затрачиваемой на нормируемом участке при проведении поезда одинаковой массы с одинаковой скоростью (Инструкция по техническому нормированию расхода электрической энергии и топлива тепловозами на тягу поездов. Утверждена зам. министра путей сообщения СССР 20 мая 1967 г. № ЦТ/2564. - М., Транспорт 1968. - 40 с.) - аналог.
Э
Способ, примененный в известном решении предусматривает определение эквивалентного подъема i, из следующего выражения:
X
где i - уклон элемента профиля пути,
- длина элемента профиля пути,
α - центральный угол кривого элемента пути,
B
i - величина вредного спуска (на котором производится торможение поезда),
B
ω - основное удельное сопротивление поезда на вредном спуске при скорости движения по нему нормируемого поезда,
- длина вредного спуска,
И
Δi - относительная работа сил инерции поезда,
L - общая длина участка.
Недостатками данного способа являются отсутствие учета соотношения длин участков выбега и торможения на вредных спусках, а также отсутствие учета скоростных (кинетических) подъемов, преодолеваемых поездом без тяги, а, следовательно, и без расхода энергоресурса. Кроме того, для определения вредных спусков предварительно необходимо провести тяговые расчеты с построением кривой скорости по всему участку следования поезда, что для массового счета в информационных системах по значительному количеству поездок требует существенных вычислительных ресурсов, а в определенных случаях приводит к ограничению производительности расчетов.
Известен способ определения удельного расхода электроэнергии (Теория электрической тяги / В.Е. Розенфельд [и др.]; под ред. И.П. Исаева. - М.: Транспорт, 1995. 294 с.) - аналог.
В известном решении при переходе от механической работы к расчетному расходу электроэнергии на поездку используется среднее значение коэффициента полезного действия, не зависящее от режима работы энергетического оборудования локомотива:
2
где g - ускорение свободного падения (9,81 м/с);
о
ω - среднее по всему участку значение основного удельного сопротивления движению поезда, Н/т;
i э
ω - сопротивление движению поезда от среднего эквивалентного уклона, Н/т;
η - средний коэффициент полезного действия локомотива;
γ - безразмерный коэффициент инерции вращающихся колес;
S - длина участка, пройденного поездом, км
- скорость начала торможения поезда, км/ч;
П
k - безразмерный коэффициент пуска,
- скорость окончания пуска, км/ч,
Р - масса локомотива, т;
Q - масса состава, т;
- средняя участковая скорость, км/ч.
Недостатками известного решения является неизбежное расхождение номинального значения КПД со средним значением КПД в каждой конкретной поездке, определяемое как разбросом по массе поезда, так и по скорости движения, что приводит к существенному отклонению расчетного расхода электроэнергии на поездку от фактических энергозатрат. Это отклонение для автономных локомотивов может достигать 10-15%.
Известен способ расчета расхода электроэнергии на собственные нужды электровозов (Правила тяговых расчетов для поездной работы. - М.: ОАО «Российские железные дороги», 2014. - 516 с.) - аналог.
В известном решении расход электроэнергии на собственные нужды электровозов, необходимый для определения расчетного расхода электроэнергии на поездку, определяется на основе полного времени работы электровозов и справочного среднего значения электроэнергии, потребляемой вспомогательными машинами электровозов. При этом указанные справочные данные приводятся по сериям электровозов.
Недостатком известного решения является отсутствие учета возможного в эксплуатации режима отключения (снижения мощности) вспомогательных машин части секций электровозов, не используемых в тяге при работе с неполновесными поездами. Также известное решение не учитывает возможность автоматического регулирования мощности вспомогательных машин в зависимости от текущей потребности в тяге у отдельных серий электровозов. Указанный недостаток приводит также к отклонению расчетного расхода электроэнергии на поездку от фактических энергозатрат.Это отклонение для поездок с порожними поездами может достигать 10% и более.
Таким образом, известные способы определения расчетного расхода энергоресурса на поездку не позволяют решить важные для практики задачи контроля энергетической эффективности локомотива грузового поезда, а значит выявить неэффективно расходующие энергоресурсы локомотивы.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение, является повышение точности и достоверности определения теплотехнического состояния и энергетической эффективности локомотива при тяге поездов.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе контроля энергетической эффективности локомотива грузового поезда определяют расход энергоресурсов на поездку грузового поезда по заданному участку пути с учетом его эквивалентного уклона и с поправкой на потери энергии на вредных спусках, после чего сравнивают полученные данные расхода энергоресурса с фактическим расходом энергоресурса, измеренным в процессе поездки и зафиксированным бортовыми средствами учета локомотива, и по величине их расхождения определяют теплотехническое состояние локомотива, причем для повышения технологичности процесса контроля эффективного расходования энергоресурса при тяге поездов, при определении поправки на потери энергии на вредных спусках выявляют для каждой поездки по достижению максимально допустимой скорости поезда в конце спуска, задаваясь начальной скоростью, равной средней технической скорости, те спуски, на которых необходимо применять торможение, и для каждого из таких спусков определяют путь выбега и путь торможения, а также исключают подъемы, преодолеваемые на заданном участке пути без тяги, причем для вредных спусков при определении эквивалентного уклона участка выделяют суммарный путь выбега, на котором отсутствует накопление кинетической энергии.
Способ, характеризующийся тем, что если разница между значениями расхода энергоресурсов фактического и расчетного превышает максимально допустимую величину, определяемую типом и серией локомотива, а также режимами его эксплуатации на заданном участке пути, локомотив подлежит дополнительной внеплановой проверке его теплотехнического состояния.
Способ, в котором для обеспечения максимальной достоверности контроля энергетической эффективности локомотива дополнительно учитывают зависимость КПД локомотива от касательной мощности для серии локомотива, которую определяют как отношение произведения касательной силы тяги на скорость локомотива к мощности подводимого к локомотиву энергоресурса, а также учитывают расход энергоресурса на собственные нужды локомотива, используя соответствующие паспортные тяговую и расходную характеристики, при этом из нескольких возможных режимов (соотношение позиции регулирования и скорости) получения одной и той же мощности выбирается режим с наибольшим КПД, и расход энергоресурса на собственные нужды локомотива.
Способ, характеризующийся тем, что при определении расхода энергоресурса на собственные нужды локомотива учитывают потребное в данной поездке минимальное количество тяговых секций, определяемое проверкой возможности осуществления тяги поезда заданной массы на каждом элементе профиля рассматриваемого участка пути, являющимся подъемом.
Заявляемое решение применимо в частности, для определения локомотивов, перерасходующих энергоресурс, выявления эффективности условий пропуска поезда по участку за счет индивидуального расчета расхода энергоресурса на каждую отдельно взятую поездку.
При реализации заявляемого решения используют, например, автоматизированные информационные системы для сбора и обработки информации из маршрутов машиниста, включающей набор сведений о поездке, таких как участок движения, серия и количество секций локомотива, тип, количество и загрузка вагонов состава поезда, фактический расход энергоресурса, зафиксированный бортовыми средствами учета.
Предлагаемый способ контроля расхода энергоресурса на поездку заключается в такой обработке данных по профилю участка, при которой для каждой конкретной поездки с помощью аналитических выражений определяют эквивалентный уклон расчетного участка, причем одним из обязательных, для достижения заявленного технического результата, составляющих при определении эквивалентного уклона, является набор спусков, требующих торможения, т.е. потери накопленной ранее кинетической энергии поезда («вредные» спуски), а другим - набор подъемов, не требующие тяги, преодолеваемых за счет накопленной ранее кинетической энергии поезда («скоростные» подъемы), причем для каждого спуска, требующего торможения, определяется количество торможений и суммарная длина «потерянного» выбега.
Для определения оптимальной величины расхода энергоресурса на поездку грузового поезда, дополнительно к определению эквивалентного уклона с поправкой на потери энергии на вредных спусках, определяют и учитывают вместо номинального значения КПД локомотива зависимость КПД от касательной мощности для серии локомотива, при этом КПД определяется как отношение произведения касательной силы тяги на скорость локомотива к мощности подводимого к локомотиву (электровоз, тепловоз) энергоресурса, используя паспортные тяговую и расходную характеристики серии локомотива, при этом из нескольких возможных режимов (соотношение позиции регулирования и скорости) получения одной и той же мощности выбирают режим с наибольшим КПД.
Для определения оптимальной величины расхода энергоресурса на поездку грузового поезда дополнительно к определению эквивалентного уклона с поправкой на потери энергии на вредных спусках, определяют и учитывают расход энергоресурса на собственные нужды, для чего учитывают потребное в данной поездке минимальное количество тяговых секций, определяемое проверкой возможности осуществления тяги поезда заданной массы на каждом элементе профиля рассматриваемого участка пути, являющимся подъемом.
Преимущества заявляемого способа, по сравнению с известными из уровня техники, заключаются в том, что за счет предлагаемого определения эквивалентного уклона, без интегрирования уравнения движения поезда учитывается энергетический баланс в поездке, характеризуемый изменением кинетической и потенциальной энергии поезда (обычно эквивалентный уклон определяется по упрощенным выражения, не учитывающим «скоростные подъемы», а для «вредных спусков» не учитывается соотношение длин участков выбега и торможения, либо предварительно производится трудоемкий процесс построения кривой скорости движения по всему участку с ручной обработкой данных). Дополнительное к этому использование зависимости КПД от касательной мощности локомотива (обычно при расчетах используется либо номинальное значение КПД, либо постоянная доля от номинального значения КПД) и предлагаемое определение расхода энергоресурса на собственные нужды локомотива, обеспечивают достижение максимальной достоверности процесса контроля энергоресурсов локомотива для данной поездки.
Определение предельно допустимых затрат энергоресурса на совершение полезной работы, как, например, в способе определения предельно допустимого расхода топлива при работе тракторного агрегата по патенту RU 2263286 или по патенту RU 2510958, обычно производится на основании нормативных величин удельного расхода энергоресурса согласно технической документации с измерением показателей выполненной работы.
Предлагаемый способ предусматривает с использованием информации о выполненной поездке из маршрута машиниста определение расхода энергоресурса на основе значения эквивалентного уклона участка, определяемого по общей формуле:
где i - уклон элемента профиля;
- длина элемента профиля;
L - длина расчетного участка;
0
ω - основное удельное сопротивление движению поезда;
B
i - уклон «вредного» спуска;
- длина «вредного» спуска;
- тормозной путь;
- путь выбега;
КР
S - длина кривой;
КР
R - радиус кривой.
В случае если профиль приведенный, т.е. кривые заменены фиктивными подъемами, последнее слагаемое формулы 3 не учитывается.
Определение вредных спусков осуществляется на основе условий:
где  - основное удельное сопротивление движению поезда при максимально допустимой скорости;
- максимально допустимая скорость;
- средняя техническая скорость;
0,0196 - переводной коэффициент.
Расчет тормозного пути на каждом вредном спуске осуществляется по формуле:
T
где b - удельная тормозная сила, рассчитываемая по известным выражениями из Правил тяговых расчетов,
ДОП
S - дополнительный путь подготовки торможения.
Для повышения точности расчета расхода энергоресурса на поездку при определении эквивалентного уклона участка не учитываются подъемы, не требующие тяги и преодолеваемых за счет накопленной ранее кинетической энергии поезда («скоростные» подъемы). «Скоростные» подъемы определяются в соответствии со схемой, представленной на фиг. 1.
Для обеспечения оптимальной (максимально достоверной) точности определения расхода энергоресурса на поездку за счет учета зависимости КПД от касательной мощности дополнительно определяют значение этой мощности по формуле:
где Р - сцепная масса локомотива,
- основное удельное сопротивление движению локомотива,
Q - масса состава,
- основное удельное сопротивление движению состава.
Исходные данные, необходимые для определения величин, фигурирующих в формулах (3)-(6), принимают по информации о поездке из маршрута машиниста, а также по справочным данным из Правил тягового расчета и характеристикам расчетного участка. Пример конкретного выполнения.
Например, рассмотрим поездку с поездом массой 3183т, по участку Лянгасово-Мураши, в голове поезда тепловоз 2ТЭ10МК-3439. Общий фактический расход на поездку по маршруту машиниста - 1153 кг. Расчетный расход - 81.8 кг, перерасход - 335 кг или 29%. Средняя техническая скорость движения по участку в поездке - 36,8 км/ч.
В таблице 1 приведен перечень элементов приведенного профиля пути с выделением вредных спусков и скоростных подъемов, а также расчетные пути выбега и торможения для элементов, являющихся спусками.
С учетом данных таблицы 1 определяют величину эквивалентного уклона 0,636. Средняя касательная мощность локомотива в поездке - 718 кВт, при такой мощности номинальный КПД - 25,5%. Влияние машиниста на перерасход топлива можно оценить по возможности использования скоростных подъемов (элементы 32, 35, 46, 52). Учитывая то, что расход топлива на разгон рассматриваемого поезда от нулевой до средней технической скорости равен около 20 кг, на 4 дополнительных разгона, которые могли бы потребоваться, если бы машинист не использовал скоростные подъемы, потребовалось менее 80 кг топлива, т.к. разгон осуществлялся бы не от нулевой скорости. При имеющемся перерасходе топлива 335 кг очевидно неудовлетворительное теплотехническое состояние локомотива. Расход топлива по факту соответствует КПД локомотива около 17% при минимально допустимом значении - 18%.