Имитационная модель поезда для учета влияния ветровых нагрузок

УДК 629.4

Имитационная модель поезда для учета влияния ветровых нагрузок

И. А. Гребнев, О. Е. Пудовиков

Российский университет транспорта (МИИТ), Российская Федерация, 127994, Москва, ул. Образцова, 9, стр. 9

Для цитирования: Гребнев И. А., Пудовиков О. Е. Имитационная модель поезда для учета влияния ветровых нагрузок // Бюллетень результатов научных исследований. — 2024. — Вып. 1. — С. 30-40. DOI: 10.20295/2223-9987-2024-01-30-40

Аннотация

Цель: данная статья посвящена актуальным вопросам учета и нормирования топливных ресурсов на тягу поездов при наличии переменных факторов, влияющих на расход. Рассматривался метеозависимый участок Приволжской железной дороги Палласовка — Верхний Баскунчак с целью доказать опытным путем при помощи имитационного моделирования наличие влияния переменных факторов на расход топлива, которые зачастую бывают нормообразующими. Предложить методику их практического учета в локомотивных депо. Методы: в статье предложена имитационная модель поезда для учета влияния ветровых нагрузок. С этой целью тяговый электропривод тепловоза с передачей постоянно-переменного тока был представлен как задатчик скорости, который поддерживает движение поезда с постоянной скоростью, равной средней технической. Для определения расхода топлива с целью определения достоверности полученных результатов и возможности сравнения с опытными статистическими величинами были использованы электромеханические характеристики тягового электродвигателя ЭД133, генератора ГС501 и эксплуатационные характеристики дизеля Д49. Результаты: в результате моделирования работы энергетической установки тепловоза получены значения абсолютного и удельного расхода топлива. Полученные результаты обладают высокой степенью достоверности, о чем свидетельствуют полученные ранее статистические данные. Практическая значимость: полученные результаты еще раз продемонстрировали влияние ветра на тягу поездов, причем на ветрозависимых участках железных дорог они являются нормообразующими. Рассмотренная модель может быть применена для целей нормирования расхода топливно-энергетических ресурсов при наличии переменных факторов, влияющих на расход.

Ключевые слова: имитационная модель поезда, ветровые нагрузки, тяга поездов, тяговая электрическая передача тепловоза, энергоэффективность.

Введение

Повседневный опыт эксплуатации локомотивных ресурсов дает многочисленные примеры существенного влияния ветра на движение поездов. Известно, что на многих дорогах, таких как Северо-Кавказская, Приволжская, ЗападноСибирская, сильные ветры вызывают задержки поездов и повышенный расход энергии [1-3].

В данной статье будет предложена имитационная модель поезда для учета расхода топлива тепловозом при наличии ветровых нагрузок применитель-

но к участку Верхний Баскунчак — Палласовка Приволжской железной дороги. Данный участок характеризуется равнинным профилем, движение поездов на нем осуществляется примерно с постоянной скоростью [4]. Расход топлива при этом будет определен в результате выполнения тягового расчета с использованием моделей поезда и элементов, его составляющих, которые будут рассмотрены далее [5].

Обзор и построение модели поезда

В работе использована многомассовая модель поезда, в которой каждая единица подвижного состава (вагоны или локомотив) представлены как сосредоточенные массы, объединенные в единую систему через межвагонные связи. Применение данной модели (рис. 1) позволило задать индивидуальные параметры и характеристики для каждого экипажа.

Движение каждого экипажа описывается следующей системой:

dv:

ТЕ

dt (1 + ri)mi

dSj dt

= v.

где vi — скорость /-го экипажа; т1 — масса /-го экипажа; у, — коэффициент, учитывающий инерцию вращающихся частей /-го экипажа; ^^ — суммарная внешняя сила, действующая на /-й экипаж.

В свою очередь, суммарная внешняя сила, действующая на /-й экипаж, вы числяется по формуле :

где — сила тяги, реализуемая / -м экипажем; Д. — сила торможения / -го экипажа; Wi — сила сопротивления движению, действующая на /-й экипаж.

Основное сопротивление движению локомотива м?л0 вычисляется следующим образом [6]:

Рис. 1. Модель поезда для исследования

Ж

лО

= (a0+b0v+ c0v2)-m0 ,

(3),

где а0, Ь0, с0 — коэффициенты, которые зависят от серии локомотива, типа пути и режима ведения поезда — тяга (электрическое торможение) или выбег.

Величину силы основного сопротивления движению вагона можно вычислить по следующей формуле:

=

аи +

bu+cli-vi+dli-vi <1т

т.

где аи, Ъь, с1ь с1и — коэффициенты, зависящие от типа буксового узла вагона, его загруженности, характеристик пути для 1-го экипажа, и принимаются в соответствии с начальными условиями; — осевая нагрузка ¿-го экипажа.

Известно, что составляющие формул (3) и (4) при V2 соответствуют аэродинамической составляющей сопротивления движению. При моделировании движения поезда при отсутствии ветровой нагрузки для вычисления сил сопротивления движению экипажей были использованы формулы (3) и (4). При наличии ветровой нагрузки данные формулы были приведены к виду:

a\i +

hi+Cu-Vj <1ы

• m, + W„;

(3') (4'),

WB — сопротивление воздушной среды для локомотива и i-го вагона. Данные составляющие определены в результате выполнения аэродинамического расчета в программном пакете Solidworks Flow Simulation [7] для различных скоростей движения поезда, ветра и угла между направлением воздушного ветрового потока и скорости движения поезда [8].

В работе исследован участок, характеризующийся равнинным профилем и примерно постоянной скоростью движения. В этом случае для определения силы тяги, необходимой для движения поезда с заданной постоянной скоростью при действии переменных возмущающих сил, удобно использовать результат работы автоматического регулятора скорости движения поезда [9], работающего в режиме стабилизации скорости (рис. 2).

ЗУ

AF Kl FKojp Гк

УУ ПУ ИсУ OY

V*

ИУ

Рис. 2. Упрощенная функциональная схема САУ регулятора скорости

При этом сделаем допущение, что сила тяги, реализуемая локомотивом, может принимать любое значение, ограниченное тяговыми характеристиками, соответствующими наибольшей мощности ДГУ на 15-й позиции контроллера (рис. 3).

Fk, кН

900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 у, км/ч

Рис. 3. Тяговые характеристики и аппроксимация их степенным полиномом на 7-й, 9-й,

15-й позициях контроллера

Определение потребной механической мощности дизеля было выполнено путем обратного моделирования энергетической цепи тепловоза с передачей переменно-постоянного тока, функциональная схема которой приведена на рис. 4, 5.

Рис. 4. Схема электрической передачи постоянно-переменного тока тепловоза

На рис. 4 использованы следующие обозначения: Д — дизель, СГ — синхронный генератор, ВУ — выпрямительная установка, ТЭД — тяговые электродвигатели, КП — колесные пары. Крутящий момент ю^ и эффективная мощность дизеля передаются на синхронный генератор, который преобразует механическую энергию дизеля в электрическую 1ф , Рг и питает выпрямительную установку. Выпрямительная установка преобразует переменный ток генератора в постоянный 1й для питания тяговых электродвигателей. Тяговые электродвигатели преобразуют электрическую энергию 1д в механическую (крутящий момент М на валу якоря) и передают ее на колесные пары, которые реализуют касательную силу тяги

Определение расхода топлива на основе имитационной модели

На рис. 5 схематично изображен алгоритм нахождения расхода топлива тепловозом через мощность дизеля. Для определения мощности генератора и, соответственно, эффективной мощности дизеля необходимо смоделировать обратную цепочку. Пользуясь электротяговыми характеристиками ТЭД ЭД133 (рис. 6), можно найти силу тяги FК и ток тяговых двигателей /д и, соответственно, их мощность РК, учитывая КПД тяговой передачи. Зная мощность ТЭД Ртэд, его ток, КПД т?д , можно определить ток /ВУ и мощность РВУ, выпрямительной установки, а затем, зная ток фазы /ф синхронного генератора, — механическую мощность генератора с учетом КПД, которая будет равна эффективной мощности дизеля.

По полученной зависимости ^(v) (рис. 3) для каждого момента времени определялась касательная мощность тепловоза как:

Механическая мощность на валу тягового генератора определяется как отношение касательной мощности к КПД передачи тепловоза с учетом затрат энергии на собственные нужды тепловоза:

Nr=-£-+ РСН ,

%МБ ' ^7тЭД ' Ъг ' ЛвУ

где т7кмб — КПД колесно-моторного блока тепловоза, при расчетах принят равным 0,98; т7Ву — КПД выпрямительной установки тепловоза, при расчетах принято 0,98; 7тэд — КПД тягового электродвигателя, величина которого определяется из электромеханических характеристик двигателя; /7ТГ — КПД тягового синхронного генератора (рис. 7).

Рис. 5. Алгоритм нахождения расхода топлива

Об/мин 2500

2000

1500

1000

500

0

Щд)

Н

80000

60000

40000

20000

^кд

•100

64

40

400

600 800 1000 1200 1400 А

а)

500

700

100

64

40

0,96 0,94 0,92 0,9 0,88 0,86

-100 64  40

0,950 0,945 0,940 0,935 0,930 0,925 0,920 0,915

900 б)

П

1100

1300 А

100

64

40

500

700

900

1100

10000 20000 30000 40000 50000 60000Н

в) г)

Рис. 6. Электромеханические характеристики тягового электродвигателя ЭД133[10]

П

96

94

92

90

1000 1500 2000 2500 3000 3500 А

Рис. 7. Зависимость КПД тягового генератора ГС-501 от тока фазы

0

0

95

93

91

0

500

где — сила тяги Н, определенная задатчиком скорости для поддержания постоянной скорости движения; ^КД — сила тяги одного тягового электродвигателя.

Для выполнения расчетов из электромеханических характеристик двигателя ЭД133 были найдены зависимости у(/д), ^вд(/д), ^(^кд) (рис. 6) на всех позициях регулирования возбуждения двигателя. Из этих характеристик, зная силу тяги двигателя ^КД, можем найти его КПД ^тэд и ток /д .

Ток выпрямительной установки одной секции тепловоза будет равен:

.

В свою очередь, ток фазы тягового генератора будет равен:

/Ф=^С08У .

Зная ток фазы /ф тягового генератора, определяем по характеристике на рис. 6 его КПД.

Мощность на валу тягового электродвигателя будет равна:

Ртад=_^к_.

*7кмв

Электрическая мощность двигателя:

.

^тэд

Мощность на входе выпрямительной установки:

.

'ВУ

Механическая мощность на валу генератора равна:

.

Лтг

Затраты мощности генератора для обеспечения собственных нужд тепловоза вычисляются так:

-^сн = ^МВ + -^ОхТД + ^ОхВУ + -^Комп ,

где РМВ — мощность мотор-вентиляторов охлаждения шахты холодильника. В расчетах равна 60 кВт; РОхТД — мощность мотор-вентиляторов охлаждение тяговых электродвигателей 1-й и 2-й тележек. В расчетах равна 90 кВт.; РОхВУ — мощность мотор-вентиляторов охлаждения выпрямительной установки в расчетах равна 7 кВт.; РКомп — мощность электродвигателя компрессора в расчетах 18 кВт.

На основе данных [11] получаем значение мощности генератора, которая отдается на обеспечение собственных нужд одной секции, равной 175 кВт.

Эффективная мощность дизеля будет равна:

В свою очередь, удельный расход топлива тепловозом, затраченный на вождение поезда заданной массы на рассматриваемом участке в любой момент времени и при заданной силе тяги локомотива можно найти из эксплуатационных характеристик тепловозного дизеля типа Д49 рисунок 7[12]

§е, г/кВт-

260 255 250 245 240 235 230 225 220 215 210

500

Рис. 8. Параметры расхода топлива дизеля Д49 16ЧН 26/26 в зависимости от мощности

Общий расход топлива тепловозом при выполнении работы на рассматриваемом участке будет равен интегральной сумме расходов по времени при движении с постоянной силой тягой

Результаты расхода топлива тепловозом при движении по участку со скоростями 40 км/ч, 60 км/ч представлены в табл. 1.

ТАБЛИЦА 1. Расход топлива тепловозом при движении по участку со скоростями 40 км/ч, 60 км/ч

Скорость ветра Скорость движения поезда

и = 40 км/ч и = 60 км/ч

Е е Е е

0 1178 кг 27,4 1311 кг 30,5

6 1590 кг 37 1600 кг 37,3

9 1812 кг 42,2 1793 кг 41,8

13 2066 кг 48,1 2045 кг 47,6

Выводы

О достоверности полученных значений удельного расхода топлива с большой вероятностью говорит то, что значения соответствуют статистическим значениям, полученным в результате обработки маршрутов машинистов.

Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что скорость движения влияет на расход топлива, движение с большей скоростью в отсутствие ветровых нагрузок повышает расход. Ветер также увеличивает расход топлива, при этом его влияние больше при движении с меньшими скоростями. Это подтверждает вывод, что сопротивление движению от ветра (при его наличии) является основой аэродинамического сопротивления, так как из значений таблицы мы видим, что с ростом скорости ветра расход топлива при разных скоростях движения поезда остается примерно одинаковым.

Данная имитационная модель поезда может быть успешна применена для вопросов нормирования расхода топливных ресурсов на тягу поездов, обращающихся на участках со сложными метеорологическими условиями, а также с целью выявления влияния ветровых нагрузок на тягу поездов.

Библиографический список

1. Годовой отчет ОАО «РЖД» 2018 года [Электронный ресурс]. URL: https://ar2018.rzd.ru/ ru (дата обращения: 21.03.2018).

2. Современная методология технического нормирования расхода топливно-энергетических ресурсов локомотивами на тягу поездов: сб. тр. ученых ОАО «ВНИИЖТ» / Л. А. Мугинштейн, А. И. Молчанов, С. А. Виноградов и др. М.: ВМГ-Принт, 2014. 144 с.

3. Розы ветров России [Электронный ресурс]. URL: http://lakka-sails.ru/winds/.

4. ГОСТ 16350-80 Климат СССР. Районирование и статистические параметры климатических факторов для технических целей. утв. 01.07.1981.

5. Гребнев И. А., Сидорова Н. Н., Пудовиков О. Е. Статистический анализ поездопотока на участке Палласовка — Верхний Баскунчак с целью выявления ветровых нагрузок // Бюллетень научных исследований. ПГУПС. 2022. № 3. С. 75-87.

6. Гребенюк П. Т. Правила тяговых расчетов для поездной работы. М.: Транспорт, 1985, 287 с.

7. Алямовский А. А. Инженерные расчеты и SolidWorksSimulation. М.: ДМК Пресс, 2010. 464 с.

8. Гребнев И. А., Пудовиков О. Е. К оценке влияния ветровой нагрузки на грузовой поезд // Известия Транссиба. ОМГУПС. Омск. 2022. № 4. С. 13-21.

9. Пудовиков О. Е. Система автоматического управления скоростью движения грузового поезда с эталонной моделью объекта управления / О. Е. Пудовиков, М. Ю. Куликов, Е. В. Сердо-бинцев и др. // Прорывные технологииэлектрического транспорта: материалы Девятого Международного симпозиума «Элтрас-2017» (Eltrans-2017), посвященного 130-летию основания Г. К. Мерчингом электротехнической школы в России. 18-20 октября 2017 г., Санкт-Петербург. СПб.: ООО «ИПК «НП-Принт». 2019. С. 334-339.

10. Верещак Д. М. Электродвигатель тяговый постоянного тока ЭД 133 УХЛ1: протокол периодических испытаний. ТХ.218.1277. Харьков, 2015. 19 с.

11. Киржнер Д. Л., Кравченко О. В., Чикиркин О. В. и др. Магистральный грузовой двухсекционный тепловоз 2ТЭ25КМ. Руководство по эксплуатации. Ч. 1-4. 2015. 526 с.

12. Никитин Е. А. Тепловозные дизели типа Д49 / В. М. Ширяев, В. Г. Быков, Г. В. Никонов и др. Л.: Издательство «Транспорт», 1982. 254 с.

Дата поступления: 20.01.2024 Решение о публикации: 22.02.2024

Контактная информация:

ГРЕБНЕВ Иван Алексеевич — аспирант, lokomotiv197309@gmail.com

ПУДОВИКОВ Олег Евгеньевич — докт. техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Электропоезда и локомотивы» РУТ (МИИТ), olegep@mail.ru

Train simulation model to take into account the influence of wind loads

I. А. Grebnev, O. E. Pudovikov

Russian University of Transport, 9b9, Obrazcova St., Moscow, 127994, Russia

For citation: Grebnev I. А., Pudovikov O. E. Train simulation model to take into account the influence of wind loads // Bulletin of scientific research results, 2024, iss. 1, pp. 30-40. (In Russian) DOI: 10.20295/2223-99872024-01-30-40

Abstract

Objective: this article is devoted to the problem of regulation of fuel resources for train traction in the presence of variable factors affecting consumption. As an example, the wind-dependent section of the Privolzhskaya railway Pallasovka-Verkhniy Baskunchak was considered, using simulation modeling, the presence of the influence of variable factors on fuel consumption, which are often standard-setting. To propose a methodology for their practical accounting in locomotive depots. Methods: the article proposes a train simulation model to take into account the influence of wind loads. For this purpose, the traction electric drive of a diesel locomotive with direct-alternating current transmission was presented as a speed controller that maintains the movement of the train at a constant speed equal to the technical average. To determine fuel consumption in order to determine the reliability of the results obtained and the possibility of comparison with experimental statistical values, the electromechanical characteristics of the ED133 traction motor, the GS501 generator and the operational characteristics of the D49 diesel engine were used. Results: as a result of modeling the operation of the diesel locomotive power plant, the values of absolute and specific fuel consumption were obtained. The results obtained have a high degree of reliability, as evidenced by earlier statistical data. Practical significance: the results obtained once again demonstrated the influence of wind on train traction, and on wind-dependent sections of railways they are standard-forming. The considered model can be applied for the purpose of rationing the consumption of fuel and energy resources in the presence of variable factors affecting consumption.

Keywords: train simulation model, wind Loads, train traction, diesel-electric locomotive, energy efficiency.

References

1. Godovoj otchet OAO "RZhD" 2018 goda [Jelektronnyj resurs]. URL: https://ar2018.rzd.ru/ ru

2. Sovremennaja metodologija tehnicheskogo normirovanija rashoda toplivno-jenergeticheskih resursov lokomotivami na tjagu poezdov: sb. tr. uchenyh OAO "VNIIZhT" / L. A. Muginshtejn, A. I. Molchanov, S. A. Vinogradov i dr. M.: VMG-Print, 2014. 144 s.

3. Rozy vetrov Rossii [Jelektronnyj resurs]. URL: http://lakka-sails.ru/winds/.

4. GOST 16350-80 Klimat SSSR. Rajonirovanie i statisticheskie parametry klimaticheskih faktorov dlja tehnicheskih celej. utv. 01.07.1981.

5. Grebnev I. A., Sidorova N. N., Pudovikov O. E. Statisticheskij analiz poezdopotoka na uchastke Pallasovka — Verhnij Baskunchak s cel'ju vyjavlenija vetrovyh nagruzok // Bjulleten' nauchnyh issledovanij. PGUPS. 2022. № 3. S. 75-87.

6. Grebenjuk P. T. Pravila tjagovyh raschetov dlja poezdnoj raboty. M.: Transport, 1985, 287 s.

7. Aljamovskij A. A. Inzhenernye raschety i SolidWorksSimulation. M.: DMK Press, 2010. 464 s.

8. Grebnev I. A., Pudovikov O. E. K ocenke vlijanija vetrovoj nagruzki na gruzovoj poezd // Izvestija Transsiba. OMGUPS. Omsk. 2022. № 4. S. 13-21.

9. Pudovikov O. E. Sistema avtomaticheskogo upravlenija skorost'ju dvizhenija gruzovogo poezda s jetalonnoj model'ju ob#ekta upravlenija / O. E. Pudovikov, M. Ju. Kulikov, E. V. Serdobincev i dr. // Proryvnye tehnologii jelektricheskogo transporta: materialy Devjatogo Mezhdunarodnogo simpoziuma "Jeltras-2017"

10. Vereshhak D. M. Jelektrodvigatel' tjagovyj postojannogo toka JeD 133 UHL1: protokol periodicheskih ispytanij. TH.218.1277. Har'kov, 2015. 19 s.

11. Kirzhner D. L., Kravchenko O. V., Chikirkin O. V. i dr. Magistral'nyj gruzovoj dvuhsekcionnyj teplovoz 2TJe25KM. Rukovodstvo po jekspluatacii. Ch. 1-4. 2015. 526 s.

12. Nikitin E. A. Teplovoznye dizeli tipa D49 / V. M. Shirjaev, V. G. Bykov, G. V. Nikonov i dr. L.: Izdatel'stvo "Transport", 1982. 254 s.

Received: 20.01.2024 Accepted: 22.02.2024

Author's information:

Ivan A. GREBNEV — Postgraduate Student, lokomotiv197309@gmail.com Oleg E. PUDOVIKOV — Dr. Sci. in Engineering, Professor, olegep@mail.ru