Влияние температуры окружающей среды на работу системы охлаждения тепловоза и его агрегатов

8. Ablialimov O. S., Ravshanov F. S. Analysis efficiency locomotive traction on the hilly section of the railway [Analiz effektivnosti ispol'zovaniia lokomotivnoi tiagi na kholmistom uchastke zheleznoi dorogi]. Materialy IlI-i Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoy konferencii «Lokomo-tivy. XXI vek» (Proceedings of the III-rd the international scientific-practical conference «Locomotives. The XXI century»). - Sankt-Peterburg, 2015, pp. 168 - 171.

УДК 629.421

А. К. Белоглазов, В. О. Носков, А. В. Чулков

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА РАБОТУ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ТЕПЛОВОЗА И ЕГО АГРЕГАТОВ

В статье рассмотрены режимы охлаждения и нагрева отдельных узлов и агрегатов тепловозного дизеля в условиях низкой температуры окружающего воздуха. значительное внимание уделено описанию характерных особенностей интенсивности охлаждения водяной системы тепловозного дизельного двигателя. Представлены результаты исследования влияния температуры наружного воздуха, эксплуатационных режимов нагрузки и холостого хода на работу системы охлаждения тепловоза. Приведены параметры охлаждающей воды и моторного масла, характеризующие тепловые режимы работы дизеля. Рассмотрены и проанализированы различные способы прогрева систем тепловозного дизеля с использованием бортовых и стационарных устройств. Цель статьи - предложить способы повышения эффективности использования дизельного топлива при прогреве тепловоза за счет снижения времени работы дизеля на холостом ходу.

На сети железных дорог Российской Федерации тепловозы работают в различных географических и климатических зонах. Работа тепловозов на дорогах Севера, Сибири и Забайкалья в зимний период при низкой температуре наружного воздуха, достигающей минус 50 °С и ниже, сопровождается продолжительными ветрами, скорость которых доходит до 15, а иногда и до 25 м/с [1]. Продолжительность эксплуатации тепловозов при отрицательной температуре наружного воздуха достигает 70 - 75 % от календарного времени года.

В зимнее время силовая установка тепловоза практически не останавливается, так как узлы и агрегаты тепловоза, такие как дизель, системы охлаждения масла, воды и др., отличающиеся массивностью, условиями работы, размещением по отношению к окружающей среде, имеют различные темпы нагрева и охлаждения. Эти особенности, очевидно, следует учитывать как при конструировании, так и при эксплуатации.

Потеря теплоты любым телом может быть представлена уравнением в дифференциальной форме [2]:

dQ = kmCp

где т - масса тела, кг;

k - коэффициент теплопередачи, Вт/(м К);

С - удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кгК);

¿2 и ^ - температура охлаждаемого тела и окружающей среды, °С.

Такое же количество теплоты передается в окружающую среду путем конвекции, теплопроводностью, излучением:

aQ = kF

Если учесть, что в начальный стадии значительную роль в процессе охлаждения играет лучистый теплообмен, пропорциональный абсолютной температуры в четвертой степени, то для учета сложной зависимости теплообмена от температуры выражение (2) лучше представить в виде [2]:

а

№„4(254) ИЗВЕСТИЯ Транссиба

aQ = kF^ - ц )п dт,

где к - коэффициент теплопередачи, Вт/(м К);

Г - поверхность теплообмена, м2;

- температура охлаждаемого тела и окружающей среды, °С;

т - время, с;

п - показатель степени.

Решая совместно уравнения (1) и (3) относительно текущего значения температуры, можно получить выражение:

1

=0 + -

т2 ¿1 ¿0 т2

где 1Х - начальное значение температуры тела при т = 0;

¿2 - значение температуры тела через промежуток времени т2.

С целью установления закономерностей, характеризующих режимы охлаждения и нагрева отдельных элементов тепловоза, а также с целью разработки методики выявления конкретного вида формулы (2) для узлов и агрегатов, были проведены испытания десяти маневровых тепловозов ТЭМ2 депо Омск [3].

В качестве объектов наблюдения были выбраны элементы силовой установки, которые наиболее подвержены охлаждению [4].

На рисунках 1, 2 представлена интенсивность охлаждения воды при заглушенном дизеле. При низкой температуре окружающей среды скорость охлаждения отдельных частей систем тепловоза при заглушенном дизеле может быть значительно выше, чем у самого дизеля [5].

При температуре окружающего воздуха минус 30 °С, наблюдается существенное различие в скоростях охлаждения воды в горячем и холодном контурах. Так, за 30 мин температура в горячем контуре упала с 75 до 55 °С, в то время как температура воды в холодном контуре упала с 55 до 35 °С. Такому резкому снижению температуры способствует низкая температура рамы тепловоза и металлических частей кузова.

С целью поддержания рабочей температуры теплоносителей (вода, масло и топливо) необходимо периодически включать в работу дизель тепловоза для прогрева систем циркуляции воды и масла. Продолжительность прогрева зависит от температуры окружающего воздуха и технического состояния тепловоза. Согласно инструкции по эксплуатации тепловозов прогрев систем дизеля должен осуществляться периодической работой дизеля на нулевой или пятой позициях контроллера, а в случае понижения температуры окружающего воздуха до минус 30 °С и ниже при сильном боковом ветре разрешается осуществлять самопрогрев на восьмой позиции контроллера. Прогревать вспомогательные системы тепловозов включением в работу дизеля, имеющего номинальную мощность 880 кВт, вряд ли целесообразно, так как при работе двигателя на холостом ходу происходит не только износ трущихся частей, но и вследствие плохого распыла топлива происходят разжижение масла и преждевременная его порча. Следовательно, при длительных стоянках тепловоза в горячем резерве в зимнее время целесообразно иметь систему прогрева силовой установки, не связанную с работой дизеля.

Без использования средств прогрева теплосиловой установки возможно значительное охлаждение воды и масла с последующим увеличением его вязкости. Прогрев дизеля от постороннего источника обеспечит необходимый тепловой режим дизеля и его систем, т. е. постоянную готовность тепловоза к выполнению работы.

Проведенные испытания десяти маневровых тепловозов ТЭМ2 депо Омск показали, что наиболее подверженными к охлаждению являются нижние коллекторы водяного холодильника. Их охлаждение происходит примерно в шесть раз быстрее, чем блока цилиндров дизеля. При замедлении темпа охлаждения при существующей конструкции ограждения тепло-

12 ИЗВЕСТИЯ Транссиба ^^ № 4(24) 2015

= _

воза неработающий тепловоз мог бы значительное время находиться в работоспособном состоянии при низкой наружной температуре в зимнее время.

75

°с

65 60 55 50 45 40

К

и , и

\\

0 °с

-10 °с

-20

-30 °( ч.

0.5

1.5

т -

3.5

Рисунок 1 - Интенсивность охлаждения воды в горячем контуре тепловоза при неработающем дизеле 55

45

40

35

\ \Ч \ V \ ^ \ \ \ \ \ 0 °с +10 °с

-10 °с

-30 °с \-20 0 \ с

0.5

1.5

2 ->

2.5

3.5

Рисунок 2 - Интенсивность охлаждения воды в холодном контуре тепловоза при неработающем дизеле

Параметры, характеризующие тепловые режимы работы дизелей, подвергались математической обработке. В результате определены статистические распределения температуры

воды и масла в процессе эксплуатации тепловозов (математическое ожидание tв, tм , средне-квадратическое отклонение 51м, 51;в и коэффициент вариации и).

Статистическое распределение температуры воды и масла в процессе эксплуатации тепловозов описывается нормальным законом. Параметры закона приведены в таблице и на рисунках 3 и 4.

Параметры законов распределений

Рабочее тело Параметры статистического распределения

t в, °С 51м, °С и

Вода на выходе из дизеля Масло на выходе из дизеля 74,4 65,3 4,95 3,8 0,067 0,056

№ 4(24) ОЛИ с ИЗВЕСТИЯ Транссиба 13

2015 1

Из данных, приведенных в таблице, следует, что значения тепловых параметров дизелей тепловозов в процессе их работы ниже рекомендуемых инструкцией по эксплуатации на 15 -20 °С, следовательно, имеются существенные резервы снижения расхода топлива за счет повышения температуры воды и масла. Известно, что при снижении температуры масла происходит увеличение потерь мощности на трение и снижение механического КПД.

0 65 "1 77 БЗ :С Б9 о 54 55 62 66 7 0 °С 76 « -> ( ->

а б

Рисунок 3 - Распределение температуры воды (а) и масла (б) на выходе из дизеля

Первым выводом по результатам проведенных испытаний является предложение о целесообразности существенного улучшения тепловой изоляции водяных и масляных холодильников тепловоза и картера двигателя.

Наиболее простым вариантом улучшения теплотехнических показателей маневровых локомотивов в зимних условиях является изменение конструкции ограждения водяных и масляных холодильников тепловозов и подмоторной рамы. Конструкция ограждений должна удовлетворять двум условиям: при неработающем двигателе она должна иметь, возможно, большее термическое сопротивление, в рабочем состоянии - обеспечивать хорошее охлаждение теплопередающих поверхностей [6].

Вариант с сезонным изменением ограждения, т. е. с утепляющими элементами, выглядит наиболее целесообразным. При применении сезонного ограждения такого же типа, как используемые в настоящее время чехлы для утепления водяных холодильников, не будет создано требуемого эффекта, так как нижние коллекторы водяных холодильников не теплоизолированы от рамы. Аналогичное замечание может быть сделано и в отношении картера двигателя. Конструкция тепловоза способствует быстрому охлаждению в зимних условиях.

Конструкция тепловоза должна быть рассчитана на длительную установку теплоизоляционных элементов ограждения, не препятствующих нормальной работе холодильников, но теплоизолирующих их при неработающем двигателе. Конструкция подмоторной рамы должна допускать установку в зимнее время теплозащитных элементов для предохранения картера.

Если учесть длительность периода с отрицательной температурой окружающей среды в нашей стране, то станет совершенно очевидной актуальность вопросов об изменении конструкции, в первую очередь маневровых локомотивов, которые по условиям их эксплуатации значительное время находятся в нерабочем состоянии [6].

14 ИЗВЕСТИЯ Транссиба ^^ № 4(24) 2015

: -

Перспективным вариантом поддержания рабочей температуры теплоносителей маневрового тепловоза в зимних условиях работы является замена воды в системе охлаждения высокоорганическим теплоносителем, не замерзающим при низкой температуре и кипящим при температуре выше 100 °С. Применение высокоорганического теплоносителя в качестве рабочего тела для системы охлаждения дизеля тепловоза весьма перспективно, оно исключает необходимость прогрева двигателя на стоянках в зимнее время [7].

Разогрев смазки в картере перед пуском двигателя можно обеспечить за счет электронагревательных элементов, устанавливаемых в картере двигателя. Для разогрева масла может использоваться также микрокотел с системой замкнутой циркуляции незамерзающего теплоносителя через змеевик или какой-либо другой поверхностный теплообменник, устанавливаемый в объеме масла. В качестве образца такого микрокотла может использоваться полностью автоматизированный водогрейный микрокотел, используемый для обогрева служебных и рабочих помещений рефрижераторных секций. Вентилятор, форсунка и топливный насос такого котла работают с весьма малым потреблением электроэнергии и могут подключаться к аккумуляторной батарее или к специальной ее секции. Этот вариант полностью исключает работу двигателя тепловоза на стоянке. Основным недостатком его является необходимость использования сравнительно дорогого высокоорганического теплоносителя. Однако высокоорганический теплоноситель находит широкое применение в различных высокотемпературных технологических схемах нагрева [7].

Замена воды в дизеле тепловоза высокоорганическим теплоносителем имеет и другие преимущества, связанные с возможностью повышения рабочей температуры в системе охлаждения до 110 - 120 °С, что в свою очередь приведет к уменьшению поверхности теплообмена холодильника. Основные преимущества заключаются в их высокой температуре кипения и низкой температуре затвердевания при атмосферном давлении. Поэтому повышение температуры в системе охлаждения не потребует повышения давления. Предварительные расчеты при замене воды диталилметаном (tmin= 293 °С; tkp= 30 - 36 °С) показывают, что если принять температуру теплоносителя на входе из холодильника 120 и 110 °С, а воздуха соответственно 38 и 60 °С, то средний логарифмический напор возрастает с 35 - 36 °С в настоящее время до 65 - 66 °С. Потребная поверхность холодильника в этом случае снижается примерно в два раза, так как величину коэффициента теплопередачи при высокоорганическом теплоносителе можно получить такую же, как и при воде. Коэффициент теплопередачи К, вычисленный для диталилметана, составляет 65 - 70 ккал/м2 °С-ч.

Подогрев воды и масла при низкой температуре окружающей среды можно обеспечить с помощью специально устанавливаемого электроподогревателя. При этом не требуется водяного охлаждения тепловозного дизеля. Такой вариант исключает использование дизеля для зарядки воздушных тормозных резервуаров и его работу на холостом ходу для прогрева в зимнее время, а также обеспечивает независимую от режима работы тепловоза подачу воздуха в тормозную систему.

Одним из рациональных вариантов решения рассматриваемой задачи следует считать применение на тепловозе вспомогательной дизель-генераторной установки малой мощности для обеспечения электрического привода водяных насосов и подзарядки аккумуляторной батареи при неработающем дизеле тепловоза [8]. Такой дизель-генератор должен быть включен в систему циркуляции охлаждающей воды дизеля. При неработающем тепловозном дизеле специальным насосом с электроприводом можно обеспечить циркуляцию воды в системе охлаждения тепловозного дизеля.

Вариант конструкции тепловоза со вспомогательной дизель-генераторной установки неоднократно ранее рассматривался, однако до настоящего времени нет технико-экономического исследования этого варианта. На железных дорогах США применяют вспомогательную силовую установку типа Junior компании Kim Hotstart для прогрева тепловозных дизелей. За счет ее применения удается сократить расход топлива на 5 %.

№ 4(24) ОЛИ с ИЗВЕСТИЯ Транссиба 15

2015 1

Из рассмотренного выше можно сделать вывод о том, что в настоящее время имеется множество разработок, направленных на сокращения эксплуатационных расходов локомотивов за счет снижения работы дизельного двигателя локомотива в режиме самопрогрева. Однако данная проблема до сих пор остается актуальной, поскольку отсутствует техническое решение, позволяющие использовать разработанные системы для большинства тепловозов независимо от местоположения и вида выполняемых работ. Маневровые тепловозы могут работать непосредственно на территории депо, и для них целесообразен самый простой способ прогрева по принципу системы «Контур». Система основана на использовании электрических котлов, получающих питание от постороннего источника. Преимущества данной системы состоят в том, что в качестве топлива для первичного источника используется более дешевый вид - каменный уголь или природный газ. Система «Контур» автоматически производит регулировку мощности нагревательных элементов, является компактной, одновременно осуществляет подзаряд аккумуляторных батарей. Однако у данной системы есть и недостатки. Для работы системы «Контур» необходимо иметь специализированные места отстоя со шкафами подключения, а для тепловозов, эксплуатируемых на сортировочных или малодеятельных станциях, данный способ уже не актуален [8].

В ходе всестороннего анализа систем прогрева дизельных двигателей, применяемых на железных дорогах России, определена задача - разработка системы прогрева дизель-генераторной установки без использования энергии посторонних источников, с автоматизированным управлением, надежной в работе и удобной в обслуживании с учетом опыта использования разработанных систем прогрева и конструктивных особенностей тепловозов.

Список литературы

1. Эксплуатация тепловозов в различных климатических условиях [Текст] / А. Д. Беленький, Н. И. Дмитриев и др. - М.: Транспорт, 1971. - 120 с.

2. Исследование вопросов механики и теплопередачи агрегатов подвижного состава, технология ремонта и эксплуатации транспортных машин [Текст] / Под ред. Д. Л. Юдина / Труды МИИТа. - М., 1975. - Вып. 479. - 162 с.

3. Луков, Н. М. Автоматизация систем охлаждения тепловозов [Текст] / Н. М. Луков. -М.: 1974. - 56 с.

4. Белоглазов, А. К. Влияние типа привода вспомогательных агрегатов на энергетические затраты тепловоза [Текст] / А. К. Белоглазов, В. Ф. Тарута, А. В. Чулков // Исследование надежности и экономичности дизельного подвижного состава: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. - Омск, 1983. - С. 73 - 77.

5. 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.

6. 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.

7. Маханько М. Г. Исследование теплотехнических вопросов транспорта [Текст] / М. Г. Маханько, С. Г. Грищенко. - М., 1976. - Вып. 511.

8. Анисимов, А. С. Инновационные проекты и технологии в образовании, промышленности и на транспорте [Текст] / А. С. Анисимов, В. О. Носков, В. К. Фоменко // Материалы науч.-практ. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2014. - С. 97 - 104.

References

1. Belenky A. D. Dmitriev N. I., Perelman Y. Z., Mukhutdinov G. N., Skupchenko A. I., Sokolov B. N. Ekspluatatsiia teplovozov v razlichnykh klimaticheskikh usloviiakh (Operation of diesel in various climatic conditions). Moscow: Transpotr, 1971, 120p.

16 ИЗВЕСТИЯ Транссиба ^^ № 4(24) 2015

= _

2. Issledovanie voprosov mekhaniki i teploperedachi agregatov podvizhnogo sostava, tekhnologiia remonta i ekspluatatsii transportnykh mashin (Study on mechanics and heat transfer units of rolling stock, maintenance technology and operation of transport trucks). Moscow: Engineering Works, 1975, Vol. 479, 162.

3. Lukov N. M. Avtomatizatsiia sistem okhlazhdeniia teplovozov (Automation of systems of cooling of diesel locomotives). Moscow: 1974. - p. 56.

4. Beloglazov A. K., Taruta V. F., Chulkov A. V. Influence of the type of accessory drive on energy costs locomotive [Vliianie tipa privoda vspomogatel'nykh agregatov na energeticheskie zatraty teplovoza]. Issledovanie nadezhnosti i ekonomichnosti dizel'nogo podvizhnogo sostava: Mezhvuzovskii tematicheskii sbornik nauchnykh trudov (Study of reliability and efficiency of diesel rolling stock: Interuniversity thematic collection of scientific papers). Omsk, 1983, pp. 73 - 77.

5. Jakushin R. Y. Sposoby progreva sistem teplovoznykh dizelei v usloviiakh lokomotivnykh depo [Methods warming systems diesel engines under the locomotive depots]. Metody otsenki tekhnich-eskogo sostoianiia, ekspluatatsionnoi ekonomichnosti i ekologicheskoi bezopasnosti dizel'nykh lokomo-tivov: Monografiia (Methods of assessing the technical condition , operating -term cost-effectiveness and environmental safety of the diesel locomotives: Monograph). Moscow: Zheldorizdat, 2007, pp 185 - 201.

6. Volodin A. I., Balagin D. V., Komkova Y. S. Investigation of the processes of heat transfer in diesel engines [Issledovanie protsessov teploperedachi v teplovoznom dizele]. Izvestiia Transsi-ba - The Trans-Siberian Bulletin, 2011, № 4 (8), pp. 6 - 10.

7. Makhanko M. G., Grishchenko S. G. Issledovanie teplotekhnicheskikh voprosov transporta (Study thermal transport issues). Moscow, 1976, vol. 511.

8. Polkovnikov M. A., Noskov V. O., Fomenko V. K., Jakushin R. Y. Innovatsionnyeproekty i tekhnologii v obrazovanii, promyshlennosti i na transporte (Increasing efficiency and improving the maintenance and repair of locomotives). Omsk, 2014, pp.43 - 48

УДК 629.423.33:621.336.3

С. В. Заренков, И. Е. Чертков

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ СКОРОСТНЫХ ТОКОПРИЕМНИКОВ

В статье рассмотрены новые разработки в области надежности работы скоростных токоприемников. Приведено описание принципа работы предохранительных устройств токоприемника нового поколения, рассмотрена методика и приведены результаты расчета характеристик и параметров предохранительных устройств. Представлена методика испытаний предохранительных устройств токоприемника на ударно-колебательном комплексе для исследования взаимодействия токоприемника с контактной сетью.

Развитие скоростного и высокоскоростного движения - насущная необходимость современного железнодорожного транспорта, что подтверждается документами Правительства Российской Федерации и ОАО «Российские железные дороги» [1, 2].

Управлением электрификации и электроснабжения ОАО «Российские железные дороги» рассмотрены варианты обеспечения электроснабжения высокоскоростного движения поездов со скоростями до 350 км/ч на магистрали Санкт-Петербург - Москва, сформирована унифицированная модель устройства системы тягового электроснабжения высокоскоростных железнодорожных магистралей (ВСМ) с учетом опыта других стран [3].

Однако с повышением мощности и скорости электроподвижного состава, интенсивности движения поездов увеличивается вероятность возникновения аварий на железнодорожном транспорте. При этом особое внимание уделяется безопасности движения поездов, связанной с надежностью работы токосъемных устройств. Для этого токоприемники электроподвижно-

№„4(254) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 17