gazya.ru страница 1
скачать файл






На правах рукописи

ПОПОВ КИРИЛЛ МИХАЙЛОВИЧ

ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ, АДАПТИРУЕМОЙ К УСЛОВИЯМ ЭКСПЛУАТАЦИИ СИСТЕМЫ УЧЕТА И АНАЛИЗА РАСХОДА ТОПЛИВА МАНЕВРОВЫМИ ТЕПЛОВОЗАМИ
Специальность 05.22.07 – Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2011

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» (ОАО «ВНИИЖТ»)


Научный руководитель –

доктор технических наук, профессор

Мугинштейн Лев Александрович









Официальные оппоненты –

доктор технических наук, профессор

Коссов Евгений Евгеньевич












кандидат технических наук, доцент

Калугин Сергей Павлович









Ведущее предприятие –

Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава»

(ОАО «ВНИКТИ»), г. Коломна









Защита диссертации состоится «28» июня 2011 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д218.002.01 при Открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (ОАО «ВНИИЖТ») по адресу: 107996, г. Москва, ул. 3-я Мытищинская, 10, зал Учёного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в научно - технической библиотеке ОАО «ВНИИЖТ».

Автореферат разослан «27» _мая_ 2011 г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять в адрес института.



Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, доцент


Д.В. Ермоленко



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

За 6 месяцев 2010 г. суммарный пробег локомотивов в маневровой работе по сети дорог ОАО «РЖД» составил 75,21 млн км. При этом средний по сети удельный расход топлива на маневровую работу был равен 414,5 кг условного топлива на 100 локомотиво-км (лок-км), соответствующие затраты ОАО «РЖД» составили около 4,3 млрд. руб.

Действующая в локомотивных депо система учета расхода топлива маневровыми тепловозами имеет ряд недостатков и не исключает несанкционированный отбор топлива. В настоящее время в локомотивных депо железных дорог расход топлива маневровым тепловозом за смену работы определяется машинистом по разности объёмов топлива в начале и конце рабочей смены, определяемых визуально по топливомерам бака локомотива. Замеры выполняются с использованием проградуированных щупов, или линеек, установленных возле мерных стёкол топливомеров. Штатные топливомеры тепловозов одной из наиболее массовых серии – ЧМЭ3 имеют две неконтролируемые зоны по 250 л из-за перемычек между мерными стёклами, что в ряде случаев затрудняет замеры. В условиях эксплуатации замеры топлива часто осложняются из-за загрязнения мерных стёкол и плохой видимости мениска.

При определении массы израсходованного за смену топлива используется значение его плотности, измеряемое на складе топлива работниками химической лаборатории два раза в сутки. При этом машинист в период до следующей экипировки использует для расчёта массы топлива значение плотности по данным на дату последней экипировки. В связи с суточными колебаниями температуры, а также из-за влияния подогрева топлива значение его плотности, принятое для расчётов, может значительно отличаться от фактического. С этим связана дополнительная погрешность в определении массы израсходованного топлива. Отметим, что практически не учитывается плотность остатка топлива в баке перед набором. Она может значительно отличаться от плотности топлива, заливаемого в бак, так как плотность дизельного топлива, применяемого на российских железных дорогах, изменяется в широких пределах и зависит от качества перерабатываемой нефти и технологии получения из нее топлива.

Первичный учёт расхода топлива тепловозами выполняется в группах учёта локомотивных депо, в которых данные маршрутов машиниста переводятся в электронный вид для последующей их обработки в дорожных информационных системах. Таким образом, до перевода данных в электронный вид, на учет топлива дважды влияет «человеческий фактор».

Эффективный контроль за расходованием топлива невозможен без объективного нормирования. Основными измерителями по утверждённым методикам являются расходы топлива на 100 лок-км и на 1 час работы. При этом норма расхода топлива за смену определяется умножением измерителей на выполненную локомотивом работу. Показатели работы при существующей неравномерности загрузки локомотивов по различным сменам и в течение смены существенно отличаются. При этом определение норм и их корректировка для разных видов работы носят во многом приближённый характер от достигнутого. Расхождение норм и реальных расходов топлива на маневровую работу создают условия для того, что только по официальным данным Департамента безопасности за 6 месяцев 2009 года в целом по сети железных дорог было выявлено или пресечено 152 попытки хищения с участием работников железнодорожного транспорта 90 тонн дизельного топлива на сумму 1,4 млн. руб. Отметим, что снижение удельного расхода топлива на маневровую работу на 1 % приведёт к сокращению расходов на приобретение топлива на 43 млн. руб.

В связи с этим, вопросы достоверного учета, анализа, нормирования и контроля расходования топлива маневровыми тепловозами являются актуальными, и одним из важнейших направлений решения проблемы экономии топлива маневровыми тепловозами является автоматизация этих процессов.

Целью работы является обоснование и разработка автоматизированной системы учёта и анализа расхода топлива для обеспечения снижения удельного расхода топлива маневровыми тепловозами и исследование её работы и эффективности в эксплуатации.

Задачи исследования. В соответствии с целью в диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

1. Проанализированы известные системы и технические решения по контролю и учёту расхода топлива маневровыми тепловозами.

2. Определена структура комплексной информационно-аналитической системы – КИАС для измерения, учёта, анализа и контроля за расходованием дизельного топлива маневровыми тепловозами в эксплуатации и сформулированы требования к трём основным структурным составляющим КИАС: подсистеме измерения количества топлива в баке тепловоза – СИТ, бортовой подсистеме регистрации параметров топлива и работы тепловоза – БСР и стационарной подсистеме обработки данных – СПОД.

3. Оценены достаточные точность и периодичность измерения количества топлива в баке тепловоза.

4. Выбран метод измерения количества топлива в баке тепловоза, разработан блок датчиков топливомера и конструктивные решения по его установке на маневровом тепловозе.

5. Определён набор параметров работы тепловоза и его дизель-генераторной установки, замер которых обеспечивает количественное и качественное описание выполняемой маневровым тепловозом работы.

6. Разработана стационарная подсистема, устанавливаемая в депо и обеспечивающая в автоматизированном режиме считывание данных регистрации измеренного расхода топлива маневровыми тепловозами данного депо, анализ и контроль за потреблением топлива на основе разработанных алгоритмов и программного обеспечения.

Объектом исследования является комплексная информационно-аналитическая система учёта расхода топлива маневровыми тепловозами.

Предметами исследования являются основные составляющие комплексной информационно-аналитической системы (КИАС) учёта расхода топлива маневровыми тепловозами – СИТ, БСР, СПОД.

Методы исследования. Анализ известных технических решений проблемы автоматизации измерения расхода топлива маневровыми тепловозами выполнялся с использованием метода экспертных оценок с учётом современных требований и новых технических возможностей. Обработка и выбор основных параметров КИАС основывались на вариантном конструировании и изготовлении вариантов узлов системы и сравнении их показателей на лабораторном стенде и на маневровых тепловозах в эксплуатации. Количественные оценки, настройка и тестирование алгоритмов проведены с помощью современных методов автоматизации измерений и обработки данных. При обработке и анализе экспериментальных данных использовались методы теории вероятности и математической статистики.

Научная новизна работы:

- Решена задача учёта и факторного анализа расхода топлива маневровыми тепловозами с использованием известных физических закономерностей – емкости трубчатого конденсатора от уровня его заполнения топливом и плотности топлива от диэлектрической проницаемости, а также на основе определённых в работе регрессионных зависимостей фактического расхода топлива тепловозом от расчётных значений. При этом расчётный расход топлива определяется по результатам обработки зарегистрированных на борту тепловоза параметров работы его силового и вспомогательного оборудования;

- определены минимально необходимые состав и количество контрольных параметров работы маневрового тепловоза (для тепловоза массовой серии ЧМЭ3 – 8 параметров) и на этой основе разработаны алгоритмы, обеспечивающие автоматизированный расчёт и анализ расхода топлива маневровыми тепловозами с выработкой рекомендаций по сокращению непроизводительных составляющих расхода топлива.

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждена расчётами, статистическим анализом и положительным опытом эксплуатации разработанной системы в 25 локомотивных депо ОАО «РЖД».

Практическая ценность работы. Основные результаты, полученные в настоящей работе, реализованы во внедряемой с 2004 г. в системе ОАО «РЖД» автоматизированной системе учёта и контроля расхода топлива маневровыми тепловозами – РПРТ (регистратор параметров работы тепловоза). По состоянию на 2009 г. система РПРТ установлена и эксплуатируется более чем на 900 тепловозах ЧМЭ3 всех индексов в локомотивных депо Московской, Горьковской, Северной, Юго-Восточной и Северо-Кавказской железных дорог. Эксплуатация локомотивов, оборудованных такими системами, обеспечила реальную возможность экономии удельного расхода дизельного топлива благодаря эффективному контролю его расхода.

Результаты, выносимые на защиту:

- обоснованность технических решений, применённых при разработке автоматизированной системы учёта и анализа расхода топлива маневровыми тепловозами;

- способ определения расчётного расхода топлива маневровым тепловозом за смену работы машиниста на основе выбранных параметров работы тепловоза, измеряемых в процессе его работы и регистрируемых в бортовом регистраторе с последующей передачей данных для расшифровки;

- алгоритмы обработки данных регистрации в стационарной подсистеме и основные принципы анализа расхода топлива маневровыми тепловозами с разработкой рекомендаций по сокращению его непроизводительной составляющей.



Апробация работы. Материалы диссертации докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на научно-технических советах отделения «Тяга поездов, экономия топливно-энергетических ресурсов и компьютерная оптимизация перевозочной деятельности железных дорог» ОАО ВНИИЖТ, на технических совещаниях в Управлении планирования и нормирования материально-технических ресурсов ОАО «РЖД», ЗАО ОЦВ, «АВП-Технология» в период 2004-2011 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы, в том числе в ведущих рецензируемых научных изданиях, определённых ВАК Минобрнауки – 2, оформлены: 1 патент на изобретение, 1 патент на полезную модель и 1 патент на программу для ЭВМ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав основного содержания, заключения, списка литературы в составе 85 наименований. Диссертация изложена на 126 страницах основного текста, содержит 58 рисунков, 15 таблиц, и 13 приложений на 17 страницах. Общий объём работы – 186 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ



Введение отражает актуальность темы, проведён анализ состояния вопроса, изложены научная новизна и практическая ценность работы, а также направление выбранных исследований. Рассмотрена структура работы.

Первая глава посвящена критическому анализу развития и совершенствования систем и технических средств учёта расхода топлива тепловозами.

Отмечается существенный вклад в изучение вопросов контроля, учёта и анализа расхода топлива тепловозами таких ученых, как А.П. Третьяков, В.Н. Балабин, Л.А. Мугинштейн, Е.Е. Коссов, А.В. Грищенко, Г.А. Фофанов, А.И. Молчанов, И.Л. Поварков, А.Н. Головаш, В.М. Бочаров, С.М. Кузнецов, В.З. Какоткин, В.В. Грачев, Ф.Ю. Базилевский, Л.С. Назаров, Л.А. Ежевская, И.П. Гордеев, А.Е. Ермаков, О.П. Ермакова, Б.В. Карелин, В.В. Черников,

А.Л. Донской, И.В. Назаров и других.

Системы учёта расхода топлива по принципу определения этой величины можно разделить на три основные группы:

- системы косвенного определения расхода топлива тепловозом;

- системы непосредственного измерения расхода топлива дизелем с использованием расходомеров;

- системы определения расхода топлива по разнице его количества в баке тепловоза в разные интервалы времени.

Прибор первой группы был предложен учеными МИИТа д.т.н. А.П. Третьяковым и М.Г. Маханько, к.т.н. Пупыниным В.Н. и Жуковым В.И. в 1972 г. Измерение расхода топлива было предложено проводить на основе показаний выхода рейки топливного насоса высокого давления (ТНВД) и частоты вращения коленчатого вала дизеля. В процессе испытаний на тепловозе ТЭМ2-2366, после тарировки прибора, была достигнута высокая точность измерения (~ ±1 %), а за счёт установленного контроля за расходом была достигнута существенная экономия топлива. Сложность использования устройства связана с возможным несоответствием между нормативной и фактической цикловыми подачами ТНВД, в том числе и с учётом их технического состояния.

Различные варианты систем учета расхода топлива на борту с использованием расходомеров были предложены д.т.н. Балабиным В.Н. и к.т.н. Какоткиным В.З. (МИИТ), к.т.н. Черниковым В.В (РГУПС), а также специалистами ОАО «Арзамасский приборостроительный завод». Системы испытывались на тепловозах и обеспечивали высокую точность определения объёмного расхода топлива на уровне эталонных метрологических средств. Из-за отсутствия аппаратно-программных комплексов обработки данных измерений и контроля количества топлива в баке подобные системы не позволяли решать важную для эксплуатации задачу по определению расхода топлива не по назначению.

Одним из первых в создании систем учёта расхода топлива третьей группы был Центр внедрения новой техники и технологий «Транспорт», ныне ОАО НИИТКД. В 1998 г. опытным образцом системы «БОРТ» был оборудован тепловоз ЧМЭ3-5298, с 2003 г. началось серийное внедрение таких систем на маневровых тепловозах. В системе «БОРТ» измеряется ряд параметров, определяющих расход топлива тепловозом, а также его техническое состояние. Эти параметры регистрируются на электронную карточку. Важным достоинством системы является контроль наличия «подтоварной» воды, объём которой, по данным разработчиков, может быть значительным. Можно отметить, что до недавнего времени в системе отсутствовал датчик для измерения плотности топлива.

В 1997 г. работа по совершенствованию и автоматизации системы учета расхода топлива маневровыми тепловозами была начата во ВНИИЖТ к.т.н. А.И. Молчановым и к.т.н. И.Л. Поварковым под руководством д.т.н. Л.А. Мугинштейна. В 2000 г. при непосредственном участии автора работы была начата разработка Автоматизированной системы контроля, учета, анализа и нормирования расхода топлива маневровыми тепловозами на основе микропроцессорной системы регистрации. Контроль расхода топлива за смену работы машиниста основывался на сравнении фактического расхода, определенного по датчикам, установленным на баке и расчетного расхода, определённого по зарегистрированным параметрам работы. По результатам этих разработок, с 2004 г. ЗАО «ОЦВ», «АВП-Технология» было начато серийное внедрение регистратора параметров работы тепловоза – РПРТ. Для измерения количества топлива в баках были использованы ёмкостные датчики, позволяющие помимо уровня, измерять плотность топлива. Входящее в состав РПРТ рабочее место обработки данных регистрации позволило получать необходимые отчетные формы по учету и анализу расхода топлива маневровыми тепловозами.

С 2004 г. учеными ПГУПС д.т.н. Грищенко А.В. и к.т.н. Грачевым В.В.

была начата разработка перспективной Системы непрерывного удалённого контроля параметров работы локомотива АСК ВИС. Внедрение данной системы, включающей гидростатические датчики топлива в баке, вычислительный блок со встроенным источником питания и модуль передачи данных по GPRS, было начато в ОАО «РЖД» с 2008 г. Среди особенностей этой системы следует отметить зависимость точности измерения от конфигурации бака тепловоза и необходимость трудоёмкой операции тарировки топливных датчиков на баке по массе.

Проведенный анализ подтверждает обоснованность и перспективность целей и задач исследования и позволяет сделать вывод о том, что существенным положительным отличием системы РПРТ от других является возможность учёта плотности топлива в баке при непрерывном режиме её измерения.



Во второй главе сформулированы основные требования к автоматизированной системе учёта расхода топлива маневровыми тепловозами.

Для полного учёта расхода топлива маневровыми тепловозами автоматизированная система должна обеспечивать непрерывную фиксацию количества топлива в баке тепловоза, включая все поступления (набор топлива при экипировке) и расход в эксплуатации, а также в периоды горячего простоя и т.д. Это требует их непрерывной работы и соответственно предъявляет высо-

кие требования к надёжности систем.

Наличие на тепловозе бортовой системы измерения не позволяет полностью автоматизировать учет топлива, поскольку не исключает «человеческий фактор» при снятии показаний с индикатора или дисплея системы, а также при последующем переводе данных маршрута машиниста в электронный вид. В связи с этим необходимо данные измерений на борту зарегистрировать в автоматическом режиме и затем передать для последующей автоматизированной расшифровки в стационарную подсистему обработки данных (СПОД). СПОД должна обеспечивать надёжную реализацию функций определения: расхода топлива в каждой смене машиниста, набора топлива при экипировках, возможного несанкционированного расхода, не связанного с режимом работы тепловоза.

Структурная схема предложенного в данной работе способа автоматизации учета расхода топлива маневровым тепловозом приведена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема автоматизированной системы учёта и анализа расхода топлива маневровыми тепловозами

При объёмно-массовом методе погрешность измерения количества топлива в баке складывается из погрешностей измерения уровня и плотности топлива, а также погрешности градуировки топливного бака. При создании Автоматизированной системы, с учетом достигнутого уровня развития измерительной техники, возможность снижения погрешности измерения уровня топлива в баке была оценена на уровне 2 мм – в два раза точнее, чем при штатной системе измерения. Для баков тепловозов ЧМЭ3 и ТЭМ2 это соответствует объёму 12 и 14 л соответственно. Точность измерения плотности топлива была принята по показателям известных плотномеров широкого применения, обеспечивающих погрешность измерения 3-4 кг/м3. Расчётная абсолютная погрешность определения массы топлива в баке при этом не превышает 25 кг, что в большинстве случаев позволит определить возможный перерасход топлива, связанный с ухудшения теплотехнического состояния тепловоза и несанкционированным сливом топлива.

Важным моментом является периодичность определения датчиками параметров топлива. Поскольку полный учет топлива включает определение его набора при экипировке, необходимо правильно и своевременно зафиксировать количество топлива до и после набора. Эти замеры для максимальной точности должны производиться во время стоянки тепловоза. В таком случае требуется либо ввод признака начала экипировки, либо как можно более частое считывание показаний топливных датчиков, т.к. набор топлива может начаться, прерваться и закончится в любой момент времени, после которого тепловоз может быть сразу переставлен для освобождения экипировочной позиции.

Таким образом, периодичность измерения топлива определяется с учётом максимального темпа изменения объёма V и соответственно уровня h топлива в баке при наборе топлива, а также заданной погрешности измерения уровня [∆h].

Учитывая зависимость объёма от уровня V=V(h), получим для скорости изменения объёма от времени t:


(1)

Полагая, что dV/dh = c1, л/мм – крутизна градуировочной характеристики бака, и dV/dt = c, л/с – константа, определяемая производительностью насоса, подающего топливо в бак тепловоза, после преобразований получим:



(2)

Переходя от дифференциалов dt, dh к соответствующим конечным приращениям Δt, Δh и принимая ∆h = [∆h], получим выражение для определения максимально допустимого интервала времени ∆ti между замерами уровня топлива:



(3)

Минимальное значение отношения (с1/с) достигается при максимальном темпе налива и минимальной крутизне тарировочной характеристики бака (в зоне наименьшего сечения). При крайних значениях: с = 6,17 л/с – наиболее производительный насос пункта экипировки, с1 = 3,85 л/мм – бак тепловоза ЧМЭ3т при уровне заполнения h > 500 мм, [∆h] = 2 мм получаем дискретность времени измерения уровня топлива – 1,25 с, или после округления до ближайшего целого – 1 с.

Известно, что любая автоматизированная система не является абсолютно надежной, поэтому машинист должен иметь возможность в случае нереальных показаний системы о расходе топлива за рабочую смену обоснованно зафиксировать этот факт. В связи с этим должна иметься возможность контроля показаний системы штатными топливомерами, т.е. по объёму топлива. В то же время, из-за изменения плотности топлива в баке тепловоза в довольно широких пределах, связанного как с изменением его температуры, так и сорта, достоверный учет топлива возможен только в единицах массы. Поэтому показания системы о количестве топлива в баке должны формироваться в единицах массы и объёма.

Принципиально важным является объективный контроль расхода топлива тепловозом за смену работы машиниста. Наиболее эффективно он может выполняться путём сравнения фактического расхода с расчётным значением. На этой основе определяется экономия или перерасход топлива за смену.

Для определения величины расчётного расхода необходимо знать количество выполненной тепловозом работы. Учитывая то, что для маневровой работы характерна часто изменяющаяся масса поезда, малые пробеги с каждым сцепом вагонов, а также то, что при роспуске с горки масса поезда во время движения изменяется, определение работы «на колесе» практически затруднительно. В связи с этим параметры работы целесообразно фиксировать по показателям наиболее значимого элемента энергетической цепи тепловоза, по которому можно непрерывно отслеживать затраты энергии на работу тяговых электродвигателей тепловоза (ТЭД). Так как на существующих маневровых тепловозах вся вырабатываемая тяговым генератором (ТГ) электрическая энергия расходуется на питание ТЭД, допустимо обойтись измерением тока и напряжения ТГ, что сводит затраты при оборудовании тепловозов системами измерения параметров работы к минимуму. Поскольку от дизеля, кроме ТГ, приводятся в действие вспомогательные агрегаты, требуется фиксация режимов их работы, что позволяет определять затраты энергии на их привод.

В эксплуатации возможна работа дизеля на режиме холостого хода как при нулевой позиции контроллера, так и при более высоких позициях – для прогрева дизеля в зимний период, откачки тормозной магистрали поезда. Таким образом, для полного контроля расхода топлива маневровым тепловозом, дополнительно требуется регистрация на борту сигнала о работе дизеля на холостом ходу при различных позициях контроллера машиниста. Отметим, что расход топлива на холостом ходу для каждой позиции контроллера определяется частотой вращения коленчатого вала на этой позиции. При отклонении частоты от нормативной, расход топлива будет отличаться от нормативного значения.

Довольно характерным режимом в эксплуатации тепловозов является горячий простой. Поскольку расход топлива при этом определяется температурой атмосферного воздуха, необходимо для контроля расхода топли-

ва, данный параметр регистрировать на борту.

Таким образом, на основе комплекса выбранных для анализа расхода топлива параметров, определяется набор необходимых датчиков: тока тягового генератора, напряжения тягового генератора, частоты вращения коленчатого вала дизеля, позиции контроллера машиниста, работы вспомогательных механизмов тепловоза, пути и скорости, температуры атмосферного воздуха.

Для привязки расхода топлива и параметров работы тепловоза ко времени необходимо также наличие энергонезависимого счётчика времени.



В третьей главе рассмотрены методы измерения количества жидкости в резервуаре. Показано, что потенциально приемлемыми методами для использования в автоматизированной системе контроля и учёта расхода топлива маневровыми тепловозами, являются гидростатический манометрический, акустический ультразвуковой и ёмкостной. При определении преимуществ и недостатков этих методов были проведены лабораторные испытания.

Для предварительных испытаний разных типов датчиков автором работы был спроектирован и с участием автора изготовлен специальный стенд, позволяющий при установке различных по конструкции датчиков обеспечивать изменение уровня топлива в них в диапазоне, соответствующем высоте баков маневровых тепловозов с фиксацией уровня на заданной отметке (рис. 2, а).

Для испытаний на лабораторном стенде, учитывая выбранные методы измерения и наиболее приемлемые характеристики по погрешности и диапазону температур, были отобраны ёмкостной топливомер СИТ9-3, предназначенный для авиации и выпускаемый ОАО «Техприбор», а также преобразователи избыточного давления ЗОНД производства НПП «ГИДРОГАЗПРИБОР".

По результатам испытаний были получены опытные точки зависимостей расчётных уровней, определённых по сигналам датчиков, и уровней топлива в баке, определённых контрольным прибором. С помощью метода наименьших квадратов определены коэффициенты уравнений линейной регрессии указанных зависимостей.

а) б)

Рис. 2. Лабораторный стенд (а) и датчики топливомера ДТК21-1 (б)


Характеристики сигналов 3-х испытанных датчиков ЗОНД при изменении уровня топлива в баке на стенде были нестабильными. Отклонения расчётных уровней топлива, определённых по сигналам датчиков ЗОНД значительно отличались от значений, установленных по контрольному прибору. Учитывая это обстоятельство, дальнейшие испытания датчиков ЗОНД были прекращены.

Полученные на стенде характеристики ёмкостных датчиков были достаточно линейны, при наполнении и сливе практически совпадали. Максимальное отклонение сигнала от испытуемых датчиков по уровню от показаний контрольного прибора составило 2,5 мм, с учётом погрешности контрольного прибора на уровне 0,5 мм. В связи с высокой точностью определения плотности при фиксированной температуре (2 кг/м3 или 0,25 %), была проведена проверка измерения плотности при нагреве топлива с последующим остыванием в диапазоне температур от +11 до +38 ºС, а также для двух сортов топлива, имеющих значения плотности 832 и 841 кг/м3 при температуре 20 ºС. Максимальное отклонение измеренного СИТ значения плотности от значения по контрольному прибору составило 4,5 кг/м3, или 0,54 % с учётом погрешности контрольного прибора 0,5 кг/м3, или 0,06 %.

Исходя из требований минимизации времени оборудования тепловоза и объёма дополнительных работ, для тепловоза ЧМЭ3, с участием автора работы, был разработан вариант установки датчиков снаружи бака с креплением их к штатному топливомеру. При такой установке датчики максимально удалены друг от друга, а находящийся рядом штатный топливомер позволяет производить грубую оценку работоспособности датчика при сравнении показаний по уровню, установка датчика может быть произведена без опорожнения бака. C учётом выбранного способа установки датчика и необходимой зоны измерения были разработаны эскизы и технические требования (ТТ) к датчику топлива с привязкой к месту его установки на баках маневровых тепловозов ЧМЭ3 и ЧМЭ3т. На основе данных ТТ предприятием ОАО «Техприбор» при участии автора работы была разработана конструкторская документация и изготовлена опытная партия адаптированных для установки на тепловозы ЧМЭ3 ёмкостных датчиков ДТК21-1 (рис. 2, б).

После изготовления партии из 28 датчиков ДТК21-1 для оборудования ими группы тепловозов, были проведены лабораторные испытания по определению погрешности измерения уровня топлива, которые позволили сделать вывод о необходимости организации входного контроля для всех датчиков перед их установкой на тепловоз.



В четвертой главе описана система сбора и обработки данных о расходе топлива тепловозом. Разработка стационарной подсистемы обработки данных - СПОД, алгоритмов обработки данных и программного обеспечения выполнена под руководством и при участии автора работы. СПОД устанавливается в локомотивном депо и совместно с бортовыми регистраторами обеспечивает решение задач контроля и учёта расхода топлива для каждого прикреплённого

к системе маневрового тепловоза.

Разработанные алгоритмы работы стационарной подсистемы обработки данных регистрации позволяют расшифровывать и анализировать исходные файлы регистрации – ФР с выводом результатов в виде графиков и таблиц по всему ФР и с разбивкой по сменам работы машинистов. Так расчётный расход топлива ВР за смену определяется как сумма расходов на режимах холостого хода – ВР_XX и нагрузки – ВР_Н дизеля:

(4)

Расчётный расход топлива на холостом ходу ВР_XX, кг определяется как:



(5)

где Bчp – часовой расход топлива на холостом ходу по нормативной характеристике дизеля для позиции контроллера – р, кг/ч;

∆tххр – зарегистрированное время работы дизеля на холостом ходу при позиции контроллера – р, ч.

Расчётный расход топлива на режимах нагрузки ВР_Н, кг определяется на основе уравнения баланса энергии на коленчатом валу дизеля, выработанной при расходе топлива за время работы в этом режиме – ∆tН, с:



(6)

где РВСПi) – мощность на привод вспомогательных агрегатов в i-й момент времени, Вт;

ωi – частота вращения коленчатого вала в i-й момент времени, мин-1;

∆ti – шаг изменения времени регистрации параметров, с;

ηГ – средний КПД тягового генератора;

i – ток тягового генератора в i-й момент времени, А;

i – напряжение генератора в i-й момент времени, В;

Q – низшая теплота сгорания дизельного топлива, Дж/кг;

f(PE) – эффективный КПД дизеля при реализации средней эффективной мощности дизеля РЕ, определяемой из выражения:

(7)

Результаты расшифровки используются персоналом разных подразделений депо для целей контроля и анализа расхода топлива. Например, теплотехник может выявлять участки работы или станции, с наибольшим изменением удельного расхода топлива по отношению к предыдущему периоду. В зависимости от изменения зарегистрированных показателей работы (пробег, соотношение нагрузки и холостого хода и др.), принимается решение о корректировке нормы или о проверке наличия несанкционированного расхода топлива. Машинист – инструктор на основе отчётов по колонне и по каждому машинисту контролирует проценты перерасхода или экономии топлива этими машинистами. При перерасходе определяется, является ли он случайным или происходит систематически. Эти данные позволяют планировать и организовывать эффективное обучение. Заместитель начальника депо по эксплуатации по данным расшифровки контролирует степень загрузки каждого тепловоза и выявляет тепловозы, имеющие наименьшую степень загрузки по отношению к средней по парку. В случае принятии решения о перераспределении парка по участкам обслуживания, имеется возможность по данным регистрации и анализа расхода топлива оценивать эффективность таких мероприятий.



В пятой главе приведены данные о комплексе испытаний системы на тепловозах в эксплуатации и о внедрении системы на железных дорогах. Проверка чувствительности системы при измерении количества топлива в баке тепловоза показала, что эта величина составляет около 7 л, что соответствует 1 мм высоты бака. Погрешность определения плотности топлива в баке составила 3,4 кг/м3, или 0,42 % при абсолютной величине плотности 806 кг/м3. Эти величины хорошо согласуются с результатами лабораторных испытаний датчиков.

При определении объёма топлива в баке по измеренному датчиками уровню было предложено использовать градуировочную характеристику, полученную путём линейной интерполяции заводской характеристики штатного топливомера тепловоза ЧМЭ3. При сравнении на 3-х разных тепловозах ЧМЭ3 приращений объёмов топлива, определённых по такой характеристике и по высокоточному счётчику топливораздаточной колонки, отмечено практическое совпадение сравниваемых величин. При этом значение приведённой погрешности не превысило 0,37 %, что позволило при оборудовании тепловозов бортовыми системами учёта расхода топлива в большинстве случаев отказаться от затратной и трудоёмкой градуировки топливных баков.

Регистрация данных при рядовой эксплуатации тепловоза ЧМЭ3-2614, оборудованного опытным образцом системы, проводилась в период с 26.08.2003 по 20.04.2004 г. При этом тепловоз использовался на разных участках и на разных видах работ: на манёврах на станциях Москва-Казанская, Сокольники, на МЛРЗ, на горочной, вывозной и смешанной.

Данные по испытаниям отражают достаточно широкий диапазон изменения эксплуатационных нагрузок маневрового тепловоза. Так, пробег за смену при среднем значении 45,3 км, изменялся от 16,8 до 216 км. Среднее значение выработанной дизель-генератором электроэнергии составило около 265 кВтч, минимальное – 79 кВтч и максимальное – 623 кВтч. Относительное время работы дизеля на холостом ходу изменялось от 53 до 88 % при среднем значении 70,3 %. Под нагрузкой дизель работал от 8 до 47 % времени при среднем значении 25 %. Оставшееся время приходилось на простой с остановленным дизелем.

Суммарный расход топлива по данным маршрутов машиниста и по датчикам топлива составил соответственно 18269 и 17419 кг. То есть за счёт повышения точности учёта топлива было выявлено 850 кг. Отличие средних значений фактического и расчётного расходов топлива, составивших соответственно 189 и 164 кг, свидетельствует о завышенных расходных характеристиках тепловоза ЧМЭ3-2614 по сравнению с паспортными. Это в среднем приводит к перерасходу 25 кг топлива за смену.

Рабочие смены, в которых отмечен слив топлива, наглядно отражает график зависимости фактических расходов топлива по датчикам – ВФ от расчётных величин – ВР (рис. 3). Для основной части рабочих смен прослеживается чёткая регрессионная зависимость между фактом и расчётом. В среднем разброс точек относительно линии регрессии составляет ± 40 - 50 кг. В то же время в сменах со сливами топлива отклонение составляет от 100 до 350 кг, что хорошо видно на графике. Суммарный слив топлива в 8 рабочих сменах составил величину около 1200 кг, или 6,9 % от общего расхода по датчикам в 99 рабочих сменах.


Рис. 3. Зависимость расхода топлива, определённого по датчикам, от расчётной величины в сменах работы машинистов


Эксплуатационные испытания опытного образца Регистратора параметров работы тепловоза – РПРТ на тепловозе ЧМЭ3-2614 показали, что его технические характеристики и параметры соответствуют требованиям к автоматизированной системе учёта и анализа расхода топлива. Проверки работоспособности топливно-измерительной подсистемы на неподвижном тепловозе при остановленном дизеле, а также при его работе на холостом ходу и под нагрузкой показали стабильность выходных сигналов об уровне и плотности топлива в баке, отсутствие автоколебаний при измерении параметров топлива. На основе этих итоговых испытаний было принято решение о тиражировании системы.

В шестой главе приведена усреднённая оценка фактической эффективности применения на маневровых тепловозах ЧМЭ3 систем РПРТ. Эта оценка осуществлена путем сравнения фактического значения удельного расхода топлива до и после внедрения в локомотивном депо систем РПРТ за один и тот же период времени. Для расчета использованы ежемесячные отчетные данные из форм ТХО-5 и ТХО-1 по маневровым тепловозам ЧМЭ3 локомотивных депо Лянгасово Горьковской железной дороги и Новомосковск Московской железной.

Статистическим анализом установлено, что после внедрения систем РПРТ в локомотивном депо Лянгасово снижение фактического удельного расхода топлива в июне 2007 г. по сравнению с июнем 2006 г. на рассмотренных тринадцати участках работы маневровых тепловозов составило 12,7 %.

После внедрения систем РПРТ в локомотивном депо Новомосковск для рассмотренных восемнадцати участков работы тепловозов этого депо по статистике за 4 месяца снижение фактических удельных расходов топлива изменялось от 3,6 до 12,5 %.

Среднее по двум депо снижение удельного расхода топлива по данным ТХО-5 за месяц работы составило около 9,2 %. При определённом по этим же данным среднем расходе топлива около 8800 кг на 1 тепловоз ЧМЭ3 в месяц и данным о стоимости топлива в 2007 г. установлено, что экономия составила 14,4 т.р. При пересчёте на год потенциальная экономия составляет около 173 т.р. С учётом стоимости системы РПРТ около 300 т.р. расчётный срок её окупаемости составляет менее 2 лет.



Выводы по работе

В диссертации получены следующие основные результаты:

1. Проанализированы существующие системы учёта расхода топлива и технические средства контроля количества топлива в баке маневрового тепловоза, установлена возможность их совершенствования и обоснована необходимость разработки автоматизированной системы учёта и анализа расхода топлива.

2. Определены общие технические требования к автоматизированной системе учета и анализа расхода топлива маневровыми тепловозами, а также требования к входящим в неё подсистемам измерения количества топлива в баке, бортовому регистратору, стационарной подсистеме обработки данных.

3. Выбран и обоснован набор параметров, характеризующий объём работы маневрового тепловоза. Данные параметры необходимы для определения расчётного расхода топлива, на основе которого осуществляется контроль расхода топлива маневровым тепловозом в каждой рабочей смене машиниста. Основой данного контроля является перерасход или экономия топлива.

4. Выбраны и обоснованы методы измерения количества топлива в баке тепловоза на основе прототипа, применяемого в авиации, разработаны датчики для установки на бак тепловоза и технические решения по их установке.

5. Разработана блок-схема и алгоритмы работы бортового регистратора в составе автоматизированной системы учёта расхода топлива тепловозом.

6. Разработаны алгоритмы организации работы стационарной подсистемы обработки данных, алгоритмы расшифровки данных регистрации и использования результатов расшифровки для анализа расхода топлива маневровыми тепловозами.

7. Установлена необходимость учёта влияния изменений плотности топлива в эксплуатации для повышения точности определения расхода топлива и разработаны технические решения для измерения плотности топлива на тепловозе.

8. Рассмотрены основные технико-экономические составляющие оценки эффективности бортовых систем учёта расхода топлива и предложен методический подход к оценке фактической эффективности систем РПРТ на тепловозах.



Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки России:



  1. Молчанов А.И., Поварков И.Л., Мугинштейн Л.А., Попов К.М. Автоматизированная система учёта, контроля и анализа расхода топлива маневровыми тепловозами // Вестник ВНИИЖТ. 2004. № 2. С. 24 – 27.

  2. Мугинштейн Л.А., Молчанов А.И., Попов К.М. Совершенствование системы учёта и контроля расхода топлива маневровых тепловозов // Вестник ВНИИЖТ. 2010. № 1. С. 8 – 18.

Публикации в других изданиях:

  1. Донской А.Л., Холяпин М.В., Назаров И.В., Молчанов А.И., Поварков И.Л., Попов К.М. Регистратор параметров работы тепловоза // Железнодорожный транспорт. 2005. № 9. Вкладка «Ресурсосбережение». С. 16 – 19.

  2. Донской А.Л., Назаров И.В., Молчанов А.И., Поварков И.Л., Попов К.М., Холяпин М.В. Система РПРТ тепловозов // Локомотив. 2006. № 7. С. 22 – 24.

Патенты:

  1. Мугинштейн Л.А., Молчанов А.И., Поварков И.Л., Попов К.М. Способ контроля технического состояния силовой установки транспортного средства. Патент на изобретение № 2266529 от 29.01.2004 г.

  2. Молчанов А.И., Поварков И.Л., Мугинштейн Л.А., Попов К.М., Рабинович М.Д., Донской А.Л., Андреев А.В. Регистратор параметров работы тепловоза. Патент на полезную модель № 45699, от 2 декабря 2004 г.

  3. Мугинштейн Л.А., Молчанов А.И., Поварков И.Л., Попов К.М., Лисеев С.И., Тонких А.Н. Автоматизированное рабочее место обработки данных регистратора параметров работы тепловоза (АРМ РПРТ) Программа для ЭВМ. Регистрационный № 2006613922 от 15.11.2006 г.


скачать файл



Смотрите также:
Выбор и обоснование параметров автоматизированной, адаптируемой к условиям эксплуатации системы учета и анализа расхода топлива маневровыми тепловозами
262.15kb.
Инструкция по техническому нормированию расхода электрической энергии и топлива тепловозами на тягу поездов
680.03kb.
Автоматизированная система обработки визуальной информации
25.37kb.
Экспериментальные исследования возможности изменения теплофизических характеристик твердого топлива и экономическое обоснование использования наноматериалов в схеме пылеприготовления
119.78kb.
На правах рукописи
384.7kb.
2. 15 Выбор и обоснование буровой установки, ее комплектование
2798.81kb.
Смесеобразующие свойства топлива
42.47kb.
Правила эксплуатации и меры предосторожности
88.87kb.
Испытания интеллектуальной системы бетонных колодцев в Эрфурте Марбах
21.75kb.
Оргкомитет Международной научно-практической конференции
95.74kb.
Руководство по эксплуатации ацдр. 425513. 001-01 рэ содержани е
427.44kb.
Достижения педагогического коллектива
95.91kb.