Шимохин Василий Владимирович

1. Шимохин Василий Владимирович МЕТОДЫ МОДЕРНИЗАЦИИ РОССИЙСКИХ ТЕПЛОВОЗОВ (на примере республики САХА (Якутия))

2. Актуальность проблемы. Благодаря последовательной работе по обновлению и развитию железнодорожного транспорта, развернутой в последние годы, ОАО «ЖДЯ» удалось переломить тенденцию нарастания физического и морального износа производственной базы отрасли. По итогам 2010 года компания добилась: - оборот грузового вагона ускорен к уровню прошлого года почти на 3,8 часа; - средний вес грузового поезда увеличен на 31 -тонну; - среднесуточная производительность локомотива выросла на 66 тыс. тонно-км брутто; - средняя участковая скорость увеличена на 1,3 км/час.

4. Среди наиболее важных направлений - улучшение качества использования подвижного состава и увеличение пропускной способности на важнейших направлениях. Особое внимание уделено экономии наиболее расходной статьи компании - использованию тяговых ресурсов.

6. На долю тепловозов ОАО «РЖД» приходится 12,5% основных средств железнодорожного транспорта, что составляет 53,6 млрд. руб., в том числе, 42 млрд. руб. – стоимость тягового подвижного состава, и 26% - расходы на эксплуатацию.

8. Модернизация локомотивов Якутии, и создание новых, более экономичных тепловозов, должна сопровождаться мерами по обеспечению их качественного содержания за счет совершенствования системы технического обслуживания, текущего и капитального ремонта. Актуальность решаемой проблемы состоит в существенных затратах трудоресурсов на восстановление и обновление локомотивного парка и снижения времени доставки грузов за счет малой скорости подвижного состава.

10. Объектом исследования является тепловоз и, банк технических данных об испытанияхотдельных узлов тепловозов Якутии. Предметом исследования является техническое состояние тепловозов, затратные средства на содержание, ремонт и модернизацию их.

12. Основным направлением работ по совершенствованию системы технического обслуживания и ремонта тепловозов является увеличение межремонтных пробегов, стремление максимально приблизить их предельные значения к технически обоснованному ресурсу базовых деталей и узлов. Необходимость на современном этапе рационального использования ресурсов, как в области эксплуатации, так и при решении задач организации диагностического процесса работы и ремонта тепловозов определяет актуальность поставленной в работе проблемы.

14. Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы - разработка новых методов и средств повышения эффективности работы и ремонта тепловозов, в том числе, за счет перевода их на сжиженный газ. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: - провести комплексный анализ основных направлений реформирования и особенностей функционирования тепловозов Якутии; - провести анализ состояния и эффективности использования основных средств при реформировании и модернизации тепловозов; - выполнить качественный и количественный анализ возможностей и условий для сохранения на тепловозе смеси дизельного топлива и сжиженного нефтяного газа; - разработать методику оценки надежности работы тепловоза как технической системы, состоящей из конечного количества подсистем, узлов и деталей, с целью определения наиболее эффективных методов и средств для контроля текущего технического состояния тепловоза и прогнозирования уровня его эксплуатационной надежности и экономичности; - разработать математическую модель для оценки эксплуатационных показателей дизелей тепловозов при работе на дизельном топливе, сжиженном нефтяном газе и его смесях с дизельным топливом и присадками;

16. Научная новизна работы заключается в следующем: - предложен критерий для количественной оценки эффективности функционирования системы технического диагностирования, состоящей из принятого комплекса диагностических средств и методов; - предложена математическая модель для оценки эксплуатационных показателей дизелей тепловозов при работе на смеси дизельного топлива и сжиженного нефтяного газа; - разработана методика для комплексной оценки влияния состава используемого топлива на экономические и экологические показатели работы тепловозов.. Методы исследования.Теоретические исследования выполнены с применением методов подобия и анализа размерностей. Методы решения поставленных задач описываются с помощью дифференциальных уравнений волнового движения жидкости в трубопроводах высокого давления. При обработке экспериментальных данных использовались методы теории вероятности и математической статистики. Разработка математических моделей основана на применении теории математической статистики, корреляционного анализа, метода решения транспортных задач с использованием линейного программирования.

18. Апробация работы. Основные результаты и выводы диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на всесоюзных, всероссийских и международных совещаниях, в том числе, на Международной научно-технической конференции «Модернизация тепловозов. Пути решения»,г.Якутск,2007г.; на Международной научно-технической конференции «Современные технологии модернизации тягового подвижного состава для предприятий железнодорожного транспорта и частных операторов», г. Киров, 2010 г., на Международной научно-технической конференции «Перспективы развития железных дорог Якутии», Якутск, 2011 г. Публикации. По теме диссертации опубликовано девять статей. Структура и объем работы. Диссертация в форме научного доклада включает текст – 40 стр,, состоящий из введения, пяти глав и заключения, списка основных публикаций по теме диссертации, а также содержит в общей сложности 12 графических иллюстраций, 9 таблиц и список цитированной литературы из 12 наименований.

20. Фактический материал. В основу работы положены материалы, собранные и обработанные автором в 2002-2011 гг. при изучении общего состояния проблемы модернизации тепловозов Якутии, материалы Международных и всероссийских конференций. В процессе выполнения работы автор диссертации использовал данные по испытаниям тепловозов, их ходовых частей и используемых дизелях. При написании третьего раздела работы автором детально проанализированы литературные данные по локомотивам. При их анализе автор пользовался любезными консультациями Тиссена В.А., С.В.Голофаева, генерального директора МК «ТРАНСМАШ», Аржакова Н.И., начальника отдела железнодорожного транспорта Министерства транспорта и дорожного хозяйства республики САХА (Якутия).

22. Предшествующие исследования. Кроме перечисленных выше материалов, автор проанализировал данные по модернизации железных дорог в Хабаровске, на Урале, в Сибири, на Дальнем Востоке и т.д. Имена предыдущих исследователей приведены в соответствующих разделах диссертации и в списке использованной литературы. Основы представлений о железнодорожных проблемах заложены в работах исследователей, работавших в 50-е - 90-е годы прошлого века. Среди них большую значимость имеют труды ученых старшего поколения: Федоренко Н.П., Рыбальского В.И., Вагнера Г., Митрофанова Г.Д., Жинкина Г.Н., Соколина В.П., Воропаева В.И., и многих других исследователей. В 90-е годы прошлого века и по настоящее время следующее поколение ученых развивало построения своих учителей и предшественников: Авилов В Д, Бервинов В И, Беленький А Д, Володин А И, Воробьев А А, Горский А В , Гаскаров Д В , Григорьев И Б , Исаев И П, Кузьмич В Д, Камаев В А, Кузнецов Т. Ф , Киселев В И, Малоземов Н А , Носырев Д Я , Осяев А Т , Павлович Е. С., Подшивалов А.Б., Сковородников Е И, Тартаковский, Четвергов В А, Чанкин В В., Волков Б.А., Иванов М.И., Спиридонов Э.С., Клыков М.С., Переселенков Г.С., Григорьев Н.П., Рукин М.Д., Болотин А.В., Славинский З.М., Миронов Л.А., Татаринов А.И., Загородский В.Н., и др.

24. Основные защищаемые положения. 1. Методы анализа современного состояния тепловозов Якутии. 2. Прогнозные рекомендации по совершенствованию тепловозов. 3. Математическая модель для оценки эксплуатационных показателей дизелей тепловозов при работе на смеси дизельного топлива и сжиженного нефтяного газа.

26. Глава 1. Проблемы модернизации тепловозов при работе в условиях низких температур. Накопленный опыт эксплуатации тепловозов и фундаментальных знаний работы их позволяет обозначить и определить пути решения производства и модернизации надежности и долговечности узлов, оборудования и систем тепловозов для работы в условиях низких температур. Формируется полигон и вся инфраструктура «Железных дорог Якутии», где имеется целый ряд особенностей (географические, климатические, геологические, демографические), не имеющих аналогов в мировой практике [8]. Ниже сформулированы основные цели и задачи ОАО «ЖДЯ» с позиции «Проблем модернизации тепловозов»: - обеспечение и устойчивая реализация силы тяги локомотивов при энергооптимальных режимах вождения поездов на полигоне «ЖДЯ»; - обеспечение безопасности движения поездов с установленными скоростями в условиях повышенного динамического воздействия на путь и подвижной состав; - снижение эксплуатационных потерь от повреждений и износов пар трения в системе «экипаж - путь» и от весьма затратной планово-предупредительной системы технического обслуживания и текущих ремонтов (ППС ТО и ТР).

28. Универсальность имеющихся проектов модернизации тепловозов и их оборудования, реализация тягово-сцепных характеристик, планово-предупредительная система ТО и ТР рассчитаны: - на европейский Север с отрицательными температурами не ниже - 45°С и положительными температурами среднеазиатского региона, где + 45°С; - на традиционные схемы оборота локомотива и плечи обслуживания локомотивными бригадами; - на отжившую затратную систему ТО и ТР. 1. Эффективная работа тепловоза зависит от устойчивой работы дизеля, которая обеспечивается: - постоянными температурными параметрами топливно-воздушной смеси, поступающей в цилиндры, независимо от температуры наружного воздуха (от + 35°С до - 60 + 63°С) и барометрического давления; - температурой теплоносителей дизеля (масло и вода), которые должны находиться при этом в заданных пределах (76 -г- 86 С). Для реализации эффективности модернизации необходимо иметь бортовую автоматическую систему измерения и регулирования мощности ДГУ в зависимости от температуры окружающей среды и барометрического давления. 2. Анализ технического состояния тепловозного парка сети ж.д. России свидетельствует о том, что положение с неисправностями тепловозов в пути следования, неплановыми ремонтами по видам оборудования в абсолютных значениях составляют (табл.1):

30. Неисправности тепловозов и неплановые ремонты. Табл.1.

32. Эти статистические данные являются свидетельством конструкционных и технологических недоработок при создании локомотивов и их модернизации. Простой тепловозов на неплановых ремонтах по сети ж.д. России составил 654 тыс. часов в год. . 3. Особого внимания требуют система охлаждения воды и масла дизеля, а также воздухоохладитель (в летний период) и подогреватель воздуха - в зимний период. Ведутся работы по совершенствованию системы охлаждения тепловозов для работы в условиях низких температур, для северного широтного хода Дальневосточной железной дороги филиала ОАО «РЖД». В этом направлении имеется целый комплекс проблем и решений, которые следует реализовывать и оценивать на эффективность. Наряду с отводом тепловой энергии от теплоносителей, не менее важной остается проблема утилизации и аккумулирование тепловой энергии, чтобы можно было ее использовать при отстое локомотива или движении на выбеге, для поддержания температурных параметров узлов, устройств и систем. 4. Эффективная работа тепловозов зависит от уровня автоматической системы регулирования и согласования характеристик передачи мощности (дизель - тяговый генератор - система возбуждения - ТЭД).

33. 4.1. Весьма неудачна модернизация тепловозов ТЭ10МК с заменой дизеля 1 ОД 100 на Д49, с сохранением тягового генератора ГП-311,который рассчитан по магнитной системе на 850 об/мин якоря, а номинальная частота оборотов коленчатого вала дизеля Д49 -1000 об/мин. Оснащение проекта системой УСТА-04 и УСТА-05, фирменного сопровождения, а также низкий квалификационный уровень обслуживающего персонала, отсутствие методик, оснастки, оборудования, испытания, настройки гидромеханических регуляторов дизеля (7РС) и согласование их характеристик с программой УСТА лишают привлекательности эту систему и снижают эффективность проекта. Работа дизеля Д49 на номинале - равном 850 об/мин, требует повышенного расхода топлива, чтобы обеспечить тяговые электродвигатели мощностью 1830 - 1840 кВт. Работа дизеля при 850 об/мин снижает мощность с 2206 до 1872 кВт.

34. 4.2. При замене дизеля 1ОД 100 на Д49 нарушается развеска тепловоза (рассредоточение нагрузки по осям и колесам осей). Результаты исследований проблемы и состояния развески свидетельствуют, что все локомотивы, прошедшие модернизацию по циклу МЛП (КРП) имеют отклонения в нагрузке по осям до 12 - 14 %, а между колесами одной оси 8 - 10%. Такая развеска не позволяет реализовать паспортные тягово-сцепные качества тепловозов из-за его повышенной склонности к буксованию. Результаты тягово-сцепных испытаний показали, что из-за нарушения развески недоиспользуется на каждой локомотиво-секции 15-18% тяговых возможностей. Для исправления ситуации требуется: - при модернизации по замене дизеля 1 ОД 100 на Д49 или 7FDL необходимо менять генератор ГП-311 на ГС-501, чтобы полностью использовать мощность дизеля; - всем проектам необходимо выполнять тщательную развеску, чтобы отклонение нагрузок было в пределах 2-3%, с учетом диаметров колес и характеристик рессорного подвешивания; - для условий низких температур целесообразно планировать использование бесколлекторных тяговых электродвигателей.

35. Корень ситуации - целый комплекс факторов Комплекс факторов, влияющих на теорию модернизации транспортного парка Якутии.

36. Все факторы свидетельствуют о слабых конструктивных решениях, недостаточном внедрении новых перспективных материалов и технологий, отсутствии инновационных и фундаментальных научных разработок, унифицированных деталей и узлов экипажной части, их высокой износостойкости надежности и долговечности. На основании аналитических, лабораторно-стендовых и эксплуатационных исследований работы колесно-моторных блоков и их связей с рамами тележек установлены и определены конструктивные, технологические и физико-механические недостатки резинотехнических деталей, которые применяются в экипажной части тепловозов ТЭ10, ТЭ116, ТЭП70 и 2ТЭ70. Инновационные и фундаментальные разработки требуют адаптации к работе в условиях Крайнего севера с привлечением к процессу исследований специалистов «Института физико-технических проблем Севера СО РАН Республики Саха (Якутия).

37. Эксплуатационная эффективность модернизированных тепловозов 2(3)ТЭ10М-К Северной и Дальневосточной ж.д. в части расхода дизельного топлива на тягу поездов. Таблица 2.

38. Сравнительные технико-экономические показатели тепловозов до и после модернизации приведены в таблице 6. Табл.6.

39. Сравнительные эксплуатационные испытания показали, что тепловозы М-62 с дизель-генераторами 5-26ДГ имеют на 18...30 % меньший расход топлива, в 2,5...3,0 раза меньший расход масла, в 3,8 раза меньшие затраты на техническое обслуживание. Дизель-генераторы 5-26ДГ имеют лучшие экологические показатели в сравнении с дизель-генератором 14ДГ (рис. 2). 179% Звуковое давление Токсичность Дымность Сравнение экологических показателей двух дизелей.

40. 152% Звуковое давление Токсичность Дымность Рис.3. Сравнение экологических показателей двух других дизелей.

42. Система является модификацией системы компьютерного мониторинга КОМПАКС и предназначена для объективной оценки технического состояния подшипников качения и диагностики дефектов, влияющих на их ресурс. Работа системы основана на измерении текущих значений параметров вибрации вращающегося подшипника. Состояниеподшипника оценивается в 4_х частотных диапазонах по результатам цифровой обработки сигналов датчика вибрации и отображается на мониторе с помощью цветных пиктограмм и цифровых значений параметров вибрации. В состав системы входит привод, которым программно управляет система.

44. Персональная система автоматической вибродиагностики - мощное средство оперативной диагностики оборудования, не подключенного к стационарным системам, проведения динамической балансировки агрегатов на месте их установки. Система позволяет согласно заранее составленному маршруту или произвольным образом, путем выбора необходимых установок, секций, агрегатов и точек измерения производить вибродиагностику технического состояния агрегатов как указанных, так и не указанных в маршруте, производить оперативный сбор и анализ параметров измеряемых сигналов и осуществлять диагностику технического состояния узлов машин и механизмов как по сообщениям экспертной системы, так и по значениям измеренных параметров.

45. Система имеет 2 основных режима работы: Без ПДС, при этом осуществляется контроль и сбор параметров при помощи МикроМонитора с предварительно загруженным маршрутом. После сбора данных они переносятся на ПДС для последующего подробного анализа. Совместно с ПДС, при этом имеется возможность проведения автоматической вибродиагностики оборудования на месте, анализ состояний, сигналов и трендов. Все это обеспечивается программным обеспечением ПДС.  Программное обеспечение имеет 5 основных режимов работы: МОНИТОР, ИЗМЕРЕНИЕ, АНАЛИЗ, ТРЕНД, БАЛАНСИРОВКА.

47. МОНИТОР (основной режим). В этом режиме конфигурируются объекты диагностирования. С помощью средств встроенного редактора вводится объект диагностирования, указываются его узлы и точки измерения. По заданным показателям агрегатов система формирует критические значения диагностических признаков. Агрегаты могут быть сгруппированы в секции, насосные или компрессорные установки с определением их иерархии. Ввод объектов заканчивается определением последовательности их диагностирования. На экране МикроМонитора отображается: - сокращенное наименование установки или секции; - наименование агрегата; - сокращенное наименование точки. С помощью 2-х кнопок МикроМонитора можно не только выбрать любую точку, имеющуюся в конфигурации, но и произвести измерения в любых точках, не определенных конфигурацией. В любом случае, вся измеренная информация сохранится в Базе данных. В этом режиме на экран и встроенный динамик ПДС или головные телефоны выводятся сообщения экспертной системы с результатами автоматической диагностики технического состояния оборудования (дефект подшипника, расцентровка, кавитация, помпаж и т.д.).

49. АНАЛИЗ. Режим АНАЛИЗ позволяет производить анализ временных и спектральных характеристик сигналов, сохраненных в Базе данных, или производить их анализ в реальном масштабе времени при измерении сигналов. В режиме АНАЛИЗ возможна предустановка около 50 параметров для измерения и анализа сигналов, в том числе: - частота дискретизации и объем выборки; - тип весовой функции; - частота среза фильтров нижних и верхних частот; - параметры фильтров для вычисления огибающей; - параметры для вычисления оборотных гармоник.

50. 4.1. Математическая модель исследования явлений, происходящих в потоке сжиженного нефтяного газа. Для исследования явлений, происходящих в потоке газообразного топлива в жидкой фазе, применялось известное из гидравлики уравнение неустано­вившегося напорного движения реальной жидкости в трубах. В общем виде это уравнение имеет вид: ( /l) z + p/ +2 /2g  + (1/g) (/t) + hc = 0 (1) Выражая скорость в различных участках топливной магистрали через скорость в питающем канале насоса k при помощи уравнения неразрывности, после выполнения известных преобразований получено уравнение для расчета давления pх в топливной системе в любом сечении: px = pпод - (2к /2 g)[(f2k / f2x) + сум ] +(1/g)*lпр * (к/t), (2) где сум – коэффициент сопротивления системы; pпод – давление подкачки; – удельный вес газа; fk , fx– соответствующие площади сечений; lпр – приведенная длина магистрали. Давление в напорном баке Рподможно записать как сумму давлений на­сыщенных паров применяемого топлива и избыточного давления Ри: Рпод = Рнас + Ри(3)