бабулер44

Эффективность нормирования топлива в паровозной тяге

В.Н. Игин, д-р техн, наук, профессор РУТ (МИИТ)

В рамках сохранения исторического наследия России, распоряжением ОАО «РЖД» от 23.11.2012 № 2380р «О сохранении работоспособности паровозного парка ОАО „РЖД"» определен списочный состав свыше 70 единиц паровозов серий Л, Эу, Су и других, выпущенных в 20 — 50-х годах прошлого столетия, для последующей их эксплуатации. Спустя 6 лет, распоряжением ОАО «РЖД» от 24.04.2018 № 849/р «О внесении изменений в распоряжение ОАО „РЖД" от 23.11.2012 № 2380р» первоначальный список паровозов был существенно, почти в 2 раза, расширен за счет конкретных серий с номерами паровозов, подлежащих включению в инвентарный парк и сохранению в запасе.

Реализация названных распоряжений предполагает восстановление, содержание в работоспособном состоянии, сохранение и, при необходимости, передислокацию паровозов для использования в праздничных мероприятиях, кино- и видеосъемках, пропаганды российских железных дорог, экскурсионных и туристических перевозок и др.

Решение проблемы возобновления эксплуатации паровозов, наряду с восстановлением работоспособности, требует воссоздания не утраченных окончательно способов организации их эксплуатации и соответствующей инфраструктуры, технологии ремонта и, в первую очередь, документального и методического сопровождения планируемых мероприятий. Так, задачу нормирования угля на паровозную тягу, как наиболее затратную статью расхода денежных средств в эксплуатации, можно решать на основе положений Инструкции от 25.05.1962 № 2187/ЦТ по техническому нормированию расхода топлива на паровозах после актуализации приведенных в ней нормативов.

Однако необходимо ввести само понятие «нормы» как плановой меры потребления топлива на тягу поездов. Тогда главной характеристикой нормы как показателя энергоэффективности станет ее соответствие плановым показателям использования паровозов, т.е. достоверность, которая отражает состояние планируемого процесса топливопотребления. Показателем нормы, согласно распоряжению ОАО «РЖД» от 17.05.2019 № 962/р, является килограмм условного топлива (кгут), приведенный к единице перевозочной работы в 104т-км брутто, или измерителю, т.е. кгут/изм.


Напомним, что техническое нормирование в паровозной тяге основано на сведениях топливно-энергетического паспорта, сформированного для каждой отдельной серии паровоза по приведенным в Правилах тяговых расчетов (изд. 1961 г.), формулах сопротивления движению подвижного состава и тяговых характеристиках локомотивов. При этом достоверность нормативов расхода топлива на паровозную тягу, основанная на результатах расчетов с применением топливно-энергетического паспорта паровозов, не ставилась под сомнение.

Для оценки достоверности приведенных в Инструкции нормативов разберем процедуру построения топливно-энергетического паспорта на примере наиболее распространенной и сохранившейся до наших дней серии паровоза Л. Положим в основу построения топливно-энергетического паспорта необходимые для этой цели тягово-энергетические характеристики указанной серии паровозов, которые приведены в табл. 1.

Формирование паспорта осуществляют по выборочным из тяговой характеристики паровоза значениям скорости движения v и массы ведомого им состава Q и, добавим, при заданном уровне форсировки котла zK и согласованными с ним отсечками пара Е.

В основу построения топливно-энергетического паспорта паровоза положен графоаналитический способ расчета технической нормы удельного расхода топлива. Исходную для расчета равномерную скорость движения поезда установим, как показано на рис. 1, путем наложения на тяговую характеристику локомотива F(v) кривой основного сопротивления ведомого им поезда W(v, Q). Точка пересечения линий зависимостей F(v) и W(v, Q) определит значение равномерной скорости v как местоположение равенства сил тяги локомотива и сопротивления движению поезда F = W.

Для построения зависимости е = f(v, Q) произведен отбор 36 значений скорости v локомотива в четырех уровнях: от 25 до 40 % форсировки котла, в интервале равномерных скоростей движения поезда от vm до vK0HC, с составом вагонов массой от 2600 до 3100 т и осевой нагрузкой 140 кН. Интервал дифференцирования исходных значений скорости движения для каждого уровня форсировки котла zK взят с точностью измерения электронного скоростемера 0,1 км/ч, а массы состава, кратной массе груженого полувагона, 60 т. Проверка соответствия скорости v значениям F и W, обуславливающим основополагающее их равенство F = W, проведена с допустимой погрешностью расчета разницы значений между противодействующими силами F и W, не превышающей 0,001 %.

По выбранным значениям равномерных скоростей движения паровоза серии Л и соответствующих масс ведомого им состава проведен расчет показателя удельного расхода угля е. Фрагменты результатов расчета для обозначенных выше четырех уровней форсировки котла zK в интервале значений начальной vHA4 и конечной vK0H скоростей движения приведены в табл. 2.

По представленным в табл. 2 данным на рис. 2 и 3 построены графики удельного расхода угля в зависимости от равномерной скорости движения v паровоза серии Л и значений массы ведомого им составов Q соответственно. График на рис. 2 изображает зависимость величины е от уровня форсировки котла zK и скорости движения V. Анализ показывает, чем выше значения zK и v, тем больший удельный расход угля е требуется на тягу поездов. Анализом графика на рис. 3 установлено, что с увеличением массы ведомого паровозом состава величина удельного расхода е, при одном и том же уровне форсировки котла zK, падает, а при его увеличении — растет. Поскольку уровень форсировки котла zK определяет размер величины е, оценим степень его влияния на энергоэффективность паровоза.

Качественной характеристикой взаимосвязи расчетных значений величины е, при разных уровнях форсировки котла zK, служит коэффициент детерминации г2. Эта статистическая характеристика, применительная к решаемой задаче, показывает, какую часть в общем разбросе значений случайной величины е составляет часть, обусловленная уровнем форсировки котла zK. Анализ представленных в табл. 2 значений удельного расхода е показал, что коэффициент детерминации г2 с вероятностью, близкой к единице, равен 0,94, откуда следует, что в 94 % случаев из 100 величина е зависит от интенсивности парообразования zK в котле и качества использования паровой машины, т.е. отсечки Е, а в 6 % оставшихся случаев — от иных случайных факторов, в частности, от квалификации машиниста. Положительный результат тесной взаимосвязи данных служит основой выбора вида уравнения топливно-энергетического паспорта, который следует обосновать и подтвердить статистическими критериями.


По виду представленных на рис. 2 и 3 графиков, предпочтительным, по виду и возможности проверки адекватности исходным данным, в качестве уравнения топливно-энергетического паспорта паровоза серии Л примем уравнение множественной линейной регрессии: е = а + b-v + c-Q.

Построенное по 36 значениям выборочных данных еф, v, и Q методом наименьших квадратов уравнение регрессии показано на рис. 4 в виде графика зависимости ep(v, Q) с внешними его границами: eBEpx(v, Q) и eHl13(v, Q) доверительного интервала. Коэффициенты уравнения регрессии с вероятностью 0,9 статистически значимые, а само уравнение, с вероятностью 0,95, адекватное исходным данным. Динамика различия на рис. 5 между расчетными ер и исходными еф значениями удельного расхода топлива на уровне 1,1 % примерно в 30 раз ниже допускаемой телеграфным указанием ОАО «РЖД» от 28.11.2013 № исх-2172/ЦУНР погрешности в 30%.

Вид уравнения е = f(v, Q), согласно знакам коэффициентов уравнения регрессии, отражает интерпретируемый процесс роста удельного расхода угля на тягу поездов от увеличения скорости v движения поезда и снижения его величины с уменьшением массы состава Q. В эксплуатации расчетные значения зависимости f(v, Q) топливно-энергетического паспорта представляют в виде табл. 3 в «Уголке теплотехника» эксплуатационного депо для обязательного ознакомления локомотивными бригадами.

Определение исходного значения величины удельного расхода угля согласно таблице заключается в нахождении значения нормы, соответствующей заданному весу состава (горизонтальная графа) и заданной скорости движения поезда (вертикальная графа) в месте их пересечения. Например, для состава вагонов массой 1400 т и скорости поезда 40 км/ч, ведомого паровозом серии Л, норма расхода угля составит 96 кг/104 т-км брутто.

Сравнительный анализ представленных в табл. 3 и аналогичных, приведенных в Приложении № 2 Инструкции от 25.05.1962 №2187/ЦТ по техническому нормированию значений величины е паровозов серии Л, показал их значительное, до 30 %, расхождение. Заметная разница значений величины е вызвана спецификой теплотехнических расчетов [1]:

& тяговой мощности паровоза NKAC на основе индикаторной Ринд'с Учетом механического КПД цм, а не касательной F^, как принято в Инструкции, силы тяги с последующим ростом на ее реализацию расхода топлива на 10 %;

индикаторной мощности паровоза Ыинд с технологическими затратами топлива на служебные нужды примерно на 5 %;

тяговой мощности паровоза NKAC от снижения осевой нагрузки вагона до 140 кН и роста удельного сопротивления движению состава на 20%;

cP удельного расхода топлива е без учета 20%-ного уровня форсировки котла zK со значением 0,1 отсечки пара Е как малоэффективного режима.

Неучет перечисленных выше факторов при формировании топливно-энергетического паспорта, вопреки утверждению первоисточников [2], ведет к искажению результатов нормирования. Показательно, что при меньшем в 5 раз значении КПД, паровоз серии Л, согласно приложению № 2 упомянутой Инструкции, оказался экономичнее тепловоза серии 2М62, что маловероятно.

Действенным решением повышения достоверности технической нормы является уточнение результатов расчета, включающее затраты как на перемещение состава паровозом, так и его обслуживание в ходе поездки [3].


Согласно Инструкции, техническую норму расхода угля на паровозную тягу в общем виде определяют из выражения:

n = e-Kyy-KpKj-p + Дпт + К6х-п6х + Дпс кгут/104 т-км брутто,

где е — значение исходной нормы расхода топлива, принятое по топливно-энергетическому паспорту;

Kw — коэффициент, учитывающий изменение сопротивления движению состава;

К, — коэффициент трудности нормируемого участка;

Kt — температурный коэффициент нормируемого периода;

К6Х — коэффициент беспарного хода паровоза;

Дпт — затраты топлива на восстановление скорости после остановки;

п6х — затраты топлива на беспарный ход;

Дпс — затраты топлива во время стоянок;

ц — коэффициент, учитывающий особенности профиля пути и мастерство локомотивных бригад.

Значения корректирующих коэффициентов эксплуатируемых в настоящее время серий паровозов приведены в таблицах Инструкции.

Между тем, сужение круга решаемых паровозной тягой задач (работа на коротких плечах, на ровных площадках и т.д.) дает возможность исключить из приведенного уравнения топливно-энергетического паспорта значения коэффициентов Kw и К,, а наличие на рабочем месте машиниста-инструктора по теплотехнике персональных компьютеров — заметно упростить процедуру нормирования.

Как пример, рассмотрим задачу нормирования топлива для паровоза серии Л, ведущего состав массой 800 т со средней технической скоростью движения 40 км/ч по ровной площадке протяженностью 200 км. Количество заложенных в график остановок 4, скорость начала торможения 50 км/ч при общей продолжительности стоянок 0,4 ч. Средняя температура нормируемого периода -5 °C. Коэффициент беспарного хода 0,10, а коэффициент, учитывающий мастерство локомотивной бригады, — 0,99.

Техническую норму расхода угля найдем простым суммированием «основной», из приведенного выше и откорректированного коэффициентами Kt и ц табличного значения: 97-1,2-0,99 = 115,24 кгут/изм., и пооперационными нормами на остановки и разгон 11,45 кгут/изм., беспарный ход 1,26 кгут/изм., стоянки 1,01 кгут/изм., равной 129 кгут/изм. Перевод условного топлива в натуральное, например, антрацита со значением топливного эквивалента 0,97, определит значение нормы как частное от деления 129 кгут/изм./0,97, равной 133 кг/изм. Тогда абсолютное значение нормы угля как объем перевозочной работы: 800 т • 200 км = 16-Ю4 т-км брутто, умноженный на значение удельной нормы, составит 2128 кг.

Показательно, что непосредственно на тягу приходится 89,4 % технической нормы, а оставшиеся 10,6 % — на иные операции: разгон после остановки поезда (8,9 %); беспарный ход (1,0 %); стоянка паровоза (0,8 %). Наличие анализа нормы является серьезным подспорьем в разработке технико-экономических мероприятий по сокращению непроизводительного расхода топлива и повышению эффективности не только паровозной, но и любого другого вида тяги.

Реализация на практике изложенного метода нормирования на основе представленного алгоритма формирования топливно-энергетического паспорта обеспечит реальное решение задачи расчета технической нормы топлива на тягу поездов, в чем сегодня остро нуждается эксплуатация.

Библиография

1. Проектирование паровозов: расчет главных размеров и составление эскизного проекта / Н.И. Карташов. Томский электромеханический институт инженеров железнодорожного транспорта. — 2-е изд., перераб. — Томск: Красное знамя. 1936. — 242 с.: ил., схем., граф., черт.; 22 см.

2. Молярчук В.С. Теоретические основы методики нормирования расхода топлива и электроэнергии для тяговых средств транспорта. М.: Трансжелдориздат. 1966.264 с.

3. Руководство паровозному машинисту. Государственное транспортное железнодорожное издательство. Москва. 1944 г. 546 с.