poster444

Тягово-теплотехнические испытания модернизированного тепловоза 2ТЭ10ВК

Сегодня на дороги России практически не поступают новые тепловозы. Прежде всего это связано с их высокой стоимостью в силу тяжелого экономического положения тепловозостроительных заводов. Отсутствуют также проекты, удовлетворяющие современным техническим требованиям.

В свою очередь эксплуатация старого парка тепловозов требует повышенных затрат и становится малоэффективной. В связи с этим значительный интерес представляет модернизация локомотивов. Она позволяет решить сразу две стратегические задачи. Первая — значительно улучшить технико-экономические показатели тепловозов путем частичной замены оборудования. И вторая—увеличить срок службы с одновременным повышением техникоэкономических показателей.

Применительно к тепловозам ТЭ10 первую задачу можно решить заменой дизеля 10Д 100 на Д49 (модель 1А-9Д, обозначение по ГОСТ 10150-88 — 16ЧН26/26) и части вспомогательного оборудования. Эффект от такой модернизации обеспечен за счет снижения расхода топлива и повышения надежности дизеля и нового вспомогательного оборудования. Однако срок службы тепловоза при этом не может быть значительно увеличен, так как его будет лимитировать оборудование, оставшееся без изменений (передача мощности, система охлаждения дизеля, фильтры и т.п.).
Такой подход к модернизации, хотя и решает задачу снижения расхода топлива, но не способствует совершенствованию тепловозного оборудования и не затрагивает проблему создания нового поколения локомотивов.

На наш взгляд, модернизация должна одновременно быть процессом совершенствования и доводки в эксплуатации новых идей, позволяющих в перспективе применить проверенные узлы при создании нового поколения тепловозов. Поэтому целесообразно проводить более глубокую модернизацию оборудования с применением современных технических решений — таких, как более форсированный дизель 12ЧН26/26, осушаемый холодильник, самоочищающиеся фильтры воздуха и масла, электрические привод вспомогательного оборудования и тормоз, микропроцессорная система управления и автоведения и т.п. Технико-экономическая оценка показывает, что затраты на более глубокую модернизацию окупаются в течение 2-х — 3-х лет. Одновременно решается проблема увеличения срока службы локомотива.

Рассматриваемые в данной статье результаты испытаний относятся к модернизированному во ВНИТИ экспериментальному образцу тепловоза 2ТЭ10В. Объем модернизации представлен в таблице.

Двигатель 1А-9Д отличается от дизеля тепловоза 2ТЭ116 более высоким уровнем форсирования, в результате чего мощность 2208 кВт он реализует при частоте вращения коленчатого вала 850 об/мин.
Унифицированная микропроцессорная система (УСТА) представляет собой микропроцессорную систему управления, унифицированную для всех тепловозов с электропередачей мощности. Она предназначена прежде всего для обеспечения постоянства мощности дизеля на каждой позиции штурвала контроллера, начиная с четвертой. С ее помощью формируются ограничения (отсечки) по току и напряжению тяговых электрических машин на каждой позиции штурвала контроллера. Система защищает тяговые электродвигатели (ТЭД) при боксовании, управляет групповыми контакторами ослабления магнитного поля ТЭД.
Поддерживается также постоянным напряжение вспомогательного генератора независимо от частоты вращения коленчатого вала дизеля.

Унифицированная микропроцессорная система управления электропередачей имеет блок регулирования (БР), датчики сигналов обратной связи (тока якоря и напряжения тягового генератора (ТГ), положения рейки топливного насоса высокого давления и др.), программное обеспечение.

В состав блока регулирования входит микропроцессорный комплекс (МК), состоящий из микропроцессора, устройств ввода-вывода информации и устройств постоянной и оперативной памяти, выполненных в виде микросхем. В устройстве постоянной памяти размещается программа, обеспечивающая выполнение функций УСТА. БР имеют источник питания МК и всех датчиков, а также устройство преобразования аналоговых сигналов, поступающих отдатчиков и дискретных—от электрических аппаратов тепловоза и передачи их микропроцессорному комплексу. Есть в блоке регулирования и выходные устройства для управления коммутационными аппаратами тепловоза. На модернизированном локомотиве используются два таких устройства — для управления контакторами ослабления магнитного поля ТЭД ВШ1 и ВШ2.
В составе БР также находятся выходные устройства, обеспечивающие регулирование тока возбуждения электрических машин. Их два: для регулирования токов обмоток возбуждения вспомогательного генератора и возбудителя.

Система возбуждения ТГ на модернизированном тепловозе может работать в нормальном или аварийном режимах.

В нормальном напряжение ТГ регулируется изменением тока 8 независимой обмотке возбуждения возбудителя, производимого с помощью выходного устройства БР. В свою очередь последнее управляется МК в соответствии с имеющейся у него программой. Поэтому применение УСТА позволяет снять с тепловоза все узлы, обеспечивающие питание упомянутой обмотки на серийных тепловозах—СПВ, Тр, АВ, СТР, ТПТ1 —ТПТ4, ТПН, регулировочные резисторы и пр. Кроме этого, с локомотива снимаются реле переходов, боксования (два) и связанные с ними устройства и резисторы.

Таким же образом происходит и регулирование напряжения вспомогательного генератора.

Переход на аварийный режим осуществляется штатным переключателем АР. При этом так же, как и на серийных тепловозах, ток протекает только по размагничивающей обмотке возбуждения возбудителя, причем схема ее питания оставлена практически без изменений. В данном режиме обмотка возбуждения вспомогательного генератора подключается к регулятору напряжения типа БРН-ЗВ, чем обеспечиваются заданные условия питания цепей управления, возбуждения ТГ и заряда аккумуляторной батареи.

При включении тяги МК начнет формировать для каждой позиции контроллера соответствующую ей и заданную программой зависимость напряжения на зажимах ТГ в функции его тока якоря, изменяя ток возбуждения возбудителя.

В заданных программой точках внешних характеристик ТГ включаются (отключаются) групповые контакторы ВШ1 и ВШ2.
Принцип обнаружения боксования колесных пар — такой же, как и на серийных тепловозах — по разности токов якорей ТЭД. Сигнал, пропорциональный этой разности, вырабатывает специальный датчик. При возникновении боксования, т. е. когда сигнал датчика превысит некоторую, наперед заданную величину, МК уменьшает ток возбуждения возбудителя. Степень уменьшения этого тока зависит от интенсивности боксования колесных пар. После прекращения боксования ток возбуждения возбудителя плавно восстанавливается.
Система регулирования расхода воздуха для охлаждения тяговых электрических машин (СРРВ) испытуемого тепловоза дозирует поток воздуха на тяговые генератор и электродвигатели.

Структурная схема СРРВ представлена на рис. 1. Расход воздуха, охлаждающего тяговые электрические машины, регулируется блоками жалюзи БЖ1 — БЖЗ(БЖ1 — для ТЭД передней тележки, БЖ2—для задней, БЖЗ—для ТГ). Блоки жалюзи устанавливаются на входы вентиляторов и управляются тяговыми электромагнитами ТМ1 — ТМЗ соответственно.
При отсутствии тока в катушках электромагнитов жалюзи находятся в положении “открыто”. Вследствие размещения створок жалюзи в потоке воздуха его расход через тяговые электрические машины по сравнению со штатным уменьшается на 3 — 5 %.

Жалюзи используются не толшько в локомотивах. И в быту, для экранирования помещения от солнечных лучей используются простые и надежные жалюзи Днепр. Они позволяют комфортно себя чувствовать в квартире даже в очень жаркие дни, если кондиционер в помещении отсутствует.

При протекании по катушкам электромагнитов тока жалюзи находятся в положении “закрыто”. В этом случае расход воздуха через тяговые электрические машины составляет 15— 20 % от штатного значения. Поэтому несколько уменьшается мощность, необходимая для привода вентиляторов. Момент открытия жалюзи определяется тепловым состоянием тяговых электрических машин, регистрируемым косвенным путем: по разности температур At между воздухом, выходящим из электрической машины t3M и наружным tHB (At = t3M — tHB)- Для тяговых электрических машин тепловозов типа ТЭ10 принято At = 40°С.

Измерение температур t3M осуществляется датчиками, установленными в выпускном канале ТГ и в окнах для выхода воздуха у 2-го и 5-го ТЭД.

Такими образом, если At < 40 °С жалюзи закрыты, ecanAt> 40°С — открыты. При этом электромагниты включаются в два этапа.
На первом — катушка электромагнита получает полное напряжение бортовой сети, жалюзи закрываются при наличии воздушного зазора в его магнитной цепи в начале движения якоря. Через 3 — 5 с последовательно с каждой из катушек электромагнитов ТМ 1 — ТМЗ включается балластный резистор R51 — R53 соответственно, ограничивающий ток до величины, достаточной для удержания якоря в притянутом положении. Жалюзи при этом перейдут в положение “закрыто”. Такой алгоритм работы осуществляют электронные блоки БКТД1 (регулирование расхода воздуха, охлаждающего ТЭД) и БКТД2 (то же дляТГ).

При длительном движении локомотива жалюзи будут периодически открываться (при At > 40 °С) и закрываться (при At = 37ч- 38°С).
Тягово-теплотехнические испытания модернизированного тепловоза 2ТЭ10ВК № 4481А выполнены в марте 1998 г. на Экспериментальном кольце ВНИИЖТа. Его тяговые характеристики для нечетных позиций контроллера изображены на рис. 2. Тяговая характеристика для 15-й позиции, приведенная к нормальным условиям (давление воздуха 760 мм рт. ст., его температура +20°С, влажность—70%), совпадает с характеристикой серийных тепловозов 2ТЭ10В, представленной в “Правилахтяговых расчетов для поездной работы”.
При испытании модернизированный тепловоз устойчиво реализовал не только параметры продолжительного режима (Удл = 24,6 км/ч,

FAJ1 = 25,3 тс), но и касательную силу тяги 31
— 32 тс при скорости движения 19—18 км/ч. Его тяговые характеристики совпадают с подобными серийных тепловозов.
Много внимания при испытаниях было уделено определению удельного расхода топлива дизелем 1А-9Д. На рис. 3 представлены зависимости удельного расхода топлива от эффективной мощности дизеля. Они получены при давлении наружного воздуха 756 мм. рт. ст. и температуре +2 °С (кривая 1), также приведена кривая, обусловленная техническим заданием на дизель (заштрихованная область 2).
Как видно из рисунка, двигатель удовлетворяет требованиям по расходу топлива, предъявляемым к нему техническим заданием. Он экономичнее двухтактного дизеля 10Д 100 серийных тепловозов 2ТЭ10. Удельный расход топлива при полной мощности у 1А-9Д, приведенный к нормальным условиям, равен 154,5 г/ э.л.с-ч, а у 10Д100 — 173,5 г/э.л.с-ч, т. е. на 12,3 % больше.

Для оценки влияния СРРВ на топливную экономичность тепловоза проверялся расход топлива дизелем при работе его на холостом ходу. Измерения выполнялись на нечетных позициях контроллера машиниста. Тормозной компрессор в это время работал на холостом ходу, вентилятор охлаждающего устройства дизеля не вращался. Полученные данные представлены на рис. 4.
Часовой расход топлива при минимальной частоте вращения коленчатого вала и температуре масла + 70 °С получен равным 16,6 кг/ч. Но температура наружного воздуха в момент измерения была равна + 2 °С, а атмосферное давление —756 мм. рт. ст. Приведение этого показателя к нормальным условиям (температура воздуха + 20 °С, его давление 760 мм рт. ст.) показало, что он в этом случае равен 16,4 кг/ч (у дизеля 10Д100
— 28 кг/ч), т.е. соответствует требованиям технического задания на дизель.

Разница между зависимостями расхода топлива при открытых и закрытых жалюзи незначительна.

Уменьшение расхода топлива при закрытии жалюзи изменяется от 0,8 кг/ч (пк = 0 и 1) до 3,4 кг/ч(пк= 15).

Но при работе под нагрузкой уменьшения часового расхода топлива не произойдет, так как система регулирования возбуждения тягового генератора, стремясь удержать рейки топливных насосов в постоянном для данной позиции положении, увеличит его мощность на ДРГ (рис. 5).
Увеличение мощности тягового генератора составляет от 0,3 % (9 — 13-я позиции контроллера) до 2,9 % (1-я позиция).
Алгоритм функционирования СРРВ проверялся при движении с поездом в режиме полного поля ТЭД на 5-й позиции контроллера и токе якорей ТЭД, равном 490 — 600 А.

Изменение теплового состояния 5-го ТЭД (в окне для выхода воздуха которого установлен датчик температуры)контролировалось по превышению температуры обмоток главных полюсов.

Обмотки главных полюсов ТЭД типа ЭД- 118Б имеют изоляцию класса F, для которой допустимое превышение температуры равно 155 °С. Это значение было достигнуто через 33 мин после начала движения, однако напряжение с катушки тягового электромагнита ТМ1 не было отключено, т. е. жалюзи оставались закрытыми.

Испытания СРРВ выявили ряд недостатков. Прежде всего, усложнена конструкция тепловоза в целом вследствие установки на нем двух электронных блоков и трех жалюзи. Это вызовет увеличение расходов на ремонт и эксплуатацию и снизит надежность локомотива.
Уменьшается также надежность тяговых электрических машин, так как работа их под нагрузкой при закрытых жалюзи в случае неисправности СРРВ приведет к повреждению дизеля при его работе на холостом ходу. Под нагрузкой эффективность СРРВ ниже, так как увеличение мощности ТГ незначительно.

Поэтому СРРВ может устанавливаться на тепловозах после устранения указанных недостатков. Прежде всего необходимо отказаться от использования электронных блоков управления. Их функции может выполнять УСТА и это не потребует дополнительных затрат. Надо заменить электрический привод створок жалюзи электропневматическим. Важно также кардинально изменить алгоритм работы СРРВ, чтобы отказаться от использования датчиков температуры.

Алгоритм может быть, например, таким. На холостом ходу дизеля жалюзи всегда закрыты, независимо от позиции контроллера. При работе под нагрузкой жалюзи закрыты на позициях с 1 -й по (примерно) 4-ю, а на остальных— всегда открыты. Если это выполнить, то можно обойтись без использования каких-либо электронных устройств. При этом положение створок жалюзи можно контролировать установкой на механизмах их приводов конечных выключателей включением контактов в цепь катушки контактора КВ. Эффективность СРРВ в данном случае практически не уменьшается.
Испытания тепловоза 2ТЭ10ВК № 4481А показали, что модернизацию необходимо проводить только при заводском ремонте объема КР-2.
В целом преимущества модернизированного тепловоза перед серийным заключаются в следующем. Прежде всего уменьшаются расходы на ремонт и эксплуатацию. Это объясняется тем, что с тепловоза снимается ряд узлов электрооборудования, обеспечивающих реализацию заданных характеристик и параметров электрической передачи.

На модернизированном тепловозе эти характеристики и параметры определяются программой, заложенной в МК. Поэтому на реостатных испытаниях делается не настройка, а только проверка этих данных, что значительно сокращает и упрощает выполнение данных регламентных работ. Необходимо отметить, что на модернизированном локомотиве регулировочные резисторы имеются исключительно в цепи аварийного возбуждения ТГ.

За счет эффективной защиты при боксова- нии колесных пар повышается надежность ТЭД. И самое главное — значительно уменьшается расход топлива; в поездной работе на 10 — 12%, на холостом ходу—на 35 — 40 %.

Испытания подтвердили соответствие модернизированного тепловоза техническому заданию по всем параметрам.

СЦБот

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Локомотив".

Перенес: Admin