> W starszych konstrukcjach cierpi na tym silnik spalinowy tzn. dużych
> naprężeń
> termicznych dostają głowica i tłoki przy niecałkowitym spalaniu, gdy
> turbosprężarka
> ma opóźnienia w dostarczaniu nagle zwiększonej ilości potrzebnego
> tlenu (odpowiedź
> turbodoładowarki, jej bezwładność). W związku z tym myśli się o
> częściowej modernizacji
> starych silników poprzez zabudowę mikroprocesorowych układów
> sterowania - w pierwszej
> kolejności SM31 (dedykowany dla niej układ był ostatnio przetestowany
> w SM42)
>
Fragmenty z:
Technika Transportu Szynowego nr. 1/2 z 2012 roku
Marek Babeł
Zwiększenie efektywności pracy lokomotyw spalinowych SM31 w
eksploatacji
Lokomotywy spalinowe eksploatowane od ponad 30 lat na PLK i w
zakładach przemysłowych wymagają przeprowadzenia prac modernizacyjnych
w celu zwiększenia ich technicznych i ekonomicznych wskaźników pracy,
zdecydowanej poprawy warunków pracy maszynisty, wprowadzenia
nowoczesnych rozwiązań technicznych zwiększających bezpieczeństwo
ruchu.
Zadanie to można zrealizować poprzez:
* kompleksową modernizację określonej partii lokomotyw według
ustalonego zakresu, popartego oceną efektywności modernizacji na
podstawie analiz kosztów cyklu trwałości LCC;
* modernizację wybranych zespołów lub układów lokomotywy, np. w
trakcie napraw okresowych, jeżeli pozwoli to osiągnąć wymierne efekty
w eksploatacji przy stosunkowo niewielkich nakładach finansowych.
W artykule przedstawiono propozycję modernizacji układu regulacji mocy
zespołu napędowego lokomotyw serii SM31 z zastosowaniem nowej
charakterystyki eksploatacyjnej silnika a8C22W i elektronicznego
regulatora obrotów i mocy.
Wykorzystywane do ciężkich prac manewrowych lokomotywy spalinowe SM31
wyposażone są w wysokodoładowane silniki a8C22W. Silniki te pracują w
warunkach często zmieniających się obciążeń i zakresów prędkości.
Badania wykazały, iż lokomotywa taka pracuje najczęściej w zakresie
20-30% mocy nominalnej. Z ogólnego czasu pracy silnika pod obciążeniem
stany przejściowe wynoszą do 40-50%, praca na biegu jałowym wynosi
średnio 50-60% całkowitego czasu eksploatacji lokomotywy. Podczas
pracy na stacji towarowej w lokomotywach manewrowych w ciągu 1 godziny
wykonywanych jest około 400 przełączeń nastawnika jazdy, w tej liczbie
przy zwiększaniu obciążenia około 300, z których tylko 5 ze stanów
ustalonych - liczba przełączeń typu zmniejszanie/zwiększanie
obciążenia wynosi 80. Jest to przyczyną występowania takich
negatywnych zjawisk, jak zwiększenie zużycia paliwa, zadymienia
spalin, zanieczyszczenie układu wylotowego oraz znaczny wzrost
obciążeń cieplnych w układzie tłok-cylinder silnika spalinowego.
Badania eksperymentalne właściwości dynamicznych lokomotyw SM31
przeprowadzone na oporniku wodnym Lokomotywowni Warszawa - Odolany i w
Newag S.A. wykazały, że procesowi zwiększania obciążenia towarzyszy
silne zadymienie spalin, praktycznie dla wszystkich najczęściej
występujących w eksploatacji warunków pracy silnika. Stopień
zadymienia spalin wynosił od 50-90 stopni w 100-stopniowej skali
Hartridge. Podczas pracy silnika w stanach ustalonych dla mocy
nominalnej zadymienie spalin wynosi ok. 25 stopni Hartridge. Prowadzi
to do zmniejszenia niezawodności silników, skrócenia okresu ich
eksploatacji i w efekcie do
zwiększenia kosztów związanych z przestojem lokomotyw, na naprawy
awaryjne i części zamienne. Wnioski te potwierdzają się w przypadku
eksploatacji lokomotyw spalinowych SM31 z silnikami a8C22W [1].
Wyniki badań dowodzą, że dla zwiększenia niezawodności silników
spalinowych konieczna jest poprawa jakości pracy w stanach
przejściowych, które w znacznej mierze są zależne od czasu osiągania
żądanego poziomu mocy. Lepszą jakość pracy silników w stanach
przejściowych można osiągnąć poprzez racjonalny wybór charakterystyki
eksploatacyjnej. W lokomotywach SM31 charakterystykę eksploatacyjną
silnika spalinowego wybrano z założeniem osiągnięcia minimalnego
zużycia paliwa, tzw. charakterystyka ekonomiczna (rys.1). Przedmiotową
charakterystykę wykreślono na podstawie badań stanowiskowych przy
ustalonych warunkach pracy silnika. Przedstawione wyniki eksploatacji
lokomotyw SM31 dowodzą, że konieczne jest powiązanie charakterystyk
silników spalinowych z warunkami ich pracy w eksploatacji. Dlatego też
wybór racjonalnego poziomu charakterystyki eksploatacyjnej dla
lokomotywy SM31 wymaga zastosowania matematycznego modelowania reżimów
pracy zespołu silnik - prądnica a8C22W z symulacją pracy lokomotywy w
eksploatacji i uwzględnieniem parametrów niezawodności na podstawie
wybranego kryterium.
W wyniku prac autora opracowano modele matematyczne pracy silników
spalinowych a8C22 na lokomotywach SM42 i a8C22W na lokomotywach SM31
[2,3].
[ciach]
Pozwoliło to znacznie skrócić czas obliczeń i opracować model nadający
się do wielokrotnych obliczeń optymalizacyjnych przy zmianach
parametrów pracy silnika spalinowego w warunkach eksploatacji.
Porównanie wskaźników pracy i charakterystyk silników a8C22W w
warunkach ustalonych i stanach przejściowych, otrzymanych z obliczeń,
z wynikami badań eksperymentalnych lokomotywy na oporniku wodnym,
wykazało dostateczną zbieżność wyników (rys. 2 i 3), co pozwala
wykorzystać opracowany model do obliczeń optymalizacyjnych.
Celem przeprowadzenia oceny porównawczej efektywności pracy lokomotywy
SM31 przy istniejącej charakterystyce eksploatacyjnej silnika oraz
przy jej zmianie, model matematyczny procesów roboczych silnika a8C22W
został dopełniony modelem symulacyjnym, pozwalającym odwzorować
warunki pracy manewrowej i przewozowej lokomotywy SM31 w eksploatacji.
Warunki pracy lokomotywy zadawane są w postaci histogramy
przedstawiającej rozkład wykorzystywanej mocy lokomotywy (moc
na obwodzie kół napędnych) w zależności od czasu pracy lokomotywy pod
obciążeniem. Liczbę pojedynczych cykli pracy lokomotywy oraz liczbę
przełączeń nastawnika jazdy w czasie wykonania przez lokomotywę
zadanej pracy przyjęto z danych eksperymentalnych.
[ciach]
Wielkość CRN jest liniowo zależna od trwałości elementów układu tłok-
cylinder silnika, która to z kolei uwarunkowana jest ilością
nagromadzonych uszkodzeń. Ilościowa ocena zmiany trwałości elementów
układu tłok-cylinder silnika a8C22W (głowic cylindrowych) odbywa się w
przybliżeniu z wykorzystaniem krzywej zmęczenia żeliwa szarego i
liniowej hipotezy sumowania uszkodzeń zmęczeniowych w zależności od
maksymalnych obliczonych wartości temperatur spalin przed turbiną [2].
Opierając się na przedstawionych założeniach, opracowano metodykę
wyboru charakterystyk eksploatacyjnych i przeprowadzono obliczenia dla
lokomotywy SM31 z silnikiem spalinowym a8C22W. Obliczenia
przeprowadzono zarówno dla warunków ciężkiej pracy manewrowej
lokomotywy SM31 (znaczny udział procesów przejściowych), jak i dla
pracy pociągowej (większy udział stanów ustalonych). Podstawowe
wnioski z obliczeń są następujące.
* Przy istniejącym na lokomotywie SM31 układzie sterowania
charakterystykę eksploatacyjną należy obniżyć w porównaniu z
istniejącą o 20-23% w zakresie prędkości kątowej wału korbowego 75-80
rad/s (poz. 3 rys. 4).
* Obniżenie charakterystyki doprowadzi do zmniejszenia wartości
temperatur spalin przed turbiną o 100-120 K podczas pracy silnika w
stanach przejściowych, co przyczyni się do znacznego zmniejszenia
obciążeń cieplnych elementów układu tłok-cylinder. Przybliżona ocena
trwałości głowic cylindrowych wykazała, że wymienione zmniejszenie
obciążeń cieplnych prowadzi do 2,5-krotnego zwiększenia trwałości
obliczeniowej głowic cylindrowych. Należy przyjąć, że w nie mniejszym
stopniu zwiększy się trwałość tłoków aluminiowych, zaworów wlotowych i
wylotowych oraz podzespołów turbosprężarki.
* Zużycie paliwa w eksploatacji oraz czas osiągania zadanego poziomu
mocy dla zaproponowanej charakterystyki eksploatacyjnej, z
uwzględnieniem pracy silnika w stanach ustalonych i przejściowych, nie
uległy pogorszeniu i pozostają praktycznie na poziomie jak dla
dotychczasowej charakterystyki silnika a8C22W.
Wdrożenie zaproponowanej charakterystyki na lokomotywie SM31 przy
aktualnie istniejącym układzie sterowania wymaga zastosowania
regulatora elektronicznego na silniku spalinowym. W wyniku prac
autora, firmy LOKEL i Newag S.A. opracowały i wdrożyły elektroniczny
regulator obrotów i mocy (fot. 1) na silniku spalinowym a8C22
lokomotywy SM42. Organ wykonawczy regulatora - siłownik elektryczny
firmy Woodward, zabudowano w miejscu dotychczasowego regulatora PGEV
bez zmian konstrukcyjnych układu dźwigni pomp wtryskowych na silniku
spalinowym. Sterownik regulatora wraz z osprzętem zlokalizowano w
szafie elektrycznej lokomotywy. Czujniki ciśnienia oleju silnika i
obrotów wału korbowego dostarczają niezbędne sygnały do sterownika
regulatora. Badania stanowiskowe oraz ponad trzyletni okres
eksploatacji lokomotywy SM42 z przedmiotowym regulatorem wykazały
poprawne i niezawodne jego działanie. Układ regulacji obrotów i mocy
na lokomotywie działa stabilnie zarówno w stanach ustalonych, jak i w
procesach przejściowych. Montaż regulatora elektronicznego na
lokomotywie może odbywać się w trakcie planowych napraw rewizyjnych
lokomotywy.
[ciach]
Literatura
[1] Dudziński W., Marciniak J., Wolfram T.: Wyniki badań niezawodności
silnika spalinowego a8C22W. Metoda badania i wytyczne poprawy
trwałości silników spalinowych a8C22W lokomotywy SM31. COBiRTK,
Warszawa 1987.
[2] Babeł M.: Zwiększenie efektywności pracy silników wysokoprężnych
a8C22W lokomotyw spalinowych na drodze dopasowania charakterystyk
obciążeniowych do warunków eksploatacji. Rozprawa doktorska, MIIT,
Moskwa 1989.
[3] Kossov E., Babeł M.: Zagadnienia modelowania eksploatacyjnych
warunków pracy trakcyjnych silników spalinowych. Silniki Spalinowe
2/1988, HCP Poznań, s. 27-31.
dr inż. Marek Babeł
Instytut Pojazdów Szynowych PK