Наукові основи енергозберігаючої технології експлуатації засобів міського транспорту

При механічному зменшенні кількості одиниць в русі відбувається збільшення їх маси з-за підвищення наповнення. Це викликає збільшення питомого енергоспоживання, яке може випереджати ефект економії енергії від зменшення кількості одиниць в русі. Граничною умовою, що визначає можливість зменшення витрат енергії за рахунок скорочення кількості рухомих одиниць на маршрутах від n до с при збереженні інших умов експлуатації є додержання нерівності:

Більш ефективним засобом енергозаощадження є заміна (з часткою н ) одного типу на інший підвищеної місткості, оцінюваною коефіцієнтом k_М. При цьому зменшення енергоспоживання до з-за зменшення загальної кількості рухомих одиниць відносно попереднього випереджає ефект збільшення витрат енергії з-за підвищеної потужності (k_e> 1) рухомих одиниць більшої місткості:

Так, заміна половини (н=0,5) тролейбусів ЗіУ-9 на трьохосні тролейбуси Т-1 з підвищеною на 42,7% місткістю та збільшеним на 24,4% питомим енергоспоживанням дає: тобто економія енергії складатиме 17,2%.

Важливим напрямком енергозбереження є удосконалення умов реалізації руху, яке перш за все передбачає їх формалізацію. Якщо впродовж j - ої секції, яка живить d перегонів, розташовано р факторів, що обумовлюють необхідність переходу на тяговий режим, то умови експлуатації для кожної одиниці на цій секції утворюють множину а надавши ваговий коефіцієнт кожному з факторів та підсумовуючи коефіцієнти по перегону, матимемо об'єктивну числову характеристику умов експлуатації по конкретних перегонах. Числові показники умов руху в тій частині, що стосуються розбігів, визначаються за допомогою спрощених діаграм, на яких відображається взаємне розташування спеціальних частин, поворотів та світлофорів (з імовірностями зеленого вогню) на перегонах, а також їх віддалення від зупинок.

Ефективним заходом енергозбереження є ліквідація - повна, або на певні періоди доби - зупинок з малим пасажирообігом. При цьому довжини нових перегонів не повинні перевищувати оптимальні, визначені з урахуванням середньої довжини поїздки L_c та тривалості чекання на зупинках t_з:

Внаслідок різноспрямованості цього заходу на енергоспоживання - економії енергії на розбіги з одного боку, та збільшення роботи з подолання опору рухові з другого - зменшення кількості зупинок n_м у середньому на 10% дає приблизно 5,6% економії енергії, і при проведенні прогнозних розрахунків можливої економії електроенергії на маршруті за рахунок зменшення кількості зупинок, рекомендовано користуватися формулою:

Іншим засобом зменшення витрат енергії є раціоналізація розташування факторів, що обумовлюють необхідність вмикання тягових двигунів вздовж перегону. Так, перенесення повітряних стрілок, які раніше були за 70 м до світлофора, за 10 м від стоп - лінії дає економію енергії на 17%. Якщо пік інтенсивності транспортного потоку з другорядної дороги припадає на період зниження перевезень міським електротранспортом, встановлений на перехресті світлофор в годину пік необхідно перевести на блимаючий режим. Ефективність подібних пропозицій оцінюється співставленням діаграм руху при існуючій ситуації та при запропонованих змінах з подальшими обчисленнями механічного еквіваленту витрат енергії за існуючого та запропонованого розташування факторів, що змушують робити додаткові пуски.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової проблеми створення наукових основ енергозберігаючої технології експлуатації трамвайних вагонів та тролейбусів, що виявляється у встановленні раніше не дослідженого зв'язку витрат енергії на рух з комплексом умов реалізації транспортної роботи як основи аналізу складових енерговитратності перевезень та розробки заходів з енергозбереження.

Використання результатів вирішених у дисертації задач дозволяє, залежно від конкретних на даному транспортному підприємстві умов реалізації руху, стану основних фондів та перспектив їх оновлення, визначати приорітетність напрямків енергозаощаджуючої експлуатації:

заміною рухомого складу з реостатним регулюванням на рухомі одиниці з електронними перетворювачами;

удосконаленням організації експлуатації та умов руху;

навчанням водіїв енергозберігаючим прийомам керування рухомими одиницями та організацією контролю за їх дотриманням.

Теоретичні і методичні розробки дисертаційної роботи можуть бути використані при створенні методичного забезпечення учбових планів ІППК та ФПК. На підставі проведених досліджень можна зробити такі висновки:

Існуючий показник витрат енергії на тоннокілометр не стимулює до створення енергоефективних транспортних засобів, зокрема зі зменшеною вагою тари, та не спрямовує на енергозаощадження при експлуатації. Нормування витрат енергії повинно базуватися на затверджених для різних видів і типів нормативах енергоспоживання порожніх рухомих одиниць на умовному перегоні з наступним перерахунком до умов експлуатації на конкретних підприємствах. Для об'єктивного аналізу енергоефективності пасажироперевезень рекомендовано впровадження показників:

питомих витрат енергії на одиницю транспортних послуг - для оцінки енергоефективності пасажироперевезень;

показника питомих витрат енергії на одиницю транспортної роботи - для планування обсягів електроенергії;

показника комерційної енергоефективності перевезень - для порівняння рентабельності окремих маршрутів.

Експлуатація засобів міського електротранспорту являє собою процес функціонування системи, в якій властивості конструкції рухомих одиниць, умови реалізації руху та способи керування одиницями складають функцію перетворення попиту на транспортні послуги до пасажироперевезень і витрат енергії. Норми витрат енергії запропоновано визначати перерахунком до конкретних умов експлуатації затвердженого нормативу енергоспоживання порожньої рухомої одиниці на умовному перегоні.

Питома вага динамічних процесів у тягових передачах та екіпажних частинах рухомих одиниць у витратах енергії на рух залежить від виду динамічного навантаження. Крутильні коливання у системах тягового приводу та коливання кузовів практично не впливають на показники енергоспоживання - втрати потужності при резонансах не перевищують 1,5 - 2%. Релаксаційні автоколивання колісних центрів трамвайних вагонів при перевершенні критичних швидкостей обумовлює збільшення питомого опору рухові на 15% з відповідним зростанням витрат енергії на рух, при резонансах бокових коливань від звивистого руху візків додаткова робота з подолання опору рухові складає до 8%. Найбільші втрати енергії (до 150% від роботи на пересування рухомої одиниці) мають місце при буксуванні, у зв'язку з чим систему захисту від надмірного ковзання слід розглядати як засіб енергозаощадження.

Для приведення рухомих одиниць різних видів і типів до базової за енергоспоживанням по інваріантним щодо умов експлуатації наборам показників конструкції рухомого складу слід використовувати методи теорії розмірностей. Приведення одиниць дає змогу розглядати інвентар даного підприємства як однорідний.

Випадкові величини квадратів швидкості закінчення розбігу, довжин ділянок розбігу та наповнення, що визначають механічну роботу розбігу, утворюють тримірні нормальні розподілення на кожному перегоні. Отримано параметри розподілень та регресій, які повинно використовувати при розрахунках витрат енергії. Середню дальність поїздки запропоновано визначати з застосуванням матеріалів традиційних для міського електротранспорту обстежень шляхом ділення на наповнення суми добутків довжин перегонів на кількості пасажирів, що входять до рухомих одиниць на зупинках протягом рейса. Експериментально встановлена похибка цього методу не перевищує 5%, що дозволяє оцінювати комерційну енергоефективність експлуатації та прогнозувати економічну ефективність заходів з енергозбереження.

На підставі апроксимації трансцендентних функцій алгебраїчними співвідношеннями визначені прийнятні для практики формули математичного моделювання руху на довільному перегоні з випадковим або детермінованим чергуванням режимів руху для обчислення механічного еквіваленту витрат енергії забезпечує співпадання з результатами точних розв'язань з похибкою не вище 3%. Моделювання руху дозволяє перейти до прогнозування витрат енергії при будь-яких змінах умов експлуатації завдяки можливості одноопераційного обчислення кінцевих значень параметрів руху по заданим вихідним. Побудова спрощених трапецеїдальних діаграм руху на довільному перегоні дозволяє виконувати експресні розрахунки механічної роботи при проходженні заданого перегону з точністю до 7%.

Мінімум механічної роботи при проходженні перегону досягається при мінімумі відхилення від середнього граничних значень швидкостей повторних пусків та вибігів. Рекомендовано керуватися цим положенням при навчанні водіїв енергозберігаючому керуванню рухомою одиницею на конкретних перегонах. При заданих швидкостях закінчення розбігу та початку службового гальмування і однаковому часі проходження середньої частини перегону використання проміжних позицій ослаблення поля призводить до зменшення витрат енергії, незважаючи на збільшення шляху повторного пуску порівняно з повторним пуском при кінцевому ослабленні. Надолуження запізнень доцільно провадити за рахунок збільшення швидкості закінчення розбігу при реалізації найменшої за даних умов швидкості початку гальмування - зниження швидкості початку гальмування на 12% за умови реалізації заданого часу проходження перегону дає економію енергії у 15%.

Перехід від словесного визначення чинників, що обумовлюють послідовність та тривалість режимів при проходженні перегону, до числових критеріїв, за якими умови руху на будь-якому перегоні визначаються певним числом, повинно здійснювати за даними спрощених трапецеїдальних діаграм руху.

Впровадженню енергозберігаючої технології експлуатації міського електротранспорту повинен передувати аналіз складових енергоспоживання в цілому по місту, по районах живлення та по маршрутах. Питоме, на одиницю транспортної роботи, енергоспоживання визначається з матричного рівняння, розв'язання якого являє собою суму постійного члена, що характеризує властивості рухомої одиниці і сталий комплекс умов експлуатації, та додатків, які обумовлені періодичними (пора року, попит на перевезення) та випадковими відхиленнями умов експлуатації від незмінного протягом року комплексу цих умов як по підприємству в цілому, так і по окремих районах живлення. Встановлення цього зв'язку є необхідною передумовою розділення спожитої на рух енергії по маршрутах для складання енергетичних паспортів і оцінки енергетичної рентабельності.

За рахунок удосконалення наряду на випуск, застосування перевідряджень рухомих одиниць, раціонального співвідношення кількостей рухомих одиниць звичайної та підвищеної місткості у складі випуску при припустимому скороченні випуску і дотриманні граничного інтервалу руху на маршруті витрати енергії можуть бути зменшені у середньому на 10%. Виконання заданого обсягу пасажироперевезень зменшеною кількістю рухомого складу при удосконаленні умов експлуатації вздовж маршруту - повної або на певні години доби ліквідації зупинок з малим пасажирооборотом, раціонального розташування спеціальних частин відносно зупинок та світлофорів, раціонального режиму чергування та тривалостей фаз світлофорів - дає можливість заощаджувати від 5 до 15% електроенергії. Впровадження енергозберігаючої технології експлуатації, крім зменшення експлуатаційного енергоспоживання, дає можливість створити базу помаршрутного нормування, що є неодмінною передумовою широкого застосування засобів індивідуального обліку витрат енергії кожною рухомою одиницею.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Л.М. Шутенко, В.Т. Семенов, Г.В. Ковалевський, В.І. Титяєв, Е.І. Карпушин, О.О. Великих, В.М. Тимошенко, В.О. Ткачов. Концепція комплексного соціально-економічного розвитку м. Харкова до 2010 р. //Коммунальное хозяйство городов. Выпуск 24. - К.: Техніка. - 2000.- С. 3 - 43.

Карпушин Е.І. Реформування системи життєзабезпечення міста. // Збірник наукових праць Української Академії державного управління при Президентові України. Випуск 1/2001 "Державне управління та самоврядування". Частина 4. Харків: УАДУ ХФ. - 2001. - С. 43-46

Карпушин Е.І. Обгрунтування показника та нормативу експлуатаційних витрат енергії на міському електротранспорті. //Коммунальное хозяйство городов. Выпуск 27. - К.: Техніка. - 2001. - С. 241 - 247.

Карпушин Е.І. Статистична модель енергоспоживання рухомими одиницями міського електротранспорту //Вестник харьковского государственного политехнического университета. - Харків: ХГПУ. - 2000. - № 82. - С.83-85.

Карпушин Э. И. Ресурсосберегающая организация эксплуатации подвижного состава городского электрического транспорта //Проблемы и перспективы ресурсосбережения в жилищно-коммунальном хозяйстве. - Харьков: ХИИГХ. - 1995.- С. 11 - 12.

Карпушин Э. И. Расход энергии на движение как макрофункция факторов условий эксплуатации. //Городской электротранспорт, электроснабжение и освещение городов. - Харьков: ХИИГХ. - 1996. - С. 5 - 6.

Карпушин Э.И., Гусев М.В. Математическая модель энергопотребления городским электротранспортом //Коммунальное хозяйство городов - К.: Техніка. - 1997. - С. 122 - 124.

Карпушин Э.И. Автоколебания подрезиненных колес трамвайных вагонов как фактор увеличения энергопотребления //Коммунальное хозяйство городов. - К.: Техніка. - 1997. - С.112 - 113.

Карпушин Э.И. Оптимальный режим движения на простом перегоне // Коммунальное хозяйство городов. - К.: Техніка. - 1998. - С.43 - 48.

Карпушин Э. И. Применение метода динамического программирования при моделировании движения подвижной единицы на перегоне // Повышение эффективности и надежности систем городского хозяйства.- К.: ІСДО. - 1994. - С.33

Карпушин Е.І. Аналітичне моделювання руху на міському електротранспорті //Коммунальное хозяйство городов. Выпуск 23. К.: Техніка - 2000. - С. 198 - 204.

Карпушин Э. И. Использование управления в функции скорости городского электротранспорта //Коммунальное хозяйство городов - К.: Техніка. - 1994. - C.120 - 122.

Карпушин Е.І. Першочергові заходи з економії енергії на міському електротранспорті. //Інформаційні технології на транспорті: стан справ та основні напрямки розвитку (збірник статей). К.: УТУ. - 1998. - С. 70 - 73.

Карпушин Е.І. Енергозаощаджуюче керування при русі на простому перегоні // Інформаційно - керуючі системи на залізничному транспорті №6(27). - Харків: ХарДАЗТ -2000. - С. 75 - 76.

Карпушин Е.І. Можливості енергозаощадження вибором жорсткості тягової характеристики ослабленого поля при русі в середній частині перегону // Інформаційно - керуючі системи на залізничному транспорті №1 (28). Харків: ХарДАЗТ - 2001. С. 83 - 85.

Карпушин Е.І. Енергозаощадження на міському електротранспорті за рахунок удосконалення організації експлуатації. //Коммунальное хозяйство городов. Выпуск 28. - К.: Техніка. -2000. - С.216 - 223.

Карпушин Е.І. Моделювання службового гальмування рухомої одиниці маршрутного транспорту при випадкових початкових умовах //Системи обробки інформації . Випуск 1 (11). Х.: - ХФВ "Транспорт України", 2001. - С. 141 - 144.

Карпушин Е.І. Визначення експлуатаційних витрат енергії рухомим складом трамвая і тролейбуса з застосуванням нечітких множин при моделюванні руху.// Інформаційно - керуючі системи на залізничному транспорті № 2 (23). Харків: ХарДАЗТ. - 2000. - С. 48 - 50.

Далека В.Д., Карпушин Е.І. Перевідрядження рухомих одиниць як засіб енергозаощадження при експлуатації транспортної системи. // Вестник Национального Технического Университета "Харьковский Политехнический Институт". Харків: НТУ "ХПІ".- 2000. -№ 144. - С. 27 - 29.

Будніченко В.Б, Далека В.Х., Карпушин Е.І., Хворост М.В. Планування потреби в електроенергії на експлуатацію міського електротранспорту за узагальненими статистичними даними // Комунальне господарство міст, вип. 30. - К.: Техніка. - 2001. - С. 249 - 254.

Карпушин Э.И., Билибин Г.Г., Клочко В.М., Голендер В.А., Нем В.К., Кульбашный В.А. Распределение скоростей движения трамвайных вагонов //Наука и техника в городском хозяйстве, вып.39 - К.: Будівельник. - 1978. - С.64 - 68.

Омельченко Е.М., Блинкин С.С., Билибин Г.Г., Карпушин Э.И. О методике расчета системы электроснабжения городского электрического транспорта // Наука и техника в городском хозяйстве, выпуск 13. К.: Будівельник. - 1970. - С. 48 - 55.

Карпушин Э.И., Голендер В.А., Максимов А.Н. Оценка динамических качеств крутильных систем тяговых передач трамвайных вагонов.// Научные труды Академии коммунального хозяйства, вып.137. - М.: ОНТИ АКХ. - 1976. - С.3 - 11.

Карпушин Э.И., Стернин И.П. Применение параметрических моделей для построения кепстров в задачах вибродиагностики редукторных механизмов. //Точность и надежность механических систем. Стохастическая локализация врожденности. Сборник научных трудов. - Рига: Риж. политехн. ин -т, 1983. - С. 62 - 67.

Карпушин Э.И., Ярох Н.В. Определение вертикальных жесткостей рессор центрального подвешивания трамвайных вагонов. //Наука и техника в городском хозяйстве, вып. 54. - К.: Будівельник. - 1983. - С. 77 -78.

Карпушин Э.И., Стернин И.П. Лыски на бандажах трамвайных вагонов и их диагностирование //Наука и техника в городском хозяйстве, в. 51. - К.: Будівельник. - 1982. - С. 59 - 64.

Карпушин Э.И., Безлуцкий Ю.Б. Определение контактных напряжений в контакте бандажа трамвайного вагона с рельсом при различных профилях. // Повышение качества и надежности городского хозяйства. - К.: - УМК ВО МВССО УССР. - 1990. - С.127 -131.

Карпушин Е.І., Дудко В.Ф., Бакуменко В.Г., Голендер В.А. Применение бесконтактной передачи информации при тензометрировании деталей подвижного состава. // Наука и техника в городском хозяйстве, вып. 42.- К.: Будівельник. - 1979. - С. 98 - 100

Карпушин Э.И. Ресурсосберегающая организация эксплуатации подвижного состава городского электрического транспорта // Тезисы докладов на Международной научно - практической конференции " Проблемы и перспективы ресурсосбережения в жилищно-коммунальном хозяйстве" - Харьков: ХГАХ - 1995. - С. 38.

Карпушин Э. И. Расход энергии на движение как макрофункция факторов условий эксплуатации. // Тезисы докладов на 28 научно-технической конференции Харьковской государственной академии городского хозяйства. Городской электротранспорт, электроснабжение и освещение городов. - Харьков: ХГАГХ. -1996. С.5 - 6.

Карпушин Э.И. Расход электроэнергии на городском электротранспорте //Тезисы докладов на 29 научно-технической конференции Харьковской государственной академии городского хозяйства - Харьков: ХГАГХ. - 1998. C. 8 - 9.

Карпушин Е.І. Енергозбереження при експлуатації міського електротранспорту // Тези доповідей на міжнародному семінарі " Сучасні системи управління муніципальними послугами" - Рада Європи, Асоціація міст України - Харків: Рада Європи, Асоціація міст України. - 1999. - С.33 - 35.

Анотації

Дисертація присвячена дослідженню залежностей енергоефективності перевезень на базі лінійної системи вхід - вихідних співвідношень, і аналізу складових експлуатаційного енергоспоживання на міському транспорті для обґрунтування заходів з енергозбереження з прогнозованими результатами. В дисертації розроблено новий напрямок проблеми енергозаощадження - створення наукових основ технології експлуатації засобів міського транспорту (трамвайних вагонів та тролейбусів), яка ґрунтується на представленні експлуатації функціонуванням системи, в якій властивості конструкції рухомих одиниць, способи керування ними та умови реалізації руху складають загальну передаточну функцію перетворення входу - попиту на транспортні послуги - до пасажироперевезень і цілеспрямовано мінімізованих витрат енергії на рух. Запропоновано моделювання руху на довільному перегоні, формалізацію умов експлуатації, обгрунтовано прийоми енергозаощаджуючого керування рухомою одиницею та заходи з енергозбереження за рахунок раціональних змін умов реалізації руху по перегонах та удосконалення організації експлуатації.

Ключові слова: експлуатація міського електротранспорту, рухомий склад, витрати енергії на рух, умови експлуатації, енергозбереження.

Карпушин Э.И. Научные основы энергосберегающей технологии эксплуатации средств городского транспорта. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.22.20 - эксплуатация и ремонт транспортных средств. - Харьковская государственная академия железнодорожного транспорта, Харьков, 2001.

В диссертации разработано новое направление проблемы энергосбережения - создание научных основ технологии эксплуатации городского электротранспорта, базирующейся на представлении эксплуатации функционированием системы, в которой показатели конструкции подвижных единиц, способы управления ими и условия реализации движения образуют передаточную функцию преобразования входа - спроса на транспортные услуги - в пассажироперевозки и целенаправленно минимизируемый расход энергии на движение. Связь энергопотребления с объемами транспортной работы рассмотрена в комплексе условий эксплуатации как в целом по маршрутной системе, так и по отдельным маршрутам, районам питания и при конкретных условиях реализации движения на перегонах, что дает возможность анализировать составляющие расхода энергии отдельной подвижной единицы, их совокупностей на секциях и по районам питания, на отдельных маршрутах и в целом по городу для обоснования и внедрения мероприятий по энергосбережению.

Теоретически обоснованы и разработаны метод моделирования движения на произвольном перегоне с применением трех форм аналитических решений дифференциальных уравнений движения для различных режимов, процедура формализации условий эксплуатации на базе трапецеидальных диаграмм движения, исследованы зависимости, обеспечивающие энергосберегающее управление подвижной единицей.

На базе модели вход - выходных соотношений обоснованы пути сокращения расхода энергии на движение за счет организационных мероприятий - совершенствованием наряда на выпуск, перекомандированием части подвижных единиц с маршрута на маршрут, изменением соотношения между количествами единиц нормальной и повышенной вместимости. Установлены причины перерасхода энергии при механическом сокращении выпуска.

Доказана целесообразность и эффективность энергосбережения за счет совершенствования условий движения на перегонах путем совмещения факторов, определяющих необходимость торможений с последующими разгонами, сокращения - полного или на период массовых перевозок - количества малопродуктивных остановок, изменения режимов работы светофоров. Ключевые слова: эксплуатация городского электротранспорта, подвижной состав, условия эксплуатации, расход энергии на движение, условия эксплуатации, экономия энергии.

Karpushin E. I. Scientific base of a maintenance technology for means of a urban transport, which provides energy economies. - Manuscript.

Thesis for a doctor's degree by specialty 05.22.20 - maintenance and repair by transport means. - Kharkov state academy of a railway transport, Kharkov, 2001.

The dissertation is devoted to definition of relations by transportation's power efficiency, who basically on the linear systems an input - initial ratio and analysis of addends to operational power consumption on the urban electrotransport for the substantiation of measures on energy economies with forecasting of consequences.

Is developed the new scientific direction in a problem by economies of energy - creation a system of scientific positions by the technology of maintenance with a smaller power consumption, that is grounded on performance of energy consumption's by outcome of a system operation, in which one power properties of a design a mobile units, conditions of implementation of motion and the ways of units control, will derivative a general transfer transformation's function of demand on transportation services in transportation's by passengers and in energy consumption's on motion. The methods energetically and economical control of mobile unit and measure on decreasing a power consumption are offered simulation of motion on an arbitrary site, formalizing of the operation conditions, at the expense of conditions improvement to implementation for motion on sites and refinement of maintenance organization.

Keywords: maintenance of the urban electrotransport, carriage rolling stock, power consumption on motion, operation conditions, economy of energy.

Размещено на Allbest.ru