В процессе эксплуатации тепловозы подвергают тягово-эксплуатационным испытаниям для выявления значений основных параметров и определения оптимальных режимов загрузки на разных участках дороги. При испытаниях определяют ряд механических, электрических и других величин, по которым судят о параметрах тепловоза, его сборочных единиц и агрегатов, их работоспособности, производительности. Важно при этом определить характер изменения параметров и их разброс, а также погрешность измерений. Чаще всего для этого используют динамометрический вагон, который дополнительно оснащают измерительным оборудованием в зависимости от цели испытаний.
Всевозможные отметки режимов работы локомотива, срабатывания отдельных аппаратов и реле, отметки пути, времени, места замеров и т. д. наносят на ленту отметчики. Для более тонкой расшифровки зарегистрированных величин на ленте имеются писцы, отмечающие нулевые значения силы тяги, скорости движения, давление в тормозной магистрали и т. д. Токи и напряжения в цепях локомотивов при испытаниях измеряют электроизмерительными приборами класса точности 0,5 или 0,2; для цепей постоянного тока пользуются переносными миллиамперметрами и вольтметрами магнитоэлектрической системы, которые обладают высокой чувствительностью, достаточной точностью, малым влиянием внешних полей, равномерной шкалой.
Для записи быстро изменяющихся электрических величин применяются электромеханические осциллографы с вибраторами магнитоэлектрического типа. При испытании локомотивов осциллографы используются для записи изменения напряжений и токов при переходных процессах, а также всех сигналов, поступающих от датчиков. Получаемые путем непрерывной записи данные затем обрабатываются, чаще всего вручную, что требует значительных затрат времени и средств. Вместе с тем для оценки реализации параметров возможно производить дискретные измерения по выбранному промежутку времени и уровню квантования. При этом можно получить гистограммы накопленных частот повторяемости определенных значений исследуемого параметра, которые поддаются статистической обработке для получения функции распределения в интегральной форме. По полученной функции распределения возможно установить эксплуатационный допуск на разброс значений, используя коэффициент прогноза и понятие поля рассеивания. Кроме того, в связи с расширением объема первичной информации и объективной оценки необходимости и возможности автоматизированного встроенного контроля параметров весьма желательно и, очевидно, целесообразно получить данные непосредственных измерений в статистической форме на каждом локомотиве в различных условиях эксплуатации. Эту задачу могут решать ЭВМ дискретного действия, в основу которых заложены импульсные процессы, а также устройства типа классификаторов уровня сигнала. При таком .подходе гистограмма плотности распределения любого параметра может быть смоделирована счетным устройством по полученным показаниям величин импульсов, адекватно отображающим изменения величин параметра. Для упрощения считывания показания сигналов-импульсов следует применить простую систему счисления и простую форму выхода сигнала, учитывая необходимость использования устройства в рядовых условиях эксплуатации. Отсюда для наших целей возможно пользование натуральной системой счисления, в которой бы величина параметра отображалась однородным символом, соответствующим количеству единиц данной величины. При этом одиночный импульсный сигнал (импульс) — это кратковременное воздействие на импульсное устройство. Под воздействием подразумевается воздействие тока или напряжения. Следовательно, по полученным импульсным воздействиям тока или напряжения возможно получать частоту повторения их определенных значений. Наиболее простым отметчиком числа импульсов является электромеханический счетчик импульсов, преобразующий количество поданных сигналов-импульсов в цифровые величины. В зависимости от типа счетчика объем памяти может быть четырехзначным, шестизначным и другим числом. Однако очевидно, что применение одного счетчика даст возможность накопить информацию о частоте или количестве появлений какого-либо сигнала определенной величины по амплитуде или частоте. Важно исследование всего диапазона изменения параметра, т. е. получение гистограммы распределения частоты появления сигнала определенной величины в функции времени, т. е., зная хотя бы примерно разброс, минимальные и максимальные значения параметра и определяя соответствующие величины сигналов, можно подсчитать необходимое количество счетчиков. Вполне понятно, что для их подсчета следует задаться диапазоном изменения и порядком разбивки исследуемого диапазона на интервалы. При назначении каждого счетчика на определенную величину поступающего сигнала необходимо устройство, которое бы производило фильтрацию поступающих сигналов по величине и их посылку в определенный счетчик, временное разделение поступающих сигналов для записи их в дискретной форме, т. е. релаксационный генератор, работающий в автоколебательном режиме. Полученное таким образом устройство будет представлять собой режимомер-гистограф для счета импульсов в дискретной форме, приемлемой для дальнейшей статистической обработки.
С участием авторов книги разработаны режимомеры-гистрографы, позволяющие определять статистиче- кие распределения величин основных параметров тепловозов в эксплуатации. В зависимости от подаваемого сигнала-импульса устройства позволяют определять: повторяемость выхода на установленные значения; суммарную повторяемость определенных значений; повторяемость экстремальных значений [38].
Получаемые значения фиксируются в абсолютных цифрах счетчиками импульсов (ИС). Количество счетчиков зависит от необходимого количества интервалов разбивки на классы и разброса значений в каждом интервале. Наиболее рациональна разбивка всего диапазона возможных значений на 8—10 интервалов с подразбивкой каждого интервала на 4—5 значений, что вызывает необходимость в устройстве 32—50 счетчиков. Режимомер-гистограф можно использовать и для исследования двух и более параметров одновременно. Усилители импульсов вместе с электромеханическим счетчиком представляют собой счетные каналы, в каждом из которых можно считать до 40 процессов в секунду. На входе в усилители счетных импульсов располагаются ждущие мультивибраторы, которые преобразуют входные импульсы в импульсы для работы импульсного счетчика. Чтобы создать необходимую для привода импульсного счетчика мощность, за мультивибратором включен усилитель.
Рис. 65. Участок функциональной схемы одномерного режимомера- гистографа
Функциональная схема одномерного режимомера- гистографа, использованного для исследования распределения частоты вращения вала дизеля 10Д100 тепловоза 2ТЭ10Л во время его эксплуатации, приведена на рис. 65. Частота вращения регистрируется по изменению напряжения тахогенератора или задающей обмотки амплистата, напряжение в которых пропорционально частоте вращения вала дизеля. Величины сигналов обрабатываются в логических схемах и выдаются через усилители на соответствующий импульсный счетчик. Размер регистрирующего устройства на 35—40 счетчиков 450X260X300 мм, масса 5,5 кг. Питание от аккумуляторной батареи тепловоза напряжением 8 и 16 В.
Режимомер устанавливается в кабине машиниста тепловоза или в высоковольтной камере. Перед проведением замеров в эксплуатации проверяют и регулируют срабатывание счетчиков по контрольным приборам.
Получаемые при помощи режимомеров гистографов данные распределений параметров служат основой расчета значений эксплуатационных допусков для регулирования встроенных систем контроля и ввода этих значений в память. В качестве примера рассмотрим статистическое определение допуска на реализацию мощности секциями тепловоза 2ТЭ10Л. Необходимое число экспериментов по отклонению мощности в эксплуатации от номинальной, установленной при реостатных испытаниях, получено n=102 эксперимента. На исследуемые секции устанавливался режимомер- гистограф и в течение 10—15 тыс. км пробега фиксировались случаи попадания номинальных значений мощности. Результаты измерения полученных значений мощности заносились в предварительные таблицы и подсчитывалось отклонение от установленной мощности. Весь диапазон разбивался на 10 интервалов по 20 кВт. Значения интервалов Δxq занесены в колонку 2 табл. 16. В колонку 3 записано количество wq результатов измерений.
Таблица 16
Рис. 66. Определение закона распределения отклонений мощности тепловоза 2ТЭ ЮЛ
т. е. с вероятностью более чем в 97% можно считать полученные величины достоверными для эксплуатационного допуска по развиваемой на номинале мощности дизель-генератора 10Д100.
Указанная величина допуска, как половина поля рассеивания, была принята за основу для запрещения в эксплуатации содержать двухсекционные тепловозы 2ТЭ10Л с наличием разницы в секционной мощности более 100 кВт на 15-й позиции рукоятки контроллера. Полученное значение среднеквадратического отклонения можно принять за величину допуска при коэффициенте прогнозирования kпр=1 как разброс мощности, реализуемой при различных температурных условиях (от —20 до +20°С), что достаточно хорошо согласуется с данными ВТЗ. Этот метод применим для определения эксплуатационного допуска любого параметра перед настройкой УЦКУ. Уже начато внедрение встроенных устройств контроля для диагностики дизель-генераторов и обеспечения безопасности движения поездов. Первая система централизованного контроля и управления «Дельта» проходит эксплуатационные испытания на дизель-поезде ДР1.
Машина централизованного контроля и управления (МЦКУ) обеспечивает контроль всех или части параметров работы силовой установки, используя автоматическую световую и звуковую сигнализацию при отклонений контролируемого параметра от заданного значения; сбор и первичную обработку информации, получаемой от датчика, с предоставлением адреса запроса или события; измерение контролируемого параметра по запросу машиниста с представлением результатов в виде цифровой индикации; автоматическое подключение контролируемого параметра для измерения и представления результатов в виде цифровой индикации при отклонении и с расшифровкой первой причины; автоматический и оперативный контроль исправности с указанием адреса возникших неисправностей; автоматическое управление пуском дизеля и некоторыми дизельными агрегатами; регулирование контролируемых параметров; автоматическую передачу и прием информации с этой МЦКУ на другие подобные и обратно.
Сотрудниками ЛИИЖТа создана автоматическая система программного управления тепловозом, которая повышает безопасность движения поездов за счет автоматизации выбора режима управления, обеспечивает точность выполнения графика движения, облегчает работу локомотивной бригады, снижает расход топлива. В процессе езды машинист в основном сосредоточивает внимание на безопасности движения. И только в условиях, которые заранее не могут быть предусмотрены, требуется его активность в управлении локомотивом. В системе автоматического программного управления имеется: пульт управления, рукоятка включения программы; цифровой указатель скорости; вспомогательный пульт; шкаф управления; блок переключения позиций; преобразователь; аккумуляторы; индукционные датчики; межсекционные соединения; соединительные кабели [39]. Функциональная схема системы приведена на рис. 67. Группой специалистов МПС разработан и проходит эксплуатационные испытания скоростемер со специальной регистрацией на ленте такой важной информации, как выключение АЛСН, перекрытие разобщительного крана, проезд красного сигнала, срабатывание ЭПК и т. д.
Рис. 67. Функциональная схема автоматического управления тепловозом
В дополнение к принятому способу записи в опытном образце скоростемера одна из этих информаций фиксируется проколом бумажной ленты. Лента с такой отметкой, безусловно, привлечет к себе внимание расшифровщика и руководителей депо, и случаи нарушения правил пользования АЛСН для их отказа не останутся незамеченными. Одновременно ПКБ ЦТ МПС разрабатывает устройство для автоматической расшифровки, маркировки и отбора лент с такими отметками [40]. В локомотивном хозяйстве создание новых технических средств, повышающих безопасность движения поездов по тормозам, идет по пути разработки и внедрения приборов, упрощающих управление тормозами и передающих машинисту информацию об их исправности и эффективности. К числу таких устройств следует отнести выпускаемые серийно блокировки для контроля обрыва магистрали, опытные приборы дистанционного управления тормозами, приборы контроля перекрытия кранов в поезде и состояния тормозной магистрали, приборы измерения тормозной эффективности поезда и ряд других.
Комплекс работ по разработке и внедрению бортовых (встроенных) систем автоматического контроля проводится ЦНИИ МПС и ВНИТИ.
В ХИИТе проводится работа по приспособлению измерительной системы регистрации режимов полета МСРП-12-96, применяемой для самолетов, к условиям контроля параметров тепловозов. Основные технические данные системы МСРП-12-96:
число измерительных каналов системы для аналоговых параметров — 12;
частота опроса по каждому каналу—12±3 раза в секунду;
время непрерывной работы — 30 ч, запись проводится с непрерывным стиранием, так что на ленте останется информация последних 75 мин;
запись временных отметок производится один раз в секунду по 13-му каналу;
система питается от сети постоянного тока с напряжением 27 В±10%;
система рассчитана на работу в условиях: t0±60°С; относительная влажность до 98% при t0=+35°C;
механическая вибрация с частотой от 20 до 300 Гц при перегрузках до 4 Гц.
Приспособление тепловозного дизель-генератора к существующим условиям эксплуатации с одновременным повышением уровня стационарности происходящих процессов возможно достигнуть максимальным приближением организации режимов его работы к стендовым стационарным условиям. Это также позволит упростить выбор режимов испытаний и диагностики в эксплуатации, резко поднять уровень параметрической надежности, обеспечив минимальные затраты времени на регулировку рабочей характеристики дизель-генератора.
Ведение поезда с постоянной скоростью обеспечивает наилучшую работу силовой установки. Всякое отклонение от v — const приводит к увеличению работы для преодоления сил сопротивления. Однако поддержать v=const можно лишь широким диапазоном изменения мощности тепловозного дизеля. В то же время оптимальным является поддержание постоянной мощности, равной «номинальной» для каждого режима.
Мощность сопротивления движению постоянно меняется в зависимости от профиля пути и скорости движения. Выше указано, что движение поезда с v=const является идеальным, однако в условиях эксплуатации этого практически достичь невозможно, а если даже и возможно, то нецелесообразно. Поэтому необходимо учитывать еще и изменение скорости движения поезда, при котором неизбежно появление переходных процессов при работе генератора по гиперболической характеристике.
Величина сопротивлений движению изменяется в зависимости от v и вызывает изменение мощности дизеля. Появляется вопрос о выборе такой характеристики дизеля, которая бы обеспечила изменение его мощности в широком диапазоне и могла бы исключить переходные процессы, связанные с работой генератора по гиперболической характеристике, а также переходные процессы, связанные с изменением частоты вращения.
Стационарность режимов при nд=const, как показали исследования в США, обеспечивает не только минимальный расход топлива, но и максимальную надежность дизеля и вспомогательного оборудования путем изменения рабочей характеристики и резкого улучшения контролепригодности. Радикально улучшить переходные процессы удается при исключении скоростных режимов дизеля, т. е. путем вывода двигателя на работу по нагрузочным характеристикам в широком диапазоне изменения мощности. Методика выбора нагрузочных характеристик определяется из условия минимальных удельных расходов топлива в широком поле изменения мощности [4, 22].
Исследуя нагрузочные характеристики на дизеле 10Д100, в депо Основа удалось установить, что оптимальной по удельному расходу топлива, эффективному и индикаторному к. п. д. оказалась нагрузочная характеристика при nд=785 об/мин в диапазоне мощности от 2000 до 3000 л. с., а для других значений мощности при nд=630 об/мин.
Кроме того, по ряду исследований отмечается, что при некоторой частоте вращения достигается минимум скорости изнашивания. При уменьшении частоты вращения снижается количество смазки, поступающей во втулки. Увеличение скорости скольжения сверх оптимальной приводит ко все большим удельным давлениям, все большая температура возникает в местах микроконтактов, граничная пленка разрушается, развивается процесс микросхватывания, приводящий к случаям задиров и увеличению скорости изнашивания. При обеспечении n=const может быть достигнута оптимальная скорость изнашивания при номинальной мощности. Это подтвердилось исследованиями Ю. А. Бойчука.
Рис. 68. Принципиальная схема управления возбуждением генератора для обеспечения работы по нагрузочным характеристикам
Реализация режимов работы тепловоза 2ТЭ10Л по нагрузочным характеристикам осуществлялась по схеме, изображенной на рис. 68. Для воздействия на систему возбуждения тягового генератора при управлении тепловозом в цепь вторичной обмотки трансформатора тахометрического блока включена обмотка индуктивного датчика ИД-10, изменяющая ток в задающей обмотке амплистата возбуждения. Сердечник индуктивного датчика механически с помощью зубчатого сектора и рейки связан с рукояткой контроллера машиниста и перемещается при ее вращении. Этим самым достигается задание необходимой мощности генератору при работе дизеля на какой-либо нагрузочной характеристике.
Включение тяговых электромагнитов МР2 и MP3 и отключение МР1 и MP4 для задания частоты вращения, соответствующей 785 об/мин, а также включение MP3 и MP4 и отключение МР1 и МР2 для задания частоты вращения, соответствующей 630 об/мин, производится тумблером ТВ. При замыкании контактов 1 и 2 тяговые электромагниты МР2 и MP3 подключаются к автоматическому выключателю («Управление тепловозом»), а цепи тяговых электромагнитов МР1 и MP4 разрываются контактами 3 и 4 [22].
Для проверки эффективности работы тепловозов по новой характеристике был проведен ряд поездок с поездами разного веса и различными локомотивными бригадами на участках, обслуживаемых локомотивным депо Основа. Эксплуатационный расход топлива уменьшился на 2—3% в сравнении с тепловозами, работающими по серийной характеристике. На первом ремонте с разборкой дизеля оказалось, что износ деталей цилиндро-поршневой группы уменьшился. К этому привело повышение уровня стационарности, улучшение теплового состояния дизеля и как следствие меньшая закоксованность деталей поршневой группы и выпускного тракта, простота контроля и настройки схемы возбуждения тягового генератора, лучшая приспособленность к диагностированию.
Важно отметить, что эти тепловозы обеспечили высокий уровень параметрической надежности, не имели случаев неплановых регулировок на реостатных испытаниях, обеспечили значительное сокращение эксплуатационных затрат на техническое обслуживание. В ЦТ МПС согласовано расширение опытной партии модернизированных тепловозов. Еще больший эффект был получен при модернизации маневровых тепловозов.