Loading

Metoda wyboru energooszczędnego sposobu prowadzenia pociągów trakcji spalinowej

mgr Inź. Włodzimierz Andrzejczyk
Politechnika Warszawska
mgr inż. Wojciech Bogdański
Zakład Pojazdów Szynowych COBiRTK

"Trakcja i Wagony" Nr.4/1982

UKD:656.222.052:629.424:620.92

Deficyt paliw płynnych oraz duże koszty 'tego rodzaju paliwa powodują, że problematyka energooszczędnego prowadzenia pociągów ciągnionych pojazdami spalinowymi zajmuje wiele miejsca w fachowej literaturze technicznej i szkoleniu maszynistów wszystkich zarządów kolejowych. W ostatnim okresie w fachowej literaturze technicznej pojawiło się wiele publikacji dotyczących energooszczędnych sposobów prowadzenia pociągów, pozwalających na przeprowadzenie określonego pociągu na określonej trasie w czasie wyznaczonym rozkładem jazdy i przy minimalnym zużyciu oleju napędowego. Prace te ujmują problem dość wszechstronnie od prezentacji wieloletnich praktycznych doświadczeń maszynistów do metod opartych na teorii optymalizacji procesów sterowania.
Przykładowo można podać prace [3] i [2]. W pierwszej autor Określił dla wybranej lokomotywy krzywą jej sprawności energetycznej w funkcji pozycji nastawnika jazdy i na podstawie przebiegu tej krzywej ustalił ekonomiczne pozycje nastawnika jazdy. W drugiej pracy, wykorzystując zasadę maksimum Pon-trjagima, jako kryterium optymalizacji przyjęto zużycie paliwa przez lokomotywę.
Spośród wyników obliczeń wielu przejazdów wykonanych na modelu symulacyjnym dla określonego pociągu wybrano stosunkowo prostą, heurystyczną metodę energooszczędnego sposobu prowadzenia pociągu, którą przedstawiono w artykule. Jako dane wyjściowe do metody wykorzystano:
- charakterystyki godzinowego zużycia pahwa przez lokomotywę w funkcji natężenia prądu prądnicy głównej Bh (Ipr);
- charakterystyki siły pociągowej lokomotywy w funkcji natężenia prądu prądnicy głównej F (Ipr);
- charakterystyki trakcyjne lokomotywy F (v). Metoda ta jest przedstawiona na praktycznym przykładzie przejazdu pociągu złożonego z lokomotywy SP45 i 6 wagonów osobowych (z czego 5 wagonów typu 111A i 1 wagon typu 112A, z zajętymi wszystkimi miejscami do siedzenia). Jazda odbywa się po torze nr 1 trasy Nasielsk - Działdowo długości 88 km. Czas przejazdu przez trasę oraz miejsca zatrzymania są takie jak dla pociągu nr 15011 wg aktualnego rozkładu jazdy PKP.

Wybór ekonomicznego zakresu prędkości jazdy pociągu na poszczególnych pozycjach nastawnika lokomotywy

Charakterystyki wyjściowe Bh (IpT), F (fpr) i F (v) lokomotywy SP45 (wg [1]) są przedstawione na rysunkach od 1 do 3. Krzywą zasadniczych oporów ruchu pociągu, naniesioną na wykres F (v), obliczono wg obowiązujących wzorów,COBiRTK, które dla przyjętego tu pociągu - po odpowiednich uproszczeniach - przybierają postać:

Opory ruchu wynikające z profilów pionowego i poziomego trasy określono wg wzoru:

gdzie:
G - masa pociągu w kg
P - uproszczony profil trasy w °/oo

Całkowite opory ruchu pociągu:

Rys. 1. Charakterystyka godzinowego zużycia paliwa w funkcji natężenia prądu prądnicy głównej lokomotywy SP45

Rys. 2. Charakterystyka siły pociągowej w funkcji natężenia prądu prądnicy głównej lokomotywy SP45

W omawianym przykładzie krzywe oporów ruchu pociągu, naniesione na charakterystyki trakcyjne lokomotywy, uwzględniają pełny zakres profilów uproszczonych, występujących na przyjętej trasie: -2%o do + 10%o, co 2%o.
Na podstawie charakterystyk wyjściowych z rysunków od 1 do 3 zbudowano następnie charakterystyki godzinowego zużycia paliwa przez lokomotywę w funkcji prędkości jazdy pociągu Bh (v), co przedstawiono na rysunku 4. Na tych charakterystykach oznaczono wszystkie punkty przecięcia krzywych z rysunku 3.

Rys. 3. Charakterystyka trakcyjna lokomotywy SP45

Charakterystyki Bh (u) były następnie podstawą do zbudowania wykresów prędkości pociągu w funkcji pozycji nastawnika jazdy lokomotywy. Przebiegi te ukazują górne i dolne ograniczenia dopuszczalnej prędkości jazdy pociągu na określonym odcinku trasy o jednolitym profilu. Ograniczenie dolne prędkości dla danej pozycji nastawnika jazdy powinno być tu nieprzekraczalne, gdyż zużycie paliwa w obszarze poniżej tego ograniczenia osiąga maksimum. Natomiast ograniczenie górne może być przekraczane. W zakresie od górnego do dolnego ograniczenia występuje więc ekonomiczny z punktu widzenia zużycia paliwa przedział prędkości dla określonej pozycji nastawnika jazdy lokomotywy. Ten sposób postępowania iest uzasadniony kształtem charakterystyk i umożliwia ominięcie prędkości, przy których zużycie paliwa osiąga wartości ekstremalne.

Zasady wykonywania obliczeń jazdy pociągu

Obliczenia jazdy pociągu trakcji spalinowej wykonano na modelu symulacyjnym, opracowanym w języku Basic na emc Tektronix 4051. W modelu symulacyjnym przyjęto, że rozpatruje się jedynie ustalone stany pracy lokomotywy podczas rozruchu, z pominięciem procesów przejściowych w silniku spalinowym i u-kładzie regulacji przekładni lokomotywy podczas zmiany pozycji .inastawnika jazdy i prędkości pociągu. Długość pociągu została w obliczeniach zredukowana do punktu materialnego. Model symulacyjny umożliwia dowolny wybór pozycji nastawnika jazdy na każdym kroku obliczeń, a więc bieżącą korektę uzyskanych wyników, zależnie od dotychczasowych parametrów przejazdu.
Obliczenia prowadzone wg następujących, zaleceń dotyczą sposobu prowadzenia pociągu:
- szybki rozruch, przy możliwie największym wykorzystaniu ekonomicznych przedziałów prędkości na poszczególnych pozycjach nastawnika,
- jazda z prędkością ustaloną w ekonomicznych przedziałach prędkości, zwłaszcza przy wykorzystaniu 9 pozycji nastawnika,
- jeśli określona prędkość jazdy obejmuje 2 lub więcej pozycji nastawnika, należy wybrać pozycję niższą,
- podczas jazdy należy maksymalnie, wykorzystywać profil trasy, np. przy spadkach ponad 5%o należy stosować wybieg do prędkości maksymalnej,
- ustalona prędkość jazdy powinna nieznacznie przekraczać prędkość techniczną i zapewniać realizację zadania trakcyjnego,
- przed punktem hamowania należy stosować możliwie długi wybieg.

Rys. 4. Charakterystyka godzinowego zużycia paliwa w funkcji prędkości lokomotywy SP45

Rys. 5. Przejazd energooszczędny

 

Tablica 1

Odcinek Ograniczenie stacjami Długość [km] Wymagany czas jazdy [min] Wymagana vt [km/h]
A Nasielsk - Ciechanów 38 34 67,0
B Ciechanów - Mława 32 30 64,0
C Mława - Działdowo 18 17 63,5

Zgodnie z rozkładem jazdy pociągu nr 15011 trasa Nasielsk - Działdowo została podzielona na odcinki (tabl. 1). Dla każdego z odcinków wykonano wiele wariantowych obliczeń przejazdu teoretycznego, zgodnie z wymienionymi w tablicy 1 zasadami. Kolejne warianty różniły się od siebie: wartością stałej prędkości jazdy lub zakresem "piły" podczas jazdy z prędkością ustaloną; prędkością końca rozruchu; pozycją nastawnika jazdy, na której rozruch był kończony; długością wybiegu oraz prędkością początku hamowania.
W celach porównawczych wykonano również obliczenia jazdy symulującej normalny (nieekonomiczny) przejazd pociągu - odwzorowujący'sposób jazdy ?- zaobserwowany praktycznie podczas jazd kontrolnych na tej trasie.

Wyniki obliczeń

Wyniki obliczeń na modelu symulacyjnym przejazdu normalnego oraz przejazdu wybranego z wariantów jazdy ekonomicznej i uznanego za optymalny przedstawia tablica 2. Przejazd optymalny jest również przedstawiony na rysunku 5.

Tablica 2

Odcinek Zakres 5 jazdy ustalonej Wyniki końcowe przejazdu Wartości końca rozruchu Pozycja nastawnika jazdy
podczas jazdy ustalonej
vp.h
b Bhśr Fśr t tr Vr pozycja nastawnika jazdy -  
- - kg km/h t min min km/h - - km/h
jazda normalna:
A 54-87 69,56 121,1 2,28 34,40 6,49 62,55 10 4 do 11 61,2
B 57-66 68,94 136,1 2,61 30,39 7,28 62,83 10 5 do 7
9 do 13
60,5
C 58-88 44,40 140,0 3,20 17,80 8,10 61,55 10 6
8 do 13
60,8
  razem: 182,84 397,2 8,09 82,59          
jazda optymalna:
A 67-62 64,73 114,6 2,13 33,87 3,08 64,27 10 9, 10, 12 30,56
B 65-60 56,43 112,6 2,25 30,07 3,03 63,97 10 8 do 10, 12 50,54
C 63-60 33,00 111,1 2,42 17,21 3,96 51,28 10 9, 10 40,17
  razem: 154,16 338,3 6,80 81,15  

b- łączne zużycie paliwa
Bhśr - godzinowe zużycie paliwa
Fśr - średnia wartość siły pociągowej na odcinku
t - czas przejazdu odcinka
tr - czas rozruchu
vr - prędkość końca rozruchu
vp,h - prędkość początku hamowania

Wnioski

Wyniki obliczeń jazdy pociągu trakcji spalinowej na modelu symulacyjnym potwierdziły przewidywane możliwości znacznego zmniejszenia zużycia paliwa przez wprowadzenie racjonalnych energetycznie sposobów prowadzenia pociągu. Oszczędność paliwa na 88 km trasie w przypadku lekkiego pociągu pasażerskiego wyniosła 28 7 kg (15,4%).
Na podstawie wyników wariantowych obliczeń jazdy pociągu na modelu symulacyjnym można stwierdzić, że wpływ sposobu prowadzenia pociągu trakcji spalinowej na zużycie paliwa jest następujący:
- szybki rozruch pociągu, prowadzony w końcowej fazie ma ostatniej pozycji nastawnika jazdy, nie powoduje w rezultacie widocznego zmniejszenia zużycia paliwa;
- jazda pociągu z prędkością stałą - nieco większą od wymaganej prędkości technicznej, niezależnie od profilu trasy - powoduje nadmierne zużycie paliwa;
- mniej energochłonna jest jazda z niewielką . x (rzędu 5 do 6 km/h) "piłą", w zakresie pozycji VIII, IX i X nastawnika, zależnie od zmian profilu trasy;
- jedynie podczas jazdy na wzniesieniach rzędu + 8%o lub więcej należy stosować jazdę na ostatniej (tu XIII) pozycji nastawnika.
Wykres ekonomiczny zakresów prędkości na poszczególnych pozycjach nastawnika jazdy po jego odpowiednim uproszczeniu umożliwia maszyniście wybór optymalnej energetycznie pozycji nastawnika jazdy, odpowiedniej dla profilu występującego w danym punkcie trasy i prędkości jazdy pociągu wymaganej w tym punkcie.
Metody badań symulacyjnych, zastosowane do wyboru energooszczędnego sposobu prowadzenia pociągu, wykazują wiele istotnych zalet, np. pozwalają uniknąć żmudnych i kosztownych badań doświadczalnych w warunkach rzeczywistych, umożliwiają symulację jazdy dowolnego pociągu, wymaganą w tym punkcie itp.

Bibliografia:

[1] Gronowicz J., Kwaśnikowski J.: Symulacja procesu ruchu pociągu dla przejazdu minimalno-czaso-wego. Materiały II Krajowej Konferencji Pojazdy Szynowe. Kraków 1977
[2] Kostromin A. M.: Opredelenie optimalnych reżimów vpravlenija teplovozom po ego ekonomióakim charakteristikam. Trudy IIŻT vyp. 627 Moskwa 1979
[3] Popoviciu G.: Rationalisation de la couduite des trains. Raił International 1978 nr 6 [4] Charakterystyki trakcyjne liniowych lokomotyw spalinowych PKP. Warszawa praca COBiRTK nr 3197/17 1974
[5] Opracowanie metod zmniejszenia zużycia paliwa w trakcji spalinowej. Poznań praca Zakładu Pojazdów Szynowych Politechniki Poznańskiej 1975
[6] Rocznik statystyczny PKP 1979 r. Warszawa COIK 1080