Результат интеллектуальной деятельности: Способ определения расхода энергоресурса на поездку автономного пригородного моторвагонного поезда

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, а именно к информационным системам определения и нормирования расхода топливно-энергетических ресурсов на поездку автономного пригородного мотор-вагонного поезда (ПМП) и может найти применение для контроля энергетической эффективности пригородного движения поездов, анализа причин перерасхода энергоресурса на мотор-вагонную тягу, выработки рекомендаций по снижению энергоемкости пригородного движения поездов, в частности, рекомендаций по приведению составности автономного мотор-вагонного поезда к объему пассажиропотока и повышению эффективности регулирования микроклимата в салонах ПМП.

Известен способ контроля энергетической эффективности локомотива грузового поезда, в котором при определении расхода энергоресурсов учитывается эквивалентный уклон участка с поправкой на потери энергии на вредных спусках - (Патент RU №2731401, МПК: B60L 9/00, опубл. 02.09.2020 г. бюл. №25) - аналог.

В известном решении для повышения точности расчета расхода энергоресурса на поездку за счет учета зависимости КПД от касательной мощности дополнительно определяют значение этой мощности по формуле:

где - сцепная масса локомотива,

- основное удельное сопротивление движению локомотива,

- масса состава,

- основное удельное сопротивление движению состава.

Способ, примененный в известном решении, предусматривает использование при расчетах заранее известного значения массы локомотива и массы состава поезда.

Недостатками данного способа по отношению к ПМП является отсутствие порядка уточнения массы поезда, и отсутствие учета расхода на поддержание микроклимата.

Известен способ взвешивания железнодорожных составов на ходу (патент SU 1059445 А1, МПК: G01G 19/04, опубл. 07.12.1983 г.) - аналог. В известном решении вес состава определяют с учетом измерения скорости состава в режиме выбега на участке с известным профилем. Недостатками указанного способа является:

- использование справочных коэффициентов, учитывающих удельное сопротивление движению, создаваемого токоприемниками, деформацию пути, для определения которых требуется проведение специальных испытаний;

- необходимость установки на поезд индуктора, а вдоль пути -шлейфа со скрещениями, что требует дополнительных капитальных затрат.

Известны способ и система для усовершенствования техники вождения поездов и снижения расхода топлива (патент РФ №2409484, МПК: B60L 15/32, опубликован 20.01.2011 г, бюл. №2) аналог.

При расчетах в патенте (RU 2409484 С2) не учитывается расход ресурса на поддержание микроклимата, входящий для ПМП в общее количество израсходованного ресурса в режимах движения, расход ресурса на поддержание микроклимата для корректности расчета массы ПМП должен вычитаться из общего количества израсходованного ресурса, т.к. на ПМП отсутствуют раздельные приборы учета расхода энергоресурса на тягу и на поддержание микроклимата что не позволяет применять данный способ для ПМП.

Известны система и способ для оптимизации работы поезда с учетом параметров вагона в отношении оценивания массы поезда предлагается использовать фильтр Калмана и рекурсивный метод наименьших квадратов для выявления ошибок, при этом первоначально для исходного значения массы вагона требуется иметь либо бортовой датчик на вагоне либо динамометр, расположенный на пути, что для ПМП из-за отсутствия проследования в эксплуатации как сортировочных станций так и подъездных путей - не применимо (патент RU 2605648, МПК: B61L 27/00, опубл. 27.12.2016 г. бюл. №36) - аналог.

Известное решение предназначено для грузовых вагонов и требует первоначальной загрузки в базу данных персоналом станции списка вагонов в поезде, при этом вагон не должен являться локомотивом, т.е. самодвижущимся или по-другому моторным, что не позволяет применять данный способ для ПМП, включающем как прицепные, так и моторные вагоны.

Известно устройство регистрации количества пассажиров, в котором предлагается учитывать количество пассажиров в пригородных электропоездах путем измерения неподрессоренной части вагонов за счет определения расстояния от датчика до отражающей пластины, расположенных под днищем вагона (патент RU 103953, МПК: G07C 9/00, опубл. 27.04.2011, бюл.312) - аналог.

Недостатками данного решения являются:

- необходимость установки на пригородный электропоезд ряда дополнительных датчиков и сигнализаторов, что требует дополнительных капитальных затрат;

- необходимость перед началом использования тарировки предлагаемого устройства путем изменения населенности и ее определения внешними устройствами, что невозможно в эксплуатации, а при отстое пригородного электропоезда требует дополнительных трудозатрат и ресурсов;

- необходимость в процессе эксплуатации регулировки изначально установленного оптимального расстояния между датчиком и пластиной, что связано с производимыми при техническом обслуживании и текущих ремонтах пригородного электропоезда работах под днищем вагонов и демонтажом и, при необходимости, заменой ряда узлов, установленных под днищем;

- при использовании устройства не определяется само значение массы пригородного электропоезда.

Таким образом, известные способы уточнения массы и определения расчетного расхода энергоресурса на поездку не позволяют решить важные для практики задачи определения энергетической эффективности пригородного движения, осуществляемого автономным мотор-вагонным подвижным составом, а значит выявить неэффективно составленные расписания и использование несоответствующих условиям эксплуатации на конкретных участках серий и составности пригородного мотор-вагонного подвижного состава.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение, является повышение точности и достоверности определения удельного норма-расхода энергоресурса для пригородного участка, обслуживаемого автономным мотор-вагонным подвижным составом и выявления факторов, влияющих на неэффективное энергопотребление при осуществлении пригородных перевозок.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения нормативного расхода энергоресурса на поездку автономного пригородного мотор-вагонного поезда измеряют фактический расход энергоресурса на разгон после каждой остановки, скорость в конце разгона, время разгона и температуру атмосферного воздуха, на основании которых, с использованием сведений о пригородном поезде, данных о фактическом расходе энергоресурса на разгон после каждой остановки за вычетом расчетной составляющей расхода на соблюдение микроклимата, определяют количество совершенной механической работы на разгон и текущее значение массы автономного пригородного мотор-вагонного поезда, значения массы определяют дискретно в процессе каждого разгона, после чего усредняют их и определяют расчетный нормативный расход энергоресурса на поездку на основе усредненного значения массы автономного пригородного мотор-вагонного поезда Qпмп, расчетный расход энергоресурса на соблюдение микроклимата определяют с использованием текущих значений температуры атмосферного воздуха и коэффициентов влияния температуры на расход, полученных статистической обработкой данных об изменении средних значений удельного расхода от температуры в поездках за предыдущий период, а расход энергоресурса на холостой ход силовых установок автономного пригородного мотор-вагонного поезда, определяют с использованием коэффициента холостого хода Кхх, зависящего от отношения вычисленного в данной поездке среднего значения касательной мощности к номинальному паспортному значению касательной мощности, и коэффициента Кв, характеризующего порог касательной мощности, ниже которого после разгона, работа под нагрузкой, как правило, не осуществляется и происходит переход силовых установок автономного мотор-вагонного поезда на холостой ход, после чего осуществляют сравнение фактического и расчетного нормативного значений расхода энергоресурса.

Способ, характеризующийся тем, что коэффициент холостого хода определяют из выражения

где - средняя техническая скорость движения на расчетном участке,

- эквивалентный уклон расчетного участка,

- номинальная касательная мощность серии автономного ПМП,

- коэффициент, характеризующий порог касательной мощности, ниже которого в среднем происходит переход силовых установок на холостой ход;

- усредненное значение массы автономного пригородного мотор-вагонного поезда;

- основное удельное сопротивление движению.

Способ, характеризующийся тем, что усредненное значение массы пригородного мотор-вагонного поезда Qпмп и расчетный расход энергоресурса на соблюдение микроклимата определяют из

следующих выражений:

где - фактический расход энергоресурса за время разгона;

- расчетный расход энергоресурса за время разгона на поддержание микроклимата;

- среднее значение КПД за время разгона;

- скорость окончания разгона;

- основное удельное сопротивление движению;

- длина участка разгона;

- коэффициент инерции вращающихся масс,

где - температура атмосферного воздуха при i-м разгоне;

- коэффициенты полученной заранее статистической зависимости расхода энергоресурса от температуры на расчетном участке для серии пригородного мотор-вагонного поезда по данным предыдущего периода.

В существующих информационно-аналитических системах, связанных с определением расхода энергоресурса на тягу пригородного мотор-вагонного поезда (ПМП), в том числе и автономного, населенность вагонов из-за отсутствия данных о количестве пассажиров не учитывается, принимаются к расчету только два крайних состояния - без пассажиров (для специальных категорий поездов, связанных с поездками от и к депо соответственно от и до места посадки и высадки пассажиров) и с номинальным заполнением (для всех остальных категорий поездов). Между тем населенность ПМП довольно широко варьируется во времени, что связано как с суточной (часы пик), так и недельной неравномерностью пассажиропотока. Также на это оказывают влияние отмены поездов и внештатные ситуации, когда в ПМП осуществляют посадку и высадку максимально возможное количество пассажиров, превышающее номинальное заполнение.

При этом влияние изменения массы ПМП за счет изменения его населенности (15-20% от собственной массы ПМП) на расход энергоресурса при тяге составляет в среднем около 0,15% расхода на 1% изменения массы. Соответственно для всего диапазона изменения населенности расход энергоресурса будет меняться на 2,25 - 3%. Это является одной из причин, по которой применение специальных устройств и приспособлений для уточнения населенности ПМП экономически не оправдано и в практике не встречается. Между тем при расчете нормативов расхода энергоресурса значимой является погрешность более 1%, соответственно при расчетах актуально введение не менее 3-х градаций по населенности ПМП.

Важной особенностью автономного ПМП является одновременный учет в фактическом расходе энергоресурса и составляющей на холостой ход силовых установок, и составляющей на поддержание микроклимата в салонах (отопление при низких температурах и кондиционирование при высоких температурах), с помощью единого прибора учета расхода. Это требует при расчете контрольного значения расхода энергоресурса также одновременного определения двух указанных составляющих.

Заявляемое решение применимо, в частности, для определения машинистов и ПМП, перерасходующих энергоресурс, выявления эффективности составления пригородного расписания, эффективности использования автономных ПМП заданной составности на заданном пригородном участке за счет индивидуального расчета расхода энергоресурса на каждый отдельно взятый пригородный поезд, проследовавший под определенным номером.

При реализации заявляемого решения используют, например, автоматизированные информационные системы для сбора и обработки информации из маршрутов машиниста, включающей набор сведений о пригородном поезде, таких как участок движения, серия и составность ПМП, фактический расход энергоресурса, зафиксированный бортовыми средствами учета, а также информации от штатных бортовых комплексов ПМП, включающей набор сведений о скорости движения и пройденном пути, температуре атмосферного воздуха.

Предлагаемый способ определения расхода энергоресурса на автономный пригородный поезд заключается в такой обработке данных по скорости, пройденному пути и фактическому расходу энергоресурса, при которой для каждого разгона ПМП после остановки для посадки и высадки пассажиров с помощью с использованием количества совершенной механической работы на разгон определяют значение массы ПМП, причем одним из обязательных, для достижения заявленного технического результата, составляющих при определении совершенной механической работы является разность фактического расхода энергоресурса и расчетных значений расхода на соблюдение микроклимата, а другим - усредненное значение КПД в режиме разгона, определяемое с использованием зависимости КПД от скорости, предварительно определенной (вычисленной) для данной серии ПМП на основе паспортных тяговой и расходной характеристик, причем расчет массы осуществляют для нескольких моментов времени в процессе разгона, а полученные значения массы усредняются, и усредненное значение массы используют для расчета нормативного расхода энергоресурса.

При этом вместо номинального КПД используются усредненное за время разгона КПД, определяемое с учетом зависимости КПД от скорости, предварительно вычисленной для данной серии ПМП на основе паспортных тяговой и расходной характеристик.

При определении расхода энергоресурса на соблюдение микроклимата необходимо использовать текущие значения температуры атмосферного воздуха и коэффициент влияния температуры на расход, полученный статистической обработкой данных об изменении средних значений удельного расхода от температуры в поездках за предыдущий период, с разбивкой статистических данных по участкам обращения поездов и сериям автономного пригородного мотор-вагонного подвижного состава.

При вычислении расхода энергоресурса на холостой ход силовых установок автономных видов пригородного мотор-вагонного поезда целесообразно учитывать расчетный коэффициент холостого хода Кхх, определяемый отношением вычисленного (определенного) в данной поездке среднего значения касательной мощности к номинальному паспортному значению касательной мощности., с учетом коэффициента Кв, определяющего минимально используемое в эксплуатации значение этой мощности и характеризующего порог касательной мощности, ниже которого в среднем происходит переход на холостой ход. С учетом того, что для автономного ПМП расход энергоресурса за поездку складывается из расхода энергоресурса в режиме тяги и расхода энергоресурса на холостом ходу, определение и учет Кхх является обязательным условием для достижения заявленного технического результата.

Преимущества заявляемого способа, по сравнению с известными из уровня техники, заключаются в том, что без установки дополнительных устройств как на самом автономном ПМП, так и на железнодорожном пути, с достаточной для целей контроля энергетической эффективности достоверностью определяется расчетный нормативный расход (норма-расход), учитывающий изменение населенности ПМП в процессе движения с определенным номером поезда (при имеющейся практике для расчета нормативов используется постоянное значение массы, соответствующее номинальной населенности), а также для повышения точности при расчете нормативного расхода для автономного ПМП учитывается расчетная доля холостого хода (обычно при расчетах используется усредненное значение, не учитывающее особенности режима работы силовой установки в конкретной поездке).

Определение затрат энергоресурса на совершение полезной работы, как например в способе определения непроизводительных потерь электроэнергии электроподвижным составом при нагоне графикового времени с использованием бортовых информационно-измерительных комплексов согласно патенту RU 2591558 C1 обычно производится путем сравнения фактического расхода энергоресурса с базовым значением расхода, определенного как среднее для аналогичных поездок в предшествующий период времени.

Предлагаемый способ предусматривает, с использованием информации о проследовавшем пригородном поезде из маршрута машиниста, определение расчетного расхода энергоресурса на основе значения массы автономного ПМП, определяемой, например, по общей формуле:

где - фактический расход энергоресурса за время разгона;

- расчетный расход энергоресурса за время разгона на поддержание микроклимата;

- среднее значение КПД за время разгона;

- скорость окончания разгона;

- основное удельное сопротивление движению;

- длина участка разгона;

- коэффициент инерции вращающихся масс.

Определение расчетного расхода энергоресурса за время разгона на поддержание микроклимата может определяться, например, по формуле:

где - температура атмосферного воздуха при i-м разгоне;

- коэффициенты полученной заранее статистической зависимости расхода энергоресурса от температуры на расчетном участке для серии ПМП по данным предыдущего периода:

Для повышения точности расчета расхода энергоресурса на поездку автономного пригородного мотор-вагонного поезда дополнительно определяют значение коэффициента холостого хода силовой установки автономного ПМП, например, по формуле:

где - средняя техническая скорость движения на расчетном участке,

- эквивалентный уклон расчетного участка,

- номинальная касательная мощность серии автономного ПМП,

- коэффициент, характеризующий порог касательной мощности, ниже которого в среднем происходит переход силовых установок на холостой ход.

Массу Q_ПМП определяют из выражения (1), средняя скорость v_T известна из расписания, удельное сопротивление ω - функция скорости.

Исходные данные, необходимые для определения величин, фигурирующих в формулах (1)-(4), принимают по информации о поездке из маршрута машиниста, а также по справочным данным из Правил тягового расчета и характеристикам расчетного участка.