Zał ącznik nr 1/ 1 do Zarz ądzenia Rektora PG nr 5/2015 z 10 lutego 2015 r.

Wydział Mechaniczny

Imi ę i nazwisko autora rozprawy : mgr in ż. Paweł Kortas Dyscyplina naukowa: Budowa i Eksploatacja Maszyn

ROZPRAWA DOKTORSKA

Tytuł rozprawy w j ęzyku polskim : Model układu nap ędowego lokomotywy spalinowej z przekładni ą elektryczn ą

Tytuł rozprawy w j ęzyku angielskim: Model of the diesel -electric locomotive propulsion system

Promotor Drugi promotor

podpis podpis dr hab. in ż. Jacek Kropiwnicki Promotor pomocniczy Kopromotor

podpis podpis

Gda ńsk, rok 2015 Zał ącznik nr 1/ 1 do Zarz ądzenia Rektora PG nr 5/2015 z 10 lutego 2015 r.

Wydział Mechaniczny

OŚWIADCZENIE

Autor rozprawy doktorskiej : mgr in ż. Paweł Kortas

Ja, ni żej podpisany(a), wyra żam zgod ę/nie wyra żam zgody* na bezpłatne korzystanie z mojej rozprawy doktorskiej zatytułowanej: Model układu nap ędowego lokomotywy spalinowej z przekładni ą elektryczn ą do celów naukowych lub dydaktycznych. 1

Gda ńsk, dnia ...... podpis doktoranta

Świadomy(a) odpowiedzialno ści karnej z tytułu naruszenia przepisów ustawy z dnia 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych (Dz. U . z 2006 r., nr 90, poz. 631) i konsekwencji dyscyplinarnych okre ślonych w ustawie Prawo o szkolnictwie wy ższym (Dz. U. z 2012 r., poz. 572 z pó źn. zm.), 2 a tak że odpowiedzialno ści cywilno -prawnej o świadczam, że przedkładana rozprawa doktorska została napisana przeze mnie samodzielnie.

Oświadczam, że tre ść rozprawy opracowana została na podstawie wyników bada ń prowadzonych pod kierunkiem i w ścisłej współpracy z promotorem drem hab. in ż. Jackiem Kropiwnicki m, drugim promotorem , promotorem p omocniczym , kopromotorem *.

Niniejsza rozprawa doktorska nie była wcze śniej podstaw ą żadnej innej u rz ędowej procedury zwi ązanej z nadaniem stopnia doktora .

Wszystkie informacje umieszczone w ww. rozprawie uzyskane ze źródeł pisanych i elektronicznych, zostały udokumentowane w wykazie literatury odpowiednimi odno śnikami zgodnie z art. 34 ustawy o prawie autorskim i prawach pokrewnych.

Potwierdzam zgodno ść niniejszej wersji pracy doktorskiej z zał ączon ą wersj ą elektroniczn ą.

Gda ńsk, dnia ...... ………………………………………….. podpis doktoranta

Ja, ni żej podpisany(a), wyra żam zgod ę/nie wyra żam zgody * na umieszczenie ww. rozprawy doktorskiej w wersji elektronicznej w otwartym, cyfrowym repozytorium instytucjonalnym Politechniki Gda ńskiej , Pomorskiej Bibliotece Cyfrowej ora z poddawania jej procesom weryfikac ji i ochrony przed przywłaszczaniem jej autorstwa.

Gda ńsk, dnia ...... podpis doktoranta *) niepotrzebne skre śli ć

1 Zarz ądzenie Rektora Politechniki Gda ńskiej nr 34/2009 z 9 listopada 2009 r., zał ącznik nr 8 do instrukcji archiwalnej PG. 2 Ustawa z dnia 27 lipca 2005 r. Prawo o szkolnictwie wy ższym: Rozdział 7 Odpowiedzialno ść dyscyplinarna doktorantów, Art. 226 .

Zał ącznik nr 1/ 1 do Zarz ądzenia Rektora PG nr 5/2015 z 10 lutego 2015 r.

Wydział Mechaniczny

OPIS ROZPRAWY DOKTORSKIEJ

Autor rozprawy doktorskiej : mgr in ż. Paweł Kortas Tytuł rozprawy doktorskiej w j ęzyku polskim : Model układu nap ędowego lokomotywy spalinowej z przekładni ą elektryczn ą

Tytuł rozprawy w j ęzyku angielskim : Model of the locomotive diesel -electric propulsion system

Język rozprawy doktorskiej : polski

Promotor rozprawy doktorskiej : dr hab. in ż. Jacek Kropiwnicki

Drugi promotor rozprawy doktorskiej *:

Promotor pomocniczy rozprawy doktorskiej *:

Kopromotor rozprawy doktorskiej *:

Data obrony :

Słowa kluczo we rozprawy doktorskiej w j ęzyku polski : model układu nap ędowego lokomotywy , lokomotywa spalinowa z przekładni ą elektryczn ą, zu życie paliwa, obci ąż enie układu nap ędowego, metoda grafów wi ąza ń, równania stanu

Słowa kluczowe rozprawy doktorskiej w j ęzyku angielskim : model of the locomotive propulsion system , diesel -electric locomotive, fuel consumption, propulsion load, bond graph method , state equations

Streszczenie rozprawy w j ęzyku polskim : W niniejszej pracy przedstawiono model układu nap ędowego lokomo tywy spalinowej z przekładnia elektryczn ą, opisany za pomoc ą metody Grafów Wi ąza ń (GW) i Równa ń Stanu ( RS ). Metoda GW i RS ze wzgl ędu na prostot ę modyfikacji i mo żliwo ść rozbudowania o nowe elementy, umo żliwia odwzorowanie pracy lokomotywy spalinowej wypos ażonej w dowolny układ nap ędowy. Przy tworzeniu powy ższego modelu wykorzystano charakterystyki poszczególnych urz ądze ń i podzespołów wchodz ących w skład układu nap ędowego . Dane do tego celu zaczerpni ęto z literatury , jak równie ż wykorzystano charakterystyki stworzone na podstawie wyników badań eksploatacyjnych lokomotywy serii ST44. Badania eksploatacyjne były wykonane podczas eksploatacji poci ągów towarowych na linii kolejowej 201 na odcinku Bydgoszcz Wschód – Gdynia Port. W pracy zaprezentow ano model automaszynisty, który odwzorowuje procesy decyzyjne podejmowane przez maszynist ę podczas prowadzenia poci ągu. W modelu automaszynisty poło żono szczególny nacisk na odwzorowanie specyfiki regulacji mocy układu nap ędowego lokomotywy spalinowej prze z do świadczonych maszynistów.

Zał ącznik nr 1/ 1 do Zarz ądzenia Rektora PG nr 5/2015 z 10 lutego 2015 r.

Wydział Mechaniczny

Streszczenie rozprawy w j ęzyku angielskim : This dissertation treats about a model of diesel -electric locomotive propulsion system described by the Bond Graphs and State Equations method. The Bond Graphs and State Equations method, due to the simplicity of modification and ability of developing new elements, allows the representation of the work of a locomotive equipped with any kind of drivetrain. In the process of the model creation the characteri stics of particular devices and components of propulsion system were used. Some of the characteristic were taken from the literature, while others were based on the results of the research conducted on an operated ST44 locomotive. The researches were carri ed out during the operation of freight trains running on railway 201 from Bydgoszcz Wschod Station to Gdynia Port Station. In this dissertation the train auto -driver model that represents the process of a driver’s decision -making was presented. In the mode l, strong emphasis was placed on representation of the power control of locomotive propulsion system practiced by experienced drivers.

*) niepotrzebne skre śli ć.

Autor gor ąco dzi ękuje promotorowi Panu drowi hab. in ż. Jackowi Kropiwnickiemu za serdeczn ą opiek ę oraz swojemu Ojcu Piotrowi Kortasowi – maszyni ście z wieloletnim sta żem i Pracownikom spółek PKP Cargo S.A. i PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. za pomoc podczas powstawania tej pracy.

SPIS TRE ŚCI

Wykaz wa żniejszych oznacze ń i skrótów 8

1. Wprowadzenie 11

1.1. Informacje wst ępne 11

1.2. Współczesne lokomotywy spalinowe 14

2. Modele układów nap ędowych lokomotyw oraz opis warunków eksploatacji 17 - stan wiedzy 2.1. Informacje wst ępne 17

2.2. Struktura warunków eksploatacji lokomotyw 17

2.3. Wykorzystanie modeli układów nap ędowych w programach symulacyjnych 20

2.3.1. Program RSEL i RSDL 20

2.3.2. Program wykorzystuj ący model maszynisty 26

2.4. Podsumowanie 32

3. Teza i cel pracy 35

4. Zało żenia dla przyj ętej metodyki bada ń 36

4.1. Informacje wst ępne 36

4.2. Struktura warunków eksploatacji lokomotywy spalinowej 36

4.3. Dane pomiarowe i informacje niezb ędne przy tworzeniu modelu układu 40 nap ędowego

4.3.1. Pomiar masowego i obj ęto ściowego strumienia paliwa 40

4.3.1.1. Pomiar strumienia paliwa podczas pracy na biegu jałowym 46

4.3.1.2. Pomiar strumienia paliwa przy je ździe pod obci ąż eniem 48

4.4. Pomiar i rejestracja parametrów jazdy 50

4.4.1. System pomiaru i rejestracji parametrów jazdy 50

4.4.2. Obliczanie pr ędko ści i przyspieszenia lokomotywy 52

4.5. Informacje dotycz ące pracy lokomotywy 55

4.6. Droga kolejowa 55

4.7. Okre ślanie pozycji poci ągu na linii kolejowej 63

4.8. Wpływ zu życia zestawów kołowych na parametry ruchu lokomotywy 69

5. Model układu nap ędowego lokomotywy 70

5.1. Budowa układu nap ędowego lokomotywy 70

5.2. Model układu nap ędowego lokomotywy w formie GW 72

5.3. Zespół silnika spalinowego i pr ądnicy 76

5.4. Regulator mocy 77

5.5. Silniki trakcyjne 79

5.6. Przekładnia z ębata 83

5.7. Charakterystyka trakcyjna lokomotywy 83

5.8. Urz ądzenia pomocnicze 84

5.9. Opory ruchu 88

5.10. Hamowanie poci ągu 92

6. Model automaszynisty 94

6.1. Informacje wst ępne 94

6.2. Model automaszynisty– algorytm 95

7. Badania symulacyjne układu nap ędowego lokomotywy 109

7.1. Informacje wst ępne 109

7.2. Wyniki symulacji 109

7.3. Weryfikacja modelu automaszynisty 111

8. Podsumowanie i wnioski ko ńcowe 114

Bibliografia 116

WYKAZ WA ŻNIEJSZYCH OZNACZE Ń I SKRÓTÓW

– współczynniki funkcji aproksymuj ącej jednostkowej siły oporów ruchu [-], , , – współczynniki funkcji aproksymuj ącej jednostkowych oporów ruchu [-], , , – współczynniki funkcji aproksymuj ącej drogi pomierzonej przez system Teloc [-], , , –, przyspieszenie rzeczywiste poci ągu [m/s 2], – przyspieszenie obliczone na podstawie danych z sytemu Teloc [m/s 2], ATCbrk – sygnał hamowania, ATCcst – sygnał jazdy wybiegiem, cst start – sygnał wdra żaj ący jazd ę wybiegiem, cst stop – sygnał przerywaj ący jazd ę wybiegiem, – rzeczywista średnica toczna koła kolejowego [mm], 0 – średnica toczna zestawu kołowego lokomotywy [mm], 0 – średnica toczna koła wpisana do rejestratora [mm], 0 – średnica toczna zestawów kołowych wagonu kolejowego [mm], 0 – jednostkowa siła oporów ruchu [N/kg], Flag cst – sygnał dot. jazdy wybiegiem w bie żą cym korku obliczeniowym,

Flag cst – sygnał dot. jazdy wybiegiem w poprzednim korku obliczeniowym, – siła oporów układu hamulcowego [N], – siła oporów ruchu [N], – siła trakcyjna [N], – jednostkowa siła oporów ruchu [N/kg], – masowy strumie ń paliwa [kg/h], – pochylenie linii kolejowej [‰],

2 – przyspieszenie ziemskie [m/s ], – wysoko ść ko ńca poci ągu [m], – wysoko ść czoła poci ągu [m], – krok obliczeniowy [-], – pochylenie zast ępcze [‰], – nat ęż enie pr ądu w pr ądnicy głównej [A], – nat ęż enie pr ądu w silniku trakcyjnym [A], – liczba odpowiednio: zestawów kołowych lokomotywy, silników trakcyjnych, , , , wagonów, zestawów kołowych wagonów [-], – moment bezwładno ści i-tego zestawu kołowego lokomotywy [kg m2], – moment bezwładno ści l-tego zestawu kołowego wagonu [kg m2],· · 2 – moment bezwładno ści j-tego wirnika silnika trakcyjnego [kg m ], · – współczynnik politropy [-], – długo ść poci ągu [m], – moment obrotowy silnika trakcyjnego [N m], · 8

– moment obrotowy zestawu kołowego [N m], – masa k-tego wagonu [kg], · – masa lokomotywy [kg], – masa poci ągu [kg], – masa zredukowana [kg], – średnia warto ść rzeczywistej ilo ści zu żytego paliwa [kg], – pr ędko ść obrotowa [obr/min], – pr ędko ść obrotowa wału korbowego spr ęż arki [obr/min], – maksymalna pr ędko ść obrotowa wentylatora [obr/min], – pr ędko ść obrotowa wentylatora [obr/min], P – wektor nastaw i parametrów konstrukcyjnych, – moc elektryczna pr ądnicy głównej [kW], – moc znamionowa wentylatora przy pr ędko ści nwent [kW], – moc znamionowa wentylatora przy pr ędko ści nwent1 [kW], – moc spr ęż arki [kW], – moc spr ęż arki teoretyczna [kW], – średnie ci śnienie indykowane [MPa], – ci śnienie w kró ćcu ssawnym [MPa], – ci śnienie w kró ćcu tłocznym [MPa], – droga hamowania [m], – odległo ść punktu decyzji od sygnalizatora [m], – współrz ędna poło żenia czoła poci ągu [m], – rzeczywista droga przebyta przez lokomotyw ę [m], – droga przebyta przez lokomotyw ę, zmierzona przez rejestrator Teloc [m], – długo ść odcinka pomiarowego wg dokumentacji drogi kolejowej [m], – długo ść odcinka pomiarowego zmierzona przez rejestrator Teloc [m], – przebyty dystans wg symulacji [m], – czas [h], – czas pracy [s], U – wektor wymusze ń (wej ść ), – napi ęcie na zaciskach pr ądnicy głównej [V], – nastawa mocy układu nap ędowego [-], – nastawa stopnia hamowania [-], – nastawa układu nap ędowego [-], – pr ędko ść [m/s], – pr ędko ść dopuszczalna [m/s], 3 – obj ęto ść paliwa w zbiorniku [dm ], – pr ędko ść rzeczywista [m/s], – lokomotywy wg symulacji [m/s], 9

– wydajno ść skokowa spr ęż arki [m 3/h], – pr ędko ść obliczona na podstawie danych z sytemu Teloc [m/s], – pr ędko ść [m/s], – górna odchyłka pr ędko ści [m/s], – dolna odchyłka pr ędko ści [m/s], – pr ędko ść dopuszczalna [m/s], – pr ędko ść graniczna wdra żaj ąca hamownie [m/s], – pr ędko ść dopuszczalna wg systemu ATC [m/s], X – wektor stanu, Y – wektor wyj ść , Z – wektor zakłóce ń, – liczba z ębów koła z ębatego silnika trakcyjnego [-], – liczba z ębów koła z ębatego zestawu kołowego [-], – stopie ń hamowania [-], – stopie ń hamowania [-], – bł ąd wzgl ędny [-], δ – sprawno ść przekładni z ębatej [-], – sprawno ść całkowita spr ęż arki [-], – sprawno ść silnika trakcyjnego [-], – wska źnik dławienia [-], – stopie ń dostarczenia [-], – współczynnik podgrzania [-], – wska źnik szczelno ści [-] – wska źnik przestrzeni szkodliwej [-], – udział czasu pracy przesyłowej [-], – udział pracy manewrowej [-], – udział pracy poci ągowej w trakcji pojedynczej [-], – udział pracy poci ągowej w trakcji wielokrotnej lub wspomagaj ącej [-], – odchylenie standardowe ró żnicy rzeczywistej ilo ści zu żytego paliwa i ilo ści zu żytego paliwa wg symulacji [kg], – bł ąd kwadratowy odwzorowania rzeczywistej ilo ści zu żytego paliwa [kg], – odchylenie standardowe wyników przebytej drogi [m], - bł ąd kwadratowy wyników przebytej drogi [m].

10

1. WPROWADZENIE

1.1. Informacje wst ępne

Pomimo zaobserwowanego wzrostu zainteresowania w transporcie kolejowym trakcj ą elektryczn ą, po zaistniałym w latach 70-tych kryzysie paliwowym, ok. 48% linii kolejowych w krajach EU27 pozostaje wci ąż nie zelektryfikowana (rys. 1.1).

Rys. 1.1. Udział długo ści linii kolejowych zelektryfikowanych i niezelektryfikowanych w krajach EU27 [37]

Nale ży jednak mie ć na uwadze, że transport zarówno pasa żerów jak i towarów na liniach niezelektryfikowanych jest mniej intensywny ni ż w przypadku linii zelektryfikowanych, dlatego te ż energia wykorzystana w trakcji spalinowej stanowi 28% całkowitego zu życia energii na cele trakcyjne (rys. 1.2) [37].

Rys. 1.2. Zu życie energii na cele trakcyjne w zale żno ści od trakcji i rodzaju transportu kolejowego [37]

11

Na rysunku 1.3 przedstawiono zmian ę sumarycznego zu życia energii na cele trakcyjne w transporcie kolejowym Stanów Zjednoczonych w okresie czasu od 1990 do 2009 roku.

Rys. 1.3. Sumaryczne zu życie energii na cele trakcyjne w transporcie kolejowym Stanów Zjednoczonych wyra żone w PJ (10 15 J) [37]

Pomimo systematycznego wzrostu udziału trakcji elektrycznej blisko 93% energii wykorzystywanej w celach trakcyjnych przypada w Stanach Zjednoczonych na spalinowe pojazdy kolejowe. Nale ży zaznaczy ć, że transport kolejowy w wielu krajach , jak np. Kanada wci ąż oparty jest wył ącznie na trakcji spalinowej. Wzrost świadomo ści ekologicznej spowodował intensyfikacj ę prac badawczo- rozwojowych, maj ących na celu ograniczenie szkodliwego oddziaływania transportu, w tym tak że transportu kolejowego na środowisko poprzez redukcj ę, emisji CO 2 i zwi ązków toksycznych do atmosfery [64]. Nale ży zaznaczy ć redukcja emisji CO 2 poci ąga za sob ą obni żenia zu życia energii, co oprócz aspektu ekologicznego powoduje obni żenie kosztów transportu. Jest to szczególnie istotne w projektowaniu systemów logistycznych [38, 39]. Obecnie prowadzi si ę badania nad zastosowaniem paliw alternatywnych, głównie pochodzenia ro ślinnego [66, 23]. Innym kierunkiem rozwoju jest ulepszenie silników spalinowych. Zmniejszanie emisji zwi ązków toksycznych osi ąga si ę mi ędzy innymi przez popraw ę procesu spalania, a tak że poprzez zastosowanie katalitycznych układów oczyszczania spalin, wyposa żonych dodatkowo w filtry cz ąsteczek stałych [31, 35, 62, 82]. Ogóln ą sprawno ść energetyczn ą układów nap ędowych pojazdów kolejowych mo żna podnie ść poprzez utylizacj ę ciepła odpadowego, którego źródłem są gazy wydechowe [32, 92]. Na rynku dost ępny jest system o nazwie handlowej SteamTrac, opracowany przez koncern Voith AG [84]. System ten bazuje na wykorzystaniu obiegu Clausiusa-Rankine'a, w którym woda stanowi czynnik roboczy. Natomiast jako ekspander wykorzystano parowy silnik tłokowy.

12

Jedn ą z metod redukcji zu życia paliwa jest ograniczenie eksploatacji sinika spalinowego w stanie biegu jałowego oraz cz ęś ciowego obci ąż enia, w którym silnik zazwyczaj wykazuje ni ższ ą sprawno ść . Realizowane jest to poprzez zast ąpienie jednego silnika spalinowego du żej mocy wieloma mniejszymi [53]. W przypadku cz ęś ciowego obci ąż enia układu nap ędowego lokomotywy, okre ślona liczba silników spalinowych jest wył ączana przez maszynist ę lub automatycznie poprzez system zarz ądzania moc ą. Pod koniec 2012 roku rozpocz ęto seryjn ą produkcje lokomotywy Bombardier Traxx Diesel Multi-Engine (rys. 1.4), w której zastosowano cztery silniki z zapłonem samoczynnym Caterpillar C18.

Rys. 1.4. Schemat lokomotywy Bombardier Traxx Diesel Multi-Engine [53]

Prowadzi si ę równie ż badania dotycz ące zastosowania w układach nap ędowych pojazdów kolejowych zasobników energii odzyskiwanej w trakcie hamowania [8, 16, 65, 36, 69, 81]. Przeprowadzone analizy teoretyczne, a tak że badania eksploatacje eksperymentalnych pojazdów wykazuj ą du żą przydatno ść wspomnianego rozwi ązania, zwłaszcza podczas wykonywania prac manewrowych. Nale ży zaznaczy ć, że w przypadku lokomotyw wyposa żonych w przekładni ę elektryczn ą zastosowanie zasobników energii w postaci akumulatorów elektrycznych nie wi ąż e si ę z konieczno ści ą wprowadzania istotnych zmian w układzie nap ędowym pojazdu. Obecnie redukcj ę zu życia paliwa próbuje si ę osi ągn ąć poprzez popraw ę efektywno ści energetycznej eksploatacji pojazdów kolejowych [4, 17, 22, 25, 29, 55, 56,78, 83, 89, 93]. Popraw ę efektywno ści energetycznej eksploatacji uzyskuje si ę głównie poprzez popraw ę organizacji ruchu na danej linii kolejowej, polegającej na odpowiedniej synchronizacji ruchu poci ągów. Synchronizacja ruchu ma na celu redukcj ę liczby hamowa ń poci ągów. Wpływ na poziom efektywno ści eksploatacyjnej ma technika prowadzenia poci ągów przez maszynistów. Technik ę t ą poprawia si ę poprzez okresowe szkolenia maszynistów. Obecnie na rynku dost ępne s ą systemy wspomagaj ące prac ę maszynisty, działaj ące w sposób zbli żony do systemów rozpowszechnionych w transporcie kołowym [47, 70, 10]. Głównym zadaniem systemów wspomagaj ących prac ę maszynistów jest informowanie o optymalnej pr ędko ści

13

jazdy, wymaganej nastawie mocy układu nap ędowego, czy układu hamulcowego [43]. Prowadzi si ę równie ż badania nad urz ądzeniami całkowicie przejmuj ącymi proces prowadzenia poci ągu. Podstaw ą systemów, wspomagaj ących prac ę maszynisty s ą modele układów nap ędowych, które wykorzystywane s ą w procesach decyzyjnych, zachodz ących w trakcje ich działania. Modele układów nap ędowych pojazdów kolejowych s ą równie ż wykorzystywane w symulatorach jazdy poci ągów, które znalazły zastosowanie w procesie szkolenia maszynistów. Nale ży zaznaczy ć, że proces poprawy efektywno ści eksploatacyjnej nie wi ąż e si ę z konieczno ści ą ponoszenia wysokich nakładów inwestycyjnych, jakie towarzysz ą poprawie efektywno ści energetycznej, polegaj ącej na wprowadzaniu zmian konstrukcyjnych w pojazdach kolejowych. Powoduje to, że ten kierunek redukcji zu życia energii w transporcie kolejowym cieszy si ę najwi ększym zainteresowaniem.

1.2. Współczesne lokomotywy spalinowe

Współczesne lokomotywy spalinowe dzielimy na dwie zasadnicze grupy: lokomotywy wykorzystywane w pracy manewrowej oraz lokomotywy wykorzystywane w pracy poci ągowej. Poniewa ż praca manewrowa wi ąż e si ę z konieczno ści ą cz ęstej zmiany kierunku jazdy, w celu poprawy komfortu pracy maszynisty lokomotywy manewrowe posiadaj ą pojedyncz ą kabin ę. Na rys. 1.5 - 1.8 przedstawiono przykłady lokomotywy manewrowych, które mo żna spotka ć na terenie Polski. Lokomotywy wykorzystywane w pracy poci ągowej (rys. 1.9 - 1.12) charakteryzuj ą si ę wi ększ ą moc ą i pr ędko ści ą konstrukcyjn ą. Nale ży zaznaczy ć, że w przypadku lekkich poci ągów do pracy poci ągowej wykorzystuje si ę równie ż lokomotywy manewrowe, które ze wzgl ędu na mniejsz ą moc, charakteryzuj ą si ę mniejszym zu życiem paliwa.

14

Rys. 1.5. SM42 18D [67] Rodzaj przekładni: elektryczna AC/DC Moc silnika spalinowego: 563 kW Pr ędko ść maksymalna: 90 km/h

Rys. 1.6. ST48 16D [67] Rodzaj przekładni: elektryczna DC/DC Moc silnika spalinowego: 880 kW Pr ędko ść maksymalna: 90 km/h

Rys. 1.7. SM42 6Dk [15] Rodzaj przekładni: elektryczna AC/DC Moc silnika spalinowego: 2x403 kW Pr ędko ść maksymalna: 90 km/h

Rys. 1.8. Voith Gravita 10CC [85] Rodzaj przekładni: hydrokinetyczna Moc silnika spalinowego: 1200 kW Pr ędko ść maksymalna: 100 km/h

15

Rys. 1.9. ST44 [30] Rodzaj przekładni: elektryczna DC/DC Moc silnika spalinowego 1470 kW Pr ędko ść maksymalna 100 km/h

Rys. 1.10. EMD Class 66 [88] Rodzaj przekładni: elektryczna AC/DC Moc silnika spalinowego 2,420 kW Pr ędko ść maksymalna 105 km/h

Rys. 1.11. Bombardier Traxx F140 DE [88] Rodzaj przekładni: elektryczna AC/AC Moc silnika spalinowego 2,200 kW Pr ędko ść maksymalna 140 km/h

Rys. 1.12.Voith Maxima 40CC [85] Rodzaj przekładni: hydrokinetyczna Moc silnika spalinowego 3600 kW Pr ędko ść maksymalna 120 km/h

16

2. MODELE UKŁADÓW NAP ĘDOWYCH LOKOMOTYW ORAZ OPIS WARUNKÓW EKSPLOATACJI– STAN WIEDZY

2.1. Informacje wst ępne

Najliczniejsz ą grup ą lokomotyw spalinowych eksploatowanych w Polsce są lokomotywy z przekładni ą elektryczn ą [14]. Schemat przepływu energii w tego typu lokomotywach został przedstawiony na rys. 2.1. Energia cieplna uwolniona w procesie spalania paliwa w cylindrze silnika spalinowego jest zamieniana na energi ę mechaniczn ą. Głównym odbiornikiem energii mechanicznej jest pr ądnica główna, w której nast ępuje konwersja tej pracy na energi ę elektryczn ą. Nast ępnie w silnikach trakcyjnych energia elektryczna jest zamieniana ponownie na prac ę mechaniczn ą, przekazywan ą za pomoc ą przekładni z ębatej do zestawów kołowych. Energia mechaniczna wytworzona w silniku spalinowym wykorzystywana jest równie ż do nap ędu urz ądze ń pomocniczych takich, jak spr ęż arka powietrza, wentylatory układu chłodzenia silnika spalinowego, itd.

Rys. 2.1. Schemat układu nap ędowego lokomotywy spalinowej [27]

2.2. Struktura warunków eksploatacji lokomotyw

W trakcie u żytkowania pojazdów trakcyjnych, do których zalicza si ę lokomotywy spalinowe, pojawia si ę konieczno ść rozwi ązywania szeregu problemów eksploatacyjnych i ekonomicznych, np. planowania przegl ądów i obliczania kosztów eksploatacji. Na rys 2.2 [Car07] przedstawiono struktur ę warunków pracy pojazdu trakcyjnego wykorzystywan ą przez PKP CARGO S.A . do realizacji wymienionych wy żej celów.

17

Rys. 2.2. Struktura warunków eksploatacji pojazdu trakcyjnego wg [72]

Przedstawiona struktura (rys. 2.2) jest bardzo rozbudowana. Wynika to z jej wykorzystywania nie tylko do analizy pracy samych lokomotyw, ale tak że do analizy pracy dru żyn trakcyjnych, do których zaliczaj ą się maszyni ści i pomocnicy maszynistów. Ta struktura uwzgl ędnia wszystkie mo żliwe rodzaje pracy pojazdu, nawet obecnie niewykorzystywane. Dotyczy to pracy zast ępczej, w skład której wchodzi ogrzewanie obiektów oraz zasilanie obiektów spr ęż onym powietrzem. Ponadto, w przypadku analizy wył ącznie pojazdu trakcyjnego, stosowanie powy ższego podziału mo że sprawia ć pewne problemy. Wynika to z uwzgl ędnienia pracy manewrowej zarówno w pracy poci ągowej, jak i pozapoci ągowej, chocia ż z punktu widzenia np. obci ąż enia silnika spalinowego oba przypadki pracy manewrowej niczym si ę od nie siebie nie ró żni ą. Znacznie prostsza struktura pracy została przedstawiona na rys. 2.3. Ta struktura [27] zawiera podział pracy lokomotywy na manewrow ą oraz liniow ą i nie zawiera np. pracy przesyłowej, polegaj ącej na je ździe bez wagonów. Zaproponowana w pracy [27] klasyfikacja obci ąż eń lokomotyw spalinowych umo żliwia przeprowadzanie doboru najlepszej lokomotywy dla analizowanego charakteru pracy (manewrowa lub liniowa), ze wzgl ędu na minimalizacj ę zu życia paliwa. W tej metodzie praca lokomotywy opisywana jest funkcj ą g ęsto ści prawdopodobie ństwa obci ąż enia lokomotywy traktowanego jako zmienna losowa.

18

Rys. 2.3. Klasyfikacja obci ąż eń lokomotyw spalinowych wg [27]

Na rys. 2.4 przedstawiona została struktura warunków eksploatacji dla statku towarowego [5], który tak jak samochody osobowe i ci ęż arowe, autobusy, maszyny robocze i lokomotywy spalinowe nap ędzane tłokowymi silnikami spalinowymi stanowi obiekt autonomiczny energetycznie środek transportu [6]. Zadaniem silników nap ędowych we wszystkich tych grupach pojazdów jest zapewnienie mo żliwo ści ruchu (jazdy, pływania) i przewo żenia okre ślonych ładunków, w niektórych przypadkach równie ż realizacji innych procesów technologicznych (chłodzenie ładunku, wydobywanie urobku, połowy, i in.) [6]. a)

b)

Rys. 2.4. Ogólna struktura warunków eksploatacji statków [5]: a) warunki eksploatacji statków w okresie 1 roku, b) warunki eksploatacji statków podczas pobytu w morzu

19

Zalet ą powy ższej struktury jest fakt, że obejmuje praktycznie wszystkie warunki eksploatacji jednostki pływaj ącej. Umo żliwia to , po wprowadzeniu odpowiednich współczynników udziału , dokładn ą analiz ę energetyczn ą statków.

2.3. Wykorzystanie modeli układów nap ędowych w programach symulacyjnych

2.3.1. Program RSEL i RSDL

Istotn ą składow ą kosztów przewozu ładunków transportem kolejowym s ą koszty eksploatacyjne i zwi ązane z nimi koszty energii [40]. Wpływ na zu życie energii przez układ nap ędowy lokomotywy ma wiele czynników podczas realizacji zadania przewozowego, polegaj ącego na prowadzeniu poci ągu ze stacji pocz ątkowej do stacji ko ńcowej. Nale żą do nich masa poci ągu, średnia pr ędko ść przejazdu czy profil linii kolejowej, na który składa si ę nachylenie oraz parametry łuków. Znaczna liczba przedstawionych czynników powoduje, że w praktyce okre ślenie zapotrzebowania na energi ę realizowane jest przy wykorzystaniu symulacji komputerowych. Na rys. 2.5 przedstawiono przykładowy schemat programu do symulacji jazdy poci ągu RSEL (Run Simulation of Electric Locomotives) i RSDL (Run Simulation of Diesel Locomotives) [51].

Rys. 2.5. Schemat ideowy symulatorów jazdy [51]

Modele te w sposób szczegółowy zostały opisane w publikacji [52]. Poni żej przytoczono jedynie informacje ogólne maj ące na celu zaprezentowanie istoty eksperymentów symulacyjnych. Zbiór danych wej ściowych został podzielony na podzbiór wielko ści steruj ących U takich jak siła trakcyjna i podzbiór parametrów P, obejmujący zarówno parametry pojazdu jak i drogi kolejowej. Dane wyj ściowe, b ędące wynikiem symulacji zawieraj ą przebiegi zmiennych stanu poci ągu oraz parametry jego jazdy. Dane wej ściowe i wyj ściowe zostały przedstawione na schemacie przetwarzania głównych programów symulacyjnych (rys. 2.6).

20

Rys. 2.6. Schemat przetwarzania głównych programów symulacyjnych [51]

Przedstawiony jako pierwszy z po śród danych wej ściowych zbiór CH zawiera główne parametry techniczne, jak masa, liczba zestawów kołowych, pr ędko ść dopuszczaln ą. Ponadto w zbiorze tym zawarto współczynniki oporów ruchu lokomotywy, a tak że charakterystyki trakcyjne jak: charakterystyk ę siły poci ągowej w funkcji pr ędko ści F(v), czy charakterystyk ę nat ęż enia pr ądu elektrycznego silników trakcyjnych I(v). W przypadku lokomotyw spalinowych charakterystyka trakcyjna została uzupełniona o charakterystyk ę godzinowego u życia paliwa dla poszczególnych pozycji regulacyjnych B(v). Zbiór PR zawiera istotne parametry drogi kolejowej, do których nale żą nachylenie torów oraz promienie łuków. Oba parametry opisane s ą w funkcji pikieta żu.

21

Przedstawiony jako trzeci w kolejno ści zbiór LOG zawiera ogólne parametry przejazdu, informacje o sposobie zapisu wyników, a tak że procedur ę, według której ma by ć wykonany eksperyment symulacyjny. Kolejny zbiór SR zawiera informacje, dotycz ące pr ędko ści dopuszczalnych obowi ązuj ących na linii kolejowej. W zbiorze TT zawarto szczegółowy rozkład jazdy. W skład zbioru wchodz ą ponadto dane o współrz ędnych i nazwach stacji, a tak że dane o czasie postojów na stacjach. W zbiorze okre ślonym jako TSD zapisywane s ą parametry składu poci ągu takie jak: sumaryczna masa i długo ść wagonów, sumaryczna liczba zestawów kołowych oraz współczynniki mas wiruj ących. Zbiór RES zawiera współczynniki oporów ruchu wagonów, znajduj ących si ę w składzie poci ągu. Nale ży podkre śli ć, że zbiór ten nie obejmuje współczynników oporów ruchu lokomotywy, które zostały zawarte w zbiorze CH. W ostatnim zbiorze CM umieszczone s ą współrz ędne odcinków linii kolejowej, po których realizowana jest jazda wybiegiem. Odcinki te obejmuj ą fragmenty linii kolejowej, charakteryzuj ące si ę du żymi spadkami oraz fragmenty linii, poprzedzaj ące punkty hamowania lub ograniczenia pr ędko ści. Do wyznaczenia wspomnianych odcinków u żywa si ę dodatkowego oprogramowania. Wyniki uzyskane podczas eksperymentu symulacyjnego przedstawione s ą w czterech zbiorach: DR, PKP, SP i TV. W zbiorze DR zapisane s ą szczegółowe wyniki symulacji dla ka żdego kroku obliczeniowego. Zbiór ten zawiera dane o współrz ędnych drogi, pr ędko ści jazdy oraz przyspieszenia, czasu bie żą cego oraz czasu dobowego, siły na obwodzie kół z uwzgl ędnieniem siły przyczepno ści, warto ść oporów ruchu oraz warto ści opisuj ące profil toru. Ponadto w zbiorze DR zawarto parametry opisuj ące prac ę układu nap ędowego lokomotywy jak sprawno ść całkowita oraz ogólne zapotrzebowanie na energi ę. Poza szczegółowymi wynikami po ka żdej stacji w zbiorze PKP zapisywane s ą dane podsumowuj ące dany przejazd pomi ędzy wspomnianymi stacjami. Dane podsumowuj ące dotycz ące całego analizowanego przejazdu przedstawiane s ą w zbiorze SP. Ostatni zbiór TV b ędącym tzw. zbiorem trajektorii pr ędko ści zawiera przebieg zmian pr ędko ści jazdy v w funkcji drogi s oraz informacje o relacji czasu symulowanego przejazdu i czasu zadanego rozkładem jazdy.

22

Programy RSEL i RSDL bazuj ą na ogólnym matematycznym modelu ruchu poci ągu opisany równaniem ró żniczkowym: (2.1)

, , (2.2)

gdzie: - masa zast ępcza poci ągu z uwzgl ędnieniem dodatkowej bezwładno ści mas wiruj ących,

- przyspieszenie poci ągu wzdłu ż osi toru, - siła na obwodzie kół, - pr ędko ść poci ągu, - współrz ędna czoła poci ągu, - nastawa układu nap ędowego, - opory ruchu poci ągu, gdzie: oraz - opory zasadnicze, – opory pochodz ące od profilu drogi kolejowej. W opisywanych programach zało żono, że jazda poci ągu składa si ę z czterech elementarnych faz jazdy. Fazy te zostały zobrazowane na wykresie zmian pr ędko ści w funkcji drogi (rys. 2.7) [51], podczas realizacji przykładowego przejazdu pomi ędzy dwoma stacjami.

Rys. 2.7. Przykładowy przebieg pr ędko ści v w funkcji drogi s podczas realizacji przejazdu pomi ędzy dwoma stacjami [51]: jazda forsowna (minimalno-czasowa) w czasie t min według procedury MT lub MR, jazda quasi-forsowna w czasie rozkładowym t f według procedury SL, jazda energooszcz ędna w czasie rozkładowym t f według procedury FC

23

Pierwsz ą faz ą jest rozruch, przedstawiony krzyw ą 0-L-A-B, podczas którego poci ąg rusza z postoju i realizuje jazd ę z przyspieszeniem do momentu osi ągni ęcia zadanej pr ędko ści. Po rozruchu nast ępuje zazwyczaj faza jazdy z pr ędko ści ą dopuszczaln ą, przedstawiona za pomoc ą prostej B-C-D. Warto ść pr ędko ści dopuszczalnej wynika z ogranicze ń, obowi ązuj ących na danym odcinku linii kolejowej lub zwi ązana jest z parametrami konstrukcyjnymi pojazdów, znajduj ących si ę w składzie poci ągu. Za trzeci ą faz ę uwa ża si ę hamowanie, maj ące na celu zatrzymanie poci ągu lub redukcj ę jego pr ędko ści do warto ści pr ędko ści dopuszczalnej na danym odcinku linii kolejowej. Faz ę hamowania zobrazowano za pomoc ą krzywej D-E-F-G-I-K. Czwart ą podstawow ą faz ę jazdy poci ągu stanowi jazda wybiegiem. W fazie tej jazda realizowana jest bez nap ędu i bez hamowania z wykorzystaniem wył ącznie energii kinetycznej, zakumulowanej w masie poci ągu. Podczas jazdy wybiegiem pr ędko ść redukowana jest przez siły oporu ruchu. Nale ży zaznaczy ć, że podczas jazdy wybiegiem po torze o znacznym spadku mo że nast ąpi ć wzrost pr ędko ści poci ągu. Przykładowa jazda wybiegiem została przedstawiona za pomoc ą krzywej C-F. Jak mo żna wywnioskowa ć z przedstawionego rys. 2.7 mo żliwe jest realizowanie przejazdów poci ągu na danym odcinku według wielu sposobów prowadzenia, ró żni ących si ę mi ędzy sob ą udziałami czasowymi poszczególnych faz jazdy. Obliczenia symulacyjne z wykorzystaniem modeli RSEL i RSDL mog ą by ć realizowane z uwzgl ędnieniem trzech sposobów prowadzenia poci ągu, zwanych równie ż procedurami obliczeniowymi. Pierwsz ą procedur ą obliczeniow ą jest procedura MT (Minimum Time), zwana równie ż przejazdem forsownym. Przejazd ten odbywa si ę przy maksymalnym obci ąż eniu układu nap ędowego i hamulcowego i realizowany jest z pr ędkości ą wyznaczon ą liniami 0-B-D-K, obejmuj ąc tym samym trzy fazy jazdy poci ągu jak: rozruch, jazda ustalona oraz hamowanie. Przejazd forsowany, chocia ż w praktyce nie jest stosowany podczas rzeczywistego prowadzenia poci ągu stanowi baz ę do okre ślania czasu minimalnego tmin oraz maksymalnego zu życia energii E max dla analizowanego przejazdu. Drug ą procedur ą obliczeniow ą jest procedura SL (speed limit), zwana równie ż przejazdem quasi-forsownym. Przejazd ten realizowany jest z pr ędko ści ą wyznaczon ą liniami 0-L-E-K i podobnie jak przejazd forsowny składa si ę z trzech faz: rozruch, jazda ustalona, hamowanie. Przy wykorzystaniu procedury SL regulacja zadanego przez rozkład jazdy czasu t f, dokonywana jest poprzez redukcj ę pr ędko ści maksymalnej. Ostatni ą procedur ą jest procedura FC (fixed caosting), nazywana równie ż przejazdem energooszcz ędnym. Przejazd energooszcz ędny realizowany jest z pr ędko ści ą wyznaczon ą liniami 0-A-B-C-F-K, składaj ąc si ę tym samym z wszystkich czterech faz jazdy poci ągu: rozruch, jazda ustalona, jazda wybiegiem (C-F) oraz hamowania. W przypadku przejazdu energooszcz ędnego regulacja zadanego przez rozkład jazdy czasu t f, realizowana jest przez regulacj ę długo ści odcinka linii kolejowej na którym realizowana jest jazda wybiegiem. Przejazd energooszcz ędny mo że odbywa ć si ę z pomini ęciem fazy jazdy z pr ędko ści ą ustalon ą według

24

przebiegu pr ędko ści, wyznaczonego liniami 0-B-I-K lub 0-A-I-K, gdy dodatkowo obni żana jest pr ędko ść maksymalna. Na przebieg pr ędko ści v w funkcji drogi s podczas realizacji fazy rozruchu ma wpływ warto ść sił wyst ępuj ących na styku szyn i kół nap ędowych, których sumaryczna warto ść równa si ę tzw. sile trakcyjnej. W celu okre ślenia warto ści wspomnianej siły wykorzystuje si ę charakterystyk ę trakcyjn ą lokomotywy, przedstawian ą zwyczajowo w formie zbioru charakterystyk siły poci ągowej lokomotywy w funkcji pr ędko ści Fi(V) (rys. 2.8 i 2.9)

Rys. 2.8. Charakterystyka trakcyjna lokomotywy elektrycznej serii ET22 [51]

25

Rys. 2.9. Charakterystyka trakcyjna lokomotywy spalinowej serii SU45 [51]

Warto ść nastawy układu nap ędowego i jest okre ślana równie ż podczas bada ń symulacyjnych z wykorzystaniem programów RSEL i RSDL.

2.3.2. Program wykorzystuj ący model maszynisty

Przedstawiony w pracy [57] program do symulacji jazdy poci ągiem składa si ę z czterech zasadniczych elementów (rys. 2.10): danych wej ściowych, modelu poci ągu, modelu maszynisty oraz danych wyj ściowych.

Model maszynisty Dane wej ściowe - Dane składu poci ągu, - Parametry linii kolejowej Model poci ągu - Wskazania sygnalizacji kabinowej. Obliczenia symulacyjne - Zu życie energii, - Czas jazdy, - Przebyty dystans.

Rys. 2.10 Podstawowe elementy programu do symulacji [57] {tłumaczył: P. Kortas}

26

Zasadniczym elementem programu jest model poci ągu. Podobnie jak w przypadku programów RSEL i RSDL, model poci ągu bazuje na ogólnym matematycznym modelu ruchu poci ągu, opisanym równaniami 2.1 i 2.2. Dane wej ściowe, wykorzystywane w obliczeniach obejmuj ą podstawowe informacje dotycz ące poci ągu jak: masa i jego długo ść , liczba wagonów, liczba zestawów kołowych, jak równie ż typy wagonów, znajduj ących si ę w składzie. Danymi wej ściowymi s ą równie ż parametry linii kolejowej, jak informacje pochodz ące z urz ądze ń sygnalizacji kabinowej. Nale ży zaznaczy ć, że opisywany program do symulacji jazdy poci ągu powstał w oparciu o badania pojazdów kolejowych eksploatowanych na ternie Szwecji. Na większo ści linii kolejowych w tym kraju wykorzystywany jest system ATC (Automatic Train Control), w skład którego wchodz ą mi ędzy innymi wspomniane urz ądzenia sygnalizacji kabinowej montowane w pojazdach kolejowych. Sygnalizacja kabinowa ma za zadanie mi ędzy innymi informowa ć maszynist ę o dopuszczalnej pr ędko ści vATC(n) , obowi ązuj ącej na odcinku linii kolejowej, po której jedzie poci ąg. Ponadto wy świetlana jest informacja o dopuszczalnej pr ędko ści na nast ępnym odcinku linii vATC(n+1) , a tak że odległo ść do punktu, w którym pr ędko ść ta zacznie obowi ązywa ć. Wynikiem oblicze ń symulacyjnych jest zu życie energii, czas jazdy oraz przebyty przez poci ąg dystans. W opisywanym programie wyodr ębniono jeszcze jeden istotny element, jakim jest model maszynisty. W elemencie tym zachodz ą procesy decyzyjne, dotycz ące jazdy pod obci ąż eniem, jazdy wybiegiem oraz hamowania. Ponadto ustalana jest nastawa mocy układu nap ędowego oraz stopie ń hamowania. Model maszynisty ma za zadanie jak najdokładniejsze odzwierciedlenie procesu manualnego prowadzenia poci ągu, co wymaga by uwzgl ędniał on wiele czynników, wyst ępuj ących podczas jazdy poci ągu. Przykładowo podczas realizacji hamowania lub redukcji pr ędko ści, ze wzgl ędu na dług ą drog ę hamowania, wynikaj ącą z du żej bezwładno ści, a tak że fakt wyst ępuj ącej zwłoki czasowej w działaniu układu hamulcowego decyzja o wdro żeniu hamowania musi by ć podj ęta ze znacznym wyprzedzeniem.

27

Na rys. 2.11 przedstawiono główny algorytm modelu maszynisty, w którym wyró żniono trzy zasadnicze moduły: główny moduł decyzyjny, moduł decyzyjny jazdy wybiegiem oraz moduł regulacji pr ędko ści.

Główny moduł decyzyjny Moduł decyzyjny jazdy ATC cst , ATC brk wybiegiem Ustala jak prowadzi ć poci ąg kiedy zbli ża si ę ograniczenie Ustala czy wszystkie warunki pr ędko ści. jazdy wybiegiem s ą spełnione Sygnalizowanie: ATC , ATC cst brk cst start Sygnalizowanie: cst start , cst stop cst stop

III I Flag cst(i-1) Czy NIE Czy NIE Flag cst(i-1) =0 cst stop =0 ? ?

TAK TAK

II Czy NIE cst start =1 i cst stop =0 ?

TAK

Flag cst(i) =0 Flag cst(i) =1 Flag cst(i) =0

IV Czy NIE γ(i)=0 Flag cst(i-1) =0 β(i)=0 ? (jazda wybiegiem)

(jazda pod obci ąż eniem/ TAK hamowanie)

ai, v i, Moduł kontroli γ(i)=0, β(i)=0 ACT , v +,v - pr ędko ści Flag brk a a cst(i) Rys. 2.11. Główny algorytm modelu maszynisty [57] {tłumaczył: P. Kortas} i – krok obliczeniowy , ATC cst –sygnał jazdy wybiegiem, ATC brk – sygnał hamowania, cst start – sygnał wdra żaj ący jazd ę wybiegiem, cst stop – sygnał przerywaj ący jazd ę wybiegiem, Flag cst(i-1) – sygnał dot. jazdy wybiegiem w poprzednim korku obliczeniowym, Flag cst(i) – sygnał dot. jazdy wybiegiem w bie żą cym korku obliczeniowym, γ(i) – stopie ń obci ąż enia układu nap ędowego, β(i) – stopie ń hamowania, ai – + - przyspieszenie, vi – pr ędko ść poci ągu, va – górna odchyłka pr ędko ści, va – dolna odchyłka pr ędko ści

28

Główny moduł decyzyjny, który ma za zadanie dokonanie wyboru pomi ędzy hamowaniem a jazd ą wybiegiem przed zbli żaj ącym si ę ograniczeniem pr ędko ści. Na rys. 2.12 przedstawiono poci ąg poruszaj ący si ę z pr ędko ści ą v oraz b ędący w odległo ści χn od punktu ograniczenia pr ędko ści.

Poci ąg

Tor

Rys. 2.12. Poci ąg zbli żaj ący si ę do ograniczenia pr ędko ści [57] {tłumaczył: P. Kortas} - pr ędko ść graniczna wdra żaj ąca hamownie, - pr ędko ść dopuszczalna, - pr ędko ść poci ągu, - odległo ść czoła poci ągu od sygnalizatora, Slead – odległo ść punktu decyzji od sygnalizatora Jak wspomniano, w takim przypadku decyzja o odpowiednim działaniu musi by ć podj ęta z wyprzedzeniem. W modelu maszynisty przyj ęto, że decyzja podejmowana jest w punkcie poprzedzaj ącym sygnalizator. Odległo ść punktu decyzji od wspomnianego sygnalizatora przedstawiona jest w formie dystansu Slead , podzielonego na dwa odcinki Sfrw oraz Sbrk .

W obr ębie odcinka Sfrw mo że zosta ć podj ęta decyzja o zmianie obci ąż enia układu nap ędowego lokomotywy, wdro żeniu jazdy wybiegiem lub hamowania o ograniczonym stopniu.

29

W obrębie odcinka Sbrk by zredukowa ć pr ędko ść poci ągu do warto ści vACT(n+1) konieczne jest wdro żenie hamowania. Warto ść sbrk wyra żona jest równaniem empirycznym:

(2.3) 4,9 1 ∆ ∆ 0,05 ∆ · 1000 2 0,032 gdzie: - droga hamowania, - przyrost czasu, ∆ - pr ędko ść poci ągu, - pr ędko ść dopuszczalna na nast ępnym odcinku, - nachylenie linii kolejowej, - przyspieszenie ziemskie. Warto zaznaczy ć, że na rys. 2.11 zaznaczona jest pr ędko ść vb2 , która oznacza pr ędko ść graniczn ą, po przekroczeniu której system ATC (Automatic Train Control) wdra ża pełne hamowanie. Warto ść pr ędko ści vb2 jest o 2,8 m/s (10 km/h) wi ększa od dopuszczalnej pr ędko ści na danym odcinku linii kolejowej, co wyra żono równaniem: (2.4) gdzie: 2,8 - pr ędko ść graniczna wdra żaj ąca hamownie, - pr ędko ść dopuszczalna.

30

Na rys. 2.13 przedstawiono algorytm głównego modułu zarz ądzaj ącego, składaj ącego si ę z czterech bloków decyzyjnych.

(Kontynuowa ć VVCzy I poprzedni ą v(i) >V ATC(n+1) Czy czynno ść ) i Xn(i) ≥ Sbrk(i) NIE NIE ATC cst =0 Slead(i) ≥ Xn(i) ≥ Sbrk(i) i ATC brk =0 i v(i) >V ATC(n+1) G(i) >0 ? ?

TAK TAK

VII VIII Czy Czy v >v +2.8 v >v +2.8 ATC =1 (i) ATC(n+1) NIE (i) ATC(n+1) cst lub lub ATC brk =0 G(i)<0 G(i) >0 NIE ? ?

TAK TAK

ATC cst =1 ATC cst =1 ATC brk =0 ATC brk =0 γ(i) =0 β(i) = βmax /3 (Propozycja jazdy wybiegiem) (Hamowanie!)

Rys. 2.13. Algorytm głównego bloku decyzyjnego [57] {tłumaczył: P. Kortas} i – krok obliczeniowy, v(i) – pr ędko ść poci ągu, vATC – pr ędko ść dopuszczalna wg ATC, Slead(i) – odległo ść punktu decyzji od sygnalizatora, Sbrk(i) – droga hamowania, χn(i) – odległo ść czoła poci ągu od sygnalizatora, G(i) – nachylenie toru, ATC cst – sygnał jazdy wybiegiem, ATC brk – sygnał hamowania,

γ(i) – stopie ń obci ąż enia układu nap ędowego, β(i) – stopie ń hamowania

Wynikiem procesu decyzyjnego s ą dwa sygnały ATC brk oraz ATC cst . S ą to sygnały dwustanowe, przyjmuj ące warto ści 0 lub 1. Osi ągni ęcie przez sygnał ATC brk warto ści 1 oznacza wdro żenie hamowania. Natomiast osi ągni ęcie przez sygnał ATC cst warto ści 1 oznacza jedynie propozycj ę jazdy wybiegiem. Proces decyzyjny rozpoczyna si ę w bloku V. Gdy spełniony jest warunek, że pr ędko ść poci ągu vi jest wi ększa od zbli żaj ącego si ę ograniczenia pr ędko ści vATC(n+1) wg sytemu ACT oraz poci ąg znajduje si ę w obr ębie odcinka Sbrk oraz nachylenie Gi jest

31

wi ększe od 0, co oznacza jazd ę „pod gór ę” sygnał ATC cst osi ąga warto ść 1. Gdy który ś z warunków nie jest spełniony proces decyzyjny jest kontynuowany w bloku IV, gdzie sprawdzane s ą warunki czy poci ąg jest w zakresie odcinka Sbrk oraz czy pr ędko ść vi jest wi ększa od zbli żaj ącego si ę ograniczenia pr ędko ści vATC(n+1) wg sytemu ACT . Gdy pierwszy lub drugi warunek nie jest spełniony proces decyzyjny jest przerywany. Natomiast gdy spełnione są oba warunki nast ępuje kontynuacja procesu decyzyjnego w bloku VII. Gdy spełniony jest warunek, że pr ędko ść poci ągu jest wi ększa od dopuszczalnej pr ędko ści vATC(n+1) powi ększonej o warto ść 2.8 m/s, lub jazda odbywa si ę „w dół” po nachyleniu toru, wdra żane jest hamowanie.

Hamowanie odbywa si ę przy stopniu β(i) , odpowiadaj ącym 1/3 maksymalnego hamowania βmax . Gdy warunki zawarte w bloku VII nie s ą spełnione proces decyzyjny realizowany jest w bloku w bloku VIII, gdzie sprawdzane s ą warunki, czy pr ędko ść vi jest mniejsza b ądź równa pr ędko ści dopuszczalnej vATC(n+1) powi ększonej o warto ść 2.8 m/s lub jazda realizowana jest „pod gór ę”.

Gdy który ś z warunków jest spełniony sygnał ATC cst osi ąga warto ść 1. Gdy oba warunki nie s ą spełnione nast ępuje przerwanie procesu decyzyjnego.

Sygnały ATC brk oraz ATC cst są wykorzystywane w module decyzyjnym jazdy wybiegiem.

Wynikami procesu decyzyjnego, zachodz ącego w module s ą dwa sygnały dwustanowe cst start, cst stop . Algorytm wspomnianego modułu przedstawiono na rys. 2.14.

IX X Czy vb1 ≥ v (i) ≥ v ATC(n) Czy lub {( v(i) ≤ v cst ) i ( ATC cst =1 )} {(v ≥ v ≥ v ) ATC(n) (i) cst NIE lub NIE i {( v(i) > vb1 )i ( ATC cst =1 ) (G i< -5) i (a(i) > 0)} i (G<0 )} lub lub ATC cst =1 ATC brk =1 ? ?

TAK TAK

cst start =1 cst start = 0 cst stop =1 cst stop = 0 (Rozpocz ęcie (Zako ńczenie jazdy wybiegiem) jazdy wybiegiem)

Rys. 2.14. Algorytm modułu decyzyjnego jazdy wybiegiem [57] {tłumaczył: P. Kortas} i – krok obliczeniowy, v(i) – pr ędko ść poci ągu, a(i) – przyspieszenie poci ągu, vb1 – pr ędko ść dopuszczalna, vcst – dolna granica pr ędko ści, vATC – pr ędko ść dopuszczalna, G(i) – nachylenie toru, ATC cst – sygnał jazdy

32

wybiegiem, ATC brk – sygnał hamowania, cst start – sygnał wdra żaj ący jazd ę wybiegiem, cst stop – sygnał przerywaj ący jazd ę wybiegiem

Moduł ten składa si ę z dwóch bloków decyzyjnych IX i X. Jak mo żna zauwa żyć w blokach decyzyjnych pojawiaj ą si ę warto ści pr ędko ści vb1 oraz vcst . Pr ędko ść vb1 jest pr ędko ści ą poci ągu, po przekroczeniu której maszynista musi podj ąć środki ostro żno ści, by nie przekroczy ć pr ędko ści vb2 , która spowoduje automatyczne hamowanie poci ągu. Warto ść pr ędko ści vb1 wyra żona jest równaniem: (2.5) gdzie: - maksymalna pr ędko ść dopuszczalna [m/s], - pr ędko ść podana przez system ATC [m/s], - górna granica pr ędko ści [m/s]. Pr ędko ść vcst jest pr ędko ści ą, poni żej której musi zosta ć zako ńczona jazda wybiegiem. Pr ędko ść ta okre ślona jest równaniem: (2.6) gdzie: - dolna granica pr ędko ści poci ągu [m/s], pr ędko ść podana przez system ATC [m/s], - dolnej granica pr ędko ści [m/s]. -

+ Dla zaprezentowanego modelu maszynisty górna granica pr ędko ści va wynosi 1,4 m/s,

- a dolna va 3,2 m/s.

Sygnał cst start osi ąga warto ść 1, gdy spełniony jest warunek dla którego, pr ędko ść poci ągu v(i) zawiera si ę w przedziale ; , lub pr ędko ść poci ągu v(i) zawiera si ę w przedziale ; , przy czym spełniony jest jeszcze warunek Gi<-5, co świadczy o zje ździe po stromym zboczu oraz warunek, że a(i) >0 , czyli poci ąg przyspiesza. Ponadto cst start =1, gdy po procesie decyzyjnym w głównym module decyzyjnym sygnał ACT cst =1.

Sygnał cst stop osi ąga warto ść 1, gdy spełniony jest warunek dla którego, pr ędko ść poci ągu v(i) jest mniejsza od pr ędko ści vcst . Ponadto sygnał cst stop osi ąga warto ść 1, gdy spełnione s ą warunki: pr ędko ść poci ągu v(i) jest wi ększa ni ż pr ędko ść vb1 i Gi< 0 oraz sygnał

ACT cst =0. Spełnienie warunku ACT brk =1 równie ż powoduje, że sygnał cst stop =1. Ostateczna decyzja o je ździe wybiegiem jest podejmowana po procesie decyzyjnym, maj ącym miejsce w blokach I, II i III (rys. 6). Oprócz sygnałów ACT cst , ACT brk , cst start , cst stop uwzgl ędniany jest sygnał Flag cst(i-1) . Warto ść sygnału Flag cst(i-1) =1 oznacza, że w poprzednim kroku obliczeniowym była realizowana jazda wybiegiem. Jazda wybiegiem w bie żą cym kroku obliczeniowy jest wdra żana w dwóch przypadkach.

W pierwszym przypadku sygnał Flag cst(i-1) osi ąga warto ść 0 (blok I) oraz sygnał cst start =1,

33

a tak że cst stop =0 (blok II). W drugim natomiast sygnał Flag cst(i-1) =1 (blok I) oraz cst stop =0 (blok III). Model maszynisty zawiera moduł kontroli pr ędko ści, który pełni rol ę regulatora mocy układu nap ędowego i stopnia hamowania. W przypadku jazdy moduł ma za zadanie odpowiedni dobór mocy lub stopnia hamowania, by utrzyma ć zadan ą pr ędko ść vatc . W przypadku realizacji hamowania stopie ń hamowania zale ży od chwilowego opó źnienia poci ągu.

2.4. Podsumowanie

Zaprezentowane programy udowodniły przydatno ść w badaniach symulacyjnych elektrycznych pojazdów kolejowych, maj ących na celu okre ślenie ilo ści zu żytej podczas pracy energii oraz czasu jazdy. Brak w literaturze jest jednak informacji o wykorzystaniu powy ższych programów w badaniach symulacyjnych lokomotyw spalinowych przez co trudno jest oceni ć jako ść programów. Zastosowane we wspomnianych programach procedury regulacji mocy, które sprawdzaj ą si ę w przypadku silników elektrycznych, mog ą okaza ć si ę mało przydatne w przypadku silników spalinowych. Trzeba mie ć na uwadze, że regulacja mocy układów nap ędowych pojazdów elektrycznych jest znacznie prostsza, szczególnie w przypadku stosowanych obecnie układów zasilaj ących, opartych na elementach półprzewodnikowych. Moc silnika elektrycznego mo żna zmienia ć dynamicznie, ze wzgl ędu na brak negatywnego wpływy stanów przej ściowych na parametry pracy. Jedynym ograniczeniem w procesie regulacji mocy jest warto ść nat ęż enia pr ądu zasilaj ącego, która bezpo średnio wpływa na temperatur ę uzwoje ń silnika. Natomiast w przypadku silników spalinowych stany przej ściowe powoduj ą nie tylko obni żenie sprawno ści ogólnej, ale powoduj ą zwi ększenie emisji zwi ązków szkodliwych w spalinach do atmosfery i przyczyniaj ą si ę do szybszego zu żywania poszczególnych cz ęś ci silnika. Nale ży równie ż zaznaczy ć, że w przeciwie ństwie do silnika elektrycznego silnik spalinowy osi ąga wysok ą sprawno ść jedynie w w ąskim przedziale momentu obrotowego i pr ędko ści obrotowej wału korbowego. Program symulacyjny pracy lokomotywy spalinowej musi zatem uwzgl ędnia ć procedury regulacji mocy, które maj ą na celu redukcj ę czasu pracy w stanach nieustalonych, a tak że zapewniaj ą prac ę silnika spalinowego w zakresie o najwy ższej sprawno ści.

34

3. TEZA I CEL PRACY

Teza:

Wykorzystuj ąc wyniki analizy literaturowej oraz rezultaty bada ń własnych przyj ęto, że mo żliwa jest poprawa odwzorowania pracy lokomotywy spalinowej z przekładni ą elektryczn ą w rzeczywistych warunkach eksploatacji za pomoc ą modelu matematycznego wykorzystuj ącego wybrane charakterystyki silnika spalinowego, pr ądnicy głównej, silników trakcyjnych i urz ądze ń pomocniczych oraz model automaszynisty lokomotywy, który odwzoruje proces decyzyjny operatora tego systemu.

Cel:

Celem pracy jest stworzenie efektywnego modelu układu nap ędowego lokomotywy spalinowej z przekładni ą elektryczn ą. Ten model powinien: − umo żliwia ć przeprowadzenie optymalnego, ze wzgl ędu na zu życie paliwa, doboru lokomotywy do wyznaczonego zadania, − wspomaga ć proces projektowania oraz doboru układów nap ędowych nowych i modernizowanych lokomotyw, − wspomaga ć proces decyzyjny zakupu nowych lokomotyw dla zdefiniowanych zada ń, − wspomaga ć proces tworzenia rozkładu jazdy poprzez mo żliwo ści wyznaczania wpływu masy poci ągu oraz typu lokomotywy na własno ści trakcyjne składu.

35

4. ZAŁO ŻENIA DLA PRZYJ ĘTEJ METODYKI BADA Ń

4.1. Informacje wst ępne

Obiektem bada ń jest lokomotywa ST44 (rys. 1.9.), wykorzystywana do prowadzenia poci ągów towarowych. Lokomotywa wyposa żona jest w dwa zasadnicze systemy pomiarowo- rejestruj ące, wykorzystywane do pomiaru i rejestracji parametrów jazdy, jak równie ż do pomiaru i rejestracji zmiany ilo ści paliwa w zbiornikach. Dane z rejestratorów parametrów jazdy wykorzystywane s ą głównie w dochodzeniach, prowadzonych po zaistniałych zdarzeniach, jak: wykolejenia, kolizje z innymi pojazdami kolejowymi lub samochodowymi czy potr ącenia ludzi. Te dane słu żą do oceny prawidłowo ści zachowania maszynisty, zwi ązanego z przestrzeganiem przez niego ograniczenia pr ędko ści, u życiem sygnału d źwi ękowego, ostrzegaj ącego o niebezpiecze ństwie czy odpowiednim wdro żeniem hamowania awaryjnego. Dane z rejestratorów ilo ści paliwa natomiast wykorzystywane s ą wył ącznie do tworzenia raportów zu życia paliwa podczas pracy oraz ochrony paliwa przed kradzie żą . Podczas swojej kariery zawodowej w spółkach kolejowych PKP Cargo S.A. i PKP Intercity S.A. autor pracy zauwa żył, że ze wzgl ędu na du żą liczb ę parametrów rejestrowanych systemy pomiarowo-rejestruj ące mog ą one równie ż znale źć zastosowanie w diagnostyce urz ądze ń, wchodz ących w skład układu nap ędowego lokomotywy. Wspomniane dane były wykorzystywane podczas tworzenia przez autora pracy ekspertyz technicznych na okoliczno ść zaistniałych usterek. Du ża liczba rejestrowanych danych w przypadku bada ń, przeprowadzanych przez autora na poczet niniejszej pracy, skutkowała brakiem konieczno ści stosowania dodatkowych urz ądze ń pomiarowych, spowodowało to znaczne obniżenie nakładów finansowych prowadzonych bada ń.

4.2. Struktura warunków eksploatacji lokomotywy spalinowej

Zadaniem układu energetycznego jest dostarczenie energii mechanicznej, elektrycznej i cieplnej do odpowiednich wydzielonych odbiorników oraz grup odbiorników. W ogólnym przypadku układ energetyczny obejmuje elementy paliwochłonne, tj. silniki cieplne (spalinowe), kocioł opalany (wytwornica ciepła) oraz urz ądzenia przekształcaj ące rodzaje energii (pr ądnice, turbiny utylizacyjne), a tak że urz ądzenia zmieniaj ące parametry strumieni energii (przekładnie, kotły utylizacyjne). Autonomiczne układy energetyczne w transporcie drogowym i kolejowym, jak równie ż jednostki pływaj ące w transporcie morskim, wykazuj ą w tym wzgl ędzie wiele analogii [6], do dalszej analizy proponuje si ę struktur ę warunków eksploatacji lokomotyw spalinowych wzorowan ą na rozwi ązaniu przedstawionym na rys. 2.2. Propozycja ogólnej struktury czasowej warunków eksploatacji lokomotyw spalinowych z przekładniami elektrycznymi (rys. 4.1) [44] bazuje na wieloletnim do świadczeniu eksploatacyjnym jednego z autorów i jednoczenie wykorzystuje terminologi ę bran żow ą powszechnie wykorzystywan ą w transporcie kolejowym.

36

Rys. 4.1. Ogólna struktura czasowa warunków eksploatacji lokomotyw spalinowych z przekładniami elektrycznymi [44]

Istotnym problemem towarzysz ącym analizie warunków eksploatacji lokomotyw jest sezonowa zmienno ść warunków zewn ętrznych. Warunki te mog ą mie ć bezpo średni wpływ na eksploatacj ę lokomotyw wynikaj ącą np. z innego współczynnika tarcia mi ędzy kołem a szyn ą w okresie jesiennym lub konieczno ści ą wst ępnego podgrzewania silników spalinowych. Zauwa żalny jest równie ż wpływ po średni warunków zewn ętrznych, np. w postaci wzrostu masy przewo żonego paliwa w okresie zimowym. W celu uwzgl ędnienia wpływu takich czynników na prac ę lokomotyw spalinowych nale żałoby przeprowadza ć analiz ę czasow ą struktury warunków eksploatacji dla okresu 1 roku. W okresie tym lokomotywa jest poddawana planowym przegl ądom i naprawom w czasie ( τn), jak równie ż znajduje si ę w stanie gotowo ści technicznej w czasie ( τg). Zgodnie z zaproponowan ą na rys. 4.1 struktur ą mo żna wymieni ć nast ępuj ące warunki eksploatacji lokomotyw spalinowych z przekładniami elektrycznymi: • przegl ądy i naprawy - lokomotywa nie mo że by ć wykorzystywana do wykonywania pracy, • gotowo ść techniczna - lokomotywa jest zdolna do wykonywania pracy, o postój w rezerwie - lokomotywa jest przygotowana do pracy i przebywa na terenie lokomotywowni, stacji lub bocznicy bez załogi obsługuj ącej oraz bez wyznaczonego zadania, o praca lokomotywy - lokomotywa wraz z załog ą wykonuje wyznaczone zadanie,

ß praca przesyłowa - lokomotywa poruszaj ąca si ę po szlaku kolejowym bez wagonów w celu dojazdu do miejsca podj ęcia wagonów, wykonywania prac manewrowych lub innych prac, takich jak prace pomocnicze czy prace ze specjalnymi pojazdami kolejowymi. Z prac ą przesyłow ą mamy również do czynienia w ramach potrzeb własnych lokomotywowni, w przypadku przejazdu lokomotywy do i z miejsca wykonywania napraw okresowych, skierowania lokomotywy do innej lokomotywowni oraz jazdy próbnej. 37

ß praca manewrowa - lokomotywa wykorzystywana jest do rozrz ądu i zestawiania poci ągów, podstawiania wagonów na punkty ładunkowe oraz ich zabierania, podstawiania i zabierania składów pasa żerskich na perony i z peronów na grup ę odstawcz ą, przestawiania wagonów, grup wagonów i całych składów poci ągowych z jednego toru na drugi, podstawiania wagonów lub innych pojazdów kolejowych do wykonania czynno ści dodatkowych, jak: czyszczenia, mycie, odka żanie, wa żenie, naprawy itp.

ß praca poci ągowa w trakcji pojedynczej - lokomotywa wykorzystywana jest do ci ągni ęcia lub pchania wagonów lub innych pojazdów kolejowych na szlaku kolejowym zgodnie z wyznaczonym rozkładem jazdy.

ß praca poci ągowa w trakcji wielokrotnej lub praca wspomagaj ąca - prowadzenie poci ągu odbywa si ę za pomoc ą co najmniej dwóch lokomotyw. Ten rodzaj pracy charakterystyczny jest dla poci ągów, których trasa wyznaczona jest szlakami o du żym zró żnicowaniu pochyle ń, przebiega zarówno szlakami zelektryfikowanymi jak i nie zelektryfikowanymi lub gdy na trasie pociągu nast ępuje zmiana liczby wagonów w składzie o du żej masie. Ró żnica pomi ędzy prac ą w trakcji wielokrotnej a prac ą wspomagaj ącą polega na sposobie sterowania lokomotyw. W pierwszym przypadku lokomotywy poł ączone s ą za pomoc ą sprz ęgów wielokrotnych, co umo żliwia ich sterowanie z jednego stanowiska sterowniczego znajduj ącego si ę w lokomotywie prowadz ącej. W przypadku pracy wspomagaj ącej dodatkowa lokomotywa posiada własn ą dru żyn ą trakcyjn ą, a sterowanie ni ą odbywa si ę z własnego stanowiska sterowniczego. W ramach wymienionych warunków eksploatacji: pracy przesyłowej, pracy manewrowej, pracy poci ągowej w trakcji pojedynczej i pracy poci ągowej w trakcji wielokrotnej lub pracy wspomagaj ącej wymieni ć mo żna bardziej szczegółowo kolejne warunki eksploatacji (rys. 4.2), które w zasadniczy sposób ró żni ą si ę mi ędzy sob ą ze wzgl ędu na sposób wykorzystania silnika spalinowego, generowan ą moc, a w konsekwencji równie ż mas ę zu żywanego paliwa w rozwa żanym okresie.

38

a) b)

Rys. 4.2. Struktura czasowa warunków eksploatacji lokomotyw spalinowych z przekładniami elektrycznymi [44]: a) podczas pracy przesyłowej, pracy manewrowej, pracy poci ągowej w trakcji pojedynczej, b) podczas pracy poci ągowej w trakcji wielokrotnej lub pracy wspomagaj ącej

Zgodnie z zaproponowan ą na rys. 4.2 struktur ą mo żna wymieni ć nast ępuj ące warunki eksploatacji lokomotyw spalinowych z przekładniami elektrycznymi podczas pracy przesyłowej, manewrowej, poci ągowej w trakcji pojedynczej i wielokrotnej lub wspomagaj ącej: Postój z wył ączonym silnikiem spalinowym - podczas przeprowadzania prac manewrowych mo żliwa jest realizacja postoju z silnikiem wył ączonym. Wymaga to jednak dokładnej organizacji tych prac. Postój z pracuj ącym silnikiem spalinowym - podczas pracy na szlaku realizacja postoju odbywa si ę zazwyczaj przy wł ączonym silniku spalinowym pracuj ącym na biegu jałowym. Wynika to ze stosunkowo krótkich okresów postoju. Ten stan realizowany jest w nast ępstwie braku mo żliwo ści kontynuowania jazdy spowodowanej wskazaniem przez semafor sygnału „stój”. Postój jest równie ż realizowany na dodatkowych torach stacyjnych, na które jest skierowany poci ąg towarowy lub lokomotywa w celu odblokowania szlaku dla poci ągu o wy ższej kategorii. Jazda pod obci ąż eniem , podczas której moc z silnika spalinowego przekazywana jest za po średnictwem przekładni elektrycznej na zestawy kołowe. Jazda wybiegiem , podczas której silnik pracuje na biegu jałowym. Znaczny udział czasu jazdy wybiegiem jest charakterystyczny dla transportu kolejowego i wynika z faktu relatywnie małych oporów ruchu i du żej energii kinetycznej zgromadzonej w poruszaj ącej si ę masie lokomotywy oraz wagonów. Jazda z wył ączonym silnikiem spalinowym , która mo że wyst ępowa ć wył ącznie w przypadku pracy poci ągowej w trakcji wielokrotnej lub pracy wspomagaj ącej. Ma to miejsce

39

w przypadku , gdy nie ma zapotrzebowania na moc dodatkowej lokomotywy, a jej silnik spalinowy jest wył ączony. W opisie warunków eksploatacji lokomotywy pojawiło si ę tak że poj ęcie biegu jałowego silnika spalinowego, które w przypadku lokomotyw różni si ę od ogólnej definicji stanu pracy silnika, w którym energia doprowadzona do silnika zu żywana jest na pokrycie własnych oporów ruchu. W odniesieniu do silników pojazdów kolejowych stanem biegu jałowego okre śla si ę zwyczajowo stan pracy silnika przy braku przekazywania mocy na zestawy kołowe oraz do nap ędu wielu urz ądze ń pomocniczych pojazdu, takich jak: spr ęż arka powietrza, pr ądnica pomocnicza lub pr ądnica ogrzewcza w przypadku lokomotyw pasa żerskich. W celu uzyskania charakterystyk elementów struktury warunków eksploatacji, przydatnych do przeprowadzenia analiz porównawczych oraz oblicze ń, nale ży posługiwa ć si ę udziałami czasu poszczególnych rodzajów pracy w rozwa żanym okresie eksploatacji:

(4.1) gdzie: – czas eksploatacji lokomotywy spalinowej z przekładni ą elektryczn ą w rozwa żanym okresie eksploatacji, – rozwa żany okres eksploatacji, np. 1 rok. Przyjmuj ąc przykładowo, że rozwa żany okres pracy danej lokomotywy wynosi - , czas pracy przesyłowej - , manewrowej - , poci ągowej w trakcji pojedynczej - , poci ągowej w trakcji wielokrotnej lub wspomagaj ącej - , mo żna wyznaczy ć udziały czasu pracy: przesyłowej - , manewrowej - , poci ągowej w trakcji pojedynczej - i poci ągowej w trakcji wielokrotnej lub wspomagaj ące - . 4.3. Dane pomiarowe i informacje niezb ędne przy tworzeniu modelu układu nap ędowego

4.3.1. Pomiar masowego i obj ęto ściowego strumienia paliwa

Istnieje wiele metod pomiaru masowego lub obj ęto ściowego strumienia paliwa zu żywanego przez silnik spalinowy lokomotywy. Najprostsz ą metod ą, z uwagi na brak konieczno ści u żywania specjalistycznych urz ądze ń pomiarowych, jest okre ślenie obj ęto ściowego strumienia przez pomiar ubytku obj ęto ści paliwa w okre ślonym czasie z zewn ętrznego zbiornika pomiarowego np. menzurki, a nast ępnie uwzgl ędnienie g ęsto ści paliwa. Oczywi ście wymaga to uwzgl ędnienia zwrotów nadwy żek paliwa odprowadzanych za pomoc ą układu przelewowego do zbiornika lokomotywy. Mo żna to osi ągn ąć mi ędzy innymi poprzez skierowanie strumienia paliwa z układu przelewowego z powrotem do zbiornika pomiarowego. Zautomatyzowany pomiar mo żna przeprowadzi ć wykorzystuj ąc układ zło żony z zewn ętrznego zbiornika wyposa żonego w wag ę tensometryczn ą (rys. 4.3, 4.4) [45, 21]. Zalet ą tej metody jest bezpo średnie okre ślanie masowego strumienia paliwa.

40

Rys. 4.3. Schemat układu pomiaru masy zu żytego paliwa [45]: 1 – waga tensometryczna, 2- przewód zasilaj ący, 3- przewody układu przelewowego

Rys. 4.4. Naczynie pomiarowe układu pomiaru zu życia paliwa [21]

Wad ą opisanych powy żej metod pomiaru masowego strumienia paliwa zu żytego przez silnik jest konieczno ść ingerencji w układ paliwowy (rys. 4.5) [18]. Stopie ń ingerencji zale ży od poziomu komplikacji wspomnianego układu. Strumie ń paliwa powrotnego trafia do zbiornika paliwa wi ęcej ni ż jednym przewodem, co wymusza konieczno ść rozkr ęcania wielu zł ączy przewodów w celu poł ączenia ich z zewn ętrznym zbiornikiem pomiarowym. Przygotowanie lokomotywy do pomiaru zajmuje du żo czasu, co bezpo średnio przekłada si ę na wydłu żenie czasu postoju, a tym samym na zmniejszenie gotowo ści lokomotywy do wykonywania pracy. Dlatego te ż opisane powy żej metody praktycznie nie s ą wykorzystywane.

41

Rys. 4.5. Schemat układu paliwowego lokomotyw ST44 [18]: 1 – filtr dokładnego oczyszczania, 2- pompa wtryskowa, 3- zawór przelewowy, 4, 9, 19, 21- zawory odpowietrzaj ące, 5, 23- manometry, 6- zawór bezpiecze ństwa, 7- pompa paliwa, 8- podgrzewacz paliwa, 10- szkło kontrolne poziomu paliwa w zbiorniku, 11, 17, 20- korki spustowe, 12- osadnik, 13- zawór spustowy osadu, 14- zbiornik paliwa, 15- króciec wlewowy, 16- wska źnik poziomu paliwa, 18- wst ępnego oczyszczania, 22- zawór zasilania awaryjnego pompy wtryskowej, 24- tłumiki pulsacji paliwa, 25- odpieniacz.

Obecnie coraz cz ęś ciej w lokomotywach spalinowych z przekładni ą elektryczn ą montowane s ą urz ądzenia monitoringu poziomu paliwa w zbiorniku rozchodowym, które za pomoc ą odpowiednich algorytmów obliczeniowych wyznaczaj ą obj ęto ściowe lub masowe nat ęż enie przepływu paliwa. Przykładami takich urz ądze ń mog ą by ć systemy producentów: ENTE Sp. z o.o. [20, 49], AKSEL Sp. z o.o. [1], ELTE Sp. z o.o.[19], ZPEWN Jerzy Czerwi ński [90]. Dokonuj ą one cz ęsto, w celach diagnostycznych, porównania zapotrzebowania energii elektrycznej przez silniki trakcyjne z masowym strumieniem paliwa zu żywanym przez silnik spalinowy. Strumie ń paliwa obliczany jest na podstawie pomiaru zmieniaj ącego si ę poziomu lub masy paliwa w zbiorniku. Ponadto dzi ęki zastosowaniu modułu GPS, mo żliwe jest okre ślenie poło żenia i pr ędko ści pojazdu [9]. Na rys. 4.6 [91] przedstawiono układ monitoringu firmy ZPEWN Jerzy Czerwi ński, który do okre ślania ubytku paliwa wykorzystuje pomiar jego masy za pomoc ą sond hydrostatycznych. W niektórych systemach strumie ń paliwa okre ślany jest w jednostkach obj ęto ści za pomoc ą pomiaru zmiany poziomu paliwa przy wykorzystaniu sond ultrad źwi ękowych. Ponadto pomiar obj ęto ściowego strumienia mo że by ć uzupełniony o dane z przepływomierza paliwa dostarczanego do silnika spalinowego.

42

Rys. 4.6. Układ monitoringu masowego strumienia paliwa [91]: R – rejestrator CL400, P –hydrostatyczne sondy poziomu paliwa CL411, E – miernik energii elektrycznej, M – moduł telemetryczny GPRS/GPS i antena

Obecnie w nowych lub modernizowanych lokomotywach stosuje si ę co raz cz ęś ciej silniki spalinowe wyposa żone w zasobnikowy układ wtrysku paliwa, z elektromagnetycznie sterowanymi wtryskiwaczami. Powy ższe rozwi ązanie umo żliwia okre ślenie obj ęto ściowego strumienia paliwa na podstawie znajomo ści czasu otwarcia wtryskiwaczy [61, 63]. W przypadku lokomotywy ST44, do obliczenia strumienia paliwa wykorzystano dane z systemu monitoringu Metronix firmy ENTE (rys. 4.7) [71].

Rys. 4.7. Architektura systemu Metronix [71]

Ten system wykorzystuje sondy hydrostatyczne typu CS-25 (rys. 4.8 i 4.9) [3], [2], umieszczone w zbiorniku paliwa. Sondy słu żą do pomiaru ci śnienia hydrostatycznego przy dnie

43

zbiornika, które nast ępnie jest przeliczane na obj ęto ść paliwa przy uwzgl ędnieniu tzw. krzywej kalibracyjnej zbiornika paliwa.

Rys. 4.8. Sonda CS-25 – widok [3] Rys. 4.9. Sposób zamontowania sondy w zbiorniku [2]

Pomiar realizowany jest za pomoc ą czujnika piezorezystancyjnego, który oddzielony od cieczy jest przez membran ę separuj ącą, umieszczon ą 5 mm nad dnem zbiornika. Sonda charakteryzuje si ę bł ędem podstawowym wynosz ącym 0,16% i histerez ą 0,05%. Zastosowanie dwóch sond, zamontowanych po przek ątnej zbiornika ma na celu eliminacj ę wpływu pochyło ści toru na wynik pomiaru. Oprócz danych dotycz ących poziomu paliwa w zbiorniku, dostarcza wiele innych informacji, które niezb ędne s ą w dalszej analizie. Do najwa żniejszych z nich nale żą informacje , dotycz ące stanów układu nap ędowego, które w przypadku powy ższego systemu monitoringu s ą zdefiniowane w nast ępuj ący sposób: • „Jazda, silnik wył ączony”, w którym lokomotywa porusza si ę z wył ączonym silnikiem spalinowym, co ma miejsce w przypadku, gdy lokomotywa jest ci ągni ęta lub pchana przez inny pojazd kolejowy. • „Jazda, silnik wł ączony” realizowany, gdy lokomotywa jest w ruchu z pracuj ącym silnikiem spalinowym. Warto zaznaczy ć, że stan ten jest sygnalizowany zarówno w przypadku pracy silnika spalinowego pod obci ąż eniem, gdy przekazywana jest moc z silnika spalinowego na zestawy kołowe jak i w przypadku pracy silnika na biegu jałowym. • „Postój, silnik wył ączony”, gdy pr ędko ść lokomotywy równa jest 0 km/h i jej silnik jest wył ączony. • „Postój, silnik wł ączony” jest realizowany podczas postoju lokomotywy z pracuj ącym silnikiem spalinowym.

44

Oprócz identyfikacji stanów układu nap ędowego, system monitoringu umo żliwia rejestracj ę danych dotycz ących mocy pr ądnicy głównej. Poniewa ż w przypadku lokomotywy ST44 pr ądnica główna jest maszyn ą pr ądu stałego, moc elektryczna jest iloczynem napi ęcia i nat ęż enia pr ądu w przewodach ł ącz ących pr ądnic ę główn ą z silnikami trakcyjnymi. Ogólny schemat układu pomiarowego przedstawiono na rys. 4.10.

Rys. 4.10. Schemat systemu pomiarowego lokomotywy z przekładni ą elektryczn ą

Powy ższe dane s ą podawane w funkcji czasu (t), średnio co 60 sekund, bez wzgl ędu na stan pracy. Pomiar strumienia paliwa, zu żywanego przez silnik dokonywany jest równie ż podczas badań na stanowisku diagnostycznym [21, 80], którego przykład przedstawiono na rys. 4.11 [26]. To stanowisko wyposa żone jest w opornik wodny 5 poł ączony za pomoc ą przewodów z pr ądnic ą główn ą badanej lokomotywy 14 i daje mo żliwo ść dowolnego obci ąż ania jej układu nap ędowego. Umo żliwia tym samym symulowanie wszystkich trybów pracy, jakie wyst ępuj ą w rzeczywistej eksploatacji. Opornik wodny wykonany jest w formie zbiornika, w którym znajduj ą si ę elektrody w postaci płyt zanurzonych w elektrolicie, b ędącym roztworem soli w wodzie. W przypadku opornika wodnego warto ść obci ąż enia mo że by ć dowolnie regulowana poprzez zmian ę powierzchni czynnej płyt zanurzonych w elektrolicie. Zmiana powierzchni realizowana jest za pomoc ą zmiany liczby płyt wł ączonych w obwód za pomoc ą styczników 4, jak równie ż poprzez zmian ę stopnia zanurzenia elektrod w wyniku zmiany poziomu elektrolitu przy u życiu pomp 9. Stosuje si ę równie ż rozwi ązania, wykorzystuj ące ruchome elektrody. W trakcie bada ń energia elektryczna wytworzona przez pr ądnic ę główn ą zamieniana jest w oporniku wodnym na energi ę ciepln ą elektrolitu.

45

Rys. 4.11. Stanowisko diagnostyczne [26]: 1- zbiornik elektrolitu, 2- woltomierz, 3- amperomierz, 4- styczniki, 5- opornik wodny, 6- chłodnica , 7- wentylator, 8- pompy układu chłodz ącego, 9- pompy regulacji poziomu elektrolitu, 10- analizator, 11- blok zasilania elektrycznego, 12- układ sterownia opornikiem, 13- układ sterownia badan ą lokomotyw ą

Opornik wodny wymaga chłodzenia za pomoc ą układu chłodz ącego, który składa si ę z chłodnicy 6, wentylatora 7 oraz pomp 8. Oprócz powy ższych elementów, stanowisko diagnostyczne posiada równie ż układy do pomiaru strumienia paliwa, czujniki wykorzystywane do pomiarów ró żnych parametrów silnika spalinowego, jak ci śnienia i temperatury w układach dolotowych i wylotowych, ci śnienia w układzie paliwowym oraz ci śnienia spalania w cylindrach. Ze wzgl ędu na wysok ą klas ę dokładno ści czujników, pomiary charakteryzuj ą si ę wysokim poziomem precyzji, co stanowi istotn ą zalet ę badania na stanowisku diagnostycznym. Jednak badanie to jest czasochłonne, co wymaga długotrwałego wył ączenia lokomotywy z eksploatacji, dlatego te ż przeprowadza je si ę jedynie w sytuacjach, gdy jest to wymagane przez harmonogram zamieszczony w Dokumentacji Techniczno-Ruchowej lokomotywy lub w przypadku stwierdzenia znacz ących nieprawidłowo ści w pracy układu nap ędowego.

4.3.1.1. Pomiar strumienia paliwa podczas pracy na biegu jałowym

Dokonanie pomiaru strumienia paliwa zu żywanego przez silnik spalinowy w stanie biegu jałowego wymaga identyfikacji tego stanu. W przypadku systemu Metronix z prac ą silnika w stanie biegu jałowego mamy do czynienia w przypadku, gdy system monitoringu wykazuje stan „Postój, silnik wł ączony” lub „Jazda, silnik wł ączony”. Ponadto drugi ze stanów musi by ć dodatkowo uzupełniony o dane dotycz ące mocy elektrycznej, która w tym konkretnym przypadku musi by ć równa 0 kW. Na rys. 4.12 przedstawiono zmiany obj ęto ści paliwa w zbiorniku (V pz) zarejestrowane podczas pracy silnika spalinowego w stanie biegu.

46

Rys. 4.12. Zmiany obj ęto ści paliwa w zbiorniku zarejestrowane podczas pracy silnika spalinowego w stanie biegu jałowego [45]

Ten przebieg został aproksymowany funkcj ą liniow ą: (4.2) gdzie: 0,0675 · 188 ,2 - obj ęto ść paliwa w zbiorniku [dm 3] t- czas [h] Przy zało żeniu, że g ęsto ści oleju nap ędowego wynosi 0,830 kg/dm 3 masowy strumie ń paliwa dla powy ższego pomiaru wynosi 12,3 kg/h. Uzyskanie dokładniejszych wyników jest mo żliwe przy dłu ższym czasie pomiaru w czasie postoju. Na rys. 4.13 [45] przedstawiono rozkład warto ści masowego strumienia paliwa uzyskanych w trakcie rocznej eksploatacji przy realizacji stanu postoju z silnikiem wł ączonym.

Rys. 4.13. Rozkład warto ści masowego strumienia paliwa podczas pracy silnika spalinowego w stanie biegu jałowego [45]

47

Minimalny czas postoju, dla którego obliczano masowy strumie ń paliwa, wnosił 30 min, w nast ępstwie otrzymano liczb ę pomiarów wynosz ącą 44 311. Dla tych danych (rys. 4.13) średni masowy strumie ń paliwa wynosi 12,7 kg/h.

4.3.1.2. Pomiar strumienia paliwa przy je ździe pod obci ąż eniem

Na rys.4.14 [48] przedstawiono wykres zmian poziomu paliwa i mocy elektrycznej pr ądnicy głównej podczas pracy poci ągowej lokomotywy, trwaj ącej 4 godziny. 1400 1600 moc elektryczna prądnicy głównej 1200 1500

1000 1400 V F 800 1300 [dm [kW] 3 el ]

P 600 1200

400 1100

200 1000

0 900 00:00:00 00:10:00 00:20:00 00:30:00 00:40:00 00:50:00 01:00:00 01:10:00 01:20:00 01:30:00 01:40:00 01:50:00 02:00:00 02:10:00 02:20:00 02:30:00 02:40:00 02:50:00 03:00:00 03:10:00 03:20:00 03:30:00 03:40:00 03:50:00 t [h]

Rys. 4.14. Zmiana poziomu paliwa i mocy elektrycznej pr ądnicy głównej podczas pracy poci ągowej lokomotywy [48].

Na skutek wyst ępuj ących bł ędów pomiarowych przebieg zmiany poziomu paliwa ma nieregularny kształt. W przypadku sond hydrostatycznych oprócz bł ędu czujnika pojawiaj ą si ę dodatkowe bł ędy. S ą one spowodowane pochyleniem zbiornika, kiedy lokomotywa porusza si ę po torze pochyłym, a tak że zaburzeniami powierzchni paliwa na skutek sił dynamicznych, wyst ępuj ących podczas jazdy. Bł ędy te s ą minimalizowane poprzez zastosowanie odpowiednich filtrów i oprogramowania zastosowanego w komputerze steruj ącym systemem monitoringu. Dalsz ą minimalizacj ą bł ędów osi ąga si ę poprzez zwi ększenie liczby pomiarów.

48

Na wykresie 4.15 [48] przedstawiono warto ść strumienia paliwa w funkcji mocy elektrycznej generowanej przez pr ądnic ę główn ą.

350

300

250

200

150 Ge [kg/h] 100

50

0 50 250 450 650 850 1050 1250 Pel[kW]

Rys. 4.15. Strumie ń paliwa zu żywanego przez silnik spalinowy w funkcji mocy generowanej przez pr ądnic ę główn ą [48]

Przebieg ten został aproksymowany za pomoc ą wielomianu drugiego stopnia: (4.3) gdzie: 2,3 · 10 0,23 21 ,65 - masowy strumie ń paliwa [h], - moc elektryczna pr ądnicy głównej [kW]. Powy ższe równanie zostało wykorzystane do obliczenia jednostkowego zu życia paliwa (rys. 4.16) [48]. Na rys. 4.16 przedstawiono również przebieg jednostkowego zu życia paliwa dla dwóch innych lokomotyw.

500 lokomotywa 1 lokomotywa 2 lokomotywa 3 450

400

350 ge [g/kWh] ge

300

250

200 100 300 500 700 900 1100 1300 Pel [kW]

Rys. 4.16. Jednostkowe zu życie paliwa dla trzech lokomotyw [48]

49

Pomimo, że s ą to lokomotywy tej samej serii, posiadaj ące identyczne układy nap ędowe, odznaczaj ą si ę innymi charakterystykami jednostkowego zu życia paliwa. Mo że si ę wi ęc okaza ć, że lokomotywa, charakteryzuj ąca si ę najni ższym zu życiem paliwa podczas prowadzenia ci ęż kiego poci ągu nie b ędzie równie ekonomiczna podczas lekkiej pracy poci ągowej lub manewrowej.

4.4. Pomiar i rejestracja parametrów jazdy

4.4.1. System pomiaru i rejestracji parametrów jazdy

Do pomiaru i rejestracji pr ędko ści oraz innych parametrów jazdy lokomotywy wykorzystano system firmy Hasler. W skład systemu wchodzi jednostka steruj ąca Teloc 1500 (rys. 4.17) [33], jednostka obrazowania i komunikacji A302H (rys. 4.18) [77] oraz czujnik obrotów Halla GEL2710.x. (rys. 4.19)[34]. Głównym przeznaczeniem systemu jest pomiar, rejestracja oraz wizualizacja podstawowych parametrów jazdy jak pr ędko ść oraz przebyty dystans. Ponadto system wykorzystywany jest do rejestracji innych sygnałów analogowych, jak ci śnienie powierza w głównym przewodzie hamulcowym, a tak że sygnałów binarnych, wysyłanych przez układy bezpiecze ństwa, jak: układ Samoczynnego Hamowania Poci ągu (SHP) i Czuwaka Aktywnego (CA). System ten umo żliwia równie ż rejestracj ę parametrów pracy układu nap ędowego lokomotywy, takich jak napi ęcie i pr ąd w przewodach ł ącz ących pr ądnic ę z silnikami trakcyjnymi. Rejestracja parametrów jazdy oraz danych poci ągu realizowana jest w wbudowanej w jednostk ę centraln ą pami ęci typu FLASH.

Rys. 4.17. Jednostka centralna systemu Teloc [33]

50

Rys. 4.18. Jednostka obrazowania i komunikacji A302H [77]

Rys. 4.19. Generator impulsów [34]

Jednostka obrazowania i komunikacji oprócz wizualizacji parametrów jazdy, umo żliwia wprowadzanie do pami ęci systemu danych dotycz ących poci ągu, takich jak: długo ść , masa, oraz sumaryczna liczba zestawów kołowych wagonów. Zarejestrowane dane mo żna transmitowa ć do komputera. Za pomoc ą zainstalowanego na komputerze odpowiedniego oprogramowania EVA 2 firmy Hasler, mo żliwa jest wizualizacja transmitowanych danych zarówno w funkcji czasu jak i przebytej drogi (rys. 4.20). Program umo żliwia tworzenie raportów, a tak że eksportowanie ich do programu Microsoft EXCEL w celu ich dalszej obróbki.

51

Rys. 4.20. Okno programu EVA 2

4.4.2. Obliczanie pr ędko ści i przyspieszenia lokomotywy

Znajomo ść warto ści pr ędko ści i przyspieszenia jest niezb ędna w analizie pracy lokomotywy. Warto ść pr ędko ści jest rejestrowana za pomoc ą systemu firmy Hasler, rejestracja odbywa si ę z ró żnym korokiem czasowym, w zale żno ści od warto ści przyspieszenia lokomotywy. Gdy warto ść bezwzgl ędna przyspieszenia lokomotywy jest mała np. podczas jazdy wybiegiem krok czasowy jest wi ększy ni ż 30 s. W przypadku realizacji rozruchu lub hamowania krok czasowy ulega skróceniu nawet do warto ści 0,2 s. Dynamiczna zmiana długo ści kroku czasowego ma na celu ograniczenie ilo ści danych zapisywanych w pami ęci systemu rejestruj ącego. Oprócz pr ędko ści system rejestruje drog ę przebyt ą przez lokomotyw ę. Podczas analizy zarejestrowanych danych mo żna stwierdzi ć, że przebyty dystans rejestrowany jest z krótszym korkiem czasowym ni ż pr ędko ść .

52

Wykres przebytego dystansu lokomotywy w funkcji czasu przedstawiono na rys. 4.21.

3500

3000

2500

2000

1500

Przebyta droga [m] droga Przebyta 1000

500

0 0 100 200 300 400 500 Czas [s] Rys. 4.21. Droga przebyta przez lokomotyw ę zarejestrowana przez system Teloc

Ze wzgl ędu na wysok ą dokładno ść pomiaru przebytej drogi oraz krótszy krok czasowy ni ż ma to miejsce w bezpo średnim pomiarze pr ędko ści, pr ędko ść lokomotywy została okre ślona metod ą obliczeniow ą. W tym celu dokonano aproksymacji zmierzonego dystansu przebytego przez lokomotyw ę za pomoc ą wielomianu w przedziale czasu trwaj ącym 60s: (4.4) gdzie:

- dystans przebyty przez lokomotyw ę w funkcji czasu wg systemu Teloc [m], t - czas [s], - współczynniki funkcji aproksymuj ącej. , Traktuj, ,ą c pr ędko ść , jako pochodn ą drogi przebytej przez pojazd po czasie warto ść pr ędko ści mo żna obliczy ć za pomoc ą nast ępuj ących zale żno ści:

(4.5) (4.6) 3 2

53

Uwzgl ędniaj ąc natomiast, że przyspieszenie jest pochodn ą pr ędko ści po czasie warto ść przyspieszenia mo żna obliczy ć za pomoc ą nast ępuj ących zale żno ści :

(4.7) (4.8) 6 2 Na rysunku 4.22 i 4.23 przestawiono przykładowe przebiegi pr ędko ści i przyspieszenia, otrzymane w wyniku przeprowadzonych oblicze ń z wykorzystaniem zale żno ści (4.5÷4.8).

Warto ść przyspieszenia -0,16 osi ągni ęto podczas realizacji hamowania kontrolnego poci ągu.

14

12

10

8

6 Prędkość [m/s] Prędkość 4

2

0 0 100 200 300 400 500 Czas [s] Rys. 4.22. Przykładowy przebieg pr ędko ści lokomotywy

0,1

0,05

0 0 100 200 300 400 500

-0,05

-0,1 Przyspieszenie [m/s^2] Przyspieszenie

-0,15

-0,2 Czas [s] Rys. 4.23. Przykładowy przebieg przyspieszenia lokomotywy

54

W celu zminimalizowania bł ędu, proces obliczania warto ści pr ędko ści i przyspieszenia przeprowadzono dla punktu środkowego 60-cio sekundowego przedziału czasu.

4.5. Informacje dotycz ące pracy lokomotywy

Oprócz danych dotycz ących stanów eksploatacji, w analizie pracy lokomotywy niezb ędne s ą informacje dotycz ące składu poci ągu przez ni ą prowadzonego. Jednym z najwa żniejszych dokumentów wykorzystywanym w eksploatacji lokomotywy jest Karta Pracy Dru żyny Trakcyjnej i Pojazdów. Dokument ten zawiera dane maszynisty, czas i miejsce rozpocz ęcia i zako ńczenia pracy lokomotywy, numer zamówienia, rodzaj pracy lokomotywy, numer poci ągu, czas jazdy, czas postoju, dystans przebyty podczas słu żby, sumaryczn ą liczb ę osi wagonów, mas ę brutto poci ągu oraz „stan” paliwa na pocz ątku i na ko ńcu pracy. Ten dokument zawiera tak że informacje o opó źnieniach, oraz uwagi dotycz ące usterek. Karta pracy dru żyny trakcyjnej i pojazdów jest wypełniana przez ka żdego maszynist ę podczas „obejmowania słu żby na lokomotywie”. Ponadto cz ęść informacji dotycz ących poci ągu, jak długo ść i masa jest wprowadzana przez maszynistów do pami ęci pr ędko ściomierzy rejestruj ących.

4.6. Droga kolejowa

Istotnym elementem, maj ącym wpływ na energochłonno ści transportu kolejowego s ą parametry drogi, na której eksploatowane s ą pojazdy szynowe. Szczególne istotnym parametrem jest pochylenie drogi, gdy ż ma on bezpo średni wpływ na siły zachowawcze zwi ązane z kumulacj ą energii potencjalnej. Na rysunku 4.24 przedstawiono skład poci ągu, poruszaj ący si ę na przykładowym fragmencie drogi kolejowej o zło żonym profilu poprzecznym.

Rys. 4.24. Skład poci ągu na przykładowym fragmencie drogi kolejowej o złożonym profilu poprzecznym

Ze wzgl ędu na swoj ą długo ść skład poci ągu obejmuje zazwyczaj wiele fragmentów trasy o ró żnych pochyło ściach. Wymaga to traktowania poci ągu jako zbioru pojedynczych pojazdów. Jednak analiza pracy lokomotywy w przypadku poci ągów, składaj ących si ę z wi ększej liczby wagonów wi ąż e si ę z konieczno ści ą wykonywania du żej liczby oblicze ń. Z tego wzgl ędu powszechnie stosuje si ę uproszczony model poci ągu (rys. 4.25), który umo żliwia zredukowanie masy poci ągu do jednego punktu poruszaj ącego si ę po drodze o pochyleniu zast ępczym [59].

55

Rys. 4.25. Uproszczony model składu [59]

Warto ść pochylenia zast ępczego wyra żona jest zale żno ści ą:

(4.9) ‰ 10 gdzie:

Hp – wysoko ść czoła poci ągu [m],

Hk – wysoko ść ko ńca poci ągu [m],

Lp – długo ść poci ągu [m].

Źródłem danych, dotycz ących parametrów drogi kolejowej jest dokumentacja, znajduj ąca si ę w posiadaniu zarz ądcy linii kolejowych, w tym przypadku spółki PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. Na rys. 4.26 przedstawiono przykładowy fragment wspomnianej dokumentacji.

56

enie w drodze kolejowej w kolejowej drodze enie granicy ż , poło – 6 ż łuku,oznaczenie– 10 prostego trasy,odcinka ść ci ci PKP Kolejowe Polskie Linie S.A.}: ś łuku, -9 długo ń glenia glenia załomu, –5 pikieta ą enie granic poszczególnychenie w planie drogi elementów ki ki uprzejmo ż ę poło

– lejowej {dzi ciowej, 13 ogi ogi promie kolejowej, – 8 ś fragmentu trasy, parametry– fragmentu 4 zaokr ść 3 -3 długo oznaczenie krzywejoznaczenie przej

– Rys. 4.26. Przykład fragmentu Rys. Przykład 4.26. dokumentacji drogi ko oznaczenie łuku, 12 oznaczenie 12 łuku,

– 11 11 nym pochyleniu, 7 – parametry– nym 7 pochyleniu, dr elementów w palnie ż fragmentów o ró fragmentów o 1 - profil pionowy, 2 - pochylenie fragmentu trasy,pionowy,-1 profil -2 pochylenie

57

Parametry profilu poprzecznego przedstawione s ą w cz ęś ci 1, gdzie warto ść 2 okre śla pochylenie odcinka trasy wyra żone w promilach [‰], a warto ść 3 długo ść odcinka. W przypadku du żej ró żnicy pochyle ń odcinków niezb ędne jest zastosowanie zaokr ąglenia załomu profilu podłu żnego łukiem pionowym (rys. 4.27), którego parametry okre ślaj ą warto ści 4.

Rys. 4.27. Zaokr ąglenia załomu profilu podłu żnego łukiem pionowym [7]

Do ustalenia poło żenia granic poszczególnych fragmentów trasy o danym pochyleniu słu ży pikieta ż przedstawiony w cz ęś ci 5, którego podziałka wynosi 100m. Dalszemu doprecyzowaniu poło żenia słu żą warto ści 6. Dane dotycz ące parametrów elementów w planie linii kolejowej zostały przedstawione w cz ęś ci 7. Ta cz ęść zawiera główne parametry łuków jak promie ń 8 oraz ich długo ści 9. Okre ślony jest równie ż w sposób graficzny kierunek łuku. Gdy linia 11, oznaczaj ąca łuk, znajduje si ę poni żej linii 10, oznaczaj ącej odcinek prosty, łuk skierowany jest w lewo. Natomiast, gdy linia 11, znajduje si ę powy żej linii 10, łuk skierowany jest w prawo. Przy projektowaniu linii kolejowej, dąż y si ę do tego, by podczas wje żdżania i wyje żdżania z obszaru łuku, siła od środkowa działaj ąca na pojazd szynowy nie zmieniała si ę skokowo. W tym celu stosuje si ę tzw. krzyw ą przej ściow ą, na długo ści której nast ępuje płynne przej ście z toru prostego w łuk lub z łuku w tor prosty. Geometria krzywej przej ściowej jest dobrana w sposób zapewniaj ący liniow ą zmian ę warto ści siły od środkowej, działaj ącej na pojazd podczas przejazdu przez łuk. Łuk przej ściowy na dokumentacji oznaczony jest za pomoc ą linii pochyłej 12. Podobnie jak w przypadku profilu poprzecznego, dalszemu doprecyzowaniu poło żenia łuków słu żą warto ści 13. Analiz ę energochłonno ści transportu kolejowego przeprowadzono w oparciu o badania, przeprowadzone na linii kolejowej 201, pomi ędzy stacjami Bydgoszcz Wschód – Gdynia Port w obu kierunkach (rys. 4.28 i 4.29).

58

Rys. 4.28. Przebieg linii kolejowej 201 - fragment linii kolejowej pomi ędzy stacj ą Gdynia Port a przystankiem Ł ąg Południowy

59

Rys. 4.29. Przebieg linii kolejowej 201 - fragment linii kolejowej pomi ędzy przystankiem Ł ąg Południowy a stacj ą Bydgoszcz Wschód

60

Odległo ść pomi ędzy wspomnianymi stacjami wynosi 185 km. W celu zwiększenia liczby pomiarów, badaniami eksploatacyjnymi obj ęto nie tylko poci ągi kursuj ące pomi ędzy stacjami Bydgoszcz Wschód – Gdynia Port, ale uwzgl ędniono tak że przejazdy pomi ędzy stacjami węzłowymi jak: Bydgoszcz – Ko ścierzyna, B ąk - Gdynia Port, Bydgoszcz – Somonino, na których poci ągi wje żdżały lub zje żdżały z linii kolejowej 201. Profil linii kolejowej, w formie przebiegu wysoko ści bezwzgl ędnej w funkcji dystansu przedstawiono na rys. 4.30. Warto ści wysoko ści uzyskano w wyniku oblicze ń, z uwzgl ędnieniem danych o pochyło ściach drogi kolejowej.

61

dgoszcz Portdgoszcz - Wschód Gdynia Rys. 4.30. Profil linii kolejowej Rys.linii Profil 4.30. na odcinku201 By

62

Na rys. 4.31 przedstawiono rozkład warto ści promieni łuków, które stanowi ą około 30% całej długo ści drogi kolejowej pomi ędzy stacjami Bydgoszcz Wschód – Gdynia Port. Z rozkładu wida ć, że na odcinku linii kolejowej 201, na której przeprowadzano badania dominuj ą łuki o promieniu, mieszcz ącym si ę w przedziale od 500 do 1000 m.

25000 24000 23000 22000 21000 Tor prosty - 130339 m 20000 19000 18000 17000 16000 15000 14000 13000 12000 11000 10000 9000 8000

Dystans [m] Dystans 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 ; 500) ; 0 ⟨ 500 ; 1000) ; 500 ⟨ 1000 ; 1500) ; 1000 2000) ; 1500 2500) ; 2000 3000) ; 2500 3500) ; 3000 4000) ; 3500 4500) ; 4000 5000) ; 4500 5500) ; 5000 6000) ; 5500 6500) ; 6000 7000) ; 6500 7500) ; 7000 8000) ; 7500 8500) ; 8000 9000) ; 8500 9500) ; 9000 ⟨ ⟨ ⟨ ⟨ ⟨ ⟨ ⟨ ⟨ ⟨ ⟨ ⟨ ⟨ ⟨ ⟨ ⟨ ⟨ ⟨ 9500 ; 10000) ; 9500 ⟨ 10000 ; 20000) ; 10000 30000) ; 20000 40000) ; 30000 50000) ; 40000 60000) ; 50000 70000) ; 60000 80000) ; 70000 90000) ; 80000 ⟨ ⟨ ⟨ ⟨ ⟨ ⟨ ⟨ ⟨ 90000 ; 100000) ; 90000 ⟨ 100000 ; 250000) ; 100000

Promień łuku [m] ⟨

Rys. 4.31. Rozkład promieni łuków na linii kolejowej 201

Lini ę 201 pod wzgl ędem profilu jak i wyst ępowaniem łuków mo żna podzieli ć na dwa odcinki o ró żnej charakterystyce. Na odcinku od stacji Maksymilianowo do stacji Gołubie Kaszubskie linia charakteryzuje si ę łagodnymi wzniesieniami, długimi odcinkami prostymi, a tak że du żymi promieniami łuków. Na odcinku od stacji Gołubie Kaszubskie do stacji Gdynia Port na linii pojawia si ę du ża liczba wzniesie ń oraz łuków. W szczególno ści na odcinku Gda ńsk Osowa – Gdynia Port droga charakteryzuj ę si ę du żymi pochyleniami, osi ągaj ącymi nawet 11,8‰. Uwzgl ędniaj ąc przy tym liczb ę wyst ępuj ących łuków, a tak że ich małe promienie, ten fragment linii kolejowej posiada charakterystyk ę linii podgórskiej [7].

4.7. Okre ślanie pozycji poci ągu na linii kolejowej

Powszechn ą metod ą okre ślania poło żenia pojazdu na drodze jest wykorzystywanie systemów wyposa żonych w moduł GPS. Poniewa ż w przypadku badanych lokomotyw nie zastosowano powy ższego systemu, do okre ślenia pozycji wykorzystano dane o przebytym dystansie, zmierzone i zapisane przez rejestrator Teloc 1500. Oprócz informacji o przebytym dystansie, lokalizacja lokomotywy na linii kolejowej wymaga okre ślenia punktów odniesienia. W tym celu wykorzystano system Samoczynnego Hamowania Poci ągu (SHP), wchodz ący

63

w skład automatyki bezpiecze ństwa poci ągu, w który wyposa żona jest lokomotywa. Urz ądzenie to wykorzystywane jest do kontroli czujno ści maszynisty, a jego działanie polega na informowaniu maszynisty za pomoc ą sygnału optycznego, a potem d źwi ękowego o najechaniu elektromagnesem zamontowanym na podwoziu lokomotywy nad elektromagnes torowy (rys. 4.32).

Rys. 4.32. Przejazd lokomotywy nad elektromagnesem torowym

Ta informacja musi by ć zatwierdzona przez maszynist ę wci śni ęciem przycisku na pulpicie sterowniczym. W przypadku braku zatwierdzenia, poci ągu samoczynnie wykona hamowanie. Ka żdy przejazd nad elektromagnesem torowym jest rejestrowany przez system Teloc. Podczas bada ń na linii 201 pod uwag ę wzi ęto przejazd nad szesnastoma elektromagnesami torowymi. Informacje o rozmieszczeniu elektromagnesów, podobnie jak w przypadku parametrów drogi kolejowej zostały udost ępnione przez zarz ądc ę linii kolejowej. Przebyty przez lokomotyw ę dystans obliczany jest przez rejestrator Teloc na podstawie pomiaru liczby obrotów zestawów kołowych z uwzgl ędnieniem średnicy kół. Domy ślnie do pami ęci rejestratora wprowadzona jest warto ść średnicy, wynosz ąca 1050 mm, b ędąca w przypadku lokomotywy serii ST44 średnic ą koła nowego. Trzeba mie ć jednak na uwadze, że w trakcie eksploatacji średnica kół ulega zmniejszeniu na skutek zu życia eksploatacyjnego (rys 4.33) [46].

64

Rys. 4.33. Zu życie wie ńca koła w płaszczy źnie średnicy tocznej D0: 1- profil wie ńca koła przed

eksploatacj ą; 2- profil wie ńca koła zu żytego (D n– średnica koła nowego, D – średnica koła zu żytego,

ZD – zu życie koła kolejowego w płaszczy źnie tocznej) [46]

Ponadto średnica ulega zmniejszeniu podczas procesu reprofilacji, polegaj ącym na odtworzeniu wymaganego kształtu wie ńca koła za pomoc ą obróbki skrawaniem. Jednak w przypadku zestawów kołowych badanych lokomotyw w okresie przeprowadzanych pomiarów reprofilacja nie była wykonywana. System Teloc umo żliwia wprowadzenie zmiany warto ści średnicy kół, w celu zminimalizowania wpływu zu życia kół na pomiar przebytego dystansu i pr ędko ści. Jednak w przypadku lokomotyw spalinowych, eksploatowanych w ruchu towarowym aktualizowanie warto ści średnic nie jest praktykowane. Mała warto ść pr ędko ści eksploatacyjnej lokomotywy, wynosz ąca maksymalnie 100 km/h powoduje, że stopie ń zani żenia wskaza ń pr ędko ści na skutek zu życia kół nie ma istotnego wpływu na utrzymane czasu przejazdów okre ślonego w rozkładzie jazdy. Na rys. 4.34 przedstawiono wpływ zu życia eksploatacyjnego kół lokomotywy na zamian ę warto ści mierzonego dystansu uzyskanego podczas bada ń na odcinku pomiarowym o długo ści 86 355 m.

86320 86310 86300 86290 86280 86270 86260 86250 86240 86230 86220 86210 86200 86190

odcinek pomiarowy [m] pomiarowy odcinek 86180 86170 86160 86150

Dystans zmierzony podczas przejazdu przez przez przejazdu podczas zmierzony Dystans 86140 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 Dystans całkowity eksploatacji długotrwałej [km]

Rys. 4.34. Wpływ zu życia eksploatacyjnego kół lokomotywy na zamian ę warto ści mierzonego dystansu uzyskanego podczas bada ń na odcinku pomiarowym

65

Poniewa ż zu życie eksploatacyjne jest ści śle powi ązane z przebytym przez lokomotyw ę dystansem całkowitym pracy długotrwałej, warto ści pomiarów drogi na odcinku pomiarowym zostały przedstawione w funkcji wspomnianego dystansu. Z rys. 4.34 mo żna odczyta ć, że zu życie eksploatacyjne zestawów kołowych po przebytym przez lokomotyw ę dystansie, wynosz ącym 50000 km powoduje, że droga przebyta na odcinku pomiarowym wg wskaza ń rejestratora jest przeszacowana o około 140m. Jak wida ć proces zu życia kół ma istotny wpływ na dokładno ść pomiaru, przez co nie mo że by ć pomini ęte w dalszej analizie. Znaj ąc warto ść dystansu przebytego na odcinku pomiarowym zmierzoną przez rejestrator oraz rzeczywist ą warto ść tego odcinaka mo żliwe jest obliczenie rzeczywistej średnicy tocznej koła kolejowego wg zale żno ści:

(4.10) 0 · 0 gdzie:

- długo ść odcinka pomiarowego wg dokumentacji drogi kolejowej [m], - długo ść odcinka pomiarowego zmierzona przez rejestrator [m], - rzeczywista średnica toczna koła kolejowego [mm], 0 - średnica toczna koła wpisana do rejestratora [mm]. Pojawiaj0 ąca si ę w zale żno ści warto ść jest warto ści ą domy ślnie wpisan ą do pami ęci rejestratora i wynosi 1050 mm. 0 Na rys.4.35 przedstawiono przebieg warto ści rzeczywistej średnicy koła kolejowego obliczonej przy wykorzystaniu zale żno ści (4.10), jak równie ż warto ści średnic tocznych, uzyskanych podczas pomiarów wykonywanych w trakcie przegl ądów okresowych.

1054

Średnica toczna rzeczywista D0rz 1053 Średnica toczna D0 uzyskana podczas pomiarów w trkcie przeglądów

1052

1051

1050 Średnica [mm] D0 1049

1048

1047 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000 75000 80000 85000 90000 95000 100000

Dystans przybyty przez lokomotywę [km]

Rys. 4.35. Przebieg zmiany warto ści średnicy koła kolejowego

66

Pomi ędzy warto ściami średnicy rzeczywistej uzyskanymi na podstawie oblicze ń, a warto ściami uzyskanymi na podstawie pomiarów podczas przegl ądów okresowych pojawia si ę ró żnica, wynosz ąca około 1,5 mm. Ró żnica ta wynika z faktu, że punkt pomiaru średnicy tocznej, który wg Instrukcji pomiarów i oceny technicznej zestawów kołowych znajduje si ę na płaszczy źnie oddalonej o 70 mm od wewn ętrznej powierzchni wie ńca koła [74] le ży poza obszarem współpracy koła z szyn ą (rys. 4.36).

Rys. 4.36. Współpraca koła kolejowego z szyn ą

Obliczenia rzeczywistej średnicy tocznej wykonano w oparciu o dane z pomiarów, uzyskanych podczas 85 przejazdów na odcinku pomiarowym o długo ści 86355 m oraz 75 przejazdów na odcinku pomiarowym o długo ści 84353 m. Na potrzeby dalszej analizy, zwi ązanej z okre ślaniem przebiegu i lokalizacji przyj ęto, że zmiana średnicy, wynikaj ąca ze zu życia eksploatacyjnego przebiega dwufazowo. W pierwszej fazie trwaj ącej przez pierwsze 45 000 km eksploatacji lokomotywy przebieg rzeczywistej warto ści średnicy został aproksymowany za pomoc ą wielomianu 3-go stopnia:

(4.11) 0 3,698 · 10 3,465 · 10 1,182 · 10 gdzie: 1052 ,8 - droga przebyta przez lokomotyw ę, zmierzona przez rejestrator [m], - rzeczywista średnica toczna koła kolejowego [mm]. W0 drugiej fazie zmiana warto ści rzeczywistej średnicy tocznej ma charakter liniowy, a jej przebieg aproksymowano nast ępuj ącą zale żno ści ą:

(4.12) 0 4,8076 · 10 1053 ,3

67

Warto ść chwilowego przyrostu rzeczywistej drogi przebytej przez pojazd ds równa jest warto ści chwilowego przyrostu dystansu ds teloc zmierzonego przez rejestrator Teloc pomno żonej przez iloraz rzeczywistej średnicy tocznej i średnicy tocznej koła nowego wpisanej do pami ęci rejestratora:

(4.13) gdzie: 0

- rzeczywista droga przebyta przez pojazd - droga przebyta przez lokomotyw ę, zmierzona przez rejestrator [m], - Rzeczywista średnica toczna koła kolejowego [m], 0 - Średnica toczna koła wpisana do rejestratora [m]. 0 Całkuj ąc obie strony równania (4.14) otrzymano zale żno ść , umo żliwiaj ącą obliczenie rzeczywistej drogi przebytej przez lokomotyw ę:

(4.14) Uwzgl ędniaj ąc zale żno ści (4.11), (4.12) oraz0 (4.14), rzeczywista droga przebyta przez lokomotyw ę w przedziale do 45000 km wynosi:

(4.15) 9,2451 · 10 1,1552 · 10 5,9102 · 10 Powy żej 45 000 km1052 warto ,8ść rzeczywistego przebiegu okre ślana jest wg zale żno ści:

(4.16) 2,4038 · 10 1053 ,3 Na rysunku 4.37 przedstawiono rozkład bł ędów warto ści dystansu, b ędących wynikiem oblicze ń wg zale żno ści (4.15) i (4.16) z wykorzystaniem pomiarów za pomoc ą rejestratora Teloc podczas 85 przejazdów lokomotywy na odcinku o długości 86355 m.

40 36 32 28 24 20 16 12

Liczba pomiarów 8 4 0 〈-35 ; -25) 〈-25 ; -15) 〈-15 ; -5) 〈-5 ; 5) 〈5 ; 15) 〈15 ; 25)

Błąd pomiarowy [m]

Rys. 4.37. Rozkład bł ędów warto ści dystansu

68

Średni błąd kwadratowy zdefiniowany jest zale żno ści ą:

(4.17) gdzie: √ - odchylenie standardowe wyników przebytej drogi [m] - liczba wykonanych pomiarów. Przy uwzgl ędnieniu, że odchylenie standardowe dla uzyskanych wyników przebytej drogi wyniosło10,204 m, bł ąd kwadratowy dla 85 pomiarów przyj ął warto ść równ ą 1,1 m. Wynika z tego, że rejestrator Teloc jest narz ędziem, które mo że zosta ć wykorzystane w procesie okre ślania pozycji poci ągu na linii kolejowej.

4.8. Wpływ zu życia zestawów kołowych na parametry ruchu lokomotywy

Przedstawiona w rozdz. 4.4.2 metoda obliczania pr ędko ści i przyspieszenia przy wykorzystaniu zale żno ści (4.6) i (4.8) nie uwzgl ędnia modelu zu życia kół. Dlatego te ż w celu okre ślenia rzeczywistej warto ści pr ędko ści oraz przyspieszenia nale ży skorzysta ć z poni ższych zale żno ści:

(4.18 ) 0 (4.19 ) 0 gdzie: - prędkość obliczona na podstawie danych z sytemu Teloc [m/s] , - prędkość rzeczywista [m/s] , - przyspieszenie obliczone na podstawie danych z sytemu Teloc [m/s2], - przyspieszenie rzeczywiste poci ągu [m/s2], - Rzeczywista średnica toczna koła kolejowego [mm], 0 - Średnica toczna koła wpisana do rejestratora [mm]. 0

69

5. MODEL UKŁADU NAP ĘDOWEGO LOKOMOTYWY

5.1. Struktura układu nap ędowego lokomotywy

Metoda Grafów Wi ąza ń (GW) i Równa ń Stanów (RS) [11, 12, 13, 42, 86] ze wzgl ędu na swoj ą podstawow ą cech ę, jak ą jest jednolite podej ście do modelowania elementów o ró żnej naturze fizycznej, jest ch ętnie wykorzystywania do modelowania systemów o złożonej strukturze energetycznej, jak silniki spalinowe, pojazdy samochodowe, siłownie okr ętowe, a nawet całe statki, dlatego te ż Metoda Wi ąza ń i Równa ń Stanów została wykorzysta do zamodelowania układu nap ędowego lokomotywy spalinowej. Do stworzenia modelu układu nap ędowego lokomotywy niezb ędna jest znajomo ść wielu parametrów poszczególnych urz ądze ń, wchodz ących skład wspomnianego układu. Podstawowym źródłem informacji jest literatura, w szczególno ści dotycz ąca budowy i eksploatacji lokomotyw danej serii [18]. Nale ży jednak mie ć na uwadze, że informacje, dotycz ące poszczególnych parametrów nie s ą wystarczaj ące, gdy ż dotycz ą one zazwyczaj pracy urz ądze ń układu nap ędowego przy maksymalnej mocy. Dlatego te ż niezb ędne jest uzupełnienie tych informacji o przetworzone w trakcie analizy dane, uzyskane podczas bada ń własnych, przeprowadzonych w trakcie eksploatacji lokomotywy. Poni żej omówiony został układ nap ędowy badanej lokomotywy. Na rysunku 5.1 przedstawiono schemat układu nap ędowego lokomotywy ST44 wyposa żonej w dwunastocylindrowy czterosuwowy silnik o zapłonie samoczynnym typu 12 CzN26/26 o mocy 1470 kW osi ąganej przy pr ędko ści obrotowej 750 obr/min [18]. Na rys. 5.1 oprócz podstawowych elementów układu nap ędowego takich jak silnik spalinowy 1, pr ądnica główna 2, tworz ąca wraz z silnikami trakcyjnymi 9 przekładnie elektryczn ą przedstawiono urz ądzenia pomocnicze niezb ędne do prawidłowego działania lokomotywy. Do wspomnianych urz ądze ń pomocniczych nale ży wentylator układu chłodz ącego silnik spalinowy 12. W przypadku lokomotywy ST44 jest on nap ędzany od silnika spalinowego za po średnictwem sprz ęgła hydrokinetycznego 11 o zmiennym napełnieniu, umo żliwiaj ącym regulacj ę jego pr ędko ści obrotowej. Oprócz silnika spalinowego źródłem ciepła s ą równie ż maszyny elektryczne, jak pr ądnica główna i silniki trakcyjne.

70

Rys. 5.1. Schemat układu nap ędowego lokomotywy spalinowej serii ST44: 1 - silnik spalinowy, 2- pr ądnica główna, 3- generator jednofazowy, 4- wentylator pr ądnicy głównej, 5- wzbudnica, 6- pr ądnica, 7- wentylator silników trakcyjnych wózka A, 8- spr ęż arka powietrza, 9- silnik trakcyjny, 10- wentylator silników trakcyjnych wózka B, 11- sprz ęgło hydrokinetyczne nap ędu wentylatora układu chłodzenia silnika spalinowego, 12- wentylator układu chłodzenia silnika spalinowego

Ciepło generowane na skutek przepływu pr ądu przez uzwojenia maszyn elektrycznych jest odbierane przez odpowiednio wymuszony strumie ń powietrza. Przepływ powietrza wytwarzany jest przez wentylatory 4, 7 i 10, które nap ędzane s ą od silnika spalinowego poprzez układ przekładni z ębatych i wałów nap ędowych. Za pomoc ą przekładni z ębatej nap ędzany jest równie ż zespół pr ądnicy pomocniczej 6, słu żą cej do zasilania pokładowej instalacji elektrycznej oraz wzbudnicy 5 zasilaj ącej uzwojenie wzbudzenia w stojanie pr ądnicy głównej. Do urz ądze ń pomocniczych nale ży równie ż zaliczy ć jednofazowy generator zasilaj ący amplistat, który słu ży do sterowania nat ęż eniem pr ądu zasilaj ącego uzwojenie wzbudzaj ące wzbudnicy. Układ nap ędowy lokomotywy oprócz wytwarzania niezb ędnej siły poci ągowej ma za zadanie równie ż zasilanie innych urz ądze ń znajduj ących si ę zarówno w samej lokomotywie jak i poza ni ą. Przykładem s ą urz ądzenia układu hamulcowego, które w przypadku pojazdów kolejowych zasilane s ą spr ęż onym powietrzem. Do utrzymania odpowiedniego ci śnienia powietrza w instalacji pneumatycznej, z której wspomniane urządzenia s ą zasilane, słu ży spr ęż arka powietrza. W przypadku lokomotywy ST44 jest to spr ęż arka tłokowa, która nap ędzana jest za pomoc ą półsztywnego sprz ęgła, poł ączonego z wałem pr ądnicy głównej. Ze wzgl ędu na brak mo żliwo ści rozł ączenia nap ędu jest ona nap ędzana przez cały czas pracy silnika spalinowego. Układ pneumatyczny lokomotywy nie wymaga jednak ci ągłego zasilania spr ęż onym powietrzem, dlatego proces spr ęż ania powietrza jest okresowo przerywany za pomoc ą układu, umo żliwiaj ącego podwieszenie zaworów ssawnych spr ęż arki w pozycji otwartej. W tym momencie spr ęż arka pracuje w stanie biegu luzem. Układ steruj ący zaworami ssawnymi

71

spr ęż arki współpracuje z regulatorem, maj ącym na celu utrzymanie ci śnienia w instalacji w zakresie od 0,7 do 0,85 MPa.

5.2. Model układu nap ędowego lokomotywy w formie GW

Bazowym modelem, wykorzystanym przy opracowaniu modelu układu nap ędowego lokomotywy spalinowej był modelu układu nap ędowego pojazdu [50]. Pierwszym elementem modelu układu nap ędowego lokomotywy spalinowej (rys. 5.2) jest zbiornik paliwa ZP , z którego strumie ń paliwa G e o warto ści opałowej W d jest dostarczany do zespołu silnika spalinowego S, st ąd strumie ń energii dostarczany jest do pr ądnicy głównej PG . Nale ży zaznaczy ć, że pr ądnica główna PG nie jest jedynym odbiornikiem energii mechanicznej wytwarzanej przez silnik spalinowy S. Ten silnik wykorzystywany jest do nap ędu wielu urz ądze ń pomocniczych UP . Zespół silnika spalinowego S i pr ądnicy głównej PG sterowany jest poprzez układ regulacji mocy UR , który przy uwzgl ędnieniu nastawy mocy UN, dokonuje regulacji mocy sinika spalinowego S oraz pr ądnicy głównej PG . W przypadku lokomotywy spalinowej powi ązanie modelu zespołu silnika spalinowego oraz pr ądnicy z modelem oporów ruchu odbywa si ę za pomoc ą silników trakcyjnych ST oraz przekładni zębatej PZ , która przekazuj ące moment obrotowy M PZ na koła K.

Rys. 5.2. Model układu nap ędowego lokomotywy spalinowej w formie GW

Na lokomotyw ę spalinow ą działaj ą siły o charakterze dyssypacyjnym, do których nale żą siły oporu ruchu poci ągu FR i siły hamowania FH, zale żne nastawy siły hamowania UH oraz siły zachowawcze zwi ązane z energi ą kinetyczn ą kumulowan ą w zredukowanej masy mz i energii potencjalnej kumulowanej w masie poci ągu.

Wprowadzenie poj ęcia masy zredukowanej mz wynika z faktu , że energia kinetyczna akumulowana jest nie tylko w elementach poruszaj ących si ę post ępowo, ale tak że we wszystkich elementach wiruj ących, wchodz ących w skład poci ągu. Do elementów tych nale żą zestawy kołowe lokomotywy i wagonów oraz wirniki silników trakcyjnych. Warto ść masy zredukowanej mz przyjmuje warto ść okre ślon ą zale żno ści ą 5.1.

72

4 · 4 · · 10 · 0 10 · (5.1) 4 · 10 · 0 gdzie: j, k, l, m - liczba odpowiednio: zestawów kołowych lokomotywy, silników trakcyjnych, wagonów, zestawów kołowych wagonów [-], - masa zredukowana [kg], - masa lokomotywy [kg], - moment bezwładno ści i-tego zestawu kołowego lokomotywy [kg m2], · - średnica toczna zestawu kołowego lokomotywy [mm],

0 2 - moment bezwładno ści j-tego wirnika silnika trakcyjnego [kg m ], · - liczba z ębów koła z ębatego silnika trakcyjnego [-], - liczba z ębów koła z ębatego zestawu kołowego [-], - masa k-tego wagonu [kg], - moment bezwładno ści l-tego zestawu kołowego wagonu [kg m2], · - średnica toczna zestawów kołowych wagonu kolejowego [mm]. 0 Nale ży zaznaczy ć, że przytoczony wzór dotyczy jedynie lokomotyw, w których moment obrotowy z silników trakcyjnych przekazywany jest na zestawy kołowe za pomoc ą jednostopniowej przekładni z ębatej. Dla lokomotywy serii ST44 liczba z ębów koła z ębatego zst silnika trakcyjnego wynosi 15, a koła z ębatego liczba z ębów zzk równa jest 68. Średnica toczna kół wynosi 1050 mm [18]. Dla wagonów towarowych przyj ęto, że średnica koła wynosi 920 mm [60]. W celu okre ślenia warto ści momentu bezwładno ści elementów wiruj ących układu nap ędowego lokomotywy (rys. 5.3) jak i momentu bezwładno ści zestawów kołowych wagonów (rys. 5.4) u żyto programu komputerowego typu CAD. Warto ści obliczonych momentów bezwładno ści przedstawiono w tab. 5.1.

73

Rys. 5.3. Elementy wiruj ące układu nap ędowego lokomotywy

Rys. 5.4. Zestaw kołowy wagonu towarowego

Tab. 5.1. Warto ści momentów bezwładno ści

Moment bezwładno ści Nazwa elementu [kg·m 2]

Zestaw kołowy lokomotywy 236,4

Wirnik silnika trakcyjnego 27,1

Zestaw kołowy wagonu towarowego 91,74

Na rys. 5.5 przedstawiono przykład poprzecznego profilu drogi, po której porusza si ę poci ąg. Zało żono, że siła ci ąż enia wynikaj ąca z masy całego składu poci ągu przyło żona jest do punktu P MP , le żą cego na tej samej płaszczy źnie poprzecznej lokomotywy, na której znajduje si ę środek ci ęż ko ści samej lokomotywy. Zało żenie to wynika z faktu, że wszystkie urz ądzenia pomiarowe znajduj ą si ę w lokomotywie.

74

Rys. 5.5. Przykład poprzecznego profilu drogi

Nale ży zaznaczy ć, że wektor pr ędko ści punktu PMP, oznaczony jako V jest równoległy do pochylenia zast ępczego, obliczonego dla składu poci ągu, przez co nie pokrywa si ę z wektorem pr ędko ści samej lokomotywy Vrz . W konsekwencji równie ż moduły wspomnianych wektorów ró żni ą si ę od siebie. Na rys. 5.6 przedstawiono rozkład wartości bezwzgl ędnych k ąta pomi ędzy wektorami V i Vrz podczas jazdy poci ągu o długo ści 800 m od stacji Bydgoszcz Wschód do stacji Gdynia Port. Ze wzgl ędu na warto ści k ąta, która maksymalnie wynoszą 1,1° zało żono, że warto ści pr ędko ści V i Vrz są sobie równe.

45000 40000 35000 30000 25000 20000

Dystans [m] Dystans 15000 10000 5000 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 Kąt [deg]

Rys. 5.6. Rozkład warto ści bezwzgl ędnych k ątów pomi ędzy wektorami V i Vrz

Wprowadzenie modularnego przetwornika energii, oznaczonego na rysunku 5.2 jako PEW , wynikało z przyj ęcia ró żnych osi dla sił równoległych do drogi i sił grawitacji okre ślaj ących energi ę potencjaln ą. Przedstawiony na rys. 5.2 model w formie GW odzwierciedla w sposób przejrzysty dynamiczn ą struktur ę i mo że by ć w prosty sposób modyfikowany, lecz nie pozwala na bezpo średnie prowadzenie eksperymentów symulacyjnych [11]. Model GW umo żliwia natomiast w sposób „r ęczny” lub automatyczny generowanie równa ń stanu, co oznacza tworzenie modelu przyczynowo-skutkowego (rys. 5.7).

75

Rys. 5.7. Model przyczynowo-skutkowy opisany równaniami stanu: U – wektor wymusze ń (wej ść ), X – wektor stanu, Y – wektor wyj ść , Z – wektor zakłóce ń, P – wektor nastaw i parametrów konstrukcyjnych

Przyjmuj ąc, że zmienn ą stanu dla energii kinetycznej jest uogólniony p ęd (X 1 = m z·V), natomiast dla energii potencjalnej uogólnione przemieszczenie (H 2 = h), mo żna uło żyć na podstawie modelu GW poci ągu nast ępuj ące równania stanu:

(5.2) · · , (5.3) · gdzie: – siła oporów ruchu [N], – masa poci ągu [kg], – pochylenie zast ępcze [‰], g – przyspieszenie ziemskie [m/s 2], – siła oporu układu hamulcowego [N], – siła trakcyjna [N], – masa zredukowana [kg]. 5.3. Zespół silnika spalinowego i pr ądnicy

W zaprezentowanym modelu zało żono, i ż silnik spalinowy i pr ądnica jest jednym zespołem, nazywanym agregatem pr ądotwórczym. Zało żenie to znacznie upraszcza analiz ę obci ąż enia układu nap ędowego. Mo żliwe jest bowiem precyzyjne okre ślenie mocy zespołu silnika spalinowego i pr ądnicy na podstawie pomiaru napi ęcia i nat ęż enia pr ądu w przewodach elektrycznych ł ącz ących pr ądnic ę z silnikami trakcyjnymi. W przypadku silnika spalinowego okre ślenie mocy, b ędącej iloczynem pr ędko ści k ątowej wału korbowego oraz jego momentu obrotowego, jest niewykonalne ze wzgl ędu na brak mo żliwo ści pomiaru momentu obrotowego.

76

W przypadku lokomotywy ST44 pr ądnica jest dziesi ęciobiegunow ą maszyn ą pr ądu o wzbudzeniu obcym. Schemat elektryczny pr ądnicy przedstawiono na rys.5.8.

Rys. 5.8. Schemat elektryczny pr ądnicy głównej [18]:

AB – uzwojenie wirnika, E R FR uzwojenie rozruchowe, GH – uzwojenie biegunów komutacyjnych, JK – uzwojenie wzbudzenia biegunów głównych

Pr ądnica oprócz zamiany energii mechanicznej na energię elektryczna, pełni równie ż funkcj ę rozrusznika silnika spalinowego. Realizacj ę pracy silnikowej przez pr ądnic ę umo żliwiaj ą dodatkowe uzwojenia E R FR , które w momencie rozruchu s ą poł ączone szeregowo z uzwojeniami wirnika i zasilane s ą z akumulatorów lokomotywy. Jak ka żda maszyna komutatorowa pr ądu stałego, pr ądnica posiada dodatkowe uzwojenia komutacyjne, oznaczone na rysunku jako GH. Uzwojenia te maj ą na celu zapobieganie iskrzenia na styku komutator- szczotka. W przypadku maszyn pr ądu stałego, moc okre ślana jest na podstawie wzoru: (5.4) gdzie: · – moc elektryczna [W], – napi ęcie na zaciskach pr ądnicy głównej [V],

– nat ęż enie pr ądu w przewodach ł ącz ących pr ądnic ę i silniki trakcyjne [A].

Moc ta zale ży zarówno od pr ędko ści obrotowej jej wirnika jak i warto ści pr ądu w uzwojeniach wzbudzaj ących JK. Ze wzgl ędu na fakt, że pomiar dokonywany jest w przewodach elektrycznych za pr ądnic ą główn ą, obliczona moc uwzgl ędnia wszystkie straty elektryczne i mechaniczne, maj ące miejsce w pr ądnicy.

5.4. Regulator mocy

Zespół silnika i pr ądnicy głównej sterowany jest wspólnym wielozakresowym regulatorem pr ędko ści obrotowej i obci ąż enia. Schemat układu regulacji przedstawiono na rys. 5.9.

77

Rys. 5.9. Schemat układu regulacji mocy zespołu silnika spalinowego i pr ądnicy głównej [28 ]

Regulator utrzymuje okre ślon ą dla danej nastawy Z pr ędko ść obrotow ą wału korbowego silnika spalinowego ns, oraz jego moment obrotowy M s, niezale żnie od warunków pracy lok omotywy. Proces regulacji pr ędko ści obrotowej realizowany jest za pomoc ą zmiany warto ści dawki paliwa q poprzez zmian ę nastawy pompy paliwa h. Moc generowana przez silnik spalinowy wynika z obci ąż enia pr ądnicy głównej, natomiast moc elektryczna pr ądnicy gł ównej zale ży od nat ęż enia pr ądu w uzwojeniach biegunów wzbudnych (sterowanych sygnałem r). Nale ży jednak nadmieni ć, że rys. 3.9 przedstawia schemat układu regulacji mocy lokomotywy SM42. Jest on jednak, co do zasady działania taki sam jak przypadku lokomot ywy ST44. W rozwa żanym układzie nap ędowym lokomotywy pr ędko ść obrotowa silnika spalinowego i mocy elektrycznej pr ądnicy główn ej s ą ści śle ze sob ą powi ązane (rys. 5.10).

1400

1200

1000

800

600

400

200

Moc elektryczna prądnicy głównej [kW] głównej prądnicy elektryczna Moc 0 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 Prędkość obrotowa silnika spalinowego [obr/min]

Rys. 5.10. Zwi ązek mocy elektrycznej pr ądnicy głównej z pr ędko ści ą obrotow ą silnika s palinowego

78

5.5. Silniki trakcyjne

Lokomotywa ST44 posiada sze ść silników trakcyjnych pr ądu stałego. S ą to czterobiegunowe silniki szeregowe, w których uzwojenia cewek biegunów głównych s ą poł ączone z wirnikiem szeregowo. Na rys. 5.11 przedstawiono uproszczony schemat obwodu elektrycznego silników trakcyjnych. Obwód ten umo żliwia zmianę kierunku obrotów silników, a tak że regulacj ę ich pr ędko ści obrotowej. Zmiana kierunku obrotów odbywa si ę przy udziale czterech styczników oznaczonych jako A, B, C i D, wchodz ących w skład tak zwanego nawrotnika. Kombinacja ich zał ączenia (AD lub BC) wpływa na kierunek przepływu pr ądu przez uzwojenia biegunów głównych przy niezmienionym kierunku przepływu pr ądu przez uzwojenia wirnika. Regulacja pr ędko ści obrotowej realizowana jest na dwa sposoby: poprzez zmian ę napi ęcia zasilaj ącego oraz zmian ę warto ści strumienia magnetycznego biegunów głównych E-F.

Rys. 5.11. Schemat obwodu elektrycznego silników trakcyjnych (ST – silnik trakcyjny, PG – pr ądnica)

Warto ść napi ęcia zasilaj ącego silniki trakcyjne jest równe napi ęciu na zaciskach pr ądnicy głównej i jest zale żne od pr ędko ści pr ądnicy oraz warto ści sygnału steruj ącego r, zadanego przez regulator mocy. Zmian ę strumienia magnetycznego biegunów głównych uzyskuje si ę poprzez zał ączanie lub rozł ączanie dwóch rezystorów Ssz1 i Ssz2 za pomoc ą styczników Wsz1 i Wsz2. Te rezystory są poł ączone równolegle do uzwojenia biegunów głównych. Wzrost pr ędko ści obrotowej silnika wymaga osłabienia strumienia pola poprzez zał ączenie rezystorów. Proces ten powszechnie nazywany jest bocznikowaniem, które w przypadku lokomotywy ST44 jest dwustopniowe. Pierwszy stopie ń bocznikowania oznaczony jako α=60 realizowany jest za pomoc ą zał ączenia rezystora Ssz1. Rezystancja rezystora jest dobrana w sposób powoduj ący, że warto ści pr ądu przepływaj ącego przez uzwojenie wzbudzenia silnika trakcyjnego wynosi 60% pr ądu przepływaj ącego przez silnik elektryczny. Drugi stopie ń bocznikowania α=35 wymaga

79

zał ączenia obu rezystorów Ssz1 i Ssz2. W tym przypadku warto ść pr ądu w przepływaj ącego przez uzwojenia wzbudzaj ące wynosi 35% warto ści pr ądu przepływaj ącego przez silnik. Stan, w którym bocznikowanie nie jest realizowane, a tym samym silnik pracuje przy pełnym wzbudzeniu oznaczony został jako α=100. Styczniki Wsz1 i Wsz2 sterowane s ą za pomoc ą automatycznego układu sterowania bocznikowaniem. Wybór stopnia bocznikowania dokonywany jest na podstawie pomiarów napi ęcia i pr ądu w przewodach obwodu silników trakcyjnych. Pomiar napi ęcia dokonywany jest pomi ędzy przewodami 1 i 3. Nat ęż enie pr ądu obliczana natomiast jest na podstawie pomiaru spadku napi ęcia na uzwojeniach komutacyjnych pr ądnicy głównej G-H (przewody 1 i 2). Na rys. 5.12. przedstawiono charakterystyk ę silnika trakcyjnego przy mocy elektrycznej 150kW (moc elektryczna pr ądnicy głównej 900 kW). Charakterystyk ę wykre ślono przy wykorzystaniu danych obejmuj ących pr ędko ść lokomotywy, napi ęcie oraz nat ęż enie pr ądu w obwodzie silników trakcyjnych, które to parametry zostały zapisane w pami ęci urz ądzenia rejestruj ącego parametry pracy lokomotywy.

2200

2000

1800

1600 α=35

I 1400 60 -35

1200

I35-60

[obr/min] 1000 st

n α=60 I100-60 800

600 I60-100 α=100 400

200

0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Ipg [A]

Rys. 5.12. Charakterystyka silnika trakcyjnego

Na rys. 5.12 zaznaczono punkty I 100-60 , I 60-35 , I 35-60 , I60-100 , b ędące warto ściami nat ęż enia pr ądu, przy których nast ępuje zmiana pomi ędzy poszczególnymi stopniami wzbudzenia α=100, α=60, α=35. Znaj ąc warto ść mocy elektrycznej silnika mo żliwe jest obliczenie napi ęcia, przy którym ta zmiana zachodzi.

80

Na rys. 5.13. przedstawiono charakterystyk ę napi ęciowo-pr ądow ą automatycznego układu sterowania bocznikowaniem. Charakterystyk ę t ą stworzono w oparciu o charakterystyki silnika trakcyjnego dla poszczególnych wartości mocy elektrycznej, podczas bada ń eksploracyjnych, z których nast ępnie odczytano warto ści pr ądu I 100-60 , I 60-35 , I 35-60 i I60-100 .

550

100 -60 60 -35 35 -60 60 -100 500

450

[V] 400 pg U

350

300

250 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 I [A] pg

Rys. 5.13. Charakterystyka silnika trakcyjnego

Znajomo ść wspomnianej charakterystyki umo żliwia okre ślenie stopnia wzbudzenia silnika w trakcie jego pracy. Jest to istotne, poniewa ż stopie ń wzbudzenia ma wpływ mi ędzy innymi na sprawno ść ogóln ą, znajomo ść której jest niezb ędna w dalszej analizie. Na rys. 5.14 przedstawiono charakterystyk ę silnika lokomotywy ST44.

81

Rys. 5.14. Charakterystyka silnika trakcyjnego [18]

Przedstawione na wykresie krzywe sprawno ści zostały aproksymowane wielomianami:

(5.5) % 6,4208 · 10 · 2,3245 · 10 · 1,715 · 10 · 0,90215 (5.6) % 1,0588 · 10 · 3,434 · 10 · 2,8802 · 10 · 0,87551 (5.7) % 1,0275 · 10 · 3,5122 · 10 · 3,3602 · 10 · gdzie: 0,84429 – pr ąd w silniku trakcyjnym [A] Zało żono przy tym, że sprawno ść zale ży jedynie od warto ści pr ądu bez wzgl ędu na moc elektryczn ą silnika trakcyjnego. Warto ść momentu obrotowego silnika trakcyjnego mo żna wyznaczy ć przy u życiu nast ępuj ącej zale żno ści:

(5.8) 30 · · gdzie: · – moc elektryczna silnika trakcyjnego [W] – pr ędko ść obrotowa silnika trakcyjnego [obr/min] - sprawno ść przekładni z ębatej [-]. 82

5.6. Przekładnia z ębata

Moc mechaniczna z silnika trakcyjnego na zestaw kołowy przekazywana jest za pomoc ą walcowej przekładni redukcyjnej o z ębach prostych, o przeło żeniu 15:68. Praca przekładni wi ąż e si ę z pewnymi startami energii, które mo żna oszacowa ć na podstawie sprawno ści mechanicznej ηPZ . Wg [68] sprawno ść przekładni w takich zastosowaniach osi ąga 0,99. Jednak w przypadku przekładni, zastosowanej w układzie nap ędowym zało żono, że sprawno ść ηPZ wynosi 0,96. Ni ższa sprawno ść wynika mi ędzy innymi z zastosowania smaru, charakteryzuj ącego znacznie wi ększ ą lepko ści ą ni ż olej przekładniowy. Zastosowanie smaru jest niezb ędne ze wzgl ędu na konstrukcj ę obudowy przekładni oraz uszczelnie ń wałów, która w przypadku oleju nie byłaby wstanie zapewni ć odpowiedniej szczelno ści Zale żno ści pomi ędzy parametrami na wej ściu i wyj ściu przekładni okre ślaj ą nast ępuj ące wzory:

(5.9) ·

(5.10) · · gdzie: - pr ędko ść obrotowa silnika trakcyjnego [obr/min], - pr ędko ść obrotowa zestawu kołowego [obr /min], - moment obrotowy silnika trakcyjnego [Nm], - moment obrotowy zestawu kołowego [Nm], - liczba z ębów koła z ębatego silnika trakcyjnego [-], - liczba z ębów koła z ębatego zestawu kołowego [-], - sprawno ść przekładni z ębatej [-]. Pr ędko ść obrotowa silnika trakcyjnego okre ślana jest zale żno ści ą:

(5.11) 60000 · · gdzie: · · - pr ędko ść lokomotywy [m/s], - średnica toczna koła [mm] (dla lokomotywy ST44 =1050 mm). 5.7. Charakterystyka trakcyjna lokomotywy

W przypadku, gdy na zestaw kołowy działa moment obrotowy pochodz ący od silnika trakcyjnego, na styku kół i szyn pojawia si ę siła trakcyjna . Przy uwzgl ędnieniu wzorów (5.2- 5.7). warto ść siły trakcyjnej wynosi:

(5.12) · ·

83

Na rys. 5.15 przedstawiono charakterystyk ę trakcyjn ą lokomotywy ST44, uwzgl ędniaj ąca poło żenie nastawnika jazdy i wynikaj ąca st ąd moc na zestawach kołowych. Warto ść siły trakcyjnej w zakresie niskiej pr ędko ści jest ograniczona jest przyczepno ści ą pomi ędzy kołami a szynami (krzywa A-B).

400000 A 350000 B 300000

250000 poz 1 poz 3 200000 poz 5 poz 7 150000

-siłatrakcyjna [N] poz 9 T F poz 11 100000 poz 13 poz 15 50000

0 0 5 10 15 20 25 Prędkość [m/s]

Rys. 5.15. Charakterystyka trakcyjna lokomotywy ST44

5.8. Urz ądzenia pomocnicze

Jak wcze śniej wspomniano układ nap ędowy lokomotywy oprócz zasadniczych elementów jak pr ądnica główna, silniki trakcyjne, przekładnie z ębate i zestawy kołowe posiada równie ż szereg innych urz ądze ń energochłonnych zwanych urz ądzeniami pomocniczymi. W tab. 5.2 [18] przedstawiono warto ści mocy poszczególnych urz ądze ń pomocniczych. W celu uzyskania warto ści mocy obci ąż aj ących silnik spalinowy nale ży uwzgl ędni ć sprawno ści poszczególnych elementów układów przeniesienia nap ędu z silnika spalinowego na rozwa żane urz ądzenie. Zało żono przy tym, że sprawno ść przekładni z ębatej, wykorzystanej do nap ędu wentylatorów silników trakcyjnych, wentylatora pr ądnicy głównej oraz pr ądnicy i wzbudnicy, a tak że wentylatora układu chłodzenia silnika spalinowego wynosi 0,98. Sprawno ść przekładni pasowej, poprzez któr ą nap ędzany jest generator jednofazowy wynosi 0,95. W układzie nap ędowym wentylatora układu chłodzenia silnika spalinowego oprócz przekładni z ębatej znajduje si ę sprz ęgło hydrokinetyczne o regulowanym po ślizgu, którego maksymalna sprawno ść wynosi 0,96. 84

Tab. 5.2. Moce i pr ędko ści obrotowe urz ądze ń pomocniczych osi ągni ęte przy maksymalnej pr ędko ści obrotowej silnika spalinowego [18]

Całkowita Moc Pr ędko ść sprawno ść Moc obc. silnik Urz ądzenie urz ądzenia obrotowa układu spalinowy

pomocnicze nap ędowego [obr/min] [kW] [-] [kW]

Wentylator silników trakcyjnych wózka A 2603 11 0,98 11,2

Wentylator silników trakcyjnych wózka B 2652 11,8 0,96 12,3

Wentylator pr ądnicy głównej 2213 11 0,94 11,7

Generator jednofazowy 4000 1,1 0,89 1,2

Wentylator chłodnicy 1395 40,5 0,92 46,9

Pr ądnica pomocnicza 1806 12,2 0,98 12,4

Wzbudnica 1806 22,6 0,98 23,1

Spr ęż arka powietrza 750 40,5 1 40,5

Przedstawione w tabeli parametry urz ądze ń pomocniczych dotycz ą pracy silnika spalinowego przy maksymalnej pr ędko ści obrotowej wału korbowego wynosz ącego w przypadku silnika typu 12 CzN26/26 750 obr/min. Wentylatory silników trakcyjnych i pr ądnicy głównej, jak i pr ądnice s ą nap ędzane od silnika spalinowego przez przekładnie mechaniczne o stałym przeło żeniu. Powoduje to, że ich pr ędko ść obrotowa jest proporcjonalna do pr ędko ści obrotowej silnika spalinowego. Moc niezb ędn ą do nap ędu mo żna wyrazi ć za pomoc ą nast ępuj ącej zale żno ści [41]: (5.13) · gdzie: – maksymalna pr ędko ść obrotowa wentylatora (przy pr ędko ści obrotowej sinika spalinowego równej 750 obr/min) [obr/min], – pr ędko ść obrotowa wentylatora (przy pr ędko ści obrotowej sinika spalinowego mniejszej ni ż 750 obr/min) [obr/min],

– moc znamionowa wentylatora przy pr ędko ści nwent [kW], – moc znamionowa wentylatora przy pr ędko ści nwent1 [kW].

85

Zale żno ść (5.13) mo że zosta ć u żyta równie ż do opisu pracy wentylatora układu chłodz ącego. Nale ży jednak zauwa żyć, że pr ędko ść wspomnianego wentylatora nie jest proporcjonalna do pr ędko ści silnika spalinowego z powodu zastosowania w jego układzie nap ędowym sprz ęgła hydrokinetycznego o regulowanym po ślizgu. W obliczenia przyj ęto, że po ślizg oraz sprawno ść sprz ęgła hydrokinetycznego wynosi 0,96. Pr ędko ść obrotowa wału korbowego silnika spalinowego ma równie ż wpływ na moc spr ęż arki powietrza. Warto ść mocy spr ęż arki mo żna obliczy ć przy u życiu przytoczonych poni żej zale żno ści[87]:

(5.14) · (5.15)

(5.16)

· 36 ,72 (5.17) · · 1 1 (5.18) · · 60 gdzie: – moc spr ęż arki [kW] – sprawno ść całkowita [-], – stopie ń dostarczenia [-], – wska źnik przestrzeni szkodliwej [-], – wska źnik dławienia [-], – współczynnik podgrzania [-], – wska źnik szczelno ści [-], – moc spr ęż arki teoretyczna [kW], – średnie ci śnienie indykowane [MPa], – współczynnik politropy [-], p0 – ci śnienie w kró ćcu ssawnym [MPa],

pk – ci śnienie w kró ćcu tłocznym [MPa], – wydajno ść skokowa spr ęż arki [m 3/h], – pr ędko ść obrotowa wału korbowego spr ęż arki [obr/min]. Przy zało żeniu upraszczaj ącym, że warto ści i są stałe w całym zakresie pr ędko ści obrotowej spr ęż arki powietrza mo żna przyj ąć , że objęto ściowy strumie ń powietrza w kró ćcu ssawnym oraz moc maksymalna dostarczana do spr ęż arki jest proporcjonalna do pr ędko ści obrotowej. W przypadku gdy spr ęż arka nie realizuje spr ęż ania powietrza, czyli realizuje stan biegu luzem, ze wzgl ędu na opory mechaniczne jak równie ż opory powietrza

86

w zaworach ss ących, jej moc stanowi około 50% maksymalnej mocy spr ęż arki podczas spr ęż ania [26]. Pr ędko ść obrotowa silnika spalinowego nie ma natomiast jednoznacznego wpływu na moc mechaniczn ą dostarczan ą pr ądnicy pomocniczej. Wynika to z faktu, że moc elektryczna utrzymuje si ę na stałym poziomie wynosz ącym 12,2 kW. Moc pr ądnicy wzbudnej jak i generatora jednofazowego sterowana jest za pomoc ą regulatora mocy silnika spalinowego i pr ądnicy głównej. W przypadku pracy silnika w stanie biegu jałowego, w którym jak wspomniano wcze śniej brak jest przekazywania mocy na zestawy kołowe, moce zarówno pr ądnicy wzbudnej jak i generatora pr ądu przemiennego wynosz ą 0 kW. W przypadku realizacji jazdy pod obci ąż eniem moce pr ądnicy wzbudnej i generatora jednofazowego s ą proporcjonalne do mocy pr ądnicy głównej. Na rys. 5.16 przedstawiono pobór mocy mechanicznej urz ądze ń pomocniczych w funkcji mocy elektrycznej generowanej w pr ądnicy głównej. Przy obliczaniu mocy mechanicznej wszystkich wentylatorów maszyn elektrycznych oraz spr ęż arki uwzgl ędniono zale żno ść mocy pr ądnicy głównej od pr ędko ści obrotowej silnika spalinowego (rys. 5.10).

suma 200 wentylator układu chłodzenia silnika spalinowego

spreżarka powietrza

wzbudnica

wentylatory silników trakcyjnych 150 prądnica pomocnicza

wentylator prądnicy głównej

generator amplistatu

100

50 Moc mechanicznapomocniczych[kW] urządzeńMoc

0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Moc elektryczna prądnicy głównej [kW]

Rys. 5.16. Pobór mocy mechanicznej urz ądze ń pomocniczych w funkcji mocy elektrycznej generowanej w pr ądnicy głównej

87

5.9. Opory ruchu

Podczas ruchu poci ągu na lokomotyw ę jak równie ż na poszczególne wagony w składzie poci ągu działaj ą siły oporu ruchu. Przykład ogólnego podziału oporów ruchu pojazdów przedstawiono na rys. 5.17 [59].

Rys 5.17 Podział oporów ruchu pojazdu [59]

Jak wida ć na rys. 5.17 opory ruchu poci ągu zostały podzielone na dwie zasadnicze grupy tj. na opory ruchu pochodz ące od pojazdu nazywane równie ż oporami własnymi oraz opory pochodz ące od nawierzchni nazywane oporami dodatkowymi. Opory zasadnicze odnosz ą się do ruchu pojazdu po torze poziomym i prostym. Warto ść oporów zasadniczych ma ścisły zwi ązek z cechami konstrukcyjnymi pojazdu kolejowego i zale ży mi ędzy innymi od masy, współczynnika oporu powietrza, liczby zestawów kołowych. Warto ść oporów zale ży równie ż od dyssypacji sił podczas pracy zawieszenia i jest zale żna od parametrów poszczególnych elementów wchodz ących w skład układu biegowego, takich jak współczynniki spr ęż ysto ści spr ęż yn i tłumienia tłumików hydraulicznych b ądź mechanicznych.

88

Opory pochodz ące od nawierzchni są powi ązane z geometri ą torowiska, jak na przykład promienie łuków. Nale ży jednak zaznaczy ć, że w niniejszej pracy pokonywanie wzniesie ń nie potraktowano jako elementu oporów ruchu. Zało żono bowiem, że siła działaj ąca na poci ąg podczas pokonywania wzniesienia jest sił ą zachowawcz ą, zwi ązan ą z energi ą potencjaln ą, która akumulowana jest w masie poci ągu. W literaturze [24, 54, 59] przytaczane s ą wzory, umo żliwiaj ące obliczanie warto ści poszczególnych składowych oporu ruchu. Jednak sam proces obliczeniowy wymaga znajomo ści wielu współczynników, powi ązanych z poszczególnymi parametrami konstrukcyjnymi zarówno pojazdów kolejowych, jak i drogi kolejowej. Dlatego te ż wspomniana metoda analityczna nie jest wykorzystywana. W praktyce zasadnicze opory ruchu wyznacza si ę eksperymentalnie, przy u życiu tzw. metody „wybiegu” [57, 59, 81 ]. Ta metoda polega na pomiarze przyspieszenia poci ągu podczas pracy lokomotywy w stanie jazdy wybiegiem, gdy siła trakcyjna FT oraz siła pochodz ąca od układu hamulcowego FH równa jest zeru. Jak wspomniano, zasadnicze opory ruchu odnosz ą si ę jedynie do ruchu poci ągu po torze poziomym. W rzeczywisto ści sytuacja ta wyst ępuje sporadycznie. W przypadku analizowanej trasy pomi ędzy stacjami Bydgoszcz Wschód – Gdynia Port o długo ści 187,6 km, dla poci ągu o długo ści 700 m sumaryczna długo ść toru poziomego wynosi jedynie 6,8 km. Dla tak krótkiego dystansu pomiarowego nie jest mo żliwe uzyskanie du żej liczby pomiarów, co przekłada si ę na dokładno ść uzyskanych wyników. Dlatego te ż w celu zwi ększenia liczby pomiarów, w analizie uwzgl ędniono odcinki, dla których pochylenie zast ępcze . Spowodowało to wydłu żenie dystansu pomiarowego do 37,2 km. 0,5; 0,5‰ Przy powy ższych zało żeniach oraz przy uwzgl ędnieniu wzoru (5.2), warto ść oporu ruchu wynosi:

(5.19) · · · gdzie: – siła oporów ruchu [N], m – masa poci ągu [kg],

– pochylenie zast ępcze [‰], g – przyspieszenie ziemskie [m/s 2],

– siła oporów układu hamulcowego [N],

– siła trakcyjna [N],

– masa zredukowana [kg],

- pr ędko ść poci ągu [m/s].

89

Wyst ępuj ąca we wzorze (5.19) warto ść oporu ruchu wyra żona jest w funkcji pr ędko ści poci ągu. W najogólniejszym przypadku funkcja ta przyjmuje posta ć wielomianu 2-go stopnia:

(5.20) gdzie: współczynniki oporu ruchu. Praktyk ą jest, wyra, żane– oporów ruchu w uj ęciu jednostkowym [59]:

(5.21) czyli:

(5.22) gdzie: współczynniki jednostkowego oporu ruchu [-]. , , – Warto ść oporów ruchu uzyskana przy u życiu tzw. metody „wybiegu” uwzgl ędnia równie ż opory aerodynamiczne. Jest to istotne poniewa ż metody analityczne w przypadku poci ągów towarowych praktycznie nie s ą stosowane, ze wzgl ędu na wysoki poziom zło żono ść zjawisk aerodynamicznych. Zasadnicze opory ruchu w teorii odnosz ą si ę do jazdy po torze prostym. Jazda po łuku powoduje pojawienie si ę dodatkowych oporów ruchu. Źródłem wspomnianego oporu s ą po ślizgi wyst ępuj ące na styku koło kolejowe-szyna, które powstaj ą na skutek ró żnej odległo ści pomi ędzy osi ą chwilowych środków obrotu kół zestawu kołowego a powierzchniami tocznymi szyny zewn ętrznej i wewn ętrznej (rys 5.18).

Rys. 5.18 Rozkład pr ędko ści i po ślizgów kół kolejowych [58]

Ponadto podczas jazdy pojazdu kolejowego po łuku, w szczególno ści gdy pojazd ten posiada prowadniki osi zestawów kołowych o du żej sztywno ści podłu żnej wzgl ędem ramy, 90

nast ępuje zjawisko nabiegania kół na szyny. Skutkuje to pojawieniem si ę dodatkowych po ślizgów wiertnych w rejonie obrze ży kół (punkt B rys. 5.19).

Rys. 5.19 Nabieganie koła zestawu kołowego na szyn ę w łuku torowym [79]

Pomimo, że w literaturze przytaczane s ą wzory, umo żliwiaj ące okre ślenie warto ści oporu ruchu podczas jazdy po torze zakrzywionym, na potrzeby przeprowadzanej analizy opory te uwzgl ędniono w ogólnym wzorze na opór jednostkowy ruchu poci ągu. Osi ągni ęto to poprzez wykonanie pomiarów przy u życiu metody „wybiegu” zarówno na odcinkach prostych drogi kolejowej, jak i łukach. Na rys. 5.20 przedstawiono wykres jednostkowego oporu ruchu, uzyskanych po uprzedniej aproksymacji warto ści jednostkowego oporu ruchu, uzyskanych na podstawie przeprowadzony na potrzeb ę pracy pomiarów.

91

0,05

0,045 opory jednostkowe opory jednostkowe z uwzględnieniem bez uwzględnienia 0,04 jazdy po łukach jazdy po łukach

0,035

0,03

0,025

0,02

0,015

0,01 Jednostkowe opory ruchu [N/kg]

0,005

0 0 5 10 15 20 25 Prędkość [m/s]

Rys. 5.20 Przebieg jednostkowego oporu ruchu

W opracowywanym modelu pracy lokomotywy zostanie wykorzystany wył ącznie przebieg jednostkowego oporu ruchu, uwzgl ędniaj ący jazd ę po krzywi źnie, opisany nast ępuj ącym równaniem:

(5.23)

13 ,65 · 10 1,23254 · 10 4,98988 · 10

5.10. Hamowanie poci ągu

Jak wspomniano w rozdziale 5.2 podczas jazdy na lokomotyw ę działaj ą siły o charakterze dyssypacyjnym, do których nale żą siły hamowania FH. Dla opisywanego modelu układu nap ędowego lokomotywy zało żono istnienie dwóch stopni hamowania.

Na rys. 5.21 przedstawiono rozkład warto ści przyspieszenia arz w trakcie hamowania poci ągu. Warto ści przyspieszenia zostały obliczone na podstawie danych zarejestrowanych przez system Teloc podczas całorocznej eksploatacji lokomotywy.

92

2000 1800 1600 1400 1200 1000 800

Czas [h] Czas 600 400 200 0 0,1 0,2 - - 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,11 0,12 0,13 0,14 0,15 0,16 0,17 0,18 0,19 0,21 0,22 0,23 0,24 0,25 ------przyspieszenie [m/s 2]

Rys. 5.21 Rozkład warto ści przyspieszenia w trakcie hamowania poci ągu

Z rys. 5.21 wynika, że hamowanie najcz ęś ciej było realizowane z nastaw ą UH, dla której przyspieszenie poci ągu osi ągało warto ść . Przyj ęto, że ta warto ść przyspieszenia jest 0,1 charakterystyczna dla 1-go stopnia hamowania. W przypadku hamowania 2-go stopnia zało żono, że przyspieszenie poci ągu osi ąga warto ść

. Zało żenie to wynikało z faktu, że ta warto ść jest najmniejsz ą, jak ą zarejestrowano 0,18 podczas bada ń eksploatacyjnych.

93

6. MODEL AUTOMASZYNISTY

6.1. Informacje wst ępne

Opisany w niniejszym rozdziale model automaszynisty wykorzystuje równania stanu utworzone na podstawie układu nap ędowego lokomotywy spalinowej (rys. 5.2). Przyj ęte w modelu automaszynisty rozwi ązania bazuj ą na wieloletnim do świadczeniu autora pracy w zakresie zarz ądzania taborem kolejowym oraz informacjach zebranych w śród maszynistów z wieloletnim do świadczeniem. W modelu odwołano si ę równie ż do zasad post ępowania w obsłudze lokomotyw spalinowych zawartych w Instrukcji o zasadach gospodarki paliwowej w PKP CARGO S.A. [73]. Do najwa żniejszych zasad nale żą : • utrzymywanie mo żliwie stałego nat ęż enia pr ądu w silnikach trakcyjnych podczas rozruchu poci ągu, • jak najszybsze osi ąganie ostatniej pozycji nastawnika jazdy, • przeprowadzanie rozruchu poci ągu wył ącznie przy całkowitym wyluzowaniu hamulców, • zmian ę pozycji nastawnika jazdy nale ży przeprowadza ć dopiero wówczas, gdy silnik spalinowy uzyska pr ędko ść obrotow ą poprzednio zadan ą, przy czym czas utrzymywania nastawnika jazdy przy danej pozycji nie powinien być krótszy ni ż 3÷4s, • po przeprowadzonym rozruchu i osi ągni ęciu pr ędko ści rozkładowej poci ągu nastawnik jazdy nale ży ustawi ć w pozycji „0” i kontynuowa ć dalsz ą jazd ę wybiegiem, • przed hamowaniem poci ągu (za wyj ątkiem hamowania w sytuacjach awaryjnych) nale ży stasowa ć jazd ę wybiegiem na jak najdłu ższej drodze, • podczas jazdy nale ży wykorzystywa ć profil drogi kolejowej – w przypadku konieczno ści zmniejszenia pr ędko ści poci ągu przewidzianego rozkładem jazdy lub innymi sygnalizowanymi ograniczeniami, nale ży z odpowiednim wyprzedzeniem przestawi ć nastawnik jazdy na ni ższ ą pozycj ę, aby w miejscu pocz ątku ograniczenia uzyska ć przewidzian ą pr ędko ść jazdy. Przy tworzeniu algorytmu wykorzystano równie ż informacje zawarte w instrukcji Ie-4 [76], dotycz ące odległo ści z jakich dane urz ądzenia sterowania ruchem kolejowym takie jak semafory i tarcze ostrzegawcze musz ą by ć widoczne. Wiedza na temat wspomnianych odległo ści jest istotna, gdy ż umo żliwia miedzy innymi ustalenie miejsca, w którym maszynista zostanie poinformowany o konieczno ści zredukowania pr ędko ści lub zatrzymania poci ągu.

Model zakłada konieczno ść wprowadzania dwóch nastaw: nastawy UN maj ącej wpływ na moc zespołu silnika spalinowego, a tym samym na sił ę trakcyjn ą oraz , nastawy UH, od której zale ży warto ść siły hamowania . Cho ć w przypadku lokomotywy ST44 istnieje pewne powi ązanie układu regulacji mocy i układu hamulcowego, uniemo żliwiaj ące mi ędzy innymi realizacj ę jazdy pod obci ąż eniem przy jednoczesnej realizacji hamowania, co chroni układ nap ędowy przed przeci ąż eniem, oba układy nale ży traktowa ć jako autonomiczne.

94

W przypadku lokomotywy ST44 nastawa mocy zawiera si ę w przedziale . W przypadku układu hamulcowego wyodr ębniono natomiast dwa stopnie hamowania 0, 15 , o czym wspomniano w rozdziale 3.11. Jednak w celu uproszczenia systemu kodowania stanu pracy lokomotywy, pomimo wspomnianej autonomiczności układów regulacji mocy i hamowania wprowadzono wspóln ą dla obu układów nastaw ę , zawieraj ącą si ę w przedziale , przy czym warto ści nastawy nale żą do zbioru liczb całkowitych. Warto ść 2, 15 nale ży interpretowa ć jako „2-gi stopie ń hamowania pełnego”, warto ść jako „1-szy 2 stopie ń hamowania pełnego” natomiast oznacza jazd ę wybiegiem. 1Warto ści oznaczaj ą realizacj ę jazdy pod obciąż eniem. 0 1, 15 6.2. Model automaszynisty - algorytm

W modelu automaszynisty wyodr ębniono dwie zasadnicze grupy bloków. Pierwsz ą grup ę stanowi ą bloki decyzyjne i obliczeniowe wykorzystywane do obliczania bie żą cych parametrów jazdy dla danego stanu pracy lokomotywy (rys. 6.1). Drug ą grup ę stanowi ą bloki decyzyjne i obliczeniowe, wykorzystywane w procesie wyboru odpowiedniego stanu pracy lokomotywy po uwzgl ędnieniu bie żą cych warunków eksploatacji.

95

Start

I Wczytanie danych linii kolejowej: profilu trasy, ogranicze ń pr ędko ści, miejsc postojów

II Wczytanie danych lokomotywy: masa, liczba zestawów kołowych, momenty bezwładno ści zestawów kołowych i wirników silników trakcyjnych, pr ędko ść maksymalna, charakterystyka siły poci ągowej Ft(u,V), charakterystyka pr ądowa silników trakcyjnych I(u,V), charakterystyka dotycz ąca zu życia paliwa Ge(P ) el

III Wczytanie danych składu poci ągu: masa, długo ść , liczba zestawów kołowych

IV Model oporów ruchu (V,m) VII r 17 1 F V (r ys. 6.10 ) Rozpocz ęcie oblicze ń: 1 0 , 0, 1, 0, 0, 0 VIII (1, ) (0, ) ( , ) 9 (r ys. 6.6, 6.7 )

IX 10 1 (, ) (, ) ( , ) (r ys. 6.7 ) X (, ) ( , ) 4 0 (r ys. 6.3, 6.4, 6.5 )

0,18 XI 12 2 0,1 (rys. 6.8, 6.11 )

XII 1 1 1 15 1 VI , · (rys. 6.9, 6.12 ) , ·

1 · · 2 XIII

NIE 1 Czy koniec pracy (r ys. 6.2) TAK XIV

Prezentacja wyników: Czas pracy, rozkład stanów pracy lokomotywy, pr ędko ść , zu życie paliwa na zako ńczenie pracy

Rys. 6.1 Algorytm opisuj ący model automaszynisty – Stop obliczanie bie żą cych parametrów jazdy

96

Proces obliczeniowy rozpoczyna si ę wczytania danych parametrów linii kolejowej (blok I), po której porusza ć si ę b ędzie poci ąg. Parametry te obejmuj ą profil drogi kolejowej, informacje dotycz ące dopuszczalnych pr ędko ści, a tak że miejsca postoju. Wczytanie danych technicznych lokomotywy nast ępuje w bloku II. Dane te zawieraj ą informacje o masie lokomotywy, liczbie zestawów kołowych, momentów bezwładno ści zestawów kołowych i wirników silników trakcyjnych. Ponadto wczytywane s ą dane, dotycz ące pr ędko ść maksymalnej lokomotywy, charakterystyki siły poci ągowej (U, V , T charakterystyki pr ądowej silników trakcyjnych I(U, V) , oraz charakterystyki zu życia paliwaF Ge(Pel) . Ponadto oprócz danych lokomotywy niezb ędne jest wczytanie danych składu poci ągu, które obejmuj ą sumaryczn ą mas ę wagonów i liczb ę zestawów z uwzgl ędnieniem ich momentów bezwładno ści (blok

III). W bloku IV nast ępuje wczytanie modelu oporów ruchu FR(V, m) , który dotyczy zarówno lokomotywy jak i wagonów.

Parametry pracy lokomotywy, obejmuj ące czas , przebyt ą drog ę , pr ędko ść jazdy oraz przyspieszenie obliczane s ą w blokach V i VI. Do parametrów pracy zaliczono równie ż nastaw ę , opisuj ącą stan pracy lokomotywy, poniewa ż ma ona wpływ na warto ść przyspieszenia . Zało żono przy tym, że dla kroku 1 0 warto ść nastawy równa si ę 1 (blok V).

Natomiast dla dalszych kroków warto ść nastawy (blok VII÷XII) okre ślana jest za pomoc ą cz ęś ci decyzyjnej algorytmu, która to ł ączy si ę z cz ęś ci ą obliczeniow ą parametrów pracy za pomoc ą łączników stronicowych 4, 8, 9, 12, 14, 16. Za pomoc ą bloku decyzyjnego XIII sprawdza si ę czy poddana analizie praca lokomotywy została zako ńczona. W przypadku zako ńczenia pracy, prezentowane s ą wyniki (blok odczytu i zapisu danych XIV), zawieraj ące przebieg stanów pracy lokomotywy, pr ędko ść oraz ilo ść zu żytego paliwa. W przypadku gdy analiza pracy lokomotywy nie jest zako ńczona, proces obliczeniowy kontynuowany jest w cz ęś ci decyzyjnej, maj ącej na celu, co wcze śniej wspomniano wybór odpowiedniej nastawy.

Dla jazdy pod obci ąż eniem, gdy nastawa U 1, 15 (blok XV, rys. 6.2) mo żliwe jest podj ęcie nast ępuj ących działa ń: rozpocz ęcie jazdy wybiegiem, kontynuowanie dalszej jazdy pod obci ąż eniem przy niezmienionej nastawie lub zwi ększenie nastawy o 1. Nie mo żliwe jest natomiast bezpo średnie wdro żenie hamowania zarówno 2-go jak i 1-go stopnia. Hamowanie poci ągu musi by ć poprzedzone jazd ą wybiegiem przez okres czasu . Bezpo średnie wdro żenie hamowania po je ździe pod obci ąż eniem skutkuje gwałtown ą zmian ą kierunku sił działaj ących w elementach układów zderzakowo-ci ęgłowych, ł ącz ących poszczególne pojazdy w składzie poci ągu. Wspomniana zmiana kierunku sił powoduje postanie drga ń wzdłu żnych wagonów, które w niekorzystnych warunkach mog ą doprowadzi ć do uszkodze ń sprz ęgów śrubowych, ł ącz ących wagony, a w konsekwencji do rozerwana składu poci ągu.

97

1

XV Czy NIE 2 1 , 15 TAK

XVI Rozpocz ęcie oblicze ń parametrów jazdy wybiegiem po czasie , , , , 2 0 0 ,

2 2 1

XVII , 2 · , ·

1 · · 2

, ,

Czy NIE

TAK 3

Rys. 6.2 Cz ęść decyzyjna algorytmu opisuj ącego prac ę lokomotywy – obliczanie parametrów jazdy wybiegiem

w czasie

Parametry pracy lokomotywy po czasie jazdy wybiegiem, s ą obliczane w blokach XVI i XVII. Uzyskane parametry traktowane s ą jako dane wej ściowe w procesie decyzyjnym, dotycz ącym rozpocz ęcia jazdy wybiegiem przed wdro żeniem hamowania 2-go stopnia (blok XVIII, rys. 6.3).

98

3

XVIII Rozpocz ęcie procesu decyzyjnego dot. jazdy wybiegiem przed wdro żeniem hamowania 2-go stopnia , , , 3 0

3 3 1 XIX , ·

1 · · 2 0,18

XX TAK Czy 4

NIE XXI

Czy NIE

0 TAK

5

Rys. 6.3 Cz ęść decyzyjna algorytmu opisuj ącego prac ę lokomotywy – proces decyzyjny dot. jazdy wybiegiem przed wdro żeniem hamowania 2-go stopnia

Wybór nastawy 0 (ł ącznik stronicowy 4), oznaczaj ący jazd ę wybiegiem, nast ępuje po spełnieniu warunku (blok decyzyjny XX), dla którego pr ędko ść , wynikaj ąca z wdro żenia hamowania 2-go stopnia uzyskuje warto ść wi ększ ą od pr ędko ści dopuszczalnej . Warto ść pr ędkości obliczana jest w bloku obliczeniowym XIX przy założeniu, że przyspieszenie hamowania

2-go wynosi 0 . W przypadku nie spełnienia opisanego powy żej warunku proces decyzyjny jest ,18 przerywany gdy pr ędko ść osi ągnie warto ść równ ą 0 (blok XXI). W tym samym momencie nast ąpi rozpocz ęcie procesu decyzyjnego dotycz ącego jazdy wybiegiem przed wdro żeniem hamowania 1-go stopnia (rys 6.4).

99

5

Rozpocz ęcie procesu decyzyjnego dot. jazdy wybiegiem przed wdro żeniem hamowania 1-go stopnia , , , 4 0

4 4 1 , 1· · · 2

0 ,1

TAK Czy 4

XXII

Czy NIE

TAK

6

Rys. 6.4 Cz ęść decyzyjna algorytmu opisuj ącego prac ę lokomotywy – proces decyzyjny dot. jazdy wybiegiem przed wdro żeniem hamowania 1-go stopnia

Proces decyzyjny przebiega w identyczny sposób jak w przypadku procesu decyzyjnego dotycz ącego jazdy wybiegiem przez wdro żeniem hamowania 2-go stopnia. Jedyna ró żnica polega w sposobie przerwania procesu decyzyjnego. W tym przypadku proces jest przerywany gdy dystans przebyty w trakcie hamowana 1-go stopnia hamowania przekroczy warto ść graniczn ą dystansu hamowania (blok XXII). Warto ść graniczna dobrana jest w sposób uwzgl ędniaj ący mi ędzy innymi rozmieszczenie i widoczno ść semaforów oraz tarcz sygnałowych, informuj ących o konieczno ści hamowania lub redukcji pr ędko ści poci ągu. Zako ńczenie procesu decyzyjnego zwi ązanego z jazd ą wybiegiem poprzedzaj ącego hamowanie 1-go stopnia wi ąż e si ę z rozpocz ęciem nast ępnego procesu dotycz ącego kontynuowania jazdy wybiegiem. Przebieg powy ższego procesu został zobrazowany na rys. 6.5.

100

6

Rozpocz ęcie procesu decyzyjnego dot. kontynuowania jazdy wybiegiem

5 0 , , ,

5 5 1

XXIII · 1 , · · 2 ( , ,

TAK Czy 4

NIE XXIV Czy TAK

NIE

7

Rys. 6.5 Cz ęść decyzyjna algorytmu opisuj ącego prac ę lokomotywy – proces decyzyjny dot. kontynuowania jazdy wybiegiem

W przeciwie ństwie do dwóch poprzednich procesów decyzyjnych, w których przyspieszenie i było z góry narzucone, w przypadku procesu decyzyjnego zwi ązanego z kontynuowaniem jazdy wybiegiem przyspieszenie jest obliczane z uwzgl ędnieniem oporów ruchu, pochylenia zast ępczego oraz masy zredukowanej składu poci ągu (blok XXIII). Przerwanie procesu decyzyjnego wi ąż e si ę ze spełnieniem warunku, dla którego droga przebyta podczas jazdy wybiegiem przekroczy warto ść graniczn ą (blok XXIV) . Warto ść graniczna ustalona jest z uwzgl ędnieniem techniki prowadzenia poci ągu przez maszynist ę. Na rys. 6.6 przedstawiono cze ść decyzyjn ą algorytmu, dotycz ącą kontynuowania jazdy pod obci ąż eniem przy niezmienionej nastawie .

101

7

XXV TAK Czy 9 15 NIE

Rozpocz ęcie procesu decyzyjnego dot. kontynuowania jazdy pod obci ąż eniem przy niezmiennej nastawie w czasie , , , , 6 0

6 6 1

, 1· · · 2 , 0, , XXVI TAK Czy 9 NIE XXVII

Czy TAK

NIE

8

Rys. 6.6 Cz ęść decyzyjna algorytmu opisuj ącego prac ę lokomotywy – proces decyzyjny dot. pracy pod obci ąż eniem przy niezmiennej nastawie

Zastosowanie bloku XXV ma za zadanie przerwanie procesu decyzyjnego gdy warto ść nastawy z jak ą realizowana jest praca lokomotywy wynosi 15. W przypadku lokomotywy serii ST44 przytoczona warto ść nastawy jest warto ści ą maksymaln ą, wiec przeprowadzanie procesu, maj ącego na celu poj ęcie decyzji o utrzymaniu wspomnianej warto ści nastawy lub jej zwi ększeniu jest zbyteczne. Maksymalny czas pracy przy niezmiennej nastawie wynosi

(blok XXVII). Przekroczenie czasu przy jednoczesnym braku decyzji o kontynuowaniu pracy przy niezmiennej nastawie (blok XXVI) rozpoczyna proces decyzyjny zwi ązany ze zwi ększeniem nastawy (rys 6.7).

102

8

Rozpocz ęcie procesu decyzyjnego dot. zmiany nastawy na wy ższ ą

XXVIII Czy czas od NIE 9 poprzedniej zmiany nastawy na wy ższ ą jest > 4s

TAK XXIX TAK Czy 9

, NIE

10

Rys. 6.7 Cz ęść decyzyjna algorytmu opisuj ącego prac ę lokomotywy – proces decyzyjny dot. zwi ększenia nastawy

Zało żono, że zwi ększenie nastawy mo że by ć zrealizowane dopiero, gdy czas od ostatniej zmiany nastawy jest krótszy ni ż 4s (blok XXVIII), a sumaryczny nat ęż enie pr ądu w silnikach trakcyjnych osi ąga warto ść mniejsz ą ni ż (blok XXIX) . Niespełnienie powy ższych warunków wi ąż e si ę z realizacj ą pracy przy niezmienionej nastawie. W przypadku gdy realizowana jest jazda wybiegiem możliwe jest podj ęcie nast ępuj ących działa ń: wdro żenie hamowanie 2-go stopnia, wdro żenie hamowanie 1-go stopnia oraz rozpocz ęcie jazdy pod obci ąż eniem. Na rys. 6.8 przedstawiono proces decyzyjny dotycz ący wdro żenia hamowania 2-go stopnia.

103

2

Czy NIE 11 0 TAK

XXX

NIE Czy czas jazdy 4 wybiegiem jest >

TAK XXXI Rozpocz ęcie procesu decyzyjnego dot. hamowania 2-go stopnia , , , 7 0

7 7 1

, ·

1 · · 2 0,18 XXXII TAK Czy 12 NIE XXXIII

Czy NIE

0 TAK

13

Rys. 6.8 Cz ęść decyzyjna algorytmu opisuj ącego prac ę lokomotywy – proces decyzyjny dot. wdro żenia hamowania 2-go stopnia

Jak wspomniano hamowanie musi by ć poprzedzone jazd ą wybiegiem przez okres czasu (blok XXX). W proces decyzyjnym dotycz ący wdro żenia hamowania 2-go stopnia danymi wej ściowymi s ą dane z cz ęś ci obliczeniowej algorytmu (blok XXXI). Warunkiem wdro żenia hamowania 2-go stopnia (ł ącznik stronicowy 12) jest osi ągni ęcie warto ści pr ędko ść

warto ści wi ększej ni ż pr ędko ść dopuszczalna (blok XXXII). Opisany proces decyzyjny jest zako ńczony w przypadku pełnienia warunku, dla którego prędko ść osi ągnie warto ść 0

104

(blok XXXIII). Ten sam warunek rozpoczyna nast ępny proces decyzyjny związany z wdro żeniem hamowania 2-go stopnia (rys. 6.9)

13

Rozpocz ęcie procesu decyzyjnego dot. hamowania 1-go stopnia , , , 8 0

8 8 1 ,

1· · · 2

0 ,1 XXXIV TAK Czy 15 NIE XXXV Czy TAK

NIE

16

Rys. 6.9 Cz ęść decyzyjna algorytmu opisuj ącego prac ę lokomotywy – proces decyzyjny dot. wdro żenia hamowania 1-go stopnia

Hamowanie 1-go stopnia (ł ącznik stronicowy 15) realizowane jest po spełnieniu warunku, gdy warto ść pr ędko ści osi ągnie warto ść wi ększ ą od pr ędko ści dopuszczalnej

. Proces decyzyjny jest przerywany gdy dystans przebyty w trakcie hamowana 1-go stopnia hamowania przekroczy warto ść graniczn ą dystansu hamowania . Kolejn ą czynno ści ą poddawan ą procesowi decyzyjnemu jest rozpocz ęcie jazdy pod obci ąż eniem (rys. 6.10).

105

16

TAK Czy 17 ·

NIE

4

Rys. 6.10 Cz ęść decyzyjna algorytmu opisuj ącego prac ę lokomotywy – proces decyzyjny dot. rozpocz ęcia jazdy pod obci ąż eniem

Jazd ę pod obci ąż eniem nale ży rozpocz ąć w przypadku gdy pr ędko ść jazdy poci ągu osi ągnie warto ść poni żej pr ędko ści minimalnej wyra żonej iloczynem i pr ędko ści dopuszczalnej . Warto ść współczynnika jest dobrana w sposób maksymalnie wydłu żaj ący czas jazdy wybiegiem. Nale ży jednak pami ęta ć, że warto ść ta nie mo że powodowa ć zbyt du żego obni żenia pr ędko ści średniej, gdy ż powoduje to ryzyko nie dotrzymania czasów przejazdu, ustalonego przez rozkład jazdy. W przypadku gdy brak jest konieczno ści rozpoczynania jazdy pod obci ąż eniem kontynuowana jest jazda wybiegiem (ł ącznik stronicowy 4). Na rysunkach 6.11 i 6.12 przedstawiono cz ęść decyzyjn ą algorytmu zwi ązan ą z dalszym kontynuowaniem hamowania. Poniewa ż procesy decyzyjne dotycz ące hamownia s ą analogiczne jak w przypadku wdra żania hamowania.

106

11

Rozpocz ęcie procesu decyzyjnego dot. kontynuowania hamowania 2-go stopnia , , , 9 0

9 9 1 , 1· · · 2

0 ,18

TAK Czy 12

NIE

Czy NIE 0

TAK

18

Rys. 6.11 Cz ęść decyzyjna algorytmu opisuj ącego prac ę lokomotywy – proces decyzyjny dot. kontynuowania hamowania 2-go stopnia

107

18

Rozpocz ęcie procesu decyzyjnego dot. kontynuowania hamowania 1-go stopnia , , , 10 0

10 10 1

, 1· · · 2

0 ,1

TAK Czy 14

NIE

Czy NIE

TAK

4

Rys. 6.12 Cz ęść decyzyjna algorytmu opisuj ącego prac ę lokomotywy – proces decyzyjny dot. kontynuowania hamowania 1-go stopnia

108

7. BADANIA SYMULACYJNE UKŁADU NAP ĘDOWEGO LOKOMOTYWY

7.1. Informacje wst ępne

Przedstawiony w rozdz. 6 model automaszynisty został wykorzystany do stworzenia programu do bada ń symulacyjnych pracy lokomotywy. Program został napisany w j ęzyku Visual Basic for Applications, przez co mo żliwe jest przeprowadzanie symulacji jazdy na ka żdym komputerze, posiadaj ącym program Excel. Poniewa ż wyniki symulacji prezentowane s ą bezpo średnio w arkuszu kalkulacyjnycm, mo żliwa jest ich dalsza obróbka, polegaj ąca na tworzeniu raportów w formie zestawie ń i wykresów, podsumowuj ących anlizowany przejazd.

7.2. Wyniki symulacji

Wyniki symulacji prezentowane s ą w formie zbioru wyników jazdy dla ka żdego kroku obliczeniowego. Zbiór wyników zawiera nast ępuj ące parametry:

• przyrost czasu, nazywanym równie ż czsem pracy , (0,5 s dla ka żdego korku obliczeniowego), • tryb pracy lokomotywy , prezentowanego w przypadku lokomotywy serii ST44 w formie liczb całkowitych, zwieraj ących si ę w przedziale 2 (rozdz. 6.1), , 15 • pr ędko ść lokomotywy , • pr ędko ść dopuszczalna , • przebyty podczas analizowanej pracy dystans , • pikieta ż , • moc elektryczna zmierzona na zaciskach pr ądnicy głównej , • masa paliwa w zbiorniku lokomotywy . Na rys 7.1 i 7.2 przedstawiono przykładowy przebieg prametrów jazdy w funkcji czasu, uzyskanych podczas symulacji pracy lokomotwy, prowadz ącej poci ąg o masie 1123 t i długo ści 397 m.

109

Rys 7.1. Przebieg pr ędko ści lokomotywy, pr ędko ści dopuszczalnej i trybu pracy w funkcji czasu

Rys 7.2. Przebieg mocy elektrycznej i mas ą paliwa w zbiorniku

Nale ży zaznaczy ć, że w wielu przypadkach korzystniejsze jest przedstawienie wyników symulacji w funkcji przebytej drogi lub pikieta żu. Przykładowo w procesie oceny pracy maszynisty, porównanie rzeczywistych parametrów jazdy poci ągu i decyzji maszynisty

110

z wynikami uzyskanymi podczas symulacji jest mo żliwe jedynie w odniesieniu do punktu na linii kolejowej. Na rys. 7.3 przedstawiono porównanie pr ędko ści rzeczywistej z pr ędko ści ą, b ędącą wynikiem symulacji.

Rys 7.3. Porównanie pr ędko ści symulowanej z pr ędko ści ą rzeczywist ą

7.3. Weryfikacja modelu automaszynisty

Weryfikacj ę modelu automaszynisty przeprowadzono na podstawie porównania masy paliwa okre ślonego za pomoc ą bada ń symulacyjnych z rzeczywist ą mas ą zu żytego paliwa, okre ślon ą na podstawie pomiarów przy wykorzystaniu systemu monitoringu parametrów pracy lokomotywy, zarejestrowanych podczas 70 przejazdów. Wynik wspomnianego porównania przedstawiono na rys. 7.4.

111

1100

1000

900

800

700

[kg] 600 psym

m 500

400

300

200

100

0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

m [kg] prz

Rys 7.4. Porównanie zu życia paliwa rzeczywistego z zu życiem okre ślonym za pomoc ą symulacji

Uzyskane wyniki (rys. 7.4) pozwalaj ą stwierdzi ć wysoki stopie ń zgodno ści danych rzeczywistych z danymi, uzyskanych za pomoc ą symulacji wg modelu automaszynisty. Średni błąd kwadratowy odwzorowania rzeczywistej ilo ści zu żytego paliwa obliczono na podstawie zale żno ści:

(7.1) √ gdzie: odchylenie standardowe ró żnicy rzeczywistej ilo ści zu żytego paliwa i ilo ści - zu żytego paliwa wg symulacji [kg], - liczba wykonanych pomiarów [-].

Natomiast do obliczenia bł ędu wzgl ędnego posłu żono si ę zale żno ści ą:

(7.2) gdzie: średni bł ąd kwadratowy odwzorowania rzeczywistej ilo ści zu żytego paliwa [kg], - średnia warto ść rzeczywistej ilo ści zu żytego paliwa [kg]. - Dla wyników bada ń symulacyjnych średni bł ąd kwadratowy odwzorowania rzeczywistej ilo ści zu żytego paliwa wyniósł 2,7 kg, co w odniesieniu do warto ści średniej rzeczywistej ilo ści zu żytego paliwa, wynosz ącej 260 kg powoduje, że warto ść bł ędu wzgl ędnego wynosi 1,03%.

112

Poniewa ż pr ędko ść lokomotywy ma istotny wpływ na mas ę zu żytego paliwa, wa żne jest, by przebieg symulowanej pr ędko ści był zbie żny z rzeczywistym przebiegiem pr ędko ści okre ślonym za pomoc ą urz ądzenia rejestruj ącego Teloc z jednoczesnym uwzgl ędnieniem modelu zu życia kół. Przy obliczeniach symulacyjnych nale żało wi ęc uwzgl ędni ć pr ędko ści dopuszczalne, obowi ązuj ące stale na danych odcinakach linii kolejowej, jak równie ż ograniczenia pr ędko ści wprowadzane tymczasowo za pomoc ą odpowiednich wskaza ń semaforów [75]. Uwzgl ędniono równie ż wszelkie postoje podczas realizowanej pracy. Na rys. 7.5 przedstawiono porównanie rzeczywistego czasu jazdy (z wył ączeniem postojów) z czasem jazdy, ustalonym podczas bada ń symulacyjnych.

18000

14400

10800 [s] jsym t 7200

3600

0 0 3600 7200 10800 14400 18000 t [s] jrz

Rys 7.5. Porównanie rzeczywistego czasu jazdy z czasem ustalonym podczas bada ń symulacyjnych

Stosuj ąc regresj ę liniow ą wyznaczono zale żno ść pomi ędzy rzeczywistym i symulowanym czasem jazdy:

0 (7.3) ,943 · gdzie: - czas jazdy symulowany [s], - czas jazdy rzeczywisty [s]. Z powy ższego równania wynika, że istnieje pewien bł ąd systematyczny, w wyniku którego warto ść symulowanego czasu jazdy jest średnio o 5,7% ni ższa od rzeczywistego czasu jazdy. Powodem tego jest opisany w rozdz. 4.2.6 wpływ zu życia kół na dokładno ść pomiaru pr ędko ści. Zu życie kół powoduje, że warto ść pr ędko ści, któr ą maszynista odczytuje za pomoc ą jednostki obrazowania i komunikacji (rys. 4.18) jest zawy żona w stosunku do pr ędko ści rzeczywistej. Ponadto podczas prowadzenia poci ągu maszynista realizuje jazd ę z pr ędko ści ą ni ższ ą od dopuszczalnej, w celu zminimalizowania ryzyka jej przekroczenia.

113

8. Podsumowanie i wnioski ko ńcowe

W niniejszej pracy przedstawiono model układu nap ędowego lokomotywy spalinowej z przekładnia elektryczn ą, opisany za pomoc ą metody Grafów Wi ąza ń (GW) i Równa ń Stanu (RS). Metoda Grafów Wi ąza ń i Równa ń Stanu ze wzgl ędu na prostot ę modyfikacji i mo żliwo ść rozbudowania o nowe elementy, umo żliwia odwzorowanie pracy lokomotywy spalinowej wyposa żonej w dowolny układ nap ędowy. Przy tworzeniu powy ższego modelu wykorzystano charakterystyki poszczególnych urz ądze ń i podzespołów wchodz ących w skład układu nap ędowego zawarte w literaturze, jak równie ż charakterystyki stworzone na podstawie wyników bada ń eksploatacyjnych lokomotywy serii ST44. Badania eksploatacyjne były wykonane podczas prowadzenia poci ągów towarowych na linii kolejowej 201 na odcinku Bydgoszcz Wschód – Gdynia Port. W pracy zaprezentowano model automaszynisty, który odwzorowuje procesy decyzyjne podejmowane przez maszynist ę podczas prowadzenia poci ągu. W modelu automaszynisty poło żono szczególny nacisk na odwzorowanie specyfiki regulacji mocy układu napędowego lokomotywy spalinowej przez do świadczonych maszynistów. Weryfikacja jako ści modelu wykazała wysok ą zgodno ść wyników bada ń eksploatacyjnych z wynikami oblicze ń przeprowadzonych za pomoc ą stworzonego przez autora pracy programu symulacyjnego, wykorzystuj ącego model układu nap ędowego. Bł ąd wzgl ędny odwzorowania wyniósł 1,01%.

Efektem ko ńcowym opisanych powy żej prac s ą nast ępuj ące wnioski:

1. Opracowane metody pomiarowe umo żliwiły kalibracj ę modelu układu nap ędowego lokomotywy przy wykorzystaniu charakterystyk elementów energochłonnych układu. 2. Opracowana nowa struktura podziału warunków eksploatacji lokomotywy spalinowej umo żliwia w wi ększym stopniu ni ż dotychczas stosowane struktury odwzorowanie rzeczywistych warunków eksploatacji oraz przeprowadzenie analizy stanów pracy zgodnej z powszechn ą praktyk ą w przedsi ębiorstwach kolejowych. 3. Model układu nap ędowego lokomotywy umo żliwia przeprowadzenie bada ń symulacyjnych, w wyniku których otrzymuje si ę rozkład czasowy poszczególnych stanów eksploatacji. Umo żliwia to w pierwszej kolejno ści prognozowanie i normowanie zu życia paliwa. 4. Model układu nap ędowego lokomotywy daje mo żliwo ść porównywania energochłonno ści układów nap ędowych lokomotyw, charakteryzuj ących si ę odmiennymi charakterystykami trakcyjnymi i zu życia paliwa. Umo żliwia to dobór optymalnego dla danej pracy typu lokomotywy. 5. Model układu nap ędowego lokomotywy umo żliwia przeprowadzanie bada ń symulacyjnych, maj ących na celu wybór optymalnego, ze wzgl ędu na zu życie paliwa, układu nap ędowego dla nowo projektowanych lokomotyw lub lokomotyw poddawanych gruntownej modernizacji.

114

6. Model automaszynisty lokomotywy mo że stanowić podstaw ę „inteligentnego tempomatu”, maj ącego na celu regulacj ę pr ędko ści z uwzgl ędnieniem masy poci ągu, profilu drogi kolejowej oraz oporów ruchu. Regulacja pr ędko ści za pomoc ą „inteligentnego tempomatu” miałaby głównie na celu ograniczenie ilo ść energii mechanicznej, traconej podczas hamowania, przez co pozytywnie wpływałaby na ogólny bilans energetyczny pracy lokomotywy. 7. Model automaszynisty lokomotywy mo że by ć wykorzystany w procesie tworzenia rozkładu jazdy, w którym dobór czasów przejazdów przez dane odcinki byłby przeprowadzany w sposób maksymalizuj ący efektywno ść energetyczn ą lokomotywy.

115

BIBLIOGRAFIA

[1] Adamczyk M., Smolik M.: Zawansowania telemetria dla taboru szynowego. Na przykładzie systemu telemetrii i pomiaru zu życia paliwa dla lokomotyw SM42 . Konferencja nowoczesne rozwi ązania dla taboru szynowego. Radiokomunikacja kolejowa. Gda ńsk 2008. [2] APLISENS S.A.: Dokumentacja techniczno-ruchowa sondy poziomu paliwa typu CS- 25 . Warszawa 2009. [3] APLISENS S.A.: Fuel level probe type CS-26/RS/U. http://www.english1.aplisens.eu, data dost ępu 25.11.2014. [4] Bai Y., Mao B., Zhou F., Ding Y., Dong C.: Energy-Efficient Driving Strategy for Freight Trains Based on Power Consumption Analysis. J Transpn Sys Eng& IT, 2009, 9(3), s. 43-50. [5] Balcerski A.: Modele probalistyczne w teorii projektowania i eksploatacji spalinowych siłowni okr ętowych. Fundacja Promocji Przemysłu Okr ętowego i Gospodarki Morskiej, Gda ńsk 2007. [6] Balcerski A., Kneba Z., Kropiwnicki J., Makowski S.: The conception of exploitation efficiency of autonomic energy systems of land vehicles and ships. Combustion Engines R. 48, nr SC2, Mixture Formation, Ignition and Combustion, 2009, s. 70-76. [7] Basiewicz T., Rudzi ński L., Jacyna M.: Linie kolejowe . Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2002. [8] Bernardinis A., Butterbach S., Lallemand R., Jeunesse A., Coquery G., Aubin P.: Double resonant isolated converter for battery charger with fast switching semiconductors used in hybrid electric shunting locomotive. Electric Power Systems Research, 2012, 92, s. 43–49. [9] Bogu ś P., Grzeszczyk R.: Wykrywanie i detekcja stanu pojazdu szynowego z użyciem GPS oraz innych pokładowych urz ądze ń rejestruj ących. Pojazdy Szynowe 2010, 2, s. 13-23. [10] Bosch Informator Techniczny: Adaptacyjna regulacja pr ędko ści jazdy ACC . WKiŁ, Warszawa 2005. [11] Cichy M. i In. Sprawozdanie z pracy naukowo-badawczej nt.: Zastosowanie numerycznych metod modelowania, symulacji i optymalizacji do sterowania systemem robocza-silnik . Politechnika Gda ńska, Gda ńsk 1987. [12] Cichy M.: Parametry energetyczne silników spalinowych w konwencji Grafów Wi ąza ń. Materiały konferencji Modes, Gda ńsk 2001. [13] Cichy M.: Modelowanie systemów energetycznych. Wydawnictwo Politechniki Gda ńskiej, Gda ńsk 2001. [14] Ćwikła M., Terczy ński P.: Lokomotywy spalinowe produkcji HCP serii: SP45, SU46, SP47. Kolpress, Pozna ń 2004. [15] Czerwi ński J., Marciniak Z.: Modułowe konstrukcje jednokabinowych spalinowych lokomotyw manewrowych . Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej, Transport, 2013, 98, s. 101-118.

[16] Destraz B., Barrade P., Rufer A.: Power Assistance for Diesel-Electic Locomotives with Supercapacitive Energy Storage . The 35th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference, 2004, s. 677-682. [17] Ding Y., Bai. Y., Zhou F., Mao B.: Energy-efficient freight train operation guide system for diesel locomotives. Service Operations, Logistics, and Informatics (SOLI), 2011 IEEE International Conference, 2011, Beijing, China

116

[18] Doma ński E., O żóg Z.: Lokomotywy spalinowe serii ST44. Wydawnictwa Komunikacji i Ł ączno ści, Warszawa 1984. [19] ELTE GPS Sp. z o.o., http://www.eltegps.pl,data dost ępu 04.05.3013. [20] ENTE Sp. z o.o. METRONIX: System monitorowania zu życia paliwa i wspierania procesów logistycznych przewo źnika kolejowego . Konferencja nowoczesne rozwi ązania dla taboru szynowego. Radiokomunikacja kolejowa, Gda ńsk 2008. [21] Erd A., P ęsik W., Rzepiejewski H., Sikorski J., Tomczykowski S.: Stacja diagnostyczna lokomotyw spalinowych w Zakładzie Taboru w Warszawie . Technika Transportu Szynowego 2000, 10, s. 49-56. [22] Fröberg A., Nielsen L.: Efficient Drive Cycle Simulation . IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY, 2008, 57(3), s. 1442-1453. [23] Gautam A, Agarwal AK. Determination of important biodiesel properties based on fuel temperature correlations for application in a locomotive engine. Fuel, 2015, 142,s. 289–302. [24] Gąsowski W.: Aerodynamika Poci ągu. Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Pojazdów Szynowych, Pozna ń 1998. [25] Golovitcher I.M.: Energy efficient control of rail vehicles. Systems, Man, and Cybernetics, 2001 IEEE International Conference, 2011, Tucson Az, USA, s. 658 – 663 vol. 1. [26] Gronowicz J., Kasprzak B.: Lokomotywy spalinowe . Wydawnictwa Komunikacji i Łączno ści, Warszawa 1989. [27] Gronowicz J.: Energochłonno ść transport kolejowego . Trakcja spalinowa. Wydawnictwo Komunikacji i Ł ączno ści, Warszawa 1990. [28] Grzesikiewicz W., Rzepiejewski H.: Model regulatora kolejowego silnika spalinowego ZS . Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Transport, z. 33, Gliwice 1998, s 77-84. [29] Guan T., Frey C.W.: Model adaptive driver assistance system to increase fuel savings. 2012 IEEE International Conference on Vehicular Electronics and Safety, Istanbul, Turkey, 2012.

[30] Flickr, www.flickr.com, data dostępu 10.02.2015.

[31] Fu ć P., Merkisz J.: Konieczno ść i mo żliwo ści oczyszczania spalin silnika o zapłonie samoczynnym. Pojazdy Szynowe, 1999, 2, s.35-44. [32] Fu ć P. Merkisz J., Bajerlein M., Lijewski P., Ziółkowski A., Rymaniak Ł., Dobrzy ński M.: Mo żliwo ści odzysku energii z gazów wylotowych z nowoczesnych silników spalinowych. Logistyka, 2014, 3, s. 1829-1835. [33] HaslerRail AG.: Teloc 1500 . http://www.haslerrail.com. Data dost ępu 06.09.2013. [34] HaslerRailAG.: Speed acquisition . http://www.haslerrail.com/. Data dost ępu 06.09.2013. [35] Hedrick J., Fritz S., Plunkett K.: Diesel Particulate Filter Retrofit of a 1500 kW Multi- Engine Genset Locomotive. ASME 2012 Internal Combustion Engine Division Fall Technical Conference, Vancouver, Canada 2012. [36] Hőimoja H., Roasto I., Kesküla A.: Design concepts for a hybrid diesel electric shunting locomotive powertrain. 12 th Biennial Baltic Electronics Conference (BEC2010), Estonia 2010, s 293-296. [37] International Energy Agency – UIC, Railway Handbook 2012, Energy Consumption and CO2 Emissions, Paris, 2012. [38] Jacyna M.: Wybrane zagadnienia modelowania systemów transportowych . Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2009.

117

[39] Jacyna M.: Modelowanie i ocena systemów transportowych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2009. [40] Jacyna M.: System Logistyczny Polski. Uwarunkowania techniczno-technologiczne ko modalno ści transportu. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2012. [41] Janiak M., Krzy żaniak G., Urz ądzenia Mechaniczne w in żynierii środowiska , Cz ęść II. Wydawnictwo Politechniki Pozna ńskiej, Pozna ń 1999. [42] Karnopp D.C., Rosenberg R.C.: System Dynamic: A Unified Aproch . Wiley, New York 1975. [43] Knorr Bremse AG. Leader Driver Assistant. http://www.knorr- bremse.com/media/documents/railvehicles/en/p_1220_en_01_leader.pdf. Data dost ępu 15.12.2014. [44] Kortas P., Kropiwnicki J.: A proposal of a description of the operating conditions of diesel-electric locomotives . Combustion Engines. 2013, 155(4), s. 56-65. [45] Kortas P., KropiwnickiJ.: Analysis of locomotive engine operating conditions during idling . Combustion Engines. 2013,154(3), s. 275-282 [46] Kortas P.: Zu życie i reprofilacja kół pojazdów kolejowych . Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Transport, 2013, 79, s. 61-69. [47] Kortas P., Kropiwnicki J.: Mo żliwo ści redukcji przebiegowego zu życia paliwa przy zastosowaniu elektronicznych systemów wspomagaj ących kierowców . Combustion Engines /Silniki Spalinowe, 2013, 3, s. 250-256. [48] Kortas P.: Methods of Determination of the Fuel Consumption of the Locomotive Diesel-electric Propulsion System for Regular Operating Conditions . Progress in Mechanical Engineering and Technology Key Engineering Materials 2014, 597, s. 76-86. [49] Kowalik L., Chmielewski W., Szastok A.: Wykorzystanie systemu Metronix do pomiaru zu życia paliwa oraz detekcji pozaeksploatacyjnych ubytków paliwa w lokomotywach spalinowych . Technika Transportu Szynowego, 2008, 9, s 43-47. [50] Kropiwnicki J.: Ocena efektywno ści energetycznej pojazdów samochodowych z silnikami spalinowymi . Wydawnictwo Politechniki Gda ńskie, Gda ńsk 2011 [51] Kwa śnikowski J.: Elementy teorii ruchu i racjonalizacja prowadzenia poci ągu. Wydawnictwo Naukowe Instytutu Technologii Eksploatacji, Radom 2013. [52] Kwa śnikowski J.: Modelowanie i symulacja komputerowa procesu ruchu poci ągu , Rozprawa habilitacyjna, Rozprawy Politechniki Poznańskie nr 264, Wydawnictwo Politechniki Pozna ńskiej 1992. [53] Lange, B.: Die neue Multi-Engine-Lokomotive für den Regional- und Güterverkehr der DB AG. In: ETR - Eisenbahntechnische Rundschau 2011, 9, 24–27. [54] Lindgreen E., Sorenson S.C.: Driving resistance from railroad train. Department of Mechanical Engineering Technical University of Denmark , Lyngby, Denmark 2005. [55] Lu S., Hillmansen S., Ho T. K., Roberts C.: Single-Train Trajectory Optimization. IEEE TRANSACTIONS ON INTELLIGENT TRANSPORTATION SYSTEMS, 2013, 14(2), 743-750. [56] Lukaszewicz, P.: Driving techniques and strategies for freight trains . Computers in Railways VII: Seventh International Conference on Computers in Railways, 2000, Bologna, Italy. [57] Lukasiewicz P.: Energy Consumption and Running Time for Trains, KTH Stockholm , Dissertation, 2001. [58] Madej J.: Mechanika transmisji momentu trakcyjnego. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2000.

118

[59] Madej J.: Teoria ruchu pojazdów szynowych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2004. [60] Marczewski R., Podemski J.: Wózki wagonowe. Wydawnictwa Komunikacji i Łączno ści, Warszawa 1980. [61] Merkisz J., Mazurek S., Pielecha J.: Pokładowe urz ądzenia rejestruj ące w samochodach. Wydawnictwo Politechniki Pozna ńskiej, Pozna ń 2007. [62] Merkisz J., Fu ć P., Lijewski P.: Diesel particulate filters regeneration. Logistyka, 2009, 50(3). [63] Merkisz J., Pielecha J., Przybyła T., Kami ński T., Sosnowski R.: The remote monitoring and diagnostics of the combustion engines using the OBD II/EOBD technology . Combustion Engines, 2009-SC1, Powertrain, Design, Ecology&Diagnostics, 2009, s. 54-61. [64] Merkisz J., Pielecha J., Radzimirski S.: New Trends in Emission Control in the European Union. Springer Tracts on Transportation and Traffic, 2013. [65] Michnej M., Szkoda M.: Współczesne rozwi ązania hybrydowych układów nap ędowych spalinowych pojazdów trakcyjnych . Technika Transportu Szynowego 2007, 10, s. 38-40. [66] Mohsin R., Majid Z.A., Shihnan A.H., Nasri N.S., Sharer Z.: Effect of biodiesel blends on engine performance and exhaust emission for diesel dual fuel engine . Energy Conversion and Management, 2014, 88, s. 821–828. [67] NewagGrup,http://www.newag.pl.data dost ępu 10.02.2015. [68] Och ędruszko. K.: Koła z ębate, tom 1 . Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1985. [69] Ogawa T., Kanno H., Soeda T., Sugiyama Y.: Environmental evaluation of a diesel hybrid shunting locomotive. Electrical Systems for Aircraft, Railway and Ship Propulsion (ESARS), 2012, s. 1-6. [70] Orofino L., Cilimingras L., Morello E.: Ecodrive: Driver behavior evaluation system to reduce CO2 emissions. FISITA 2010 World Automotive Congress, Budapest 2010, F2010-E-052. [71] Pojazdy Szynowe PESA Bydgoszcz S.A.: Dokumentacja techniczno-ruchowa modernizacji lokomotywy typu M-62. Bydgoszcz 2011. [72] PKP Cargo S.A.: Instrukcja o gospodarce pojazdami i dru żynami trakcyjnymi Ct-9. Warszawa 2008. [73] PKP Cargo S.A.: Ct14 - Instrukcja o zasadach gospodarki paliwowej. Warszawa 2012. [74] PKP Intercity S.A.: Instrukcja pomiarów i oceny technicznej zestawów kołowych pojazdów trakcyjnych Bt-11. Warszawa 2010. [75] PKP Polskie Linie Kolejowe S.A.: Ie-1 – Instrukcja sygnalizacji. Warszawa 2007. [76] PKP Polskie Linie Kolejowe S.A.: Ie-4 – Wytyczne techniczne budowy urz ądze ń sterowania ruchem kolejowym. Warszawa 2014. [77] RAIL TECH PAPLA Sp. z o.o.: Jednostka obrazowania i komunikacji A 302H – Dokumentacja Techniczno-Ruchowa. Bielsko Biała 2011. [78] Reducha W.: Niektóre aspekty gospodarki paliwowej w eksploatacji lokomotyw spalinowych. Technika Transportu Szynowego, 2005, 9, s 55-62. [79] Romaniszyn Z.: Podwozia wózkowe pojazdów szynowych. Wydawnictwo Instytutu Pojazdów Szynowych Politechniki Krakowskiej, Kraków 2010. [80] Rzepiejewski H.: Diagnostyka agregatów pr ądotwórczych – zu życie paliwa i wła ściwo ści trakcyjne lokomotyw spalinowych. Technika Transportu Szynowego, 2005, 9, s 63-68.

119

[81] Schimke, R.: Optimierung des Betriebsverhaltens und der Konfiguration von dieselelektrischen Lokomotiven. Jörg Vogt Verlag, Dresden 2013. [82] Schäffner G., Rusch K., Chatterjee D., Zitzler G.: Diesel Particulate Filter: Exhaust aftertreatment for the reduction of soot emissions. Materiały informacyjne MTU Friedrichshafen GmbH, http://www.mtu-online.com, data dost ępu 20.12.2014. [83] Sicre C., Cucala P., Fernández A., Jiménez J. A., Ribera I., Serrano A.: A method to optimise train energy consumption combining manual energy efficient driving and scheduling. Computers in Railways XII: Twelfth International Conference on Computer System Design and Operation in Railways and Other Transit Systems, Beijing, China, 2010. [84] Voith Ag: Waste heat recuperation . Berger-athi, 09.01.2008. [85] Voith AG, www.voith.pl, data dost ępu 10.02.2015.

[86] Wellstead P.E.: Introduction to System Modeling. Academic Press, London, UK, 1979. [87] Wianek E., Wyszy ński R.: Spr ęż arki i wentylatory. Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1982. [88] Wikipedia, http://www.pl.wikipedia.org, data dost ępu 10.02.2015. [89] Yin J., Chen D.: An intelligent train operation algorithm via gradient descent method and driver's experience . Intelligent Rail Transportation (ICIRT), 2013 IEEE International Conference, 2013,Beijing, China, s. 54 – 59. [90] ZEPWN Jerzy Czerwi ński i wspólnicy – Spółka Jawna: Wybrane zagadnienia zwi ązane z cechami metrologicznymi systemu kontroli zu życia paliwa. Technika Transportu Szynowego, 2005, 9, s. 32-35. [91] ZEPWN Jerzy Czerwi ński i wspólnicy – Spółka Jawna: System CL400 do kontroli zu życia paliwa w lokomotywach spalinowych z przekładnią elektryczn ą. http://www.zepwn.com.pl, data dost ępu 05.07.2012. [92] Zhang Y., Wu Y., Xia G., Ma C., Ji W., Liu W., Yang K., Yang F.: Development and experimental study on organic Rankine cycle system with single-screw expander for waste heat recovery from exhaust of diesel engine. Energy 2014, 77, s. 499-508. [93] Zhu X., Changchun Li C., Xu Z., and Li J.: Study on Modeling Simulation of Locomotive Dynamics for Urban Rail Transit. Proceedings of 2011 International Conference on Modelling, Identification and Control, 2011, Shanghai, China.

120