Wybrane charakterystyki pojazdów trakcyjnych

(1)

XIII K O N FER EN C JA N AUKOW A

„PO JA ZD Y SZY N O W E ‘98”

ZN POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ 1998 Seria: TRA N SPO RT z .3 1 ,n rk o l. 1392

Jerzy K W A ŚN IK O W SK I

WYBRANE CHARAKTERYSTYKI POJAZDÓW TRAKCYJNYCH

Streszczenie. Przedstaw iono propozycje definiowania charakterystyk pojazdów trak

cyjnych i w skaźników liczonych na podstaw ie symulacji przejazdów pociągów, w celu um ożliw ienia określania jakości przejazdu, niezbędnej do w yznaczenia kosztów użyt

kowania. Przykładow e eksperym enty sym ulacyjne wykonano dla pociągów na trasie Po

znań-W rocław .

SOME PERFORMANCE CHARACTERISTICS OF LOCOMOTIVES

Sum m ary. Suggestion o f some locom otives preform ance characteristics and coeffi

cients definitions based on results o f run sim ulation is presented. The characteristics could be used to running quality evaluation and exploitation cost estimation.

1. WSTĘP

W okresie um acniania się gospodarki rynkowej przydatne m oże być opracowanie skutecz

nego i szybkiego narzędzia do oceny efektywności techniczno-ekonom icznej przedsięwzięć transportow ych. O cena i sterow anie efektyw nością jest niezbędne do zwiększenia konkuren

cyjnego udziału transportu szynowego w rynku usług transportowych oraz w zdobyw ającym coraz więcej klientów rynku pakietow ych (kom pleksowych) usług logistycznych, w których przewozy stanow ią bardzo znaczącą pozycję rzeczow ą i kosztową. Z punktu w idzenia inwe

stora je d n ą z najw ażniejszych inform acji je st oczywiście cena pojazdu oraz sposób finanso

w ania zakupu; te ustalenia są zawsze przedm iotem szczegółow ych negocjacji, często okrytych tajem nicą kupiecką. Rów nie ważne są koszty użytkowania urządzeń technicznych, przew yż

szające często koszty inwestycji.

O kreślenie efektyw ności użytkow ania infrastruktury i pojazdów w ym aga znajom ości skła

dow ych kosztów i ich relacji do przychodów. W referacie przedstaw iono m ożliw ości w yko

rzystania bardzo w ielu obliczanych sym ulacyjnie wskaźników techniczno-ruchow ych jazdy pociągu do oceny efektyw ności użytkowania szynowego pojazdu trakcyjnego. Do takiej oce

ny (nie tylko zresztą pojazdu) niezbędne są: decyzja o potrzebie oceny, zdefiniow anie lub w y

bór kryteriów oceny oraz narzędzia służące do w yznaczenia wartości kryterium , prostego lub złożonego z prostych. W artość kryterium m ożna w yznaczyć w zasadzie tylko dla m ierzalnych

(2)

w ielkości liczbow ych. O cena w edług kryteriów jakościow ych, trudnych do określenia liczbo

wego, je s t na ogól trudno przekształcalna na wartości liczbowe.

Jednym z obszarów w łasności pojazdu są jego parametry i charakterystyki trakcyjno- ruchow e. Pojęcie to je st dość często stosowane, aczkolw iek różnie rozum iane, m ożna powie

dzieć, że je s t ono słabo zdefiniow ane. Jednym z w yróżników m oże być to, czy własności m ożna scharakteryzow ać na podstaw ie danych konstrukcyjnych, czy tylko na podstawie w yników przejazdów (teoretycznych lub rzeczywistych).

M ożna w yróżnić kilka grup własności (param etrów łub funkcji) uporządkow anych według różnej kolejności, na przykład tak, ja k się je w ym ienia w różnych m ateriałach inform acyjnych, od prospektów reklam ow ych poczynając, na opisach technicznych kończąc. N ie przesądzając o randze, zachow ując jednak zasadę przechodzenia od ogółu do szczegółu, m ożna przykłado

wo w pierw określać rodzaj trakcji, układ osi, prędkość m aksym alną, najm niejszą prędkość ciągłą, m oc znam ionow ą (moc nom inalną, moc ciągłą, moc na oś napędną) i moc m aksym alną (rozruchow ą, ch w ilo w ą - w czasie kilku minut), silę pociągow ą rozru ch o w ą końcow ą pręd

kość rozruchu w sensie przyczepności, m aksym alną masę składu w agonów lub m aksym alną m asę d oczepną na oś n a p ę d n ą z ja k ą na torze prostym i poziom ym m ożna osiągnąć prędkość m aksym alną. W następnej grupie, ważnej z punktu w idzenia obliczeń trakcyjno-ruchowych, m ożna opisać rodzaj układu napędu, postać i rozkład krzywych i/lub pól charakterystyk trak

cyjnych F(v), opory zasadnicze, charakterystyki nagrzewania urządzeń napędow ych, układ przeniesienia siły pociągow ej, w tym w spółczynnik w ykorzystania ciężaru napędow ego, oraz układ śledzenia i ograniczania poślizgu kół napędnych. Inną grupę istotną ze w zględu na koszty użytkow ania i napraw stanow ić m ogą na przykład zakładane lub realizow ane charakte

rystyki niezaw odności, w szczególności w spółczynnik gotowości, harm onogram i zakres ob

sługi, przeglądów i napraw oraz ich zw iązek ze wskazaniami układu diagnostyki bieżącej i okresow ej.

Istnieje też szereg w skaźników , których nie m ożna obliczyć bez określenia zadań przewo

zow ych i w ykonania obliczeń trakcyjnych. Tu do najważniejszych należą chyba czas przejaz

du i zużycie energii. Z ależnie od użytego narzędzia m ożna obliczyć rów nież w iele innych w ielkości, potrzebnych do oceny przejazdu.

W referacie przedstaw iono w ybrane w skaźniki przejazdów liczonych przez program RSEL sym ulujący przejazdy pociągów trakcji elektrycznej. Szczegółowszy opis zaw iera praca [3], poniżej przedstaw iono tylko w ybrane w łasności pakietu program ów autora.

Przejazdy pociągów trakcji elektrycznej sym ulowane są za pom ocą program u kom puterow ego RSEL (Run Sim ulation o f Electric Locom otives), w trakcji spalinowej przejazdy odtw arza program RSDL.

U proszczony schem at m odelu sym ulacyjnego przedstaw iono na rysunku 1.

2. MODELE SYMULACYJNE RSEL I RSDL

p

u

Proces ruchu pociągu

sym ulow any przez program R S E L (RSDL)

Y

Rys. I. S chem at ideow y sym ulatorów jazd y Fig. 1. S im ple schem a o f train running sim ulators

(3)

W ybrane charakterystyki pojazdów trakcyjnych 129

Z biór w ielkości w ejściow ych X zaw iera podzbiory sterow ania U oraz niezbędnych danych o pojeździe (pociągu), trasie i infrastrukturze P. W zbiorze P do najw ażniejszych danych należą przebiegi zasadniczych oporów jazdy R(v), param etry toru (trasy), param etry i charakterystyki pojazdu trakcyjnego, param etry składu w agonów oraz ograniczenia zm iennych procesu ruchu w ynikające ze względów technicznych lub organizacji ruchu.

W ielkością sterującą je st siła F(v) na obwodzie kół, pociągowa i ham ująca, o wartościach granicznych F kmax i -Fhmax odpowiednio.

Z biór w yników Y zaw iera przebiegi zm iennych stanu oraz innych zm iennych i param etrów obliczanych i/lub w ykorzystyw anych podczas symulacji jazdy oraz przydatnych do oceny przejazdu. Zaw iera trzy podzbiory w postaci znakowej numerycznej i a - num erycznej:

0 w yniki szczegółow e z każdego kroku obliczeń, 24 zm ienne i w skaźniki, w tym prędkość, drogę, czas, siłę F(v) na obwodzie kół, przyspieszenie, opory ruchu, prąd silnika, tem peraturę silnika i inne;

0 podsum ow anie przejazdu, w tym histogram y prędkości, sterowań, obciążenia zestaw u kół siłą pociągow ą, bilans energii przejazdu oraz około 800 różnych w skaźników, z których kilka w ybranych przedstaw iono dalej w referacie;

0 trajektorię prędkości v(s); ta z ja z d y forsownej w ykorzystyw ana je st do regulacji czasu w procedurze energooszczędnej jazdy w zadanym czasie, a w szystkie sym ulowane do zbiorow ego w ykresu v(s).

W program ie R SEL (RSDL) sym uluje się 3 sposoby przejazdu pociągu: przejazd forsowny (m inim alnoczasow y, procedura M R), przejazd w zadanym czasie z regulacją czasu przez obniżanie prędkości dopuszczalnej v max (ąuasi-forsow ny, procedura SL), przejazd w zadanym czasie z regulacją czasu przez w ym uszenie odcinków jazdy w ybiegiem (energooszczędny, procedura FC).

S ym ulacja przejazdu m inim alnoczasow ego (forsownego) dostarcza inform acji o granicznych m ożliw ościach ruchow ych pojazdu trakcyjnego podczas prow adzenia zadanego składu pociągu na danej trasie. W szczególności pow inien zostać obliczony najkrótszy m ożliw y czas przejazdu tmj„ oraz zużycie energii podczas takiego przejazdu, zużycie m aksym alne. R ozkład jazdy opracowywany je st w oparciu o inform acje o czasach m inim alnych, ale w ym aga na ogól jazdy w czasie t f dłuższym od m inim alnego tm,„ o w artość rezerw y czasowej trez. To znaczy zachodzi związek:

t f — t mi n ^ t rez ,

gdzie najczęściej je s t trcz > 0 .

R ezerw a czasow a trez, w stanach bez zakłóceń ruchu, może być w ykorzystana na różne sposoby, z których zdefiniow ano dwa sposoby graniczne regulacji czasu jazdy pociągu do w artości zgodnej z rozkładem jazdy. Pierwszy polega na ograniczeniu m aksymalnej prędkości przejazdu z wartości realizowanej podczas przejazdu forsownego do odpowiednio niższej, tak aby czas jazd y wydłużyć z minim alnego do rozkładowego [4], Drugi sposób realizow any je s t przez w prow adzenie odcinków jazdy z wybiegiem , tak aby m aksym alnie w ykorzystać energię kinetyczną i potencjalną pociągu. Sposób pierw szy nazw ano ąuasi- forsow nym , a drugi je s t niewątpliwie energooszczędnym (w w ielu przypadkach nawet energooptym alnym ). Przejazd rzeczywisty je st raczej kom binacją obu przypadków granicznych. O ba m o g ą być sym ulowane w m odelach RSEL i RSDL. Tak w ięc podczas regulacji czasu przejazdu w ykorzystuje się rezerwę czasu między zadanym rozkładem jazdy i czasem m inim alnym jazdy forsownej - dla zm niejszenia zużycia energii na trakcję poprzez realizację różnych strategii kierowania.

(4)

3. W Y B R A N E W SK AŹNIKI

O kreślenie w artości liczbow ych charakteryzujących przejazd m ożliw e je st po w ykonaniu przejazdów w określonych w arunkach techniczno-ruchowych. Program y sym ulacyjne RSEL i R SD L u m ożliw iają obliczenie, obok podstaw owych wskaźników , takich ja k czas jazdy i zużycie energii, w ieluset innych, m ogących być podstaw ą do prostej lub wielokryterialnej oceny przejazdu (i pojazdu), w tym w pływ u w łasności pojazdu trakcyjnego i czynników ru

chow ych (na przykład ostrzeżeń stałych i czasowych) na zdefiniow aną efektyw ność użytko

w ania [5 ,6 ].

Tak w ięc oprócz prędkości największej v max oraz średniej prędkości technicznej vst, pręd

kości handlowej v si„ czasu jazdy czystej t j , otrzym uje się międy innymi:

- prąd zastępczy

gdzie I,, A t; - prąd silnika i czas je g o przepływ u na i-tym kroku obliczeń, tprz - całkow ity czas przejazdu, łącznie z postojami,

- iloraz prądu zastępczego i ciągłego Ic,

- m aksym alny osiągnięty prąd jednego silnika i na pantografie

- najw yższą o siąg n iętą tem peraturę £>max i w spółrzędną toru, na której j ą osiągnięto oraz tem peraturę końcow ą ,

- zużycie energii na trakcję na obw odzie kół (praca m echaniczna trakcyjna siły pociągo- I

wej)

E k = X F ; As; [kWh], n

gdzie F i , AS i - siła na obw odzie kół i droga na kroku obliczeń, - zużycie energii na pantografie, na napędy pomocnicze, - pracę przew ozow ą

P p = m w s [tkmj, gdzie m w , s - m asa doczepna (wagonów) i droda przejazdu, - jednostkow e zużycie energii,

e ; = — [kW h/tkm], Fp

- w ydatek energii na pracę oporów biegu, - iloraz czasu ja zd y i pracy przewozow ej

Cjpr = T T [s/tkm],

P

- iloraz m asy pociągu i czasu zajęcia trasy

p rz

(5)

iloraz m ocy umownej i ciągłej

N„k

N c

w ydajność czasow ą (tj. iloczyn masy i prędkości średniej) w = m v_U _{411w v st} w odniesieniu do średniej prędkości technicznej, lub

w ,h = m w v sh w odniesieniu do średniej prędkości handlowej,

podsum ow anie faz jazdy w odniesieniu do drogi, do czasu i do zużycia energii (w artości bezw zględne oraz procentowy udział w całym przejeździe), z rozbiciem na:

• rozruch (bezoporow y i oporowy),

• ja zd ę ustaloną (bezoporow ą i oporową, wybiegiem i z ham owaniem ),

• w ybieg ogółem i wybieg czysty,

• ham ow anie ogółem , m echaniczne i elektryczne,

• ja zd ę z ograniczeniem cieplnym,

• ja zd ę z du żą w artością prądu silnika i na pantografie,

• energię straconą w oporach rozruchowych,

• bilans energii przejazdu, w wartościach bezwzględnych i w odniesieniu do zużycia energii na pantografie (w lokom otyw ach spalinow ych do zużycia paliw a), w tym e- nergia ham ow ania m echanicznego i elektrycznego, zużycie energii na napędy p o m ocnicze, łączne straty energii, straty w rezystorach rozruchow ych i w układzie po

za rezystoram i,

• histogram zm ian prędkości jazdy,

• histogram zm ian sterow ania (nastawnika jazdy) podczas całego przejazdu,

• histogram obciążenia zestaw ów kół siłą pociągow ą z podziałem na przedziały kla

sow e sił i prędkości jazdy, w rozbiciu na wartości bezw zględne i względne drogi i czasu obciążenia.

4. E K SP E R Y M E N T Y SYM U LA CYJN E

D la ilustracji w ykonano eksperymenty sym ulacyjne z pociągiem ekspresowym

„P om orzanin” relacji G dynia-W rocław, na odcinku Poznań-W rocław o długości 164,46 km.

N a odcinku P oznań-Leszno dopuszczalna prędkość wynosi 120 km/h, a na odcinku Leszno- W rocław 140 km /h. Pociąg ciągnięty je st lokom otyw ą EP08 o mocy ciągłej 2 M W , ze składem 8 w agonów przedziałow ych o masie łącznej 360 ton.

W ybrane w yniki przedstaw iono w postaci numerycznej w tabelach 1 i 2, w pierwszej tylko czas ja zd y czystej i pracę siły trakcyjnej (czyli zużycie energii trakcyjnej w odniesieniu do obw odu kół napędnych) dla trzech różnych sposobów prowadzenia, opisanych w punkcie 2 . W tablicy drugiej zawarto rów nież inne, wybrane spośród wielu liczonych, wskaźniki charakteryzujące przejazd, lokom otywę i jej wykorzystanie przy w ykonyw aniu zadania prze

w ozow ego. W yniki num eryczne z tab. 1 przedstawiono w postaci diagram ów porów naw czych na rysunkach 3 i 5. N a rysunkach 2 i 4 pokazano trajektorie prędkości w funkcji drogi, czyli v(s), z profilam i torów. M ożna na nich rozróżnić trajektorie jazdy forsownej, quasi-forsownej oraz odcinki jazdy wybiegiem .

(6)

T abela 1

Praca siły trakcyjnej Ek i czas jazdy czystej, pociągi 5600 (Poznań-W rocław )

i 6501 (W rocław - Poznań), stacja pośrednia Leszno

P rocedura

5600 6501

E„[kWh] t[s] Ek[kW h] t[s]

forsow na M R

pierw szy odcinek 639 2311 1261 3168

drugi odcinek 1254 3198 600 2306

cala trasa 1893 5509 1861 5474

ąuasi- forsow na

SL

drugi odcinek 861 3584 446 2572

cała trasa 1414 6032 1322 6050

energo

o szczędna FC

drugi odcinek 690 3596 435 2562

cała trasa 1188 6052 1180 6013

Tabela 2

Inne w ybrane w skaźniki przejazdów pociągów 5600 i 6501

W skaźnik M iara

Pociąg 5600 Pociąg 6501

Procedura Procedura

MR SL FC M R SL FC

1 C zas ja z d y czystej sek 5509 6032 6052 5474 6050 6013

2 Ś rednia prędkość techniczna km/h 107 98 98 108 99 100

3 Z u ży cie energii n a pantografie E, kW h 2110 1547 1326 2078 1468 1336 4 Z uż. en. na kołach (praca trakcyjna) Ek kW h 1893 1414 1188 1861 1322 1180

5 Praca przew ozow a Lp tkm 58890

6 Jed n o stk o w e zużycie energii Ek / Lp W h/tkm 32.1 24.0 20.2 31.6 22.5 20.2

7 Ś rednia spraw ność 0.858 0.857 0.832 0.856 0.824 0.829

8 Prąd zastępczy A 299 229 835 291 217 238

9 Iloraz prądu zastępczego i ciągłego 0.842 0.645 0.663 0.819 0.61 0.67

10 M oc średnia na kołach kW 1619 1311 1586 1634 1217 1642

1 1 Iloraz m ocy średniej i ciągłej 0.809 0.655 0.793 0.817 0.609 0.821

12 W ydajność czasow a 103tkm /h 38.5 35.1 35.0 38.7 35.0 36.0

12 S traty energii w rezyst. rozruchow ych kWh 5.3 5.3 5.3 6.3 6.3 6.3

14 S traty energii p o za rezystoram i kWh 212 129 133 210 139 146

15 E n erg ia ham ow ania kWh 655 330 64 720 348 149

16 P raca oporów zasadniczych kWh 1180 1025 1067 1192 1025 1092

.7 P raca o p orów w zniesień kW h 50 50 50 -58 -58 -58

(7)

Rys. 2. T rajektorie v(s) i profil toru, pociąg 5600, na odcinku Poznań-W roclaw Fig. 2. S peed versus distance v(s) trajectory, train N o 5600

l :::1 S |

...i

;

-...

^"•••

J

... i

...mammaeSP I i

! ...

^V1^m^T~

.. ...

^{. . ...}

Rys. 3. D iagram y czasu ja z d y i zużycia energii, pociąg 5600 na odcinku Poznań-W rocław Fig. 3. R unning tim e and energy consum ption, train No 5600

Rys. 4. T rajektorie v(s) i profil toru, pociąg 6501, na odcinku W rocław -Poznań Fig. 4. Speed versus distance v(s) trajectory, train N o 6501

Rys. 5. D iagram y czasu jazd y i zużycia energii, pociąg 6501 na odcinku W roclaw -Poznań Fig. 5. R unning tim e and energy consum ption, train N o 6501

(8)

5. PO D S U M O W A N IE

M odele RSEL i RSDL były w ykorzystane do różnych prac badaw czych z zakresu teorii trakcji, w tym także w O środku Inform atyki K olejnictwa w Olsztynie do sym ulacji ja zd ener

gooszczędnych, w Centrum N aukow o-Technicznym K olejnictwa w W arszawie do opraco

w ania instrukcji energooszczędnego prow adzenia pociągów dla m aszynistów PKP i do prac d la O R E, w O środku B adaw czo-R ozw ojow ym Pojazdów Szynowych w Poznaniu w fazie projektow ania rodziny lokom otyw elektrycznych dużej mocy, z której to rodziny powstała tylko EP09. W artość użytkow a w yników eksperym entów sym ulacyjnych może polegać na m ożliw ości bezpośredniego ich w ykorzystania do oceny jakości w ykonania aktualnych i pla

now anych zadań przew ozow ych z w ykorzystaniem różnych składów pociągów. M odele ist

n ie ją w postaci pakietu program ów kom puterowych, zdolnych do odtw arzania rzeczyw istych i planow anych, zadanych w arunków pracy analizow anych przejazdów.

Inform acjam i początkow ym i są: istniejąca infrastruktura sieci, własności i charakterystyki taboru oraz w ykonyw ane i planow ane zadania przewozowe. M odele m o g ą liczyć, oprócz w ym ienionych ju ż w skaźników , na przykład stopień wykorzystania taboru trakcyjnego (moc, tem peratura) i ciągnionego (ładow ność), w stosunku do m ożliw ości granicznych, zapotrze

bow anie na tabor trakcyjny i ciągniony oraz inne, które m ogą się w yłonić się podczas analizy problem u i konsultacji, m in. uw zględnić m ożna w dużej m ierze czynniki kosztow e przew o

zów w oparciu o opracow ania OBET.

W arunkiem podstaw ow ym do w ykonyw ania takich badań są odpow iednie wymagania w obec dostaw ców taboru, aby w dokum entacji zawarte były niezbędne inform acje o p aram etrach i funkcjach opisujących w łasności produktu. W odniesieniu do pojazdów trakcyjnych, na przykład lokom otyw 112E i 113E z PAFAW A G-u, m ożna by zażądać, aby producent dostarczył w szczególności:

- charakterystyki elektrom echaniczne elektrycznych silników trakcyjnych, przebiegów m om entu obrotow ego i prędkości obrotowej w funkcji prądu silnika, M s(co),Is(co), - chrakterystyki trakcyjne lokom otyw y, tj. przebiegi sił pociągow ych F(v) w funkcji

prędkości jazd y , spraw ności silnika i całego układu napędu (od pantografu do zestawów kół) oraz dokładne charakterystyki przetw arzania energii (falow niki, półprzew odnikow e generatory prądu trójfazow ego itd.),

- charakterystyki B(v) sił ham ow ania lokom otywy, w tym ham ow ania elektrodynam icz

nego, rów nież z odzyskiem energii ham owania,

- zasadnicze opory ruchu R(v), w postaci wzorów, wykresów lub tabel, - zakładane charakterystyki przyczepności,

- charakterystyki nagrzew ania elektrycznych silników trakcyjnych, w funkcji prądu silnika,

- ew. inne param etry: m asy, prędkości m aksym alne, znam ionow e param etry zasilania z sieci trakcyjnej itp.

LIT E R A T U R A

1. K acprzak J., K oczara W.: Podstaw y napędu elektrycznych pojazdów trakcyjnych. WKŁ, W arszaw a 1990.

(9)

2. Kwaśnikowski J., Vofl G., Sanftleben D.: Simulation o f energy saving high speed train operation. M odelling and Simulation 1995, Proc. 1995 European Simulation Multiconf., Prague 1995, s.370-373.

3. Kwaśnikowski J.: M odelowanie i symulacja komputerowa procesu ruchu pociągu. Wyd.

Pol.Pozn. Seria Rozprawy, nr 264. Poznań 1992.

4. K waśnikow ski J.: Regulacja czasu jazdy pociągu przez redukcję prędkości m aksym alnych.

Mat. XII K onf.N auk. Pojazdy Szynow e’96, Poznań-Rydzyna 1996, t.2, s. 173-176.

5. K waśnikow ski J.: Energetyczne i czasowe skutki ograniczeń prędkości dla pociągu prowadzonego lokom otyw ą EU07. Technika Transportu Szynowego, 1994, nr 3, s.28-30.

6. Kwaśnikowski J.: W pływ wzniesień i zakłóceń ruchu na zużycie energii i czas jazdy lokomo

tyw y ET22 z pociągiem towarowym. Technika Transportu Szynowego, 1994, nr 6 , s.38-41.

Recenzent: Dr hab.inż. Eugeniusz Kałuża Prof. Politechniki Śląskiej

A bstract

Suggestion o f som e locom otives preform ance characteristics and coefficients definitions based on run sim ulation results is presented. These characteristics could be used to evaluate train running quality and exploitation cost estimation. As exam ple m edium speed train per

form ance calculation on 160 km track is show n in details.