Повышение энергоэффективности рельсовых транспортных средств путем уточнения аналитических зависимостей для расчета сопротивления движению

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра Электротехнических комплексов

ОТЧЕТ ПО ПРАКТИКЕ

Современный человек ежедневно пользуется услугами городского общественного транспорта. При этом потребление энергии транспортом постоянно увеличивается, иссякают запасы традиционных энергетических ресурсов. Итогом является увеличение стоимости проезда, что не может не сказываться на потребительской привлекательности и конкурентной способности общественного транспорта, особенно на одной из его разновидностей - экологически чистом электрическом.

Электрическая энергия, потребляемая поездом из контактной сети, расходуется на совершение тяговыми двигателями работы по перемещению подвижного состава, покрытие потерь энергии в отдельных элементах электроподвижного состава (вспомогательное и дополнительное электрооборудование) и на собственные нужды.

Проблема уменьшения потребления электроэнергии для тяговых нужд подвижного состава остается на сегодняшний день одной из наиболее актуальных, несмотря на достигнутые в ее решении успехи.

Потребление энергии электроподвижным составом на линии, как известно, зависит от целого ряда объективных и субъективных факторов, таких, как профиль пути, длина перегона, режим вождения, уровень питающего напряжения и т.д. Перечисленные факторы являются внешними, т.е. не зависящими от параметров самого транспортного средства.

В работе исследовано основное сопротивление движению и проведен расчет всех составляющих основного сопротивления движению. Целью является повышение энергоэффективности рельсового транспорта путем уточнения аналитических зависимостей для расчета основного сопротивления движению.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

Объектами исследования являются:

а) История развития методов и способов определения основного сопротивления движению;

б) Модель ряда трамвайных вагонов ЛВС-2005 (односекционная четырехосная).

Предметом исследования является уточнение методики расчета основного сопротивления движению.

Цель работы - Повысить энергоэффективность рельсовых транспортных средств путем уточнения аналитических зависимостей для расчета сопротивления движению.

Задачи:

- проанализировать существующие методы определения сопротивления движению;

- проанализировать составляющие;

- выявить характер зависимостей составляющих основного удельного сопротивления движению при движении под током;

- выявить характер зависимостей составляющих основного удельного сопротивления движению при движении без тока;

- определить аналитические выражения для расчёта основного удельного сопротивления движению с уточненными коэффициентами.

КРАТКИЙ ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЯ

Расход энергии на движение транспортных средств составляет значительную долю в энергопотреблении подвижного состава. Как показали проведённые исследования, существенный рост энергопотребления на преодоление сил сопротивления движению по достижении некоторой скорости начинает определяться аэродинамическим сопротивлением. Применяемые в настоящее время методы расчёта основаны на использовании формул, полученных несколько десятилетий назад для подвижного состава, соответствовавшего развитию техники на тот период. Однако, существенное изменение конструкции ходовых частей и кузовов подвижного состава, позволило сделать предположение о несоответствии реального сопротивления движению современного подвижного состава формулам, полученным ранее.

В связи с этим возникла необходимость получения новых аналитических зависимостей, учитывающих изменения в конструкциях подвижного состава электрического транспорта.

Как известно, основное удельное сопротивление содержит ряд составляющих, зависящих, как от конструктивного исполнения транспортного средства, так и от его аэродинамических свойств.

В ходе проведения исследований рассмотрены несколько существующих методов исследования аэродинамического сопротивления, одним из которых, наименее затратным, является метод имитационного моделирования. При использовании этого метода применительно к моделИ рядА трамвайных вагонов «ЛВС 2005» были получены аэродинамические коэффициенты для кузовов различных конфигураций. При проведении имитационного моделирования была получена зависимость коэффициента Сх в функции длины подвижного состава. График показывает, что при увеличении длины подвижного состава возрастает аэродинамическая составляющая сопротивления движению.

Общеизвестно, что основное удельное сопротивление движению зависит от характера движения - режима разгона подвижного состава (под током) и режима торможения (без тока). В связи с этим, были рассмотрены составляющие основного удельного сопротивления движению, а также произведён расчёт, величин этих составляющих для трамвайного вагона ЛВС для обоих случаев движения. В результате были получены аналитические формулы для расчёта основного удельного сопротивления движению с уточненными коэффициентами.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Flow Design - еще одна из новых программ, создана компанией Autodesk. Она отвечает требованиям для моделирования подвижного состава в туннеле. Flow Design представляет собой пакет, работающий независимо от других программ, как отдельный модуль, созданный для исследований аэродинамического сопротивления любых объектов, в том числе и транспортных средств. Перед началом проектирования в программе, имеется возможность проанализировать лобовое и поверхностное сопротивление, узнать коэффициент сопротивления, определить зоны высокого и низкого давления и силу сопротивления, которые действуют на исследуемый объект. Программа позволяет наблюдать как транспортное средство или другое тело будет взаимодействовать с воздушным потоком. Достоинствами программы в сравнении с другими является: быстрая обработка вычислительной информации, легкость в применении, а также в настройках. Результат моделирования можно представить как в 2D, так и в 3D формате.

Особое внимание компания Autodesk обратила на обеспечение точности результатов. Исследования были сосредоточены на качественном сравнении воздушного потока в реальной аэродинамической трубе и в программе, а также количественное сравнение смоделированного среднего коэффициента сопротивления, с результатами испытаний реальных транспортных средств.

Однако, наглядного представления воздушного потока не достаточно для получения достоверных данных. Поэтому для более тщательной проверки программы Flow Design, разработчики совместно с инженерами - экспертами в аэродинамике, провели испытания модели в реальной аэродинамической трубе университета RMIT и этой же модели в среде Flow Design, для определения коэффициентов и сил сопротивления. Результаты проверки показали, что погрешность расчетов данной программы на обычном персональном компьютере будет составлять всего около 5%.

Проведя анализ программ, можно сделать заключение, что Flow Design выводит те же данные, что и другие программы, но за меньшее время, определяет аэродинамический коэффициент с большей точностью, отображает распределение воздушных потоков.

Моделирование в других программах может потребовать значительное качество прорисовки и полноценности модели, настройки значительно большого количества настроек, а также долгий процесс вычислительного времени выполнения на моделирование.

Методика расчета аэродинамического сопротивления подвижного состава в программе Flow Design, представляется следующим образом:

1) Выбирается модель.

2) В аэродинамической трубе создается поток как только модель загружается.

3) По необходимости изменяются настройки.

4) Извлекаются результаты.

5) Сохраняется имитационная модель.

FlowDesign использует переходной решатель. Поэтому моделирование не усреднено по времени, программа показывает переходной процесс, который невозможно увидеть в стационарном моделировании. Сам процесс моделирования занимает достаточно длительное время, на слайде представлены графики отображающие процесс измерения аэродинамического коэффициента.

Результаты моделирования

В программе Flow Design вычислим аэродинамический коэффициент движения для данного подвижного состава. На рисунке 1 представлен профильный вид подвижного состава и распределение воздушного потока вокруг подвижного состава. В таблице представлены зависимость скорости потока от полученного аэродинамического коэффициента. Скорость показывает, как воздух движется вокруг модели. Поточные линии показывают направление потока. В окне Velocity показывается скорость и направление ветра. Скорости, показанные красным цветом, указывают на ускорение потока. Такой поток часто "сжимается" между границами или совмещается с более низкими скоростными областями. Более низкий скоростной поток изображен синим, такой поток замедляется или застаивается.

Рисунок 1 - Результаты имитационного моделирования

На рисунке 1 показано распределение воздушного потока и давления на боковые стенки кузова и воздушного скорости потока 70 км/ч. Поверхностное давление, показывает аэродинамическую нагрузку на модель, для определения взаимодействия ветра и модели.

Области более высокого давления указывают на прямое воздействие ветра. На рисунке видно, что более высокое давление действует на лобовое стекло и бампер. Места снижения давления указывают, где поток ветра отделяется от транспорта или позади модели в области следа.

Область непосредственно находящаяся внизу по течению модели называют следом. Это - то, куда поток возвращается после того, как он обтекает вокруг модели. Поток обычно медленный и может быть хаотичным.

Давление по следу довольно низкое, и показывает, как хорошо объект перемещается через воздух. Этот след действует как сопротивление и уменьшает топливную экономичность.

Таблица 1 - Зависимость аэродинамического коэффициента от скорости потока

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1) Рассмотрены основные факторы, влияющие на экономичность энергопотребления подвижного состава. Предложены пути решения проблемы с помощью уменьшения значения основного сопротивления движению путем снижения аэродинамического коэффициента, а так же с помощью уточнения существующих аналитических зависимостей для расчета основного сопротивления движению.

2) Разработана математическая модель основного сопротивления движению транспортного средства. Исследована методика определения основного сопротивления движению. Уточнены формулы для определения основного сопротивления движению для двух типов рельсового транспорта при движении без тока и под током.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Спиридонов Е. А., Порсев Е. Г. Педагогическая и научно-исследовательская практика: методические указания для магистрантов по направлениям "Электроэнергетика и электротехника" и "Управление в технических системах" [Текст]. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2014. - 19 с.

2. Розенфельд В.Е., Исаев И.П., Сидоров Н.Н. Теория электрической тяги: учебник для вузов. - М.: Транспорт, 1983. - 328 с.

3. Щуров Н.И. Теория электрической тяги: Учеб.Пособие. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. - 100 с

4. Influence of the Vehicles' Shape and Length on its Pressure Drag Value Investigation / Energy Systems, Materials and Designing in Mechanical Engineering, Selected, peer reviewed papers from the International Conference for Young Scientists «ELECTRICAL ENGINEERING. ELECTROTECHNOLOGY. ENERGY».

5. Сопротивление движению подвижного состава рельсового транспорта / Т. Д. Огнева ; науч. рук. Калугин М.В. // сборник научных трудов / под ред. Е. Г. Гуровой, С. В. Макарова. - Новосибирск: Межвузовский центр содействия научной и инновационной деятельности студентов и молодых ученых Новосибирской области: Изд-во НГТУ, 2016. - 172 с. ISBN 978-5-7782-2860-3

6. Сопротивление движению как основной энергетический фактор подвижного состава / Т.Д. Огнева : науч. рук. В.В. Бирюков // Современные проблемы технических наук: сб. тез. докл. межвуз. науч. студен. конф. «Интеллектуальный потенциал Сибири», Новосибирск, 24-25 мая, 2016г. - Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин), 2016.

7. Influence of the Vehicles' Shape and Length on its Pressure Drag Value Investigation / T. D. Ogneva / research adviser: Cand. Sc. (eng.) V.V. Biryukov / Science in progress: тезисы всероссийской научно-технической конференции магистрантов и аспирантов / отв. редактор К.Д. Шабунина. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2016.-431 с. ISBN 978-5-7782-3094-1