РАССМОТРЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ ТОРМОЗНЫХ РЕЗИСТОРОВ ВО ВРЕМЯ ОСТАНОВКИ ВАГОНА МЕТРО

​CONSIDERATION OF THE COOLING EFFICIENCY OF BRAKE RESISTORS DURING A SUBWAY CAR STOP

Timur Mursalimov

student of the SMT-241 group, Department of Bridges and Tunnels, Institute of Track, Construction and Structures, Russian University of Transport.

Russia, Moscow

Evgeny Antonenko

student of the SMT-241 group, Department of Bridges and Tunnels, Institute of Track, Construction and Structures, Russian University of Transport.

Russia, Moscow

Ilya Krapivin

scientific supervisor, Candidate of Technical Sciences, art.ave. Russian University of Transport,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

При движении подвижного состава (ПС) старого поколения происходит множество различных физических процессов, непосредственно влияющих на окружающую среду. Одним из таких процессов непосредственно является теплопередача и постоянный нагрев воздуха от различных элементов конструкции и управления ПС. В нашей задаче мы исследуем нагрев окружающей среды от пуско-тормозных резисторов вагонов модели 81-717.5М/81-714.5М. Считается, что регулирование температуры в метрополитене происходит за счет поступления теплого воздуха летом и соответственно набор тепла за летний период и «остывание» в зимний период. Так же за счет действия вентиляционных шахт на вдув и выдув воздушных масс в метрополитен, и конечно же за счет работы поездов и другого электрического оборудования. Мы рассмотрели влияние поездов предыдущих поколений на температуру окружающей среды и считаем, что со временем за счет смены подвижного состава на более новое поколение с другим принципом работы электрического оборудования метрополитен будет со временем «остывать» пока не войдет в новый для себя температурный режим. Эта проблема может сказаться в долгосрочной перспективе, т.к. меняя температурный режим меняется микроклимат самой подземной системы, что непосредственно влияет на надежность многих узловых и несущих конструкций.

В нашей задаче мы рассмотрели ситуацию, когда поезд метрополитена старого поколения работает в «пиковом» режиме нагрузки. Т.Е. интервал движения поездов составляет 90 секунд и ПС работает на полную мощность вырабатывая максимальное количество тепловой энергии. Численный расчет показал нагрев окружающей среды на 2.02°C, что для будущих расчетов и дальнейших выводов по смене температурного режима в московском метрополитене крайне необходимо.

ABSTRACT

During the movement of old-generation rolling stock, many different physical processes occur that directly affect the environment. One of these processes is directly heat transfer and constant heating of the air from various elements of the design and control of the substation. In our task, we investigate the heating of the environment from the starting and braking resistors of wagons of the model 81-717.5M/81-714.5M. It is believed that temperature regulation in the subway occurs due to the intake of warm air in summer and, accordingly, heat gain during the summer period and "cooling down" in winter. Also due to the effect of ventilation shafts on the injection and blowing of air masses into the subway, and of course due to the operation of trains and other electrical equipment. We have considered the influence of trains of previous generations on the ambient temperature and believe that over time, due to the change of rolling stock to a newer generation with a different principle of operation of the electrical equipment of the metropolis.

Ключевые слова: подвижной состав метрополитена; торможение; динамическое торможение; реостатное торможение; реостатно-контакторная система управления; реостатный контроллер (рк); тяговый двигатель (тд); генераторный режим; нагрев воздуха; замкнутый объем / объем воздуха; станция мелкого заложения; теплоемкость воздуха температура.

Keywords: subway rolling stock; braking; dynamic braking; rheostatic braking; rheostatic contactor control system; rheostatic controller (rc); traction motor (td); generator mode; air heating; closed volume / volume of air; shallow station; air heat capacity temperature.

В нашей задаче мы рассмотрели ситуацию, когда поезд метрополитена старого поколения работает в «пиковом» режиме нагрузки. Т.Е. интервал движения поездов составляет 90 секунд и подвижной состав работает на полную мощность вырабатывая максимальное количество тепловой энергии.

Рисунок 1. Колонная трёхпролётная станция мелкого заложения

Подвижной состав метрополитена останавливается на колонной трехпролетной станции мелкого заложения (Рис.1) с определенным объемом воздуха. Отсчет времени мы начинаем с того момента, когда ПС полностью произвел остановку, его пневматические тормоза (колодки) находятся в стояночном положении и машинист готов открыть двери подвижного состава. В рассматриваемой нами задаче таких поездов 2. Они остановились одновременно и все действия машинисты выполняют одновременно. Моментом конца отсчёта времени считаем когда подвижной состав начинает своё движение. В нашем случае, как и в реальной практике управления подвижным составом для этого достаточно 30 секунд.

В номерном составе (81-717.5М) для торможения используются динамическая, электро-пневматическая и пневматическая системы торможения, основанная на реостатно-контакторной системе и поездной автоматики управления электро-пневматическими вентелями от систем безопасности подвижным составом. В наших расчётах электро-пневматическую и пневматическую систему торможения мы не берем, т.к. они практически никак не выделяет тепло в отличии от реостатной, она же динамическая…

Рисунок 2. Пуско-тормозные резисторы

Принцип работы реостатно-контакторной системы…

Согласно практике и нормативам нагрев пуско-тормозных резисторов в эксплуатации ПС доходит до 500°С. Для понимания процессов выделения тепловой энергии на пуско-тормозных резисторах необходимо знать принцип работы реостатно-контакторной системы управления подвижным составом.

Так в общих чертах можно выделить несколько основных процессов происходящих непосредственно при управлении ПС.

Для осуществления как разгона, так и торможения осуществляется постоянная перемена показателей напряжения, силы тока и сопротивления.

Все эти процессы связаны со сменой ходовых/тормозных позиций на устройстве реостатного контроллера (РК). Всего таких позиций 36, 18 ходовых, 1 нейтральное и 17 тормозных. Для примера рассмотрим 1 ходовое и несколько тормозных положений РК. 18 ходовое положение РК (режим «Ход-3») переключает всю цепь управления на параллельное соединение и токи, поступающие на тяговый двигатель (ТД) становятся максимальными, а сопротивление в цепи минимальным. В процессе торможения, положения реостатного контроллера постоянно меняется в зависимости от положения рукоятки контроллера и длительности режима работы торможения.

В положении контроллера «Тормоз-1» реверсивный вал переводит кулачковые контакты в тормозное положение и далее по цепи поездных проводов РК меняет свою позицию в тормозной режим. Двигатели работают в генераторном режиме и вырабатываемый ток который по цепи управления составом передаётся на пуско-тормозные резисторы, которые перерабатывают поступающую электроэнергию в тепло.

Задача заключается в том, чтобы определить насколько нагреется воздух в закрытом объеме за счет работы тормозных резисторов. В этом пространстве находится воздух с объемом 12 634 кубических метра. Его плотность принимается равной 1,225 килограмма на кубический метр, а удельная теплоемкость составляет 1005 джоулей на килограмм на градус. Всего используется 1024 резисторов для 2 составов которые работают в течение 30 секунд.

Дано:

• Мощность одного резистора: P = 1024 Вт;
• Количество резисторов: N = 1024 Вт;
• Время работы: t = 30 с;
• Объем воздуха: V = 12 634 м³;
• Удельная теплоемкость воздуха: c = 1005 Дж/(кг·К);
• Плотность воздуха: ρ = 1,225 кг/м³;
• Характерный размер:  0,05 м;
• Удельная теплоёмкость: 16 Вт/(м·°C);
• Коэффициент теплопередачи воздуха 10 Вт/(м²·°C);
• Коэффициент теплопередачи резистора 50 Вт/(м²·°C)

Решение

Определяем мощность одного резистора:

Определяем количество выделенного тепла:

Определяем массу воздуха

Определяем коэффициент теплопередачи:

Определяем изменение температуры воздуха

Воздух в закрытом объеме нагреется на 2,02°C

Определяем конечную температуру воздуха

температура воздуха в закрытом объеме повысится на 2.02°C, конечная температура воздуха после работы резисторов составит 22.02°C.

Из ответа полученным нашим решением следует что температура окружающей среды при стоянке двух поездов модели 81-717.5М/714.5М поднимается примерно на 2°C. Как только поезда начнут разгон, воздух поступающий из перегона и из вентиляционных шахт смешается с нагретым на станции и его температура заметно понизится в сравнении со стоянкой поездов. Этот цикл будет повторяться из раза в раз. Поезда будут прибывать и отправляться с установленным интервалом движения и постоянно отдавать тепловую энергию во время остановки на станции. Будет происходить постоянный теплообмен воздушных потоков и окружающей среды. Однако, в сравнении с современными поколениями ПС, номерные выделяют гораздо больше тепловой энергии и в следствии этого происходит хоть и не большое, но нагревание окружающей среды.

Список литературы:

1. Алексеев А.Е. Тяговые электрические машины и преобразователи. 1977г.
2. ГОСТ Р 56326-2015 "Электрооборудование подвижного состава».
3. Метровагоны 81-717/714 учебная и справочная литература {Конспект электрика}