POPRAWA EFEKTYWNOŚCI I NIEZAWODNOSCI LOKOMOTYW SERII SM31 W WYNIKU MODERNIZACJI UKŁADU REGULACJI MOCY dr inż. Marek Babeł, dr inż. Maciej Szkoda Politechnika Krakowska, Wydział Mechaniczny, Instytut Pojazdów Szynowych e-mail: babel@m8.mech.pk.edu.pl, maciek@m8.mech.pk.edu.pl Słowa kluczowe: lokomotywa SM31, ocena efektywności, regulator elektroniczny. Streszczenie W artykule przedstawiono propozycję modernizacji układu regulacji mocy zespołu napędowego lokomotyw spalinowych serii SM31 poprzez zastosowanie elektronicznego regulatora obrotów i mocy silnika wysokoprężnego a8c22w realizującego na lokomotywie optymalną charakterystykę eksploatacyjną. Ocenę efektywności proponowanego rozwiązania przeprowadzono w oparciu o analizę LCC (Life Cycle Costs). 1 WPROWADZENIE Lokomotywy spalinowe serii SM31 eksploatowane są od ponad 35 lat w spółce PKP Cargo i w zakładach przemysłowych. Wykonują głównie ciężką pracę manewrową, a także wykorzystywane są w pracy pociągowej. Od momentu ich budowy przełom lat 70-ch, konstrukcja lokomotyw praktycznie nie podlegała zmianom. Nie wykonywano także żadnych prac modernizacyjnych. Jak wykazały analizy niezawodności pracy tej serii lokomotyw, przeprowadzone w Instytucie Pojazdów Szynowych PK, współczynnik gotowości technicznej tych pojazdów znajduje się na stosunkowo niskim poziomie 0,81. Pierwszoplanowym zadaniem powinno, więc być przeprowadzenie modernizacji najbardziej zawodnych zespołów i układów lokomotyw SM31 w celu zdecydowanej poprawy niezawodności tych pojazdów w eksploatacji. W niniejszej pracy przedstawiono propozycję modernizacji układu regulacji mocy zespołu napędowego lokomotyw serii SM31 poprzez wdrożenie nowej charakterystyki eksploatacyjnej silnika wysokoprężnego a8c22w realizowanej przez elektroniczny regulator obrotów i mocy. Niezawodność lokomotyw spalinowych serii SM31 w eksploatacji limitowana jest w głównej mierze niezawodnością wysokodoładowanych silników spalinowych a8c22w. Z analizy danych eksploatacyjnych otrzymanych od przewoźnika PKP Cargo S.A. (rys.1) wynika, że około 56% wszystkich uszkodzeń występujących na lokomotywach SM31 przypada na silnik spalinowy. W największym stopniu niezawodność silnika spalinowego a8c22w jest limitowana przez układ tłok cylinder, a największa liczba uszkodzeń występuje w układzie paliwowym (rys. 2) [1, 2]. Jest to wynikiem znacznego wzrostu naprężeń cieplnych, które dla układu tłokcylinder silnika wysokoprężnego a8c22w są w zasadzie kilkakrotnie większe od naprężeń mechanicznych.
4,7% 5,2% 2,5% 3,1% 3,8% 11,0% 55,8% Silnik spalinowy Rezystory silników trakcyjnych SHP, czuwak Zestawy kołowe Usprężynowanie Elementy podwozia 6,7% 7,2% Wyposażenie elektryczne Układ pneumatyczny inne Rys. 1 Struktura uszkodzeń lokomotywy spalinowej SM31 [opr. własne] Rys. 2 Struktura uszkodzeń silnika a8c22w lokomotywy spalinowej SM31 [opr. własne] Wyniki badań dowodzą, że dla zwiększenia niezawodności silników spalinowych w eksploatacji konieczna jest poprawa jakości ich pracy w stanach przejściowych, które dla lokomotyw manewrowych wynoszą do 40-50% ogólnego czasu pracy silnika pod obciążeniem. Lepszą jakość pracy silników w stanach przejściowych można osiągnąć na drodze wyboru optymalnej charakterystyki eksploatacyjnej w oparciu o ustalone kryterium. 2 CHARAKTERYSTYKA EKSPLOATACYJNA ZESPOŁU NAPĘDOWEGO LO- KOMOTYWY SERII SM31 Wybór charakterystyki eksploatacyjnej może być dokonany tylko metodą obliczeń optymalizacyjnych, co wymaga zastosowania matematycznego modelowania warunków pracy
zespołu silnik - prądnica wraz z modelem symulacyjnym, pozwalającym odwzorować warunki pracy lokomotywy w eksploatacji. Wybór optymalnych charakterystyk eksploatacyjnych dla zespołu napędowego z uwzględnieniem procesów przejściowych i stanów ustalonych odbywa się w oparciu o minimum kryterium kosztów. Wykorzystując opracowane modele matematyczne, przeprowadzono obliczenia optymalizacyjne, w wyniku, których wybrano optymalną charakterystykę eksploatacyjną dla silników wysokoprężnych a8c22w lokomotyw spalinowych SM31 (rys. 3) [3]. Wdrożenie wybranej charakterystyki na lokomotywie SM31 wymaga przeprowadzenia prac modernizacyjnych w układach regulacji mocy i dawkowania paliwa. Rys. 3 Charakterystyki silnika a8c22w lokomotywy SM31 1 charakterystyka graniczna - dopuszczalna temperatura spalin przed turbiną [TT]= 850K; 2, 3 charakterystyki eksploatacyjne - aktualna zgodna z DTR lokomotywy i proponowana w oparciu o minimum kryteria kosztów; 4, 5 charakterystyki selektywne - aktualna i proponowana dla charakterystyki 3. Stosowany na lokomotywach spalinowych serii SM42 i SM31 układ sterowania zespołami napędowymi składa się z nastawnika maszynisty, regulatora obrotów wału korbowego i układu wzbudzenia prądnicy głównej. Stosowane na tych lokomotywach regulatory elektrohydrauliczne dysponują bardzo ograniczonymi możliwościami zadawania charakterystyk. Regulatory tego typu realizują praktycznie liniową zależność zadanego położenia listwy paliwowej pompy wtryskowej (mocy efektywnej silnika P e ) od prędkości obrotowej wału korbowego
krzywa poz. 2 na rysunku 3. Jednakże zależność przedstawiona poz. 3, odpowiadająca wybranej optymalnej charakterystyce eksploatacyjnej, posiada charakter nieliniowy. Wdrożenie tej charakterystyki na lokomotywie SM31 wymaga zastosowania elektronicznego regulatora obrotów i mocy silnika a8c22w. 3 KORZYŚCI Z MODERNIZACJI UKŁADU REGULACJI MOCY LOKOMOTYW SPALINOWYCH SERII SM31 Modernizacja układu regulacji mocy lokomotyw spalinowych serii SM31 poprzez zastąpienie regulatorów elektrohydraulicznych elektronicznymi pozwala osiągnąć następujące efekty: zmniejszenie kosztów utrzymania lokomotyw związanych z naprawą i regulacją zużytych w ponad 35 letniej eksploatacji regulatorów elektrohydraulicznych; zmniejszenie kosztów obsługi lokomotyw w związku z wyeliminowaniem konieczności wykonywania regulacji i nastawy charakterystyki eksploatacyjnej na oporniku w ciągu całego okresu eksploatacji lokomotywy; poprawa dokładności i stabilności regulacji mocy i zmniejszenie w wyniku tego zużycia paliwa w granicach 5% [4]; zwiększenie niezawodności pracy silników spalinowych a8c22w w eksploatacji w wyniku realizacji optymalnej charakterystyki eksploatacyjnej, co przekłada się na znaczne zmniejszenie kosztów napraw nieplanowych i wynikłych z postoju lokomotyw; możliwość realizacji funkcji kontroli i diagnostyki obwodów wzbudzenia, parametrów silnika spalinowego i prądnicy głównej, a także sterownika regulatora elektronicznego. Istnieje zasadnicza różnica pomiędzy obecnie stosowanymi sposobami realizacji algorytmów sterowania i regulacji przekładnią trakcyjną lokomotyw spalinowych, opartymi na układach aparatów elektrycznych współpracujących z regulatorem obrotów, a nowoczesnymi wykorzystującymi technikę mikroprocesorową i pracującymi w oparciu o zadany program sterujący. W drugim sposobie wszystkie powiązania logiczne pomiędzy stanem wejść i wyjść układów organizowane są na poziomie programu sterującego. Przy tym, dowolna zmiana lub korekta wprowadzane do realizowanych funkcji nie wymaga żadnych zmian w układzie sterowania lokomotywą. Przy opracowaniu elektronicznego regulatora obrotów i mocy dla silników wysokoprężnych typu a8c22 i a8c22w lokomotyw spalinowych serii SM42 i SM31 były postawione następujące wymagania: zapewnić adaptację istniejących na lokomotywach urządzeń elektromechanicznych i aparatów układu regulacji mocy prądnicy głównej ze sterownikiem regulatora elektronicznego;
zapewnić współpracę organu wykonawczego regulatora elektronicznego siłownika, z istniejącym na silniku spalinowym układem dźwigni sterujących dawkowaniem paliwa pomp wtryskowych; wykorzystać do budowy regulatora elektronicznego sprawdzone i niezawodne w eksploatacji na lokomotywach elementy takich firm jak Woodward lub Heinzmann. W wyniku wspólnych prac autorów z firmą Lokel i Newag S.A. został opracowany elektroniczny regulator obrotów i mocy dla silników wysokoprężnych a8c22 i a8c22w, składający się z [3]: siłownika elektrycznego - ProAct III Woodward; modułu sterującego siłownikiem - ProAct Driver Woodward; sterownika mikroprocesorowego - INTELO 144 Lokel; przetworników napięcia 110V/24V, czujników prądu i napięcia obwodu głównego oraz czujników obrotów wału korbowego, ciśnienia oleju i temperatury czynnika chłodzącego. Badania stanowiskowe oraz ponad trzyletni okres eksploatacji lokomotywy SM42 z zamontowanym regulatorem elektronicznym wykazały poprawne i niezawodne jego działanie. Układ regulacji obrotów i mocy na lokomotywie działa stabilnie zarówno w stanach ustalonych jak i w procesach przejściowych. Zamontowanie regulatora elektronicznego na silniku wysokoprężnym a8c22w pozwoli realizować w układzie regulacji mocy lokomotywy SM31 wybrana optymalną charakterystykę eksploatacyjną. Montaż kompletnego regulatora na lokomotywie może odbywać się w trakcie planowego okresowego przeglądu poszerzonego lub naprawy rewizyjnej. Ocenę efektywności proponowanego rozwiązania w aplikacji na lokomotywie serii SM31 przeprowadzono w oparciu o rzeczywiste dane eksploatacyjne. Do wykonania oceny efektywności zastosowano analizę kosztu cyklu trwałości (Life Cycle Cost Analysis). 4 ANALIZA KOSZTU CYKLU TRWAŁOŚCI LCC Analiza LCC została przeprowadzona z zastosowaniem 6-etapowej procedury przedstawionej na rysunku 4, uwzględniając wymagania międzynarodowej normy: PN-EN 60300-3- 3:2006 Zarządzanie niezawodnością. Przewodnik zastosowań Szacowanie Kosztu Cyklu Życia. Jako miarę efektywności przyjęto koszt cyklu trwałości (LCC) obliczony w 25-letnim okresie eksploatacji lokomotywy.
Etap 1 Dane wyjściowe, cel analizy Etap 2 Analiza niezawodnościowa Etap 3 Opracowanie modelu LCC Etap 4 Analiza modelu LCC Etap 5 Przegląd i prezentacja wyników Etap 6 Weryfikacja analizy Rys. 4 Procedura kalkulacji LCC dla zmodernizowanej lokomotywy SM31 (opr. własne na podst.[5]) Szczegółowy opis poszczególnych etapów analizy zawarty jest w pracach [6, 7, 8, 9]. 4.1. DANE WYJŚCIOWE I CEL ANALIZY Przyjęto założenie, że analiza ma charakter porównawczy. Celem analizy jest porównanie efektów ekonomicznych uzyskiwanych przy eksploatacji lokomotywy zmodernizowanej do efektów uzyskiwanych przed jej modernizacją. W analizie przyjęto dwa warianty: 1. SM31 (wariant 0): niezmodernizowana lokomotywa serii SM31 z silnikiem HCP a8c22w, 2. SM31 (wariant 1): zmodernizowana lokomotywa SM31 z silnikiem HCP a8c22w, wyposażona w regulator elektroniczny oraz z wdrożoną nową, optymalną charakterystyką zespołu napędowego. W pierwszym etapie analizy opracowano zbiór danych wyjściowych, zarówno dla lokomotywy niezmodernizowanej jak i zmodernizowanej. Poniżej wypunktowano najważniejsze z nich. Dane dotyczące lokomotywy niezmodernizowanej [10]: rozkład obciążenia lokomotywy dla rzeczywistych warunków eksploatacji, rzeczywiste zużycie paliwa i oleju silnikowego, czas pracy, przebieg, praca przewozowa w ciągu roku,
okresowość, pracochłonność i koszty obsług profilaktycznych wynikających z cyklu utrzymania, wskaźniki i charakterystyki niezawodnościowe: oczekiwany czas do uszkodzenia MTBF, dystrybuanta czasu poprawnej pracy F(t), oczekiwany czas do odnowy MTTR, wskaźnik gotowości technicznej A o. Dane dotyczące lokomotywy zmodernizowanej: zakres, okresowość obsług technicznych dla nowych układów i podzespołów, nowy plan utrzymania dla lokomotywy wyposażonej w regulator elektroniczny. Dane wyjściowe do wykonania oceny efektywności modernizacji dotyczą warunków pracy lokomotywy. Dla niezmodernizowanej lokomotywy SM31 pozyskano je na podstawie eksploatacji parku lokomotyw tej serii w przedsiębiorstwie PKP Cargo SA. W analizie założono następujące wskaźniki eksploatacyjne: średni czas pracy lokomotywy: 5771,7 [mth/rok], średni przebieg: 50000,0 [km/rok], średnia praca przewozowa: 9564,5 [tys. btkm/rok]. 4.2. CZAS REALIZACJI PRZEDSIĘWZIĘCIA W analizie LCC przyjęto 25-letni okres eksploatacji lokomotywy: 01.2014 12.2038, co odpowiada 144992,0 godzin pracy silnika spalinowego. 4.3. MODEL KOSZTÓW LCC Ze względu na porównawczy charakter analizy, dla przyjętych wariantów opracowano wspólny model kosztów, w którym LCC wyrażono następującą formułą: gdzie: LCC koszt cyklu trwałości, K N koszty nabycia, K P koszty posiadania. LCC K N K P (1) Koszty nabycia (KN) to suma nakładów inwestycyjnych związanych z modernizacją lokomotywy. Koszty posiadania (KP) to koszty związane z eksploatacją i utrzymaniem lokomotywy. Ze względu na porównawczy charakter analizy, w kalkulacji
uwzględniono tylko te kategorie kosztów, które są różne dla ocenianych wariantów. Struktura kosztów w zastosowanym modelu przedstawia się następująco: 1. Koszty nabycia (KN) Nakłady inwestycyjne (KI) 2. Koszty posiadania (KP) Koszty utrzymania (KUT): Koszty utrzymania profilaktycznego (KUP), Koszty utrzymania bieżącego (KUB), Koszty braku gotowości (KBG). Koszty eksploatacji (KEK): Koszty zużycia oleju napędowego (KZP), Koszty zużycia oleju silnikowego (KZO), Koszty ochrony środowiska (KOS). Zastosowany model oparto o elementy kosztów zdefiniowane w dwuwymiarowej macierzy zawierającej: czas eksploatacji lokomotywy w ujęciu rocznym oraz kategorie kosztów wymienione powyżej. Wycenę elementów kosztów przeprowadzono z zastosowaniem inżynierskiej metody szacowania kosztu i oparto o ceny stałe (netto) z poziomu 2013 roku. Analizę LCC wykonano na niezdyskontowanych wartościach kosztów. W punktach 4.3.1 4.3.5 przedstawiono podstawowe założenia służące obliczenia elementów kosztów. 4.3.1. Koszty utrzymania profilaktycznego (KUP) Koszty utrzymania profilaktycznego (KUP) stanowią wydatki na naprawy i przeglądy okresowe wynikające z planu utrzymania lokomotywy. Dzięki zastosowaniu nowych podzespołów i zmianom wprowadzonym w strategii utrzymania, modernizacja lokomotywy SM31 umożliwia uzyskanie oszczędności w kosztach utrzymania profilaktycznego na poziomie 230 tys. zł w pełnym planie utrzymania, w porównaniu do lokomotywy niezmodernizowanej. 4.3.2. Koszty utrzymania bieżącego (KUB) Koszty utrzymania bieżącego (KUB) związane są z naprawami bieżącymi lokomotywy. Naprawy te dzieli się na naprawy ciężkie wymagające wyłączenia z eksploatacji i naprawy lekkie nie wymagające takich wyłączeń. KUB uwzględniają zarówno koszty robocizny jak również koszty materiałów i części zamiennych. Do wyznaczenia KUB wykorzystano wskaźniki i charakterystyki niezawodnościowe wyznaczone na podstawie zgromadzonych danych eksploatacyjnych. Formalny zapis w postaci elektronicznej zebranych i przetworzonych informacji przeprowadzony został wstępnie w programie Microsoft Excel. Szczegółową analizę przeprowadzono w oparciu o programy analizy statystycznej Statistica, MiniTab i program analizy matema-
tycznej Mathematica. Na podstawie zgromadzonych danych eksploatacyjnych i uwzględniając średni czas pracy lokomotywy 16,21 godz./dobę, oszacowano średnie czasy między uszkodzeniami MTBF (2) dla analizowanych wariantów. Wyniki zestawiono w tabeli 1. Oszacowanie statystyczne MTBF [11, 12]: gdzie: MTBF k * N( 1 0 ( t ) ( 1 k ) t ( 2 k )... t ( k ) N ( 0 ) 1 N( 0 ) N ( 0 ) ( k ) ti i1 N(0) ogólna liczba pojazdów, realizacja losowa czasu pracy pojazdu po (k-1) odnowie do chwili uszkodzenia o numerze k. (2) Tabela 1 Średni czas między uszkodzeniami MTBF dla analizowanych wariantów L.p. Wariant Rodzaj naprawy Średni czas między uszkodzeniami MTBF [godz] 1 Lekka 131,3 Wariant 0 2 Ciężka 427,0 3 Lekka 276,5 Wariant 1 4 Ciężka 896,5 W oparciu o zgromadzone dane eksploatacyjne opracowano modele niezawodnościowe dla analizowanych wariantów. W modelowaniu zastosowano dwuparametrowy rozkład Weibulla o parametrach zestawiono w tabeli 2. Tabela 2 Parametry modelu niezawodnościowego rozkładu Weibulla dla analizowanych wariantów L.p. Wariant Rodzaj naprawy Parametr kształtu a Parametr skali b 1 Lekka 1,4348 1150,673 Wariant 0 2 Ciężka 1,4873 464,719 3 Lekka 1,4512 311,405 Wariant 1 4 Ciężka 1,4917 1005,25 Na podstawie powyższych założeń określono: funkcje gęstości prawdopodobieństwa f(t) (Probability Density Function), funkcje niezawodności R(t) (Survival Function),
Percent Rate PDF Percent POJAZDY SZYNOWE 2/2014 funkcje intensywności uszkodzeń λ(t) (Hazard Function) i inne. Wykresy ww. funkcji dla jednego z analizowanych wariantów w przypadku napraw ciężkich z wyłączeniem taboru przedstawiono na rysunku 5. Probability Density Function Weibull 0,0016 0,0012 0,0008 0,0004 0,0000 0 400 800 Operating time 1200 99,99 90 50 10 1 0,01 1 10 100 Operating time 1000 Table of Statistics Shape 1,48725 Scale 464,719 Mean 419,965 StDev 287,396 Median 363,216 IQ R 377,775 F ailure 1000 C ensor 0 A D* 0,959 C orrelation 0,999 Surv iv al Function Hazard Function 100 0,005 75 0,004 50 25 0,003 0,002 0 0 400 800 Operating time 1200 0,001 0 400 800 Operating time Rys. 5 Wybrane charakterystyki niezawodności dla wariantu 0 (lokomotywa niezmodernizowana) w przypadku napraw ciężkich 1200 Analityczna postać funkcji intensywności uszkodzeń λ(t) dla wariantu 0: naprawy lekkie bez wyłączenia taboru: λ(t) 5,8202 10 naprawy ciężkie z wyłączeniem taboru: λ(t) 3, 199210 5 t 0,4348 5 t 0,473 Analityczna postać funkcji intensywności uszkodzeń λ(t) dla wariantu 1: naprawy lekkie bez wyłączenia taboru: λ(t) 3, 494710 4 t 0,4512 naprawy ciężkie z wyłączeniem taboru:
λ(t) 4, 956610 5 t 0,4917 Badania eksploatacyjne i przeprowadzone analizy wykazały, że w wyniku zamontowania regulatora elektronicznego w miejsce dotychczas używanego regulatora elektrohydraulicznego oraz poprzez wdrożenie nowej charakterystyki eksploatacyjnej zespołu napędowego lokomotywy możliwe jest uzyskanie: Trzykrotne zmniejszenie uszkodzeń silnika spalinowego w następujących podzespołach: głowica, tłok, układ obiegu paliwa oraz układ olejowy. Dwukrotne zmniejszenie uszkodzeń w pozostałych układach lokomotywy. Na podstawie tak sformułowanych założeń, obliczono koszty napraw bieżących dla napraw niewymagających wyłączenia (naprawy lekkie) oraz dla napraw wymagających wyłączenia pojazdu z eksploatacji (naprawy ciężkie). 4.3.3. Koszty zużycia paliwa (KZP) i zużycia oleju silnikowego (KZO) Koszty zużycia oleju napędowego (KZP) i oleju silnikowego (KZO) obliczono na podstawie charakterystyki uniwersalnej silnika HCP a8c22w oraz danych eksploatacyjnych zgromadzonych przez PKP Cargo S.A. Dla niezmodernizowanej lokomotywy SM31 średnie zużycie oleju silnikowego wg danych eksploatacyjnych wynosi 0,92% zużycia paliwa. Dla lokomotywy zmodernizowanej zużycie to kształtuje się na poziomie 0,6%. 4.3.4. Koszty braku gotowości (KBG) Koszty braku gotowości (KBG) to suma kosztów będących konsekwencją znajdowania się lokomotywy w stanie uniemożliwiającym wykonanie przewidzianych do realizacji zadań. Do kosztów braku gotowości zalicza się np.: koszty kar umownych, koszty gwarancji, koszty utraconych możliwości i inne. Podstawowe znaczenie w kosztach KBG ma wskaźnik gotowości technicznej A o, który może być wyznaczony z zależności [13, 14]: i1 N i i1 A o N N (3) TZ i TZ i1 TN i gdzie: TZ i czas przebywania pojazdu o numerze (i) w stanie zdatności,
TN i czas przebywania pojazdu o numerze (i) w stanie niezdatności z powodu napraw bieżących, N liczność próby pojazdu pobranych do badań. Zgodnie z danymi eksploatacyjnymi w obliczaniach przyjęto oczekiwany czas do odnowy MTTR na poziomie: naprawy lekkie (bez wyłączenia pojazdu z eksploatacji): MTTR = 3,00 godz. naprawy ciężkie (wymagające wyłączenie pojazdu z eksploatacji): MTTR = 90,75 godz. Wskaźniki gotowości dla poszczególnych wariantów wynoszą: wariant 0: A O 0, 8095 wariant 1: A O 0, 8992 Powyższe wartości stanowią podstawę do obliczenia kosztów braku gotowości. 4.3.5. Koszty opłat środowiskowych (KOS) Koszty opłat środowiskowych (KOS) związane są z opłatami ustalonymi przez Ministerstwo Środowiska za emisję szkodliwych substancji zawartych w spalinach. Wysokość tych opłat zależy od wskaźników publikowanych przez Ministerstwo i jest proporcjonalna do zużycia paliwa przez lokomotywę. 4.4. ANALIZA MODELU LCC I WYNIKI KOŃCOWE Przeprowadzona analiza z zastosowaniem oprogramowania CATLOC wykazała, że modernizacja lokomotywy SM31 w proponowanej wersji jest w pełni uzasadniona ekonomicznie. Z przeprowadzonych obliczeń wynika, że zastosowanie nowego regulatora elektronicznego i wdrożenie nowej charakterystyki eksploatacyjnej zapewnia oszczędności w kosztach całkowitych na poziomie 2,0 mln zł w 25-letnim okresie eksploatacji, czyli 10,7% mniej w porównaniu do lokomotywy niezmodernizowanej. Koszty całkowite (LCC) dla analizowanych wariantów w 25-letnim okresie eksploatacji zostały przedstawione na rysunku 6.
[mln zł] POJAZDY SZYNOWE 2/2014 19,0 18,0 17,0 16,0 15,0 14,0 13,0 18,48 16,51 12,0 11,0 10,0 SM31 wariant 0 SM31 wariant 1 Rys. 6 Porównanie kosztów całkowitych (LCC) w 25-letnim okresie eksploatacji Dla niezmodernizowanej lokomotywy SM31 kosztami dominującymi w LCC są koszty zużycia paliwa KZP 61,3% oraz koszty utrzymania profilaktycznego KUP 24,1%. Koszty napraw bieżących KUB oraz koszty braku gotowości KBG stanowią ponad 12,7% kosztów całkowitych lokomotywy (rys. 7a). a) b) 4,7% 1,4% 0,5% 8,0% 2,5% 1,0% 0,5% 0,5% 4,7% 25,6% 24,1% 61,3% 65,2% KZP KUP KBG KUB KZO KOS KZP KUP KBG KUB KZO KOS KN Rys. 7 Koszty dominujące w LCC analizowanych wariantów: a) wariant 0, b) wariant 1 KZP koszty zużycia paliwa, KUP koszty utrzymania profilaktycznego, KUB koszty utrzymania bieżącego, KBG koszty braku gotowości, KOS koszty opłat środowiskowych, KZO koszty zużycia oleju silnikowego, KN koszty nabycia Dla analizowanego wariantu modernizacji lokomotywy SM31 koszty nabycia KN związane z nakładami poniesionymi na modernizację stanowią poniżej 0,5% całkowitych LCC
(rys. 7b). Największe oszczędności w stosunku do pojazdu niezmodernizowanego dotyczą kosztów zużycia paliwa, oleju silnikowego oraz kosztów związanych z niezawodnością i gotowością pojazdu. Największy udział w LCC mają koszty zużycia paliwa KZP 65,2%. Znaczące obniżenie kosztów lokomotywy zmodernizowanej, otrzymano dzięki zwiększeniu niezawodności, gotowości i dostępności części zamiennych. Przekłada się to na redukcję nakładów na utrzymanie bieżące oraz niższe koszty obsług profilaktycznych pojazdu (przeglądy, naprawy okresowe). Koszty utrzymania profilaktycznego(kup lokomotywy zmodernizowanej stanowią około 25,6% kosztów ogółem, a utrzymania bieżącego KUB niewiele ponad 2,5%. Na rysunku 8 przedstawiono rozkład kosztów posiadania dla zmodernizowanej lokomotywy w 25-letnim okresie eksploatacji, gdzie: P1 koszty poziomu utrzymania 1, P2/1 koszty poziomu utrzymania 2/1, P2/2 koszty poziomu utrzymania 2/2, P2/3 koszty poziomu utrzymania 2/3, P3 koszty poziomu utrzymania 3, P4 koszty poziomu utrzymania 4, P5 koszty poziomu utrzymania 5, KZP koszty zużycia paliwa, KUB koszty napraw bieżących, KBG koszty braku gotowości, KOS koszty opłat środowiskowych, KZO koszty zużycia oleju silnikowego, KM koszty modernizacji. Cost (PLN) 1 400 000 P3 1 200 000 1 000 000 800 000 600 000 400 000 200 000 0 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030 2031 2032 2033 2034 2035 2036 2037 2038 Wariant 1 P1 KM KOS KZO NBB P2/3 NBZ P2/2 P2/1 P5 KBG P4 KZP Rys. 8 Rozkład kosztów posiadania dla zmodernizowanej lokomotywy SM31 w 25-letnim okresie eksploatacji 5 PODSUMOWANIE Wdrożenie optymalnej charakterystyki na lokomotywie SM31 przy istniejącym układzie sterowania wymaga zastosowania regulatora elektronicznego na silniku spalinowym. W wyniku wspólnych prac autorów z firmą Lokel i Newag S.A. opracowano i wdrożono na silni-
kach a8c22w nowy elektroniczny regulator obrotów i mocy. Ocenę efektywności proponowanego rozwiązania w aplikacji na lokomotywie serii SM31 przeprowadzono w oparciu o rzeczywiste dane eksploatacyjne. Do oceny zastosowano opracowaną w Instytucie Pojazdów Szynowych PK metodykę kalkulacji kosztów LCC (Life Cycle Costs). Przeprowadzone obliczenia dla 25-letniego okresu eksploatacji wykazały, że modernizacja układu regulacji mocy na lokomotywach SM31 jest ekonomicznie uzasadniona i pozwala osiągnąć wymierne efekty ekonomiczne przy niewielkich nakładach finansowych. Bibliografia [1] Babeł M.: Warunki pracy, charakterystyka eksploatacyjna a niezawodność doładowanych trakcyjnych silników spalinowych. Trakcja i wagony 9/1990: 163-165. [2] Kaczor G.: Niezawodność wybranych par ciernych pierścień tłokowy - tuleja cylindrowa. Czasopismo Techniczne z. 9-M/2012: 101-110. [3] Babeł M.: Zwiększenie efektywności pracy lokomotyw spalinowych SM31 w eksploatacji. Technika transportu szynowego 1-2/2012: 41-44. [4] Коссов Е.Е., Нестрахов А.С, Аникиев И.П., Бычков Д.А. Микролпроцессорная система регулирования дизель-генератора. Локомотив 12/2002: 48. [5] Norma PN-EN 60300-3-3 Zarządzanie niezawodnością. Przewodnik zastosowań - Szacowanie kosztu cyklu życia. [6] Szkoda M., Tułecki A.: Koszt cyklu trwałości LCC jako model decyzyjny modernizacji pojazdów szynowych. XVII Konferencja Naukowa POJAZDY SZYNOWE, Kazimierz Dolny, 2006. Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów 1(64)/2007: 135-144. [7] Szkoda M.: Koszt cyklu trwałości jako kryterium efektywności modernizacji lokomotyw spalinowych. Problemy eksploatacji 2/2007: 159-169. [8] Szkoda M., Babeł M., Коssov Е.Е.: Анализ стоимости жизненного цикла (LCC) при оценке эффективности подвижного состава, Вестник ВНИИЖТ 6/2013: 55-59. [9] Szkoda M.: Ocena efektywności ekonomicznej środków transportu szynowego z zastosowaniem analizy LCC. TTS Technika Transportu Szynowego 11-12/2012: 64-69. [10] Babeł M., Szkoda M.: - Aнализ целесообразности модернизации тепловозов серии SM42 в двухдизельном варианте с учётом критерия стоимости жизненного цикла (LCC). - Инновации и инвестиции. 2014. 3. s. 234-238 [11] Szkoda M.: Wskaźniki niezawodności środków transportu szynowego, Logistyka 3/2012: 2195-2202. [12] Hebda M., Janicki D.: Trwałość i niezawodność samochodów w eksploatacji. WKiŁ, Warszawa, 1977 [13] Szkoda M., Assessment of Reliability, Availability and Maintainability of Rail Gauge Change Systems, Eksploatacja i Niezawodnosc Maintenance and Reliability 2014 (w druku). [14] Młynarski S., Oprzędkiewicz J., Systemowe rozwiązania zapewnienia bezpieczeństwa i niezawodności obiektów technicznych, Problemy Eksploatacji 3/2012, 39-54.