Fкmax ?о.Pсц, (3.3)
где Fкmax - максимально допустимая касательная сила тяги локомотива;
?о - потенциальный (максимальный) коэффициент сцепления;
Pсц - сцепной вес локомотива (вес, приходящийся на движущие колесные пары и участвующий в создании силы тяги).
Pсц = 9,81.nос.2П, кН, (3.4)
где 2П - осевая нагрузка локомотива, т (исходные данные).
Неравенство (3.3) выражает основной закон локомотивной тяги: для обеспечения устойчивости управляемого движения локомотива окружные усилия на ободах движущих колес, создаваемые тяговыми двигателями, не должны превосходить силу сцепления колес с рельсами.
Коэффициент сцепления, а следовательно и сила сцепления, являются случайными величинами, на которые оказывают влияние многочисленные факторы: качество ремонта и содержания локомотивов, метеорологические условия поездки, текущее состояние пути и др. Для локомотивов одной серии при одинаковой скорости движения разброс возможных значений коэффициента сцепления относительно его среднего значения достигает 50% .
Поэтому для обеспечения устойчивости локомотивов против боксования устанавливают так называемый расчетный коэффициент сцепления ?к, величина которого меньше потенциального ?о. При этом сила тяги по сцеплению составляет
Fксц= ?к.Pсц, кН. (3.5)
Расчетный (нормативный) коэффициент сцепления локомотива ?к определяют экспериментальным путем и задают так, чтобы обеспечить практически приемлемую надежность движения полновесных поездов (поездов расчетной массы) по тяжелым подъемам при плохих условиях сцепления.
4. Назначение и конструкция тяговых электродвигателей локомотивов
4.1. Назначение тяговых электродвигателей
Тяговый электродвигатель (ТЭД) локомотива предназначен для преобразования электрической энергии в механическую, необходимую для вращения колесной пары.
Источником электроэнергии для движения тепловоза - автономного локомотива - служит дизель-генераторная установка (рис.3.1). Механическая энергия вращения коленчатого вала дизеля Д сообщается тяговому генератору ТГ и преобразуется в электрическую. Электрическая энергия от генератора поступает в тяговые электрические двигатели ТЭД, которые кинематически связаны с движущими колесными парами КП и приводят их во вращение.
На неавтономных локомотивах, которыми являются электровозы, для питания тяговых двигателей используется электроэнергия, вырабатываемая на электростанциях и передаваемая ТЭД по линиям электропередачи через тяговые подстанции и контактную сеть. Будучи подключенным к электростанции, то есть практически неограниченному источнику энергии, электровоз может развивать повышенную мощность, ограниченную только мощностью ТЭД. Поэтому мощность электровоза почти в 2 раза больше, чем тепловоза равной массы.
Рис.4.1. Схема преобразования энергии на тепловозе
На всех локомотивах привод колесной пары от ТЭД осуществляется через зубчатый редуктор колесно-моторного блока. Наиболее распространенным в настоящее время типом подвешивания ТЭД у грузовых тепловозов и электровозов является опорно-осевое подвешивание, при котором ТЭД с одной стороны опирается на ось колесной пары через моторно-осевые подшипники, а с другой стороны - на раму тележки через комплект пружин [7]. Неизменное расстояние между центрами вала двигателя и оси колесной пары называют централью Ц (рис.4.2).
Так как ТЭД служит для преобразования электрической энергии в механическую, то он входит в состав как электрической, так и механической части локомотива.
4.2. Конструкция основных узлов и элементов тягового электрического двигателя тепловоза
ТЭД постоянного тока состоит из неподвижного статора: остова с расположенными на его внутренней поверхности главными и добавочными полюсами - и вращающегося якоря (ротора). Вал якоря опирается на подшипниковые узлы, размещенные в статоре (рис.4.3).
Конструктивно двигатель образован следующими сборочными единицами: магнитная система (в корпусе которой также закреплены щеткодержатели со щетками), якорь, подшипниковые щиты с якорными подшипниками, моторно-осевые подшипники и др..
Магнитная система двигателя состоит из станины (остова), четырех главных и четырех добавочных полюсов.
Остов является магнитопроводом двигателя; он отлит из углеродистой стали и имеет восьмигранную или круглую форму. С торцов остова расположены расточки для подшипниковых щитов. На остове имеются два прилива (носика) для опоры ТЭД на тележку через пружинную подвеску. С противоположной стороны остов имеет расточки под моторно-осевые подшипники. В верхней части остова со стороны коллектора находится вентиляционный люк, через который подводится воздух, охлаждающий обмотки и детали двигателя.
Рис.4.2. Схема колесно-моторного блока локомотива с опорно-осевым подвешиванием ТЭД
Главный полюс состоит из стального сердечника и катушки, намотанной из шинной меди в два слоя (плашмя). Витки катушки изолированы друг от друга асбестовой электроизоляционной бумагой.
Для уменьшения нагрева главных полюсов, вызываемого воздействием вихревых токов, сердечники набирают из отдельных листов электротехнической стали. Собранные листы спрессовывают и соединяют заклепками. В отверстие листов запрессовывают стальной прямоугольный стержень, в который вворачивают болты, крепящие полюса к остову.
Добавочные полюсы обеспечивают улучшение процессов коммутации (снижение искрения) при работе коллекторно-щеточного узла ТЭД. По своим размерам они меньше главных и несколько отличаются от них по конструкции (в частности, сердечник добавочного полюса цельный, отлитый из стали).
Обмотки возбуждения добавочных полюсов включены последовательно с якорной обмоткой. Обмотки возбуждения главных полюсов соединены между собой так, чтобы полюса (северный и южный) чередовались между собой (рис.4.4). Катушки добавочных полюсов соединены гибкими проводами, а главных - шинами из медной ленты, изолированными асбестовой, резиновой и стеклянной лентами .
Рис.4.3.
Якорь электродвигателя состоит из стального сердечника и коллектора, насаженных на вал двигателя. На конец вала напрессовано малое зубчатое колесо (шестерня), передающее вращающий момент от двигателя через зубчатую передачу на колесную пару.
Сердечник якоря набран из листов электротехнической стали, толщиной 0,5 мм. По торцам сердечник удерживается на валу нажимными шайбами, которые установлены на вал с большим натягом.
На окружности сердечника якоря расположены продольные пазы, в которых размещены изолированные проводники якорной обмотки, закрепленные стеклотекстолитовыми клиньями. Клинья предотвращают перемещение проводников в пазах под действием центробежных сил, возникающих при вращении якоря. Лобовые части обмотки якоря (передние и задние) закреплены бандажами из стеклобандажной ленты. В последнее время начинают применять стеклометаллические бандажи.
Чтобы повысить электрическую и механическую прочность изоляции обмоток, якорь и полюса пропитывают в лаке ПЭ-933 (полиэфирноэпоксидном).
Рис.4.4. Схема соединения обмоток тягового электродвигателя
Для соединения проводников обмотки якоря с источником электроэнергии служит коллекторно-щеточный узел.
Коллектор состоит из медных пластин клинообразного сечения, изолированных друг от друга миканитовыми прокладками. Эти пластины набирают на коллекторной втулке, которую после формирования коллектора насаживают на вал электродвигателя. К каждой коллекторной пластине припаяны проводники якорной обмотки, укладываемые в пазы сердечника якоря по определенной схеме.
Коллектор, соединен с внешней цепью, через угольно-графитовые стержни, называемые щетками. Щетки устанавливают в специальные обоймы (щеткодержатели), кронштейны которых закрепляют на остове ТЭД через изоляторы. Для надежного контакта щеток с поверхностью коллектора служит пружинное нажимное устройство.
Вал якоря ТЭД, изготовленный из высококачественной стали, вращается в двух роликовых подшипниках, запрессованных в ступицы подшипниковых щитов. В подшипниковом щите, расположенном со стороны коллектора, устанавливают опорно-упорный подшипник, а с противоположной стороны - опорный. В полости подшипников, закрытых крышками, по специальным трубкам запрессовывают смазку.
Отличительной особенностью тяговых двигателей локомотивов является наличие моторно-осевых подшипников (МОП), которые служат опорой электродвигателя на ось колесной пары. МОП вмонтированы в специальные разъемные приливы остова двигателя и состоят из бронзовых вкладышей, смазочного устройства и крышки, закрепленной болтами. Крышка МОП служит резервуаром для смазки, которая подается к вкладышам подшипника при помощи специальных систем: циркуляционной (смазка под давлением с использованием шестеренчатого насоса) и польстерной (смазка с использованием войлочных фитилей). В зависимости от конструкции ТЭД, данные системы могут использоваться как поодиночке, так и совместно.
В заключение рассмотрим особенности системы, которая обеспечивает нормальную работу тяговых двигателей - системы охлаждения. Во время работы ТЭД обмотка якоря и другие детали нагреваются. Для их охлаждения применяют принудительную вентиляцию (рис.4.5).
Охлаждающий воздух, подаваемый специальным вентилятором по гибким рукавам-гармошкам к вентиляционному люку остова ТЭД, проходит через двигатель двумя потоками: один над коллектором, сердечником якоря и в зазорах между полюсами, другой под коллектором, через вентиляционные отверстия в сердечнике якоря. Оба потока соединяются в корпусе ТЭД со стороны, противоположной коллектору, и выходят наружу через специальные окна (люки).
Рис.4.5 Схема охлаждения тяговых электродвигателей на локомотивах
Внутри остова ТЭД поддерживается небольшое избыточное давление воздуха, препятствующее попаданию пыли, влаги, снега.
Вентиляторы охлаждения ТЭД могут иметь механический привод от дизеля или электрический от специальных электродвигателей (мотор-вентиляторы). Обычно один вентилятор охлаждает несколько тяговых двигателей, установленных на одной тележке. На некоторых тепловозах применяют централизованную систему охлаждения тяговых электрических машин и аппаратов.
5. Расчетная часть курсового проекта
Для тягового привода рабочими называют: электромеханические характеристики тягового электродвигателя: скоростную nд=f(Iд), моментную Mд=f(Iд) и характеристику к.п.д. ?д=f(Iд); электротяговые характеристики Fкд=f(Iд), V=f(Iд).
5.1 Определение параметров ТЭД на номинальном режиме
Электромеханические характеристики отражают изменение механических параметров nд и Мд на валу двигателя в зависимости от силы тока Iд. Моментную характеристику ТЭД Мд=f(Iд) рассчитывают, с учетом формулы (2.8), по выражению
Мд=См.Фд.Iд.?м, Н.м, (5.1)
где Мд - вращающий момент на валу ТЭД;
?м - механический к.п.д. двигателя, равный 0,96-0,98.
Скоростная характеристика nд=f(Iд) определяется из уравнений (2.6) и (2.7), характеризующих состояние электрической цепи ТЭД:
nд=(Uд-Iд.Rд)/(Cе.Фд)
или, принимая Iд.Rд ? 0,04.Uд,
nд=0,96.Uд/(Cе.Фд), об/мин. (5.2)
Последовательность расчета электромеханических характеристик включает в себя ряд этапов
1) Определение значений коэффициентов Се и См по формулам (2.9) и (2.10) в соответствии с исходными данными ТЭД.
2) Вычисление силы тока ТЭД на номинальном режиме работы
Iдн=Рдн/(Uдн.?дн).103, А, (5.3)
где Uдн, Рдн, ?дн - номинальные значения напряжения, мощности и к.п.д. двигателя (исходные данные ТЭД).
Величину ?дн можно принять равной 0,90-0,92 для тепловоза.
3) Расчет магнитного потока возбуждения ТЭД на номинальном режиме работы
Фдн=0,96.Uдн/(Cе.nдн), Вб, (5.4)
где nдн - номинальная частота вращения вала ТЭД, об/мин.
5.2. Расчет характеристики намагничивания ТЭД при различных режимах нагрузки и возбуждения
При расчете электромеханических характеристик любого электродвигателя используют его магнитные характеристики (кривые намагничивания), то есть зависимости магнитного потока Фд от тока возбуждения Iв и тока якоря Iд. Их обычно представляют в виде графиков Фд=f(Iв), построенных для различных величин тока якоря Iд, и называют нагрузочными характеристиками.
Для локомотивных ТЭД с последовательным возбуждением семейство нагрузочных характеристик Фд=f(Iв,Iд) можно заменить одной кривой Фд=f(Iв), считая Iд=Iв [10]. Однако для определения этой зависимости, которую будем называть универсальной магнитной характеристикой ТЭД, необходимо провести расчеты его магнитной системы и взаимодействия магнитных полей полюсов и якоря. Учитывая, что эти вопросы подробно изучают в дисциплине "Электрические машины", в данной курсовой работе предлагается использовать безразмерные универсальные магнитные характеристики ТЭД.
Они представляют собой зависимости магнитного потока Фд от тока возбуждения Iв, выраженные относительно значений Фдн и Iвн на номинальном режиме работы ТЭД (табл. 5.1). Определение искомой зависимости Фд=f(Iв) (в абсолютных величинах) осуществляют по точкам безразмерной характеристики путем пересчета по формулам
Фд=(Фд/Фдн).Фдн, Вб; (5.5)
Iв=(Iв/Iвн).Iвн, А, (5.6)
считая, что Iвн=Iдн.
Полученные координаты точек универсальной магнитной характеристики ТЭД необходимо занести в таблицу 5.2 и далее построить график Фд=f(Iв) на миллиметровой бумаге (рис. 1).
Таблица 5.1.
Безразмерные универсальные магнитные характеристики
электровозных и тепловозных тяговых электродвигателей
(Iв/Iвн)=(Iд/Iдн) | 0,25 | 0,50 | 0,75 | 1,00 | 1,25 | 1,50 | ||
(Фд/Фдн) | ТЭД электровоза | 0,50 | 0,72 | 0,88 | 1,00 | 1,07 | 1,11 | |
ТЭД тепловоза | 0,52 | 0,77 | 0,92 | 1,03 | 1,06 |
Таблица 5.2
0,04 | 0,06 | 0,07 | 0,076 | 0,078 | 0,08 | ||
185,2 | 370,35 | 555,53 | 740,7 | 925,88 | 1111 |
5) Расчет и построение зависимостей магнитного потока Фд от тока якоря Iд ТЭД при разных ступенях ослабления возбуждения.
При выполнении данного этапа следует заполнить таблицу 5.3. Значения Iд целесообразно задать по точкам универсальной магнитной характеристики в диапазоне (0,251,50).Iдн для электровозов и (0,501,50).Iдн для тепловозов. Величины тока возбуждения Iв, соответствующие каждому значению тока Iд, составляют
Iв=?.Iд, А, (5.7)
где ? - коэффициент ослабления возбуждения ТЭД.
В данной курсовой работе значения коэффициента ? на первой (ОП1) и второй (ОП2) ступенях ослабления возбуждения следует принять равными ?2=0,30,4 и ?1= . Принимаем ,
Значения магнитного потока Фд для каждого сочетания величин тока якоря Iд и коэффициента ? можно приближенно определить по построенному ранее графику универсальной магнитной характеристики ТЭД Фд=f(Iв) (рис. 1).
Полученные точки с координатами (Iд,Фд) необходимо нанести на миллиметровую бумагу и построить кривые намагничивания двигателя Фд=f(Iд) для режимов возбуждения ПП, ОП1 и ОП2 (рис.2).
Таблица 5.3.
Кривые намагничивания ТЭД при разных режимах возбуждения
Iд A | 185,2 | 370,4 | 555,5 | 740,7 | 925,9 | 1111 | ||
ПП ?=1,00 | Iв, A | 185,2 | 370,4 | 555,5 | 740,7 | 925,9 | 1111 | |
Фд, Вб | 0,04 | 0,06 | 0,07 | 0,076 | 0,078 | 0,08 | ||
ОП1 ?2=0,54 | Iв, A | 100 | 200 | 300 | 400 | 500 | 600 | |
Фд, Вб | 0,026 | 0,042 | 0,052 | 0,062 | 0,067 | 0,071 | ||
ОП2 ?2=0,3 | Iв, A | 55,6 | 111,1 | 166,7 | 222,2 | 277,8 | 333,3 | |
Фд, Вб | 0,02 | 0,027 | 0,036 | 0,043 | 0,048 | 0,055 |
