Для расчета электромеханических характеристик ТЭД, работающего на тепловозе, дополнительно необходимо построить внешнюю характеристику тягового генератора Uг=f(Iг). Взаимосвязь токов и напряжений ТЭД и ТГ в данной курсовой работе можно считать следующей:
Uг=Uд; (5.8)
Iг=m.Iд, (5.9)
где m - количество тяговых двигателей на тепловозе, равное числу его движущих осей nос (см. исходные данные).
Порядок построения внешней характеристики ТГ
а) рассчитать мощность ТГ в продолжительном (номинальном) режиме
Ргн = m.Рдн.103 = Uгн.Iгн, Вт, (5.10)
где Uгн, Iгн - напряжение и ток ТГ на номинальном режиме;
б) определить максимальное напряжение ТГ
Uгmax=Uгн.kг, В (5.11)
и соответствующий ему минимальный ток ТГ
Iгmin=Pгн/Uгmax, А, (5.12)
где kг - коэффициент регулирования напряжения ТГ.
Значение kг выбирают из диапазона 1,41,8 так, чтобы величина напряжения Uгmax не превышала 800 В;
в) определить максимальную силу тока ТГ
Iгmax=(1,251,45).Iгн, А (5.13)
и соответствующее ей минимальное напряжение ТГ
Uгmin=Pгн/Iгmax, В; (5.14)
г) рассчитать гиперболический участок внешней характеристики ТГ.
Для этого необходимо выбрать 5-7 значений тока ТГ в диапазоне Iгmin ? Iг ? Iгmax и определить соответствующие им величины напряжения ТГ как Uг=Pгн/Iг, В. Результаты следует занести в две верхние строки таблицы 5.4.
В крайние колонки таблицы необходимо внести координаты точек, которые ограничивают гиперболический участок, то есть (Iгmin, Uгmax) и (Iгmax, Uгmin).
д) построить координатную сетку с осями I, U и в ней нанести точки с координатами (Iгmin,Uгmax), (Iгн,Uгн) и (Iгmax,Uгmin).
Через точку с координатами (Iгmin,Uгmax) провести горизонтальную линию, соответствующую ограничению по напряжению ТГ.
Через точку с координатами (Iгmax,Uгmin) провести вертикальную линию, соответствующую ограничению по току ТГ.
Гиперболический участок внешней характеристики можно построить по данным верхней части таблицы 5.4. Полученная кривая обязательно должна пройти через точку продолжительного режима работы ТГ с координатами (Iгн,Uгн) (рис. 3).
8) Построенные внешняя характеристика ТГ Uг=f(Iг) и кривые намагничивания ТЭД Фд=f(Iд) позволяют рассчитать электромеханические характеристики ТЭД тепловоза по формулам (5.1), (5.2) с использованием соотношений (5.8) и (5.9).
Результаты вычислений следует оформить в виде таблицы 5.4, две верхние строки которой содержат точки гиперболического участка внешней характеристики ТГ.
По данным таблицы 5.4 можно построить искомые графики скоростной nд=f(Iд) (рис.4) и моментной Mд=f(Iд) (рис.5) характеристик ТЭД для различных режимов возбуждения.
Таблица 5.4
IГ,А | 2778 | 3000 | 3500 | 4000 | 4500 | 5000 | 5778 | ||
UГ,В | 768 | 711 | 609 | 533 | 474 | 426 | 369 | ||
Iд,А | 463 | 500 | 583 | 666 | 750 | 833 | 963 | ||
ПП | Фд,Вб | 0,066 | 0,067 | 0,07 | 0,073 | 0,075 | 0,077 | 0,08 | |
Мд,Нм | 2310 | 2533 | 3085 | 3676 | 4253 | 4849 | 5824 | ||
nд,об/мин | 1059 | 966 | 791 | 664 | 575 | 503 | 420 | ||
ОП1 | Фд,Вб | 0,047 | 0,05 | 0,054 | 0,057 | 0,061 | 0,064 | 0,067 | |
Мд,Нм | 1645 | 1890 | 2380 | 2870 | 3459 | 4030 | 4878 | ||
nд,об/мин | 1487 | 1294 | 1027 | 851 | 707 | 606 | 501 | ||
ОП2 | Фд,Вб | 0,033 | 0,035 | 0,037 | 0,04 | 0,043 | 0,046 | 0,05 | |
Мд,Нм | 1155 | 1323 | 1630 | 2013 | 2438 | 2897 | 3640 | ||
nд,об/мин | 2118 | 1848 | 1498 | 1213 | 1018 | 843 | 672 |
5.3. Расчет и построение электромеханических и электрических тяговых характеристик ТЭД с учетом параметров КМБ
Электротяговые характеристики Fкд=f(Iд) и V=f(Iд) отражают изменение механических параметров на ободе колеса. Поэтому они также называются электромеханическими характеристиками ТЭД, отнесенными к ободу колеса локомотива.
Зависимость силы тяги Fкд на ободе колеса, развиваемой двигателем, от тока якоря Iд можно рассчитать по известной моментной характеристике Mд=f(Iд) и параметрам колесно-моторного блока. При этом взаимная связь величин Fкд и Мд определяется соотношением
Fкд=2.Мд.?.?з/Dк, Н, (5.15)
где Dк - диаметр колеса локомотива по кругу катания, м;
? - передаточное число зубчатой передачи колесно-моторного блока;
?з - к.п.д. зубчатой передачи, равный 0,975.
Значения параметров ? и Dк принимаются в соответствии с заданием к курсовой работе.
Скоростная характеристика V=f(Iд), отнесенная к ободу колеса, рассчитывается по электромеханической характеристике nд=f(Iд) ТЭД с учетом того, что скорость движения локомотива принято выражать в км/ч:
V=0,188.nд.Dк/?, км/ч. (5.16)
Результаты расчетов следует занести в таблицу 5.5.
Полученные электромеханические характеристики ТЭД, отнесенные к ободу колеса, необходимы для построения тяговых характеристик локомотивов.
Табл. 5.5 Электротяговые характеристики тягового привода локомотива
Iд, A | 463 | 500 | 583 | 666 | 750 | 833 | 963 | ||
ПП ?=1,00 | Fкд, кН | 18,5 | 20,3 | 24,7 | 29,4 | 34 | 38,8 | 46,6 | |
V, км/ч | 48,5 | 44,2 | 36,2 | 30,4 | 26,3 | 23 | 19,2 | ||
ОП1 ?1=0,54 | Fкд, кН | 13,2 | 15,1 | 19 | 23 | 27,7 | 32,2 | 39 | |
V, км/ч | 68,1 | 59,3 | 47 | 39 | 32,4 | 27,8 | 23 | ||
ОП2 ?2=0,3 | Fкд, кН | 9,24 | 10,6 | 13 | 16,1 | 19,5 | 23,2 | 29,1 | |
V, км/ч | 97 | 84,6 | 68,6 | 55,6 | 49,4 | 38,6 | 30,8 |
5.4. Расчет и построение тяговой и токовой характеристик с учетом ограничений
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. (5.17)
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.
В данной курсовой работе характеристики сцепления ?к=f(V) можно считать следующими:
для электровозов постоянного тока
?к=0,28+3/(50+20.V)-0,0007.V; (5.18)
- для магистральных тепловозов
?к=0,118+5/(V+27,5). (5.19)
Для построения тяговых характеристик локомотивов предварительно необходимо рассчитать силу тяги по сцеплению Fксц при различной скорости движения локомотива. Полученные значения внести в таблицу 5.6.
Таблица 5.6.
Сила тяги локомотива по сцеплению
V, км/ч | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | |
?к | 0,3 | 0,251 | 0,223 | 0,204 | 0,192 | 0,183 | 0,175 | 0,168 | 0,165 | |
Fксц, кН | 406,4 | 339,8 | 301,9 | 276,1 | 260 | 247,1 | 237,1 | 228,8 | 223,4 |
5.6 Построение тяговых и токовых характеристик локомотивов
Тяговой характеристикой локомотива называют графическую зависимость касательной силы тяги Fк от скорости движения V при установившихся режимах на разных позициях регулирования (позициях контроллера машиниста).
Токовая характеристика представляет графическую зависимость тока электровоза Iэ или тока тягового генератора (ТГ) тепловоза Iг от скорости V при установившихся режимах на разных позициях контроллера машиниста.
На стадии проектирования локомотивов указанные зависимости Fк=f(V) и I=f(V) можно построить по электротяговым характеристикам. Для этого необходимо пересчитать данные таблицы 5.5, а именно:
а) определить значения тока локомотива по величинам тока ТЭД:
- ток тягового генератора тепловоза Iг - по формуле (5.9);
б) определить значения касательной силы тяги локомотива Fк по величинам силы тяги ТЭД Fкд
Полученные результаты занести в таблицу 5.7.
Таблица 5.7.
Табл 5.7 Рабочие характеристики локомотива
Iг, A | 2778 | 3000 | 3500 | 4000 | 4500 | 5000 | 5777 | ||
ПП | Fк, кН | 111 | 121,8 | 148,2 | 176,4 | 204 | 232,8 | 279,6 | |
V, км/ч | 48,5 | 44,2 | 36,2 | 30,4 | 26,3 | 23 | 19,2 | ||
ОП1 | Fк, кН | 79,2 | 90,6 | 114 | 138 | 166,2 | 193,2 | 234 | |
V, км/ч | 68,1 | 59,3 | 47 | 39 | 32,4 | 27,8 | 23 | ||
ОП2 | Fк, кН | 55,4 | 63,6 | 78 | 96,6 | 117 | 139,2 | 174,6 | |
V, км/ч | 97 | 84,6 | 68,6 | 57,6 | 46,4 | 38,6 | 30,8 |
Порядок построения рабочих характеристик тепловоза заключается в следующем :
1) В координатах V,Iг построить линии ограничений максимального Iгmax и минимального Iгmin тока ТГ.
2) Рассчитать значения силы тока ТГ, соответствующие автоматическим переходам ТЭД с одного режима возбуждения на другой :
- ток переходов ППОП1 IГП-1(Iгmin+Iгн+160)/2, A; (5.23)
- ток переходов ОП1ОП2 IГ1-2(Iгmin+Iгн-20)/2, A. (5.24)
Используя значения IГП-1 и IГ1-2, построить горизонтальные линии переходов ППОП1 и ОП1ОП2.
3) По данным таблицы 5.7 построить график Iг=f(V) (рис.6) и определить скорости тепловоза Vп-1 и V1-2, соответствующие переходам ППОП1 и ОП1ОП2.
4) Используя данные таблицы 5.7 и токовую характеристику Iг=f(V),
построить тяговую характеристику тепловоза Fk=f(V); показать ограничения силы тяги по максимальному току ТГ Fkдоп и по сцеплению (таблица 5.6), а также ограничение конструкционной скорости тепловоза Vк.
5) По графику Iг=f(V) определить скорость продолжительного режима тепловоза Vдл, соответствующую номинальной силе тока ТГ Iгн, а по значению Vдл- длительную силу тяги тепловоза.
Полученные значения основных технических параметров локомотива следует внести в таблицу 5.8.
Основные технические параметры локомотива (тепловоз)
Режим работы | Параметры | Ограничения | ||
сила тяги, кН | скорость, км/ч | |||
1) Продолжительный | Fкдл=200 | Vдл=26 | ------ | |
2) Расчетный | Fкр=309 | Vр=17 | По сцеп. | |
3) Трогание с места | Fктр=406 | ------- | По току |
Расчетным режимом работы локомотива называют режим, характеризуемый величинами расчетной силы тяги Fкр и расчетной скорости Vр. По этим параметрам определяют так называемые расчетные нормы массы составов на участках железных дорог.
Расчетный режим тепловозов принято устанавливать по параметрам продолжительного режима работы тяговых электромашин. Если в результате проектирования тепловоза оказалось, что величина Fкдл превышает силу тяги по сцеплению Fксц при скорости Vдл, то значение расчетной силы тяги Fкр и расчетной скорости Vр принимают по точке "порога" тяговой характеристики.
Помимо расчетной силы тяги, другим важным параметром локомотива является сила тяги при трогании с места Fктр. Ее величина может быть ограничена по сцеплению либо по максимальному току локомотива. Первый случай характерен для грузовых и маневровых локомотивах, а второй - для пассажирских.
Значения параметров расчетного режима и трогания, как одни из важнейших характеристик локомотивов, нормируются ПТР .
6. Электроподвижной состав.
6.1 Электровоз постоянного тока ВЛ10
Электровоз ВЛ10 предназначен для работы с грузовыми поездами на магистральных железных дорогах РФ, электрифицированных на постоянном токе с напряжением в контактной сети 3000 В.
Все оборудование электровозов рассчитано на надежную работу при напряжении в контактной сети от 2200 до 4000 В. Изменение температуры окружающего воздуха вне кузова допускается от --50 до +40 °С при влажности воздуха 90%, замеренной при температуре +27 °С. Высота над уровнем моря не более 1200 м. Электровоз ВЛ 10 и состоит из двух сочлененных между собой автосцепкой СА-3 секций. На электровозах ВЛ10 выпуска до 1975 г. каждая секция опиралась на две двухосные несочлененные тележки через упругие опоры. На электровозах ВЛ10 выпуска с 1975 г. секции кузова на тележках опираются с помощью люлечного подвешивания, которое в значительной, степени улучшает горизонтальную динамику электровоза.
Сварные рамы тележек обладают повышенной надежностью, в процессе изготовления их подвергают тщательному контролю с применением современной аппаратуры. Тележки оборудованы бесчелюстными буксами с роликовыми подшипниками повышенной долговечности, Перемещение букс относительно рамы происходит за счет деформации сдвига резинометаллических блоков. Рессорное подвешивание обеспечивает эффективное смягчение вертикальных толчков при прохождении электровозом неровностей пути.
На электровозах ВЛ10 установлено по восемь тяговых двигателей. Тяговые электродвигатели имеют последовательное возбуждение, опорно-осевое подвешивание, принудительную вентиляцию и мощность при часовом режиме по 670 кВт. Электродвигатели обладают надежностью и высоким к. п. д. Вращающий момент от тягового двигателя на колесные пары передается двусторонней одноступенчатой цилиндрической косозубой передачей.
Для регулирования частоты вращения тяговых двигателей предусмотрены три вида их соединения: последовательное (С), последовательно-параллельное (СП) и параллельное (П). Кроме того, на всех этих соединениях предусмотрена работа тяговых электродвигателей при ослабленном возбуждении с коэффициентом возбуждения 0,75; 0,55; 0,43; 0,36. Электрические цепи электровоза получают питание от контактного провода через токоприемники, обеспечивающие надежный токосъем при любых скоростях движения электровоза.
Схемы силовых цепей электровозов
а) электровоз постоянного тока б) электровоз переменного тока
6.2 Электровоз переменного тока ВЛ80
Электровоз ВЛ80 предназначен для эксплуатации на магистральных железных дорогах РФ, электрифицированных на однофазном токе промышленной (50 Гц) частоты с номинальным напряжением 25 к В.
Оборудование электровоза рассчитано на работу при напряжении в контактной сети от 19 до 29 кВ, изменении температуры окружающего воздуха от -- 50 до + 40 °С, влажности воздуха до 90 % при температуре 293 К (+ 20 °С) и высоте над уровнем моря не более 1200 м. Электровоз состоит из двух однотипных секций, оборудован электрическим реостатным тормозом и системой, позволяющей управлять двумя электровозами по системе многих единиц.
В состав поставки электровоза входят: комплекты инструментов, принадлежностей и запасных частей, предназначенных для использования при техническом обслуживании н текущих ремонтах;
комплект технической документации, предназначенной для использования при эксплуатации, техническом обслуживании и текущих ремонтах.
6.3 Электропоезд ЭР2
Электропоезд ЭР2 предназначен для перевозки пассажиров на пригородных участках железных дорог, электрифицированных на постоянном токе с номинальным напряжением в контактной сети 3 300 в.
За основную поездную единицу принят 10-вагонный электропоезд, состоящий из двух головных, пяти моторных и трех промежуточных прицепных вагонов. По условиям эксплуатации допускается формирование поезда из восьми, шести или четырех вагонов , а также из двенадцати.
Управление поездом осуществляется из кабины машиниста, имеющейся в каждом головном вагоне. На электропоезде ЭР2 предусмотрен реостатный пуск тяговых двигателей с переключением их в процессе пуска с последовательного на параллельное соединение, двухступенчатое ослабление поля на каждом из двух соединений шунтированием обмоток возбуждения активным и индуктивным сопротивлениями и реверсирование хода поезда, а также защита тяговых двигателей от перегрузок, коротких замыканий, боксования и перенапряжений.
Система управления двигателями--групповая, косвенная. Основным аппаратом управления является силовой контроллер с пневматическим приводом, имеющий одностороннее вращение. Этот контроллер имеет 18 позиций.
Схема силовых цепей моторного вагона
7. Вывод
В ходе выполнения курсовой работы я изучил физические процессы, происходящие в колесно-моторном блоке (КМБ) тепловоза при преобразовании электрической энергии в механическую, и создании силы тяги. На основании рассчитанных параметров тягового электродвигателя (ТЭД) построил тяговую характеристику тепловоза с нанесением на ней ограничений по конструктивным параметрам и условиям сцепления колеса с рельсом.
8. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Зорохович А.Е., Крылов С.С. Основы электротехники для локомотивных бригад: Учебник для техн.школ. - М.:Транспорт,1987.-414 с.
2. Дробинский В.А., Егунов П.М. Как устроен и работает тепловоз. - М.:Транспорт,1980. - 367 с.
3. Сидоров Н.И. Как устроен и работает электровоз. - М.: Транспорт,1980. - 223 с.
4. Луков Н.М., Стрекопытов В.В., Рудая К.И. Передачи мощности тепловозов: Учебник для вузов ж.-д. трансп. / Под ред. Н.М.Лукова - М.:Транспорт,1987. - 279 с.
5. Тепловозы: Основы теории и конструкция: Учеб. для техникумов / В.Д.Кузьмич, И.П.Бородулин, Э.А.Пахомов и др.; Под ред. В.Д.Кузьмича.- М.:Транспорт,1991.-352 с.
6. Электрические железные дороги: Учебник для вузов ж.-д. трансп. / В.А.Кисляков, А.В.Плакс, В.Н.Пупынин и др.; Под ред. А.В.Плакса и В.Н.Пупынина. - М.:Транспорт,1993. - 280 с.
7. Бирюков И.В., Беляев А.И., Рыбников Е.К. Тяговые передачи электроподвижного состава железных дорог.-М.:Транспорт,1986. - 256 с.
8. Бородин А.П. Электрическое оборудование тепловозов: Учебник для средних ПТУ. - М.:Транспорт,1988. - 287 с.
9. Вилькевич Б.И. Автоматическое управление электрической передачей и электрические схемы тепловозов. - М.:Транспорт,1987. - 272 с.
10. Теория электрической тяги / В.Е.Розенфельд, И.П.Исаев, Н.Н.Сидоров, М.И.Озеров; Под ред. И.П.Исаева. - М.: Транспорт,1995.-294 с.
11. Подвижной состав и тяга поездов: Учебник / Третьяков А.П., Деев В.В., Перова А.А. и др.; Под ред. В.В.Деева, Н.А.Фуфрянского. - М.:Транспорт,1979. - 368 с.
12. Режимы работы магистральных электровозов / О.А.Некрасов, А.Л.Лисицын, Л.А.Мугинштейн, В.И.Рахманинов; Под ред. О.А.Некрасова. - М.:Транспорт,1983. - 231 с.
13. Правила тяговых расчетов для поездной работы. - M.:Транспорт, 1985. - 287 с.
