3. Расчёт основних параметров передачи мощности тепловоза в длительном режиме

В начале произведем выбор основных параметров тепловоза в расчётном (длительном) режиме. Расчёт тягово-энергетических характеристик тепловоза поизводится на ПЭВМ, по программе разработанной на кафедре ж/д транспорта, с использованием математического пакета Math Cad [1].

Длительная сила тяги локомотива Fк.р. определяется при принятом значении коэффициента тяги jк.р.= 0,166 и движении тепловоза с расчётной массой Mсц = 120 т на расчётном подъёме (i = 9 %) по формуле:

Fк.р = 9.81* Mсц*jк.р., кН (3.1)

Fк.р = 9.81*147*0,208 = 299,9 кН

Эффективная мощность дизеля

Pe = Pн *s ,кВт (3.2)

Pe = 2941*1,0 = 2941 кВт

где s = 1,0 – коэффициент полноты загрузки дизеля на последней позиции контроллера машиниста для электрической передачи мощности.

Мощность, расходуемая на привод вспомогательных механизмов тепловоза Pвсп, равна:

Pвсп = Pe * (Pвсп, % / 100), кВт (3.3)

Pвсп= 2941 *12/100 = 353 кВт

Свободная мощность дизеля (или мощность идущая на тягу) равна:

Pд= Pe - Pвсп, кВт (3.4)

Pд= 2941 – 353 = 2588 кВт

Коэффициент, учитывающий долю отбора мощности дизеля на привод вспомогательных механизмов:

b= (Pe - Pвсп) / Pe, (3.5)

b= (2941 -353)/2941 = 0,88

КПД передачи мощности проектного тепловоза:

h= hсг.р*hву.р*hТЭД.р*hзр (3.6)

hп.р.= 0,96*0,991*0,915*0,975 = 0,849

где hсг.р,hву.р,hТЭД.р,hзр – значения КПД берутся для длительного режима работы по соответствующим техническим данным электрических машин [1.2].

Расчётная скорость движения тепловоза вычисляется по формуле:

Vкр.= (3,6* Pд*hп.р) / Fк.р, км/ч (3.7)

Vкр.= 3,6*2588*0,849/299,9 = 26,4 км/ч

Мощность на выходе выпрямительной установки(ВУ):

Pd.p.= Pву.р.= Pд*hсг.р*hву.р (3.8)

Pd.p.= Pву.р.= 2588*0,96*0,991= 2462 кВт

Входная мощность P1ТЭД.р и мощность на валу P2p.= PТЭД.р тягового электродвигателя равны:

P1ТЭД.р= Pd.p./m ,кВт P1ТЭД.р= 2462 /6 = 410,3 кВт (3.9.)

PТЭД.р= P1ТЭД.р*hТЭД.р.,кВт PТЭД.р= 410,3*0,915 = 375,4 кВт

где m = 6 – число ТЭД

Номинальная частота вращения якоря ТЭД:

nном = µЗ* Vкр / (0,1885*Dk), об/мин (3.10)

nном = 4,318*26,4/(0,1885*1,25) = 484 об/мин

где µЗ – передаточное отношение тягового редуктора.

Максимальная частота вращения якоря ТЭД:

nмакс= nном * Vk / Vкр, об/мин (3.11)

nмакс= 484 * 100/ 26,4 = 1833 об/мин

где Vk = 100 км/ч – конструкционная скорость движения тепловоза.

Касательная мощность локомотива в длительном режиме:

Pк.р.= (Fк.р.* Vк.р.)/ 3,6, кВт (3.12)

Pк.р.= (299,9*26,4)/ 3,6 = 2200 кВт

КПД тепловоза в расчетном режиме равен:

hт.р.= 3600* Pк.р / Bч*Hи , о.е. (3.13)

hт.р.= 3600*2200/614,6*42496 = 0,303

где Bч – часовой расход топлива дизелем, кг

Bч = ge*Pe, кг (3.14)

Bч = 0,209*2941 = 614,6 кг

где ge = 0,209 кг/(кВт*ч) – удельный расход дизельного топлива [1].

КПД дизеля можно определить как:

hдиз.=3600/ ge* Hи, о.е. (3.15)

hдиз.= 3600/ 0,209 *42496 = 0,405

Для проверки КПД тепловоза можно вычислить по формуле:

hт.р1 = hдиз*hп.р*b (3.16)

hт.р1 = 0,405*0,88*0,849 = 0,303

Коэффициент передачи мощности тепловоза:

fp = Pk.p./ Pe (3.17)

fp = 2200 / 2941 = 0.748

Удельная номинальная мощность тепловоза вычисляется:

Pн= Pk.p / Mсц ,кВт/т (3.18)

Pн= 2200 / 147 = 14, 97 кВт/т

4. Расчёт и построение тяговой характеристики тепловоза и его КПД

Расчёт производится по имеющимся электромеханическим характеристикам ТЭД заданных в табличной форме (табл.2), снятых при напряжении на ТЭД UТЭД при полном aпп = 1,0 и двух ослабленных магнитных полях ТЭД a1 = 0,66 и a2 = 0,44.При этом необходимо стремиться, чтобы мощность на валу была равна мощности ТЭД проектного тепловоза.

Степень ослабления магнитного поля ТЭД выражается:

a = Iв/ Iя (4.1)

где Iв – ток обмотки последовательного возбуждения, Iя – ток якоря.

Задаемся произвольно шестью значениями токов якоря из электромеханических характеристик ТЭД от IТЭД.мин = 600 А до IТЭД.макс.= 1200 А.

Значения токов заносим в сводную таблицу 3 расчёта тяговой характеристики тепловоза. Сюда же в колонку для полного поля a = 1,0 вводим с таблицы 2 значения подводимого напряжения UТЭД, а с соответствующих графиков [1] зависимость КПД генератора hсг от тока Id на выходе выпрямительной установки.

Ток на выходе ВУ равен:

Id = IТЭД*m (4.2)

где m = 6 число параллельно соединенных ТЭД.

4.1 Расчёт и построение внешней характеристики тягового генератора

Внешняя характеристика тягового генератора представляет собой зависимость выходного напряжения тягового генератора от тока нагрузки, т.е. Uг = f (Iг).

При наличии выпрямительной установки внешняя характеристика генератора строится на её выходе, т.е.

Ud = f (Id)

Для обеспечения постоянной загрузки вала дизеля внешняя характеристика генератора имеет вид гиперболы, т.е.

Pd = Ud *Id=const. (4.3)

Напряжение на выходе ВУ Ud при произвольных значениях токов на выходе ВУ Id (определяемых формулой (4.2)) определяеся по формуле:

UТЭД = Ud = (Pd*hсг.р*hву.р*1000 ) / Id, В (4.4)

Здесь: КПД ВУ принимаем равные по значению в длительном режиме (ввиду его незначительного отклонения от тока нагрузки Id).

Результаты всех вычислений заносим в сводную табл. 3.

Определим основные параметры внешней характеристики генератора.

Номинальное напряжение на выходе ВУ (ориентировочно равное работе тепловоза в длительном режиме) можно определить:

Ud.н.= Ud.макс / Cr, В (4.5)

Ud.н.= 750 / 1,6 = 468,8 В

где Ud.макс. – максимальное напряжение на выходе ВУ. Оно должно быть не ниже напряжения UТЭД при минимальном токе IТЭД.

Номинальный ток на выходе равен:

Id.н.= Pd.p.*1000 / Ud.н.,А (4.6)

Id.н.= 2462*1000 / 468,8 = 5252 А

Минимальное значение тока на выходе ВУ:

Id.мин.= 1000* Pd*hсг.р*hву.р / Ud.макс.,А (4.7)

где hсг.р = 0,956 – значение КПД синхронного генератора при минимальном токе Id.o. = 3600А(Id.o. = 600*6 = 3600 А).

Id.мин.= 1000*2588*0,956*0,991 / 750 = 3270 А

Максимальное значение тока ВУ:

Id.макс.= Id.мин.*Cr1 (4.8)

Id.макс.= 3270*2.45 = 8012 А

Значение Id.макс. должно быть больше IТЭД*m

Id.макс.> 1200*6 = 7200 А.

Если Id.макс.< IТЭД*m, то следует увеличить коэффициент регулирования генератора по току Cr1 и наоборот.

Минимальное напряжение на выходе ВУ:

Ud.мин = 1000*Pd * hсг.макс*hву.р / Ud.макс, В (4.9)

Ud.мин = 1000*2588*0,935*0,991 / 7200 = 333 В

где hсг.макс – КПД генератора при максимальном токе.

По данным расчётным точкам, а также используя расчёты на ПЭВМ строим внешнюю характеристику тягового генератора Ud = f (Id).

4.2 Расчёт тяговой характеристики тепловоза и его КПД

Расчёт тяговой характеристики тепловоза Fk = f(Vk) производится по упрощенным формулам[1,2,3,], используемых в заводских расчётах.

Используемые электромеханические характеристики ТЭД снимаются при определенных значениях токов I и напряжений на ТЭД U’ТЭД. В проектных тепловозах мощность локомотива, а, следовательно, и мощность и напряжение ТЭД обычно отличаются от тех, при которых сняты электромеханические характеристики.

Поэтому, при расчёте скорости движения тепловоза Vk учитывается её изменение от изменения напряжения на ТЭД пропорционально изменению противо-ЭДС, т.е.

, (4.10)

где V – скорость движения тепловоза при напряжении на ТЭД U= UТЭД;

V’ – то же при напряжении U’= U’ТЭД, взятом из известных электромеханических характеристик ТЭД.

При расчёте момента ТЭД МТЭД (а, следовательно, и силы тяги FК.ТЭД) его изменение от подводимого напряжения не учитывается, т.к. расчёт МТЭД производится при одних и тех же токах, а

МЭМ.ТЭД= CМ*Ф*I, (4.11)

т.е. при одних и тех же токах электромагнитный момент МЭМ двигателя не меняется. А изменение момента на валу ТЭД от изменения магнитных и механических потерь в нем, не учитываем ввиду их малости.

Остальные расчетные параметры приведены ниже и сведены в табл. 3.

Расчет проводится по электромеханическим характеристикам ТЭД при полном поле a = 1,0 и двух ослабленных магнитных полях a1=0,66 и a2= 0,44.

Суммарное сопротивление якорной цепи равно [1]:

Rc= Rя + a*RГ.П. + RД, Ом (4.12)

где Rя, RГ.П., RД – активные сопротивления якорной цепи ТЭД, их величины взяты из [1.3] и приведены в исходных данных.

Rc= 0,012 + a*0,0092 + 0,0078

При a = 1,0; Rc= 0,029 Ом;

a1= 0,66; Rc= 0,026 Ом;

a2= 0,44; Rc= 0,024 Ом.

4.2.2 Суммарное сопротивление якорной цепи при прогретом до tГ =115° С ТЭД равно:

RСГ = Rс[1+ KГ*(tГ – tН)], (4.13)

где KГ = 0,004 Ом /° С - температурный коэффициент сопротивления меди;

tН = 20 ° С - температура, при которой определялись сопротивления обмоток.

При a = 1,0; Rc.г = 0,040 Ом;

a1= 0,66; Rc.г. = 0,036 Ом;

a2= 0,44; Rc.г. = 0,033 Ом.

Противо-ЭДС проектного тепловоза:

EТЭД = UТЭД – (IТЭД* RС.Г + DUщ), (4.14)

где DUщ = 2 В – падение напряжения на коллекторно-щеточном переходе ТЭД;

UТЭД – шесть значений напряжений ТЭД, определяемых формулой (4.4).

Заносим в расчётную табл.3 шесть значений напряжений

U’тэд – из имеющихся электромеханических характеристик ТЭД (табл. 2) при принятых токах ТЭД IТЭД (6 значений).

Противо-ЭДС ТЭД E’ТЭД, при которой сняты электромханические характеристики, вычисляется по формуле, аналогичной (4.14):

E’ТЭД = U’ТЭД – (IТЭД* RС.Г + DUщ), (4.15)

Из имеющихся электромеханических характеристик,заносим в сводную таблицу значения чисел оборотов ТЭД n’ТЭД и момента МТЭД при принятых значениях токов ТЭД IТЭД.

Частота вращения якоря ТЭД проектного (заданного) локомотива определяется:

nТЭД = n’ТЭД* ( EТЭД / E’ТЭД), (4.16)

Скорость движения локомотива равна [1]:

Vk = 0.1885*nТЭД*Dk / µз, км/ч (4.17)

где Dk = 1.25 м – диаметр колеса по кругу катания;

Сила тяги проектного локомотива определяется выражением:

Fk = 2*МТЭД*m*µз*hз / Dk, Н (4.18)

Все параметры данной формулы приведены в исходных данных (табл. 1).

Касательная мощность Pk проектного локомотива:

Pk = Fk*Vk / 3.6, кВт. (4.19)

КПД тепловоза определяется формулой, аналогичной (3.13):

hТ = , о.е. (4.20)

В табл. 4 приведены основные параметры тепловоза в длительном режиме.

Таблица 4

4.3 Расчёт касательной силы тяги тепловоза, ограниченной сцеплением колёс с рельсами

Касательная сила тяги определяется по формуле [1]:

Fк.сц = 9.81* Mсц*yк., (4.21)

где yк - коэффициент сцепления для двойного тепловоза, по правилам ПТР определяется [3.2]:

yк = 0,25+ , (4.22)

где V – произвольно заданная скорость движения тепловоза от 0 до 25 км/ч.

Расчёт кривой ограничения силы тяги сведен в табл.5.

Таблица 5

4.4 Построение тягово-энергетических характеристик тепловоза 2ТЭ121

На основании сводной таблицы (табл.3), полученной на основании расчётов на ПЭВМ в Math Cad строится тяговая характеристика тепловоза (рис.3).

Тяговая характеристика тепловоза включает:

1)                линии значений силы тяги Fk при полном и ослабленных магнитных полях ТЭД;

2)                кривую ограничения силы тяги по сцеплению Fк.сц;

3)                прямую, ограничивающую силу тяши по конструкционной скорости

Vk = 100 км/ч;

На кривой силы тяги Fk при полном поле нанесена точка длительного режима работы тепловоза Fкр= 299,9 кН и Vкр = 26,4 км/ч.

На листе также нанесены:

4)                кривые касательной мощности Pk и КПД тепловоза hт при полном и ослабленных полях ТЭД.

Значения точек перехода работы ТЭД с полного поля возбуждения на ослабленное и наоборот определяется соответствующей настройкой реле перехода или дифференциального реле электрооборудования тепловоза.

Ориентировочно можно принять эти значения по табл. 6 в зависимости от конструкционной скорости Vk = 100 км/ч.

Таблица 6

1 – переход с ПП на ОП1; 2 – переход с ОП1 на ОП2;

3 – переход с ОП2 на ОП1; 4 – переход с ОП1 на ПП.

Заключение

1. Рассчитанная электрическая передача мощности переменно-постоянного тока обеспечивает в длительном режиме работы силу тяги тепловоза

Fк.дл = 299,9 кН при скорости движения Vк.дл = 26,4 км/ч. КПД тепловоза при этом составляет hтр = 0,307. Коэффициент тяги тепловоза jкр = 0,208. КПД передачи мощности hп = 0,849.

2. Максимальное значение КПД тепловоза при номинальном расходе топлива ge = 2090 г/(кВТ*ч) в диапазоне работы от Vк.дл до Vk = Vмакс = 100 км/ч составляет hт = 0,307.

3. Электропередача обеспечивает заданную конструкционную скорость тепловоза Vk = 100 км/ч при принятой второй ступени ослабления магнитного поля a2 = 0,44.

4. Сила тяги при трогании тепловоза с места составляет Fк.тр. = 432,6 кН.

Рассчитанная передача мощности для тепловоза 2ТЭ121 полностью удовлетворяет исходным данным.

Список использованной литературы

1.                 Методические указания к курсовому и дипломному проектированию ²Расчёт на ПЭВМ электромеханических характеристик тягових электродвигателей и тягово-экономических характеристик тепловозов² / Сост. В.М.Новиков, А.И.Костюкевич.Ч.1;2. – Луганськ: ЛМСИ, 1992.- 100с.

2.                 Основы локомотивной тяги / С.Н.Осипов, К.А.Миронов, В.И.Ревич. - М: Транспорт, 1979. – 440с.

Страницы: 1, 2