Выбор типа электрической передачи, определение параметров генератора и тяговых электродвигателей
На современных тепловозах, эксплуатирующихся на железных дорогах России,
применяются электрические передачи постоянного или переменно-постоянного тока. В электрическую цепь постоянного тока входят генератор постоянного тока с независимым возбуждением и тяговые электродвигатели постоянного тока с последовательным возбуждением. В передаче переменно-постоянного тока в тяговые электродвигатели постоянного тока с последовательным возбуждением. В передаче переменно-постоянного тока в электрическую цепь входят синхронный генератор трехфазного переменного тока, выпрямительная установка и двигатели постоянного тока.
Ознакомившись с устройством и принципом действия электрических машин, студент вычерчивает силовую электрическую схему тепловоза своей серии (упрощенную) с показом способа подсоединения двигателей к генератору, их реверсирования и шунтирования обмоток возбуждения.
После этого необходимо рассчитать параметры генератора и двигателей в длительном режиме: мощность, напряжение, силу тока, угловую скорость, вращающий момент.
Порядок расчета
Свободная мощность дизеля, передаваемая дизелем генератору, кВт:
Pе св = Pе всп ,
где всп — коэффициент, учитывающий затраты мощности дизеля на вспомогательные нужды. Можно принять всп = 0,88 – 0,93;
Pе ном — эффективная мощность дизеля, кВт.
Номинальная мощность на зажимах генератора (на выходе) постоянного тока в длительном режиме:
Pг = Pе св г ;
при наличии выпрямительной установки
Pг = Pе св г ву .
При расчетах принять КПД генератора и выпрямительной установки равными:
г = 0,93 0,95 ; ву = 0,99 .
У большинства тяговых генераторов отношение максимального напряжения Uг maxк
напряжению длительного режима Uг
U
равно 1,4 –1,5 , тогда:
Uг =
г мах
1,45 .
Максимальное напряжение генераторов:
ГП300БУ (ТЭМ2) — 870 В, ГП311ВУ (ТЭП60) — 635 В, ГП311БУ2 (2ТЭ10М) — 700 В, ГП312У2 (М62) — 570 В, ГС501АУ2 (2ТЭ116) — 580 В, ГС515У2 (ТЭМ7) — 360 В (после
выпрямительной установки), А713У2 (ТЭП80) — 770 В, ГС504А (ТЭП70) — 750 В, TD 802(ЧМЭ3)-565, ГСТ 1050-1000 УХЛ2(ТЭМ21)-1000В
Для генераторов тепловозов принять: 2 ТЭ25-580В; 2ТЭ70-600В
Длительная сила тока генератора, А
103 Pг
I г =
Uг .
Длительная мощность тягового электродвигателя, кВт:
|
д =
m ,
где m - число тяговых электродвигателей, подключенных к генератору.
Угловая скорость
соотношения:
вала электродвигателя в рад/c в длительном режиме находится из
max
= vmax
v ;
= max v
| |
где vmax= vк — конструкционная скорость, км/ч;
v = v р
— расчетная скорость в длительном режиме;
max — максимальная угловая скорость вала якоря двигателя, обусловленная
прочностью крепления обмоток в пазах якоря.
Угловая скорость , рад/с, связана с частотой вращения n, 1/с, соотношением:
max= 2 n .
При максимально допустимых частотах вращения якорей двигателей
nмах = 37 38
1/с
max = 2 nмах = 232 238
рад/c.
Вращающий момент электродвигателя в длительном режиме, кН .м:
Pд д
M д =
д ,
д = 0,85 0,87 .
сила тока в длительном режиме, А,
|
д =
m ,
где m' — число параллельных ветвей силовой цепи. Для тепловозов ТЭМ2,ТЭМ21 и ТЭМ8 m' = 2, для остальных m' = 6 или m' = 8 в зависимости от числа колесных пар.
Напряжение на зажимах двигателя
|
д =
m ,
где m" — число двигателей в параллельной цепи.
Если все m двигателей подключены к генератору параллельно, то m"=1, т. е. Uд = Uг . Для тепловозов ТЭМ2,ТЭМ21-2 и ТЭМ8 m"=3.
5. Расчет передаточного числа тягового редуктора
Вращающий момент от двигателя к колесной паре у грузовых и маневровых тепловозов передается тяговым редуктором, состоящим из шестерни, насаженной на вал электродвигателя, и зубчатого колеса, напрессованного на ось колесной пары. У пассажирских тепловозов с опорно-рамным подвешиванием электродвигателей схема передачи момента несколько отличается. Здесь между зубчатым колесом и колесной парой имеется передаточный механизм с упругими муфтами.
Студенту следует привести схему передачи вращающего момента от двигателя к колесной паре, обозначив силы и моменты, как показано на рис. 5.
Рис.5 Схема образования силы тяги
При вращении вала двигателя, зубья шестерни будут действовать на зубья зубчатого колеса с силой Pз , равной моменту двигателя, деленного на радиус шестерни rш , т. е.
P = Mд
з r
ш .
В свою очередь момент, передаваемый колесной паре, Mк будет равен произведению силы Pз на радиус зубчатого колеса (плечо силы Pз)
M к = Pз rзк .
Выражая Pз через Mд и с учетом КПД зубчатой передачи, получим:
M к = M д
· rзк
|
Отношение rзк/rш называют передаточным числом редуктора iред.
iред
= rзк
rш
= zзк
zш
= д
к ,
где zзк , zш — число зубьев соответственно зубчатого колеса и шестерни;
д , к — угловая скорость соответственно вала двигателя и колесной пары, рад/с;
зп = 0,99 — КПД зубчатой передачи.
Передаточное число редуктора можно рассчитать как отношение максимально допустимой угловой скорости вала двигателя к угловой скорости колесной пары при конструкционной скорости тепловоза
д max
iред =
к max ,
где к max— угловая скорость колесной пары при конструкционной скорости тепловоза.
к max = 2nк max .
Скорость тепловоза v в км/ч связана с частотой вращения колесных пар nк
соотношением:
v= 3600 Д к nк = 3,6 Д1000 к
· nк
,
где Дк — диаметр колеса. Для тепловозов ТЭП70 и ТЭП80 Дк = 1,22 м, для остальных
Дк = 1,05 м.
nк — частота вращения колесной пары, с-1.
Откуда частота вращения колесных пар при конструкционной скорости
nк max
= vконстр 3,6 Д к .
Тогда
к max
2 vконстр
=
3,6 Д к
= vконстр 1,8 Д к .
равно
Передаточное число iред (если принять д max= 233 рад/с, vконстр = 100 км/ч, Дк = 1,05 м)
д max
| |
к max
= 235 1,8 1,05 100
= 4,4
.
6. Определение касательной мощности тепловоза. Построение тяговой характеристики
По найденному значению передаточного числа редуктора следует найти величину
расчетной силы тяги тепловоза при длительном режиме работы электродвигателей.
Момент, развиваемый колесной парой при длительном режиме работы двигателей,
Mк = Mд iред зп .
Из схемы (рис. 5) вращающий момент колесной пары определяют по формуле
M к = Fкд
· rк .
M к
Fкд =
r
Откуда к .
Расчетная сила тяги тепловоза при длительном режиме работы двигателей
Fкр = Fкд m ,
где m — число двигателей на тепловозе.
Касательная мощность Pк есть мощность, развиваемая тяговыми электродвигателями на ободе колесных пар. Колесно-моторный блок тепловоза является завершающим звеном энергетической цепи от источника энергии (теплота сгоревшего топлива в цилиндрах дизеля) до полезной ее реализации. Поэтому мощность, снимаемая с обода колесных пар, есть полезная или выходная мощность тепловоза.
Касательная мощность, реализуемая на тягу, есть произведение силы тяги тепловоза на скорость движения.
Если сила выражена в Ньютонах, а скорость — в м/с, то
Fк v = P , Вт.
На практике принято силу тяги выражать в кН, скорость — в км/ч. Тогда
P= Fк v
к 3,6
, кВт.
Так как у тепловоза мощность силовой установки при определенной позиции контроллера постоянна, то постоянной будет и мощность тяговых электродвигателей, т. е. в номинальном режиме (последняя позиция контроллера машиниста) касательная мощность тепловоза будет постоянной. Отсюда, произведение силы тяги на скорость так же будет постоянным. Иначе говоря, зависимость силы тяги от скорости будет подчиняться гиперболическому закону. Эту зависимость называют тяговой характеристикой локомотива.
Для упрощенного построения тяговой характеристики тепловоза достаточно задаться значением скоростей (от 10 км/ч до конструкционной скорости с интервалом в 10 – 20 км/ч) и подставить в формулу:
F = 3,6 Pк
к v
, кН.
Результаты расчетов свести в таблицу, по полученным значениям Fк и v построить зависимость Fк(v) на планшете из миллиметровой бумаги (рис. 6).
Рис.6 -Тяговая характеристика тепловоза 2ТЭ10М.
Максимальное значение силы тяги Fк ограничивается силой сцепления колес с рельсами Fсц.
Fсц = к Pсц ,
где Pсц — сцепной вес тепловоза (вес, передаваемый от движущихся колес на рельсы), кН;
Pсц = 2П g m ;
2П — масса локомотива, приходящаяся на одну движущуюся ось, т; принять такой же , как у тепловоза прототипа ;
m — число движущихся осей;
к — расчетный коэффициент сцепления.
Правилами тяговых расчетов для поездной работы установлена следующая эмпирическая формула для определения к :
к = 0,118 +
5
27,5 + v ,
где v — скорость движения, км/ч.
Величину Fсц вычисляют для нескольких значений скорости (0, 10, 20, 30, 40 км/ч). Результаты расчетов свести в таблицу 8.
Таблица 8
| Скорость v, км/ч | Коэффициент сцепленияк | Сила тяги по сцеплению Fсц , кН |
| ….. | ….. | |
| ….. | ….. | |
| ….. | ….. | |
| ….. | ….. | |
| ….. | ….. |
По точкам Fсц , v нанести на тяговую характеристику (см. рис. 6) кривую ограничения силы тяги по сцеплению.
7. Геометрическое вписывание тепловоза в кривые .
Задачи по вписыванию подвижного состава в кривые решаются методами геометрического и динамического вписывания.
Геометрическое вписывание должно установить максимальные углы поворота тележек и необходимые разбеги осей для обеспечения следования локомотива и кривой наименьшего радиуса без заклинивания. Наименьший радиус кривой для магистральных локомотивов установлен МПС равным 125 м.
Основной задачей динамического вписывании является определение наибольшей скорости движения локомотива в кривой заданного радиуса, при которой обеспечивается устойчивое положение локомотива на (рельсовой колее и необходимая прочность пути, т. е. обеспечивается безопасность движения.
Геометрические вписывание локомотива в кривые производится круговым или эллиптическим (параболическим) способами. Студенту рекомендуется использовать круговой способ, менее точный, но простой и более наглядный. При этом способе рельсовый путь в кривой изображается в виде двух дуг, вычерченных радиусами из одного центра. Радиус внеш- ней дуги соответствует заданному радиусу кривой, а радиус внутренней дуги будет меньше на величину суммарного зазора между внутренними гранями головок рельсов и гребнями бандажей (рис. 8). Изображение на чертеже колеи зазоров вместо рельсовой колеи обусловлено тем, что кузов и тележки экипажа показываются линиями, а колесные пары — точками, т. е. условно внутренний рельс оказывается приближенным к наружному на величину расстояния между гребнями бандажей. Изображение экипажа в виде линий позволяет легко определить в натуральную величину перемещения различных точек экипажа относительно рельсов и проверить геометрическую проходимость экипажа с базой L в кривой заданного радиуса.
Ширина колеи зазоров измеряется в мм, длина экипажа— в десятках метров, а радиус кривой - в сотнях метров. Все эти размеры невозможно изобразить на чертеже в одном мас- штабе. Поэтому для их изображения используются разные, связанные между собой масштабы. Для этого выбирается коэффициент искажения n= 8-10 и определяются для чертежа радиус
R
n2
внешней дуги R1=
, величины базы экипажа L и базы тележек B делением действительных
размеров в метрах на коэффициент искажения n. Ширина колеи зазоров 2+ (где 2—
суммарный зазор между внутренними гранями головок рельсов и гребнями бандажей в прямом участке пути, а — уширение колеи в кривой)- берется в натуральную величину. Причем
ширину колеи зазоров (2+ ) при геометрическом вписывании следует принять
минимальную с учетом допускаемых
Рис.8.Схема вписывания тепловоза в кривую
отклонений рельсовой колеи от номинальных размеров. Согласно ПТЭ (пп. 3.9 и 10.2) на
прямых участках пути и на кривых радиусом 350 м и более 2=
1520+8
(1440±3
+ 2
33)
— при
|
=10 мм — при радиусе кривой от 349 до 300 м;
=15 мм — при радиусе кривой 299 м и менее.
Для тепловозов с симметричным расположением шкворня тележек порядок построения следующий.
Проведя дуги радиусами где m-масштаб чертежа, отмечаем на них базу передней тележки в положении наибольшего перекоса, при котором первая колесная пара I прижата гребнем к наружному, а задняя III — к внутреннему рельсам (рис. 8). Отметив на линии базы этой тележки точку II, соответствующую шкворню, проводим через эту точку дугу радиусом R3. Делаем на дуге засечку из точки II радиусом, равным расстоянию между шкворнями L. Получим точку расположения средней оси задней тележки V. Из этой точки раствором циркуля делаем заcечки на дугах, условно изображающих наружный и внутренний рельсы. Получим точки расположения соответствующих осей задней тележки в положении наибольшего перекоса IV и VI. Опустив из центра кривой перпендикуляры на
линию баз тележек, получим центры их поворота . Опустив перпендикуляр из точки
на прямую II-V, получим углы 
. Измерив их и разделив на п, получим истинные значения углов поворота тележек.
Следует учесть, что у тепловозов 2ТЭ10В, 2ТЭ116, ТЭМ7, ТЭП70 центр шкворня
несколько сдвинут от середины тележки (средней колесной пары) к центру тепловоза, Поэтому, построив базу передней тележки в колее зазоров, нужно нанести на ней точки, соответствующие расположениям средней оси и шкворня, а затем, проведя через центр шкворня дугу радиусом и отметив на ней положение шкворня задней тележки, определить положение передней и задней колесных пар на внешней и внутренней дугах (растворами циркуля, соответствующими расстояниям центра шкворня до первой и задней осей тележки).
Необходимые размеры тележек приведены в рекомендуемой литературе.
ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ КУРСОВОЙ РАБОТЫ
Графическую часть проекта выполняют на чертежном листе формата А1. На нем изображают схему расположения оборудования на тепловозе и его тяговую и техническую характеристики, а также эскиз заданного узла.
При вычерчивании схемы тепловоза достаточно изображать основное и вспомогательное оборудование упрощенно (контурно). Примером может служить схемы тепловозов, приведенные в конце задания в Приложении. Необходимо также привести спецификацию оборудования и поместить ее в конце пояснительной записки.
Под схемой расположения оборудования нужно привести техническую характеристику тепловоза, включающую мощность, силу тяги, КПД, осевую формулу, тип дизеля, тип электрической передачи и ее параметры, тип экипажной части, рессорного подвешивания, опорно-возвращающих устройств и т. д.
При защите курсового проекта и сдаче экзамена студент должен быть готовым ответить на контрольные вопросы, приведенные ниже.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. В чем заключаются принципиальные отличия локомотивов: паровозов, тепловозов, газотурбовозов, электровозов?
2. Как определяется КПД локомотива?
3. Что подразумевается под КПД электрической тяги? Как он определяется? В чем преимущество электрификации на переменном токе?
4. Как связаны между собой основные параметры: мощность, сила тяги, скорость?
5. Что называется тяговой характеристикой локомотива? Принципиальные отличия тяговой характеристики тепловоза от тяговой характеристики электровоза? Какие ограничения накладываются на тяговую характеристику?
6. Какие двигатели внутреннего сгорания называют дизелем?
7. Чем отличается рабочий процесс 4-тактного дизеля от 2-тактного?
8. Как снимается индикаторная диаграмма дизеля?
9. Что называют эффективным КПД? Индикаторным КПД дизеля?
10. Как определяется затраченная мощность — мощность тепловой энергии, полученной при сгорании топлива в цилиндрах дизеля?
11. Что называют коэффициентом избытка воздуха?
12. Для чего необходим наддув дизеля? Какие применяются нагнетатели воздуха на тепловозных дизелях?
13. Какие существуют способы передачи энергии от вала дизеля колесным парам? В чем
выражается преимущество электрической передачи перед гидравлической?
14. Почему на локомотивах преимущественно применяют тяговые электродвигатели с последовательным возбуждением?
15. Какие способы регулирования двигателей применяют на локомотивах? В чем их
сущность?
16. Через какие величины выражается вращающий момент на валу двигателя? Чему он пропорционален?
17. Чему пропорционально напряжение на зажимах двигателя?
под продолжительным режимом? Что называется расчетной силой тяги?
20. В чем преимущество опорно-рамного подвешивания тягового электродвигателя?
21. Мотивы применения упругой связи зубчатого венца со ступицей (упругого самоустанавливающегося зубчатого колеса) при опорно-осевом подвешивании двигателя?
22. Почему на современных локомотивах не применяют экипажную часть с жесткой рамой, а применяют тележечную экипажную часть?
23. Какие типы тележек применяются на тепловозах и электровозах?
24. Какие типы опорно-возвращающих устройств и шкворневых узлов применяют на локомотивах?
25. Какими основными параметрами характеризуется рессорное подвешивание? Типы упругих элементов?
26. Какие типы букс применяются на локомотивах? Как связаны они с рамой тележки?
27. Какие требования предъявляют к колесным парам? Как согласуются размеры колесной пары с размерами рельсовой колеи в прямых и кривых участках пути?
28. Какие существуют критерии безопасности движения подвижного состава?
29. Что называется габаритом подвижного состава и приближения строений?
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кузьмич В.Д. и др. Локомотивы. Общий курс: учебник.- М.: ФГОУ »Учебно- методический центр по образованию на железнодорожном транспорте»,2011.-582с.
2. Кононов В.Е., Скалин А.В., Ибрагимов М.А. Локомотивы (общий курс). Учебное пособие. - М.: РГОТУПС , 2008.-187 с.
3. А.В. Скалин, В.Е. Кононов, В.Ф. Бухтеев, М.А. Ибрагимов. Экипажная часть тепловозов. Конструкция, долговечность, ремонт. – М.: ООО «Желдориздат» , 2008 – 304 с.
4. Тепловозы. Назначение и устройство. Учебник для образовательных учреждений ж.д. транспорта осуществляющих профессиональную подготовку / О.Г. Куприенко и др. – М.: Маршрут, 2006.-280 с.
5. Кононов В.Е., Хуторянский Н.М., А.В. Скалин. Тепловозы. Механическое оборудование, устройство и ремонт. М.: Транспорт, 2005.- 320 с
6. Тепловоз М62. М.: Транспорт, 1989. 267 с.
7. Кононов В. Е., Скалин А. В. Шаров В.Д. Справочник машиниста тепловоза. - М.: Транспорт, 2006.- 256 с.
8. Тепловозы 2ТЭ10М и 3ТЭ10М. М.: Транспорт, 1986. - 287 с.
9. Тепловоз 2ТЭ116. М.: Транспорт, 1985. - 328 с.
10. Нотик З. Х. Тепловозы ЧМЭ3, ЧМЭ3Т. М.: Транспорт, 1990, - 381 с.
11. Тепловоз ТЭМ2У. Руководство по эксплуатации и обслуживанию.- М.: Транспорт, 1988. - 253 с.
12. Тепловоз ТЭМ7. М.: Транспорт, 1989. - 293 с.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Рис.П1. Устройство тепловоза 2ТЭ25К
1 – установка аппаратов системы клуб и радиостанции; 2 – резервуары уравнительные; 3 – антенна метрового и гектометрового диапазонов; 4 – тормоз электрический обдуваемый; 5 – мотор-вентилятор охлаждения управляемого выпрямительного модуля; 6 – мотор-вентилятор охлаждения ТЭД передней тележки; 7, 43 – мультициклонный блок очистки воздуха; 8 – мотор-вентилятор охлаждения тягового агрегата; 9, 12 – мотор- вентилятор отсоса пыли; 10 – мотор-вентилятор вытяжной; 11 – глушитель на выхлопе; 13 – воздухоочиститель дизеля (два); 14 – умывальник с подогревом воды; 15 – мотор- вентилятор холодильной камеры (два); 16 – преобразователя вспомогательных нужд (четыре) с плавным регулированием; 17 – переход межсекционный; 18 – резервуар воздушный главный 250 л (четыре); 19, 48 – настил пола; 20 – бак топливный (емкость 7000 кг); 21 – батарея аккумуляторная; 22 – агрегат тяговый; 23, 24 – резервуар воздушный дополнительный;
25 – гребнесмазыватель; 26 – устройство обеспечения микроклимата кабины;
Холодильник пищи; 28 – устройство аварийное; 29 – унифицированный комплекс тормозного оборудования; 30 – выпрямитель двухканальный для регулирования тока возбуждения тягового и вспомогательного генераторов; 31 – бункеры песочниц передних; 32 – дизель типа Д49; 33 – экологически чистый туалет; 34 – насос масляный; 35 – электронасос (два); 36 – термоизолированные баки слива воды радиаторов; 37 – модуль компрессорной установки; 38 – бункеры песочниц задних; 39 – система газового пожаротушения; 40 – осушитель сжатого воздуха; 41 – вентилятор отсоса пыли; 42 – мотор вентилятор ТЭД задней тележки; 44 – топливоподогреватель; 45 – агрегат топливоподкачивающий; 46 – насос маслопрокачивающий; 47 – фильтр топливный; 49 – стартер-генератор 6СГ; 50 – шестиканальный силовой выпрямительный модуль; 51 – камеры аппаратные; 52 – шкаф для одежды; 53 – устройство обработки информации; 54 – огнетушитель;; 56 – электроплитка; 57 – кресло машиниста-инструктора; 58 – пульт управления.
Рис. !J Расnwюжеине ООорудоваюtя 'f пдовоза ЧМЭЗ:
I -- &М'осц 1к1; 2 -1шкумул11rорнан бмарея; 3 -· крышкil иессчноr;:; &ую:: ра; 4 - af!tl!'юн1; 5- t111n"p.a.tfilH1 ка11ер.1>; 6 itщtтpyмtt11w1ьnыtiящим: 7 - т r ло- м э11укtщ ып11чоющя сrеик.а: 8 -- рtЗервуа ynpflмe.шn {JOO .11}: 9 -- 'tЯl'QflЫЙ t'f11epлrap; fO-- rур6n113rпетатмь.; I1 -)\нзель r2 -юь;11иы-е ееюtюt р11л1н11ор-11 аt1нн1(}rаtмы1оrо tfi«тypэ: 13 - &е4Та,1111тор шом6rан дыюrо tши1ура; 14 - веркчке жа.1_ю: 11 wanы xMoМ1Jtt.- 1tt1к<1.; 15 r;,ян11ы!'1 ве;1rкл11rор; 15 wд11иые секцюt радкзrорз осиомоrо ктtтур:а; 17 - r;;amюt ра11.а; /В -11ep;tJJJ!J1Jr rележ1m; 19 - аентпхя· тор iН..1зждеик11 "rиrurшx элeкrpoщrare.reil rtередкей тележки; 20 -- rяmшй uекrродвнrЗ!tJ!ъ; 21--: колеснья nap1:1; 21- tоJU»впы бак; 23 ·- КЕитидятор : хл.зжде11ия тяrовы:( :мектрсдмrателеii задке 7еJ!('Жки; 24 -· 11одвссноЕ ООл;; 26 - зацю!Я те.;еж:кз; 26 - всоо11оr. Тмькый чульт; 27- ручиай тормuз; 28 -1ш1.орифер; 29 - шкьф дпя овежды; 3f) - двухмаtш1иныii arperэr; 31 -мапный резерl'!уар (4Х2$0 11;; 32 -бок\lше жапЮJК uпн.;:ты кмо.1нм1<11а111,1; 3J -- KQ11tlfp1xa:op; 34 ·-П1дрuмеха1111чккпА редуктnр; 3$ - эаnаены резериуар (78 д}; 36 -nуяьт уnравлеиия 1емовооом:; ЗТ - рад.11<н:та н111я
Рис.П3. Общий вид тепловоза ТЭП70: