Проектирование маневрового односекционного тепловоза ТЭМ2

Условный центр моментов находится спереди средней оси тележки
на расстоянии 4,60 м.

Используя данные табл. 2 (Gj и lj), находят моменты Mi относительно условной оси моментов. За условную ось принимается ось передней автосцепки.

Mj=G_i-l_i,_KHM. (1)

Результаты расчетов сводим в таблицу 3.

Таблица 3

тепловоз модификация редуктор привод

Все современные тепловозы имеют индивидуальный электрический привод, т.е. на каждой колесной паре подвешивается тяговый электродвигатель (ТЭД), который через тяговый редуктор передает крутящий момент на колесную пару.

Существующие способы подвешивания ТЭД можно разбить на три группы:

- опорно-осевое;

- опорно-рамное;

- комбинированное.

При опорно-осевом подвешивании (рис. 6) тяговый двигатель 1 с одной стороны опирается на ось колесной пары 4 через моторно-осевой подшипник 6, а с другой стороны - на раму тележки через пружинный пакет 5. С помощью шестерни Z_b напрессованной на вал якоря ТЭД, и зубчатого колеса 3 на оси колесной пары, крутящий момент от электродвигателя передается на колесную пару.

Преимущество такого подвешивания - простота конструкции, обеспечивающей передачу крутящего момента. Недостаток - ухудшение динамических качеств локомотива из-за увеличения необрессоренного веса локомотива за счет примерно половины веса ТЭД, опирающегося непосредственно на ось колесной пары. Однако это ухудшение становится значительным только при скоростях более 100 км/ч. Поэтому практически на всех грузовых тепловозах применяют простое опорно-осевое подвешивание.

При опорно-рамном подвешивании (рис. 7) ТЭД1 крепится полностью на раме тележки. На ось колесной пары 3 установлен полный вал 5. Последний вращается в подшипниках 6, находящихся в корпусе ТЭД. Зубчатое колесо 4 установлено не на оси колесной пары, а на полом валу и вращает последний шестерней якоря двигателя 2. Таким образом, вместе с надрессорным строением тележки тяговый двигатель, а вместе с ним и полый вал совершает вертикальные колебания относительно колесной пары. Зазор Л между полым валом и осью колесной пары должен быть не меньше максимального динамического прогиба надрессорного строения. Следовательно, возникает проблема передачи крутящего момента от колеблющегося ТЭД и полого вала на колесную пару. Существуют разные способы решения этой проблемы, одним из которых является передача с полым валом и шарнирно-поводковой муфтой (передача фирмы «Альстом»). На рис. схематически показано, как зубчатое колесо 4 через отверстие в центре колесной пары связано с шарнирно-поводковой муфтой 7, по концам которой находятся резинометаллические упругие элементы 8. Эти упругие элементы и обеспечивают компенсацию перемещений при вертикальных колебаниях ТЭД на рессорном подвешивании.

Рис. 7. Схема опорно-рамного подвешивания ТЭД с полым валом

Преимущество такого способа подвешивания - улучшение динамических качеств локомотива, особенно при высоких скоростях движения, так как ТЭД полностью обрессорен. Недостаток - сложность передачи крутящего момента от тягового двигателя к колесным парам. Поэтому этот метод применяется только на пассажирских тепловозах.

Комбинированное подвешивание ТЭД пока применяется только на тепловозе 2ТЭ121 (рис. 8).

В этом случае тяговый двигатель 1 также полностью подвешен к раме тележки, а корпус тягового редуктора 4 с шестернями опирается через подшипники на ось колесной пары 2. Вал 7 якоря ТЭД полый, на торце вала находится зубчатая муфта 5. Крутящий момент якоря через эту зубчатую муфту и торсионный вал 3 передается на упругую муфту 6, а от нее - на ведущую шестерню и зубчатое колесо тягового редуктора и далее на ось колесной пары.

При таком подвешивании уменьшакугся динамические воздействия по сравнению с опорно-осевым подвешиванием и несколько проще механизм передачи крутящего момента по сравнению с передачей при опорно-рамном подвешивании ТЭД.

Рис. 8. Схема комбинированного подвешивания ТЭД

Как видно из рассмотренных выше схем подвешивания, во всех случаях передача крутящего момента от ТЭД к колесным парам осуществляется через одноступенчатый тяговый редуктор, важнейшим параметром которого является передаточное отношение р. (или передаточное число). Это отношение крутящего момента на колесной паре к моменту на валу якоря ТЭД при длительном режиме работы колесно

моторного блока (КМБ). Его также можно представить как отношение частоты вращения якоря ТЭД к частоте вращения колесной пары или через отношение числа зубьев зубчатого колеса Z₂, к числу зубьев шестерни якоря Z₁ т.е.

(10)

где М_к - крутящий момент на колесной паре, кНм;

М_я? - крутящий момент, создаваемый якорем ТЭД при длительном режиме, кНм

F_д? - сила тяги КМБ на длительном режиме, кН;

Д_к - диаметр колеса, м.

Значения F_д? и М_я? можно определить из выражений:

, (11)

Здесь: N_д? - мощность ТЭД при длительном режиме, кВт;

V_р - расчетная скорость, км/ч;

n_я? - частота вращения якоря длительного режима, об/мин.

Из соотношения

 получим (12)

где n_Ямах - максимально допустимая частота вращения якоря ТЭД из условия прочности.

В расчетах можно принять n_Ямах = 2200…2300 об/мин;

V_конст - конструктивная скорость, км/ч.

Используя формулы (10), (11) и (12), после преобразований получим

(13)

Это передаточное число получено из условия прочности якоря ТЭД. Однако его нужно уточнить из условия размещения ТЭД на колесной паре.

Введем понятие - длина централи «А». Это расстояние между осями тягового двигателя и колесной пары. Тогда, очевидно:

, откуда (14)

Здесь, m - модуль зубчатого зацепления тягового редуктора; можно принять m = 10.

Длина централи в ориентировочном расчете принимается А=469 мм.

Число зубьев Z₁ и Z₂ определяется при решении двух уравнений:

Полученные значения Z₁ и Z₂ округляются до ближайшего целого числа и окончательно уточняется м.

В нашем случае: V_конст = 100 км/ч; Д_к = 1,05 м; n_Ямах = 2200 об/мин.

Принимаем: m = 10, А=469 мм.

Z₁ = 17,4; Z₂ = 76,36. Принимаем Z₁ = 17 и Z₂ = 76. Тогда окончательно

.

6. Составление схемы рессорного подвешивания тележки и определение динамических параметров тепловоза

Сбалансированное рессорное подвешивание (рис. 9) состоит из упругих элементов (рессоры, пружины), соединенных между собой балансирами «Б». Последние по концам через подвески связаны с упругими элементами, а в середине опираются на буксу колесной пары.

Преимущество такого подвешивания - выравнивание вертикальных нагрузок по осям колесных пар, если они изменились на одной из осей по какой либо причине. Недостаток - большая металлоемкость и большой объем ремонта трущихся деталей (подвески, втулки, валики балансиров и подвесок).

Рис. 9. Сбалансированная схема рессорного подвешивания

В индивидуальной схеме (рис. 10) каждый буксовый узел имеет собственные упругие элементы (пружины или рессоры), не связанные между собой балансирами. Такое подвешивание проще, имеет меньший вес, меньшие затраты на ремонт (нет трущихся деталей). Но при изменении нагрузки на какую-либо ось это изменение не выравнивается за счет других осей. Следовательно, в этом случае нужно более строго подходить к развеске локомотива по осям колесных пар.

Рис. 10 Индивидуальная схема рессорного подвешивания

Третья схема (рис. 11) представляет собой также сбалансированное рессорное подвешивание в нижнем ярусе (буксовом) и с четырьмя индивидуальными пружинами боковых опор в верхнем ярусе (опирание кузова на тележку).

В этом случае при вертикальных колебаниях работают пружины (Пи П₂, П₃) и рессоры (Р) нижнего яруса и резиновые конусы (РА) в маятниковых опорах (МО). При боковой качке - рессорное подвешивание нижнего яруса и пружины боковых опор (под нагрузкой Р₂).

Нагрузка на центральные маятниковые опоры P_t и боковые опоры Р₂, как правило, равны между собой.

Такие опоры применяются на пассажирских тепловозах ТЭП60 и ТЭП70.

Рис. 11 Схема с центральными маятниковыми и боковыми пружинными опорами

Основным параметром любого упругого элемента или группы этих элементов является жесткость - отношение статической нагрузки на элемент или группу упругих элементов к их статическому прогибу, т.е.

(15)

На рессорное подвешивание тележки действует статическая нагрузка веса кузова с его оборудованием и обрессоренный вес тележки .

Ранее, при развеске локомотива, мы находили эту нагрузку на тележку от обрессоренного веса . Тогда в соответствии с формулой (15) жесткость рессорного подвешивания тележки определится из выражения

, кН/мм (16)

где f_ст - статический прогиб рессорного подвешивания, f_ст = 115 мм.

Тепловоз на рессорном подвешивании представляет собой колебательную систему с определенной частотой колебаний. Напомним, что в механике различают собственные и вынужденные колебания системы. Собственными колебаниями называются колебания системы под действием однократной внешней силы. Эти колебания постепенно затухают и тем быстрее, чем больше будет сопротивление в системе. Для увеличения сопротивления колебаниям в систему вводят гасители колебаний (гидравлические или фрикционные).

Вынужденные колебания - колебания, возникающие под действием периодически действующей силы. Для локомотива такой силой могут быть импульсы со стороны рельсового пути (например, от стыков), неровности пути.

Из теории колебаний угловая частота собственных колебаний надрессорного строения тележки при вертикальных колебаниях (подпрыгивании) определяется по формуле

, с^-1 (17)

Здесь: Жт - жесткость тележки, определяемая по формуле (16), но в размерности Н/м;

- обрессоренная масса, действующая на одну тележку.

Ориентировочно = 0,1 • • 10³, кг.

Тогда линейная частота будет равна.

, (17')

Во время работы тепловоза в процессе колебаний возникают динамические нагрузки на рессорное подвешивание и далее на колесные пары, которые оцениваются коэффициентом динамики К_д:

(18)

Статический прогиб в этой формуле f_ст - в мм.

Грузовые тепловозы имеют V_конст = 100 км/ч.

Определив коэффициент динамики, можно найти динамические нагрузки

(19)

Величина Р_дин, полученная по формуле (19), не должна превышать Р_ст более чем на 30…40%.

При вынужденных вертикальных колебаниях, возникающих от периодического воздействия стыков рельсового пути, может наступить резонанс (когда частота собственных колебаний совпадает с частотой вынужденных колебаний системы). Критическая скорость локомотива, при которой наступает это явление, определяется по формуле

V_крит=3,6L ? х, км/ч,

где L - длина рельса, м.

Локомотивы проектируются так, чтобы V_крит ? V_конст.

В нашем случае сбалансированное рессорное подвешивание и:

=0,1 • 476 • 10³ = 47,6 • 10³ кг

кН/мм = 500 • 10⁴ Н/мм

с^-1

Гц

При длине рельса L = 12,5 м

V_крит=3,6 • 12,5 • 1,67 = 75,15 км/ч,

При длине рельса L = 25 м

V_крит=3,6 • 25 • 1,67 = 150,3 км/ч.

Таким образом, наш локомотив с данной жесткостью рессорного подвешивания не может двигаться с конструктивной скоростью 100 км/ч по рельсовой колее с длиной рельса 12,5 м

7. Построение тяговой характеристики тепловоза и определение его кпд

Тяговой характеристикой тепловоза называется зависимость касательной силы тяги, создаваемой локомотивом, от скорости, т.е. F_к = f(V). Напомним, что идеальная тяговая характеристика, обеспечивающая постоянство касательной мощности во всем диапазоне скоростей, описывается выражением

N_K = = const, т.е. F_KV=const,

откуда (20)

где N_K - касательная мощность тепловоза, кВт;

F_K - касательная сила тяги, кН.

Реализуемая на ободе колес касательная мощность будет равна

N_K = N_e • з_пер ? в_всп, (21)

где N_e - эффективная мощность дизеля, кВт;

з_пер - кпд электрической передачи;

в_всп = (1 - в'_всп) - коэффициент, учитывающий потери мощности на привод вспомогательных агрегатов (определены в разд. 4.3).

Кпд электрической передачи определяется:

- для передачи постоянного тока:

з_пер = з_г • з_тэд • з_тр

Здесь: з_г, з_тэд, з_тр - кпд тягового генератора, тягового электродвигателя, тягового редуктора.

Для ориентировочных расчетов можно принимать: з_г = 0,93…0,95; з_тэд = 0,85…0,88; з_тр = 0,97.

Определив касательную мощность по формуле (21), строят тяговую характеристику по формуле (20), задаваясь различными скоростями V от 5 км/ч до конструкционной с интервалом 5… 10 км/ч. При этом принимаем, что мощность во всем диапазоне скоростей постоянна.

По результатам расчета строится зависимость F_K=f(V).

На построенную зависимость F_K=f(V) необходимо нанести ограничение по сцеплению F_KСЦ=f(V).

Согласно основному закону локомотивной тяги F_K ? F_KCЦ, сила сцепления колеса с рельсом F_KCЦ определяется по выражению

F_KCЦ = Р_сц ? ш_к (22)

колеса с

где ш_к - расчетный коэффициент сцепления колеса с рельсом, определяемый по формулам:

 (24)

Р_сц - сцепной вес локомотива, кН. Определяется по результатам расчета развески (разд. 4.2):

Р_сц = УG_i+2G_т, кН

Расчет F_KCЦ по формуле (22) производится для скоростей: 0, 5, 10, 20, 30 (до пересечения с тяговой характеристикой). Точка пересечения этих кривых соответствует скорости, при которой начинает использоваться полная мощность локомотива и выход на автоматическую тяговую характеристику (скорость порога).

Если на тяговую характеристику F_K = f(V) нанести зависимость W = f(V), т.е. полного сопротивления состава в функции от скорости, то точка пересечения этих кривых определит равномерную скорость движения поезда для того профиля пути, для которого рассчитано сопротивление состава.

Эта методика определения равномерных скоростей будет использована дальше при расчете пробега тепловоза между наборами топлива.

Основным экономическим показателем тепловоза является его кпд, который представляет собой отношение полезной работы (или мощности) к затраченному теплу, полученному в результате сгорания топлива.

(25)

Кпд тепловоза в основном зависит от кпд дизеля и затрат мощности на привод вспомогательного оборудования. Для современных тепловозов он находится в пределах

з_т = 0,28…0,32.

Для нашего тепловоза:

з_пер = 0,93 • 0,85 • 0,97=0,76;

в_всп = (1 - 0,1) = 0,9

Тогда N_K=880 • 0,76 • 0,9 = 601,92 кВт.

Задаемся различными значениями скорости V и результаты расчета сводим в табл. 5.

Таблица 5. Результаты расчёта силы тяги

На построенную по этим данным тяговую характеристику наносим ограничения по сцеплению и конструктивной скорости. Для построения ограничения по сцеплению принимаем

Р_сц = УG_i+2G_т = 760 + 463,2 = 1223,2 кН

Тогда

F_KCЦ = 1223,2 ? ш_к

Коэффициент сцепления определяем по формуле

Задаемся скоростями от 0 до 30 км/ч. Результаты сводим в табл. 6.

Таблица 6. Результаты ограничения силы тяги по сцеплению

Кпд тепловоза при В_ч = g_e • N_e = 197,2 кг/ч и =42745 кДж/кг.

8. Определение пробега тепловоза между наборами топлива

В условиях эксплуатации очень важно знать пробег тепловоза между экипировками и, в частности, между снабжением тепловоза дизельным топливом. Это позволит более рационально разместить на заданном участке пункты экипировки и технического обслуживания тепловозов и организовать их эксплуатационную работу. Пробег тепловоза между снабжением топливом в основном определяется емкостью топливных баков.

Исходную (основную) норму расхода дизельного топлива на прямом и горизонтальном пути в кг на измеритель 10⁴ ткмбр можно определить по формуле

, (26)

где Q - масса состава, т;

В_ч - часовой расход топлива, кг/ч;

V₀ - равномерная скорость движения поезда на площадке, км/ч.

Часовой расход топлива дизелем определяется по формуле

B_ч=g_e • N_e, (27)

где g_е - удельный эффективный расход топлива, кг/экВтч;

N_е - эффективная мощность дизеля, кВт.

На тяговую характеристику тепловоза необходимо нанести зависимость полного сопротивления движению поезда W₀ = f(V). Пересечение графиков этих зависимостей определяет искомую скорость V₀.

Полное сопротивлению движению поезда W₀ слагается полного сопротивления локомотива W'₀ и состава W»₀ при движении на площадке.

(28)

где w'₀ - основное удельное сопротивление движению локомотива в режиме тяги, кгс/т;

w»₀ - основное удельное средневзвешенное сопротивление движению состава, кгс/т;

Р - масса локомотива, т

Q - масса состава, т.

Удельное сопротивление движению локомотива, кгс/т.

w'₀ = 1,9 + 0,01 • V + 0,0003 • V², (29)

где V - скорость движения, км/ч.

Удельное сопротивление движению состава, кгс/т:

- для 4-осных вагонов на подшипниках скольжения

, (30)

для вагонов на подшипниках качения

, (31)

где q₀₄ - масса вагона, приходящаяся на ось, т/ось; для грузовых вагонов q₀₄ = 20…22 т/ось.

Соотношение вагонов в грузовых поездах на подшипниках качения и скольжения следует принимать соответственно 90 и 10%. Тогда основное удельное средневзвешенное сопротивление движению состава определится в виде:

(33)

Расчет полного сопротивления движению поезда W₀ следует произвести для скоростей 20, 40, 60, 80, 100 км/ч.

Результаты сводим в таблицу 7.

Действительная норма расхода дизельного топлива в кг/10⁴ ткмбр зависит от массы состава, скорости движения, профиля пути и ряда других факторов.

n = n_o • K_i • K_щ • K_з • K_ф + Дn_n + K_x • n_x +Дn_c, (34)

где K_i - коэффициент, оценивающий влияние профиля пути;

K_щ - коэффициент, оценивающий отличие сопротивления поезда для конкретного участка от сопротивления, принятого при расчете основной нормы;

K_з - коэффициент, оценивающий модернизацию тепловоза, вызывающую снижения расхода топлива;

K_ф - температурный коэффициент, оценивающий климатические условия;

Дn_n - относительный расход топлива, оценивающий затраты энергии на

торможение поезда;

К_х - коэффициент, равный отношению времени холостого хода к общему времени движения;

n_x - относительный часовой расход топлива на холостом ходу;

Дn_c - относительный расход топлива тепловозом на стоянках.

Величина коэффициента K_i зависит от трудности профиля:

K_i =l + a • i_э, (35)

где i_э - эквивалентный уклон, оценивающий трудность профиля участка, для которого определяется норма расхода топлива;

а - коэффициент, зависящий от категории поезда, скорости движения и вида тяги.

Таблица 7. Значения коэффициента «а»=f(V_э)

Скорость движения поезда на эквивалентном уклоне V_э определяется аналогично скорости V_о. Однако надо иметь в виду, что на значение полного сопротивления движению поезда будет влиять эквивалентный уклон i_э:

(36)

Удельное сопротивление от i_э принимается с учетом знака уклона (±) из расчета, что 1 ‰ уклона соответствует удельное сопротивление в 1 кгс/т. Результаты расчета W_э на эквивалентном уклоне следует свести в табл. 9. Если на эквивалентном уклоне со знаком минус эквивалентная скорость получится больше конструкционной, то в расчетах следует принимать V_э = V_констр.

Для приближенного определения пробега тепловоза между наборами топлива коэффициенты K_щ, K_з, K_ф принимаются равными 1.

Удельный расход дизельного топлива на торможение поезда для грузовых и пассажирских тепловозов является функцией скорости, массы поезда и числа торможений на участке. Для предварительных расчетов, когда конкретный участок не задан, для грузовых поездов можно принять

Дn_т = 3,5 кг/10⁴ ткмбр

Время следования тепловоза на холостом ходу зависит от профиля пути и связано с величиной эквивалентного уклона.

Зависимость коэффициента К_х как отношение времени холостого хода к общему времени движения от величины эквивалентного уклона i_э приведена в табл. 8.

Таблица 8. Значения коэффициента К_х в зависимости от i_э

Часовой расход топлива на холостом ходу gx, кг/ч, можно принять по данным ПТР [12] равным: ТЭМ2-10 кг/ч.

Относительный часовой расход топлива на холостом ходу в кг/10⁴ткмбр

, (37)

где V_э - скорость на эквивалентном уклоне, км/ч.

Относительный расход топлива на стоянках для приближенных расчетов можно принять

Дn_с ? 1,5 кг/10⁴ткмбр.

Зная действительную норму расхода топлива «n», кг/10⁴ ткмбр, определенную по формуле (34), и емкость топливных баков тепловоза-образца, можно определить возможный пробег тепловоза между снабжением топливом из выражения

, (38)

где 0,9 - коэффициент, учитывающий 10%-ный резервный запас топлива в топливных баках;

G_б - емкость топливных баков тепловоза, кг.

Пользуясь формулами (29), (30), (31), (33), определяем значения при q₀₄ = 21 т/ось.

Результаты расчетов сводим в таблицу 9.

Таблица 9. Результаты расчёта сил сопротивления движению состава

Пользуясь формулами (28) и (36), определяем значения W_о W_э. (Результаты расчетов сводим в таблицу 9

.) затем на тяговую характеристику тепловоза наносим зависимость W_о = f(V) и W_э = f(V). Точки пересечения зависимостей W_о = f(V) и W_э = f(V) с зависимостью F_K = f(V) определяют на оси скоростей соответственно значения V_о и V_э, которые равны V_о = 30 км/ч и V_э = 53 км/ч.

Эти значения V_о и V_э используются в дальнейших расчетах.

Часовой расход топлива тепловозом определяем из выражения

B_ч =g_е • N_е = 197,12 кг/ч.

Тогда исходная норма расхода топлива будет составлять

кг/10⁴ ткмбр

Величина коэффициента K_i; определяется из выражения K_i =l + a • i_э.

Из табл. 7 для V_э = 53 км/ч находим значение коэффициента «а», которое будет равно 0,465. Тогда K_i =l + 0,465 • 2,0 = 1,93.

Зная норму часового расхода топлива тепловозом на холостом ходу (для тепловоза ТЭМ2 g_x =10 кг/ч), находим относительный часовой расход топлива в кг/10⁴ ткмбр.

кг/10⁴ ткмбр.

Из табл. 8 для i_э =2,0% o находим значение коэффициента К_х, которое равно К_х = 0,085.

Тогда К_х • n_х =0,085 • 2,0 = 0,17 кг/10⁴ ткмбр.

Для грузовых поездов принимаем Дn_т = 3,5 кг/10⁴ ткмбр. Относительный расход топлива на стоянках принимаем

Дn_с ? 1,5 кг/10⁴ткмбр.

Подставляя значения рассчитанных и принятых величин в формулу (34), получим

n = 14,6 • 1,812 • 1 • 1 • 1 + 3,5 + 0,065 • 0,22 + 2 = 31,973 кг/10⁴ ткмбр.

Пробег L_т между наборами топлива тепловоза серии ТЭМ2 с составом массой Q=4100 т при емкости топливных баков G_б = 5440 кг и эквивалентном уклоне i_э = 2,0 ‰ составит

км

Литература

тепловоз модификация редуктор привод

1. Тепловоз ТЭМ2. М.: Транспорт, 1986. 214 с.

2. Локомотивы (Общий курс). Задание на курсовую работу №1 с методическими указаниями для студентов Ш курса специальности «Тепловозы и тепловозное хозяйство». М.: ВЗИИТ, 1990. 47 с.

3. Гребенюк П.Т. и др. Справочник по тяговым расчетам М: Транспорт 1987.272 с.

4. Локомотивное хозяйство / С.Я. Айзинбуд, В.А. Гудковский, П.И. Кельперис и др. М.: Транспорт, 1986. 263 с.

Размещено на Allbest.ru