Расчет тяговых характеристик тепловозов с электрической передачей и электровозов

I_дн=Р_дн/(U_дн^.?_дн)^.10³, А, (5.3)

где U_дн, Р_дн, ?_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

Ф_дн=0,96^.U_дн/(C_е^.n_дн), Вб, (5.4)

где n_дн - 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 Ф_д от тока возбуждения I_в и тока якоря I_д. Их обычно представляют в виде графиков Ф_д=f(I_в), построенных для различных величин тока якоря I_д, и называют нагрузочными характеристиками.

Для локомотивных ТЭД с последовательным возбуждением семейство нагрузочных характеристик Ф_д=f(I_в,I_д) можно заменить одной кривой Ф_д=f(I_в), считая I_д=I_в [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 Ф_д от тока возбуждения I_в, выраженные относительно значений Ф_дн и I_вн на номинальном режиме работы ТЭД (табл. 5.1). Определение искомой зависимости Ф_д=f(I_в) (в абсолютных величинах) осуществляют по точкам безразмерной характеристики путем пересчета по формулам

Ф_д=(Ф_д/Ф_дн)^.Ф_дн, Вб; (5.5)

I_в=(I_в/I_вн)^.I_вн, А, (5.6)

считая, что I_вн=I_дн.

Полученные координаты точек универсальной магнитной характеристики ТЭД необходимо занести в таблицу 5.2 и далее построить график Ф_д=f(I_в) 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 Ф_д от тока якоря I_д ТЭД при разных ступенях ослабления возбуждения.

При выполнении данного этапа следует заполнить таблицу 5.3. Значения I_д целесообразно задать по точкам универсальной магнитной характеристики в диапазоне (0,251,50)^.I_дн для электровозов и (0,501,50)^.I_дн для тепловозов. Величины тока возбуждения I_в, соответствующие каждому значению тока I_д, составляют

I_в=?^.I_д, 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 Ф_д для каждого сочетания величин тока якоря I_д и коэффициента ? можно приближенно определить по построенному ранее графику универсальной магнитной характеристики ТЭД Ф_д=f(I_в) (рис. 1).

Полученные точки с координатами (I_д,Ф_д) необходимо нанести на миллиметровую бумагу и построить кривые намагничивания двигателя Ф_д=f(I_д) 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

5.3.Расчет и построение внешней характеристики тягового генератора тепловоза

Для расчета электромеханических характеристик ТЭД, работающего на тепловозе, дополнительно необходимо построить внешнюю характеристику тягового генератора U_г=f(I_г). Взаимосвязь токов и напряжений ТЭД и ТГ в данной курсовой работе можно считать следующей:

U_г=U_д; (5.8)

I_г=m^.I_д, (5.9)

где m - количество тяговых двигателей на тепловозе, равное числу его движущих осей n_ос (см. исходные данные).

Порядок построения внешней характеристики ТГ

а) рассчитать мощность ТГ в продолжительном (номинальном) режиме

Р_гн = m^.Р_дн^.10³ = U_гн^.I_гн, Вт, (5.10)

где U_гн, I_гн - напряжение и ток ТГ на номинальном режиме;

б) определить максимальное напряжение ТГ

U_гmax=U_гн^.k_г, В (5.11)

и соответствующий ему минимальный ток ТГ

I_гmin=P_гн/U_гmax, А, (5.12)

где k_г - коэффициент регулирования напряжения ТГ.

Значение k_г выбирают из диапазона 1,41,8 так, чтобы величина напряжения U_гmax не превышала 800 В;

в) определить максимальную силу тока ТГ

I_гmax=(1,251,45)^.I_гн, А (5.13)

и соответствующее ей минимальное напряжение ТГ

U_гmin=P_гн/I_гmax, В; (5.14)

г) рассчитать гиперболический участок внешней характеристики ТГ.

Для этого необходимо выбрать 5-7 значений тока ТГ в диапазоне I_гmin ? I_г ? I_гmax и определить соответствующие им величины напряжения ТГ как U_г=P_гн/I_г, 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 (I_гmin, U_гmax) и (I_гmax, U_гmin).

д) построить координатную сетку с осями I, U и в ней нанести точки с координатами (I_гmin,U_гmax), (I_гн,U_гн) и (I_гmax,U_гmin).

Через точку с координатами (I_гmin,U_гmax) провести горизонтальную линию, соответствующую ограничению по напряжению ТГ.

Через точку с координатами (I_гmax,U_гmin) 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 (I_гн,U_гн) (рис. 3).

8) Построенные внешняя характеристика ТГ U_г=f(I_г) и кривые намагничивания ТЭД Ф_д=f(I_д) 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 n_д=f(I_д) (рис.4) и моментной M_д=f(I_д) (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 F_кд=f(I_д) и V=f(I_д) отражают изменение механических параметров на ободе колеса. Поэтому они также называются электромеханическими характеристиками ТЭД, отнесенными к ободу колеса локомотива.

Зависимость силы тяги F_кд на ободе колеса, развиваемой двигателем, от тока якоря I_д можно рассчитать по известной моментной характеристике M_д=f(I_д) и параметрам колесно-моторного блока. При этом взаимная связь величин F_кд и М_д определяется соотношением

F_кд=2^.М_д^.?^.?_з/D_к, Н, (5.15)

где D_к - 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 D_к принимаются в соответствии с заданием к курсовой работе.

Скоростная характеристика V=f(I_д), отнесенная к ободу колеса, рассчитывается по электромеханической характеристике n_д=f(I_д) ТЭД с учетом того, что скорость движения локомотива принято выражать в км/ч:

V=0,188^.n_д^.D_к/?, 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

F_ксц= ?_к^.P_сц, 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 F_ксц 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 F_к от скорости движения V при установившихся режимах на разных позициях регулирования (позициях контроллера машиниста).

Токовая характеристика представляет графическую зависимость тока электровоза I_э или тока тягового генератора (ТГ) тепловоза I_г от скорости V при установившихся режимах на разных позициях контроллера машиниста.

На стадии проектирования локомотивов указанные зависимости F_к=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 I_г - по формуле (5.9);

б) определить значения касательной силы тяги локомотива F_к по величинам силы тяги ТЭД F_кд

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 ?=1,00	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 ?1=0,54	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 ?2=0,3	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,I_г построить линии ограничений максимального I_гmax и минимального I_гmin тока ТГ.

2) Рассчитать значения силы тока ТГ, соответствующие автоматическим переходам ТЭД с одного режима возбуждения на другой :

- ток переходов ППОП₁ I_ГП-1(I_гmin+I_гн+160)/2, A; (5.23)

- ток переходов ОП₁ОП₂ I_Г1-2(I_гmin+I_гн-20)/2, A. (5.24)

Используя значения I_ГП-1 и I_Г1-2, построить горизонтальные линии переходов ППОП₁ и ОП₁ОП₂.

3) По данным таблицы 5.7 построить график I_г=f(V) (рис.6) и определить скорости тепловоза V_п-1 и V_1-2, соответствующие переходам ППОП₁ и ОП₁ОП₂.

4) Используя данные таблицы 5.7 и токовую характеристику I_г=f(V),

построить тяговую характеристику тепловоза F_k=f(V); показать ограничения силы тяги по максимальному току ТГ F_kдоп и по сцеплению (таблица 5.6), а также ограничение конструкционной скорости тепловоза V_к.

5) По графику I_г=f(V) определить скорость продолжительного режима тепловоза V_дл, соответствующую номинальной силе тока ТГ I_гн, а по значению V_дл- 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 F_кр и расчетной скорости V_р. 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 F_кдл превышает силу тяги по сцеплению F_ксц при скорости V_дл, то значение расчетной силы тяги F_кр и расчетной скорости V_р принимают по точке "порога" тяговой характеристики.

Помимо расчетной силы тяги, другим важным параметром локомотива является сила тяги при трогании с места F_ктр. 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.