Расчёт и построение тяговой и экономической характеристик тепловоза

FB = 3,14 * 1,62/4 = 2 м2

Следовательно:

Q1 =20/(2 * 108,9) = 0,092

Q2 =20/(2 * 96,3) = 0,104

Q3 =20/(2 * 83,7) = 0,119

Q4 =20/(2 * 71,2) = 0,140

Значения диаметра вентилятора и частоты вращения взяты из характеристик главного вентилятора тепловоза-прототипа.

По найденным значениям `Нi  и `Qi на аэродинамических характеристиках строится характеристика сети (приложение 1) и находятся точки пересечения ее с кривыми Н = f(`Q): точки 1, 2. 3, 4. Найденные точки пересечения переносятся на кривые hB= f(`Q), построенные для различных углов установки лопастей (точки 11, 21 , 31 , 41). По максимальной ординате определяется угол установки лопастей, при котором вентилятор будет работать с максимальным  КПД. Таким образом угол установки лопастей 25°, КПД = 0,62.

  Рисунок 4.  Аэродинамические характеристикивентилятора УК-2М тепловоза-образцаТЭМ7

После этого определяются параметры вентиляторного колеса: диаметр DB, м, максимальная частота вращения, nB , 1/c, и затраты мощности на его привод, NB, кВт. Для этого сначала определяют значения `Н и `Q, соответствующие максимальному КПД, для чего точка, на кривой hB= f(`Q), по которой был определен оптимальный угол установки лопастей, переносится на зависимость Н = f(`Q),a с нее – на ординату и абсциссу. Затем по нижеприведенным формулам определяются значения измерителя напора КН , Н/м2и  измерителя производительности КQ, м3/с:

 

КН = Н /`Н25°(37)

КН =716,8/0,101 = 7097 Н/м2

 

КQ = QB /`Q25°(38)

КQ = 20/0,123 = 161 м3/с

 

После этого рассчитываются nB, 1/c; DB, м; N, кВт,

nB = ,                                     (39)

= 17,4 об/с = 1044 об/мин

DB = ,                                          (40)

= 1,6 м

NB = ,                                              (41)                              

 

где – КПД вентилятора при оптимальном угле установки лопастей.

NB = (20 * 716,8)/1000 * 0,62 = 23 кВт

4  РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ ТЯГОВОЙ  И ЭКОНОМИЧЕСКИХХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛОВОЗА

 

Перед началом расчета необходимо привести основные характеристики, выбранных ранее, тяговых электрических машин.

Таблица 3

Основные характеристики тяговых электрических машин

 

Электрическая машина	Тип машины	Р,     кВт	UДЛ, В	IДЛ, А	nMAX, oб/ мин	h,%
Тяговый генератор	ГС-515У2	1400	175	2500	1000	95,8
Тяговый электродвигатель	ЭДТ 120А	135	208	790	2320	83

 

 

4.1  Расчет касательной мощности тепловоза и передаточного числа тягового редуктора

     По исходным  данным к курсовому проекту (Neи VPAC) определяют касательную мощность тепловоза, кВт,

NK = NehПЕРb,                                               (42)

где hПЕР – кпд тяговой передачи;

hПЕР = hТГhТЭДhЗПhВУ,                                                                 (43)

где  hЗП = 0,98 –  кпд зубчатой передачи;  b = 0.85; кпд выпрямительной установки hВУ = 0,98

 

 

 

 

hПЕР = 0,958 * 0,83 * 0,98 * 0,98 = 0,76

NK = = 1470 * 0,76 * 0,85 = 950 кВт

Затем определяется передаточное число  тягового редуктора,i:

i = FДЛDK / 2 MДЛ,(44)

где FДЛ – длительная сила тяги КМБ, кН; MДЛ – крутящий момент на валу ТЭД, кН*м,

FДЛ = 3,6 Р / VP ,                                            (45)

МДЛ = 9,5 Р / nДЛ                                                                     (46)

где Р – мощность одного ТЭД, кВт; VР – расчетная скорость тепловоза, км/ ч; nДЛ – длительная частота вращения якоря ТЭД, об/мин,

nДЛ = nMAXVР / VКОН,  (47)

где nMAX – максимальная частота вращения якоря ТЭД. об/мин; VКОН – конструкционная скорость тепловоза км/ч.

nДЛ = 2320 * 10/95 = 244 об/мин

МДЛ = 9,5 * 135/244 = 5,25 кН *м

FДЛ = 3,6 * 135/10 = 48,6 кН

i = (48,6 * 1,05)/(2 * 5,25) = 4,86

 

4.2  Расчет электротяговых характеристик колесно-моторного                         блока

Для построения тяговой характеристики тепловоза необходимо рассчитать и построить электротяговые  характеристики колесно-моторного блока (КМБ), которые имеют вид: FD = (I) и V = f(I), т. е. зависимости силы тяги КМБ  и скорости его движения от тока. Последние рассчитываются по электромеханическим характеристикам ТЭД: МD = F(I) и nD = f(I). Задаваясь значениями тока Ii,по зависимости момента от тока определяются значения Мi, а по зависимости частоты вращения от тока – значения ni. Далее по нижеприведенным формулам они пересчитываются в значения FDi ,kH, и  Vi, км/ч:

FD= (2 iMDhЗП) / DK, (48)

V = (60 pDKnD)  / 1000 i ,                                 (49)

 

где FD – сила тяги КМБ; V – скорость движения тепловоза.

Учитывая наличие трех кривых, рассчитывают значения FDi и VDi для полного поля (ПП) и ослабленных полей (ОП1 и ОП2). Для грузовых и маневровых тепловозов ослабление полей берется в пределах: a1 = 1, a2 = 0,6,  a3 = 0,38. Выполненные расчеты сводятся в табл. 4 и по ним строятся электротяговые характеристики КМБ.                 

Рис. 5. Электромеханические характеристики ТЭД  ЭДТ 120А мощностью 135 кВт

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 4

Расчет параметров электротяговых характеристик КМБ

Режим работы ТЭД
ПП (a1 = 1)					ОП1 (a2 = 0,6)				ОП2 (a3 = 0,38)
ID, A	MD, кНм	nD, об/мин	FD,кН	V, км/ч	MD, кН м	nD, об/мин	FD, кН	V, км/ч	MD, кНм	nD, об/мин	FD,кН	V, км/ч
300	1,35	575	12,2	23,4	0,75	920	6,8	37,5	0,2	1800	1,8	73,3
400	2	503	18,1	20,5	1,25	700	11,3	28,5	0,75	1200	6,8	48,8
500	2,6	417	23,6	17	1,8	575	16,3	23,4	1,25	920	11,3	37,4
600	3,45	345	31,3	14	2,5	460	22,7	18,7	1,75	736	15,9	30
700	4	235	36,3	9,5	3	368	27,2	15	2,3	575	20,9	23,4
800	4,85	138	44	5,6	3,7	276	33,6	11,2	2,9	392	26,3	16
900	5,5	105	49,9	4,3	4,3	220	39	9	3,4	276	30,8	11,2

 

 

Рис. 6. Электротяговые характеристики КМБ тепловоза ТЭМ7

 

4.3  Расчет и построение тяговой характеристики тепловоза

Расчет тяговой характеристики производится на основе построенных электротяговых характеристик КМБ. Для этого, задаваясь значениями тока ТЭД Ii, по данным характеристикам определяют величины FDi и Vi для полного поля возбуждения ТЭД и ослабленных полей. Далее рассчитывают силу тяги тепловоза  FKi,  кН, и строят тяговую характеристику

 

FКi = FDim,(50)

 

где m – число ТЭД на одной секции тепловоза.

 

 

 

Таблица 5

Расчет параметров тяговой характеристики тепловозаТЭМ7

Режим работы ТЭД
ПП (a1 = 1)				ОП1 (a2 = 0,6)			ОП2 (a3 = 0,38)
I, A	FD, кН	V, км/ч	FК, кН	FD, кН	V, км/ч	FК, кН	FD, кН	V, км/ч	FК, кН
300	12,2	23,4	97,6	6,8	37,5	54,4	1,8	73,3	14,4
400	18,1	20,5	144,8	11,3	28,5	90,4	6,8	48,8	54,4
500	23,6	17	188,8	16,3	23,4	130,4	11,3	37,4	90,4
600	31,3	14	250,4	22,7	18,7	181,6	15,9	30	127,2
700	36,3	9,5	290,4	27,2	15	217,6	20,9	23,4	167,2
800	44	5,6	352	33,6	11,2	268,8	26,3	16	210,4
900	49,9	4,3	399,2	39	9	312	30,8	11,2	246,4

 

 

 

На построенную тяговую характеристику наносятся точки перехода работы ТЭД. Для этого необходимо определить скорости переключения работы ТЭД с ПП на ОП1 и на ОП2, используя соотношение

VПРПП-ОП1 = (VОБРПП-ОП2 * iОБР)/ i,                               (51)               

где VОБРПП-ОП1 – скорость перехода тепловоза-образца с ПП на ОП1;           iОБР – передаточное отношение тягового редуктора тепловоза-образца. Обратный переход (ОП2 – ОП1 и ОП1 – ПП) производится при скорости движения на 10 км/ч меньшей, чем прямой переход. Для грузовых тепловозов  величина ослабления  поля на первой ступени составляет 60 %, на второй ступени – 38 %.

Таблица 6

 

Скорости перехода работы ТЭД тепловоза ТЭМ7

Серия тепловоза	Передаточное отношение, i	VОБРПП-ОП1, км/ч	VОБРОП1-ОП2, км/ч
ТЭМ7	4.41	25	45

 

 

VПРПП-ОП1 = (25 * 4,41)/4,86 = 22,7 км/ч

VПРОП1-ПП = 12,7 км/ч

VПРОП1-ОП2 = (45 * 4,41)/4,86= 40,8 км/ч

VПРОП2-ОП1 = 30,8 км/ч

Тяговая характеристика должна иметь вид близкий к равнобокой гиперболе, что свидетельствует о постоянстве касательной мощности и  полном использовании эффективной мощности ДВС на всем диапазоне скорости движении от  V = VРАС до  V  = VКОН.

На тяговую характеристику наносятся ограничения по длительному току и по сцеплению колес с рельсами. Ограничение по длительному току IДЛ позволяет уточнить значение расчетной скорости. Чтобы нанести ограничение по IДЛ поступают следующим образом:  для значения IДЛ по электротяговым характеристикам КМБ определяют величину FD для одного ТЭД при полном поле их возбуждения. Тогда длительная сила тяги тепловоза определяется как:

 

FKT=FDm.                                                   (52)

FD = (2 * 4,86 * 4,8 * 0,98)/1,05 = 43,5 кН

FKT= 43,5 *8 = 348 кН

 

Полученное значение FKTоткладывают на тяговой характеристике по оси F и проводят линию, параллельную оси V.

Для наложения на тяговую характеристику ограничения по  сцеплению колес с рельсами необходимо воспользоваться основным законом локомотивной тяги:

FK£FСЦ,(53)

 

где FСЦ – сила сцепления колес с рельсами, кН.

 

FСЦ = yК РСЦ,(54)

 

где yК – расчетный коэффициент сцепления:

 

yК = 0,118 + 5/ (27,5 + V),(55)

 

РСЦ – сцепной вес тепловоза, кН.

 

  РСЦ = 2П m,                                                   (56)

РСЦ = 220 * 8 = 1760 кН

где 2П – нагрузка от колеса на рельс.