Выбор оборудования системы передачи мощности

Итак, мощность от первичного источника к колесной паре тепловоза последовательно передается по цепи дизель, тяговый генератор, выпрямитель, инвертор, тяговый двигатель, тяговая передача. Поэтому, выбор оборудования системы передачи мощности сводится к выбору перечисленных узлов исходя из величины необходимой для тяги касательной мощности тепловоза.

Касательная мощность локомотива определяется по формуле

;

где F_k – касательная сила тяги; V_р – скорость локомотива.

Для грузового локомотива касательная мощность рассчитывается исходя из продолжительного режима работы тяговых двигателей на расчетном подъеме при заданной массе состава.

Расчетная скорость грузового локомотива определяется из соотношения

;

где V_констр − конструкционная скорость локомотива, км/ч.

Касательная мощность пассажирского локомотива определяется исходя из возможности обеспечения движения поезда заданной массы по горизонтальному участку пути с конструкционной скоростью.

Касательная сила тяги грузовых и пассажирских локомотивов определяется согласно методике приведенной в п. 3.1.

Для дизель-поездов касательную мощность оценивают из касательной силы тяги, необходимой при трогании поезда с места с заданным ускорением движения, т.е.

;

где m_n − масса дизель-поезда, т; − удельное сопротивление при трогании дизель-поезда, кН/м; q₀ − нагрузка на ось дизель-поезда, кН; i − уклон остановочной площадки, ‰; a − допустимое ускорение дизель-поезда, м/с².

Для современных дизель-поездов рекомендуемое ускорение составляет 0,6÷0,8 м/с², максимально допустимый уклон остановочной площадки – 2‰.

2.4.1. Выбор дизеля

Дизель выбирается из унифицированного мощностного ряда одного из производителей (табл. 2.1), в соответствии со значением эффективной мощности

;

где N_k − касательная мощность локомотива, кВт; m_Д − количество дизелей локомотива; h_п=h_г×h_в×h_инв×h_ТЭД×h_з − к.п.д. передачи мощности локомотива; h_г=0,93…0,96 – к.п.д. тягового генератора; h_в=0,99 – к.п.д. выпрямительной установки; h_инв=0,97…0,98 – к.п.д. автономного инвертора; h_ТЭД=0,92…0,94 – к.п.д. тягового двигателя; h_з=0,98…0,985 – к.п.д. зубчатой передачи; b=0,88…0,92 − коэффициент, учитывающий расход мощности локомотива ан собственные нужды.

Таблица 2.1

Тепловозные дизели унифицированных мощностных рядов различных производителей

Обозначение	Д80	Д49	CAT 3600	7FDL	7HDL	EMD645
Производитель	Завод им. Малышева	Коломен- ский завод	Caterpillar	General Electric	General Electric	General Motors
Диапазон мощностей, кВт	537-3000	1620-4770	1850-4920	1678-3356	1762-4698	1230-2908
Мощность на один цилиндр, кВт	-
Количество и расположение цилиндров	4L, 6L, 8V, 10V, 12V, 16V	8V, 12V, 16V, 20V	6L, 8L, 12V, 16V	8V, 12V, 16V	6L, 8L, 9L, 12V, 16V	8V, 12V, 16V, 20V
Диаметр цилиндра, мм						230,2
Ход поршня, мм
Частота вращения, об/мин
Удельный расход топлива, кг/кВт×ч	0,208	0,211	0,208	0,209	0,208	0,208
Обозначение	EMD710	EMDH	MTU/DDC	VP 185	PA6B	RK215
Производитель	General Motors	General Motors	MTU	Paxman	Pielstick	Ruston
Диапазон мощностей, кВт	1567-3578	3524-4698	1000-2000	2060-3090	4860-8100	1185-3160
Мощность на один цилиндр, кВт
Количество и расположение цилиндров	8V, 12V, 16V, 20V	12V, 16V	8V, 12V, 16V	16V, 18V	12V, 16V, 20V	6L, 8V, 12V, 16V
Диаметр цилиндра, мм
Ход поршня, мм
Частота вращения, об/мин
Удельный расход топлива, кг/кВт×ч	0,204	0,209	0,211	0,214	0,198	0,198

2.4.2. Выбор тягового генератора и выпрямительной установки

Необходимая электрическая мощность тягового генератора определяется величиной эффективной мощности дизеля, затрат мощности на собственные нужды локомотива и коэффициентом полезного действия тягового генератора

;

По величине N_Г используя данные табл. 2.2 и 2.3 выбирают тип тягового генератора и выпрямительной установки.

Таблица 2.2

Параметры тяговых генераторов тепловозов

Тип	Род тока, возбуждение, вентиляция	NГ, кВт	U, В	I, А	n, об/мин
ГС-501АУ	переменный, независимое, принудительная		360/580	2400/1500
ГС-501А	то же		275/535	2440/1330
ГС-501АТ	то же		345/535	1700/1100
ГС-504А	то же		385/580	2270/1500
ГС-515АУ2	то же		175/280	2500/1540

Таблица 2.3

Параметры выпрямительных установок тепловозов

Тип	Мощность, кВт	Напряжение, В	Ток, А.
УКВТ-5
УКВТ-8, пар.
УКВТ-8, посл.
УКВТ-9А
УКВТ-11
УКВТ-12

2.4.3. Выбор тягового двигателя и инвертора напряжения

Мощность тяговых электрических двигателей определяется исходя из мощности тягового генератора и количества движущих осей

.

Исходя из величины N_ТД, по табл. 2.4 и 2.5 выбирают тяговый двигатель и инвертор напряжения. В табл. 2.4 также приведены и основные параметры тяговых двигателей необходимые для расчета режимов работы передачи мощности.

Таблица 2.4

Параметры асинхронных тяговых двигателей

Тип	АД240	АД500	НБ-607
Мощность NТД, кВт
Номинальная частота вращения nn, об/мин
Максимальная частота вращения nmax, об/мин			-
Линейное напряжение Uл, В
Ток фазы Iф, А		217,6
Частота питающего напряжения fn, Гц	33,9
Частота ротора f2n, Гц	0,846	0,549	0,548
Скольжение s	0,025	0,0646	0,0122
Электромагнитный момент Мn, Нм
к.п.д.	0,93	0,9	0,939
cos j	0,98	0,987	0,835
Число пар полюсов р
Число витков фазы статора Wф
Диаметр расточки статора, Ds, мм
Расчетная длина статора, ls, мм
Число пазов статора, Ns
Ширина коронки зубца статора, bz, мм	17,4	10,4
Рабочий зазор d, мм	1,5
Количество фаз m
Активное сопротивление фазы статора Rs, Ом	0,105	0,0677	0,023
Индуктивное сопротивление фазы статора Xs, Ом	0,702	0,534	0,123
Активное приведенное сопротивление фазы ротора Rrp, Ом	0,094	0,0645	0,021
Индуктивное приведенное сопротивление фазы ротора Xrp, Ом	0,600	0,4332	0,017
Реактивное сопротивление контура намагничивания Xф, Ом	3,12	3,5	3,46

Таблица 2.5

Параметры инверторов напряжения

Тип	ASC	FR-A700	FR-V	VC700	VC900
Производитель	ABB	Mitsubishi	Mitsubishi	Siemens	Siemens
Мощность, кВт
Входное напряжение, В
Выходное напряжение, В	-		-
Выходная частота, Гц
Принцип управления	прямое управление моментом	скалярное или векторное	скалярное или векторное

РЕШЕНИЕ ТЯГОВОЙ ЗАДАЧИ

Исходные положения

Кривые движения поезда определяются из решения уравнения поезда, которое имеет вид

;

где z − коэффициент, представляющий собой ускорение поезда, когда на каждую тонну его массы действует ускоряющая сила в 1 Н; для отечественного подвижного состава среднее значение этого коэффициента составляет 12,24 км/ч²; f_Д − удельная равнодействующая сила, приложенная к поезду, Н/т.

Удельная равнодействующая сила определяется в общем виде из выражения

;

где f_k − удельная касательная сила тяги тепловоза, Н/т; f_w − общее удельное сопротивление движения поезда, Н/т; f_b − удельная тормозная сила, Н/т.

В зависимости от режима движения величина удельной равнодействующей силы определяется из следующих соотношений.

Режим тяги

.

Режим выбега

.

Режим служебного торможения

;

где b_m – удельная тормозная сила поезда, Н/т.

Режим полного служебного торможения

.

Удельная касательная сила тяги определяется по формуле

;

где F_k − касательная сила тяги тепловоза, Н; m_c, m_л − масса состава и локомотива соответственно, т.

Удельная сила сопротивления движению определяется из выражения

;

где w₀ − основное удельное сопротивление движению поезда, Н/т; i − уклон пути, ‰; g − ускорение силы тяжести, м/с²; w_r − удельное сопротивление движению состава в кривой, Н/т.

Основное сопротивление w₀ обусловлено трением в подшипниковых узлах и передачах подвижного состава.

Удельное сопротивление для различных типов подвижного состава рассчитывается по формулам, приведенным в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Удельное сопротивление различных типов подвижного состава

Тип подвижного состава, режим работы	Расчетная формула
Тепловозы и электровозы в режиме тяги	w0=18,64+0,078V+0,0024V2
Тепловозы и электровозы в режиме выбега	wx=23,54+0,088V+0,0034V2
Дизель поезда в режиме тяги	w0=10,79+0,098V+(0,001638+0,004522/m)·V2 m – общее число вагонов дизель-поезда
Дизель поезда в режиме выбега	wx=w0+wз wз – удельное сопротивление движению от трения в звеньях тяговой передачи wз=(0,47+0,14V)mM/m mM – число моторных вагонов дизель-поезда
Четырехосные грузовые вагоны	w0=6,87+(29,43+0,88V+0,0196V2)/q0 q0 – нагрузка на ось
Восьмиосные грузовые вагоны	w0=6,87+(58,9+0,255V+0,0167V2)/q0
Пассажирские вагоны	w0=6,87+(78,48+1,58V+0,00226V2)/q0

Дополнительное сопротивление складывается из двух составляющих. Первая ±ig обусловлена горизонтальной составляющей силы тяжести элементов поезда, возникающей на уклонах. Эта составляющая принимается положительной при движении поезда на подъеме и отрицательной − на спуске. Вторая составляющая дополнительного сопротивления w_r возникает от трения гребней колес о рельсы, имеющего место при прохождении подвижным составом кривых участков пути.

Основное удельное сопротивление движению поезда определяется по следующим формулам.

Для режима тяги

;

где − основное удельное сопротивление движению локомотива при тяге, Н/т; − основное удельное сопротивление вагонов, Н/т.

Для режима выбега

;

где − основное удельное сопротивление движению локомотива на выбеге, Н/т;

Основное удельное сопротивление движению состава определяется по формуле

;

где , − основное удельное сопротивление 4-осных и 8-осных вагонов соответственно.

В зависимости от цели торможения различают остановочное и регулировочное торможения.

Остановочное торможение осуществляется при прибытии поезда на остановочную станцию. При этом удельная тормозная сила поезда определяется по следующей формуле

;

где − скорость поезда в конце торможения, км/ч; − скорость поезда в начале торможения, км/ч; − тормозной путь, м.

По нормативам движения устанавливают следующий полный тормозной путь при остановочном торможении, табл.3.2.

Таблица 3.2

Длина тормозного пути

Тип поезда	Скорость, км/ч
до 100
Пассажирский
Грузовой			−	−

Регулировочное торможение применяется для подтормаживания поезда с целью поддержания графика движения. Удельная тормозная сила поезда определяется как

;

где − расчетный тормозной коэффициент поезда ( =0,33 для грузового поезда, =0,7 для пассажирского поезда); − расчетный коэффициент трения тормозных колодок.

;

где V − скорость движения поезда, км/ч.

Из выражений сил, приложенных к поезду, очевидно, что их равнодействующая зависит от скорости движения.

Если в числе сил, определяющих движение системы, имеются силы, зависящие от скорости, то определить ее движение с помощью методов классической механики нельзя. Такие силы появляются и изменяются в процессе движения, влияют на кинематические характеристики движения и сами не линейно зависят от них.

Расчет движения рассматривается в форме задачи Коши: найти численную зависимость v(t) за период времени от t₀ до t_n, если известна начальная скорость движения v₀ в начальный момент времени t₀, и равнодействующая сила является некоторой заданной функцией времени от скорости f_Д=j(t,v).

Такие задачи можно решить только методом численного интегрирования дифференциального уравнения движения. Для этого в тяговых расчетах чаще всего используется метод Эйлера. Суть этого метода заключается в аппроксимации интегральной кривой v(t) последовательно сопряженными касательными.

Запишем уравнение движения в виде задачи Коши

, .

Период времени [t₀,t_n] разделим на n равных частей и обозначим шаг вычислений (шаг интегрирования)

.

Считая правую часть уравнения постоянной в пределах каждого интервала шага интегрирования, производную в каждой точке кривой v(t) заменим отношением конечных разностей для каждого шага вычислений

.

Таким образом

при ,

при ,

……………………………………………………

, при .

Такая замена равносильна тому, что искомая функция на шаге [t_i,t_i+h] заменяется касательной. Так, например, для интервала [t₀,t₁] касательная , образующая с осью времени угол a, тангенс которого равен . Для следующего шага (t₂-t₁) касательная проводится к кривой v(t), но не от точки b, а от точки b', т.е. имеем касательную b'c' (рис.3.1). Ряд сопряженных касательных образует «ломаную Эйлера».

Рис. 3.1. Построение ломаной Эйлера

Для вычисления фазовых координат поезда перепишем конечные разности на отрезках, разрешенные по скорости в концах интервалов

;

;

………………………….;

.

Таким образом, по заданным значениям v₀, t₀, h и известному значению равнодействующей силы j₀(t₀,v₀) на первом шаге определяется значение v₁. Затем по полученным на предыдущем шаге v₁, t₁, h определяем v₂ и т.д. В результате этого итерационного процесса определяется скорость во всем интервале времени [t₀,t₁].

При интегрировании по скорости найдем проходимый поездом путь

;

;

……………………;

.

Расчет времени производится по формуле

.

Расчет конкретных кривых движения осуществляется с помощью программы Potyag.

Анализ профиля пути

В результате анализа должны быть выбраны расчетный и скоростной подъемы и произведено спрямление профиля пути.

Расчетным подъемом i_p называется один из наиболее крутых и затяжных подъемов на заданном участке, на котором поезд может достигнуть равномерной скорости, равной по величине расчетной скорости тепловоза.

Скоростным подъемом i_c называется один из самых крутых подъемов, преодоление которого возможно за счет использования кинетической энергии поезда.

Правилами тяговых расчетов установлены следующие обозначения элементов пути: подъемы обозначаются знаком «плюс»; спуски − знаком «минус»; горизонтальные участки − «ноль».

Уклон представляет собой крутизну элементов продольного профиля пути. Эта крутизна измеряется в тысячных долях (‰) и получается как частное от деления разности высот конечных точек элемента профиля пути на его длину:

;

где − разности высот конечных точек элемента, м; L − длина элемента, м.

Уклон выражается в виде десятичной дроби, например 0,005 или целым числом в тысячных, отнесенных к 1 км пути – 5 ‰.

Реальный профиль пути состоит из большого числа элементов, разных по крутизне и длине уклонов. Для упрощения расчетов число этих элементов стремятся сократить. Это осуществляется решением задачи спрямления профиля пути. При спрямлении профиля пути несколько рядом лежащих, близких по крутизне элементов, заменяют одним, длина которого равна сумме длин отдельных элементов.

Уклон спрямленного элемента определяется из отношений разности высот крайних точек к его длине L, то есть:

;

где − сумма длин отдельных элементов, входящих в спрямленный участок.

Если известны уклоны i_k и длины l_k отдельных участков, то спрямление производится по формуле

Проверка возможности спрямления производится исходя из условия

,

где S − длина каждого элемента спрямленного участка, м; Δ_i − абсолютная разность между уклоном спрямляемого участка и уклоном данного элемента, ‰.

Составляющая дополнительного удельного сопротивления от прохождения подвижного состава кривых участков пути w_r определяется с помощью эмпирических формул. Если длина поезда меньше длины кривой, то

.

Если же длина поезда больше, чем длина кривой, то

;

где R_k − радиус кривой, м; S_kpk − длина кривой, м; l_п − длина поезда, м.

Здесь следует учитывать что объединению не подлежат: элементы профиля разного знака; расчетный и скоростной подъемы; станционные площадки.