Определение основных характеристик проектируемого локомотива

Расчетную касательную мощность (в кВт) локомотива, реализуемую на ободе его колес при условии установившегося движения, находят из выражения

(1)

где - касательная сила тяги на расчетном режиме, равная сопротивлению движения поезда заданной массы, кН;

- расчетная скорость движения, км/ч.

Исследования по установлению масс грузовых и пассажирских поездов показывают, что экономически целесообразная масса поезда соответствует полному использованию длины станционных путей и их несущей способности. При современных нормах на эти показатели пути и с учетом технической оснащенности и провозной способности железных дорог наибольшая масса пассажирского поезда составляет не более 1200 т, грузового 6000 т (таблица 4.1). При массе поезда = 8000 т наивыгоднейшая расчетная скорость для тепловозов равна 27 км/ч, газотурбовозов 30—40 и электровозов 40—60 км/ч.

Наибольшую касательную мощность маневрового тепловоза, реализуемую при разгоне грузового поезда массой до скорости , находят из уравнения

(2)

где - удельное сопротивление, = 30 Н/т; — среднее ускоряющее усилие, = (50—80) Н/т; — удельное сопротивление от подъема, = (0—20) Н/т; - средняя скорость при разгоне, = (7—8,5) км/ч

Таблица 4.1.

Рекомендуемые массы поездов и расчетные скорости движения

Вид тяги	Масса поезда , т (не более)	Скорость, км/ч
расчетная	Максимальная
Тепловозная:
на однопутных участках с малым грузооборотом		23-30	85-100
на участках с наибольшим грузооборотом		28-30
в пассажирском движении	800-1200	70-100	140-200
Газотурбовозная в грузовом движении		30-40
Электрическая:
на постоянном токе в грузовом движении
на переменном токе в грузовом движении			110-120
на переменном токе в пассажир- ском движении	800-1000	80-100	160-200

Эффективную мощность (в кВт) – основной энергетический параметр автономного локомотива (тепловоза, газотурбовоза, паровоза), равный мощности его силовой установки, определяют по выражению

, (3)

где - КПД передачи, = 0,77 для гидропередач, = 0,8 для электрических передач; - коэффициент свободной мощности.

Коэффициент учитывает на локомотивах расход энергии на привод вентилятора холодильной установки, вспомогательных машин (компрессора, вспомогательного генератора и др.) и аппаратов. Для тепловозов коэффициент = 0,90 ÷ 0,92. У газотурбовозов отсутствует мощная холодильная установка, поэтому значение = 0 97. для газотурбовозов, оборудованных дизелем для вспомогательных нужд, = 1.

Мощность электровозов определяют как суммарную мощность на валах тяговых электродвигателей при их работе в часовом и длительном режимах движения. Мощность наряду с другими параметрами используют для выбора энергетической установки проектируемого локомотива. В том случае, когда эффективная мощность установлена техническим заданием или принята по мощности энергетической установки, следует определить массу поезда, при которой локомотив может двигаться со скоростями, рекомендованными МТК РК.

Сцепной вес является суммарной нагрузкой на движущие колесные пары локомотива и характеризует его способность развивать необходимую силу тяги без проскальзывания колес по рельсам.

Сцепной вес (в кН) для грузового локомотива вычисляют при условии его движения по расчетному подъему с установившейся скоростью без боксования из соотношения

, (4)

где - коэффициент сцепления при скорости , - коэффициент использования сцепного веса; для локомотивов с групповым приводом = 1, с индивидуальным = 0,85÷0,92.

Для получения значений коэффициента , близких к единице, рекомендуют использовать поводковые буксы, рядное расположение тяговых двигателей, низкое размещение шкворня, наклонные поводки тягового устройства, мономоторный привод, догружатели - устройства, ликвидирующие разгрузку колесных пар тележки.

Сцепной вес пассажирского локомотива из условия обеспечения заданного ускорения при разгоне поезда определяют по формуле

, (5)

где - полное удельное сопротивление движению поезда в момент трогания с условной скоростью 5—8 км/ч на уклоне i (‰), Н/т;

- удельное сопротивление от ускоряющего усилия, Н/т; ( - ускорение поезда после трогания с места в зависимости от категории, поезда, равное 1200-1800 км/ч²);

— ускорение поезда, км/м², при действии удельной ускоряющей силы 1 Н/т.

Для расчета можно принять = 80 Н/т. Значения для грузовых и пассажирских поездов равны 12,2 км/ч², электропоездов 12 км/ч², дизель-поездов 11,8 км/ч².

Выбрав значение , проверяют возможность реализации при этом заданного ускорения разгона по уравнению (5) при = 0 с более высокими скоростями движения. Если принятое значение не выдерживается на участке, равном половине пути разгона, то вес увеличивают.

Сцепной вес маневрового локомотива (тепловоза) зависит от характера и условий его работы: сортировочных маневров на горке, вывозных операций на магистральных дорогах и т. д. При горочной работе потребный сцепной вес определяют при трогании поезда с места после остановки у горба горки из соотношения

, (6)

где - удельное сопротивление движению, равное для грузовых поездов 70 Н/т; - среднее сопротивление при подъеме по надвижной части горки, Н/т.

Сопротивление , для всех видов подвижного состава численно
равно 10-кратной величине подъема, которую находят из выражения

, (7)

где - подъемы участков надвижной части горки, ‰;

- длины участков надвижной части горки, м;

- длина поезда, м.

В условиях вывозной работы требуемый сцепной вес локомотива находят из уравнения (4) при расчетной скорости = 10÷16 км/ч.

Служебную массу определяют количеством материалов, вложенных в конструкцию машины. У тележечных локомотивов, которых все колесные пары движущие, служебная масса (в т) равна 0,1 . У маневровых локомотивов обычно служебной массы недостаточно для получения расчетного сцепного веса. В этом случае в экипажной части предусматривают дополнительную массу (балласт). Магистральные пассажирские локомотивы, особенно скоростные, имеют служебную массу, которая обеспечивает действительный сцепной вес, превосходящий расчетный. У таких локомотивов можно снизить служебную массу путем уменьшения расхода материалов при их изготовлении. Служебную массу для построенных локомотивов определяют на специальных весах для взвешивания локомотивов. В начальной стадии проектирования служебную массу можно подсчитать по формуле

, (8)

где - удельный показатель служебной массы, рекомендуемый для перспективных локомотивов, кг/кВт.

Для электровозов в показатель вводится мощность часового Режима , кВт. В таблице 4.2 приведены значения удельного показателя служебной массы для современных локомотивов.

Таблица 4.2

Удельные показатели служебной массы

Тепловозы	ТЭП70	ТЭ121	ТЭМ7	ТЭМ2
Электровозы	ВЛ60	ВЛ60р	ВЛ80	ЧС4
	33,4	29,7	29,3	26,3

Число колесных пар зависит от массы локомотива и нагрузки от колесной пары на рельсы. Если в расчете использовать служебную массу, то будет определено полное число колесных пар, если сцепной вес — число движущих колесных пар. Для одной секции локомотива число может быть равно 2, 3, 4, 6 и 8. Если больше, то локомотив формируют из двух секций.

Наметив для проектируемого локомотива число колесных пар, необходимо проверить статическую нагрузку на рельсы по выражению

, (9)

где - допускаемая статическая нагрузка от колесной пары на рельсы, кН.
Допускаемая нагрузка зависит от конструкции и состояния верхнего строения пути и устанавливается техническими требованиями МТК РК. На дорогах с рельсами Р50 и Р65, уложенными на деревянных шпалах и щебеночном балласте, допускаются следующие значения = 226 кН для грузовых локомотивов, = 206 кН - для пассажирских. На реконструированных участках допускаемая нагрузка от колесной пары на рельс равна 246 кН .

Диаметр движущих колес локомотивов зависит от многих факторов, из которых надежность и минимальная неподрессоренная масса являются основными.

В настоящее время на тяговом подвижном составе железных дорог СНГ применяют три типоразмера колес: диаметром 1050 и 1220 мм для тепловозов, 950 мм для дизель-поездов и части электропоездов и 1220 и 1250 мм для электровозов. Для унификации ходовых частей экипажей тепловозов и электровозов рекомендуется использовать колеса диаметром 1220 и 1250 мм, что снизит эксплуатационные и ремонтные расходы, увеличит пробег между обточками бандажей, понизит контактные напряжения в рельсах и т. д. Однако при применении колес с большим диаметром возрастает масса колесной пары и увеличивается эксцентриситет главной рамы относительно автосцепки. Требуемый диаметр колеса (мм) подсчитывают по формуле

, (10)

где — допустимая нагрузка на 1 мм диаметра колеса, равная от 0,2—0,22 до 0,27 кН/мм.

При выборе диаметра колес следует руководствоваться стандартными размерами бандажей для подвижного состава широкой колеи на колесные пары для тепловозов и электровозов. Бандажи толщиной 75 мм устанавливают на колеса с осевой нагрузкой до 206 кН, толщиной 90 мм — на колеса с осевой нагрузкой более 206 кН.

Длину локомотива по осям автосцепок устанавливают в процессе компоновки оборудования. На начальной стадии проектирования длина, мм,

(11)

для локомотивов мощностью 1470-2300 кВт;

(12)

для локомотивов мощностью свыше 2900 кВт;

В общем случае ориентировочно

(13)

где - рекомендуемая длина, приходящаяся на единицу
кости, мм/кВт.

Максимальная длина локомотива ограничивается техническими требованиями на ремонтные стойла депо, минимальная - прочностью путевых сооружений. Для проверки используют уравнение

, (14)

где - допускаемая нагрузка на единицу длины пути, равная 73,5 кН/м для эксплуатируемых и 88,5 кН/м для проектируемых локомотивов.

База локомотива - это расстояние между шкворнями или геометрическими центрами тележек одной секции. Она определяется условия компоновки экипажной части «по низу» и надежность сцепляемости автосцепки локомотива и вагона. предварительно база локомотива

, (15)

где е - числовой коэффициент, равный 0,5-0,54 для экипажной части с длиной до 20 м и 0,55-0,6 длиной свыше 20 м.

База тележки зависит от размеров тягового привода, тяговых электродвигателей и других элементов, размещаемых на тележках. Расстояние между смежными колесными парами у современных тележек локомотивов равно 1,85-2,3 м. Меньшие значения относятся к тележкам с групповыми приводами, большие – с индивидуальными приводами. Исходя из этого, можно выбрать базу тележки до разработки конструкции экипажа: в пределах 3,7-4,6 м для трехосных тележек и 5,5 -7 м для четырехосных тележек с индивидуальным приводом. Для исключения больших ошибок при оценке линейных размеров , и их следует сравнить с аналогичными показателями современных локомотивов (таблица 4.3).

В процессе проектирования основные параметры локомотивов могут уточняться с учетом требований перспективного развития и возможностей их осуществления (таблицы 4.4и 4.5).

Таблица 4.3

Основные показатели линейных размеров локомотивов

Показатель	2ТЭ10В	ТЭП70	ТЭМ2	ВЛ60
Длина:
, мм/кВт	8,7	7,0	19,2	4,5
, мм/т			141,5
Отношение	0,54	0,55	0,505	0,56
Расстояние от шкворня до головки автосцепки
База тележки , мм

Таблица 4.4. Рекомендуемые параметры тепловозов

Тепловозы мощностью , кВт	Сцепной вес, кН	Сила тяги при , кН	Скорость , км/ч	Нагрузка , кН	Число движущих осей
Грузовые:
2х2210	2х1355	2х260			1х6
2х2945	2х1355	2х300			2х6
2х4420	2х1960	2х480			2х8
Пассажирские:
Маневровые:
		157-143	9-9,5	177-167
			11,0
			10,5

Таблица 4.5. Рекомендуемые параметры электровозов

Наименование	Переменного тока	Постоянного тока
грузовой	пассажирский
Мощность на валу тягового двигателя в часовом режиме, кВт	850-900	850-900	650-750
Скорость в часовом режиме, км/ч	50-60	80-100	47-50
Сила тяги в часовом режиме, приходящаяся на ось, кН	54-60	32-37	50-55
Максимальная скорость, км/ч	110-120	160-180	110-120
Нагрузка от колесной пары на рельс, кН		197-206

Задание № 4.

Определить основные характеристики проектируемого локомотива согласно варианту:

1. Определить сцепной вес и служебную массу локомотива

2. Определить число осей и диаметр колес локомотива

3. Определить геометрические размеры локомотива

4. Построить тяговую характеристику локомотива

Таблица 4.6. Исходные данные для расчета