7. Определение электротяговых характеристик тягового привода локомотива

V=fftD и F

Электротяговые характеристики Ркд=Д1д) и У=п1д) отражают изменение механических параметров на ободе колеса. Поэтому они также называются электромеханическими характеристиками ТЭД, отнесенными к ободу колеса локомотива.

Зависимость силы тяги Ещ на ободе колеса, развиваемой двигателем, от тока якоря 1д можно рассчитать по известной моментной характеристике Мд=/(1д) и параметрам колесно-моторного блока. При этом взаимная связь величин Ещ и Мд определяется соотношением

2-М_д-/л-Г1₃

D

(18)

к

где D_K - диаметр колеса локомотива по кругу катания, м;

// - передаточное число зубчатой передачи колесно-моторного блока;

г}з - к.п.д. зубчатой передачи, равный tj₃ = 0,975.

Значения параметров ц и D_K принимаются в соответствии с заданием к курсовой работе, следовательно D_K = 1,050 м; // = 4,41.

Скоростная характеристика У=Щ_Д), отнесенная к ободу колеса, рассчитывается по электромеханической характеристике п_л=£(1_д) ТЭД с учетом того, что скорость движения локомотива принято выражать в км/ч:

0,188 -n_fl-D_K

, км/ч

(19)

11

¹ )

.-<

Результаты расчетов заносим в таблицу 5. Полученные электромеханические характеристики ТЭД (см. рисунок 5 приложения), отнесенные к ободу колеса, необходимы для построения тяговых характеристик локомотивов.

Таблица 5. Электротяговые характеристики тягового привода, тепловоза

1д, А '		600	767,7	851,6	1019,3	:. 103,1	1186,9
ПП а=1,00	F^, кН	15,741	30,844	40,491	52,645	57,879	65,201
	V, км/ч	54,6	27,9	21,2	16,3	14,9	13,2
ОП1 а=0,6	¥^, кН	9,836	22,662	30,721	43,456	52,457	59,844
	V, км/ч	87,4	38	28	19,8	16,4	14,4
ОП2 а=0,4	F№ кН	6,396	15,733	25,135	34,259	42,506	50,598
	V, км/ч	134,5	54,6	34,2	25,1	20,2	17

8. Расчет ограничения силы тяги локомотива по сцеплению, то есть

зависимости F_KCq ⁼ f(V)

В локомотивах образование движущей силы (силы тяги) происходит вследствие взаимодействия колесных пар с рельсами за счет вращающего момента, создаваемого тяговым двигателем. К колесной паре 1 (см. рисунок 1) приложен вращающий момент М_к, который передается от двигателя 2 через зубчатый редуктор, состоящий из шес­терни 3 и зубчатого колеса 4. Шестерня 3 закреплена на валу ТЭД, а зубчатое колесо 4 - на оси колесной пары.

Вращающий момент на колесной паре равен

М_к=МдЦЛз,Нм, (20)

где М_д - момент на валу двигателя, Нм;

ju - передаточное число зубчатой передачи;

г}₃- коэффициент полезного действия зубчатой передачи.

Момент М_к обычно представляют в виде пары сил F_} и F₂ с плечом D_K/2, одна из которых (Fj) приложена к ободу колеса в точке касания с рельсом (точка А), а другая (F₂) - к оси колесной пары. Поскольку силы F] и F₂, действ}тощие на колесную пару, равны по величине и противоположно направлены, то оки уравновешивают друг друга и не вызывают поступательного движения колес. В то же время, силы F] и F₂ могут создать вращение колеса. Подтверждением этого является следующий факт: колесные пары, вывешенные на домкратах над поверхностью рельса, при включении ТЭД начинают вращаться, однако движение локомотива отсутствует.

Очевидно, что поступательное движение колесной пары будет возможно в том случае, если скомпенсировать действие силы F_} какой-либо дополнительной силой и нарушить тем самым баланс сил F/ и F₂. Подобная ситуация возникает, когда колесная пара контактирует с рельсом и прижата к нему силой тяжести G_T.

12

Рисунок 1 - Образование силы тяги

1 - колесная пара; 2- тяговый электродвигатель; 3- шестерня;4- большое зубчатое колесо

2

Сила тяжести G_T, приходящаяся на одну ось локомотива, приложена к колесу и через точку контакта А действует на рельс. Реакция рельса на колесо G_P по III закону Ньютона равна значению силы тяжести G_T по модулю и противоположна ей по направлению. Указанные силы, действующие на колесо в вертикальной плоскости, уравновешивают друг друга.

В горизонтальной плоскости к ободу колеса приложена сила Fj, которая, как и сила тяжести G_Tb через точку контакта А действует на рельс (сила F; направлена вдоль поверхности рельсов, поэтому в случае их ненадежного крепления имеет место явление, известное как "угон пути"). Реакция рельса F_P по Ш закону Ньютона равна силе F; по модулю и противоположна ей по направлению, Поэтому силы F_} и F_P, действующие на колесо в точке А, уравновешивают друг друга. Сила F₂ остается неуравновешенной, что вызывает качение колеса и его поступательное движение относительно рельса.

Следовательно, движущей силой (силой тяги) колесной пары является сила F₂, развиваемая тяговым двигателем. Для удобства расчета ее значений, на практике в качестве силы тяги условились считать силу реакции рельсг. F_P, равную по величине силам Fi и F₂. При этом значения сил определяют, рассматривая равенство моментов

к

F-D,

(21)

к

= М

из которого следует, чтс

(22)

2-М, 2-М

,

F =F =

k

D

Данное уравнение было использовано при построении электротяговых характеристик локомотивов для расчета силы тяги ТЭД на ободе колеса Р%д.

Поскольку сила F_P действует по касательной к колесу, ее называют касательной силой тяги. Для локомотива в целом касательную силу тяги F_K можно определить как

F_K=n_oc-F_p=m-F_m^ (23)

13

Итак, касательная сила тяги - это сила реакции рельса на колесо, возникающая под действием внешнего вращающего момента и ограниченная силой сцепления колеса с рельсом.

При увеличении вращающего момента на колесе М_к касательная сила тяги F_P, равная силе тяги ТЭД Рщ, возрастает вплоть до уровня, соответствующего силе сцепления F_Cu, (зона I на рисунке 2). Дальнейшее повышение момента М_к (зона II) приводит к нарушению условия качения колеса F_}=F_P. Сила F] равная Рщ, не уравновешивается силой F_P, равной F_Cu- В результате происходит срыв сцепления и начинается боксование, то есть проскальзывание колеса относительно поверхности рельса, при котором частота вращения якоря ТЭД щ резко увеличивается.

Рисунок 2 - Зависимость касательной силы тяги F_P от силы тяги ТЭД F_Kj/ и силы

сцепления колеса с рельсом Р_Сц _шш -касательная сила тяги F_p; ■i - сила тяги, развиваемая ТЭД, Fj^=Fj\ -сила сцепления колеса с рельсом Fa/.

Боксование приводит к интенсивному износу рабочих поверхностей колеса и рельса, разрушению вращающихся деталей якоря ТЭД под действием центробежных сил, возникновению кругового огня на коллекторе ТЭД и дрзтим опасным явлениям. Чтобы не допускать их, установлены технические условия устойчивого движения локомотива, которые описываются неравенством

^_Шах * Wo ■ ^Рс_ч , (24)

где F_Kmax - максимально допустимая касательная сила тяги локомотива; ц/₀- потенциальный (максимальный) коэффициент сцепления; Рсц - сцепной вес локомотива (вес, приходящийся на движущие колесные пары и участвующий в создании силы тяги);

Р_СЦ=9М'П_ОС-2П,Ш (25)

где 217 - осевая нагрузка локомотива, 2П =23т.

Р^ =9,81-6-23 = 1353,78 ,кН.

Неравенство (24) выражает основной закон локомотивной тяги: для обеспечения устойчивости управляемого движения локомотива окружные усилия на ободах

14

движущих колес, создаваемые тяговыми двигателями, не должны превосходить силу сцепления колес с рельсами.

Коэффициент сцепления, а следовательно и сила сцепления, являются случайными величинами, на которые оказывают влияние многочисленные факторы: качество ремонта и содержания локомотивов, метеорологические условия поездки, текущее состояние пути и др.

Для локомотивов одной серии при одинаковой скорости движения разброс возможных значений коэффициента сцепления относительно его среднего значения достигает ±50%. Поэтому для обеспечения устойчивости локомотивов против боксования устанавливают так называемый расчетный коэффициент сцепления щ_к, величина которого меньше потенциального ц/₀. При этом сила тяги по сцеплению составляет

_щ Р_щ, кН. (26)

Расчетный (нормативный) коэффициент сцепления локомотива у/_к определяем

экспериментальным путем и задаем так, чтобы обеспечить практически приемлемую

надежность движения полновесных поездов (поездов расчетной массы) по тяжелым

подъемам при плохих условиях сцепления. Характеристики сцепления у/к^/ОО Для магистральных тепловозов определяются

следующим образом

w_K = ОД 18 + (27)

*^к К + 27,5- ^{К }}

Для построения тяговых характеристик локомотивов предварительно рассчитаваем силу тяги по сцеплению F_KCij при различной скорости движения локомотива по формулам (25) - (27). Диапазон изменения скорости принимаем равными от 0-30 км/ч. Полученные значения заносим в таблицу 6.

Таблица 6 Сила тяги локомотива по сцеплению

К, км/ч	0	5	10	15	20	25	30
Ук	0,3	0,271	0,251	0,236	0,223	0,213	0,205
FKC& кН	^■05	367	319	302	288	278	405

9. Построение токовой I=f(V) и тяговой FK=f(V) характеристик локомотива с ограничениями силы тока, касательной силы тяги и конструкционной скорости

Тяговые и токовые характеристики необходимы для расчетов движения поездов, перегрева обмоток тяговых электрических машин, расхода энергии локомотивами на перемещение поездов. Наиболее точно эти зависимости определяют экспериментальным путем, в процессе специальных испытаний локомотивов. Полученные графики F_K==f(V) и I=f(V) официально регламентируют «Правилами тяговых расчетов для поездной работы».

15

На стадии проектирования локомотивов указанные зависимости F_K-f(V) и I=f(V) можно построить по электротяговым характеристикам. Дня этого необходимо пересчитать данные таблицы 5, а именно:

а) определить значения тока локомотива по величинам тока ТЭД: - ток тягового генератора тепловоза 1_Г, - по формуле (7);

б) определить значения касательной силы тяги локомотива F_K по величинам силы тяги ТЭД F_m используя уравнение (23).

Полученные результаты заносим в таблицу 7.

Таблица 7.

	Рабочие		характеристики локомотива
1Г,А		3600	4606,2	5109,3	6115,5	6618,6	7121,4
ПП	Fk,kH	94,446	185,064	242,946	315,87	347,274	391,206
а=1,00	V, км/ч	54,6	27,9	21,2	16,3	14,9	13,2
0П1	Fk,kH	59,016	135,972	184,326	260,736	314,742	359,064
а-0,6	V, км/ч	84,2	38	28	19,8	16,4	14,4
0П2	Fk,kH	38,376	94,398	150,81	205,554	255,036	303,588
а=0,4	V, км/ч	134,5	54,6	34,2	25,1	20,2	17

Порядок построения рабочих характеристик тепловоза:

1) По данным таблицы 7 выполняем построения графиков Ir=f(V) и F_K=f(V) при разных режимах ослабления возбуждения (см. рисунок 6, 7 приложения).

2) В координатах VJf строим линии ограничений максимального

hmax И МИНИМаЛЬНОГО Ifmin ..ОКЪ. ТГ.

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

-ток переходов ПП <=> ОП_}

I

77-1

+ 160)

(28)

-ток переходов ОП_},

/77-1 ~

^{> оп}₂

■*Г1-2 П-2 ~

(3600 + 5478 + 160) _

4619 а-

2

(3600 + 5478-20)

(29)

-Используя значения 1_Ш_! и 1_П.₂ выполняем построения горизонтальных линий пере-

16

ходов ПП <=> ОП, и ОП_} <=> ОП₂.

4) Определяем скорости тепловоза Vn-i и Vj_2, соответствующие переходам ПП<=>ОП₁ и ОП_}<=>ОП₂.

5) Используя данные таблицы 7 и токовую характеристику Iff GO* строим тяговую характеристику тепловоза F_K^f(V)\ показываем ограничения силы тяги по максимальному току ТГ F^_On и по сцеплению Fkcu (таблица 6), а также ограничение конструкционной скорости тепловоза V_K.

6) По графику I_r=f(V) определяем скорость продолжительного режима тепловоза Кд# соответствующую номинальной силе тока ТГ 1_ГН, а по значению Уд_Л - длительную силу тяги тепловоза Fkjw-

Полученные значения основных технических параметров локомотива заносим в таблицу 9.