2. Определение тяговой характеристики электровоза

Тяговая характеристика электровоза – это графическая зависимость касательной силы тяги локомотива от скорости движения F_к=f(v) и режимов работы его энергетической (силовой) установки:

- для электровозов, оборудованных коллекторными тяговыми двигателями – это сумма мощностей тяговых двигателей, установленных на электровозе

- для оборудованных асинхронными – это сумма мощностей транзисторных статических преобразователей (СПЧ), питающих асинхронные тяговые двигатели (АТД).

Касательная мощность электровоза ( на ободе его колеса) прямо пропорциональна мощности его силовой установки, кВт:

(2.1)

где n – число тяговых двигателей (ТЭД) или СПЧ на электровозе;

- мощность на выходе одного ТЭД (СПЧ), кВт;

– к.п.д. тяговой передачи 0,97 для всех типов ТЭД (СПЧ).

Для электровоза при выборе формы тяговой характеристики F_к=f(v) следует исходить из условия постоянства касательной мощности в рабочем диапазоне скоростей движения, .

Как известно, величину касательной мощности электровоза можно определить из следующего выражения:

(2.2)

откуда

(2.3)

Величина касательной мощности для коллекторных ТЭД делится на длительную (непрерывная работа до 6 часов), часовую (номинальную) и максимальную (непрерывная работа 5-15 минут). Все типы мощностей определяются ( ограничиваются) нагреванием ТЭД.

Для АТД мощность, как правило, делится на номинальную (часовую) и максимальную (бустерную), по условиям работы СПЧ (ограничение по нагреванию транзисторов из-за их коммутации). Как правило, разработчики силовых транзисторов указывают соотношение мощностей max/nom=1.05 1.1, но на практике из-за резкого увеличения стоимости СПЧ рекомендуют max=nom. Однако, в связи со стремительными изменениями в технологиях производства силовых транзисторов ( типа JGBT), что резко из года в год уменьшают стоимость производства и эксплуатации СПЧ, для электровозов, оборудованных АТД, в последние два-три года также появились понятия максимальной, номинальной и длительной мощности электровоза. В курсовой работе пока используйте только понятие номинальной (часовой) мощности при построении тяговой характеристики для электровозов с АТД.

Условие , представляет собой уравнение гиперболы в координатах и V.

Таким образом, если касательная сила тяги изменяется обратно пропорционально скорости V, то касательная мощность в этом случае будет постоянной.

График гиперболы характерен тем, что кривая ветвями ( по осям координат) уходит в бесконечность, асимптотически приближаясь к осям координат ( и V), но бесконечных значений физических величин ( и V) в технике, быть не может. По этому максимальные значения касательной силы и V и, соответственно, тяговые возможности электровоза ограничены.

Первое ограничение – касательной силы тяги электровоза – по условиям сцепления колес электровоза с рельсом ( или просто – по «сцеплению»). Максимально возможная реализация в эксплуатации величины касательной силы тяги не может превосходить силу сцепления колес электровоза с рельсами, Н

(2.4)

где - сцепной вес локомотива с учетом числа секций, кН;

- расчетный коэффициент сцепления;

1000 – коэффициент перевода «кН» в «Н».

Неравенство (2.4) является конкретным выражением основного закона локомотивной тяги.

Значения расчетного коэффициента сцепления определяют опытным путем с помощью опытных поездок электровозов с поездами различного веса и они должны соответствовать наиболее распространенным условиям эксплуатации и определенному техническому состоянию локомотивов. В «Правилах тяговых расчетов для поездной работы» приводятся эмпирические формулы для определения значений расчетного коэффициента сцепления для электровозов различных серий.

Так для электровозов постоянного тока:

(2.5)

где V – скорость движения, км/ч.

Для электровозов переменного тока:

(2.6)

Для электровозов с АТД, больше чем для электровозов с коллекторным двигателем и определяется согласно рекомендациям ВНИИЖГа:

(2.6)

Второе ограничение – касательной силы тяги – по мощности силовой установки – для ЭПС силовой установкой является либо сумма мощностей ТЭД ил сумма СПЧ для электровозов с АТД. Сами мощности делятся на три вида ( см. комментарии к формулам 2.2 и 2.3)

С учетом принятых при проведении тяговых расчетов единиц измерения основных параметров двигателя ( и V) уравнения (2.2) примет вид, кВт

(2.7)

где - касательная сила тяги, Н

V – скорость движения, км,ч

Если брать единицы измерения в кГс, то формула (2.7) будет иметь вид:

Подставив уравнение (2.7) в (2.3) получим равенство для определения второго ограничения касательной силы тяги, Н

(2.8)

где =const – суммарная мощность ТЭД (СПЧ) электровоза;

n – число ТЭД (СПЧ)

Третьим ограничением касательной силы тяги является ограничение по конструкционной ( максимальной) скорости.

При выполнении курсовой работы необходимо рассчитать параметры и построить тяговую характеристику электровоза с использованием упрощенной методики. При этом рекомендуется руководствоваться следующим:

1. Воспользовавшись выражениями (2.4 и 2.6) необходимо рассчитать ограничение тяговой характеристики F_к=f(v) электровоза, по сцеплению. Сцепной вес локомотива, номинальную мощность, суммы всех его мощностей и тип локомотива указаны по вариантам в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Мощность электровоза (номинальная ,на валу ТЭД) (Ne∙n)	4400	5200	6000	6200	6400	6800	7000	8000	9000	9800
Сцепной вес электровоза, т	84	86	88	140	144	200	200	200	300	300
Тип локомотива	с АТД	Пост. тока	Пер. тока	с АТД	Пост. тока	Пер. тока	Пост. тока	с АТД	Пер. тока	с АТД
№ варианта	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10

Электровозы постоянного и переменного тока имеют коллекторные ТЭД. Результаты расчетов ограничения F_к=f(v) по сцеплению целесообразно представить в табличной форме, аналогичной таблице 2.2.

Рекомендуется принять диапазон изменения скорости движения электровоза 0 – 55 км/ч с шагом = 5 км/ч.

Таблица 2.2

Результаты расчетов ограничения кривой F_к=f(v) по сцеплению.

V. км/ч	0	5	10		…….	55
Fк.H

2. По формуле (2.8) необходимо рассчитать ограничения тяговых характеристик F_к=f(v) проектируемого электровоза по трем типам мощностей электровозов с коллекторными ТЭД и по номинальной (часовой) мощности электровоза с АТД, Результаты расчетов ограничения кривой F_к=f(v) по мощности электровоза целесообразно представить в табличной форме, аналогичной таблице 2.3. Рекомендуется применить диапозон изменения скорости движения электровоза от 40 км/ч до V конструкционной = 120 км/ч (для всех типов электровозов) с шагом .

Соотношение мощностей следует принять следующее :

Р_час/Р_{длительная} = 1,1;

Р_max/ Р_час = 1,8.

Таблица 2.3

Результаты расчетов ограничения кривой F_к=f(v) по мощности электровоза

V. км/ч	40	50	60		Vконстр=120
Fк.H

Для электровозов с коллекторными ТЭД таких таблиц будет три – по каждому типу мощности.

3. На миллиметровой бумаге по данным таблиц 2.2 и 2.3 необходимо построить в масштабе расчетную тяговую характеристику проектируемого электровоза. В вариантах даны электровозы постоянного и переменного тока, из-за трех типов мощностей таких характеристик будет три.

Одним из важнейших показателей тяговой характеристики локомотива является расчетная скорость движения V_расч. , V_расч. – минимально допустимая по условиям обеспечения заданной надежности работы силового оборудования электровоза равномерная скорость движения, которая достигается при ведении поезда расчетного (критического) веса по наиболее трудному ( самому длинному подъему) элементу профиля железнодорожного участка.

Также элементы профиля для конкретных участков обращения локомотивов называют расчетными или руководящими подъемами.

Величины F_к и V_расч. для конкретной серии электровозов устанавливают опытным путем по результатам эксплуатационных испытаний. Для отечественных грузовых электровозов V_р 1,04 V_ном, для пассажирских – приблизительно 100 км/ч, а для скоростных поездов – еще больше. Для грузовых электровозов величина V_ном , как правило, определяется точкой пересечения кривых Fк_сцеп = f(V) ( ограничение по сцеплению) и F_к = f(V) (ограничение по номинальной (часовой) мощности.

4. На построенной тяговой характеристике необходимо отметить ее ограничения: по сцеплению, по мощности ( для коллекторных ТЭД – три вида) и по конструкционной скорости (максимальное разрешение конструкции).

В предварительных расчетах V_{констр.} определяют как V_{констр.} 2 V_расч., но для эксплуатации рекомендуют для всех типов грузовых электровозов, как уже было сказано выше, V_{констр.} = 120 км/ч.

Тяговая характеристика приблизительно принимает следующий вид:

-максимальной

- номинальной

- длительной