Теория подвижного состава городского электрического транспорта

uтр 0,377 0,52 3900 12,201. 62,5

Определим максимальные массы четырехосного и сочлененного трамваев, снаряженные массы которых были рассчитаны выше и составили mсн = 17 т для четырехосного и mсн = 30,9 т – для сочлененного трамвая. Примем, что число мест для проезда сидя в трамваях составляет 30 % от пассажировместимости, т. е. для четырехосного трамвая

zпас.сид = 0,3∙150 = 45 человек

(число мест для проезда стоя zпас.ст = 150 – 45 = 105), для сочлененного трамвая

zсид = 0,3∙300 = 90 человек

(число мест для проезда стоя zпас.ст = 300 – 90 = 210). Площадь салона четырехосного трамвая для проезда стоя

Апас.ст = 105/5 = 21 м2,

сочлененного трамвая

Апас.ст = 210/5 = 42 м2.

В часы пик на этих площадях разместятся: в четырехосном трамвае

zпас.ст.max = 21∙8 = 168 пассажиров,

в сочлененном трамвае

zпас.ст.max = 42∙8 = 336 пассажиров.

В часы пик масса четырехосного трамвая составит

mmax mcн mпас zпас.сид zпас.ст 2 mбаг zпас.сид zпас.ст

17000 70 45 168 5 45 168 3,297 104 кг;

сочлененного трамвая

160

mmax mcн mпас zпас.сид zпас.ст 2 mбаг zпас.сид zпас.ст

30900 70 90 336 5 90 336 6,285 104 кг;

Проверим удельную нагрузку на погонной длине один метр рельсового пути, учитывая, что длина по сцепке четырехосного трамвая равна lсц = 15,5 м, а длина по сцепке сочлененного трамвая – 31 м:

удельная нагрузка для четырехосного трамвая

G Gmax 32,97 9,81 20,867 кН/м; lсц 15,5

удельная нагрузка для сочлененного трамвая

Выполненные расчеты показали превышение удельной нагрузки на один метр погонной длины рельсового пути в часы пик для четырехосного трамвая в 1,043 раза. Сочлененный трамвай укладывается в допустимые пределы удельной нагрузки на один метр погонной длины рельсового пути Gдоп ≤ 20 кН/м.

Для трамваев были выбраны тяговые электродвигатели с максимальными оборотами якоря nя.max = 4050 об/мин и низкопольные тележки с диаметром колес D = 610 мм или расчетным радиусом колеса rр = D/2 = 0,61/2 = 0,305 м.

Передаточное число редуктора (трансмиссии)

uтр 0,377 0,305 4050 7,451. 62,5

Таким образом, в результате расчетов для двухосного и сочлененного троллейбусов, а также для четырехосного и сочлененного трамваев были определены их снаряженные массы, массы в часы пик, нагрузки на шины и тележки, выбраны шины ОАО «Белшины» для троллейбусов и диаметры колес для трамваев, рассчитаны передаточные числа трансмиссии, обеспечивающие движение исследуе-

161

мых машин с заданной скоростью = 62,5 км/ч. Кроме того, расчеты показали некоторую перегруженность шин передних мостов троллейбусов с максимальной загрузкой салонов при резком торможении в 1,7 раза. Удельная нагрузка на один метр погонной длины рельсового пути в часы пик для четырехосного трамвая превышает допустимую в 1,043 раза.

7.4.6.3. Расчет тепловых параметров тягового электродвигателя

Нормы температуры для тяговых электродвигателей. Работа электрических машин всегда сопровождается их нагревом, который зависит от величины тока (нагрузки), времени работы под нагрузкой и интенсивности охлаждения. От величины и продолжительности нагрева зависит срок службы изоляции. Рассчитывая и оценивая нагрев тягового электродвигателя, обычно используют не температуру электродвигателя или его частей, а величину превышения этой температуры над температурой окружающей среды. Предельно допустимое значение температуры обмоток тягового электродвигателя, которые обычно лимитируют нагревание, устанавливается в зависимости от класса изоляции. В таблице 7.1 приведены наиболь-

шие значения температурыОшибка! Закладка не определена.

различных частей электрических машин (ГОСТ 2582–81).

Таблица 7.1 – Допустимые нормы превышения температуры электрических машин

Допустимые нормы превышения температуры электродвигателей устанавливаются в зависимости от их мощности (ГОСТ 2582–81) и для определенной мощности тягового электродвигателя гарантируют

162

механическую прочность и надежность коммутации. Поэтому если тяговый электродвигатель при работе подвижного состава на линии не перегружается, т. е. не нагревается выше установленной нормами температуры (см. таблицу 7.1), то выбранный электродвигатель должен работать удовлетворительно. По нормативам тяговый электродвигатель характеризуется продолжительной и часовой мощностью.

Продолжительной мощностью электродвигателя называется та мощность на валу, при которой электродвигатель может длительно работать на неподвижной установке при нормально закрытых люках без перегрева каких-либо его частей выше установленных норм.

Продолжительный ток электродвигателя – это ток, соответ-

ствующий его продолжительной мощности.

Часовой мощностью электродвигателя называется та наиболь-

шая мощность на валу, при которой электродвигатель может работать на неподвижной установке при нормально закрытых люках в течение одного часа без перегрева каких-либо его частей выше установленных норм.

Часовой ток электродвигателя – это ток, соответствующий его часовой мощности.

Кроме понятия продолжительного и часового токов при расчете тепловых параметров тягового электродвигателя для изменяющегося во времени тока применяют три эквивалента:

–средний ток;

–средний квадратичный ток;

–эквивалентный по превышению температуры ток.

Средний ток Iср – это неизменный ток, при котором через обмотки электродвигателя за рассматриваемый промежуток времени tв пройдет такое же количество электричества, как и при изменяющемся токе:

Средний квадратический ток Iср.кв – это неизменный ток, кото-

рый за рассматриваемый промежуток времени tв образует в обмотках электродвигателя такое же количество теплоты, как и данный изменяющийся ток. Этот ток часто называют эквивалентным током по теплоте:

163

Эквивалентный по превышению температуры ток Iэ.п – это неизменный ток, который вызовет установившееся превышение температуры обмоток электродвигателя, равное максимальному превы-шению температуры от действия изменяющегося тока в рассматриваемом промежутке времени tв.

При использовании автоматических выключателей в цепи тягового электродвигателя возникает вопрос, на какой ток должны быть отрегулированы автоматы. Это приводит к необходимости установления максимальной перегрузки (наибольшей мощности) тягового электродвигателя, которую он может отдать в течение короткого промежутка времени без механической деформации и появления кругового огня. Нормами устанавливаются испытания тягового электродвигателя в течение 60 секунд током, равным удвоенному значению часового тока. Следовательно, при тяговых расчетах максимальная (пиковая) сила тока при трогании подвижного состава на наибольшем подъеме не должна превышать удвоенного значения часового тока.

Для электродвигателей переменного тока допустимые превышения температур неподвижных обмоток принимаются те же, что и для обмоток возбуждения (см. таблицу 7.1), а для вращающихся обмоток – те же, что и для обмоток якоря. Превышение температуры контактных колец над температурой окружающей среды допускается не более 105 °С.

Определение перегрева тягового электродвигателя за достаточно продолжительное время работы подвижного состава на линии составляет предмет теплового расчета электродвигателя. Расчет нагрева тягового электродвигателя – достаточно важная задача. Ее решение в значительной степени зависит от особенностей конструкции и характеристик конкретного электродвигателя. На практике рассчитывают нагрев не всего электродвигателя, а проверяют наиболее опасные по нагреву его части – обмотки. При этом делается допущение, что нагрев обмоток соответствует закону нагрева однородного тела.

В результате теплового расчета может быть установлен лишь

перегрев, но не абсолютная температура, так как тепловой режим

164

тягового электродвигателя определяется разностью температур электрической машины и окружающей среды. Перегревы устанавливаются нормами, исходя из температуры окружающей среды 25 °С. Так как перегрев по нормам для обмоток самовентилируемого электродвигателя с изоляцией класса В при длительном режиме работы установлен 85 °С (при измерении по термометру), то обмотки электродвигателя выдерживают абсолютную температуру не более 110 °С. При температурах выше 110 °С изоляция начинает портиться и двигатель может выйти из строя. В случае когда температура в городе бывает выше 25 °С, перегрев тягового электродвигателя должен быть меньше, чем предусмотрено нормами, т. е.

110o 0 ,

где – перегрев электродвигателя в градусах;0 – температура окружающего воздуха.

Отсюда следует, что при температуре воздуха ниже 25 °С, например, зимой, можно допустить перегрев электродвигателя выше нормативного значения.

Тяговые электродвигатели изготавливаются серийно, определенных типов и мощностей. Поэтому для проектируемого подвижного состава и заданных условий эксплуатации тяговый электродвигатель приходится выбирать из числа типовых электродвигателей с последующей их проверкой на нагрев. Так как подробные проверочные расчеты на нагрев довольно сложны, то во избежание повторных расчетов предварительный выбор тягового электродвигателя необходимо делать максимально обоснованно.

Расчет электродвигателя на нагрев производят, исходя из уравнения теплового баланса

Pdt A dt Cdt ,

где Р – суммарные потери мощности в электродвигателе, Вт; А – коэффициент теплоотдачи электродвигателя (количество

тепла, отдаваемого электродвигателем в окружающую среду за 1 с при разности температур электродвигателя и окружающей среды

1°С), Дж/с °С;

τ– превышение температуры электродвигателя относительно температуры окружающей среды, °С;

165

С – теплоемкость электродвигателя (количество тепла, необходимое для нагрева электродвигателя на 1 °С), Дж/с °С.

Решение этого дифференциального уравнения при Р = const в режиме тяги имеет вид

1

нач у ст е Тн у ст,

где τнач – начальное превышение температуры электродвигателя над температурой окружающей среды;

у ст Р – установившееся превышение температуры электро-

А

двигателя;

Tн СА – постоянная времени нагрева электродвигателя, с.

При τнач = 0 уравнение принимает вид

а при охлаждении от температуры τнач до температуры окружающей среды τуст = 0 (рисунок 7.12)

1

наче Тн .

Наибольшее значение температуры перегрева tp.max, полученное при расчете, приводится к температуре наружного воздуха, принятой для расчета:

tp tp.maxkсзkнв ,

где kсз – коэффициент, учитывающий снижение расхода воздуха на охлаждение электродвигателя при постановке фильтров (для зимних условий kсз = 1,1, для летних kсз = 1,0);

kнв – коэффициент приведения превышения температуры обмоток электродвигателя к расчетной температуре окружающего воз-

166

духа (значения kсз принимают по таблице 7.2 в зависимости от температуры окружающей среды).

Рисунок 7.12 – График изменения температуры электродвигателя при нагреве и охлаждении

Таблица 7.2 – Значение коэффициента kнв

Выполнение условия τmax ≤ τдоп может проверяться прямым или косвенным методом. Однако практическое применение прямого метода весьма трудоемко. Из косвенных методов широкое применение нашли метод эквивалентного тока, метод эквивалентного момента и метод эквивалентной мощности.

Метод эквивалентного тока. Потери в электродвигателях примерно пропорциональны квадрату тока, протекающему в обмотках двигателя. Зная график изменения тока, протекающего по обмоткам электродвигателя, можно для каждого конкретного режима работы определить значение эквивалентного тока Iэ, характеризующее его нагрев.

167

Условие нормальной работы электродвигателя по нагреву

Условие (7.18) справедливо, если постоянные потери Рс за время цикла не изменяются, а также выполняются условия, необходимые при применении метода средних потерь. Пригодность тягового электродвигателя по току можно также определить, воспользовав-

где I∞ – ток продолжительного режима;

kэ kвkнkз 1,1 1,2 .

Метод эквивалентного момента. Этот метод применим для электродвигателей постоянного тока с независимым возбуждением, асинхронных электродвигателей и других электродвигателей, когда крутящий момент электродвигателя пропорционален току.

Эквивалентный момент – это такой постоянный крутящий момент, который вызывает такой же нагрев электродвигателя, как и реально изменяющийся крутящий момент электродвигателя:

Условие правильности выбора электродвигателя Мэ ≤ Мн.

Метод эквивалентной мощности. Если угловая скорость якоря электродвигателя в процессе его работы изменяется незначительно и можно считать, что Р = Мω и М = Р/ω, то эквивалентная мощность

168

Условие правильности выбора электродвигателя по мощности

Рэ ≤ Рн.

Таким образом, тяговый электродвигатель для проектируемого подвижного состава подбирается по требуемой мощности, а затем проверяется на нагрев с учетом длительного тока, протекающего по его обмоткам.

П р и м е р 7.4

Тяговый электродвигатель постоянного тока имеет следующие паспортные данные: номинальная мощность Рном = 185 кВт; номинальное число оборотов nном 2100 об/мин; номинальный ток Iном = 74 А; номинальное напряжение Uном = 550 В; КПД электродвигателя при номинальном режиме ηном = 90 %.

Оценить тепловой режим электродвигателя при движении троллейбуса по маршруту, состоящему из трех участков. Каждый участок имеет следующие характеристики: время движения по первому участку t1 = 12 мин, крутящий момент на валу электродвигателя Мд1 = 680 Н∙м; время движения по второму участку t2 = 25 мин, крутящий момент на валу электродвигателя Мд2 = 825 Н∙м; время движения по третьему участку t3 = 18 мин, крутящий момент на валу электродвигателя Мд3 = 795 Н∙м. Ток возбуждения и сопротивление якорной цепи не изменяются. За время нахождения троллейбуса на остановках его электродвигатель практически не охлаждается.

Заданный цикл работы электродвигателя относится к продолжительному режиму с переменной нагрузкой. Так как ток возбуждения и сопротивление цепи якоря не изменяются, а за время остановок электродвигатель не охлаждается, то для проверки электродвигателя по нагреву можно воспользоваться методом эквивалентного момента.

Ре ш е н и е

1.Угловая скорость якоря электродвигателя и его крутящий момент при работе на номинальном режиме:

169