Теория подвижного состава. Тягово-скоростные свойства

Окончание табл. 2.9

На рис. 2.24 представлена рассчитанная естественная характеристика ЭД согласно-смешанного возбуждения, а на рис. 2.25 – его МХ.

Рис. 2.24. Естественная характеристика ЭД согласно-смешанного возбуждения,

Рдв = 120 кВт

Рис. 2.25. МХ ЭД согласно-смешанного возбуждения, Рдв = 120 кВт

141

Ответ. Рассчитаны и построены характеристики тягового электродвигателя постоянного тока смешанного возбуждения мощностью 120 кВт: естественные характеристики Мдв = f(Iя) и дв = f(Iя), а также механическая характеристика Мдв = f(nдв). Полученные характеристики могут использоваться для оценки тягово-скоростных свойств подвижного состава с ЭД мощностью 120 кВт.

Контрольные вопросы

1.Почему действительные характеристики тягово-сцепных свойств подвижного состава отличаются от расчетных?

2.Какие причины нестабильности тягово-сцепных свойств относятся к внутренним и внешним?

3.Поясните влияние на нестабильность тягово-сцепных свойств трамвая разницы диаметров колес колесных пар, разности частот вращения тяговых электродвигателей различных ведущих колесных пар, способа соединения тяговых электродвигателей и степени жесткости их характеристик, типа привода ведущих колесных пар.

4.Что понимается под динамическим коэффициентом сцепления?

5.В каком режиме трогания и разгона трамвая при одинаковой пусковой мощности наиболее полно реализуются сцепление колес

срельсами?

6.Назовите мероприятия, которые позволяют увеличить силы сцепления колес с опорной поверхностью.

7.Что дает применение песка и какой величины должны быть зерна песка?

8.Поясните, почему тяговые и тормозные свойства ПС отличаются от значений, приведенных в их технических характеристиках?

9.Назовите допущения, принятые при разработке механико-ма- тематической модели троллейбуса, трамвая и трамвайного поезда.

10.Напишите систему уравнений, описывающих движение троллейбуса и трамвая.

11.Почему при исследовании движения трамвая переходят от реальных величин к удельным величинам?

12.Назовите основные режимы движения подвижного состава и поясните их на диаграмме движения.

13.Почему при пуске (трогании) ПС к его ТЭД постоянного тока нельзя прикладывать напряжение контактной сети?

142

14.Какие механико-математические модели применяются для исследования процессов трогания и разгона подвижного состава?

15.Как моделируется изменение крутящего момента ТЭД при разгоне ПС?

16.Какие силы и моменты действуют на подвижной состав в процессе трогания и разгона?

17.Какая сила изменяет свое направление в зависимости от движения ПС вверх или вниз по уклону опорной поверхности?

18.Какие внешние моменты действуют на динамическую систему трансмиссии подвижного состава?

19.Какие аналитические выражения используются для приведения моментов инерции, крутильной податливости и коэффициентов демпфирования к заданному валу приведения?

20.Как привести момент, действующий на ведущие колеса подвижного состава, к валу тягового электрического двигателя?

21.Как определить максимальный момент, который могут реализовать ведущие колеса ПС в заданных условиях эксплуатации?

22.Что понимается под сцепным весом подвижного состава?

23.Как определить продольные координаты центра масс подвижного состава, зная распределение его веса по мостам или тележкам?

24.Как рассчитать суммарную силу сопротивления движению подвижного состава?

25.Как определяется коэффициент сопротивления качению колеса при возрастании скорости движения троллейбуса?

143

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

3.1. Основы системного подхода к проектированию подвижного состава

Методология дисциплины «Теория подвижного состава городского электрического транспорта» составляет основу функционального проектирования ПС. Целью функционального проектирования ПС является определение и выбор структуры и параметров подвижного состава, обеспечивающих высокие показатели эффективности перевозки пассажиров в городских условиях эксплуатации.

Рассмотрим основные положения методологии системного подхода, используемого при функциональном проектировании ПС.

Характеристики функционирования подвижного состава зависят от его физических свойств, воздействий внешней среды и управляющего воздействия водителя или системы автоматического управления. Поэтому проектирование необходимо выполнять на основе системного подхода, рассматривая систему «подвижной состав – водитель – внешняя среда». В свою очередь подвижной состав представляет собой сложную механическую систему, состоящую из взаимодействующих элементов и подверженную комплексу внешних воздействий. Элементами подвижного состава являются механизмы и системы, обладающие соответствующими физическими свойствами. Количество физических свойств оценивается параметрами.

Параметр – это величина, характеризующая свойство или режим работы подвижного состава или его отдельного механизма. Различают внутренние, внешние и выходные параметры.

Внутренние параметры – это параметры элементов, из которых состоит ПС, т. е. параметры его механизмов и систем (ЭЖ, трансмиссии, тормозной системы, подвески и др.).

Внешние параметры – это параметры внешней среды, оказывающей влияние на функционирование подвижного состава. Элементы внешней среды – опорная поверхность (дорога и рельсовый путь), транспортный поток, воздушная среда. Параметрами опорной поверхности являются продольные и поперечные уклоны, радиусы кривизны ее отдельных участков, коэффициенты сопротивления качению и сцепления, ограничения скорости движения (администра-

144

тивные и по условиям безопасности движения). Транспортный поток характеризуется интенсивностью (количеством транспортных единиц, проходящих в единицу времени), количеством полос движения

икачественным составом. Параметры воздушной среды – плотность, относительная влажность воздуха, скорость и направление ветра.

Выходные параметры ПС характеризуют его эффективность и качество процессов функционирования (производительность, рабочая скорость, расход электроэнергии, показатели разгона и др.).

При проектировании механизмов подвижного состава его внутренние параметры становятся выходными параметрами элементов, из которых состоят эти механизмы. Так, передаточное число трансмиссии (ведущего моста) является внутренним параметром подвижного состава. При проектировании же самого ведущего моста оно оказывается выходным параметром (показателями эффективности), а определению подлежат числа зубьев, межосевые расстояния и другие внутренние параметры, в этом суть технологии системного подхода при проектировании ПС.

Целью проектирования ПС, его механизмов и систем является определение внутренних параметров, которые подлежат оптимизации, а в качестве критериев оптимизации используются выходные параметры. Первичным документом для проектирования подвижного состава является техническое задание. При разработке технического задания учитываются: назначение подвижного состава, характеристики внешней среды, характеристики типовых маршрутов

ирежимов движения, нормативные материалы (стандарты ISO, Правила ЕЭК ООН, ГОСТы), законодательные акты стран, в которые предполагается продажа подвижного состава, условия технического обслуживания и хранения. Техническое задание содержит обоснование выбора главного классификационного параметра подвижного состава и его массогеометрических параметров. Массогеометрические параметры подвижного состава регламентированы законодательными актами и стандартами.

Главный параметр – это параметр, наиболее полно выражающий или регламентирующий технические и эксплуатационные свойства подвижного состава и остающийся постоянным при его технических усовершенствованиях. Для подвижного состава городского электрического транспорта в качестве главного параметра принята вместимость (габаритная длина).

145

Основные параметры – это параметры, зависящие от главного параметра и характеризующие отдельные из наиболее важных технических и эксплуатационных свойств ПС. Они могут изменяться при модернизации ПС. В число основных параметров входят как внутренние, так и выходные параметры подвижного состава. При проектировании или модернизации основные внутренние параметры подлежат определению и оптимизации.

Методология системного подхода базируется на принципах декомпозиции, иерархичности, итеративности, локальной оптимизации и комплексного осуществления процесса проектирования. Декомпозиция приводит к выделению составных частей объекта (блоков), иерархических уровней, аспектов. Это позволяет сложную задачу проектирования свести к решению более простых задач с учетом взаимодействия между объектами проектирования. Каждая задача решается на основе локальной оптимизации, но декомпозиция критериев при этом осуществляется таким образом, чтобы локальные цели были подчинены конечной цели проектирования.

Используя изложенные принципы методологии системного подхода, выделим локальный аспект проектирования ПС, целью которого поставим обеспечение высоких ТСС ПС.

В предыдущих главах учебного пособия рассмотрены физические процессы взаимодействия подвижного состава с внешней средой в тяговом режиме и получены математические модели, позволяющие осуществлять количественную оценку эффективности выполнения подвижным составом его функционального назначения. Выявлены факторы, оказывающие влияние на формирование тяговоскоростных свойств подвижного состава, установлен комплекс основных параметров, подлежащих определению:

–масса подвижного состава и ее структура;

–распределение массы по мостам и тележкам ПС;

–колесная формула, тип и параметры шин (колесных пар);

–геометрические параметры подвижного состава;

–тип и параметры характеристик тягового электродвигателя;

–структура трансмиссии и параметры ее механизмов.

Задача проектирования решается в два этапа. На первом этапе, учитывая требования выходных параметров, обусловленные назначением подвижного состава и условиями эксплуатации, и используя полученные зависимости между выходными и внутренними пара-

146

метрами подвижного состава и параметрами внешней среды, определяют предварительные значения основных параметров подвижного состава. Затем на основе комплекса показателей эффективности, характеризующих тягово-скоростные свойства, формируют целевую функцию и осуществляют решение задачи оптимизации этих параметров.

3.2. Классификация транспортных средств

Классификация – система понятий, используемая в соответствующей области знаний как средство для установления связей между этими понятиями или классами объектов.

Вавтомобильной промышленности цель классификации заключается в ранжировании автомобилей в соответствии с их потенциальными потребительскими свойствами или для предъявления к ним дифференцированных по какому-либо параметру технических или фискальных (налоговых) требований. Используются международные

инациональные системы классификации транспортных средств.

Втабл. 3.1 приведена классификация транспортных средств, разработанная Комитетом по внутреннему транспорту Европейской экономической комиссии Организации Объединенных Наций (ЕЭК ООН) и принятая Женевским соглашением 1958 г.

Троллейбусы и электробусы относятся к категории М3.

Вместимость (пассажировместимость) ПС – наибольшее ко-

личество пассажиров, которое может одновременно перевозить по147

движной состав исходя из его прочности и размеров кузова, при соблюдении допустимых значений нагрузок на опорную поверхность.

Термины, определения и допустимые значения размерных параметров и показателей масс, оказывающих влияние на вместимость подвижного состава, приведены во многих международных нормативных документах.

Различают собственную и полную массы, массы снаряженного и неснаряженного подвижного состава, его вместимость.

Под собственной массой понимается масса транспортного средства в снаряженном состоянии (без водителя, экипажа, пассажиров и груза), оснащенного инструментом, запасным колесом и всем предусмотренным для данного транспортного средства оборудованием (Правила ЕЭК ООН № 68 и № 101). В собственную массу снаряженного транспортного средства также включают массу охлаждающей жидкости и смазочных материалов, массу топлива при полностью заправленных топливных баках. Для электромобиля учитывают массу служебной и тяговой аккумуляторных батарей, бортового и переносного зарядных устройств.

Из приведенного определения следует, что масса снаряженного ПС mc соответствует его собственной массе mcн = mcоб.

Полная масса подвижного состава m складывается из массы снаряженного подвижного состава, массы водителя mв, обслуживающего персонала (экипажа) mэ, пассажиров m паc и багажа (ручной клади) mбаг:

m mсн mв mэ mпас mбаг.

Для подвижного состава пассажирского транспорта грузоподъемность складывается из массы пассажиров и багажа. Отсюда следует, что основным параметром, определяющим функциональные возможности подвижного состава, является его грузоподъемность (пассажировместимость). Но показатели тягово-скоростных свойств, характеризующие эффективность подвижного состава, согласно стандартным методикам, определяются при его полной массе. Следовательно, главным параметром подвижного состава городского пассажирского транспорта целесообразно принять его полную массу.

Подвижной состав городского пассажирского транспорта предназначен для массовых перевозок пассажиров в городах на сравни-

148

тельно небольшие расстояния. Поэтому они имеют ограниченное количество мест для сидения, а большая часть пассажиров перевозится стоя. Норма площади пола салона подвижного состава на каждого стоящего пассажира существенно меньше, чем для сидящего. Поэтому количество пассажиров, приходящихся на единицу полезной площади городского подвижного состава, значительно больше, чем для междугородных автобусов. Следовательно, при одной и той же собственной массе подвижного состава его полная масса будет зависеть не только от конструктивного совершенства, но и в значительно большей мере от его назначения.

Согласно классификации ЕЭК ООН, автобусы разделены на две категории: М2 – автобусы малой вместимости с полной массой до 5 т и М3 – автобусы большой вместимости с полной массой свыше 5 т (см. табл. 3.1). В Российской Федерации используется более подробная классификация автобусов, приведенная в табл. 3.2 [13].

Таблица 3.2

Классификация автобусов

Внастоящее время троллейбусы выпускают в основном среднего

ибольшого классов и в малых количествах троллейбусы малого класса (МАЗ-206Т). Троллейбусы особо большого класса изготавливают только сочлененными.

3.3. Определение масс подвижного состава

Определению подлежат снаряженная, полная массы подвижного состава и масса нагрузки.

Для городского пассажирского транспорта, как указывалось выше, главным параметром является габаритная длина Lг (пассажировместимость). Масса снаряженного троллейбуса большого и особо большого классов примерно пропорциональна их габаритной

149

длине. Поэтому снаряженную массу троллейбуса можно определять из соотношения:

mсн стLг,

где ст – коэффициент массы, кг/м (для расчетов можно применять

ст = 915–1070 кг/м);

или по формулам [9]:

– двухосный троллейбус (пассажировместимость zпас = 80–105):

15,76980

mсн 7831,40288 10 zпас , кг;

– сочлененный двухзвенный троллейбус (пассажировместимость zпас = 160–170):

mсн 22242.06339 1100901,64558 , кг;

zпас

–четырехосный трамвайный вагон (пассажировместимость zпас =

=120–150):

mcн 32349,55401 2304060,93859 , кг;

zпас

– сочлененный трехзвенный трамвай (пассажировместимость zпас = 220–300):

mсн 7118180,48262 , кг.530,51951 zпас

где zпас – номинальное число перевозимых пассажиров (пассажировместимость при номинальной загрузке салона).

Значения коэффициента массы и приведенные выше формулы для определения снаряженной массы получены в результате статистической обработки данных по подвижному составу городского пассажирского транспорта на кафедре «Тракторы» БНТУ.

150