Расчёт и построение тяговой характеристики тепловоза

На тепловозе установлен четырехтактный V-образный двенадцатицилиндровый дизель 2-2Д49 (12ЧН 26/26), имеющий газотурбинный наддув и охлаждение наддувочного воздуха; диаметр цилиндров дизеля и ход поршня 260 мм. Номинальная мощность дизеля при частоте вращения вала 1000 об/мин 2000 л.с; расход топлива при номинальной мощности 153—160г/(э.л.с- ч). Масса дизеля 14 200 кг. Регулирование мощности дизеля осуществляет объединенный регулятор, позволяющий использовать всю свободную мощность дизеля до конструктивной скорости тепловоза.

 

Система охлаждения дизеля двухконтурная. В первом контуре, включающем 12 водовоздушных секций холодильника, охлаждается вода дизеля; во втором, имеющем 18 секций,— вода, охлаждающая масло дизеля в теплообменнике, и наддувочный воздух в воздухоохладителе.

На тепловозе ТЭМ 7 применена (впервые на маневровых тепловозах) электрическая передача переменно-постоянного тока. Тяговый генератор ГС-515, спроектированный и изготовленный Харьковским заводом «Электротяжмаш», представляет собой синхронную двенадцатиполюсную машину с принудительной вентиляцией. Его номинальная мощность 1310 кВт; напряжение 273/153В, ток 2X1520/2X2700 А; частота вращения ротора 1000 об/мин; коэффициент полезного действия 94,5%. По габаритам этот генератор не отличается от генераторов ГС-501А тепловозов ТЭ109 и ТЭ116, но на 500 кг легче последних. Обмотка статора генератора выполнена по схеме двух звезд. Вал генератора соединен с валом дизеля пластинчатой муфтой. Питание обмотки возбуждения ротора генератора осуществляется через выпрямитель от синхронного возбудителя ВС-650 В. Выпрямительная установка УВКТ-8У2, изготовленная Таллиннским электротехническим заводом, собрана из 168 вентилей ВЛ-200-6Б. Тяговые электродвигатели ЭД-120, изготовленные Харьковским заводом «Электротяжмаш», четырехполюсные, имеют опорно-осевую подвеску, последовательное возбуждение и принудительную вентиляцию. Их номинальная мощность 135 кВт (напряжение 205/360В, ток 800/456 А, частота вращения якоря 246/1890 об/мин), максимальная частота вращения 2320 об/мин. Масса электродвигателя 3000 кг.

Цепи управления и освещения  питаются постоянным током напряжением 110В. Цепи управления рассчитаны на работу тепловозов по системе многих единиц. Контроллер машиниста имеет реверсивную рукоятку с положениями «вперед», «нуль», «назад» и главную с нулевой и восемью (1—8) рабочими позициями. Двухступенчатый шестицилиндровый компрессор ПК-5,25 производительностью при частоте вращения вала 1000 об/мин 3,5 м3/мин приводится электродвигателем постоянного тока ЭКТ-3 мощностью 21 кВт.

Для пуска дизеля, зарядки аккумуляторной батареи, питания цепей постоянного тока, в том числе электродвигателя ЭКТ-3, служит стартер-генератор СТГ-7М. На тепловозе установлена кислотная аккумуляторная батарея 48ТН-450 (напряжение 96 В), которая может быть заменена щелочной батареей 68ТПЖНК-250.

Сила тяги длительного режима при скорости 10,3 км/ч 343 кН (35 000 кгс). Конструкционная скорость тепловоза 100 км/ч. Служебная масса тепловоза с ⅔ запаса песка и топлива 180 т, т. е. нагрузка от колесной пары на рельсы составляет 22,5 тс. На тепловозе уложен балласт в виде чугунных плит общей массой 25 т, из которых 12 т съемные; следовательно, возможно снижение нагрузки от колесной пары на рельсы до 21 тс с соответствующими изменениями номинальных значений силы тяги длительного режима [до 314 кН (32 000 кгс)] и скорости (до 11,6 км/ч). Запас топлива на тепловозе 6000 кг, песка 2300 кг, воды 950 кг и масла 800 кг.

После 1975 г. Людиновский тепловозостроительный  завод продолжал изготовление тепловозов ТЭМ 7 по нескольку единиц в год. В период 1977—1980 гг. ВНИИЖТ совместно с ВНИТИ и Людиновским заводом провели комплекс исследований и поездных испытаний тепловозов ТЭМ 7, которые позволили несколько улучшить конструкцию экипажной части. Основные эксплуатационные испытания тепловозов проводились на Свердловской железной дороге. В депо Свердловск-Сортировочный поступили к 1981 г. шесть тепловозов ТЭМ 7, а в 1982 г. все ранее работавшие на маневрах тепловозы ТЭЗ были заменены тепловозами ТЭМ 7.

Тепловозы ТЭМ 7, начиная с № 0003, выпускались только с винтовыми пружинами между рамой кузова и промежуточными рамами. Параллельно этим пружинам были поставлены гидравлические гасители колебаний. При внесенных в конструкцию тепловоза изменениях общий прогиб рессорного подвешивания составил 172 мм, из которых на первую ступень пришлось 46 мм.

На тепловозах ТЭМ 7, начиная с № 0003, установлен тяговый генератор ГС-515У2, имеющий активную мощность 1400 кВт (напряжение 280/175В, линейный ток 2X1570/ 2X2500 А) и частоту тока 100 Гц при частоте вращения вала 1000 об/мин; поставлен стартер-генератор 2ПСГ-02; из первого контура системы охлаждения дизеля исключена одна секция радиатора (осталось 11 секций) и добавлена во второй контур (стало 19 секций); начали устанавливать тяговые электродвигатели ЭД-120А, отличающиеся от электродвигателей ЭД-120 только изоляцией отдельных узлов; изменилось количество воды (850 кг) и масла (970 кг) в системе охлаждения дизеля.

Во время испытаний  тепловозов выявилось, что для быстрого наполнения тормозной системы состава  производительность компрессора недостаточна. В порядке эксперимента на тепловозе ТЭМ 7-0017 были установлены два компрессора ПК-5,25.

В мае 1980 г. Людиновский  завод начал выпуск установочной партии тепловозов ТЭМ 7; эти локомотивы строились в течение всей одиннадцатой пятилетки (1981 — 1985 гг.) и продолжали строиться в дальнейшем.

 

 

2. РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ ТЯГОВОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОВОЗА

 

             Тяговая характеристика F_k=f(V) рассчитывается для номинальной мощности тепловоза с учетом типа электрической передачи и количество секций тепловоза-образца.

Касательная мощность локомотива определяется по формуле, кВт:

N_k=N_e·η_тг·η_тэд·η_зп·β_всп· η_ву   (2.1)

где N_e – эффективная мощность энергетической установки тепловоза, кВт;

       η_тг – коэффициент полезного действия тягового генератора (η_тг=0,95);

       η_тэд – коэффициент полезного действия тягового электродвигателя (η_тэд=0,83);

       η_зп – коэффициент полезного действия зубчатой передачи (η_зп=0,96-0,98);

       β_всп – коэффициент, учитывающий отбор мощности от силовой установки на привод вспомогательных механизмов тепловозов;

       η_ву – коэффициент полезного действия выпрямительной установки(0,99),

β_всп=1-∆N/N_e, (2.2)

где ∆N=(0,08-0,15)N_e – расход мощности на привод вспомогательных механизмов.

∆N=0,1· N_e,

β_всп=0,9,

N_k=1470·0,95·0,83·0,97·0,99·0,9=1002 кВт.

Касательная сила тяги локомотива, кН,

F_k=3,6·N_k/V, (2.3)

где V – скорость движения тепловоза, км/ч,

Зависимость F_k=f(V) строится для номинальной мощности при условии N_k=const, значения скорости задаются в интервале от 5 до V_k.(V_k – конструкционная скорость тепловоза).

Расчетная сила тяги F_кр определяется из формулы (3) при расчетной скорости движения V_р.

                                        F_kp=3,6·N_k/ V_p,                                               (2.4)

                                     

 

F_кр=3,6·1002/10,3=350 кH.

 

На график зависимости F_k=f(V) наносят кривую ограничения по сцеплению, рассчитываемую по формуле, кН:

                                                   

F_сц=P_сц·ψ_k ;                                              (2.5)

                                                        P_сц = q_л·n,                                       (2.6)

где P_сц – сцепной вес тепловоза, кН;

 

  q_л – нагрузка на ось локомотива, кН;

 

   n – количество ведущих осей локомотива;

                                                              P_сц =222·8=1776 kH

  ψ_k – расчетный коэффициент сцепления,

ψ_k=0,118+5/(27,5+V). (2.7)

Значения F_сц определяются при скоростях 0; 5; 10; 15;20…км/ч:

                                         F_сц=1776·0,2=355,2 kH;

                                      

F_сц=1776·0,158=280,61 kH;

 

F_сц=1776·0,136=241,54 kH;

 

F_сц=1776·0,12=213,12 kH;

 

F_сц=1776·0,108=191,81 kH;

 

 

 

                                                                                                               Таблица 1

Результаты  расчетов F_сц и F_k

Скорость, км/ч	Коэффициент сцепления, ψk	Сила тяги по сцеплению, Fсц, кН	Касательная сила тяги, Fk, кН
1	2	3	4
0	0,2	355,2	─
5	0,158	280,61	721,44
10	0,136	241,54	360,72
15	0,12	213,12	240,48
20	0,108	191,81	180,36
25	─	─	144,288
30	─	─	120,24
35	─	─	103,062
40	─	─	90,18
45	─	─	80,16
50	─	─	72,144
55	─	─	65,585
60	─	─	60,12
65	─	─	55,495
70	─	─	51,531
75	─	─	48,096
80	─	─	45,09
85	─	─	42,437
90	─	─	40,08
95	─	─	37,97
100	─	─	36,072

                                                                                               

   

    

  Тяговая характеристики  с нанесенными ограничениями представлены на рис 1. Точке пересечения кривой F_СЦ = f(V) и тяговой характеристики F_K=f(V) соответствует скорость V, начиная с которой полностью используется как сцепной вес локомотива, так и мощность его энергетической установки (дизеля).

 

 

   3. РАСЧЕТ МАССЫ ПОЕЗДА

 

             Перемещение транспортного средства  с грузом осуществляется под  действием силы тяги, которая  создается энергетической установкой транспортного средства. На тепловозе энергетической установкой является дизель, и от его мощности зависит максимальная расчетная масса поезда.

Масса поезда определяется из условия равенства расчетной  силы тяги F_кр и суммарной силы сопротивления при равномерном движении на заданном расчетном подъеме i_р с расчетной скоростью V_р :

Q = (F_кр-P_сц(ω_о׳+i_р))/(ω_о״+i_р), (3.1)

где F_р – расчетная сила тяги локомотива, Н (определяется по формуле (2.3)

    

 

   при     V=V_р);

ω_о׳ – основное удельное сопротивление движению локомотива, Н/кН;

ω_о״ – основное удельное сопротивление движению состава, Н/кН;

i_р – крутизна расчетного подъема, ‰.

Основные предельные сопротивлению движения локомотива ω_о׳ и состава ω_о״ определяются для расчетной скорости V_р по формулам,

ω_о׳=1,9+0,01V_р+0,0003V_р², (3.2)

ω_о״=αω״_о4+βω״_о6, (3.3)

где α, β – соответственно доли четырех- и шестиосных вагонов в составе;

ω״_о4, ω״_о6 – основное удельное сопротивлению движения четырех- и шестиосных вагонов,

ω״_о4=0,7+(30+V_р+0,025V_р²)/q_о4; (3.4)

ω״_о6=0,7+(80+V_р+0,025V_р²)/q_о6, (3.5)

где q_о4, q_о6 – средняя нагрузка от оси четырех- и шестиосного вагона на рельсы, кН.

 

ω״_о6=0,7+(80+10,3+0,025·10,3²)/228=1,108 H/kH,

ω״_о4=0,7+(30+10,3+0,025·10,3²)180=0,939 H/kH,

ω_о״=0,59·0,939+0,41·1,108=1  Н/Кн,

ω_о׳=1,9+0,01·10,3+0,0003·10,3²=2,035 Н/кН,

 

Q=(350 · 10³-1776·(2,035 + 8,3))/(1 + 8,3)=35661  Н. ( 3.6 )

                                                     m=Q/g,