Определение тяговой характеристики тепловоза

Тяговая характеристика тепловоза – это зависимость касательной силы тяги локомотива от скорости движения F_к=f(v) и режимов работы его энергетической (силовой) установки, представленная графически.

Касательная мощность тепловоза (на ободе его колес) прямо пропорциональна мощности его силовой установки, кВт:

где N_e –эффективная мощность дизеля тепловоза, кВт;

η_пер – к.п.д. тяговой передачи;

β – доля мощности дизеля, затрачиваемая на привод вспомогательного оборудования тепловоза:

Введем понятие – коэффициент использования мощности дизеля:

или:

Сравнение выражений (21) и (22) позволяет сформулировать физический смысл величины φ– какая часть мощности силовой установки (дизеля) реализуется в полезную работу (мощность) на создание касательной силы тяги при взаимодействии колес тепловоза с рельсами.

Таким образом,

При проектировании тепловоза следует стремиться к наиболее полному использованию эффективной мощности дизеля N_e тепловоза при любой скорости движения локомотива. Обычно это условие удается выполнить путем применения на тепловозе тяговой передачи.

Для тепловоза при выборе формы тяговой характеристики F _к = f (v) следует исходить из условия постоянства касательной мощности в рабочем диапазоне скоростей движения, N _к =const.

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

откуда

Условие F _к · v = const представляет собой уравнение гиперболы в координатах F _к и v.

Таким образом, если касательная сила тяги F _к изменяется обратно пропорционально скорости v, то касательная мощность N _к в этом случае будет постоянной в рабочем диапазоне скоростей движения тепловоза.

График гиперболы характерен тем, что кривая обеими ветвями (по осям координат) уходит в бесконечность, асимптотически приближаясь к осям координат (F_к и v). Но бесконечных значений физических величин (например, F_к и v) в технике, естественно, быть не может. Поэтому максимальные значения касательной силы F_к и скорости движения v и, соответственно, тяговые возможности тепловоза ограничены.

Первое ограничение касательной силы тяги тепловоза – по условиям сцепления колес локомотива с рельсами (или просто – по «сцеплению»). Максимально возможная реализуемая в эксплуатации величина касательной силы тяги F_кmax не может превосходить силу сцепления колес тепловоза с рельсами, Н:

где Р_сц – сцепной вес локомотива с учетом числа секций, кН;

ψ_к – расчетный коэффициент сцепления;

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

Неравенство (26) является конкретным выражением основного закона локомотивной тяги.

Значения расчетного коэффициента сцепления определяют опытным путем с помощью опытных поездок тепловозов с поездами различного веса и они должны соответствовать каким то наиболее распространенным условиям эксплуатации и техническому состоянию локомотивов. В «Правилах тяговых расчетов для поездной работы» приводятся эмпирические формулы для определения значений расчетного коэффициента сцепления для разных серий тепловозов. Для магистральных тепловозов формула имеет вид:

где V –скорость, км/ч.

На основании приведенных данных величина ψ_к прискорости v = 0 будет равна:

На основании полученных данных:

Остальные значения приведены в таблице 4.1.

Второе ограничение касательной силы тяги – по мощности силовой установки.

С учетом принятых при проведении тяговых расчетов единиц измерения основных параметров движения (F _к и v) уравнение (24) примет вид:

где F _к – касательная сила тяги, Н;

v – скорость движения, км/ч;

3600 – коэффициент, зависящий от принятых единиц измерения.

Подставив уравнение (28) в (25), получим равенство для определения второго ограничения касательной силы тяги, Н:

где N _е – эффективная мощность дизеля, N _е = 2×2200 кВт;

   j – коэффициент использования мощности дизеля, j = 0,7.

На основании приведённых данных величина F _к при скорости v = 10 км/ч будет равна:

Остальные значения приведены в таблице 4.2.

Таблица 4.1. – Расчеты ограничения кривой F_к = f(v) по сцеплению.

v, км/ч	0	5	10	15	20	25
ψк	0,3	0,266	0,243	0,226	0,213	0,203
F к, Н	828000	734160	670680	623760	587880	560280

 

Таблица 4.2. – Расчеты ограничения кривой F_к = f(v) по мощности дизеля.

v, км/ч	10	20	30	40	50	60	70
Fк, Н	1108800	554400	369600	277200	221760	184800	158400
v, км/ч	80	90	100	–	–	–	–
Fк, Н	138600	123200	110880	–	–	–	–

 

Одними из важнейших показателей тяговой характеристики локомотива является расчетная скорость движения v _р и конструкционная скорость v _к.

Расчетная скорость – минимально допустимая по условиям обеспечения заданной надежности работы силового оборудования тепловоза равномерная (равновесная) скорость движения, которая достигается при ведении поезда расчетного (критического) веса по наиболее трудному элементу профиля железнодорожного участка. Такие элементы профиля для конкретных участков обращения локомотивов называют расчетные или руководящие подъемы. Расчетная скорость для моего тепловоза v _р = 24 км/ч

 Величины F _кр и v _р для конкретной серии тепловозов устанавливают опытным путем по результатам эксплуатационных испытаний. Для отечественных грузовых тепловозов v _р = 20÷27 км/ч.

Конструкционная скорость локомотива – скорость локомотива, устанавливаемая с учётом допустимого воздействия его на путь, ходовых свойств, безопасности движения (предотвращения схода с рельсов) и прочности его деталей. Конструкционная скорость локомотива, как правило, является наибольшей допустимой скоростью его движения по железнодорожному пути, принятому в качестве типового при проектировании локомотива. Конструкционная скорость моего локомотива v _к = 100 км/ч

Тяговая характеристика тепловоза построена и приложена в приложении Б