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:

N_k=N_e·(1- )·h_пер, (22)

где N_e- эффективная мощность дизеля тепловоза, кВт;

h_пер -к.п.д. тяговой передачи;

- доля мощности дизеля, затрачиваемая на привод вспомогательного оборудования тепловоза:

= . (23)

Введем понятие - коэффициент использования мощности дизеля:

, (24)

или

N_k = N_e·φ. (25)

 

Сравнение выражений (24) и (25) позволяет сформулировать физический смысл величины - какая часть мощности силовой установки (дизеля) реализуется в полезную работу (мощность) на создание касательной силы тяги при взаимодействии колес тепловоза с рельсами.

Таким образом

= (1- )· . (26)

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:

N_к= F_к·(v)= const, (27)

откуда

F_к= = (28)

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:

F_кmax 1000· , (29)

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

- расчетный коэффициент сцепления;

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

Неравенство (29) 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» 1985 года издания приводятся эмпирические формулы для определения значений расчетного коэффициента сцепления для тепловозов различных серий.

Так, для тепловозов серии 2ТЭ10Л:

. (30)

Для остальных серий грузовых тепловозов с электрической передачей (ТЭ3,М62,2М62У,2ТЭ10В, 3ТЭ10М и 2ТЭ116):

. (31)

Для магистральных тепловозов ТГ16, ТГ21 и 2ТГ22 (колея 1067 мм) с гидропередачей:

. (32)

Для промышленных тепловозов серий ТГМ4 (всех модификаций) и ТГМ6 (всех модификаций), занятых на вывозной работе:

, (33)

где v – скорость движения, км/ч.

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 (27) примет вид, кВт:

, (34)

где F_к – касательная сила тяги, Н;

v – скорость движения, км/ч;

3600 – коэффициент, зависящий от принятых единиц измерения.

Подставив уравнение (34) в (28), получим равенство для определения второго ограничения касательной силы тяги, Н:

, (35)

где N_е – эффективная мощность дизеля, кВт;

j - коэффициент использования мощности дизеля; в связи с тем, что величина j зависит от затрат мощности дизеля на привод вспомогательного оборудования тепловоза, типа тяговой передачи и ряда других факторов в курсовом проекте можно принять: для тепловозов секционной мощностью N_е £ 1000 кВт j = 0,75; для тепловозов N_е > 1000 кВт - j = 0,70.

При выполнении курсового пректа необходимо рассчитать параметры и построить тяговую характеристику проектируемого тепловоза с использованием упрощенной методики. При этом рекомендуется руководствоваться следующим:

1. Воспользовавшись выражениями (30-33), необходимо рассчитать ограничение тяговой характеристики F_к = f(v) тепловоза по сцеплению.

Результаты расчетов ограничения F_к = f(v) по сцеплению целесообразно представить в табличной форме, аналогичной табл.3.

Рекомендуется принять диапазон изменения скорости движения тепловоза 0 - 30 км/ч с шагом =5км/ч.

Таблица 3

Расчеты ограничения кривой F_к=f(v) по сцеплению

v, км/ч
Fк ,,Н

По формуле (35) необходимо рассчитать ограничение тяговой характеристики F_к=f(v) проектируемого тепловоза по мощности силовой установки (дизеля).

Результаты расчетов ограничения кривой F_к=f(v) по мощности дизеля целесообразно представить в табличной форме, аналогичной табл.4. Рекомендуется принять диапазон изменения скорости движения тепловоза 10 - v_k с шагом =10км/ч.

Таблица 4

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

v,км/ч			v k
Fк ,Н

3. На миллиметровой бумаге или с помощью компьютера по данным таблиц 3 и 4 необходимо построить в масштабе расчетную тяговую характеристику проектируемого тепловоза. Пересечение кривых F_ксц = f(v) (ограничение по сцеплению) и F_к = f(v) (ограничение по мощности) позволяет определить значение скорости порогового (автоматического) режима v *, начиная с которой на тепловозе осуществляется автоматическое регулирование основных параметров движения (F_к и v). В качестве примера на рис.7 показана расчетная тяговая характеристика двухсекционного грузового тепловоза мощностью 4400 кВт (6000 л.с.) и отмечены характерные скорости: порогового режима v *, расчетная v _р и конструкционная v _к скорости движения_.

Одним из важнейших показателей тяговой характеристики локомотива является расчетная скорость движения v _р.

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.

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, для пассажирских v_р = 45÷50 км/ч, для маневровых v_р =5÷10 км/ч.

Снижение значения расчетной скорости грузовых тепловозов – один из важнейших резервов повышения эксплуатационной эффективности тепловозной тяги, т.к. позволит увеличить весовые нормы грузовых поездов без увеличения мощности силовой установки тепловоза.

4. На построенной тяговой характеристике необходимо отметить ее ограничения: по сцеплению (кривая на рис.7) и максимально допустимой (конструкционной) скорости движения тепловоза. Конструкционная скорость зависит от рода службы локомотива и может быть принята из следующих соотношений:

для грузовых тепловозов - v _k = 100÷120 км/ч;

для пассажирских тепловозов - v _k = 160÷200 км/ч;

для маневровых тепловозов - v _k = 80÷100 км/ч;

для промышленных тепловозов с гидропередачей (поездной режим) - v _k = 60÷80 км/ч.

Рис. 7. Определение тяговой характеристики проектируемого тепловоза