Проектирование силовой передачи тепловоза

 

ВИХІДНІ  ДАНІ

 

Ефективна потужність дизеля Ne, кВт	2940
Тип тепловозу	вантажний
Зчіпна вага тепловозу  Рзч, кН	1470
Діаметр рушійних коліс  Dк, мм	1250
Максимальна (конструкційна) швидкість vmax=vкон, км/год	125

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вступ

 

 

Необхідність використання передачі потужності від автономної енергетичної установки до рушійних колісних пар тепловоза викликана особливими вимогами до його вихідних характеристик як транспортної машини. Найпоширенішим силовим двигуном тепловозу є дизель, який за своїми природними характеристиками має (за певної подачі палива) один режим роботи (номінальний), на якому він працює у найоптимальнішому режимі із максимальною (номінальною) потужністю. В цей же час швидкість тепловоза та його силу тяги необхідно змінювати у якнайширшому діапазоні, бажано при збереженні дотичної потужності постійною. Це унеможливлює безпосередній зв'язок валу дизеля із рушійними колесами, за якого, крім того, виникає ряд складностей щодо пуску дизеля тощо.

В практиці вітчизняного тепловозобудування склалися певні типи передач потужності: механічні – для тепловозів малої потужності, гідромеханічні та гідродинамічні – для маневрових та вивізних тепловозів, та електричні, які не дивлячись на їхню високу вартість та значну питому масу, знайшли найбільше поширення для потужних вантажних та пасажирських тепловозів через свої унікальні властивості щодо трансформування енергії та регулювання передачі. Розрізняють електричні передачі постійного, змінно-постійного та змінного струму. Найбільш прогресивними насьогодні є передачі змінно-постійного струму, де тяговий генератор, який приводиться від валу дизеля, перетворює механічну енергію обертання колінчастого вала на електричну енергію змінного струму, яка подається до тягової випрямної установки, та далі у вигляді електроенергії постійного струму споживається тяговими двигунами. Однак передачами майбутнього є передачі змінного струму, в яких застосовані тягові асинхронні або вентильні двигуни. Основу регулювання передач такого типу складають керовані тиристори або транзистори, які певним чином комутують кола живлення тягових двигунів. Складність виготовлення та значні розбіжності у характеристиках напівпровідникових приборів зараз поки що стримують розвиток передач такого виду.

У даному курсовому проекті ставиться задача передескізного проектування електричної передачі потужності, яке зокрема включає в себе:

визначення основних режимів роботи передачі, побудову зовнішньої та регулювальної характеристики тягового генератора,

визначення схеми передачі та схеми регулювання збудження тягового генератора,

побудову тягової характеристики тепловоза,

визначення передаточного  відношення тягового редуктора,

електромагнітний розрахунок тягового електродвигуна.

 

1 Визначення основних параметрів  електричної передачі тепловоза

 

 

Потужність дизеля, кВт, яка віддається на тягу

, (1.1)

де N_е – ефективна потужність дизеля, кВт, за завданням N_е=2940 кВт,

    ΔN – потужність допоміжних потреб, кВт, приймаємо

, (1.2)

 кВт,

 кВт.

Потужність на затискачах тягового генератора, кВт

, (1.3)

де η_г – коефіцієнт корисної дії (ККД) генератора, приймаємо за [1] η_г=0,95,

 кВт.

Розрахункова сила тяги, кН, визначена з умови реалізації коефіцієнта тяги на розрахунковому підйомі

, (1.4)

де Р_зч – зчіпна вага тепловоза, кН, за завданням Р_зч=1470 кН,

     ψ_кр – коефіцієнт тяги на розрахунковому підйомі, приймаємо для заданого вантажного тепловоза [1] ψ_кр=0,18,

  кН.

Швидкість на розрахунковому підйомі, км/год

, (1.5)

де η_еп – коефіцієнт корисної дії (ККД) електропередачі, приймаємо за [1]  η_еп=0,84,

 км/год.

Потужність на затискачах тягового електродвигуна, кВт

, (1.6)

де с – число тягових електродвигунів тепловоза, приймаємо за зразком більшості вітчизняних серій вантажних тепловозів с=6,

 кВт.

Потужність на валу тягового електродвигуна попередньо, кВт

, (1.7)

де η_ед – ККД електродвигуна, приймаємо за [1]  η_ед=0,92,

 кВт.

 

2 Побудова зовнішньої характеристики  тягового генератора та регулювальної  характеристики електропередачі

 

 

Для подальших розрахунків  попередньо обираємо схему постійного паралельного з’єднання тягового генератора (ТГ) та тягових електродвигунів (ТЕД). Така силова схема передачі потужності, яка є загальновживаною у вітчизняних вантажних тепловозів, дозволяє підвищити стійкість локомотива проти буксування, що через процеси зчеплення впливає на покращення тягових властивостей тепловозу. Для обраної схеми з’єднання ТГ та ТЕД напруга на кожному ТЕД дорівнює напрузі ТГ, а струм кожного ТЕД менший від струму ТГ на величину кількості паралельних гілок ТЕД.

Керуючись досвідом проектування передач потужності, а також технічним  завданням, що встановлює відносно високу величину потужності, що передається  до силової мережі, приймаємо [1] для обраної схеми з’єднання ТГ та ТЕД максимальну напругу ТГ U_гmax=750 В. Тоді напруга тривалого режиму, В

, (2.1)

де С_гU – коефіцієнт регулювання ТГ за напругою, приймаємо за [1]  С_гU=1,5,

 В.

Струм тривалого режиму, А

        , (2.2)

 А.

Мінімальний струм ТГ, А, виходячи з необхідності регулювання передачі за законом постійної потужності, що передається

, (2.3)

 А.

Максимальний струм ТГ, А

, (2.4)

де С_гІ – коефіцієнт регулювання ТГ за струмом, приймаємо за [1], С_гІ=2,0, 

  А.

За отриманими даними будуємо зовнішню характеристику ТГ як залежність напруги на його затискачах від струму у його колі. На зовнішню характеристику (рис.2.1) нанесено обмеження за потужністю (гіперболічна ділянка графіку) та максимальними струмом та напругою. Характеристику побудовано засобами інтегрованого пакету програм Mathcad, текст програми наведено у дод.А.

Рисунок 2.1 – Зовнішня характеристика тягового генератора

 

Діапазон можливих швидкостей руху тепловоза характеризується коефіцієнтом регулювання передачі за швидкістю 

, (2.5)

де v_max – максимальна швидкість руху локомотива, км/год, приймаємо за завданням v_max=125 км/год,

.

Для реалізації коефіцієнта  регулювання за швидкістю С_v=4,2>2,1 при регулюванні напруги ТГ у вказаному вище діапазоні та збереженні умови постійності потужності, що передається до силової мережі, необхідно ще додатково передбачити у проектованій передачі послаблення поля збудження ТЕД (послаблення поля – ОП). Це найбільш розповсюджений та дешевий метод розширення діапазону регулювання швидкості тепловоза без зміни діапазону регулювання напруги.

Для кількісної оцінки ступеня  послаблення поля встановлюємо мінімальне значення коефіцієнта послаблення збудження, який при постійній кількості витків обмотки збудження визначається для ТЕД постійного струму послідовного збудження як відношення струму збудження головних полюсів до струму якоря, або ж за формулою

, (2.6)

.

При β_min=0,28<0,5 для запобігання кидкам струму (отже й сили тяги) при переходах між режимами збудження ТЕД, приймаємо два ступеня послаблення збудження, β₂=β_min=0,28, та для проміжного ступеня

, (2.7)

.

Струмові характеристики ТГ (залежність струму ТГ від швидкості  та режиму поля збудження) будуємо з  наступних співвідношень [1]:

для режиму повного поля (ПП)

, (2.8)

для першого ступеня послаблення  збудження (ОП1)

, (2.9)

для другого ступеня послаблення  збудження (ОП2)

. (2.10)

Регулювальну характеристику (залежність напруги на затискачах ТГ від швидкості руху та режиму збудження) визначаємо на підставі отриманих струмових характеристик, ставлячи у відповідність кожному значенню струму певне значення напруги за зовнішньою характеристикою                     ТГ (див. рис.2.1).

Зважаючи на складність та однотипність обчислень, розрахунки за формулами (2.8)-(2.10), а також побудову регулювальної характеристики ТГ виконано засобами інтегрованого пакету програм Mathcad (див. дод.А). Результати розрахунків у наочній формі наведено на рис.2.2, 2.3.

Швидкості переходів між ступенями  послаблення збудження визначаємо графічно у точках перетину кривих І_г(v) із лінією 1,25·І_min. Ці швидкості становлять: для переходу ПП-ОП1 v₁=39,4 км/год, для переходу ОП1-ОП2 v₂=54,2 км/год.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.2 – Струмові характеристики тягового генератора

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.3 – Струмова та регулювальна характеристики тягового генератора

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3.1 – Тягова характеристика проектованого тепловозу та її обмеження

 

3 Побудова тягової характеристики тепловоза

 

 

Силу тяги, кН, в залежності від швидкості руху визначаємо за формулою

, (3.1)

де N_д – потужність дизеля, яка віддається на тягу, кВт, з п.1 N_д=2616,6 кВт,

    η_еп – ККД електропередачі, визначаємо за [1, рис.1] в залежності від відношення дійсного та номінального (тривалого) значення струму ТГ,

    v – швидкість руху, км/год.

Графік отриманої таким  чином тягової характеристики обмежується  за максимальною швидкістю v_max=v_кон=125 км/год, а також за максимальним струмом ТГ та за зчепленням.

Обмеженню за максимально припустимим струмом ТГ (за умовами комутації тягових електричних машин) відповідає швидкість v_ок, до досягнення якої сила тяги тепловоза приймається постійною на рівні максимального струму ТГ І_гmax. Ця швидкість, км/год, визначається

, (3.2)

 км/год.

Максимально можлива до реалізації сила тяги, кН, за нормальних умов зчеплення коліс із рейками

, (3.3)

де Р_зч – зчіпна вага тепловоза, кН, за завданням Р_зч=1470 кН,

    ψ_к – розрахунковий коефіцієнт зчеплення, за емпіричною формулою [1] для швидкості в км/год

. (3.4)

Розрахунок тягової  характеристики за формулою (3.1), а також  її обмежень за формулами (3.2)-(3.4) виконано засобами інтегрованого пакету програм Mathcad (див. дод.А), результат розрахунку у вигляді графіку тягової характеристики наведено на рис.3.1.

При v=v_р=30 км/год визначаємо значення розрахункової сили тяги               F_кр=264,1 кН, що близько до попередньо розрахунку у п.1.

При переходах між  ступенями послаблення збудження  ТЕД за визначеними вище (див. п.2) швидкостями значення сили тяги мають кидки у бік зменшення при вмиканні більш глибокого ступеня послаблення збудження, що викликано кидками струму на струмовій діаграмі (див. рис.2.2) та відповідними кидками ККД електропередачі. Не дивлячись на це, оскільки побудована характеристика є орієнтовною (надалі повинна бути уточнена за швидкісними характеристиками ТЕД із уточненням швидкостей переходів), то приймаємо її для подальших розрахунків.

4 Визначення передаточного числа  тягового редуктора

 

 

Серед можливих варіантів  компонування колесо-моторного блоку  та підвішування обираємо найбільш поширену для вантажних локомотивів схему  опорно-осьового підвішування ТЕД (рис.4.1), за якої біля половини маси ТЕД спирається на вісь колісної пари, інша частина маси пружно з’єднана із рамою візка.

 

 

Рисунок 4.1 – Ескіз  опорно-осьового підвішування тягового електродвигуна

 

При проектуванні колесо-моторного блоку можна при однаковій потужності ТЕД передбачити різні значення обертаючого моменту в залежності від обраної частоти обертання валу якоря. Крім того, за опорно-осьового підвішування розміри ТЕД обмежені відстанню між внутрішніми гранями бандажів колісних пар та найменшою відстанню від корпусу ТЕД до рівня голівки рейки а (див. рис.4.1), оскільки електродвигун постійного струму є граничною конструкцією. Для можливості збільшення габаритів ТЕД його вісь симетрії розміщують дещо вище вісі колісної пари на величину, яку приймаємо [1] х=30 мм.

Частота обертання якоря  ТЕД у тривалому режимі роботи, об/хв, яка відповідає розрахунковій  швидкості

, (4.1)

де і – передаточне число тягового редуктора,