Проектирование силовой передачи тепловоза

   v_р – розрахункова швидкість тепловоза, км/год, з п. 1 v_р=30 км/год,

   D_к – діаметр рушійних колес, мм, приймаємо за завданням D_к=1250 мм.

Для проектованого вантажного локомотива при D_к=1250 мм за [1] приймаємо передаточне число тягового редуктора і=5,2. Тоді

 об/хв.

Передаточне число тягового редуктора визначається також із співвідношення

, (4.2)

де Z_з, z_з – числа зубців відповідно великого та малого зубчастих коліс,

     D_з, d_з – діаметри великого та малого зубчастих коліс

, (4.3)

де h′, h″ – відповідно відстань від рівня голівки рейки до нижньої частини кожуху тягового редуктора та від ділильного кола великої шестерні до днища тягового редуктора, мм (згідно зі рис.4.2), приймаємо за [1] h′=130 мм,        h″=25 мм,

, (4.4)

 

 

Рисунок 4.2 – Ескіз  до визначення розмірів тягової зубчастої  передачі

 

 

= 940,00 мм,

 мм.

Потужність тривалого режиму на валу ТЕД, кВт 

, (4.5)

де F_кр – розрахункова сила тяги, кН, з п.3 F_кр=264,1 кН,

     с – число тягових електродвигунів тепловоза, приймаємо за п.1 с=6,

     η_тр – ККД тягового редуктора, приймаємо за [1] η_тр=0,985,

 кВт.

Номінальний обертаючий момент (у тривалому режимі) на валу якоря ТЕД, кН·м

, (4.6)

 кН·м.

Для отриманого значення обертаючого моменту приймаємо [1] модуль зачеплення т=12 мм. Тоді числа зубців відповідно великого та малого зубчастих коліс редуктора, за формулою (4.2)

, (4.7)

Централь (див. рис.4.1), мм, за поширеної корекції зубчастих  коліс редуктора (відсутня для великого колеса ξ_к=0 та для малого колеса ξ_к=+0,5)

, (4.8)

 мм.

Діаметр якоря двигуна, мм, попередньо треба перевірити на вписування у можливі габарити опорно-осьового підвішування за формулою

, (4.9)

де k_я – приймаємо для проектованого двигуна із ізоляцією класу нагрівостійкості F k_я=600,

 мм ≤ 1,15Ц=1,15·564,0=648,6 мм.

Обчислений діаметр  якоря ТЕД округляємо до найближчого стандартного значення [1] та приймаємо остаточно D_я=423 мм.

Для прийнятого діаметру якоря повинна виконуватися умова

, (4.10)

де п_max – максимальна частота обертання валу якоря, об/хв

, (4.11)

 об/хв,

 м/с м/с.

Висоту (ширину) корпусу  двигуна, мм, приймаємо

, (4.12)

мм.

Відстань від корпусу  двигуна до рівня голівки рейки, мм (див. рис.4.2)

, (4.13)

 мм.

Отримана відстань не менша за гранично припустиму 120 мм, отже розрахунки можна приймати для  подальшого уточнюючого проектування.

 

 

5 Розробка силової  схеми тепловоза та схеми регулювання  потужності тягового генератора

 

 

За аналізом технічного завдання в якості силової схеми приймаємо схему електропередачі змінно-постійного струму [3] потужних вітчизняних вантажних тепловозів 2ТЭ116, 2ТЭ121, оскільки ефективна потужність дизелів, які на них встановлено, близька до потужності, наведеної у завданні на курсовий проект. За такої схеми змінна шестифазна напруга ТГ випрямлюється випрямною установкою ВУ (на силових напівпровідникових кремнієвих лавинних діодах) та подається на шість ТЕД, які з’єднані паралельно. До ТГ електродвигуни приєднуються за допомогою шести електропневматичних поїзних контакторів, які дозволяють розривати кола електродвигунів, аби забезпечити вимикання ТЕД, який зазнав пошкодження тощо. Крім того, ТГ може забезпечувати живлення змінним струмом асинхронних електродвигунів допоміжного обладнання. ТГ має незалежне збудження, обмотка збудження розташована на 12 полюсах ротора та живиться від збуджувача (синхронний генератор підвищеної частоти) випрямленим струмом через керований випрямний міст.   

Принципові силова схема  та схема регулювання потужності ТГ наведені на рис.5.1. На схемі скорочено позначенно:

БДП – блок діодів порівняння,

БЗЗ – блок задавання збудження,

БКЗ – блок керування збудженням,

БС1-БС3 – блок випрямляча,

БСТ1 – блок стабілізації,

ВУ – випрямна установка,

Г – генератор тяговий,

ІД – індукційний  датчик,

З1 – запобіжник 160 А,

ЗШ1-ЗШ2 – контактор послаблення збудження,

КВЗ – керований випрямляч збудження,

КЗ – контактор збудження  тягового генератора,

ОРПН1-ОРПН3 – резистор реле переходу,

ОІД – резистор індуктивного датчика,

ОРБ1-ОРБ3 – опір реле боксування,

ОСВ1,ОСВ2 – панель опорів селективного вузла (потенціометр зворотного зв’язку) ,

ОТН – резистор трансформатора постійної  напруги,

ОШ1-ОШ6 – резистор послаблення  збудження ТЕД,

П1-П6 – контактор ТЕД,          

ПР – реверсор,

РБ1-РБ3 – реле боксування,

РП1-РП3 – реле переходу,

СЗ – синхронний збуджувач,

ТК – трансформатор корекції,

ТР1,ТР2 – трансформатор розподільчий,        

ТПН – трансформатор постійної  напруги,

ТПС1-ТПС4 – трансформатор постійного струму,

1-6 – електродвигун тяговий.

Швидкість тепловоза та тягове зусилля  регулюється збудженням ТГ та зміненням частоти обертання колінчастого валу дизеля, яка задається контролером машиніста. Для розширення діапазону можливих швидкостей локомотива, при яких споживається повна потужність дизеля, згідно із розрахунком (див. п.2) застосовано два ступеня послаблення збудження ТЕД: на 53% (ОП-1) та 28% (ОП-2). Послаблення збудження досягається підключенням резисторів ОШ1-ОШ2 (див. рис.5.1) паралельно обмоткам збудження ТЕД за допомогою групових контакторів ЗШ1-ЗШ2. Перехід на послаблене збудження та зняття послаблення здійснюється автоматично за допомогою реле переходів РП1 та РП2, які вмикають та вимикають групові контактори ЗШ1, ЗШ2. Напрямок руху тепловоза залежить від напрямку струму в обмотках збудження ТЕД, який перемикається контакторами реверсору ПР.

В якості джерела збудження ТГ застосовано  однофазний синхронний генератор змінного струму СЗ (живиться від загальної мережі живлення кіл керування), напруга якого випрямлюється у керованому випрямлячі збудження КВЗ та подається на обмотку збудження ТГ. Напруга, що випрямлюється, регулюється у КВЗ зміненням моменту відкриття керованих вентилів (тиристорів), які встановлені у двох плечах мосту.

Регулювання струму збудження ТГ передбачає підтримування постійної потужності у межах гіперболічної частини зовнішньої характеристики ТГ (див. рис.2.1), а також обмеження струму та напруги ТГ при перевищенні максимально припустимих для них значень. Це здійснюється спільною роботою об’єднаного регулятора дизеля, тахометричного блоку задавання збудження БЗЗ (див. рис.5.1), вузла зворотного зв’язку за струмом та напругою ВУ, селективного вузла діодно-потенціометричного типу СВ (на схемі позначено штрихпунктирним прямокутником) та блоку керування збудженням БКЗ.

Об’єднаний регулятор дизеля підтримує  встановлену частоту обертання  колінчастого валу та спільно із індуктивним датчиком ІД та тахометричним блоком БЗЗ підтримує заданий по позиціях контролеру рівень потужності. Вузол зворотного зв’язку за струмом та напругою ВУ складається із трансформаторів постійного струму ТПС1-ТПС4 та напруги ТПН із випрямними мостами на виході. Дослідженнями [2] встановлено найкращий порядок вимірювання струмів ТЕД: 1-го, 2-3-го, 4-5-го та 6-го.

Вихідні напруги вузла зворотного зв’язку подаються на потенціометри  ОСВ1 селективного вузла. На потенціометри  ОІД індуктивного датчика та ОСВ2 селективного вузла напруга подається  від блоку БЗЗ. Напруга задавання з потенціометрів ОСВ2 та ОІД порівнюється у селективному вузлі із напругами вузла зворотного зв’язку потенціометрів ОСВ1 та подається у вигляді сигналу розузгодження до блоку БКЗ.

Блок БКЗ має чотири вхідних  та два вихідних кола. Вхідними колами є: коло живлення постійним струмом (включає два стабілітрони, ввімкнені на напругу допоміжного генератора), коло синхронізації (ввімкнено через розподільчий трансформатор ТР1 на напругу збуджувача), коло керуючого сигналу (яким подається струм керування від блоку СВ) та коло стабілізації (куди подається струм від пристрою гнучкого від’ємного зворотного зв’язку виходу КВЗ із входом БКЗ), яке забезпечує стійкість системи регулювання збудження. Вихідними колами сформовані у БКЗ керуючі імпульси подаються на тиристори КВЗ.

КВЗ виконано за несиметричною мостовою схемою, у якій є два тиристорних та два діодних плеча. Управління тиристором характеризується кутом керування α, який відповідає часу від моменту подачі напруги на його анод до моменту подачі імпульсу струму керування від блоку БКЗ на керуючий електрод тиристора. Що більше кут керування тиристорами, то менша середня напруга на виході блоку КВЗ. Встановлюючи таким чином момент відкриття моста КВЗ, відповідно регулюється струм в обмотці збудження ТГ.

Для компенсації падіння напруги  у колі обмотки збудження збуджувача при зростанні струму збудження застосовано схему підживлення збуджувача струмом вузла корекції, який складається з трансформатору корекції ТК та випрямного мосту.

Крім того, за електричною схемою для електрообладнання передачі передбачені наступні захисти:

• ВУ від струмів зовнішнього короткого замикання (КЗ) або перевантаження у тяговому режимі,

• ВУ від внутрішнього КЗ,
• ВУ та ТЕД при поломках електродвигунів вентиляторів охолодження,
• комплексний протибоксувальний пристрій для захисту ТЕД при боксуванні колісних пар. Він дозволяє отримати бажані жорсткі динамічні характеристики ТГ, тобто постійність його напруги при боксуванні однієї чи декількох колісних пар, а також вчасно виявити боксування та його припинення із найменшими втратами сили тяги,
• ТЕД від перевантаженні при виході з ладу одного із них,
• електроустаткування при пробої силового кола на корпус.

При виході з ладу системи автоматичного  регулювання збудження в електричній  схемі передбачено аварійний  режим, за якого перемикачем шунтуються тиристори КВЗ та він працює як звичайний некерований випрямний міст.

Прийняту схему вирізняє широке застосування безконтактної апаратури, виконаної на напівпровідникових та магнітних елементах, що добре характеризує її за експлуатаційними показниками  та параметрами надійності. 

 

 

6 Розрахунок приведеного об’єму  та довжини якоря електродвигуна. Розрахунок обмотки якоря

 

 

Приведений об’єм якоря, см³

, (6.1)

де  D_я – діаметр якоря двигуна, см, за п.4 D_я=42,3 см,

      l_я – довжина осердя якоря, см,

     Р_ед – потужність на затискачах тягового електродвигуна, кВт, за п.1 Р_ед=414,3 кВт,

     α – коефіцієнт полюсного перекриття, для тепловозних ТЕД приймаємо   за [1] α=0,72,

     А – лінійне навантаження якоря струмом, А/см, приймаємо за [4] для потужного тепловозного ТЕД А=600 А/см,

     В_δ – розрахункова магнітна індукція у повітряному зазорі, Тл, приймаємо для тепловозних ТЕД за [1] В_δ=1,05 Тл,

     п_∞ – частота обертання якоря ТЕД у тривалому режимі роботи, об/хв, за п.4  п_∞=661,4 об/хв,

см³.

Довжина осердя якоря, см

, (6.2)

 см,

що знаходяться у межах припустимих  норм.

Полюсна поділка якоря, см

, (6.3)

де 2р – кількість пар головних полюсів, приймаємо за [1] 2р=4,

см.

Зазор під центром  полюсу приймаємо за [1], мм

, (6.4)

 мм.

Зазор під краєм полюсу за рекомендацією [1] приймаємо, мм

, (6.5)

мм.

Приймаючи звичайну петльову двохшарову обмотку якоря при 2р=4 головних полюсах маємо кількість паралельних гілок обмотки 2а=4. Струм у паралельній гілці, А, при струмі ТЕД у тривалому режимі І_д∞=829 А

, (6.6)

 А,

що не перевищує гранично припустимої величини 250 А.

Кількість провідників  обмотки якоря

, (6.7)

.

Оскільки для двохшарової  обмотки до кожної колекторної пластини приєднано два провідника обмотки якоря, кількість колекторних пластин

, (6.8)

.

Знайдену кількість  колекторних пластин перевіряємо  на припустиму середню напругу між  ними при максимальній напрузі на затискачах ТЕД U_дmax=U_гmax=750 В за формулою

В, (6.9)

В В,

отже режим роботи колектора знаходиться у припустимих  межах за максимальною міжколекторною напругою.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5.1 – Структурна схема електричної передачі змінно-постійного струму

 

Висновок

 

 

В ході розробки курсового проекту було виконано передескізне проектування електричної передачі потужності тепловозу, визначено параметри основних режимів роботи передачі за умови, що потужність дизеля, яка споживається на тягу, складає N_д=2616,6 кВт. З вимог постійності вказаної потужності побудовано струмову та регулювальну характеристики тягового генератора, а також тягову характеристику тепловоза, згідно із якою на розрахунковому режимі локомотив розвиває силу тяги F_кр=264,1 кН при швидкості v_р=30 км/год, що цілком відповідає вимогам завдання на потужний та швидкісний вантажний тепловоз. Керуючись досвідом вітчизняного тепловозобудування, для проектованого локомотива запропоновано передачу змінно-постійного струму, розглянуто її складові частини та принцип регулювання потужності тягового генератора. Виконано розрахунок тягового редуктора (передаточне число складає і=5,2), а також електромагнітний розрахунок тягового електродвигуна. Складні розрахунки та побудови графіків виконано за допомогою інтегрованого пакету програм Mathcad.