1. Общие указания к выполнению курсового и

ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТОВ

При выполнении курсового проекта необходимо:

во введении показать перспективы развития тепловозной тяги, обозначить основные отличия конструкции перспективных моделей тепловозов от конструкции серийных тепловозов третьего поколения;

привести краткую техническую характеристику серийного тепловоза, его основных узлов (дизеля, передачи, экипажа и т. д.), дать краткое описание конструкции и принципа работы топливной, масляной и водяной систем охлаждения (общий объем раздела – не более 10 с. текста);

рассчитать тяговые и технико-экономические характеристики серийного тепловоза (тепловоза-образца) для номинального режима работы дизель-генераторной установки и характеристики расчетного тепловоза для режима работы, определенного в задании на проектирование;

по заданным параметрам теплоносителей в системе охлаждения расчетного тепловоза и по их нормативным значениям оценить эффективность и долю отбора мощности на работу системы охлаждения;

обобщить результаты расчета по разделам курсового проектирования, сделать выводы и дать рекомендации, позволяющие повысить эффективность эксплуатации тепловозов в поездной работе.

При выполнении курсовых и дипломных проектов по предлагаемым методическим указаниям кроме данных, представленных в задании и приложении к данной работе, необходимо использовать техническую литературу по дисциплинам специальности 190301 «Локомотивы».

Тягово-энергетические параметры серийных тепловозов, их силовых установок и агрегатов тяговой передачи приведены в работах [1 – 8].

При оценке эффективности работы системы охлаждения тепловозов рекомендуется использовать работу [9], в которой наряду с описанием конструкции систем охлаждения серийных тепловозов приведены их технические характеристики и методика для оценки коэффициентов теплопередачи тепловозных теплообменников различной конструкции.

6

Конструктивные параметры экипажной части серийного и перспективного дизельного подвижного состава, необходимые для выполнения расчетов, представлены в работах [10, 11]. Изменение тяговой способности локомотива в зависимости от параметров настройки его дизель-генераторной установки следует оценивать по правилам тяговых расчетов [12]. При описании конструкции серийных тепловозов рекомендуется использовать техническую литературу, например [13 – 15].

Некоторые особенности конструкции перспективных тепловозов, тепловозов четвертого поколения, приведены в работе [16] и специализированных журналах «Локомотив» и «Железнодорожный транспорт».

Графическую часть проекта, чертеж узла или детали тепловоза необходимо выполнять с использованием стандартного пакета программ системы автоматизированного проектирования «Компас». Правила оформления пояснительной записки, рисунков, чертежей и таблиц должны соответствовать требованиям методических указаний [19].

2. Определение тягово-энергетических параметров

ТЕПЛОВОЗА

Для сравнительного анализа тягово-энергетических характеристик серийного и расчетного тепловозов с электрической передачей постоянного (ПТ) и переменно-постоянного тока (ППТ) необходимо использовать технические параметры, перечень которых представлен в табл. 2.1, при формировании которой для серийного тепловоза следует использовать данные, представленные в литературе [1 – 18] и в приложении настоящих методических указаний.

При выполнении сравнительных расчетов в рамках курсового проектирования сделано допущение, что коэффициенты полезного действия (КПД) тяговых генераторов, выпрямительных установок, тяговых двигателей, значения расчетной и конструкционной скорости остаются неизменными в условиях эксплуатации.

В условиях действующей системы ремонта локомотивов, при проведении реостатных испытаний, на которых выполняется настройка мощности и экономичности дизель-генераторной установки тепловоза, возможно отклонение значения выходной мощности тягового генератора (тепловозы с передачей постоянного тока) или выпрямительной установки (тепловозы с передачей переменно-постоянного тока) и удельного расхода топлива от их паспортных, нормативных, значений. Очевидно, что такое отклонение приведет к изменению тяговой способности тепловоза, изменению режимов работы основного и вспомогательного оборудования, определить которые необходимо при выполнении курсовой работы.

Т а б л и ц а 2.1
Исходные данные для сравнительной оценки тягово-энергетических характеристик серийного и расчетного тепловозов
Наименование параметра	Обозначение и методика определения параметра для тепловоза
	серийного	расчетного
1	2	3
Эффективная мощность дизеля , кВт
Частота вращения коленчатого вала дизеля , мин^–1
Удельный расход топлива дизелем , кг/(кВтч)
Мощность выпрямительной установки , кВт
КПД выпрямительной установки
Мощность тягового генератора , кВт
КПД тягового генератора,
Мощность тягового двигателя , кВт
КПД тягового двигателя
О к о н ч а н и е т а б л. 2.1
1	2	3
КПД тягового редуктора
Скорость длительного режима , км/ч
Конструкционная скорость , км/ч
Количество секций, а

При выполнении работы необходимо использовать основные теоретические положения дисциплин «Теория и конструкция локомотивов», «Локомотивные энергетические установки», «Передачи мощности тепловозов» и «Теория локомотивной тяги».

Анализ тягово-энергетических параметров тепловозов с электрической передачей крутящего момента от вала дизеля к колесной паре выполняется в следующей последовательности.

1. Для серийного тепловоза принять:

и т.д.

2. Определить касательную мощность тепловоза по выражению, кВт –

.

(2.1)

В выражении (2.1) произведение представляет собой КПД силовой передачи крутящего момента от вала дизеля к колесной паре тепловоза.

3. Мощность энергетической установки, затраченная на собственные нужды тепловоза, т. е. мощность на привод вспомогательного оборудования, может быть определена по уравнению, кВт:

.

(2.2)

4. Коэффициент полезного действия вспомогательного оборудования тепловоза в уравнении (2.2) рассчитывается по известным техническим характеристикам серийных тепловозов для номинального режима работы (табл. П.1):

,

(2.3)

или по эмпирическому выражению:

.

(2.4)

Зависимости (2.3), (2.4) могут быть использованы для оценки КПД вспомогательного оборудования для тепловозов с диапазоном эффективной мощности силовой энергетической установки до 3600 кВт.

5. Электромеханические, скоростные характеристики тяговых двигателей тепловозов могут быть построены с использованием эмпирического выражения вида:

,

(2.5)

где a, b – коэффициенты регрессии.

Значения коэффициентов регрессии для тепловозных тяговых двигателей приведены в табл. П.3 (ПП– режим полного возбуждения, ОП1 – режим первой ступени ослабления возбуждения, ОП2 – режим второй ступени ослабления возбуждения), Тогда характеристики крутящего момента на валу тягового двигателя определится, Н·м:

,	(2.6)
где – номинальная мощность тягового двигателя тепловоза, кВт;
– частота вращения якоря ТЭД для заданного значения тока, мин^–1.

Расчет электромеханических характеристик тяговых двигателей по выражениям (2.5, 2.6) выполняется для токов, изменяющихся от минимального до максимального значения с определенным шагом (для каждого режима работы электрической передачи необходимо рассчитать не менее восьми точек).

Результаты расчетов следует представить в виде табл. 2.2 (в числителе приводятся параметры электромеханических характеристик серийного тепловоза, в знаменателе – расчетного).

По данным табл. 2.2, используя инструментальные средства среды Microsoft Excel, необходимо построить электромеханические характеристики тяговых двигателей серийного и расчетного тепловозов (рис. П.3).

6. Для каждого значения частоты вращения и крутящего момента на валу тягового двигателя рассчитываются параметры тяговой характеристики тепловоза с учетом режима работы электрической передачи по выражениям:

,	(2.7)
	(2.8)

где – передаточное отношение тягового редуктора колесно-моторного блока тепловоза (табл. П.5).

– количество колесно-моторных блоков (КМБ), или количество ведущих осей в конструкции тепловоза.

Касательная сила тяги тепловоза может быть определена по техническим параметрам колесно-моторного блока, Н:

.

(2.9)

Очевидно, согласно (2.9), максимальную касательную силу тяги локомотив будет развивать при условии:

(2.10)

Если условие (2.10) справедливо, то с учетом формул (2.7) – (2.9) тяговая характеристика тепловоза, т. е. зависимость , может быть построена по выражению:

.

(2.11)

Тяговая характеристика строится по выражению (2.11) для номинальной мощности энергетической установки тепловоза для трех режимов работы электрической силовой передачи в диапазоне скорости движения поезда V от нуля до V_кон (рис. П.4).

Расчет тяговой характеристики тепловоза целесообразно выполнять в виде табл. 2.3, по результатам которой строятся зависимости для серийного и рассчитываемого тепловоза. Значения скорости движения тепловоза, соответствующие переходу с одного режима работы тяговых двигателей на другой (значения скорости, соответствующие включению и отключению реле переходов РП1 и РП2), для тепловозов определяются по техническим характеристикам серийных тепловозов (табл. П.4).

На тяговые характеристики тепловозов необходимо нанести следующие ограничения:

по максимальной касательной силе тяги (ограничение по сцеплению)

,

(2.12)

где – сцепной вес тепловоза, кН, и расчетный коэффициент сцепления соответственно;

по конструкционной скорости движения тепловоза и по расчетной касательной силе тяги, соответствующей расчетной скорости движения тепловоза.

При расчете характеристики максимальной силы тяги в диапазоне скоростей от V=0 до V = V_р среднее значение коэффициента сцепления для тепловозов всех серий рассчитывается по формуле:

.

(2.13)

Результаты расчетов зависимости наносятся на график тяговой характеристики тепловоза (см. рис. П.4).

7. Технико-экономические характеристики тепловоза представляют собой зависимости эффективной и касательной мощности тепловоза, часового расхода топлива дизелем, КПД силовой передачи и КПД тепловоза от скорости его движения в условиях эксплуатации.

Для заданного режима работы тепловоза (для определенной позиции контроллера машиниста) эффективная мощность дизеля есть величина постоянная и не зависит от скорости движения тепловоза, т. е. N_е = f(V) = const. При изменении позиции контроллера машиниста изменится эффективная мощность дизеля, однако, как и ранее, она не будет зависеть от скорости движения тепловоза.

Часовой расход топлива дизелем определяется по выражению, кг/ч:

.

(2.14)

Очевидно, что для определенной позиции контроллера машиниста тепловоза, когда b_е = f(N_е) и N_е = f(V) = const, будем иметь: В_ч = f(V) = const. При изменении режима работы тепловоза изменятся величины N_е и b_е, и, следовательно, – В_ч, но, как и ранее, они не будут зависеть от скорости движения тепловоза.

Характеристика КПД силовой передачи тепловоза для номинального режима работы будет изменяться в соответствии с выражением:

,

(2.15)

а эксплуатационный КПД тепловоза:

.

(2.16)

Результаты расчета технико-экономических характеристик

для всех режимов работы электрооборудования (ПП, ОП1, ОП2) оформляются по форме табл. 2.4 и в виде графических зависимостей (рис. П.5, П.6).

Тягово-энергетические параметры серийного тепловоза, рассчитанные по представленной выше методике, обозначаются с индексом «с», то есть:

и т.д.

8. Для анализа тягово-энергетических характеристик расчетного тепловоза необходимо повторить расчет, начиная с пункта 2, предварительно введя обозначения:

и т.д.

Диапазон изменения рабочих токов тяговых двигателей в этом случае определяется по следующей методике:

а) для серийного тепловоза определить минимальное и максимальное напряжение на зажимах тягового генератора (электрическая передача постоянного тока) или выпрямительной установки (передача переменно-постоянного тока);

б) по мощности тягового генератора (выпрямительной установки) расчетного тепловоза, максимальному и минимальному значениям напряжения на их зажимах и в соответствии со схемой соединения тяговых двигателей определяется диапазон токов для тяговых двигателей расчетного тепловоза.

Результаты расчетов в этом случае обозначаются с индексом «р», то есть:

и т.д.

Результаты расчета технико-экономических характеристик серийного и расчетного тепловозов для каждого режима работы электропередачи должны быть представлены в виде табл. 2.4, по данным которой необходимо сделать выводы об эффективности настройки тепловоза.

Очевидно, отклонение мощности дизель-генераторной установки тепловоза от номинального, паспортного, значения приведет к изменению силы тяги, а, следовательно, к изменению веса поезда на величину, кН:

.

(2.17)

При определении величины отклонения веса состава по выражению (2.17) необходимо принять, что состав сформирован из груженых вагонов и поезд движется на расчетном подъеме (9 ⁰/₀₀) с расчетной скоростью. Основное удельное сопротивление движению тепловоза с электрической передачей и вагонов определяется по правилам тяговых расчетов [13, 14].

Т а б л и ц а 2.2
Расчет электромеханических характеристик тяговых двигателей серийного и расчетного тепловозов
Ток двигателя, А	Частота вращения ( , мин^–1) и крутящий момент на валу тягового двигателя ( , Н·м) для режима работы
	ПП		ОП1		ОП2

Т а б л и ц а 2.3
Расчет тяговой характеристики серийного и расчетного тепловозов
Ток двигателя , А	Скорость ( , км/ч) и касательная сила тяги ( , Н) для режима работы
	ПП		ОП1		ОП2

Т а б л и ц а 2.4
Технико-экономические характеристики серийного и расчетного тепловозов для режима полного возбуждения тяговых двигателей
Скорость тепловоза V, км/ч	Технико-экономические характеристики тепловозов для режима работы электрической передачи

Т а б л и ц а 2.5
Сравнительные характеристики тяговых и экономических параметров серийного и расчетного тепловозов для номинального режима работы
Наименование показателя	Значение показателя для тепловоза		Относительное отклонение показателей
	серийного	расчетного
1	2	3	4
Расчетная касательная сила тяги секции тепловоза, кН
Расчетная, длительная скорость тепловоза, км/ч			0
Расчетный подъем, ^о/оо			0
Эффективная мощность дизеля, кВт
Частота вращения коленчатого вала дизеля, мин^-1
Удельный эффективный расход топлива дизелем, кг/(кВтч)
Мощность тягового генератора, кВт

Окончание табл. 2.5
1	2	3	4
КПД тягового генератора,			0
Мощность выпрямительной установки, кВт
КПД выпрямительной установки			0
Мощность тягового двигателя, кВт
КПД тягового двигателя			0
Передаточное отношение тягового редуктора			0
КПД тягового редуктора тепловоза			0
КПД силовой передачи крутящего момента от вала дизеля к колесной паре			0
КПД вспомогательного оборудования			0
Мощность, затраченная на привод вспомогательного оборудования тепловоза