что называют тяговой характеристикой тепловоза

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;

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

= . (23)

, (24)

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.

= (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:

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.

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;

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.

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

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:

Рис. 7. Определение тяговой характеристики проектируемого тепловоза

Источник

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;

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

= . (23)

, (24)

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.

= (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:

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.

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;

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.

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

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:

Рис. 7. Определение тяговой характеристики проектируемого тепловоза

Источник

Что называют тяговой характеристикой тепловоза

3.2.6.2. ТЯГОВАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЛОКОМОТИВА

[ТПДеев] Тяговой характеристикой локомотива называют графическую зависимость касательной силы тяги от установившейся скорости движения при различных режимах работы тяговых машин (двигателей и генераторов) в пределах ограничений по надежности, устойчивости и безопасности движения.

Тяговая характеристика с возможными ограничениями силы тяги выглядит следующим образом (на примере электровоза переменного тока).

Рис.3.2.6.2-1. Обобщенный вид тяговой характеристики

— пусковые (маневровые и переходные) позиции;
— ходовые позиции;
— переходы между позициями;
— рекомендуемые границы области переходов;
— средняя линия области переходов;
— границы областей ограничений.

Условно тяговую характеристику можно поделить на четыре области:

o для всех локомотивов сила тяги не должна превышать предельного значения, установленного по прочности автосцепок. «Для предупреждения разрыва поездов наибольшая суммарная сила тяги локомотивов, находящихся в голове поезда, при трогании поезда с места определяется исходя из максимально допустимого продольного усилия на автосцепке, равного 950 кН, а наибольшая суммарная сила тяги при разгоне и движении по труднейшему 17 подъему, определяется исходя из максимально допустимого продольного усилия на автосцепке, равного 1300 кН» [ПТР];

o для ЭПС с коллекторными ТЭД ток двигателя I_д (якоря I_я) не должен превышать некоторого наибольшего допустимого значения I_дп.max. При превышении тока I_дп.max возможно искрение и образование кругового огня на коллекторе ТЭД (нарушение нормальной коммутации). В целях недопущения этого, при переходе с одной позиции на другую на ТЭД подают ток, который меняется скачкообразно от минимального I_дп.min (кроме маневровых позиций) до максимального I_дп.max значения. Для упрощения выполнения тяговых расчетов на тяговых характеристиках ЭПС показывают силу тяги для среднедопустимого пускового тока электродвигателя I_дп. В ПТР данное ограничение именуют «по току» или «ограничение по току»;

o для тепловозов с электрической передачей на базе коллекторных ТЭД:

На локомотивах с плавным регулированием напряжения ограничения силы тяги носят аналогичный характер. В отличие от локомотивов со ступенчатым переключением, напряжение на ТЭД подается плавно, вследствие чего отсутствуют скачки тока и тяги. В тоже время подаваемый ток (величина F_к.max) ограничивается условиями стабильной работы тяговых машин и сцепления колес с рельсами.

Ниже приведены тяговые характеристики некоторых локомотивов.

1. Тяговые характеристики электровозов постоянного тока.

Для электровозов постоянного тока характерны следующие сочетания ограничений:

Рис.3.2.6.2-2. Тяговые характеристики электровоза ВЛ10 с коллекторными ТЭД ТЛ2К-1

Рис.3.2.6.2-3. Тяговые характеристики электровоза ЧС6 с коллекторными ТЭД 1AL4741Flt

2. Тяговые характеристики электровозов переменного тока.

Для электровозов переменного тока характерны следующие сочетания ограничений:

Рис.3.2.6.2-4. Тяговые характеристики электровоза ВЛ80 к с коллекторными ТЭД НБ-418К

Рис.3.2.6.2-5. Тяговые характеристики электровоза ЭП1 с асинхронными ТЭД НБ-514Б

3. Тяговые характеристики тепловозов и дизель-поездов.

Для тепловозов характерны следующие сочетания ограничений:

Рис.3.2.6.2-6. Тяговые характеристики электровоза ТЭП60 с электрической передачей и коллекторными ТЭД ЭД108

Рис.3.2.6.2-7. Тяговые характеристики электровоза 2ТЭ10Л с электрической передачей и коллекторными ТЭД ЭД118А

Рис.3.2.6.2-8. Тяговые характеристики электровоза ТГ16 с гидравлической передачей

( должен быть рисунок Д )

Рис.3.2.6.2-9. Тяговые характеристики дизель-поезда Д с механической передачей

Тяговые характеристики локомотива получают опытным путем в результате специальных испытаний ( тягово-энергетических испытаний ЭПС или тягово-теплотехнических испытаний тепловозов. ) при равновесном взаимодействии управляющих и возмущающих воздействий и движении с равномерной скоростью.

Для локомотивов с ТЭД тяговая характеристика может быть получена на основе электромеханической характеристики электродвигателя, отнесенной к ободам колес (электротяговой характеристики).

Порядок построения тяговой характеристики на основе электротяговой следующий [ОТП, ПСОТП].

1) Для определенной позиции контроллера (схемы соединения ТЭД, ступени напряжения трансформатора, ступени ослабления магнитного поля) задаются несколькими значениями тока двигателя от минимального значения I_д.min до максимального I_д.max. По электромеханической характеристике для данной позиции и каждого заданного значения тока I_д.i определяют скорость движения V_i и касательную силу тяги, развиваемую одним двигателем F_кд.i.

2) Определенные значения F_кд.i умножают на количество ТЭД локомотива nд и получают значения касательной силы тяги, развиваемой локомотивом F_к.i.

3) Полученный набор значений (F_к.i, V_i) наносят на тяговую характеристику и соединяют плавной кривой.

4) Аналогичным образом (пп. 1-3) строят зависимость F_к.i(V_i) для остальных позиций.

5) На тяговую характеристику наносят значения силы тяги по условиям сцепления колес с рельсами (см. формулу 3.2.5.4-6).

( Как правильно считают Fк(Iдп). )

На реализацию F_к влияют многочисленные факторы, часть из которых приведена в п.3.2.5.2. Кроме этого, дополнительно на F_к оказывают влияние:

— техническое состояние тяговых средств. В частности [ТПДеев]:

o при расхождении параметров обмоток возбуждения ТЭД происходит отклонение от средних значений токов якорей и соответственно вращающих моментов движущих колес. Исследования тепловозов ТЭ10 показали, что такие отклонения могут достигать 15 % при полном и до 20-25 % при ослабленном возбуждении. На распределение токов между ТЭД оказывает влияние также разброс сопротивлений обмоток якорей;

o по данным ВНИИЖТа, расхождение мощностей дизель-генераторных установок тепловозов, измеренных до и после профилактических ремонтов, составляет 4-5 %, а партия эксплуатируемых тепловозов имела либо заниженную на 30-50 %, либо завышенную на 10-15 % мощность;

— пониженное или повышенное напряжения в контактной сети. Расчет кривых движения выполняют в предположении постоянства напряжения в контактной сети, принимаемого равным среднему его значению U_с (для ЭПС постоянного тока U_с = 3000 В, переменного тока U_с = 25000 В). Реальное напряжение в контактной сети зависит от многочисленных факторов:

o напряжения на шинах тяговой подстанции (для железных дорог постоянного тока номинального (используемое в расчетах параметров тяговой сети) напряжение U_с = 3300 В, переменного тока U_с = 27500 В);

o расположения тяговых подстанций;

o марки, применяемых проводов, и типов рельсов (влияют на сопротивление тяговой сети и, соответственно, на уровень потерь напряжения в контактной сети);

o расположения поезда относительно тяговых подстанций;

o наличия и режимов движения по участку других поездов;

— атмосферные условия [ТПДеев]:

o с понижением давления уменьшаются плотность воздуха перед турбокомпрессором и перед впускными устройствами дизеля; давление наддува и заряд воздуха в его цилиндрах. При сохранении постоянной цикловой подачи топлива и уменьшении заряда воздуха снижается коэффициент избытка воздуха, ухудшаются смесеобразование и сгорание топлива, снижаются давление рабочего процесса, индикаторная мощность, индикаторный и механический КПД, топливная экономичность. По мере снижения атмосферного давления повышается температура выпускных газов и тепловая напряженность, что может ограничивать нагрузку дизеля и силу тяги тепловоза;

o с ростом температуры воздуха уменьшается его плотность, степень повышения давления в турбокомпрессоре и снижается давление наддува. При постоянных частоте вращения коленчатого вала дизеля и цикловой подаче топлива уменьшаются масса и коэффициент избытка воздуха, давление рабочего процесса и индикаторный КПД, возрастают температура рабочего цикла и выпускных газов, потери теплоты. Согласно ПТР расчетную температуру наружного воздуха принимают:

* по данным метеорологических станций как среднюю многолетнюю (не менее 5 лет) по замерам в 7, 13 и 19 ч местному времени и рассчитывать по формуле

По сравнению с нормативной (приведенной в ПТР или другом нормативном источнике) тяговой характеристикой при выполнении тяговых расчетах может потребоваться ее перерасчет в силу факторов, приведенных в следующей таблице.

D – стандартный диаметр колес, мм;
D’ – расчетный диаметр колес, мм.V = k_дк V₀
F_к = F_к0 / k_дкk_дк ≤ 1.
При k_дк 1 зависимости F_к(V) сдвигаются вверх.Изменение атмосферных условий
(только для тепловозов и дизель-поездов)k_t – коэффициент учета повышенной температуры наружного воздуха;

2) Зависимости F_к(V), соответствующие ограничениям силы тяги по сцеплению и току, не пересчитываются (остаются неизменными). Пересчету подлежат только зависимости, соответствующие ходовым позициям. Зависимости для маневровых позиций также подлежат пересчету, но они обычно не приводятся на тяговой характеристике и не используются при выполнении тяговых расчетов.

16 В ПТР линии переходов показаны вертикальными линиями.

Источник