Расчет тягово-энергетических характеристик тепловоза 2ТЭ121 (стр. 2 из 3)

P_ТЭД.р= P_1ТЭД.р*h_ТЭД.р.,кВт P_ТЭД.р= 410,3*0,915 = 375,4 кВт

где m = 6 – число ТЭД

Номинальная частота вращения якоря ТЭД:

n_ном = µ_З* V_кр / (0,1885*D_k), об/мин (3.10)

n_ном = 4,318*26,4/(0,1885*1,25) = 484 об/мин

где µ_З – передаточное отношение тягового редуктора.

Максимальная частота вращения якоря ТЭД:

n_макс= n_ном * V_k / V_кр, об/мин (3.11)

n_макс= 484 * 100/ 26,4 = 1833 об/мин

где V_k = 100 км/ч – конструкционная скорость движения тепловоза.

Касательная мощность локомотива в длительном режиме:

P_к.р.= (F_к.р.* V_к.р.)/ 3,6, кВт (3.12)

P_к.р.= (299,9*26,4)/ 3,6 = 2200 кВт

КПД тепловоза в расчетном режиме равен:

h_т.р.= 3600* P_к.р / B_ч*H_и , о.е. (3.13)

h_т.р.= 3600*2200/614,6*42496 = 0,303

где B_ч – часовой расход топлива дизелем, кг

B_ч = g_e*P_e, кг (3.14)

B_ч = 0,209*2941 = 614,6 кг

где g_e = 0,209 кг/(кВт*ч) – удельный расход дизельного топлива [1].

КПД дизеля можно определить как:

h_диз.=3600/ g_e* H_и, о.е. (3.15)

h_диз.= 3600/ 0,209 *42496 = 0,405

Для проверки КПД тепловоза можно вычислить по формуле:

h_т.р1 = h_диз*h_п.р*b (3.16)

h_т.р1 = 0,405*0,88*0,849 = 0,303

Коэффициент передачи мощности тепловоза:

f_p = P_k.p./ P_e (3.17)

f_p = 2200 / 2941 = 0.748

Удельная номинальная мощность тепловоза вычисляется:

P_н= P_k.p / M_сц ,кВт/т (3.18)

P_н= 2200 / 147 = 14, 97 кВт/т

4. Расчёт и построение тяговой характеристики тепловоза и его КПД

Расчёт производится по имеющимся электромеханическим характеристикам ТЭД заданных в табличной форме (табл.2), снятых при напряжении на ТЭД U_ТЭД при полном a_пп = 1,0 и двух ослабленных магнитных полях ТЭД a₁ = 0,66 и a₂ = 0,44.При этом необходимо стремиться, чтобы мощность на валу была равна мощности ТЭД проектного тепловоза.

Степень ослабления магнитного поля ТЭД выражается:

a = I_в/ I_я (4.1)

где I_в – ток обмотки последовательного возбуждения, I_я – ток якоря.

Задаемся произвольно шестью значениями токов якоря из электромеханических характеристик ТЭД от I_{ТЭД.мин} = 600 А до I_{ТЭД.макс.}= 1200 А.

Значения токов заносим в сводную таблицу 3 расчёта тяговой характеристики тепловоза. Сюда же в колонку для полного поля a = 1,0 вводим с таблицы 2 значения подводимого напряжения U_ТЭД, а с соответствующих графиков [1] зависимость КПД генератора h_сг от тока I_d на выходе выпрямительной установки.

Ток на выходе ВУ равен:

I_d = I_ТЭД*m (4.2)

где m = 6 число параллельно соединенных ТЭД.

4.1 Расчёт и построение внешней характеристики тягового генератора

Внешняя характеристика тягового генератора представляет собой зависимость выходного напряжения тягового генератора от тока нагрузки, т.е. U_г = f (I_г).

При наличии выпрямительной установки внешняя характеристика генератора строится на её выходе, т.е.

U_d = f (I_d)

Для обеспечения постоянной загрузки вала дизеля внешняя характеристика генератора имеет вид гиперболы, т.е.

P_d = U_d *I_d=const. (4.3)

Напряжение на выходе ВУ U_d при произвольныхзначениях токов на выходе ВУ I_d (определяемых формулой (4.2)) определяеся по формуле:

U_ТЭД = U_d = (P_d*h_сг.р*h_ву.р*1000 ) / I_d, В (4.4)

Здесь: КПД ВУ принимаем равные по значению в длительном режиме (ввиду его незначительного отклонения от тока нагрузки I_d).

Результаты всех вычислений заносим в сводную табл. 3.

Определим основные параметры внешней характеристики генератора.

Номинальное напряжение на выходе ВУ (ориентировочно равное работе тепловоза в длительном режиме) можно определить:

U_d.н.= U_d.макс / C_r, В (4.5)

U_d.н.= 750 / 1,6 = 468,8 В

где U_d.макс. – максимальное напряжение на выходе ВУ. Оно должно быть не ниже напряжения U_ТЭД при минимальном токе I_ТЭД.

Номинальный ток на выходе равен:

I_d.н.= P_d.p.*1000 / U_d.н.,А (4.6)

I_d.н.= 2462*1000 / 468,8 = 5252 А

Минимальное значение тока на выходе ВУ:

I_d.мин.= 1000* P_d*h_сг.р*h_ву.р / U_d.макс.,А (4.7)

где h_сг.р = 0,956 – значение КПД синхронного генератора при минимальном токе I_d.o. = 3600А(I_d.o. = 600*6 = 3600 А).

I_d.мин.= 1000*2588*0,956*0,991 / 750 = 3270 А

Максимальное значение тока ВУ:

I_d.макс.= I_d.мин.*C_r1 (4.8)

I_d.макс.= 3270*2.45 = 8012 А

Значение I_d.макс. должно быть больше I_ТЭД*m

I_d.макс.> 1200*6 = 7200 А.

Если I_d.макс.< I_ТЭД*m, то следует увеличить коэффициент регулирования генератора по току C_r1 и наоборот.

Минимальное напряжение на выходе ВУ:

U_d.мин = 1000*P_d * h_{сг.макс}*h_ву.р / U_d.макс, В (4.9)

U_d.мин = 1000*2588*0,935*0,991 / 7200 = 333 В

где h_{сг.макс} – КПД генератора при максимальном токе.

По данным расчётным точкам, а также используя расчёты на ПЭВМ строим внешнюю характеристику тягового генератора U_d = f (I_d).

4.2 Расчёт тяговой характеристики тепловоза и его КПД

Расчёт тяговой характеристики тепловоза F_k = f(V_k) производится по упрощенным формулам[1,2,3,], используемых в заводских расчётах.

Используемые электромеханические характеристики ТЭД снимаются при определенных значениях токов I и напряжений на ТЭД U’_ТЭД. В проектных тепловозах мощность локомотива, а, следовательно, и мощность и напряжение ТЭД обычно отличаются от тех, при которых сняты электромеханические характеристики.

Поэтому, при расчёте скорости движения тепловоза V_k учитывается её изменение от изменения напряжения на ТЭД пропорционально изменению противо-ЭДС, т.е.

, (4.10)

где V – скорость движения тепловоза при напряжении на ТЭД U= U_ТЭД;

V’ – то же при напряжении U’= U’_ТЭД, взятом из известных электромеханических характеристик ТЭД.

При расчёте момента ТЭД М_ТЭД (а, следовательно, и силы тяги F_К.ТЭД) его изменение от подводимого напряжения не учитывается, т.к. расчёт М_ТЭД производится при одних и тех же токах, а

М_ЭМ.ТЭД= C_М*Ф*I, (4.11)

т.е. при одних и тех же токах электромагнитный момент М_ЭМ двигателя не меняется. А изменение момента на валу ТЭД от изменения магнитных и механических потерь в нем, не учитываем ввиду их малости.

Остальные расчетные параметры приведены ниже и сведены в табл. 3.

Расчет проводится по электромеханическим характеристикам ТЭД при полном поле a = 1,0 и двух ослабленных магнитных полях a₁=0,66 и a₂= 0,44.

Суммарное сопротивление якорной цепи равно [1]:

R_c= R_я + a*R_Г.П. + R_Д, Ом (4.12)

где R_я, R_Г.П., R_Д – активные сопротивления якорной цепи ТЭД, их величины взяты из [1.3] и приведены в исходных данных.

R_c= 0,012 + a*0,0092 + 0,0078

При a = 1,0; R_c= 0,029 Ом;

a₁= 0,66; R_c= 0,026 Ом;

a₂= 0,44; R_c= 0,024 Ом.

4.2.2 Суммарное сопротивление якорной цепи при прогретом до t_Г =115° С ТЭД равно:

R_СГ = R_с[1+ K_Г*(t_Г – t_Н)], (4.13)

где K_Г = 0,004 Ом /° С - температурный коэффициент сопротивления меди;

t_Н = 20 ° С - температура, при которой определялись сопротивления обмоток.

При a = 1,0; R_c.г = 0,040 Ом;

a₁= 0,66; R_c.г. = 0,036 Ом;

a₂= 0,44; R_c.г. = 0,033 Ом.

Противо-ЭДС проектного тепловоза:

E_ТЭД = U_ТЭД – (I_ТЭД* R_С.Г + DU_щ), (4.14)

где DU_щ = 2 В – падение напряжения на коллекторно-щеточном переходе ТЭД;

U_ТЭД – шесть значений напряжений ТЭД, определяемых формулой (4.4).

Заносим в расчётную табл.3 шесть значений напряжений

U’_тэд – из имеющихся электромеханических характеристик ТЭД (табл. 2) при принятых токах ТЭД I_ТЭД (6 значений).

Противо-ЭДС ТЭД E’_ТЭД, при которой сняты электромханические характеристики, вычисляется по формуле, аналогичной (4.14):

E’_ТЭД = U’_ТЭД – (I_ТЭД* R_С.Г + DU_щ), (4.15)

Из имеющихся электромеханических характеристик,заносим в сводную таблицу значения чисел оборотов ТЭД n’_ТЭД и момента М_ТЭД при принятых значениях токов ТЭД I_ТЭД.

Частота вращения якоря ТЭД проектного (заданного) локомотива определяется:

n_ТЭД = n’_ТЭД* ( E_ТЭД / E’_ТЭД), (4.16)

Скорость движения локомотива равна [1]:

V_k = 0.1885*n_ТЭД*D_k / µ_з, км/ч (4.17)

где D_k = 1.25 м – диаметр колеса по кругу катания;

Сила тяги проектного локомотива определяется выражением:

F_k = 2*М_ТЭД*m*µ_з*h_з / D_k, Н (4.18)

Все параметры данной формулы приведены в исходных данных (табл. 1).

Касательная мощность P_k проектного локомотива:

P_k = F_k*V_k / 3.6, кВт. (4.19)

КПД тепловоза определяется формулой, аналогичной (3.13):

h_Т =

, о.е. (4.20)

В табл. 4 приведены основные параметры тепловоза в длительном режиме.

Таблица 4

Параметры	Fk, кН	Vk, км/ч	Pk, кВт	P1ТЭД, кВт	PТЭД,кВт	Pk,кВт	nдл, об/мин
Величины	299,9	26,4	2200	410,3	375,4	2462	484
Параметры	nмакс,об/мин	hп,о.е.	fp, о.е.	b,о.е.	jр,о.е.	hт,о.е.	Pн,кВт
Величины	1833	0,849	0,748	0,88	0,208	0,307	14,97

4.3 Расчёт касательной силы тяги тепловоза, ограниченной сцеплением колёс с рельсами

Касательная сила тяги определяется по формуле [1]: