6.7 Тяговая характеристика локомотива
Тяговой характеристикой локомотива называется зависимость силы тяги от скорости движения FK =f(v). Наибольшая величина силы тяги необходима при трогании поезда с места, при наборе скорости и при движении по наиболее крутому подъему. Если бы величина FK не зависела от скорости, а была бы все время постоянной, то тяговая характеристика изображалась бы прямой линией АБ, параллельной оси абсцисс, как это показано на рис. 6.23.Так как реализуемая мощность локомотива равна произведению силы тяги на скорость (NK = FK • v), то ее зависимость от скорости при FK = const выражается прямой линией ОС» (рис. 6.24).
При этом полная мощность используется только при максимальной скорости. При меньших скоростях движения мощность локомотива недоиспользуется. В тоже время профиль пути состоит из подъемов, площадок и спусков, то есть является переменным. На подъемах сила тяги требуется больше, а скорость всегда меньше, а на спусках наоборот. В идеальном случае при переменном профиле пути тяговая характеристика соответствует закону равноплечей гиперболы (кривая ВС, рис. 6.23). При такой тяговой характеристике реализуемая мощность локомотива остается постоянной (линия В’C’, рис. 6.24), а следовательно, обеспечивается ее полное использование в широком диапазоне скоростей.
Кроме ограничения силы тяги по условиям сцепления колеса с рельсом существуют также и другие ограничения, связанные с особенностями локомотивов. Реальные тяговые характеристики локомотивов составляют на основе данных, получаемых при тяговых испытаниях (рис. 6.25).
Силу тяги электровоза ограничивают условия сцепления колес с рельсами (кривая Сц) и наибольший ток, при котором не происходят такие опасные процессы как перегрев обмоток или искрение под щетками.
Тяговые характеристики локомотивов служат для определения силы тяги в зависимости от скорости движения в кГс. Удельная сила тяги fк определяется делением касательной силы тяги FK в кГс на массу поезда (Р + G) в тс, где Р и G масса локомотива и состава.
Какой параметр ограничивает реализацию касательной силы тяги при трогании с места
3.3.3. ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ТРОГАНИЮ С МЕСТА
где µск – коэффициент трения в буксовых подшипниках;
к – коэффициент сцепления колеса с рельсами;
tст – продолжительность стоянки поезда;
t – температура наружного воздуха;
L – длина поезда;
qo – осевая нагрузка.
Удельное сопротивление при трогании с места в зависимости от пути, пройденного вагоном, и продолжительности стоянки
(по опытам НИИЖТ НКПС)
| Удельное сопротивление при трогании с места (H/кН) при пути (в м), пройденном вагоном с момента трогания | То же при продолжительности стоянки (мин) | ||||||||
| 0.25 | 0.5 | 1.0 | 2.0 | 5.0 | 10 | 20 | 40 | 60 | 90 |
| 20-25 | 14-22 | 10-16 | 6-13 | 3.5-9 | 9-16 | 14-18 | 16-20 | 17-21 | 18-22 |
[ТЛТ] С данными, приведенными в таблице, коррелируют и опыты, проведенные позднее ВНИИЖТ. После длительной стоянки величина коэффициента трения в буксовых подшипниках качения (роликовых подшипниках) порожнего четырехосного вагона достигала µск = 0.15, затем ко второму обороту колеса колесной пары эта величина снижалась до нормального значения µск = 0.005 и далее несколько увеличивалась.
[ТПТР] В настоящее время нет достаточного количества опытных данных, чтобы представить эмпирической формулой закономерность изменения основного удельного сопротивления в зоне изменения скоростей от 0 до 10 км/ч. Поэтому условились считать, что оно в данном диапазоне постоянно и равно т.н. дополнительному удельному сопротивлению трогания с места wтр.
[СДЖДПС] Сопротивление троганию поезда на подшипниках скольжения зависит от продолжительности стоянки. При стоянках от 0 до 20 мин величина сопротивления возрастает чрезвычайно интенсивно, а по истечении 20 мин замедляется. Так, если при температуре наружного воздуха t = 20 – 25 °С и осевом масле марки С удельное сопротивление троганию через 20 мин достигает 24 Н/кН, то через последующие 1 ч 20 мин оно возрастает всего на 2 Н/кН и далее с течением времени остается практически неизменным.
На основании этого для стоянок поезда продолжительностью 20 мин и более влияние фактора времени на величину сопротивления поезда может быть исключено.
[ТПТР] В результате обработки и обобщения опытного материала по троганию поездов с места учеными ВНИИЖТа предложена формула для определения средневероятной величины этого сопротивления
Данная формула справедлива при длительности стоянки не менее 20 мин и достаточном количестве вагонов в поезде. Характер нарастания величины удельного сопротивления троганию с места после остановки согласно исследовании ВНИИЖТа можно считать линейным. При этом минимальное значение величины wтр, наблюдающееся сразу же после остановки, а максимальное после 20 – 30 мин стоянки.
[ТРАст] В результате экспериментальных исследований сопротивления троганию одиночных вагонов и сцепов из четырехосных грузовых вагонов на роликовых подшипниках получена формула
Таким образом, чем длиннее поезд, тем меньше его удельное сопротивление движению при трогании. Это вызвано тем, что процесс трогания поезда с места во времени растянут во времени и сдвинувшиеся вначале передние вагоны имеют уменьшенное сопротивление и, кроме того, располагают некоторым запасом кинетической энергии, также способствующей уменьшению общей величины сопротивления троганию поезда с места. По многочисленным опытам с поездами в эксплуатационных условиях продолжительность процесса трогания (сек) может быть приближенно определена по формуле
Так, продолжительность трогания состава массой Q = 4000 т согласно приведенной формуле составит 16 сек.
[СДЖДПС] Продолжительность процесса трогания поезда в большинстве случаев колеблется от 5 до 20 сек. Скорость распространения волны трогания вагонов в поезде, по данным профессора С.В. Вертинского, изменяется в зависимости от степени предварительного сжатии состава от 60 м/с (4 вагона за 1 сек при полностью сжатом состоянии) до 500 м/с (33 вагона в 1 сек при полностью растянутом составе).
[ТПДеев, ТРАст] Влияние изменения вязкости смазки, зависящей от температурного режима буксового узла и, соответственно, коэффициента трения на основное удельное сопротивление движению поезда может быть выражено следующей зависимостью (при длительных стоянках tст 1 ч)
По данным Андрюса, спустя около 10 мин после трогания сопротивление движению грузовых вагонов уже будет нормальным.
Несмотря на многочисленные, но разрозненные исследования, при выполнении тяговых расчетов ПТР регламентирует определять основное сопротивление движению поезда:
— при стоянке до 20 мин по стандартным формулам (3.3.2-33 – 3.3.2-37) во всем диапазоне скоростей;
Если используется формула 3.3.3-2 и в поезде имеется подвижной состав с различными типами подшипников, то сопротивление подсчитывается как средневзвешенная величина по аналогии с основным сопротивлением (см. формулы 3.3.2-38 и 3.3.2-39).
Следует отметить, что в некоторых источниках, в частности [ТПТР], сопротивление троганию с места рассматривается как дополнительная составляющая к основному сопротивлению, что больше соответствует терминологии и классификации, принятой в теории тяговых расчетов. Т.е. в правой части формулы 3.3.3-2 стоит wо + wтр. В ПТР и основной массе источников данное сопротивление рассматривается как замена (эквивалент) основному.
Какой параметр ограничивает реализацию касательной силы тяги при трогании с места
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 Iд (якоря Iя) не должен превышать некоторого наибольшего допустимого значения Iдп.max. При превышении тока Iдп.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 Iдп.min (кроме маневровых позиций) до максимального Iдп.max значения. Для упрощения выполнения тяговых расчетов на тяговых характеристиках ЭПС показывают силу тяги для среднедопустимого пускового тока электродвигателя Iдп. 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 Fк.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 Iд.min до максимального Iд.max. По электромеханической характеристике для данной позиции и каждого заданного значения тока Iд.i определяют скорость движения Vi и касательную силу тяги, развиваемую одним двигателем Fкд.i.
2) Определенные значения Fкд.i умножают на количество ТЭД локомотива nд и получают значения касательной силы тяги, развиваемой локомотивом Fк.i.
3) Полученный набор значений (Fк.i, Vi) наносят на тяговую характеристику и соединяют плавной кривой.
4) Аналогичным образом (пп. 1-3) строят зависимость Fк.i(Vi) 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 Fк влияют многочисленные факторы, часть из которых приведена в п.3.2.5.2. Кроме этого, дополнительно на Fк 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 Uс (для ЭПС постоянного тока Uс = 3000 В, переменного тока Uс = 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 Uс = 3300 В, переменного тока Uс = 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.
Fк = Fк0 / kдк
При kдк 1 зависимости Fк(V) сдвигаются вверх.
(только для тепловозов и дизель-поездов)
2) Зависимости Fк(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.
Система электронного обучения СамГУПС
Для поиска одного или нескольких слов в тексте, просто введите их, разделяя пробелами. Используются все слова длиннее двух символов.
Для вызова формы расширенного поиска нажмите кнопку поиска ничего не вводя в поле.
Общий форум системы электронного обучения
Лекция 2-4 по тяговым расчетам для СЖД 71-75
Лекция 2-4 по тяговым расчетам для СЖД 71-75
Лекция 1-2
План лекции
1.1 Назначение и сущность тяговых расчетов
1.2 Нормативные документы
2 С ила тяги локомотива
2.1 Виды тяги и типы локомотивов для грузового движения
2.2 Реализация силы тяги
2.3 Тяговые характеристики локомотивов
2.4 Расчетные сила тяги и скорость движения локомотива
3 Силы сопротивления движения
3.1 Основное сопротивление движению
3.2 Дополнительные сопротивления движению
1 Общие положения
1.1 Назначение и сущность тяговых расчетов
При разработке проектов железных дорог необходимо:
разместить устройства и сооружения (раздельные пункты, устройства энергоснабжения, локомотивного и вагонного хозяйства и др.);
запроектировать план и продольный профиль трассы пути (параметры плана и профиля);
решить ряд эксплуатационных задач – определить весовую норму, выбрать тип и мощность локомотива, разместить светофоры, определить пропускную и провозную способность ж.д., установить ограничения скоростей движения поездов по условиям безопасного торможения и т.д.;
оценить и выбрать наиболее рациональные варианты проектных решений.
В процессе эксплуатации составляют плановые графики движения поездов, определяют необходимые возвышения наружного рельса и др.
Все эти задачи требуют умения определять скорости и время движения поезда, максимально-возможную массу состава, а также рассчитывать энергетические показатели (расход топлива или электроэнергии, механическая работа силы тяги и сил сопротивления, работа тормозных сил).
Чтобы решить указанные задачи используют тяговые расчеты, в которых скорость движения поезда увязана с действующими на него силами. При этом использованы известные законы прикладной механики.
силы, действующие на поезд в разных режимах движения;
установим зависимость между равнодействующей, приложенной к поезду, и скоростью и временем движения (уравнение движения поезда);
рассмотрим методы определения скорости и времени хода, а также энергетических показателей (расходы энергоресурсов и другие показатели);
кроме этого, мы изучим тормозные задачи, способы определения массы состава и др.
Нормативные документы
При выполнении тяговых расчетов должны быть выполнены также требования федеральных и ведомственных документов (СП, ПТЭ и другие регламентные материалы).
1.3 Модель поезда
В тяговых расчетах принимается ряд допущений, упрощающих расчеты, но вместе с тем обеспечивающих необходимую точность результата. Например, в большинстве случаев поезд рассматривается как материальная точка, расположенная в центре тяжести поезда (в середине его длины) и концентрирующая в себе всю массу поезда (рисунок 1.1).
Вместе с этим, в некоторых задачах тяговых расчетов длина поезда учитывается дополнительно (протяженность ограничения скоростей по отдельным устройствам, расчет дополнительного сопротивления от кривой и т.д.).
1.4 Силы, действующие на поезд
В тяговых расчетах рассматриваются только те внешние силы, приложенных к поезду, которые направлены по линии движения поезда, так как именно они влияют на поступательное движение поезда по рельсовой колее. К ним относятся: сила тяги F, сила сопротивления движению поезда W и тормозная сила В. Сила тяги и тормозная силы управляемы машинистом, сила сопротивления движения зависит от подвижного состава, плана и продольного профиля, режима движения и других условий эксплуатации.
Полные силы, т.е. приложенные ко всему поезду, измеряются в ньютонах (Н) или килоньютонах (кН).
Удельные силы, приходящиеся на единицу веса поезда, измеряются в Н/кН (вес поезда измеряется в килоньютонах, поскольку масса поезда измеряется в тоннах):
удельная сила тяги
удельное сопротивление движению
удельная тормозная сила
2 С ила тяги локомотива
2.1 Виды тяги и типы локомотивов для грузовых перевозок
На сети железных дорог общего пользования ОАО «РЖД» в поездной работе при грузовых перевозках, в основном, обращаются локомотивы двух видов тяги: электрическая локомотивная и тепловозная. В пассажирском движении при электрической тяге имеет место также моторвагонная тяга (пригородное и скоростное пассажирское движение).
Электровозы постоянного тока: восьмиосные – ВЛ8, ВЛ10, ВЛ10У, ВЛ11 (две и три секции), 2ЭС6, 2ЭС4К и другие.
Электровозы переменного тока: восьмиосные – ВЛ80 различных индексов, 2ЭС5К и другие.
Тепловозы, в большинстве случаев, имеют электрическую передачу (ТЭ). Источником движения является дизель, работающий на дизельном топливе. От него работает генератор электрической энергии, питающий тяговые электродвигатели. На сети ОАО «РЖД» в настоящее время обращаются тепловозы 2ТЭ10 и 2ТЭ116 различных модификаций, 2ТЭ70, 2ТЭ25К и другие.
В указанных локомотивах использованы тяговые коллекторные электродвигатели постоянного или пульсирующего тока. В последние десятилетия внедряют асинхронный тяговый привод. Асинхронные бесколлекторные двигатели позволяют увеличить надежность эксплуатации за счет исключения коллекторного узла и щеточного аппарата [3]. Уменьшаются расходы на техническое обслуживание, снижаются расходы цветных металлов. Кроме того, возрастает мощность и линейная скорость ротора, а также улучшаются условия сцепления колес с рельсами. КПД асинхронных двигателей увеличивается на 1-2 %.
2.2 Реализация силы тяги
Сила тяги образуется при контакте колес локомотива с рельсами. На ось колесной пары от тягового электродвигателя действует момент М (рисунок 2.1). Этот момент можно разложить на пару сил F1 и F2. Сила F2 приложена в точке касания колеса с рельсом и компенсируется реакцией, равной силе сцепления F, которая должна быть не более 1000р0gψk, где р0 – масса локомотива, приходящаяся на одну ось; ψk— коэффициент сцепления колеса с рельсом.
Так как сила тяги приложена в точке касания колеса и рельса, она называется касательной силой тяги F k .
Таким образом, сила тяги, кН, не может превысить силу сцепления колеса с рельсом. В целом, для локомотива должно быть выполнено условие
Расчетное значение коэффициента сцепления определяют по эмпирическим формулам в зависимости от скорости. Например, для электровоза ВЛ10 и ряда других локомотивов этот коэффициент определяется по формуле
Коэффициенты зависят от типа локомотива и приведены в ПТР. Чем больше скорость, тем коэффициент сцепления меньше, так как при возрастании скорости увеличивается проскальзывание колес.
