Министерство Путей Сообщения Российской Федерации
Московский государственный университет путейсообщения
(МИИТ)
Кафедра «Локомотивы и локомотивное хозяйство»
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
«ВЫБОРОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ, РАСЧЁТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОЗОВ»
Выполнил: ст. гр. ТЛТ-451 МеркуловП.М Принял: проф. Калугин С.П.
2009
СОДЕРЖАНИЕВВЕДЕНИЕ
1. ВЫБОР ТИПА ЭНЕРГИТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ ЭКИПАЖНОЙЧАСТИ ЛОКОМОТИВА
3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕОБХОДИМЫХ ПАРАМЕТРОВ, КОЛИЧЕСТВАИ РАЗМЕРОВ ОХЛАЖДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ ТЕПЛОВОЗА
4. ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОЕКТИРУЕМОГО ТЕПЛОВОЗА
5. ХАРАКТЕРИСТИКА ЭКИПАЖА И РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВКОНСТРУКЦИИ РЕССОРНОГО ПОДВЕШИВАНИЯ ТЕПЛОВОЗА
6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОРИЕНТИРОВОЧНОГО ВЕСА ОБОРУДОВАНИЯ.РАЗВЕСКА И КОМПОНОВКА ОБОРУДОВАНИЯ
7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ИСПОЛЬЗОВАНИЯСЦЕПОНОГО
ВЕСА ЛОКОМОТИВА
8. ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ ВПИСЫВАНИЕ ЭКИПАЖА В КРИВУЮ
9. СРАВНЕНИЕ ПРОЕТИРУЕМОГО ТЕПЛОВОЗА С ТЕПЛОВОЗОМАНАЛОГОМ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Род службы: пассажирский;
тип передачи: электрическая;
габарит подвижногосостава: 1Т;
конструкционная скорость:/> = 160 км/ч;
радиус кривой: /> = 125 м.
ВВЕДЕНИЕ
В курсовой работепроизводится проектирование пассажирского тепловоза. Определены основныепараметры локомотива, приведено обоснование выбора типа передачи мощности ивспомогательного оборудования, параметры и количество вентиляторов охлаждающегоустройства.
Произведен расчетрессорного подвешивания, проверяется возможность геометрического вписыванияэкипажа в кривую заданного радиуса методом параболической диаграммы, выполненаприблизительная компоновка оборудования на тепловозе и его развеска.
В завершение работыпроизводится сравнение проектируемого тепловоза с тепловозом аналогом.
Раздел 1.
ВЫБОР ТИПАЭНЕРГИТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
В качестве тепловозапрототипа принимаем грузовой тепловоз с передачей постоянного тока ТЭП60. Дляпроектного тепловоза принимаем следующие величины: />.
1.1 Сцепной веслокомотива:
/>
1.2 Число движущихколёсных пар:
/>
1.3 Касательнаямощность секции:
/>
По тепловозу прототипуТЭП60: />, отсюда определяем V2 для проектируемого тепловоза:
/>
Отсюда находимкасательную мощность секции при скорости V2:
/>
1.4 Определяемэффективную мощность секции:
/>
Расчёт к.п.д. тяговойпередачи для тепловоза с переменно-постоянной электрической передачей:
/>
/>
Для проектного тепловоза /> кВт, поэтому выбираем дизель 1А-5Д49 свеличиной эффективной мощности 2264 кВт. Основные технические характеристикиуказанного типа дизеля (Табл. 2.1.)
Таблица 2.1.Техническаяхарактеристика дизеля Тип дизеля Д49 Марка дизеля 1А-5Д49 Обозначение по ГОСТ 16ЧН26/26 Номинальная мощность, кВт 2264 Расположение цилиндров 16V Диаметр цилиндра, мм 260 Ход поршня, мм 260 Частота вращения коленчатого вала, об/мин номинальная 1000 минимальная 350 Среднее эффективное давление, МПа 1,22 Средняя скорость поршня, м/с 8,67 Удельный расход топлива, кг/кВт·ч 0,203 Тепловыделение, кВт в масло дизеля 423 в охлаждающую воду 780 от наддувочного воздуха 410 Подача насосов, м3/с масляного 0,0222 водяного 0,0222 Габариты дизеля, м длина 4,85 ширина 1,92 высота 2,9 Масса дизеля, кг 18000
Раздел 2.
ОСНОВНЫЕХАРАКТЕРИСТИКИ И ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ ЭКИПАЖНОЙ ЧАСТИ ЛОКОМОТИВА
2.1 Определение служебной массылокомотива
В предварительныхрасчетах служебная масса определяется в виде
/> [кг],
где /> – удельный показатель служебной массы,реализованный у эксплуатируемых и рекомендуемый для перспективных локомотивов,кг/кВт. Для тепловоза ТЭП 60, для которого /> кг/кВт,получаем
/> т.
Число колесных пар />.
2.2 Проверка величиныстатической нагрузки колес на рельсы
/>
/> кНдля пассажирских локомотивов.
/>
2.3 Определениедиаметра движущих колес
/> [мм],
где [2p] – допустимая нагрузка на 1 ммдиаметра колеса. Принимается в пределах 0,2…0,27 кН/мм.
/> мм.
Принимаем стандартныйдиаметр колес тепловозов – 1050 мм.
2.4 Определениепредварительной (ориентировочной) величины длины локомотива по осям автосцепок
Для /> кВт длина локомотива может быть расчитана всоответсвии с эмпирическим выражением
/> [мм].Получим
/>
2.5 Определение базылокомотива
Предварительно />, где /> –коэффициент, равный 0,5…0,54 для экипажной части длиной /> до20 м.
Получим />.
Раздел3.
ОПРЕДЕЛЕНИЕНЕОБХОДИМЫХ ПАРАМЕТРОВ, КОЛИЧЕСТВА И РАЗМЕРОВ ОХЛАЖДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ
3.1 Обоснование выборатипа охлаждающего устройства
Компромисснымрешением, используемым на большинстве типов тепловозов, является открытаядвухконтурная система охлаждения (Рис. 3.1.). В двухконтурной системе контурохлаждения элементов дизеля и контур охлаждения наддувочного воздуха и масларазделены. В качестве основного теплоносителя используется вода, циркулирующаяв замкнутых системах охлаждения (контурах) с поверхностными теплообменниками.Каждый контур системы оборудован индивидуальным насосом. Это дает возможностьраздельного регулирования температуры охлаждающей воды в обоих контурах. Напроектируемом тепловозе целесообразно применить данную схему водяногоохлаждения.
/>
Рис.3.1. Двухконтурная схема водяного охлаждения конструкции теплового дизеля
3.2 Расчет числа секций радиатора первогоконтура охлаждения воды дизеля
Посколькумы ранее приняли для проектного тепловоза открытую систему охлаждения, топринимаем температуру />/>ºС. Температуруохлаждающего воздуха на входе в секции радиаторов принимаем равной />ºС.
/> — тепловыделение дизеля вохлаждающую воду.
/> — тепловыделение дизеля в масло.
/> — тепловыделение дизеля от надувочноговоздуха.
Таблица3.1.
Геометрическиепараметры серийных секций радиаторовПараметр Водо-воздушные секции Длина секций по месту крепления 1356 686
Рабочая длина трубок между решетками, />, мм 1206 535 Фронтальная ширина секции, мм 152,5 Глубина секции, мм 187
Поверхность, омываемая жидкостью, />, м2 3,04 1,35
Поверхность, омываемая воздухом,/>
/>, м2 29,6 13,1
Живое сечение для прохода жидкости,
/>, м2 0,00132
Живое сечение для прохода воздуха,
/>, м2 0,149 0,0662 Число трубок в секции 68 Расположение трубок в секции Шахматное Наружные размеры трубок, мм 19,5 х 2,2 Толщина стенок трубок, мм 0,55 Число охлаждающих платин 525 х 2 232 х 2 Шаг оребрения, мм 2,3 Масса секции, кг 42,25 24,55
Расчёт физическихпараметров теплоносителей (вода, масло, надувочный воздух) рассчитываются поформуле исходя из данных таблицы 2 при данной температуре:
/>
Коэффициентдинамической вязкости определятся по формуле:
/>
Таблица 2
Плотность
/>
Теплоёмкость
/>
Теплопроводность
/>
Кинематическая вязкость
/> Сухой воздух а0
/> 1004,8 0,02442 13,28 а1 0,000102 а2 0,0000768 0,0883 Дизельное масло М14В а0 919,64 1754,7 0,1291 214,7 а1 0,0183 а2 -0,6214 3,768 -0,00007 -3,85 Вода а0 1019,66 4118,6 0,5611 1,032 а1 -0,00001 0,000048 а2 -0,606 1,0048 0,00221 -0,012
При /> физические параметры равны следующим величинам:
-длявоздуха при температуре />ºС коэффициентдинамической вязкости /> Па·с, коэффициент теплопроводности/>, Вт/м·К, удельная теплоемкость /> Дж/кг·К;
-дляводы при температуре />/>ºСплотность /> кг/м3, коэффициент динамическойвязкости /> Па·с, удельная теплоемкость /> Дж/кг·К, коэффициент теплопроводности />, Вт/м·К, коэффициент кинематической вязкости/> м2/с.
Определяемподачу водяного насоса:
/>
Длямонтажа холодильника принимаются стандартные секции с длиной активной части1206 мм. Параметры охлаждающих секций радиаторов (Табл. 3.1.).
3.2.1Определяем ориентировочное число секций первого контура охлаждения, задавшисьвеличиной Vвд.
/>,
где />– массовая скорость воды в трубках секции.Принимается в пределах 900…1500 кг/м2·с. В нашем случае принимаем /> кг/м2·с.
Массоваяскорость воздуха между пластинами оребрения секции находится в пределах 8…14кг/м2·с. Принимаем в дальнейших расчетах /> кг/м2·с.
Тогда
/>секций.
3.2.2Определяем число секций радиаторов, исходя из теплорассеивающей способности
/>,
где /> – теплорассеивающая способность секцийрадиатора при заданных условиях теплообмена, Вт.
где /> – теплорассеивающая способность секцийрадиатора при заданных условиях теплообмена, Вт.
/>, Вт
В этомвыражении неизвестной является величина k –коэффициент теплопередачи секции радиатора
/>, Вт/м2·К,
где Кi – критерий Кирпичева.
/>
3.2.3Определяем числа Рейнольдса для воды и воздуха при выбранных расчетныхтемпературах. Число Рейнольдса характеризует режим течения жидкости или газа
Находимчисло Рейнольдса для воды при /> ºС
/>,
где dГвд – гидравлический диаметр трубки. /> м.
Находимчисло Рейнольдса для воздуха при температуре /> ºС
/>,
где dГвз – гидравлический диаметр воздушнойстороны секции, м. /> м.
3.2.4Определяем величину температурного фактора />
/>,
где T’вд – абсолютная температура воды на входе всекцию, К.
/>К./>-абсолютная температура воздуха на входев секцию />К.
3.2.5 Для полученного ранее значения числа Рейнольдса />, рассчитываем критерий Кирпичева
/>.
3.2.6Находим величину теоретического коэффициента теплопередачи
/>.
3.2.7 Определение необходимого количества секций
Используя уравнение теплового баланса и уравнениетеплопередачи, находим необходимое количество секций.
/>
С учетом запаса на загрязнение стенок трубок радиаторовпринимаем количество секций равным 12 шт.
3.2.8Определяем температуру воды на выходе из секций радиаторов:
/>.
3.2.9Определяем температуру воздуха на выходе из секций радиаторов:
/>.
3.2.10Гидравлическое сопротивление движению воды через водовоздушные секциирадиаторов:
/>.
Для всего контураохлаждения воды дизеля гидравлическое сопротивление движению воды необходимоувеличить в 2,5 раза:
/>
3.2.11Определение необходимой мощности на привод водяного насоса
Предварительноезначение расхода мощности:
/>.
где />– расчетный КПД водяного насоса.
Принимаем />, тогда:
/>.
С учетомответственности выполняемой функции и обеспечения бесперебойной циркуляции водыв контуре охлаждения, предварительно рассчитанную величину необходимой мощностиувеличиваем в 2…3 раза. Если принять двухкратный запас мощности, то для приводаводяного насоса необходим двигатель мощностью 8 кВт.
3.3 Расчетчисла секций радиатора второго контура охлаждения масла и надувочного воздуха
Исходныеданные для дизеля 1А-5Д49:
/> –производительность водяного насоса;
/> – температура воды на входе в секциирадиатора;
Тепловыделениев масло и надувочный воздух соответственно равны (Табл. 2.1.):
/>, />.
Дляпроектируемого дизеля принимаем:
/>;
/> - температура охлаждающего воздуха на входев секции радиатора.
По справочным данным,на основании принятых величин температур, определяем физические параметрытеплоносителей:
– для воздуха при температуре />ºС коэффициентдинамической вязкости /> Па·с, коэффициент теплопроводности/>, Вт/м·К, удельная теплоемкость /> Дж/кг·К;
– для воды при температуре />/>ºСплотность /> кг/м3, коэффициент динамическойвязкости /> Па·с, удельная теплоемкость /> Дж/кг·К, коэффициент теплопроводности />, Вт/м·К, коэффициент кинематической вязкости/> м2/с.
Для монтажаохлаждающего устройства применяются стандартные секции с длиной активной части1206 мм.
3.3.1Определениеориентировочного числа секций второго контура охлаждения
/>
где: /> – массовая скорость воды в трубках секции.Принимаем />
/> секций.
3.3.2Определение числа секций радиаторов исходя из теплорассеивающей способности
/>,
где /> – теплорассеивающая способность секциирадиатора при заданных условиях теплообмена, Вт.
/>
где /> – коэффициент теплопередачи секциирадиатора.
/>,
где /> – критерий Кирпичева.
/>.
3.3.3Определение числа Рейнольдса для воды и воздуха
ЧислоРейнольдса для воды при />:
/>
ЧислоРейнольдса для воздуха при />:
/>
3.3.4Определение величины температурного фактора
/>
3.3.5Определение критерия Кирпичева
/>
3.3.6Коэффициент теплопередачи
/>.
3.3.7Определение необходимого количества секций
Используя уравнение теплового баланса и уравнение теплопередачи,находим необходимое количество секций.
/>
С учетомзапаса на загрязнение стенок трубок радиаторов принимаем количество секцийравным 22 шт.
3.3.8Температура на выходе из секций радиаторов
/>.
3.3.9Температура воздуха на выходе из секций радиаторов
/>.
3.3.10Гидравлическое сопротивление движению воды через водовоздушные секциирадиаторов
/>.
Для всегоконтура охлаждения воды дизеля гидравлическое сопротивление движению водыувеличиваем в 2,5 раза:
/>
3.3.11Определение необходимой мощности на привод водяного насоса
Предварительноезначение расхода мощности:
/>.
где />– расчетный КПД водяного насоса.
Принимаем />, тогда:
/>.
С учетом ответственности выполняемой функции и обеспечениябесперебойной циркуляции воды в контуре охлаждения, предварительно рассчитаннуювеличину необходимой мощности увеличиваем в 2…3 раза. Для привода водяного насосаприменяем двигатель мощностью 8 кВт.
3.4 Тепловой расчётводомасляного теплообменника
Используемые натепловозах водомасляные теплообменники предназначены для охлаждения водой масладизеля. Для реализации максимального теплосъёма в ограниченных габаритахтеплообменника чаще всего применяют противоточно–перекрестное течениежидкостей. Вода проходит по гладким или оребренным с внешней стороны трубкам,завальцованным в трубные доски. Масло, попадающее в теплообменник, ввидуналичия сегментных перегородок, движется поперек трубного пучка, отдавая тепловоде, движущейся по трубкам. Температурные удлинения трубок охлаждающегоэлемента компенсируются за счет возможности перемещения одной из трубных досоктеплообменника.
/>
Рис 3.2 Принципиальнаясхема конструкции водомасляного теплообменника.
Тепловой расчет сводитсяк определению величины поверхности охлаждения F теплообменника, а также конструктивных параметров егоэлементов. В основу методики расчета, как и при определении необходимогоколичества секций радиаторов, положены уравнения теплопередачи, тепловогобаланса.
/>,
где Кт — коэффициент теплопередачи от масла к воде Вт/м2·К, Δt – температурный напор между маслом иводой, ºС.
Тогда расчетнаяповерхность охлаждения теплообменника
/>.
В этом выражениинеизвестны Кти Δt. Определению этих величин ипосвящается значительная часть расчетов.
В соответствии со схемойтеплообменника принимаем: температуру масла на входе в теплообменник />, температуру масла на выходе из теплообменника/>, />, внутренний диаметртрубок теплообменника />, наружный диаметр трубоктеплообменника />, расстояние между трубками втрубной доске />, количество ходов воды втеплообменнике />.
Рассчитаем величинырасходов масла Gм и воды Gв, которые обеспечивают используемыена дизеле насосы, при соответствующих значениях температур теплоносителей.
/>
/>
3.4.1 Находим величинусредней температуры масла в теплообменнике
/>
3.4.2 Рассчитываемтемпературу воды на выходе из теплообменника
/>
/>
3.4.3 Находим величинусредней температуры воды в теплообменнике
/>
3.4.4 Используя данные, находим физические параметрытеплоносителей при их средних температурах
Для воды при температуре72,7 С (на основе табличных данных) плотность />,коэффициент динамической вязкости />, удельная теплоёмкость />, коэффициент теплопроводности />, коэффициент кинематической вязкости />.
Для масла при температуре80,0 С плотность />, теплоёмкость />, коэффициент теплопроводности />, коэффициент кинематической вязкости />.
3.4.5 Выбираемскорость движения охлаждающей воды /> в трубках теплообменникав пределах 1,3...2,5 м/с. Принимаем />.
3.4.6 Определяем числоРейнольдса />, критерии Прандтля />(характеризуетфизические свойства теплоносителей) и Нуссельта /> (характеризуетинтенсивность или режим теплоотдачи) для воды при температуре />.
/>
/>
/>.
3.4.7 Находимкоэффициент теплопередачи от внутренней стенки трубки к воде
/>
3.4.8 Выбираемскорость движения масла Vммежду перегородками теплообменника в пределах 1,2...2,0 м/с. Принимаем Vм=1,6 м/с.
3.4.9 Рассчитываем /> и /> при средней температуремасла в теплообменнике />
/>
/>
3.4.10 Из условия, чтотемпература стенки трубки />принимаем />.
3.4.11 При температурестенки трубки /> находим критерии Прандтля иНуссельта
/>
/>,где
В – эмпирическийкоэффициент. В нашем случае он равен 0,3.
3.4.12 Находимориентировочное значение коэффициента теплоотдачи от масла к стенке трубки притемпературе стенки
/>/>
3.4.13 Определяемрасчетное значение температуры стенки трубки
/>.
Если />( в пределах 2ºС), то принимаем />
Если /> значительно отличаются, то необходимозадаться новым значением /> и повторить расчет дополучения сходимости значений />.
/>
Таким образом, разницамежду /> составляет 1ºС и расчёт можно продолжить.
3.4.14 Рассчитываемкоэффициент теплопередачи от масла к охлаждающей воде
/>
3.4.15 Определяемрасчётный температурный напор Δtмежду маслом и водой
/>
3.4.16 Находимпредварительное значение /> расчетной поверхностиохлаждения теплообменника
/>
Учитывая возможностьзагрязнения, увеличиваем расчётную поверхность теплообменника в 1,1 раз. Тогда
/>
3.4.17 Рассчитываемчисло трубок /> в теплообменнике
/>
3.4.18 Коэффициентзаполнения трубной доски должен находиться в пределах />.Принимаем />
3.4.19 Рассчитываемвнутренний диаметр /> кожуха теплообменника или диаметртрубной доски
/>
3.4.20 Находим расстояние/> между трубными досками теплообменника
/>.
3.4.21 Рассчитываемживое сечение /> для прохода масла междуперегородками теплообменника
/>
3.4.22 Находимвеличину /> площади сегмента над перегородками
/>
/>
3.4.23 Находимвеличину Sхордысегмента над перегородкой
/>.Величина центрального угла /> зависит от отношения />. В рассматриваемом случае величина />. Величина центрального угла /> в соответствии с табличными даннымисоставляет 114º. Рассчитываем величину хорды S
/>
3.4.24 Ширинаосреднённого сечения bдля прохода масла над (или под) сегментными перегородками, всоответствии со схемой составляет
/>
3.4.25 Расстояние /> между сегментными перегородками
/>
3.4.26 Число ходовмасла/> в водомасляном теплообменнике междусегментными перегородками
/> Принимаем/>=14 ходов.
3.4.27 Находимокончательную длину трубок между трубными досками, учитывая толщину сегментныхперегородок />
/>
Принимаем расчетную длинутеплообменника 2,7м. Конструктивно теплообменник будет выполняться их двухблоков, длиной 1,35 м.
3.4.28 Чтобы найтигидросопротивление масляного тракта теплообменника /> рассчитаемчисло рядов трубок />, перпендикулярных потоку масла.
/>
Находим отношение /> и по графику находим величину С (см. рис3.7. методич. указ.); С=10.
/>
/>
С учетом загрязнений />
3.4.29 Гидравлическоесопротивление водяного тракта теплообменника /> составит
/>
Величина коэффициента /> определяется в зависимости от принятой скорости/> и температуры воды в трубках по графику (см.рис. 3.9. методич. указ.). Принимаем величину />.
/>
3.4.30 Определяемрасход мощности на привод водяного /> и масляного /> насосов
/>
/>
Принимая, как и ранее,двукратный запас мощности на привод насосов, окончательно получим /> и />.
3.5 Компоновкаохлаждающего устройства проектного тепловоза и выбор вентиляторов
Для выбора типа, размерови необходимой производительности одного или нескольких вентиляторов необходимопредварительно наметить количество шахт холодильника и определить размерыфронта радиаторов в каждой шахте.
Находим фронтальныеразмеры шахты при использовании стандартных радиаторов с активной длиной секции1206мм. Всего в двух контурах охлаждения 34 секции радиаторов. Значит с однойстороны шахты будет установлено 17 секций. Тогда
/>
При проектированиитепловозов вентиляторы холодильника выбираются из числа выпускаемыхпромышленностью. Поскольку тепловозные холодильники характеризуютсязначительными величинами расходов воздуха и сравнительно небольшимиаэродинамическими сопротивлениями воздушных трактов, то для обеспечения этихусловий наилучшими являются осевые вентиляторы. Они компактнее, легче, проще поконструкции, а главное, экономичнее центробежных вентиляторов.
Число вентиляторов,обслуживающих каждую шахту, и диаметр рабочего колеса выбирается из условиянаилучшего обдувания секций радиатора воздухом и возможности размещениявентилятора. Расчет вентилятора в этом случае позволяет определить его частотувращения и угол установки лопастей, при котором к.п.д. вентилятора будетнаибольшим. Определяется также и величина мощности, затрачиваемой на приводвентилятора.
Учитывая величинуфронтальной поверхности проектируемого холодильника выбираем для охлаждениясекций два вентилятора. Диаметр рабочего колеса вентилятора находится с учетомтехнологических и конструктивных допусков на установку в виде
/>
К расчету принимаем 2вентилятора серии УК-2М с диаметром рабочего колеса 1200 мм.
В дальнейшем следуетопределить параметры аэродинамической сети: необходимый расход воздуха /> и напор воздуха />, привестизависимость /> к безразмерной характеристики сети /> и совместимость её (т.е. решить совместно) сбезразмерной аэродинамической характеристикой вентилятора />.
Кроме этого определяются:угловая скорость вращения вентиляторного колеса />, уголустановки лопастей />, к.п.д. вентилятора /> и расход мощности на их привод.
3.5.1 Определяемвеличину средней температуры воздуха в шахте холодильника />
/>
/>
3.5.2 Определяемнеобходимый расход воздуха в аэродинамической сети при температуре />
/>,
где /> — плотность воздуха при температуре 71,6 °С.
/>,
где 287- значение удельнойгазовой постоянной воздуха
/>
3.5.3 Для расчетаполного напора или давления воздуха, создаваемого вентиляторами />, необходимо рассчитать скорость воздушного потока /> и все составляющие аэродинамическогосопротивления движению воздуха />
Определяем скоростьвоздуха в сечении, омываемом лопастями вентилятора
/>
Определяем степеньподжатия потока воздуха
/>,
где /> — общая площадь фронта радиатора радиаторов,обслуживаемая вентилятором, /> — высота шахтыхолодильника с радиаторами (можно принимать равной 1,9 м)
/>
Рис. 3 Принципиальная схемааэродинамической сети шахты холодильника
Определяемаэродинамическое сопротивление боковых жалюзи
/>,
где /> — коэффициент сопротивления проходу воздухачерез боковые жалюзи,
/>-плотность воздуха при температуре 40°С, /> — скоростьвоздуха перед фронтом боковых жалюзи.
/>
/>,
где /> — фронтальная поверхность одной секциирадиатора
/>
Определяемаэродинамическое сопротивление секций />
/>,
где /> — число Эйлера. Подсчитывается в зависимостиот Величины числа Рейнольдса, полученного ранее для воздуха при тепловом расчетесекций (/>). В нашем случае /> находитсяв пределах 1400…3382. Значит число Эйлера рассчитывается на основании выражения
/>,
где />-температурный фактор, рассчитываемый в виде
/>
/>
Определяемаэродинамическое сопротивление шахты />
/>,
где /> - коэффициент аэродинамическогосопротивления шахты
/>/>
Рассчитываемаэродинамическое сопротивление вентилятора />
Находим аэродинамическоесопротивление верхних жалюзи
/>
Рассчитаем полноедавление воздуха, которое необходимо обеспечить вентилятору
/>
3.5.4 Определяем уголзакрутки /> лопаток вентилятора, соответствующий максимальномузначению к.п.д.-/>
Выполнение этой операциисвязано с использованием безразмерной характеристики вентилятора,представленной в относительных значениях расхода /> и напоравоздуха />. Поэтому, чтобы воспользоваться кривыми(рис. 4), необходимо полученные нами ранее значения G и Н вентилятора привести к безразмерному виду.
Таблица 4Параметры Частота вращения, об/мин 1430 1590 1750 1900
Окружная скорость /> 90 100 110 120
Коэффициент расхода воздуха вентилятором
/> 102 113 124 136
Коэффициент напора воздуха
/> 8181 10100 12221 14544
Относительный расход воздуха, /> 0,29 0,27 0,24 0,22
Относительный напор воздуха, /> 0,17 0,14 0,11 0,095
С этой целью задаемсянесколькими, произвольно выбранными значениями угловой скорости вращения /> об/мин рабочего колеса вентилятора иподсчитываем для них окружную скорость /> внешнихкромок лопаток рабочего колеса, имея в виду, что максимальное значение />. Найденные таким образом величины />позволяют найти интересующие нас значения /> и />сети.
/>
По полученным парнымзначениям /> и />на диаграмме (рис 4)наносим 4 точки и соединяем их плавной кривой. Эта линия является безразмернойхарактеристикой сети. Точки пересечения безразмерной характеристики сети сбезразмерными характеристиками вентилятора />приразличных углах наклона лопаток являются рабочими точками вентилятора.
Полученные рабочие точкидают возможность определить максимальное значение к.п.д. вентилятора и выбратьугол установки его лопастей. Рабочим участком аэродинамической характеристикивентилятора должна приниматься та его часть, на которой />призаданном угле установки лопаток.
В соответствии с данными,представленными на рис.4 /> и угол установки лопастей/>.
3.5.5 Определяемрасчетную угловую скорость вращения вентиляторного колеса
/>
3.5.6 Находим величинумощности на привод вентилятора
/>
Соответственно на расходдвух вентиляторов холодильника необходимо 116 кВт.
Раздел 4.
ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯПРОЕКТИРУЕМОГО ТЕПЛОВОЗА
В качестве тепловозапрототипа принимаем пассажирский тепловоз с передачей постоянного тока ТЭП60.
Необходимая электрическаямощность тягового генератора:
/>,
где /> – эффективная мощность дизеля;
/> –коэффициент затрат мощности на собственные нужды;
/> –коэффициент полезного действия тягового генератора.
Принимаем />, />.
/>
Для проектируемоготепловоза применяем генератор постоянного тока ГП-311Б, мощностью 2000 кВт.Таблица5
Основные техническиеданные тягового генератора ГП-311БРод тока, возбуждение, вентиляция Постоянный, независимого возбуждения, принудительная вентиляция
/> 2000
/> 700
/> 4320
/> 850 Масса, кг 8900
Проектируемый тепловозимеет передачу постоянного тока.
Мощность тяговыхэлектродвигателей определяется количеством используемых на тепловозе ведущихосей.
/>
По мощности выбираемтяговый электродвигатель ЭД-118Б.Таблица6
Основные техническиеданные тягового электродвигателя ЭД-118БТип подвески Опорно-осевая
/> 305
/> 463/700
/> 720/476
/> 36,64
Система охлаждениятяговых двигателей воздушная, принудительная, модульного типа с осевымвентилятором, спрямляющим аппаратом. Привод вентилятора – от электродвигателяпостоянного тока.
Аккумуляторная батареялокомотива подбирается по величине требуемой емкости Е, [А·ч]
/>,
где /> – величина пускового тока;
/> –резерв токовой нагрузки при запуске;
/> –расчетное число циклов запуска дизеля;
/> –расчетная продолжительность времени запуска дизеля;
/> –коэффициент, учитывающий неполную зарядку аккумуляторной батареи в моментпуска;
/> –коэффициент, учитывающий уменьшение емкости батареи в результате перегрузки;
/> –коэффициент, учитывающий уменьшение емкости батареи при повторных пусках;
/> –коэффициент, учитывающий уменьшение емкости батареи при работе в трудныхклиматических условиях.
/>
Выбираем батарею типа48ТН-450У2.Таблица7
Основные техническиеданные аккумуляторной батареи 48ТН-450Тип Кислотная Количество аккумуляторов 48 Емкость, А·ч 450 Напряжение, В 96 Масса, кг 1926
Подбор тормозногокомпрессора производится по требуемой производительности:
/>,
где /> – снижение (повышение) давления в главных резервуарахпри торможении (зарядке) тормозов;
/> –объем главных резервуаров локомотива;
/> –время, необходимое на зарядку тормозов;
/> –расход воздуха в тормозной магистрали при торможении поезда;
/> –расход воздуха на служебные нужды локомотива;
/> –коэффициент, учитывающий снижение производительности компрессора по мереувеличения срока службы.
/>
Необходимая емкостьтопливного бака:
/>,
где /> – запас топлива при работе на номинальномрежиме;
/> –плотность дизельного топлива.
/>,
где /> – коэффициент запаса (резерв);
/> –время работы локомотива на участке обращения;
/> –величина удельного расхода топлива;
/>,
где /> – длина участка обращения тепловоза;
/> –расчетная техническая скорость движения тепловоза на участке обращения.
/> ;/>
Округляем запас топливадо 5000 кг (для ТЭП60).
/>
Запасмасла в системе дизеля составляет 1580 кг, воды – 1060 кг, песка – 600 кг.
Раздел5.
ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ ЭКИПАЖНОЙ ЧАСТИ. ОПРЕДЕЛЕНИЕПАРАМЕТРОВ РЕССОРНОГО ПОДВЕШИВАНИЯ И ЕГО УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Экипаж тепловоза. В конструкциях магистральныхлокомотивов обычно используют кузова вагонного типа. Кузов изготовлен с несущейрамой. Основой кузова является каркас из гнутых профилей, который снаружи обшитметаллическими листами толщиной 1,5 мм. Изнутри на каркасе закреплена винтамивнутренняя обшивка из металлических листов толщиной 1 мм. Тележки тепловозапрежде всего должны обеспечивать выполнение установленных показателейбезопасности движения и динамических качеств экипажа, способствовать реализациимаксимальных тяговых свойств и содержать наименьшее количество узлов трения.Кроме этого, наиболее ответственные элементы конструкции тележек должны бытьдоступны для проведения диагностического контроля и обладать минимальнойтрудоёмкостью при проведении ТО и ТР. Так как проектируемый тепловоз являетсяпассажирским с конструкционной скоростью равной 160 км/ч, то применяем дляпроектируемого локомотива двухступенчатое рессорное подвешивание и тяговыйпривод 3-го класса. Вертикальные и поперечные колебания экипажа в этом случаегасятся специальными демпферами. Величина суммарного статического прогибаΔ∑=170 мм для проектируемого тепловоза.
Передаточное числотягового редуктора:
/>,
где nдmax – допустимая частота вращения якоря ТЭД, об/мин;
/>
5.1 Первая ступеньрессорного подвешивания
5.1.1 Цилиндрическаявинтовая пружина
Сцепной вес тепловоза:1378 кН;
вес кузовной частитепловоза с экипировкой:
/>,кН;
вес надрессорногостроения, приходящийся на одну тележку:
/>,кН
где /> — обрессоренный вес тележки тепловоза;
суммарный статическийпрогиб рессорного подвешивания:/>;
прогиб первой ступени: />;
прогиб второй ступени: />.
Расчётная схемацилиндрической винтовой пружины (см. рис.8).
/>
Рис 8. Расчетная схемацилиндрической винтовой пружины
Жесткость пружин первой ступени рессорногоподвешивания тележки:
/>.
Жесткость одного из двухкомплектов пружин буксы колесной пары:
/>.
Принимаем, что комплектбудет состоять из двух концентрически расположенных пружин. Принимаемсоотношение жесткостей наружной и внутренней пружины />.
Тогда />;
/>,
/>.
Диаметр наружной пружины:
/>.
Принимаем значение числарабочих витков для наружной пружины />, соответствующее числовитков для внутренней пружины составит />.
Принимаем />.
/>
/>
Величина расчетныхкасательных напряжений в витках пружины:
/>
где />;
/>;
/>;
/>.
Дополнительное напряжениев витках:
/>.
/>;
/>.
Проверка условияпрочности пружин:
/>.
Наружная пружина:
/>;
Внутренняя пружина:
/>.
Шаг витков пружин:
/>,
где /> – коэффициент запаса, учитывающий деформациюпружины от дополнительных динамических сил;
/> –величина запаса по высоте на отсутствие возможного смыкания витков придеформации пружины.
Наружная пружина:
/>;
Внутренняя пружина:
/>.
Высота пружин в свободномсостоянии:
/>.
/>
/>.
Разность высот пружин приформировании упругого комплекта нивилируется подкладкой или формой опорной поверхностисопрягающихся с пружинами деталей.
5.1.2 Резиновыеамортизаторы
Резиновые амортизаторыустановлены в первой ступени рессорного подвешивания в каждом упругом комплектебуксы, последовательно двум концентрически расположенным пружинам.
/>
Рис 9. Расчетная схемарезинового амортизатора
Нагрузка, воспринимаемаярезиновым амортизатором:
/>
Исходя из известныхзначений параметров пружин и соображений компоновки, принимаем />.
Высота амортизатора всвободном состоянии с учетом величины допустимой деформации сжатия:
/>.
Твердость резины вединицах ТИР:
/>
Так как амортизаторработает в условиях воздействия воздуха и влаги, то согласно справочным данным,выбираем резину марки 7-2959.
Жесткость резиновогоамортизатора:
/>
/>
/>
Раздел 6.
КОМПОНОВКА ОБОРУДОВАНИЯ И ВЫПОЛНЕНИЕ УПРОЩЁННОЙРАЗВЕСКИ ТЕПЛОВОЗА
Размещение оборудованияна локомотиве подчинено ряду требований, главным из которых можно считатьминимизация длины экипажной части, малогабаритность и компактность сборочныхединиц; удобство монтажа оборудования и доступность его обслуживания;равномерность распределения нагрузки на рельсы.
При продольной развескепринимается, что все элементы оборудования локомотива располагаются строго поего продольной оси симметрии. При таком допущении локомотив рассматривается какплоская система нагруженная вертикальными силами. Тогда, координата центратяжести надтележечного строения рассчитывается в виде:
/>
где: /> - вес узла или детали, кН;
/> -расстояние от центра тяжести узла или детали до условной оси, в качествекоторой выбирают ось, проходящую по передней автосцепке, м.
Таблица 8.
Упрощенная весоваяведомость секции тепловозаОборудование Вес, кН Плечо, м Момент, кН·м Дизель 180 9,9 1782 Тяговый генератор 90 7,6 684 Силовые механизмы 2,3 13,2 30,36 2х машинный агрегат 6,6 6,6 43,56 компрессор 6,5 14,25 92,625 установка ЦВС 10 5,25 52,5 высоковольтная камера 19,56 3 58,68 Кабина машиниста (П) 19,56 1,43 27,9708 Главная рама 129 9,9 1277,1 Топливный бак +2/3 топлива 45,76 9,9 453,024 Холодильная камера (с вент.) 70,28 15,8 1110,424 Кабина машиниста (З) 19,56 18,13 354,6228 Акк. Батарея 19,2 9,9 190,08 Блок ЭДТ 1,9 3,95 7,505 Всего: /> /> 626,82 6164,4516
Находим координату центратяжести:
/>
/>%
Отклонение не превышает3%, следовательно, задачу развески оборудования можно считать решенной.
Для обеспечения равенстванагрузок от кузова между всеми колесными парами локомотива расположим точки егоопирания на тележки на одинаковом расстоянии от центра тяжести надтележечногостроения (lо=5,15м):
Lт1 = lцт — lо =9,80 – 5,15 = 4,65 м;
Lт2 = lцт + lо =9,80 + 5,15 = 14,95 м;
Раздел 7.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТАИСПОЛЬЗОВАНИЯ СЦЕПНОГО ВЕСА ТЕПЛОВОЗА
Схема экипажа с двумя2–осными тележками, двухступенчатым рессорным подвешиванием и наклонными тягамидля передачи силы тяги с тележек на кузов. Подвешивание тяговыхэлектродвигателей опорно-осевое. Две тяги в каждой точке располагаются такимобразом, чтобы линии их действия между рамой кузова и тележкой пересекали поверхностькатания колёс на уровне головки рельсов в середине тележки. Тем самым достигаетсятакой же эффект, как если бы точка пересечения тягового усилия была расположенана уровне головки рельса. Благодаря этому не возникает перераспределения нагрузокмежду отдельными колёсными парами тележек, а образуется лишь сравнительно небольшаяразница в нагрузках обеих тележек, вызванная перераспределением нагрузок отопор кузова на тележки.
Если обозначить /> и /> высоту расположения точекА и В над головкой рельса, то суммарная продольная сила /> от2х колёсных пар одной тележки передаётся на тележку на высоте букс,равной />. Эта сила вызывает в наклонной подвеске навысоте /> силу />.Горизонтальная составляющая этой силы:
/>
где /> - угол наклона тяг
Одновременно в точке Адействует вертикальная составляющая этой силы — />
Момент />, создаваемый работающими тяговымиэлектродвигателями вызывает перераспределение нагрузок между осями колёсных парвеличиной в />. В противовес этому моменту действует моментот силы /> относительно средней поперечной оси тележки,расположенной на высоте /> букс колёсных пар.
/>
где /> - расстояние точки А (прикрепление тяги ктележке) до её середины.
Учитывая, что /> и />, получаем:
/>
Таким образом, привыбранном направлении продольных сил тяг момент их сил /> полностьюкомпенсирует момент /> сил, вызванных передачей силы тягина тележку на высоте /> букс колёсных пар.
На раму кузова от каждойтележки передаётся усилие />. Суммарная горизонтальнаясоставляющая этих сил /> уравновешивается сопротивлением движениюпоезда />, а вертикальные составляющие /> действуют относительно тележки на плече />. Сила />,воспринимаемая тягой передней по ходу движения тележки, приложена к кузову вточке /> на расстоянии />,а у задней в точке /> на расстоянии /> до середины кузова образуется момент:
/>
где /> - база локомотива
Этот момент вызываетразгрузку передней по ходу движения локомотива тележки и такую догрузку заднейна величину:
/>
Таким образом, у переднейтележки обе колёсные пары разгружаются в зависимости от величины силы тяги исоотношения />, в зависимости от величины угла наклонапродольных тяг, но при непременном условии, что их направления пересекаютсяпосредине тележки на уровне головки рельсов.
Величина разгрузкиколёсных пар передней тележки:
/>
Аналогично, перегрузы 3ейи 4ой оси:
/>
Коэффициент использованиясцепного веса:
/>
Раздел 8.
ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕВПИСЫВАНИЕ ЭКИПАЖА В КРИВУЮ
При исследовании движениялокомотива в кривых приходится решать ряд чисто геометрических задач. Преждевсего необходимо определить, вписывается ли экипаж проектируемого тепловоза вкривую заданного радиуса.
Для решения указаннойзадачи необходимо прежде всего рассмотреть геометрические соотношения междуразмерами рельсовой колеи и локомотивного экипажа. Правила техническойэксплуатации устанавливают, что при укладке рельсов в кривых, радиус которыхменьше 350 м, уширение колеи δ составляет 10 мм, а при радиусе менее 300 м– δ=15 мм.
Для упрощения чертежа нанем изображаются лишь внутренние грани головок рельсов. Расстояние между нимипринимается равным суммарному зазору между гребнями бандажей и головкамирельсов в кривой, радиус которой менее 300 м, т.е. 29 мм. Соответственно иэкипаж локомотива изображается в виде одной линии. Точки на этой линииизображают оси колесных пар, а расстояния от этих точек до кривых, представляютсобой зазоры между гребнями колесных пар и головками рельсов. Поэтому крайниеколесные пары трехосной тележки прижаты к головкам рельсов, а внутренняяколесная пара имеет относительно них зазор. Для того, чтобы этот зазор можнобыло измерить непосредственно в мм, при вычерчивании база тележки уменьшается вn раз, а радиус кривой в n2 раз.
Точныезначения могут быть получены, если выбрать разные, не связанные друг с другоммасштабы my и mx. При этом окружность, изображающая рельс, преобразуется вэллипс, который на участке, необходимом для вписывания локомотива, с большойточностью может быть заменен параболой.
Уравнениепараболы, изображающей на чертеже наружный рельс:
/>.
При построении принимаеммасштабы my=1:1, mx=1:100.
Заданный радиус кривой: />, получаем:
/>
Подставляя в этовыражение величину Х, получим координаты параболы. Если эту параболу сдвинутьпараллельно самой себе на 29мм, получим изображение внутреннего рельса.Координаты парабол наружного и внутреннего рельсов представлены в табл.8.
Таблица 8.
Значения координатпарабол внутреннего и наружного рельсовх, мм 10 20 30 40 50 60 70 80 yн, мм 4 16 36 64 100 144 196 256 yв, мм 29 33 45 65 93 129 173 225 285
Результат построенийпоказывает, что проектируемый локомотив почти вписывается в кривую R= 125 м . Для его вписывания можно сместить рельс на 2 мм, но впринципе можно сказать, что он вписывается в кривую заданного радиуса, итележки повернуты относительно рамы тепловоза на угол:
– передняя тележка
/>
/>
/>
– задняя тележка
/>
/>
/>
/>
Раздел 9.
СРАВНЕНИЕПРОЕКТИРУЕМОГО ТЕПЛОВОЗА С ТЕПЛОВОЗОМ, ИСПОЛЬЗУЕМЫМ В КАЧЕСТВЕ ПРОТОТИПА
За прототип в данномкурсовом проекте был выбран серийный пассажирский тепловоз ТЭП60 с Ne=2206 кВт.
Сравнение тяговых иудельных характеристик:
/>
/>
/>
где /> – расчетный коэффициент сцепления колеслокомотива с рельсами.
/>,
где /> – коэффициент сцепления колес локомотива срельсами в соответствии с ПТР;
/> –коэффициент, учитывающий новые технические решения, увеличивающие тяговыесвойства локомотива.
Таблица 9.
Тяговая характеристикапроектируемого локомотиваV, км/ч 5 10 20 30 40 50 60 70
Fk,
кН 384,8 348,9 322,6 286,5 209,4 157,1 125,6 104,7 89,7 V, км/ч 80 90 100 110 120 130 140 150 160
Fk,
кН 78,5 69,8 62,8 57,1 52,4 48,3 44,9 41,9 39,3
Для сравнения полученнойтяговой характеристики проектируемого локомотива с тяговой характеристикойтепловоза, принятого в качестве прототипа, переходим к рассмотрениюотносительных тяговых характеристик:
/>
/>
В этих выражениях /> и />определяются приконструкционной скорости движения проектируемого и серийного локомотивов ииспользовании эффективной мощности первичного двигателя:
/>.
/>,/>,/>, />
/>,
/>.
Таблица 10
Тяговая характеристикатепловоза-прототипаV, км/ч 5 10 20 30 40 50 60 70
Fk,
кН 205 205 205 205 187 147 130 104 87 V, км/ч 80 90 100 110 120 130 140 150 160
Fk,
кН 78 70 63 60 53 48 44 40 37
/>
Рис 11. Сравнение тяговыхудельных характеристик серийного и проектируемого тепловоза