Міністерство освіти і наукиУкраїни
Східноукраїнськийнаціональний університет імені В. І. Даля
Кафедра залізничноготранспорту
Курсова робота
З дисципліни: Електрообладнаннялокомотивів
Тема: Розрахунок тягово-енергетичних характеристик тепловозу
Варіант 24 Локомотив 2ТЭ121
Реферат
Курсовая работа по“Электрооборудование локомотивов” включает расчетно-пояснительную записку с.,табл., 3 рис.
Дизель-генератор, ТЭД,тяговый редуктор, номинальная мощность дизеля, сцепная масса локомотива,электрическая передача мощности, функциональная схема, длительная сила тяги,касательная мощность локомотива, КПД передачи мощности, КПД тепловоза, внешняяхарактеристика тягового генератора, электромеханические характеристики ТЭД,тяговая характеристика тепловоза, тягово-энергетические характеристикилокомотива,
Дана функциональная схемаи дано краткое описание электрической передачи мощности заданного локомотива,даны расчёты основных параметров передачи мощности тепловоза в длительномрежиме, внешней характеристики тягового генератора, Тяговой характеристикитепловоза и его КПД, силы тяги локомотива, ограниченной сцеплением колеса срельсами, приведены тягово-энергетические характеристики проектного локомотиваи даны основные выводы по рассчитанной передаче мощности тепловоза.
Содержание
Введение
1. Краткое описание электропередачимощности тепловоза 2ТЭ12
2. Основные исходные данные для расчётатягово-энергетических характеристик проектного тепловоза
3. Расчет основных параметровпередачи мощности тепловоза в длительном режиме
4. Расчёт и построение тяговойхарактеристики тепловоза и его КПД
4.1 Расчёт и построение внешнейхарактеристики тягового генератора
4.2Расчёт тяговой характеристикитепловоза и его КПД
4.3 Расчёт касательной силы тягитепловоза, ограниченной сцеплением колес с рельсами
4.4 Построение тягово-энергитическиххарактеристик тепловоза
Заключение
Список использованной литературы
Приложение
Введение
Передача мощности оттеплового двигателя к колесам является основной энергетической цепьюлокомотива. Как в нашей стране, так и в большинстве стран мира на тепловозахсредней и большой мощности наибольшее применение находит электрическая передачамощности, благодаря своей универсальности, гибкости и простоте управления,компоновки, высокой надежности и долговечности работы.
Параметры ихарактеристики того или иного типа электропередач существенно влияют наосновные технико-экономические и качественные показатели тепловозов – габаритыи массу, коэффициенты тяги и передачи мощности, экономичность и надёжностьработы, характер обслуживания, ремонта и т.д.
Основные требования кпередаче мощности локомотива:
1) полноеиспользование свободной мощности дизеля во всем диапазоне изменения скоростейдвижения;
2) обеспечениепостоянства загрузки дизеля и его работу в наиболее экономичных режимах приизменении тяговой нагрузки;
3) реализациянаибольшего коэффициента сцепления колес с рельсами во всех режимах движения;
4) высокий КПД иприемлемые массогабаритные показатели.
1. Краткоеописание электропередачи мощности тепловоза 2ТЭ121
Магистральныйдвухсекционный грузовой тепловоз 2ТЭ121 мощностью 2´2941(2´4000 л.с.) с электропередачейпеременно-постоянного тока создан на ПО “ ВТЗ” в 1977 году и предназначен длявождения грузовых поездов.
На тепловозе впервыеприняты принципиально новые конструктивные решения по компоновке и исполнениютележек для нового мощного ряда локомотивов 2942-4410 кВт и нагрузках на ось250-270 кН. Кузов секции тепловоза несущей конструкции, опирается на 2трехосные тележки через роликово-резиновые опоры.
На каждой секцииустановлен дизель-генераторный агрегат 2В-9ДГ, состоящий из дизеля 2В-5Д49 итягового агрегата А-714У2. Тяговый агрегат состоит из тягового (PT =2800кВТ) и вспомогательных (PВГ = 400кВт) генераторов. Сверху наагрегате смонтирована выпрямительная установка типа УВКТ-942(заменена впоследствиина В-МППД-6,3к-1000-2) с общим каналом охлаждения для всего агрегата.
Выпрямленное напряжениеВУ подводится к 6 ТЭД постоянного тока типа ЭД-126УХЛ1 мощностью и череззубчатые тяговые редукторы энергия дизеля передается к осям колесных пар. ТЭДвыполнены с опорно-рамным подвешиванием.
Запуск дизеляосуществляется через стартер-генератор ПСГ-УХЛ2 мощностью 50 кВт отаккумуляторной батареи.
Параметры ихарактеристики электропередачи обеспечиваются использованием бесконтактныхкомплектных устройств автоматики КУА-10, КУА-13, КУА-14.
КУА-10 служит для питанияобмоток возбуждения тягового и вспомогательного синхронного генераторов исодержит 3 однотипных тиристорных выпрямителя с нулевым выводом БА1-1, БА1-2,БА1-3; БА1-2 – резервный.
КУА-13 предназначено дляформирования в замкнутой САР заданных характеристик тягового и вспомогательногогенераторов.
КУА-14 служит длярегулирования возбуждения ТЭД в режиме электродинамического возбуждения (ЭДТ).
2. Основныеисходные данные для расчета тягово-энергетических характеристик проектноготепловоза
Таблица 1№ п/п Параметр Обозначение Величина 1 2 3 4 1. Номинальная мощность дизеля, кВт
Pн 2941 2. Номинальная частота вращения вала дизеля, об/мин n 1000 3. Сцепная масса локомотива, т
Mсц 147 4. Конструкционная скорость, км/ч
Vk 100 5. Передаточное отношение зубчатого тягового редуктора
µЗ 4,318 6. Диаметр движущих колес, м
Dk 1,25 7. Расчетный коэффициент тяги
jкр 0,208 8. Коэффициент полноты загрузки дизеля s 1,0 9. Мощность на привод вспомогательных механизмов, %
Pвсп 12 10. Тип тягового генератора А-714УХЛ2 11. КПД генератора, о.е.
hгр 0,95 12. Коэффициент регулирования генератора по напряжению
Cr 1,6 13. Коэффициент регулирования генератора по току
CrI 2,45 14. КПД выпрямительной установки
hву.р 0,988 15. КПД инвертора
hи 1,0 16. Тип тягового электродвигателя ЭД-126УХЛ1 17. Напряжение ТЭД в длительном режиме, В
U’ТЭД.н 510 18. Максимальное напряжение на выходе ВУ, В
Ud.макс 750 19. Ток ТЭД длительного режима, А
I’ТЭД.н 880 20. КПД ТЭД, о.е.
hТЭД.р 0,902 1 2 3 4 21. Степень ослабления магнитного поля ТЭД, о.е.
a
a1
a2
1
0,66
0,44 22.
Сопротивление обмоток ТЭД, Ом якоря,
главных полюсов,
дополнительных полюсов
Rя
Rг.п.
Rд.п.
0,012
0,0092
0,0078 23. Падение напряжения на щетках, В
DUщ 2 24. Температура наружного воздуха,
tн 20 ° С 25. Температура прогретого ТЭД,
tr 115 ° С 26. Число ТЭД, шт. m 6 27. КПД тягового редуктора, о.е
hз 0,975 28. Удельная теплота сгорания топлива, кДж/кг
Hu 42496 29. Удельный расход топлива дизелем, кг/(кВт*ч)
ge 0,209
3. Расчётосновних параметров передачи мощности тепловоза в длительном режиме
В начале произведем выборосновных параметров тепловоза в расчётном (длительном) режиме. Расчёттягово-энергетических характеристик тепловоза поизводится на ПЭВМ, по программеразработанной на кафедре ж/д транспорта, с использованием математическогопакета Math Cad [1].
Длительная сила тягилокомотива Fк.р. определяется при принятом значении коэффициентатяги jк.р.= 0,166 и движении тепловоза срасчётной массой Mсц = 120 т на расчётном подъёме (i = 9 %) поформуле:
Fк.р = 9.81* Mсц*jк.р., кН (3.1)
Fк.р =9.81*147*0,208 = 299,9 кН
Эффективная мощностьдизеля
Pe = Pн*s, кВт (3.2)
Pe = 2941*1,0= 2941 кВт
где s = 1,0 – коэффициент полноты загрузкидизеля на последней позиции контроллера машиниста для электрической передачимощности.
Мощность, расходуемая напривод вспомогательных механизмов тепловоза Pвсп, равна:
Pвсп = Pe* (Pвсп, % / 100), кВт (3.3)
Pвсп= 2941*12/100 = 353 кВт
Свободная мощность дизеля(или мощность идущая на тягу) равна:
Pд= Pe — Pвсп, кВт (3.4)
Pд= 2941 – 353= 2588 кВт
Коэффициент, учитывающийдолю отбора мощности дизеля на привод вспомогательных механизмов:
b= (Pe — Pвсп) /Pe, (3.5)
b= (2941 -353)/2941 = 0,88
КПД передачи мощностипроектного тепловоза:
h= hсг.р*hву.р*hТЭД.р*hзр (3.6)
hп.р.= 0,96*0,991*0,915*0,975 = 0,849
где hсг.р,hву.р,hТЭД.р,hзр – значения КПД берутся для длительного режима работы по соответствующимтехническим данным электрических машин [1.2].
Расчётная скоростьдвижения тепловоза вычисляется по формуле:
Vкр.= (3,6* Pд*hп.р) / Fк.р, км/ч (3.7)
Vкр.=3,6*2588*0,849/299,9 = 26,4 км/ч
Мощность на выходевыпрямительной установки(ВУ):
Pd.p.= Pву.р.=Pд*hсг.р*hву.р (3.8)
Pd.p.= Pву.р.=2588*0,96*0,991= 2462 кВт
Входная мощность P1ТЭД.ри мощность на валу P2p.= PТЭД.р тягового электродвигателяравны:
P1ТЭД.р= Pd.p./m, кВт P1ТЭД.р= 2462 /6 = 410,3 кВт (3.9.)
PТЭД.р= P1ТЭД.р*hТЭД.р., кВт PТЭД.р= 410,3*0,915 =375,4 кВт
где m = 6 – число ТЭД
Номинальная частотавращения якоря ТЭД:
nном = µЗ*Vкр / (0,1885*Dk), об/мин (3.10)
nном =4,318*26,4/(0,1885*1,25) = 484 об/мин
где µЗ –передаточное отношение тягового редуктора.
Максимальная частотавращения якоря ТЭД:
nмакс= nном* Vk / Vкр, об/мин (3.11)
nмакс= 484 *100/ 26,4 = 1833 об/мин
где Vk = 100км/ч – конструкционная скорость движения тепловоза.
Касательная мощностьлокомотива в длительном режиме:
Pк.р.= (Fк.р.*Vк.р.)/ 3,6, кВт (3.12)
Pк.р.=(299,9*26,4)/ 3,6 = 2200 кВт
КПД тепловоза в расчетномрежиме равен:
hт.р.= 3600* Pк.р / Bч*Hи, о.е. (3.13)
hт.р.= 3600*2200/614,6*42496 = 0,303
где Bч –часовой расход топлива дизелем, кг
Bч = ge*Pe,кг (3.14)
Bч =0,209*2941 = 614,6 кг
где ge = 0,209кг/(кВт*ч) – удельный расход дизельного топлива [1].
КПД дизеля можноопределить как:
hдиз.=3600/ ge* Hи,о.е. (3.15)
hдиз.= 3600/ 0,209 *42496 = 0,405
Для проверки КПДтепловоза можно вычислить по формуле:
hт.р1 = hдиз*hп.р*b (3.16)
hт.р1 = 0,405*0,88*0,849 = 0,303
Коэффициент передачимощности тепловоза:
fp = Pk.p./Pe (3.17)
fp = 2200 /2941 = 0.748
Удельная номинальнаямощность тепловоза вычисляется:
Pн= Pk.p/ Mсц, кВт/т (3.18)
Pн= 2200 / 147= 14, 97 кВт/т
4. Расчёти построение тяговой характеристики тепловоза и его КПД
Расчёт производится поимеющимся электромеханическим характеристикам ТЭД заданных в табличной форме(табл.2), снятых при напряжении на ТЭД UТЭД при полном aпп = 1,0 и двух ослабленных магнитныхполях ТЭД a1 = 0,66 и a2 = 0,44.При этом необходимо стремиться, чтобы мощностьна валу была равна мощности ТЭД проектного тепловоза.
Степень ослаблениямагнитного поля ТЭД выражается:
a = Iв/ Iя (4.1)
где Iв – токобмотки последовательного возбуждения, Iя – ток якоря.
Задаемся произвольношестью значениями токов якоря из электромеханических характеристик ТЭД от IТЭД.мин= 600 А до IТЭД.макс.= 1200 А.
Значения токов заносим всводную таблицу 3 расчёта тяговой характеристики тепловоза. Сюда же в колонкудля полного поля a =1,0 вводим с таблицы 2 значения подводимого напряжения UТЭД, а ссоответствующих графиков [1] зависимость КПД генератора hсг от тока Id на выходевыпрямительной установки.
Ток на выходе ВУ равен:
Id = IТЭД*m(4.2)
где m = 6 числопараллельно соединенных ТЭД.
4.1 Расчёти построение внешней характеристики тягового генератора
Внешняя характеристикатягового генератора представляет собой зависимость выходного напряжениятягового генератора от тока нагрузки, т.е. Uг = f (Iг).
При наличиивыпрямительной установки внешняя характеристика генератора строится на еёвыходе, т.е.
Ud = f (Id)
Для обеспеченияпостоянной загрузки вала дизеля внешняя характеристика генератора имеет видгиперболы, т.е.
Pd = Ud*Id=const. (4.3)
Напряжение на выходе ВУ Udпри произвольныхзначениях токов на выходе ВУ Id (определяемыхформулой (4.2)) определяеся по формуле:
UТЭД = Ud= (Pd*hсг.р*hву.р*1000 ) / Id, В (4.4)
Здесь: КПД ВУ принимаем равныепо значению в длительном режиме (ввиду его незначительного отклонения от токанагрузки Id).
Результаты всех вычисленийзаносим в сводную табл. 3.
Определим основные параметрывнешней характеристики генератора.
Номинальное напряжение навыходе ВУ (ориентировочно равное работе тепловоза в длительном режиме) можноопределить:
Ud.н.= Ud.макс/ Cr, В (4.5)
Ud.н.= 750 /1,6 = 468,8 В
где Ud.макс. –максимальное напряжение на выходе ВУ. Оно должно быть не ниже напряжения UТЭДпри минимальном токе IТЭД.
Номинальный ток на выходеравен:
Id.н.= Pd.p.*1000/ Ud.н., А (4.6)
Id.н.=2462*1000 / 468,8 = 5252 А
Минимальное значение токана выходе ВУ:
Id.мин.= 1000*Pd*hсг.р*hву.р / Ud.макс., А (4.7)
где hсг.р = 0,956 – значение КПД синхронногогенератора при минимальном токе Id.o. = 3600А(Id.o. =600*6 = 3600 А).
Id.мин.=1000*2588*0,956*0,991 / 750 = 3270 А
Максимальное значениетока ВУ:
Id.макс.= Id.мин.*Cr1(4.8)
Id.макс.=3270*2.45 = 8012 А
Значение Id.макс.должно быть больше IТЭД*m
Id.макс.>1200*6 = 7200 А.
Если Id.макс.
Минимальное напряжение навыходе ВУ:
Ud.мин =1000*Pd * hсг.макс*hву.р / Ud.макс, В (4.9)
Ud.мин =1000*2588*0,935*0,991 / 7200 = 333 В
где hсг.макс – КПД генератора при максимальномтоке.
По данным расчётнымточкам, а также используя расчёты на ПЭВМ строим внешнюю характеристикутягового генератора Ud = f (Id).
4.2 Расчёттяговой характеристики тепловоза и его КПД
Расчёт тяговойхарактеристики тепловоза Fk = f(Vk) производится поупрощенным формулам[1,2,3,], используемых в заводских расчётах.
Используемыеэлектромеханические характеристики ТЭД снимаются при определенных значенияхтоков I и напряжений на ТЭД U’ТЭД. В проектных тепловозах мощностьлокомотива, а, следовательно, и мощность и напряжение ТЭД обычно отличаются оттех, при которых сняты электромеханические характеристики.
Поэтому, при расчётескорости движения тепловоза Vk учитывается её изменение от изменениянапряжения на ТЭД пропорционально изменению противо-ЭДС, т.е.
/>, (4.10)
где V – скорость движениятепловоза при напряжении на ТЭД U= UТЭД;
V’ – то же при напряженииU’= U’ТЭД, взятом из известных электромеханических характеристикТЭД.
При расчёте момента ТЭД МТЭД(а, следовательно, и силы тяги FК.ТЭД) его изменение от подводимогонапряжения не учитывается, т.к. расчёт МТЭД производится при одних итех же токах, а
МЭМ.ТЭД= CМ*Ф*I, (4.11)
т.е. при одних и тех жетоках электромагнитный момент МЭМ двигателя не меняется. А изменениемомента на валу ТЭД от изменения магнитных и механических потерь в нем, неучитываем ввиду их малости.
Остальные расчетные параметрыприведены ниже и сведены в табл. 3.
Расчет проводится поэлектромеханическим характеристикам ТЭД при полном поле a = 1,0 и двух ослабленных магнитныхполях a1=0,66 и a2=0,44.
Суммарное сопротивлениеякорной цепи равно [1]:
Rc= Rя+ a*RГ.П. + RД, Ом(4.12)
где Rя, RГ.П.,RД – активные сопротивления якорной цепи ТЭД, их величины взяты из[1.3] и приведены в исходных данных.
Rc= 0,012 + a*0,0092 + 0,0078
При a = 1,0; Rc= 0,029 Ом;
a1= 0,66; Rc= 0,026 Ом;
a2= 0,44; Rc= 0,024 Ом.
4.2.2 Суммарное сопротивлениеякорной цепи при прогретом до tГ =115° С ТЭД равно:
RСГ = Rс[1+KГ*(tГ – tН)], (4.13)
где KГ = 0,004Ом /° С — температурный коэффициентсопротивления меди;
tН = 20 ° С — температура, при которойопределялись сопротивления обмоток.
При a = 1,0; Rc.г = 0,040 Ом;
a1= 0,66; Rc.г. = 0,036 Ом;
a2= 0,44; Rc.г. = 0,033 Ом.
Противо-ЭДС проектноготепловоза:
EТЭД = UТЭД– (IТЭД* RС.Г + DUщ), (4.14)
где DUщ = 2 В – падениенапряжения на коллекторно-щеточном переходе ТЭД;
UТЭД – шестьзначений напряжений ТЭД, определяемых формулой (4.4).
Заносим в расчётнуютабл.3 шесть значений напряжений
U’тэд – изимеющихся электромеханических характеристик ТЭД (табл. 2) при принятых токахТЭД IТЭД (6 значений).
Противо-ЭДС ТЭД E’ТЭД,при которой сняты электромханические характеристики, вычисляется по формуле,аналогичной (4.14):
E’ТЭД = U’ТЭД– (IТЭД* RС.Г + DUщ), (4.15)
Из имеющихсяэлектромеханических характеристик, заносим в сводную таблицу значения чиселоборотов ТЭД n’ТЭД и момента МТЭД при принятых значенияхтоков ТЭД IТЭД.
Частота вращения якоряТЭД проектного (заданного) локомотива определяется:
nТЭД = n’ТЭД*(EТЭД/ E’ТЭД), (4.16)
Скорость движениялокомотива равна [1]:
Vk = 0.1885*nТЭД*Dk/ µз, км/ч (4.17)
где Dk = 1.25м – диаметр колеса по кругу катания;
Сила тяги проектноголокомотива определяется выражением:
Fk = 2*МТЭД*m*µз*hз / Dk, Н (4.18)
Все параметры даннойформулы приведены в исходных данных (табл. 1).
Касательная мощность Pkпроектного локомотива:
Pk = Fk*Vk/ 3.6, кВт. (4.19)
КПД тепловозаопределяется формулой, аналогичной (3.13):
hТ = />, о.е. (4.20)
В табл. 4 приведеныосновные параметры тепловоза в длительном режиме.
Таблица 4Параметры
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 Расчёткасательной силы тяги тепловоза, ограниченной сцеплением колёс с рельсами
Касательная сила тягиопределяется по формуле [1]:
Fк.сц = 9.81*Mсц*yк., (4.21)
где yк — коэффициент сцепления для двойноготепловоза, по правилам ПТР определяется [3.2]:
yк = 0,25+ />,(4.22)
где V – произвольнозаданная скорость движения тепловоза от 0 до 25 км/ч.
Расчёт кривой ограничениясилы тяги сведен в табл.5.
Таблица 5V 5 10 15 20 25
yк 0,30 0,272 0,251 0,236 0,223 0,213
Fк.сц 432,6 392,2 361,9 340 321,6 307,2
4.4Построение тягово-энергетических характеристик тепловоза 2ТЭ121
На основании своднойтаблицы (табл.3), полученной на основании расчётов на ПЭВМ в Math Cad строитсятяговая характеристика тепловоза (рис.3).
Тяговая характеристикатепловоза включает:
1) линии значенийсилы тяги Fk при полном и ослабленных магнитных полях ТЭД;
2) кривуюограничения силы тяги по сцеплению Fк.сц;
3) прямую, ограничивающуюсилу тяши по конструкционной скорости
Vk = 100 км/ч;
На кривой силы тяги Fkпри полном поле нанесена точка длительного режима работы тепловоза Fкр=299,9 кН и Vкр = 26,4 км/ч.
На листе также нанесены:
4) кривыекасательной мощности Pk и КПД тепловоза hт при полном и ослабленных полях ТЭД.
Значения точек переходаработы ТЭД с полного поля возбуждения на ослабленное и наоборот определяетсясоответствующей настройкой реле перехода или дифференциального релеэлектрооборудования тепловоза.
Ориентировочно можнопринять эти значения по табл. 6 в зависимости от конструкционной скорости Vk= 100 км/ч.
Таблица 6Переход Значение скорости Принятое значение ПП®ОП1
(0,3..0,45) Vk
0,4Vk = 40 км/ч ОП1® ОП2
(0,5..0,6)Vk
0,6Vk = 60 км/ч ОП2®ОП1
(0,4..0,5)Vk
0,5Vk = 50 км/ч ОП1®ПП
(0,25..0,3)Vk
0,35Vk = 35 км/ч
1 – переход с ПП на ОП1;2 – переход с ОП1 на ОП2;
3 – переход с ОП2 на ОП1;4 – переход с ОП1 на ПП.
Заключение
1. Рассчитаннаяэлектрическая передача мощности переменно-постоянного тока обеспечивает вдлительном режиме работы силу тяги тепловоза
Fк.дл = 299,9кН при скорости движения Vк.дл = 26,4 км/ч. КПД тепловоза при этомсоставляет hтр = 0,307. Коэффициент тяги тепловоза jкр = 0,208. КПД передачи мощности hп = 0,849.
2. Максимальное значениеКПД тепловоза при номинальном расходе топлива ge = 2090 г/(кВТ*ч) вдиапазоне работы от Vк.дл до Vk = Vмакс = 100км/ч составляет hт = 0,307.
3. Электропередачаобеспечивает заданную конструкционную скорость тепловоза Vk = 100км/ч при принятой второй ступени ослабления магнитного поля a2 = 0,44.
4. Сила тяги при троганиитепловоза с места составляет Fк.тр. = 432,6 кН.
Рассчитанная передачамощности для тепловоза 2ТЭ121 полностью удовлетворяет исходным данным.
Списокиспользованной литературы
1. Методическиеуказания к курсовому и дипломному проектированию ²Расчёт на ПЭВМ электромеханическиххарактеристик тягових электродвигателей и тягово-экономических характеристиктепловозов² / Сост.В.М.Новиков, А.И.Костюкевич.Ч.1;2. – Луганськ: ЛМСИ, 1992.- 100с.
2. Основылокомотивной тяги / С.Н.Осипов, К.А.Миронов, В.И.Ревич. — М: Транспорт, 1979. –440с.