Курсовая работа (т): Расчет основных параметров систем обеспечения тепловоза

где R_B= 287 - газовая постоянная воздуха (работа, совершаемая 1 кг газа, если его температура повышается на 1 ^оС, при неизменном давлении), 287 Дж/ кг К.

g_ВЗ = 10⁵/(287 * 343) = 1,016

Q_B = 21/1,016 = 20,7 м³/с.

Для обеспечения максимального КПД (h_B) вентилятора необходимо определить угол установки (наклона) его лопастей. Эта задача решается с помощью аэродинамических характеристик вентилятора:`Н = f(`Q) и h_B = f(`Q),где `Н - коэффициент напора, `Q - коэффициент производительности.

На рисунке 5 представлены аэродинамические характеристики осевого вентилятора типа У.

Задаваясь несколькими значениями частоты вращения вентиляторного колеса n_i определяют значения окружной скорости w_I, м/с, по величине которой рассчитывают значения `Н<sub>i</sub> и `Q_i

w_i = p D_B n_i / 60 £ 120 м/ с, (39)

w₁ = 3,14 * 1,6 * 1300 = 108,9 м/с

w₂ = 3,14 * 1,6 * 1150 = 96,3 м/с

w₃ = 3,14 * 1,6 * 1000 = 83,7 м/с

w₄ = 3,14 * 1,6 * 850 = 71,2м/с

H_i = g H / 10g_B w_i², (40)

H₁ = (9,8 * 665)/(10 * 1,016 * 108,9²) = 0,054 ₂ = (9,8 * 665)/(10 * 1,016 * 96,3²) = 0,069 ₃ = (9,8 * 665)/(10 * 1,016 * 83,7²) = 0,091 ₄ = (9,8 * 665)/(10 * 1,016 * 71,2²) = 0,126

Q_i = Q_B / F_B w_i, (41)

где Н - напор, Н/ м²; Q_B - производительность, м³/ час; F_B - площадь вентиляторного колеса по внешнему диаметру, м²,

F_B = p D_B² / 4. (42)

F_B = 3,14 * 1,6²/4 = 2 м²

Следовательно:

Q₁ = 20,7/(2 * 108,9) = 0,095

Q₂ = 20,7/(2 * 96,3) = 0,107

Q₃ = 20,7/(2 * 83,7) = 0,123

Q₄ = 20,7/(2 * 71,2) = 0,145

Значения диаметра вентилятора и частоты вращения взяты из характеристик главного вентилятора тепловоза-прототипа.

По найденным значениям `Н<sub>i</sub> и `Q_i на аэродинамических характеристиках строится характеристика сети (приложение 1) и находятся точки пересечения ее с кривыми Н = f(`Q): точки 1, 2. 3, 4. Найденные точки пересечения переносятся на кривые h<sub>B</sub> = f(`Q), построенные для различных углов установки лопастей (точки 1¹, 2^1, 3^1, 4¹). По максимальной ординате определяется угол установки лопастей, при котором вентилятор будет работать с максимальным КПД. Таким образом угол установки лопастей 20°, КПД = 0,6.

Рис. 5.

После этого определяются параметры вентиляторного колеса: диаметр D_B, м, максимальная частота вращения, n_B, 1/c, и затраты мощности на его привод, N_B, кВт. Для этого сначала определяют значения `Н и `Q, соответствующие максимальному КПД, для чего точка, на кривой h_B = f(`Q), по которой был определен оптимальный угол установки лопастей, переносится на зависимость Н = f(`Q),a с нее - на ординату и абсциссу. Затем по нижеприведенным формулам определяются значения измерителя напора К_Н, Н/м ² и измерителя производительности К_Q, м ³/с:

К_Н = Н /`Н _20° (43)

К_Н = 665/0,069 = 9637,7 Н/м ²

К_Q = Q_B /`Q_20° (44)

К_Q = 20,7/0,107 = 193,4 м³/с

После этого рассчитываются n_B, 1/c; D_B, м; N, кВт,

, (45)

= 19 об/с = 1145 об/мин

, (46)

= 1,6 м

, (47)

где  - КПД вентилятора при оптимальном угле установки лопастей.

N_B = (20,7 * 665)/1000 * 0,6 = 23 кВт

4. Расчет и построение тяговой и экономических характеристик тепловоза

Перед началом расчета необходимо привести основные характеристики, выбранных ранее, тяговых электрических машин.

Табл. 3. Основные характеристики тяговых электрических машин.

4.1 Расчет касательной мощности тепловоза и передаточного числа тягового редуктора

По исходным данным к курсовому проекту (N_e и V_PAC) определяют касательную мощность тепловоза, кВт,

N_K = N_e h_ПЕР b, (48)

где h_ПЕР - кпд тяговой передачи;

h_ПЕР = h_ТГ h_ТЭД h_ЗП, (49)

где h_ЗП = 0,98 - кпд зубчатой передачи; b = 0.85

h_ПЕР = 0,94 * 0,916 * 0,98 = 0,84

N_K = 1400 * 0,84 * 0,85 = 100 кВт

Затем определяется передаточное число тягового редуктора,i:

i = F_ДЛ D_K / 2 M_ДЛ, (50)

где F_ДЛ - длительная сила тяги КМБ, кН; M_ДЛ - крутящий момент на валу ТЭД, кН*м,

F_ДЛ = 3,6 Р / V_P, (51)

М_ДЛ = 9,5 Р / n_ДЛ (52)

n_ДЛ = n_MAX V _Р / V_КОН, (53)

где n_MAX - максимальная частота вращения якоря ТЭД. об/мин; V_КОН - конструкционная скорость тепловоза км/ч.

n_ДЛ = 2200 * 100/22 = 484 об/мин

М_ДЛ = 9,5 * 206/484 = 4,04 кН *м

F_ДЛ = 3,6 * 206/22 = 33,7 кН

i = (33,7 * 1,05)/(2 * 4,04) = 4,38

.2 Расчет электротяговых характеристик колесно-моторного блока

Для построения тяговой характеристики тепловоза необходимо рассчитать и построить электротяговые характеристики колесно-моторного блока (КМБ), которые имеют вид: F_D = (I) и V = f(I), т. е. зависимости силы тяги КМБ и скорости его движения от тока. Последние рассчитываются по электромеханическим характеристикам ТЭД: М_D = F(I) и n_D = f(I). Задаваясь значениями тока I_i, по зависимости момента от тока определяются значения М_i, а по зависимости частоты вращения от тока - значения n_i. Далее по нижеприведенным формулам они пересчитываются в значения F_Di,kH, и V_i, км/ч:

F_D = (2 i M_D h_ЗП) / D_K, (54)

V = (60 p D_K n_D) / 1000 i, (55)

где F_D - сила тяги КМБ; V - скорость движения тепловоза.

Учитывая наличие трех кривых, рассчитывают значения F_Di и V_Di для полного поля (ПП) и ослабленных полей (ОП 1 и ОП 2). Для грузовых и маневровых тепловозов ослабление полей берется в пределах: a₁ = 1, a₂ = 0,6, a₃ = 0,38. Выполненные расчеты сводятся в табл. 4 и по ним строятся электротяговые характеристики КМБ.

Рис. 6.

На рисунке 6 приведена электромеханические характеристики ТЭД ЭДТ 200Б мощностью 206 кВт.

Табл. 4. Расчет параметров электротяговых характеристик КМБ

Рис. 7.

На рисунке 7 приведена электротяговые характеристики КМБ тепловоза 2ТЭ 3.

4.3 Расчет и построение тяговой характеристики тепловоза

Расчет тяговой характеристики производится на основе построенных электротяговых характеристик КМБ. Для этого, задаваясь значениями тока ТЭД I_i, по данным характеристикам определяют величины F_Di и V_i для полного поля возбуждения ТЭД и ослабленных полей. Далее рассчитывают силу тяги тепловоза F_Ki, кН, и строят тяговую характеристику

F_Кi = F_Di m, (56)

где m - число ТЭД на одной секции тепловоза.

Табл. 5. Расчет параметров тяговой характеристики тепловоза 2ТЭ 3.

На построенную тяговую характеристику наносятся точки перехода работы ТЭД. Для этого необходимо определить скорости переключения работы ТЭД с ПП на ОП 1 и на ОП 2, используя соотношение

V_ПР^{ПП-ОП 1} = (V_ОБР^{ПП-ОП 2} * i_ОБР)/ i, (57)

где V_ОБР^{ПП-ОП 1} - скорость перехода тепловоза-образца с ПП на ОП 1; i_ОБР - передаточное отношение тягового редуктора тепловоза-образца. Обратный переход (ОП 2 - ОП 1 и ОП 1 - ПП) производится при скорости движения на 10 км/ч меньшей, чем прямой переход. Для грузовых тепловозов величина ослабления поля на первой ступени составляет 60 %, на второй ступени - 38 %.

Табл. 6. Скорости перехода работы ТЭД тепловоза 2ТЭ 3.

V_ПР^{ПП-ОП 1} = (29,5 * 4,41)/4,38 = 29,7 км/ч

V_ПР^{ОП 1-ПП} = 19,7 км/ч

V_ПР^{ОП 1-ОП 2} = (41,5 * 4,41)/4,38 = 41,8 км/ч

V_ПР^{ОП 2-ОП 1} = 31,8 км/ч

Тяговая характеристика должна иметь вид близкий к равнобокой гиперболе, что свидетельствует о постоянстве касательной мощности и полном использовании эффективной мощности ДВС на всем диапазоне скорости движении от V = V_РАС до V = V_КОН.

На тяговую характеристику наносятся ограничения по длительному току и по сцеплению колес с рельсами. Ограничение по длительному току I_ДЛ позволяет уточнить значение расчетной скорости. Чтобы нанести ограничение по I_ДЛ поступают следующим образом: для значения I_ДЛ по электротяговым характеристикам КМБ определяют величину F_D для одного ТЭД при полном поле их возбуждения. Тогда длительная сила тяги тепловоза определяется как:

F_K^T = F_D m. (58)

F_D = (2 * 4,38 * 3,55 * 0,98)/1,05 = 29 кН

F_K^T = 29 *6 = 174 кН

Полученное значение F_K^T откладывают на тяговой характеристике по оси F и проводят линию, параллельную оси V.

Для наложения на тяговую характеристику ограничения по сцеплению колес с рельсами необходимо воспользоваться основным законом локомотивной тяги:

F_K £ F_СЦ, (59)

где F_СЦ - сила сцепления колес с рельсами, кН.

F_СЦ = y_К Р_СЦ, (60)

где y_К - расчетный коэффициент сцепления:

y_К = 0,118 + 5/ (27,5 + V), (61)

Р_СЦ - сцепной вес тепловоза, кН.

Р_СЦ = 2П m, (62)

Р_СЦ = 230 * 6 = 1380 кН

где 2П - нагрузка от колеса на рельс.

Табл. 7. Расчёт параметров тяговой характеристики тепловоза 2ТЭ 3