Общая компоновка локомотива

1. Выбор тепловоза-образца

тепловоз электрический генератор дизель

По таблице 1 МУ выбираем тепловоз для проведения расчетов и описаний, предусмотренных в задании на курсовую работу. Для этого используем табл. 2 МУ, в которой приведены технические характеристики основных серий тепловозов. При этом по расчетной скорости v_р (скорости продолжительного режима) определяем род службы тепловоза.

Расчетная скорость v_р = 25 км/ч, следовательно тепловоз предназначен для перевозки грузов.

По осевой формуле и мощности P_e определяется конкретно серия тепловоза, характеристики которого более других близки данным моего варианта.

Для варианта 5 по заданным параметрам: P_e = 4500 кВт (мощность дизеля 2250 кВт), осевая формула 2 (3_о — 3_о), дизель 4^х-тактный — выбираем: тепловоз двухсекционный 2ТЭ116, мощность 4^х-тактного дизеля которого P_e ном = 2206 кВт для одной секции (4412 кВт в 2_х секциях).

Тепловоз 2ТЭ116 состоит из двух одинаковых однокабинных секций, управляемых с одного (любого) поста кабины и соединённых автосцепкой СА₃. При необходимости каждая из секций может быть использована как самостоятельный тепловоз. Для перехода из одной секции в другую в задней стенке секций имеются двери и переходная площадка, закрытая резиновым суфле. Все силовое и вспомогательное оборудование расположено в кузове, выполненном с несущей главной рамой.

На тепловозе применена ДГУ (дизель-генераторная установка) установленная на средней части главной рамы. ДГУ состоит из 16_цилиндрового, V_образного дизеля 1А_5Д49 и синхронного трёхфазного генератора ГС_501А. Дизель и тяговый генератор смонтированы на единой поддизельной раме сварной конструкции и соединены между собой полужёсткой пластинчатой муфтой. Дизель 5Д49 принадлежит к унифицированному ряду ЧН26/26, что означает — четырёхтактный с газотурбинным наддувом, диаметр цилиндра и ход поршня 260 мм. Управление дизелем — электрическое дистанционное при помощи установленных на регуляторе дизеля четырёх электромагнитов, получающих питание от контроллера машиниста и включающихся в различных комбинациях.

Схема электрической передачи — переменно-постоянного тока, реализованная также на тепловозах ТЭП70, 2ТЭ121, ТЭМ7. От синхронного тягового генератора также питаются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (АДКЗ), мотор-вентиляторы для охлаждения оборудования. Над ГС_501А установлены однофазный синхронный возбудитель ВС₆₅₀ и коллекторный стартёр-генератор ПСГ, который производит запуск дизеля, получая питание от аккумуляторной батареи, а после запуска работает как генератор, вырабатывания постоянное напряжение 110 В для заряда батареи, питания цепей управления / освещения, а также вспомогательного оборудования.

На тепловозе имеются следующие мотор-вентиляторы (МВ) с приводом от АДКЗ:

центробежные МВ для охлаждения тяговых двигателей передней и задней тележек;

центробежный МВ охлаждения выпрямительной установки и УВВ;

осевой МВ охлаждения ГС_501А;

осевые МВ холодильника воды дизеля;

Двигатели вентиляторов холодильника примечательны тем, что имеют внешний ротор — статор расположен в центре двигателя и его полюсные наконечники обращены наружу от оси, а ротор выполнен в виде кольца и охватывает статор.

Привод от коллекторных двигателей имеют следующие машины:

мотор-компрессор КТ_6Эл, питающий тормозную систему и пневматическую автоматику, привод — через понижающий редуктор;

осевой мотор-вентилятор вытяжной вентиляции кузова;

шестеренный топливоподкачивающий насос;

шестеренный маслопрокачивающий насос, создающий давление в масляной системе дизеля перед пуском;

мотор-вентилятор калорифера отопления кабины — 1 шт.

Тепловоз имеет кузов с несущей главной рамой. Для монтажа и демонтажа оборудования крыша кузова выполнена в виде пяти съёмных секций, из них три со встроенными коробами-воздухозаборниками для очистки воздуха, предназначенного для охлаждения тягового генератора, выпрямительной установки и тяговых электродвигателей. Очистители воздуха для дизеля — вращающиеся сетки, нижняя часть которых погружена в масляную ванну, а верхняя работает на очистку проходящего воздуха. Проворот сеток автоматический, при включении мотор-компрессора электропневматический привод проворачивает сетки на 45 градусов.

Применение разъёмов в электрической проводке по кузову и уплотнительных поясов крыши позволяет быстро снимать необходимую секцию крыши для демонтажа оборудования. Глушитель шума выхлопных газов из дизеля также закреплён на съёмной секции крыши.

2. Составление компоновочной схемы расположения оборудования на тепловозе

Рис. 1. Тепловоз 2ТЭ116, продольный разрез и план: / - кондиционер; 2 — вентилятор охлаждения тормозных резисторов; 3 — выпрямительная установка; 4 — блок выпрямителей управления возбуждением; 5 — вентилятор кузова; 6 — вентилятор охлаждения тягового генератора; 7 — кассета очистки воздуха, охлаждающего тяговый генератор; 3 — глушитель; 9 — бак для воды; 10 — кассета очистки воздуха, охлаждающего ТЭД задней тележки; // - всасывающий канал вентилятора охлаждения ТЭД задней тележки; 12 — жалюзи верхние; 13 — вентиляторы холодильной камеры; 14 — тяговый электродвигатель; 15, 21 — тележки; 16 — аккумуляторная батарея; 17 — топливный бак; 18 — маслопрокачнвающий агрегат; 19 — рама тепловоза; 20 — тяговый генератор; 22 — гаситель колебаний; 23 — роликовая опора кузова; 24 — главный резервуар; 23 — тифон; 26, 55 — передние бункеры для песка; 27 — электрическое устройство автоматики; 28 — высоковольтная камера; 29 — вентилятор охлаждения выпрямительной установки; 30 — инвертор кондиционера; 31, 38 — вентиляторы охлаждения тяговых электродвигателей; 32 — установка порошкового пожаротушения; 33 — возбудитель; 34 — канал бокового забора воздуха; 35 — охладитель масла для дизеля; 36, 48 — воздухоочистители дизеля; 37 — фильтр тонкой очистки масла; 39 — тормозной компрессор; 40 — редуктор; 41 — электродвигатель привода компрессора; 42, 45 — радиаторные секции; 43, 44 — задние бункеры для песка; 46 — боковые жалюзи; 47 — санузел; 49 — топливоподкачивающнй агрегат; 50 — подогреватель топлива; 31 — дизель; 52 — жалюзи вентиляции кузова; 53 — стартер-генератор

3. Определение основных параметров работы дизеля и охлаждающего устройства

К основным параметрам работы дизеля относятся среднее индикаторное и среднее эффективное давления, средняя скорость поршня, индикаторный и эффективный КПД, удельный расход топлива.

Среднее эффективное давление p_е характеризует полезную мощность дизеля, отнесенную к коленчатому валу (фланцу отбора мощности), а среднее индикаторное давление p_i соответствует мощности, полученной непосредственно в цилиндре двигателя. Эту мощность называют индикаторной.

Заданная мощность составляет P_e = 4500 кВт, мощность дизеля тепловоза-образца 2206 кВт, заданная мощность одного дизеля

кВт.

Эффективная P_е ном и индикаторная мощности связаны соотношением

,

откуда

, кВт.

где P_e ном — номинальная эффективная мощность одного дизеля, получаемая делением заданной мощности P_e на число секций тепловоза;

— механический КПД дизеля (0,85).

Механический КПД дизеля характеризует механические и гидравлические потери в трущихся частях двигателя, а так же расход части мощности на привод вспомогательных механизмов дизеля (топливных, масляных, водяных насосов, механизма газораспределения и др.) Его значение находится в пределах от 0,78 до 0,9.

Часовой расход топлива дизеля B_ч, кг/ч

где b_е — удельный расход топлива, приходящийся на 1 кВт эффективной мощности, кг/(кВт. ч).

Удельный расход топлива характеризует степень совершенства преобразования химической энергии топлива в механическую в тепловом двигателе. Для современных дизелей он составляет:

— 0,204 — 0,225 кг/(кВт.ч).

Эффективный КПД дизеля _е есть отношение количества теплоты, эквивалентной эффективной мощности, к располагаемой теплоте, полученной от сгорания топлива в цилиндрах в течение часа,

,

где H_и = 42 500 кДж/кг — теплота сгорания дизельного топлива (количество теплоты, выделяемой при сгорании 1 кг топлива).

Индикаторный КПД дизеля _i.

.

Значение _м примем равным 0,85.

Объем цилиндра

м³.

По заданной мощности определим (несколько отличающейся от мощности выбранного дизеля) новые параметры работы дизеля: среднее эффективное и индикаторное давления, эффективный и индикаторный КПД, а так же давление воздуха p_к перед впускными органами цилиндра (давление наддува).

Среднее эффективное давление в МПа:

при P_e ном = 2250 кВт

МПА

где ф — тактность дизеля;

i — число цилиндров;

n — частота вращения коленчатого вала дизеля, с^-1;

 — рабочий объем цилиндра, м³,

здесь d_ц, S — диаметр цилиндра и ход поршня, м.

при P_e ном = 2206 кВт

МПа.

Цикловая подача топлива в цилиндры дизеля q_ц, кг/цикл

.

Цикловая подача топлива:

при P_e ном = 2250 кВт

кг/цикл,

при P_e ном = 2206 кВт

кг/цикл.

Давление воздуха p_к перед впускными органами цилиндра дизеля (давление наддува) существенно влияет на мощность дизеля и определяется из выражения цикловой подачи топлива в цилиндры дизеля

,

где з_V — коэффициент наполнения. Принимается равным 0,85 — для 4^х-тактных дизелей и 0,8 — для 2^х-тактных;

б — коэффициент избытка воздуха. Примем б = 1,95;

L₀ — теоретически необходимое количество воздуха для сгорания

1 кг топлива, КМоль/кг; принять L₀ = 0,495 КМоль/кг;

T_к — температура воздуха перед впускными клапанами, К; примем T_к = 60 + 273 = 333 К.

Давление наддува:

при P_e ном = 2206 кВт

МПа,

при P_e ном = 2250 кВт

МПа.

МПа.

Таким образом, чтобы поднять мощность дизеля с P_e ном = 2206 кВт до P_e ном = 2250 кВт нужно повысить давление наддува на 0,0046 МПа и увеличить цикловую подачу топлива на 0,2 кг/цикл.

4. Расчет числа секций охлаждающего устройства

Для отвода тепла, выделенного в цилиндрах дизеля при сгорании топлива, применяют охлаждающие устройства. В качестве теплоносителей используют воду и масло. Вода охлаждает цилиндры дизеля, крышки цилиндров и остальной газовыпускной тракт. Масло охлаждает поршни и другие трущиеся детали. В современных дизелях кроме того охлаждают наддувочный воздух. Для охлаждения воды, циркулирующей между дизелем и охлаждающим устройством, применяют водовоздушные радиаторы, а для охлаждения масла и воздуха — водомасляные теплообменники и воздухоохладители. Вода, охлаждающая масло в теплообменнике и воздух в воздухоохладителе, так же охлаждается в водовоздушных радиаторах. Система циркуляции воды, охлаждающей дизель, называется горячим контуром, а система циркуляции воды между теплообменными аппаратами для охлаждения масла и воздуха и водовоздушными радиаторами — холодным контуром.

Необходимые размеры и параметры охлаждающего устройства определяют из уравнений теплового баланса и уравнения теплопередачи.

;

;

где Q — количество тепла, которое необходимо отвести охлаждающим устройством в единицу времени, кДж;

G_ж — подача насоса (количество жидкости, перекачиваемой насосом в единицу времени), м³/ч;

G_возд — подача вентилятора (количество воздуха, проходящее через секции в единицу времени), м³/ч;

C_ж,C_р — удельные теплоемкости жидкости и воздуха, кДж/кг К;

K — коэффициент теплоотдачи, кДж/м² ч К;

t — разность между температурами жидкости до охлаждения и после охлаждения;

— разность между температурами воздуха до поступления в секции радиаторов и после выхода из них;

t_ср — разность между средней температурой жидкости и средней температурой воздуха;

F — площадь охлаждающей поверхности одной секции радиаторов, см²;

Z — число секций радиаторов.

Решение этих уравнений дает возможность определить число секций радиаторов, необходимых для отвода тепла с водой от дизеля Q_в, с маслом в водомасляном теплообменнике Q_м, с воздухом в водовоздушном охладителе Q_возд.

Приближенно необходимое число секций горячего и холодного контуров можно определить по графикам, предложенным проф. Хуторянским Н. М. (рис. 3).

При этом сначала определим количество тепла, вводимого в дизель при сгорании топлива в течение 1 часа

кДж/ч.

Разделив полученное значение тепловой энергии на 3600 (число секунд в 1 часе), получим секундную мощность тепловой энергии дизеля

кДж/с.

Количество тепла, отводимое с охлаждающей водой в секунду для горячего контура

кДж/с.

Количество тепла, отводимое в масло

кДж/с.

Количество тепла, отводимое от дизеля с водой, охлаждающей наддувочный воздух

кДж/с.

Здесь q_в, q_м, q_вв — доли тепла в процентах, отводимые с водой, маслом и воздухом. Их значения приведены в таблице 7.

Рис. 3

Вода — 16 секций Масло — 9 секций Воздух — 11 секций Примерная схема двухконтурного охлаждающего устройства приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема системы охлаждения тепловоза с однорядным расположением водяных секций, с применением водомасляного теплообменника, двух вентиля — торов и разделенных отсеков холодильной камеры:

1 — дизель; 2 — водомасляный теплообменник; 3 — воздухоохладитель; 4,5 — насосы

5. Выбор типа электрической передачи, определение параметров генератора и тяговых электродвигателей

На современных тепловозах, эксплуатирующихся на железных дорогах России, применяются электрические передачи постоянного или переменно-постоянного тока. В электрическую цепь постоянного тока входят генератор постоянного тока с независимым возбуждением и тяговые электродвигатели постоянного тока с последовательным возбуждением. В передаче переменно-постоянного тока в тяговые электродвигатели постоянного тока с последовательным возбуждением. В передаче переменно-постоянного тока в электрическую цепь входят синхронный генератор трехфазного переменного тока, выпрямительная установка и двигатели постоянного тока.

Ознакомившись с устройством и принципом действия электрических машин, вычерчиваем силовую электрическую схему тепловоза своей серии (упрощенную) с показом способа подсоединения двигателей к генератору, их реверсирования и шунтирования обмоток возбуждения.

После этого необходимо рассчитать параметры генератора и двигателей в длительном режиме: мощность, напряжение, силу тока, угловую скорость, вращающий момент.

Порядок расчета

Свободная мощность дизеля, передаваемая генератору, кВт:

,

где _всп — коэффициент, учитывающий затраты мощности дизеля на вспомогательные нужды. Примем _всп = 0,9;

P_е ном — эффективная мощность дизеля, кВт.

Номинальная мощность на зажимах генератора (на выходе) постоянного тока в длительном режиме:

;

при наличии выпрямительной установки

.

При расчетах примем КПД генератора и выпрямительной установки равными:; .

У большинства тяговых генераторов отношение максимального напряжения U_г max к напряжению длительного режима равно 1,4 -1,5, тогда:

, В

Максимальное напряжение генератора:

2ТЭ116 — 580 В

Длительная сила тока генератора, А

.

Длительная мощность тягового электродвигателя, кВт:

,

где m — число тяговых электродвигателей, подключенных к генератору.

Угловая скорость вала электродвигателя в рад/c в длительном режиме находится из соотношения:

; ,

где v_max = v_к — конструкционная скорость, км/ч;

— расчетная скорость в длительном режиме;

_max — максимальная угловая скорость вала якоря двигателя, обусловленная прочностью крепления обмоток в пазах якоря.

Угловая скорость, рад/с, связана с частотой вращения n, 1/с, соотношением:

.

При максимально допустимых частотах вращения якорей двигателей

1/с

рад/c.

Вращающий момент электродвигателя в длительном режиме, кН.м:

сила тока в длительном режиме, А,

,

где m' — число параллельных ветвей силовой цепи. Для тепловозов ТЭМ2, ТЭМ21 и ТЭМ8 m' = 2, для остальных m' = 6 или m' = 8 в зависимости от числа колесных пар.

Напряжение на зажимах двигателя

, В

где m" — число двигателей в параллельной цепи.

Если все m двигателей подключены к генератору параллельно, то m«=1, т. е. .

6. Расчет передаточного числа тягового редуктора

Вращающий момент от двигателя к колесной паре у грузовых и маневровых тепловозов передается тяговым редуктором, состоящим из шестерни, насаженной на вал электродвигателя, и зубчатого колеса, напрессованного на ось колесной пары. У пассажирских тепловозов с опорно-рамным подвешиванием электродвигателей схема передачи момента несколько отличается. Здесь между зубчатым колесом и колесной парой имеется передаточный механизм с упругими муфтами.

Рис. 5. Схема образования силы тяги

При вращении вала двигателя, зубья шестерни будут действовать на зубья зубчатого колеса с силой P_з, равной моменту двигателя, деленного на радиус шестерни r_ш, т. е.

.

В свою очередь момент, передаваемый колесной паре, M_к будет равен произведению силы P_з на радиус зубчатого колеса (плечо силы P_з)

.

Выражая P_з через M_д и с учетом КПД зубчатой передачи, получим:

.

Отношение r_зк/r_ш называют передаточным числом редуктора i_ред.

,

где z_зк, z_ш — число зубьев соответственно зубчатого колеса и шестерни;

_{д, к} — угловая скорость соответственно вала двигателя и колесной пары, рад/с;

_зп = 0,99 — КПД зубчатой передачи.

Передаточное число редуктора можно рассчитать как отношение максимально допустимой угловой скорости вала двигателя к угловой скорости колесной пары при конструкционной скорости тепловоза

,

где _к max — угловая скорость колесной пары при конструкционной скорости тепловоза.

.

Скорость тепловоза v в км/ч связана с частотой вращения колесных пар n_к соотношением:

,

где Д_к — диаметр колеса. Д_к = 1,05 м.

n_к — частота вращения колесной пары, с^-1.

Откуда частота вращения колесных пар при конструкционной скорости

.

Тогда .

Передаточное число i_ред (если принять _д max = 233 рад/с, v_констр = 100 км/ч, Д_к = 1,05 м) равно

.

7. Определение касательной мощности тепловоза

Построение тяговой характеристики

По найденному значению передаточного числа редуктора следует найти величину расчетной силы тяги тепловоза при длительном режиме работы электродвигателей.

Момент, развиваемый колесной парой при длительном режиме работы двигателей,

.кНм

Из схемы (рис. 5) вращающий момент колесной пары определяют по формуле

, кН

Откуда .

Расчетная сила тяги тепловоза при длительном режиме работы двигателей

, кН

где m — число двигателей на тепловозе.

Касательная мощность P_к есть мощность, развиваемая тяговыми электродвигателями на ободе колесных пар. Колесно-моторный блок тепловоза является завершающим звеном энергетической цепи от источника энергии (теплота сгоревшего топлива в цилиндрах дизеля) до полезной ее реализации. Поэтому мощность, снимаемая с обода колесных пар, есть полезная или выходная мощность тепловоза.

Касательная мощность, реализуемая на тягу, есть произведение силы тяги тепловоза на скорость движения.

Если сила выражена в Ньютонах, а скорость — в м/с, то

, Вт.

На практике принято силу тяги выражать в кН, скорость — в км/ч. Тогда

, кВт.

Так как у тепловоза мощность силовой установки при определенной позиции контроллера постоянна, то постоянной будет и мощность тяговых электродвигателей, т. е. в номинальном режиме (последняя позиция контроллера машиниста) касательная мощность тепловоза будет постоянной. Отсюда, произведение силы тяги на скорость так же будет постоянным. Иначе говоря, зависимость силы тяги от скорости будет подчиняться гиперболическому закону. Эту зависимость называют тяговой характеристикой локомотива.

Для упрощенного построения тяговой характеристики тепловоза задаем значения скоростей от 10 км/ч до конструкционной скорости с интервалом в 10 км/ч и подставляем в формулу:

, кН.

Результаты вычислений заносим в таблицу:

По полученным значениям F_к и v построим зависимость F_к(v) на планшете из миллиметровой бумаги.

Максимальное значение силы тяги F_к ограничивается силой сцепления колес с рельсами F_сц.

,

где P_сц — сцепной вес тепловоза (вес, передаваемый от движущихся колес на рельсы), кН;

;

2П — масса локомотива, приходящаяся на одну движущуюся ось, т;

принять такой же, как у тепловоза прототипа;

m — число движущихся осей;

— расчетный коэффициент сцепления.

Правилами тяговых расчетов для поездной работы установлена следующая эмпирическая формула для определения :

,

где v — скорость движения, км/ч.

Величину F_сц вычислим для нескольких значений скорости (0, 10, 20, 30, 40 км/ч).

Результаты расчетов сведем в таблицу.

По точкам F_сц, v нанесем на тяговую характеристику кривую ограничения силы тяги по сцеплению.

Список литературы

1. Кузьмич В. Д. и др. Локомотивы. Общий курс: учебник. — М.: ФГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2011. — 582 с.

2. Кононов В. Е., Скалин А. В., Ибрагимов М. А. Локомотивы (общий курс). Учебное пособие.-М.: РГОТУПС, 2008. — 187 с.

3. А. В. Скалин, В. Е. Кононов, В. Ф Бухтеев, М. А. Ибрагимов. Экипажная часть тепловозов. Конструкция, долговечность, ремонт. — М.: ООО «Желдориздат», 2008 — 304 с.

4. Тепловозы. Назначение и устройство. Учебник для образовательных учреждений ж.д. транспорта осуществляющих профессиональную подготовку/О.Г. Куприенко и др. — М.: Маршрут, 2006. — 280 с.

5. Кононов В. Е., Хуторянский Н. М., А. В. Скалин. Тепловозы. Механическое оборудование, устройство и ремонт. М.: Транспорт, 2005. — 320 с

6. Тепловоз М62. М.: Транспорт, 1989. 267 с.

7. Кононов В. Е., Скалин А. В. Шаров В.Д. Справочник машиниста тепловоза. — М.: Транспорт, 2006. — 256 с.

8. Тепловозы 2ТЭ10М и 3ТЭ10М. М.: Транспорт, 1986. 287 с.

9. Тепловоз 2ТЭ116. М.: Транспорт, 1985. 328 с.

10. Нотик З. Х. Тепловозы ЧМЭ3, ЧМЭ3Т. М.: Транспорт, 1990, 381 с.

11. Тепловоз ТЭМ2У. Руководство по эксплуатации и обслуживанию. — М.: Транспорт, 1988. 253 с.

12. Тепловоз ТЭМ7. М.: Транспорт, 1989. 293 с.