Расчет основных параметров систем обеспечения тепловоза

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Улан-Удэнский институт железнодорожного транспорта Филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования

" Иркутский государственный университет путей сообщения"

(ФГБОУ ВПОУУИЖТ ИрГУПС)

Факультет «Высшего профессионального образования»

Кафедра «Подвижной состав»

Курсовая работа

КР. 524 310.190301.65.043−2014.ПЗ

Расчет основных параметров систем обеспечения тепловоза

Руководитель работы: Ю. В. Федоров Исполнитель: А. В. Медведева Улан — Удэ 2014

Задание

Студент: Медведева А. В. Группа: ПСЖ 1−11−2 Вариант: 043

ДАНО:

1. Эффективная мощность ДВС: N_e = 1400 кВт;

2. Допустимая статистическая нагрузка на рельсы: 2П = 230 кН;

3. Диаметр колёс: D_к = 1,05 м;

4. Конструкционная скорость: v_к = 100 км/ч;

5. Расчётная скорость: v_р = 22 км/ч.

6. Тепловоз-образец: 2ТЭ 3

НЕОБХОДИМО рассчитать или выбрать:

1. Основное и вспомогательное оборудование проектируемого тепловоза;

2. Компоновочная схема проектируемого тепловоза

3. Расчет охлаждающих устройств.

4. Расчет и построение тяговой и экономических характеристик тепловоза.

Дата выдачи задания: 15.02.2014

Срок сдачи курсовой работы: 22.05.2014

Задание выдал: Федоров Ю.В.

Задание получил: Медведева А.В.

Зав. кафедрой: Федоров Ю.В.

• Введение
• 1. Выбор основного и вспомогательного оборудования для тепловоза 2ТЭ 3
• 2. Разработка компоновочной схемы тепловоза
• 3. Расчет охлаждающего устройства тепловоза
• 3.1 Разработка расчетной схемы охлаждения
• 3.2 Расчет оптимальной поверхности охлаждения
• 3.3 Расчет параметров вентилятора
• 4. Расчет и построение тяговой и экономических характеристик тепловоза
• 4.1 Расчет касательной мощности тепловоза и передаточного числа тягового редуктора
• 4.2 Расчет электротяговых характеристик колесно-моторного блока
• 4.3 Расчет и построение тяговой характеристики тепловоза
• 4.4 Расчет и построение экономических характеристик тепловоза
• Список литературы

В 1905 г. инженер Н. Г. Кузнецов и полковник А. Н. Одинцов разработали проект автономного электровоза (тепловоза с электрической передачей). Это был первый в мире проект современного тепловоза.

В 1909 г. инженер Ю. В. Ломоносов, работавший начальником паровозной службы на Ташкентской железной дороге, создал проект тепловоза непосредственного действия с групповым приводом колес.

В 1912 г. профессор МВТУ В. И. Гринивецкий разработал требования к транспортному ДВС, который был построен на Путиловском заводе в г. Петербурге.

В 1912 г. студент МВТУ А. Н. Шелест под руководством профессора Гринивецкого во время работы над дипломом разработал проект тепловоза с газовой передачей.

В 1913 г. инженер А. И. Липец совместно с Ю. В. Ломоносовым разработал проект тепловоза, на строительство которого правительство России выделило средства. Однако начало Первой Мировой войны сорвало осуществление данного проекта. Процесс создания тепловозов в России можно разделить на три этапа.

Первый этап (1924;1937 гг.).

Советом Труда и обороны Советской России 4 января 1922 г. было принято решение о постройке тепловозов. Один строится в Петрограде под руководством проф. Гаккеля, другой — по отечественному проекту под руководством проф. Ю. В. Ломоносова в Германии, в счет поставки в нашу страну 1200 паровозов. В ноябре 1924 г. вышли на испытания два магистральных тепловоза: Юэ 001 (конструктор Ломоносов), Юэ 002 (конструктор Гаккель). Позже они были переименованы: первый стал называться Ээл 2, второй — Щэл 1.

За рубежом первый тепловоз был создан в Германии в 1912 г. на заводе Зульцера. Он имел два ДВС: один — тяговый, другой — вспомогательный. Вспомогательный дизель приводил в действие компрессор, который направлял воздух в цилиндры тягового ДВС.

Тяговый дизель начинал запускаться и одновременно, через непосредственную передачу, приводил в действие колесные пары c помощью системы дышел. Мощность тягового ДВС составляла 1200 лс. Данный тепловоз не имел практического применения, так как наблюдались большие затруднения при запуске ДВС и в поддержании температуры в рабочих пределах (тепловоз не имел охлаждающих устройств).

В 1930 г. в Германии на заводе Эсслинга был построен тепловоз с воздушной передачей мощностью 1000 лс. Дизель-компрессорный агрегат сжимал воздух до 0,7 МПа при температуре 2000 С, который направлялся в боковые цилиндрытепловоза и далее, через систему дышел, к колесным парам. Опытная эксплуатация этих тепловозов показала их полную непригодность для железнодорожных перевозок, поэтому нашу страну называют родиной современных тепловозов. Тепловоз Ээл 2 проработал 30 лет (пробег около 1 млн. км) и был списан в 1954 г. ТепловозЩэл 1 (пробег около 60 тыс. км) по результатам испытаний был списан с эксплуатации в 1927 г., но сохранен и в настоящее время находится на почетной стоянке в депо ст. Ховрино Московской железной дороги.

В 1927 г. построен тепловоз Эмх3 с трехступенчатой механической передачей, включаемой электромагнитными муфтами. В депо ст. Люблино Московской железной дороги создается опытная база по эксплуатации и ремонту тепловозов.

В 1930 г. начато строительство тепловозов на Коломенском заводе. В 1931 г. вышел первый серийный тепловоз серии Э_эл мощностью 1050 лс.

В 1934 г. построен первый двухсекционный тепловоз серииВМ мощностью 2100 лс. Авторами этих тепловозов были инженерыБ.С. Поздняков, А. И. Козявкин, А. А. Кирнарский. За 1930;1937 гг. было создано 34 тепловоза. В 1937 г. строительство тепловозов было прекращено. Причиной этому послужило создание паровоза СОк с конденсацией пара, что позволяло использовать его в маловодных районах страны.

В 1931 г. в депо ст. Ашхабад были собранывсе тепловозыи создано первое тепловозное депо.

Второй этап (1945;1956 гг).

В 1945 г. Из США поступили тепловозы серии Да фирмы Алко (120 шт. приписанык депо Ашхабад), серии Дб фирмы Балдвин (80 шт. приписаны к депо Гудермес).

В 1946 г. создан на Харьковском заводе тепловоз серии ТЭ1 мощностью 1000 лс.

В 1948 г. построен на базе тепловоза ТЭ1 двухсекционного тепловоз ТЭ2 мощностью 2000 лс. Конструктор этого тепловоза инженер А. А. Кирнарский удостоен Государственной премии.

За 1946;50 гг. полигон тепловозной тяги увеличился более чем вдвое и составил 3,1 тыс. км (3% общей длины).

В 1953 г. создан на Харьковском заводе тепловоз ТЭ3 мощностью 4000 лс в двух секциях. Он стал первым тепловозом второго поколения.

В 1955 г. переведено 6,5 тыс. км пути на тепловозную тягу.

Третий этап (с 1956 г. и по настоящее время).

В 1956 г. ХХ съезд КПСС принимает программу коренной реконструкции железнодорожного транспорта, в том числе полной замены паровозов тепловозами и электровозами. За предстоящую пятилетку планировалось построить 2250 магистральных двухсекционных тепловозов. Для чего на тепловозостроение были переведены Коломенский, Луганский и Харьковский заводы. Дизели стали создаваться на Харьковском и Коломенском заводах, электрооборудование — на Харьковском заводе «Электротяжмаш» .

В 1958 г. создается на Харьковском заводе тепловоз ТЭ10 мощностью 3000 лс.

В 1960 г. создается пассажирский тепловоз ТЭП10 мощностью 3000 лс с конструкционной скоростью 140 км/ч.

В 1961 г. создается тепловоз 2ТЭ10 мощностью 6000 лс.

В 1961 г. создается на Луганском заводе тепловоз 2ТЭ10Л мощностью 6000 лс, который выпускался до 1975 г.

В 1961 г. создается на Коломенском заводе пассажирский тепловоз ТЭП 60 мощностью 3000 лс с конструкционной скоростью 160 км/ч.

В 1961 г. создается на Луганском заводе первый магистральный тепловоз с гидропередачей ТГ105 мощностью 3000 лс. В 1961;1964 гг. создается на Ленинградском заводе тепловоз ТГ 102 мощностью 2000 лс.

За эти годы было выпущено 200 секций.

С 1956 по 1970 гг. было построено 13 500 секций магистральных тепловозов и 5840 магистральных электровозов. С заменой паровозов тепловозами и электровозами сократились затраты на перевозки на 35−40% и повысилась производительность труда в 2,5 раза. За это время участковая скорость возросла в 2 раза, средний вес поезда увеличился на 1000 т и составил 2757 т. Внедрение тепловозов окупалось за 1−3 года. Переход на электрическую и тепловозную тягу только за 8-ю пятилетку (1966;70 гг.) позволил сократить эксплуатационные расходы на 5 млрд. р. и сберечь 150 млн. т условного топлива.

В 1970 г. тепловозы обслуживали 76,2 ткм (62,2% эксплуатационной длины железных дорог СССР), электровозы — 33,9 ткм (25%). С 1970 г. по 1990 г. были созданы тепловозы серий 2ТЭ10 В, 2ТЭ116, 4ТЭ10С, ТЭП70, ТЭМ2, ТЭМ7 и других.

1. Выбор основного и вспомогательного оборудования для тепловоза 2ТЭ3

Табл.1.

2. Разработка компоновочной схемы тепловоза

Грузовой тепловоз серии TЭ3 с электрической передачей состоит из двух одинаковых секций, сочлененных между собой автоматической сцепкой СА-3. Каждая секция имеет пост управления. В сочлененном состоянии тепловоз управляется с одного поста, а при движении в обратном направлении используется пост управления второй секции. Между секциями имеется переходная площадка, закрытая брезентовым суфле. Каждая секция однокабинная и управляется со своего поста в случае использования ее в качестве самостоятельного локомотива.

Силовой установкой каждой секции служит дизель-генератор 2Д 100 или 2Д 100А (на модернизированных тепловозах с 1980 г.). Мощность дизелей, установленных на тепловозе, 2940 кВт (4000 л. с). Дизель-генератор представляет собой единый силовой агрегат, состоящий из дизеля и тягового генератора, смонтированных на общей поддизельной раме и соединенных эластичной муфтой. При установке дизель-генератора 2Д 100А на секции тепловоза TЭ 3 подсоединение его к существующим системам производится без конструктивных изменений. Тепловоз оборудован автостопом, радиостанцией и автоматическим тормозом.

Главная рама секции установлена на две трехосные тележки, у которых все оси ведущие. На каждую тележку рама опирается в четырех точках-опорах, имеющих возвращающие устройства. Тележка соединена с рамой вертикальным шкворнем, передающим только горизонтальные усилия и служащим осью поворота тележки. Опоры с возвращающим устройством предназначены для обеспечения спокойного хода тепловоза на прямых участках пути и центральной (относительно основной рамы) установки тележек при выходе из кривой. Передняя и задняя тележки имеют одинаковые конструкции.

Кузов секции тепловоза обтекаемой формы. Он состоит из трех основных частей: кабины машиниста, кузова над дизельным помещением и холодильной камеры. В кабине машиниста расположен пульт, с которого ведется управление тепловозом. В задней стороне к кабине машиниста примыкает камера, в которой установлены электрические аппараты. Для обогрева кабины установлен калорифер. На передней стенке кабины расположены два вентилятора (антиобледенители), которые в зимнее время направляют поток теплого воздуха на оконные стекла, не давая им замерзнуть.

Тяговый генератор восьмиполюсный с самовентиляцией и независимым возбуждением от возбудителя, обладает мощностью 1350 кВт. Генератор имеет пусковую обмотку для возможности использования его в качестве электродвигателя при пуске дизеля. Электрический ток по силовым кабелям от тягового генератора передается шести тяговым электродвигателям, смонтированным на тележках. Валы якорей приводят в движение колесные пары посредством зубчатой передачи. Электродвигатели соединены в три параллельные группы, по два последовательно в каждой. В электрической схеме предусмотрены две ступени ослабления возбуждения тяговых электродвигателей. Переход на ослабленное возбуждение и обратно автоматический.

Предусмотрено устройство для забора воздуха на охлаждение генератора через окна в боковых стенках кузова, имеющие жалюзи, и фильтры с гофрированной сеткой, причем можно забирать воздух и из машинного помещения. После охлаждения генератора воздух проходит по патрубку под раму тепловоза и выбрасывается наружу. Мощность для привода вентилятора охлаждения тяговых электродвигателей передней тележки, двухмашинного агрегата и тахогенераторов отбирается от хвостовика якоря тягового генератора. Через две муфты с резиновыми втулками и шлицевой карданный вал приводится во вращение ведущий вал переднего редуктора, от которого через шестерни вращение передается на два ведомых вала. Один из них через две муфты и карданный вал соединен с двухмашинным агрегатом, другой также через две муфты с резиновыми втулками и карданный вал — с валом вентилятора охлаждения тяговых электродвигателей. Карданные валы состоят из двух частей, связанных между собой подвижным шлицевым соединением, закрытым брезентовым чехлом. Тахогенераторы получают вращение от ведомого вала переднего редуктора через клиноременную передачу. Один тахогенератор предусмотрен для ограничения максимального тока, а другой — для автоматического регулирования мощности. Двухмашинный агрегат состоит из двух машин: возбудителя и вспомогательного генератора, сидящих на одном валу, имеющем частоту вращения 1800 об/мин при номинальной частоте вращения коленчатого вала 850 об/мин. Он расположен в кабине машиниста под полом.

При пуске дизеля тяговый генератор работает в режиме электродвигателя, получая питание от свинцово-кислотной аккумуляторной батареи типа 32T450, расположенной под, полом в средней части дизельного помещения с правой и левой стороны дизеля в ящиках. От батареи питается цепь освещения тепловоза на стоянках.

Мощность для привода главного вентилятора холодильника, центробежного вентилятора охлаждения тяговых электродвигателей задней тележки и воздушного компрессора отбирается от переднего хвостовика коленчатого вала (задний по ходу секции) через гидромеханический редуктор. Механический редуктор привода вентилятора холодильника имеет две скорости (две ступени). Горизонтальный вал привода к вентилятору передает вращение вертикальному валу вентиляторного колеса при помощи редуктора, который имеет фрикционную муфту для включения вентиляторного колеса.

На тепловозе TЭ3 установлен воздушный двухступенчатый трехцилиндровый компрессор КT6 (два цилиндра низкого давления и один высокого) с подачей 5,3−5,7 мі/мин и промежуточным охлаждением воздуха. Частота вращения коленчатого вала компрессора несколько ниже частоты вращения коленчатого вала дизеля (810 об/мин) за счет скольжения между насосным и турбинным колесами гидромеханического редуктора. Сжатый воздух от компрессора поступает в главный резервуар вместимостью 1080 л, расположенный под рамой тепловоза. Компрессор регулирует на включение при давлении 0,75 МПа (7,5 кгс/смІ) и на выключение при 0,9 МПа (9 кгс/см). На тепловозах ранних выпусков пределы этого давления были несколько ниже, что затягивало отпуск тормозов. Из ресивера воздух поступает в магистраль, объединяющую резервуары обеих секций, и далее для снабжения систем: тормозной, электропневматической (вентилей, контакторов, реверсора, привода управления регулятором частоты вращения дизеля, отключения и включения топливных насосов дизеля, включения и отключения муфты вентилятора и жалюзи холодильников, стеклоочистителей, тифона), привода автоматики.

Охлаждающее устройство отводит тепло от деталей дизеля, соприкасающихся с горячими газами, и от масла в системе смазки двигателя и механизмов тепловоза для сохранения смазочной способности масла и механической прочности деталей, подверженных такому нагреву. На тепловозе TЭ3 применены воздушно-радиаторные холодильники, представляющие собой установки, состоящие из радиаторных секций и вентилятора. Установка радиаторных секций и направление воздушных потоков через секции и лопасти колеса осевого вентилятора осуществляется в шахте холодильника, расположенной в задней части каждой секции тепловоза. Внутри трубок радиатора протекают нагретые в двигателе вода и масло. Внешняя сторона трубок омывается охлаждаемым воздухом. Водяные и масляные секции холодильника размещены в оттенках кузова и соединены с нижним и верхним коллекторами.

Холодильники тепловоза состоят из 36 масляных и 24 водяных секций. Секции расположены в два ряда вдоль правой и левой сторон холодильной камеры кузова. Вода подводится к верхним коллекторам обеих сторон шахты тепловоза и отводится от нижних коллекторов. Воздух засасывается вентилятором через боковые жалюзи, обтекает секции холодильника и выбрасывается вверх через диффузор.

Секции холодильника расположены наклонно, образуя Л-образный тоннель для прохода членов локомотивной бригады из одной секции в другую. На наклонных боковых стенках тоннеля имеется по три люка с каждой стороны для доступа к секциям и подпятнику вентиляторного колеса. В середине тоннеля на настиле пола установлены редуктор и фрикционная муфта привода вентилятора.

Для подогрева топлива в зимних условиях на тепловозе имеется водотопливный подогреватель, через трубки которого проходит горячая вода, поступающая из дизеля. Вода подогревает топливо, циркулирующее между трубками и сливающееся в топливный бак. В баке в непосредственной близости от места слива подогретого топлива производится всасывание его топливоподкачивающим насосом для подачи в топливный коллектор насоса высокого давления. Подогреватель топлива установлен с левой стороны между санузлом и баком противопожарной установки.

Трубопроводы с гибкими шлангами от противопожарной установки размещены в передней части тепловоза около левой двери входа в кузов и в задней части на передней перегородке холодильной камеры.

В передней части кузова тепловоза расположена кабина машиниста отделенная от машинного помещения стенкой, в которой с правой и левой сторон (по ходу тепловоза) установлены две входные двери. В средней части стенки кабины между входными дверями имеется дверь в аппаратную (высоковольтную) камеру. В кабине машиниста с правой стороны установлен пульт управления тепловоза, оборудованный приборами управления и контроля за работой отдельных агрегатов).

У пульта, перед сиденьем машиниста, на полу находятся педаль песочницы и калорифер обогрева ног. Сбоку от сиденья расположены две рукоятки клапанов звукового сигнала (соответствующие дублирующие рукоятки установлены на пульте помощника машиниста): тифона и свистка. Справа сзади сиденья находятся аппараты автостопа. Слева от контроллера машиниста установлен ручной тормоз со штурвалом. Справа от двери аппаратной камеры сзади сиденья машиниста находится откидное сиденье, справа установлена панель с выключателями освещения. Перед панелью в нише с крышкой размещены предохранители. Кабина освещается потолочным светильником.

Слева в машинном отделении находится ручка выключения и включения аккумуляторной батареи. Над дверью аппаратной камеры в нише с крышкой размещены три рубильника для включения и отключения тяговых электродвигателей.

В левой части кабины машиниста расположено сиденье помощника машиниста, установлен калорифер водяного отопления кабины. Со стороны помощника машиниста (впереди бокового окна) на стенке кабины установлен дифференциальный манометр, показывающий давление (разрежение) в картере дизеля. На пульте помощника машиниста имеется кнопка для аварийной остановки дизеля. Песочницы размещены в передней и задней частях кузова.

Для заполнения их песком на торцовых стенках кузова имеются заправочные люки. В машинном помещении кузова тепловоза имеется освещение потолочными и боковыми плафонами, а также вентиляция кузова через люки электровентиляторами (главным образом удаление из кузова прорывающихся выпускных газов и горячего воздуха).

3. Расчет охлаждающего устройства тепловоза

3.1 Разработка расчетной схемы охлаждения

Расчетная схема охлаждающего устройства тепловоза приведена на рис. 1.

Рис. 1.

Табл. 2.

В таблице 2 приведены основные технические характеристики современных тепловозных ДВС.

Как известно, количество воды, нужное для охлаждения, зависит от температурного перепада (разность температуры входящей и выходящей из двигателя). Большой температурный перепад, связанный с подачей малого количества воды, а следовательно, малой скорости ее движения, приводит к значительной неравномерности температуры в рубашке втулки цилиндра (вода холодная у входа и горячая у выхода). Поэтому желательно иметь такую систему охлаждения, в которой всегда обеспечивался бы необходимый расход воды (иметь почти постоянную скорость воды) и сокращалась бы разница температуры между выходом и входом (практически разница в 5−7 °С, а уровень температуры 75−85 °С независимо от нагрузки).

Применение водяных насосов с большой подачей обеспечивает почти постоянную скорость воды на всех режимах. Кроме того, температура охлаждения воды в холодильнике тепловоза регулируется изменением частоты вращения вала вентилятора охлаждающего воздуха (следовательно, количество воздуха), что достигается применением многоступенчатых редукторов. Именно такая система охлаждения используется на дизеле 2Д 100 тепловоза ТЭЗциркуляционная, принудительная, открытого типа с расширительным баком, исключающим образование воздушных или паровых мешков в трубопроводах.

Рис. 2.

На рисунке 2 приведена расчетная схема системы охлаждения тепловоза 2ТЭ 3.

3.2 Расчет оптимальной поверхности охлаждения

тепловоз электротяговый редуктор охлаждающий

Для решения поставленной задачи, необходимо определить количество тепла, отводимого от воды ДВС, Q_B, масла Q_М и наддувочного воздуха Q_HB, по общему уравнению, кДЖ/с,

Q_B = (_B b_e N_e Q_H^B) 3600, (1)

Q_M = (_M b_e N_e Q_H^B) 3600, (2)

где Q_i — количество тепла отводимое с охлаждающей жидкостью, кДж/с; _i — доля тепла сгоревшего в ДВС топлива, отводимая в ОУ данным теплоносителем; b_e — удельный расход топлива ДВС, кг/ кВт ч; N_e — эффективная мощность ДВС, кВт; Q_Н^Р — низшая теплота сгорания дизельного топлива, 42 500 кДж/ кг.

Q_B = (0,157 * 0,231 * 1400 *42 500)/3600 = 600 кДж/с

Q_M = (0,098 * 0,231 * 1400 * 42 500)/3600 = 374 кДж/с

После определения количества тепла от теплоносителей необходимо задаться их температурами, согласно нижеприведенным рекомендациям.

Температура наружного воздуха: ₁ = + 40 ⁰С.

Температура воздуха после охлаждения водяных радиаторов ДВС при водяной системе открытого типа

₂^В = ₁ + (25 — 35) ⁰C; (3)

₂^В = 40 + 30 = 70 ⁰C

Температура воздуха после охлаждения масляных радиаторов

₂^М = ₁ + (15 — 18) ⁰C. (4)

₂^М = 40 + 18 = 58 ⁰C

Температура воды на выходе из ДВС при водяной системе открытого типа: t₁^B = 85 …90 ⁰C, принимаем равным 90⁰C;

Температура масла на выходе из ДВС при водяной системе открытого типа: t₁^M = 80…85 ⁰C, принимаем равным 85⁰C;

Температура воды ДВС после охлаждения в радиаторах ОУ

t₂^B = t₁^B — (8 — 10) ⁰C. (5)

t₂^B = 90 — 10 = 80 ⁰C

Температура масла после охлаждения в радиаторах ОУ

t₂^M = t₁^M — (10 — 15) ⁰C. (6)

t₂^M = 85 — 15 = 70 ⁰C

После выбора температур производится расчет оптимальной поверхности охлаждения, расхода жидкости и воздуха путем решения трех уравнений:

— уравнения теплопередачи в ОУ, кДж/с,

Q = K Ft, (7)

— уравнения теплового баланса при отдаче тепла от жидкости к стенке, кДж/с,

Q = c_Ж G_Ж (t₁ — t₂); (8)

— уравнение теплового баланса при передачи тепла от стенки к воздуху, кДж/с,

Q = c_ВЗ G_ВЗ (₁ — ₂), (9)

где К — коэффициент теплопередачи от жидкости к воздуху, кВт/(м ²К); F — расчетная поверхность охлаждения, м ²; t — средний температурный напор, т. е. средняя разность температур охлаждаемой жидкости и нагреваемого воздуха, ⁰С,

t = [(t₁ + t₂)/2] - [(₁ + ₂)/2], (10)

где t₁ и t₂ — температура жидкости перед ОУ и за ними, ⁰С; с_Ж и с_В — удельная теплоемкость охлаждаемой жидкости и воздуха. Для воды с_В = 4,19 кДж/(кг К), для воздуха с_ВЗ = 1 кДж/(кг К); G_Ж, G_В — весовой расход жидкости и воздуха, кг/ час.

Для решения поставленной задачи необходимо определить коэффициент теплопередачи радиаторов. Коэффициент теплопередачи для водяных радиаторов К_В определяется из графической зависимости, построенной на основании аналитических расчетов, исходя из значений массовой скорости воздуха U_В и скорости воды в трубках радиаторов — V_B (рис. 3).

Массовая скорость воздуха в водяных радиаторах принимается в пределах 8−10 кг/(м ²с). Массовая скорость в масляных радиаторах зависит от их расположения относительно водяных.

На рисунке 3 приведена зависимость коэффициента теплопередачи водяных радиаторов от U_В и V_В для тепловоза 2ТЭ 3

Рис. 3.

При двухрядном (последовательном) расположении масляных и водяных радиаторов (тепловоз 2ТЭ 3) массовая скорость воздуха в масляных радиаторах U_М определяется из условия, что количество воздуха, проходящего через масляные и водяные радиаторы, одинаково:

U_M W_M = U_B W_B, (11)

где W_М и W_В — площадь живого сечения для прохода воздуха соответственно в масляном и водяном радиаторах, м ².

Откуда

U_M = U_B (W_B / W_M). (12)

Коэффициент теплопередачи К_М для масляных радиаторов определяется из рис. 4 по U_M и принятой V_M .Линейные скорости движения жидкостей в радиаторах принимаются в пределах:

V_В = 0,9−1,2 м/с, V_М = 0,12−0,36 м/с.

На рисунке 4 приведена зависимость коэффициента теплопередачи масляных радиаторов от U_М и V_М для тепловоза 2ТЭ 3.

Рис. 4.

Подставляя найденные значения U_i и V_i в графические зависимости, изображенные на рис. 2 и 3, определяют значения коэффициента теплопередачи для водяных К_В и, при необходимости, для масляных радиаторов К_М.

Принимаем U_в = 9 кг/м² * с, V_в = 1 м/с, К_в = 0,045 кВт/м² * К (в соответствии с рисунком 3).

U_M = 9 * (0,148/0,1165) = 11,43 кг/м² * с.

Следовательно, соответственно рисунку, принимаем К_м = 0,025 кВт/м²*К, V_м = 0,25м/с.

После определения коэффициентов теплопередачи производят расчет поверхности охлаждения F, м

F_i = Q/ (К_i t). (13)

В соответствии с формулой (10):

t_в = (90 + 80)/2 — (40 + 70)/2 = 30 ⁰С

t_м = (85 + 70)/2 — (40 + 58)/2 = 28,5 ⁰С Следовательно:

F_в = 600/(0,045 * 30) = 444,4 м ²

F_м = 374/(0,025 * 28,5) = 525 м ²

В связи с тем, что трубки радиаторов в процессе эксплуатации загрязняются, рассчитанную поверхность охлаждения увеличивают на 10 — 15%, м,

F_Дi = (1.1 — 1.15) F_i. (14)

F_Дв = 444,4 * 1,15 = 511 м ²

F_Дм = 525 * 1,15 = 604 м ²

Далее определяют количество радиаторов в ОУ:

Z = F_Дi / F, (15)

где F — поверхность охлаждения, омываемая воздухом, одного радиатора, м².

Z_в = 511/29 = 18 рад.

Z_м = 604/20,97 = 29 рад.

После расчета числа радиаторов определяют расход жидкости и воздуха, кг/с,

G_{Ж i} = Q_i/ [c_Ж (t₁ — t₂)], (16)

G_{Ж в} = 600/(4,19 * (90−80)) = 14,3 кг/с

G_{Ж м} = 374/(1,67 * (85−70)) = 14,9 кг/с

G_{В i} = Q_i/ [c_В (₁ — ₂)]. (17)

G_{В в} = 600/(1 * (70−40)) = 20 кг/с

G_{В м} = 374/(1 * (58−40)) = 21 кг/с Правильность выполненного расчета проверяют путем определения количества воздуха, которое может пройти через найденное число радиаторов, кг/с. Для ОУ, состоящих из одних серийных радиаторов:

G_В ¹ = Z U_i W. (18)

G_Вв ¹ = 18 * 9 * 0,148 = 24 кг/с

G_В ¹ = 29 * 11,43 * 0,1165 = 38,6 кг/с Разница между значениями G_B и G_B¹ не должна превышать 2−3%, в противном случае необходимо произвести перерасчет количества радиаторов. Как мы видим разница между G_B и G_B¹ существенно больше установленных значений. Это обусловлено неполнотой начальных данных для расчёта, что вызвало необходимость привлекать данные с прототипов более поздних версий.

3.3 Расчет параметров вентилятора

Расчет вентилятора производят с целью определения диаметра колеса, максимальной частоты вращения и затрат мощности на его привод, при которых обеспечивается необходимая производительность и напор. Производительность и напор вентиляторного колеса полностью зависят от геометрических размеров и конструкции шахты ОУ. Так напор Н, создаваемый вентилятором, должен быть достаточным для преодоления аэродинамического сопротивления воздушного тракта, а производительность вентилятора Q должна быть равна расходу воздуха через радиаторы ОУ. Исходя из вышесказанного, приводятся формулы для определения указанных величин:

H = h_Ж + h_Р + h_Ш + h_D, (33)

где H — напор, создаваемый вентилятором, Н/ м²; h_Р — сопротивление жалюзи ОУ, Н/м²; h_С — сопротивление радиаторов, Н/ м² ;h — сопротивление шахты ОУ, Н/ м²; h — динамические потери за вентилятором, Н/ м².

Напор, создаваемый вентилятором при двухрядном расположении радиаторов, определяется как Н = 0,1 h_P + h_P + 0,4 h_P + 0,45h_P = 1,95 h_P. (34)

h_B = 4,6 U_В ^{1, 83} (35)

h_B = 4,6 * 9^1,83 = 256 Н/м²

h_M = 4,8 U_M^1,75 (36)

h_M = 4,8 * 11,43^1,75 = 341Н/м ²

Следовательно:

Н_в = 1,95 * 256 = 499,2 Н/м ²

Н_м = 1,95 * 341 = 665 Н/м ²

Таким образом принимаем H = 665 Н/м ², так как в системе один главный вентилятор, следовательно все расчёты будут производиться по данным рассчитанным для масляных радиаторов.

Далее рассчитывается производительность вентилятора, которая равна расходу воздуха, проходящего через радиаторы, м³ / с,

Q_B = G_BЗ/ _B, (37)

где G_B — расход воздуха, кг/ с, определенный по формуле (27); _ВЗ — удельная масса воздуха перед вентилятором, кг/ м³,

_ВЗ = 10⁵ / [R_B (₂ + 273)], (38)

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.

_ВЗ = 10⁵/(287 * 343) = 1,016

Q_B = 21/1,016 = 20,7 м³/с.

Для обеспечения максимального КПД (_B) вентилятора необходимо определить угол установки (наклона) его лопастей. Эта задача решается с помощью аэродинамических характеристик вентилятора: Н = f (Q) и _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 _I, м/с, по величине которой рассчитывают значения Н_i и Q_i

_i = D_B n_i / 60 120 м/ с, (39)

₁ = 3,14 * 1,6 * 1300 = 108,9 м/с

₂ = 3,14 * 1,6 * 1150 = 96,3 м/с

₃ = 3,14 * 1,6 * 1000 = 83,7 м/с

₄ = 3,14 * 1,6 * 850 = 71,2м/с

H_i = g H / 10_{B i}², (40)

H₁ = (9,8 * 665)/(10 * 1,016 * 108,9²) = 0,054

H₂ = (9,8 * 665)/(10 * 1,016 * 96,3²) = 0,069

H₃ = (9,8 * 665)/(10 * 1,016 * 83,7²) = 0,091

H₄ = (9,8 * 665)/(10 * 1,016 * 71,2²) = 0,126

Q_i = Q_B / F_{B i}, (41)

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

F_B = 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_i 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 _B = 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 _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 ПЕР}, (48)

где _ПЕР — кпд тяговой передачи;

_ПЕР = _{ТГ ТЭД ЗП,} (49)

где _ЗП = 0,98 — кпд зубчатой передачи; = 0.85

_ПЕР = 0,94 * 0,916 * 0,98 = 0,84

N_K = 1400 * 0,84 * 0,85 = 100 кВт Затем определяется передаточное число тягового редуктора:

= 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)

где Р — мощность одного ТЭД, кВт; V_Р — расчетная скорость тепловоза, км/ ч; n_ДЛ — длительная частота вращения якоря ТЭД, об/мин,

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

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

4.2 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 M_{D ЗП}) / D_K, (54)

V = (60 D_K n_D) / 1000, (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: ₁ = 1, ₂ = 0,6, ₃ = 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 * _ОБР)/, (57)

где V_ОБР^ПП-ОП 1 — скорость перехода тепловоза-образца с ПП на ОП 1; _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 = _К Р_СЦ, (60)

где _К — расчетный коэффициент сцепления:

_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

Величина F_СЦ для маневровых и грузовых тепловозов вычисляется для скоростей движения 0,5,10,15,20,25 км/ч, а для пассажирских — до скоростей 45 — 50 км/ч. При нанесении на тяговую характеристику ограничения по сцеплению, кривая F_СЦ= f (V) должна пересекаться с зависимостью F_K = f (V).

Точка пересечения этих кривых указывает скорость движения, при которой осуществляется выход на автоматическую кривую полного использования мощности силовой установки.

Рис. 8.

На рисунке 8 представлена тяговая характеристика тепловоза 2ТЭ 3.

4.4 Расчет и построение экономических характеристик тепловоза

Основными экономическими характеристиками тепловоза являются: эффективная мощность ДВС — N_e, кВт; касательная мощность тепловоза — N_К, кВт; КПД тяговой передачи — _П, %; часовой расход топлива — G_Ч, кг/час; КПД тепловоза — _Т, %. Их расчет производится по формулам

N_K = F_K V / 3,6, (64)

_П = N_K /(N_e — N_ВСП) 100, (63)

где N_ВСП — затраты мощности на вспомогательные нужды тепловоза, кВт.

N_ВСП = N_e * 0,15 = 1400 * 0,15 = 210 кВт

G_Ч = b_e N_e, (64)

G_Ч = 1400 * 0,231 = 323 кг/час где b_e — удельный эффективный расход топлива ДВС, г/ кВт ч.

_Т = (3600 N_K / G_Ч Q_H^P)100, (65)

где Q_H^P — 42 500 кДж /кг — низшая теплота сгорания дизельного топлива.

Табл. 7. Экономические характеристики тепловоза

На рисунке 9 приведена экономические характеристики тепловоза 2ТЭ 3.

Рис. 9.

Вывод: В данной курсовой работе были рассчитаны основные параметры систем обеспечения локомотива, рассчитаны и построены тяговая и экономические характеристики проектируемого тепловоза, получены навыки и умения по разработке этих элементов. Спроектированные параметры тепловоза позволяют применять его в качестве грузового магистрального локомотива. Локомотив обладает хорошим КПД, умеренным расходом топлива.

1. Теория конструкции локомотивов / Под редакцией В. Г. Григоренко, И. В. Дмитренко. — 2000. — 88 с.

2. Механическая часть тягового подвижного состава / Под редакцией д.т.н., проф. И. В. Бирюкова. — М.: Транспорт, 1992. — 440 с.

3. Конструкция и динамика тепловозов / Под редакцией д.т.н., проф. В. Н. Иванова. — М.: Транспорт, 1974. — 336 с.

4. Тепловоз ТЭМ 2У: Руководство по эксплуатации А. В. Балашов и др. — М.: Транспорт — 1989 г.