Тепловозная тяга. 2

1.Характеристика и краткое описание локомотива

Массовое производство тепловозов серии ТЭ3 началось в 1956 году и продолжалось до 1973 года. Постройка тепловозов серии ТЭ3 была организована на базе широкой кооперации Коломенского, Харьковского и Ворошиловского (Луганского) локомотивостроительных заводов, а также Харьковского завода тепловозного электрооборудования («Электротяжмаш»)

Кузов каждой секции тепловоза серии ТЭ3 состоит из главной рамы, через которую передается тяговое и тормозное усилия и каркаса вагонного типа, несущего боковые и побоковые стенки и крышу. На концах рамы каждой секции установлены автосцепки типа СА-3 с фрикционными аппаратами. Главная рама опирается на две трехосные тележки через восемь боковых опор. Центральные шкворни рамы вертикальных нагрузок не передают и служат только для восприятия горизонтальных сил. В средней части главной рамы размещена дизель-генераторная установка, имеющая свою поддизельную раму.

Боковые опоры располагались по окружности диаметром 2730 мм, центр которой совпадал с геометрической осью центрального шкворня. Каждая опора состоит из пяты, выполненной в виде грибка, выпуклая часть которого обращена вниз и опирается на шаровое гнездо подпятника. Гнезда размещаются на верхней плите, под которой находятся два цилиндрических ролика. Ролики опираются на нижнюю плиту, укрепленную на верхней части рамы тележки. Поверхности нижней и верхней плиты, по которым при повороте тележки относительно кузова могут перекатываться ролики, сделаны наклонными. Поэтому при повороте тележки возникают силы, стремящиеся возвратить тележку в положение, при котором ее продольная ось совпадала бы с продольной осью кузова. Боковые опоры кузова, располагающиеся ближе к середине секции, жестко прикреплены к раме, а концевые соединяются с рамой кузова шарнирами, а между собой  связаны поперечной балансирной тягой. Считается, что такая конструкция создает как бы трехточечную опору кузова на каждую тележку.  

Рамы тележек сварной конструкции состоят из двух боковин, связанных двумя концевыми балками  и двумя межрамными креплениями. Устойчивость тележек достигалась за счет передачи вертикальных нагрузок от кузова через 4 опоры. Листовые рессоры, на хомуты которых опирались рамы тележек, были подвешены к надбуксовым балансирам. Рессоры состоят из 18 листов. Внешние концы балансиров крайних осей тележки связаны с рамой тележки при помощи цилиндрических пружин. Общий статический прогиб рессорной системы составлял 57 мм.

В каждой буксе находятся 2 подшипника с цилиндрическими роликами. Колесные пары с диаметром колес по кругу катания при новых бандажах 1050 мм имеют зубчатые колеса, насаженные на удлиненную ступицу. Каждый тяговый электродвигатель опирается на ось колесной пары через моторно-осевой подшипник и подвешен к раме тележки на пружинной подвеске (опорно-осевое подвешивание). Тяговый редуктор – односторонний,    прямозубый,   жесткий. Его  передаточная   способность    равнялась    75 : 17 =  4 ,41.

На каждой тележке установлены два тормозных цилиндра, обеспечивающие при помощи рычажной передачи одностороннее нажатие тормозных колодок на все колеса.

В каждой секции тепловоза находится десятицилиндровый двухтактный бесскомпрессорный дизель 2Д100 с вертикально роасположенными встречно движущимися пошнями, непосредственным впрыском топлива и прямо-точной щелевой продувкой. Блок дизеля – стальной цельносварной. Верхний и нижний коленчатые валы имеют по 12 коренных и 10 шатунных шеек. Валы связаны упругой вертикальной передачей с двумя парами конических зубчатых колес. Поршни дизеля – составные. Диаметр цилиндров 207 мм, ход каждого поршня – 254 мм. Топливная система состоит из общего коллектора, 20 отдельных секций топливных насосов высокого давления и 20 форсунок.

Регулятор частоты вращения вала дизеля – центробежного типа с гидравлическим сервомотором.

При частоте вращения валов 800 об/мин дизели развивают мощность 2000 л. с. Расход топлива при этой мощности составляет 175+5 г/(э.л.с.∙ч). Масса сухого дизеля вместе с установленными на нем агрегатами и рамой дизель-генератора равнялась 19000 кг.

Охлаждение дизеля – водяное. С каждой стороны секции тепловоза установлено 18 масляных и 12 водяных секций. Секции холодильника охлаждаются воздухом, прогоняемым вентилятором; при частоте вращения валов дизеля 850 об/мин вентилятор вращается с частотой 1020 об/мин (зимний период) или 1380 об/мин (летний режим) в в зависимости от того, на какой ступени редуктора он работает. Температура воды и масла регулировалась периодическим включением и выключением вентилятора и ли открыванием верхних и боковых жалюзи. Управление ими осуществляется электропневматическими устройствами с пульта управления.

Вал дизеля через пластинчатую муфту соединен  с валом тягового генератора МПТ-99/47. Он представляет собой самовентилирующуюся восьмиполюсную машину с добавочными полюсами и компенсационной обмоткой. Генератор имеет независимое возбуждение, для чего на каждой секции тепловоза установлен специальный возбудитель. Номинальная мощность тягового генератора равняется 1350 кВт (напряжение 550 В, ток 2455 А), максимальное напряжение 7600 кг.

На тепловозе установлены тяговые электродвигатели ЭДТ-200А с  с четырьмя главными и и четырьмя добавочными полюсами. Обмотка якоря петлевая с уравнительными соединениями, якорные подшипники – роликовые. Номинальная

мощность тягового электродвигателя – 206 кВт (напряжение 275 В, ток 815 А), максимальная частота вращения якоря – 2200об/мин, масса тягового двигателя – 3200 кг.

Электродвигатели попарно соединены последовательно и тремя параллельными цепями подключены к тяговому генератору.

На тепловозе установлен трехцилиндровый двухступенчатый поршневой компрессор КТ-6; производительность его при частоте вращения вала 850 об/мин   - 5,3-5,7м3/мин воздуха.

Для обогрева водяной, масляной и топливной систем предусмотрен котел-подогреватель, работающий на жидком топливе.

На каждой секции тепловоза установлена кислотная аккумуляторная батарея 32ТН-450 (32 элемента общей емкостью 450 А∙ч) нпряжением 64 В. От этой батареи получет электроэнергию тяговый генератор в период пуска дизеля.

Тепловоз ТЭ3 имеет запас топлива 2×5440 кг, масла 2×1400 кг, воды - 2×800 л, песка

2×400 кг. Служебная масса тепловоза равняется 2×126т. Длительная сила тяги при скорости 20 км/ч  составляет 2×20200кгс,конструкционная скорость – 100 км/ч. При этой скорости тепловоз развивает силу тяги 2×2600 кгс (мощность 2×950 л. с.),

1-      двухмашинный агрегат,

2-      высоковольтная камера,

3-      патрубок для забора воздуха на охлаждение тягового генератора,

4-      тяговый генератор,

5-      дизель,

6-      топливный бак,

7-      глушитель,

8-      компрессор,

9-     вентиляторное колесо

2. Анализ и подготовка продольного профиля пути для выполнения тяговых расчетов.

Для выполнения тяговых расчетов производят анализ продольного профиля железнодорожного участка пути.

В результате анализа должны быть предварительно выбраны подъемы: расчетный iр и скоростной iс.

2.1.Выбор расчетного и скоростного подъемов

Расчетным подъемом iр называется один из наиболее крутых и затяжных подъемов на заданном участке, на котором поезд может достигнуть равномерной скорости, равной по величине расчетной скорости заданной серии локомотива.

Скоростным подъемом iс называется один из самых крутых подъемов, преодоление которого возможно за счет использования кинетической энергии поезда.

ПРОФИЛЬ ПУТИ

00

Правилами тяговых расчетов установлены следующие обозначения элементов пути: подъемы обозначаются знаком «плюс», спуски – знаком «минус», горизонтальные участки («площадки») – «нуль».

Таким образом, принимаем в качестве расчетного подъема iр =8‰ на том основании, что он наиболее крутой (после 10‰ ), большой протяженности.

Подъем iс = 10‰ принимаем в качестве скоростного, так как круче этого подъема на заданном участке нет.

2.2.Спрямление продольного профиля пути

Спрямление профиля  - замена рядом лежащих прямых, имеющих один и тот же знак ( разница не должна превышать 3-4‰) одним суммарным элементом.

Крутизна спрямленного элемента

iс′ =     [ ‰],

где 1, 2, … , n – номера спрямляемых элементов.

Проверка возможности спрямления каждого элемента:

Si ≤ ,

где ii   и Si - крутизна и длина проверяемого i – го элемента.

Основные правила спрямления.

1. Спрямлению подлежат рядом лежащие элементы профиля, имеющие одинаковый знак и небольшую длину. Площадки могут быть спрямлены с уклоном любого знака.
2. Расчетный и проверяемые подъемы, а также раздельные пункты (станции) спрямлению не подлежат.
3. Проверка возможности спрямления производится для каждого элемента действительного профиля, входящего в спрямленный участок.
4. Дополнительное сопротивление, возникающее при движении поезда в кривых, учитывается фиктивными подъемами, величина которых определяется по формуле

ic = ·

Приведенный уклон вычисляется по формуле:

ic = ic + ic

Спрямляем участки   2 и 3;   5,6,7;   10,11;   17,18;   20,21,22.

ic23 = = -5‰                          600 ≤ 2000/ -6+5   ;         600 ≤ 2000

                                    500 ≤2000/-4+5  ;        500 ≤ 2000

ic,5,6,7 = ‰                            900 ≤ 2000/8-7,4 ;         900 ≤ 3333

                                                                                   800 ≤ 2000/7-7,4   ;          800 ≤ 5000

ic10,11 = ,6‰                 800 ≤2000/-3+3,6  ;        800 ≤ 3333

                                                                            1000 ≤ 2000/-4+3,6  ;         1000 ≤ 5000

ic17,18 = = 3,5‰                           1500 ≤  2000/4-3,5   ;       1500 ≤ 4000

                                                                                       1500 ≤ 2000/3-3,5   ;       1500 ≤ 4000

ic20,21,22 = = - 5,8‰       700 ≤ 2000/-2+5,8 ;       700 ≤ 526

                                                                                       800 ≤ 2000/-3+5,8   ;       800 ≤ 714

Результаты расчетов сведены в  следующую таблицу

3.Определение веса (массы) состава грузового поезда с учетом ограничений по условиям эксплуатации.

Характеристика состава грузового поезда.

Расчетные параметры локомотива ТЭ3.

3.1.Определение расчетного веса (массы) состава грузового поезда

Вес состава определяется исходя из условия равномерного движения поезда по расчетному подъему с расчетной скоростью локомотива

Q = [кН],

где  Fкр   - расчетная сила тяги локомитива,  Н;

        Р     - вес локомотива,  кН;

       w′0   - основное удельное сопротивление движению локомотива в режиме тяги, Н/кН;

       w″0  - основное удельное сопротивление движению вагонов, Н/кН;

        ip     - крутизна расчетного подъема, ‰.

Основное удельное сопротивление движению локомотивов режиме тяги при расчетной скорости определяется по формуле

w′0 = 1,9 + 0,01νр + 0,0003 νр2.

Основное удельное сопротивление движению грузового состава (вагонов) при расчетной скорости определяется по формуле

w″0  = αw″04 + βw″06 + γw″08 ,

где        α, β, γ           - процентное содержание однотипных вагонов в составе;

      w″04, w″06, w″08  - основное удельное сопротивление движению четырех-, шести- и

                                     восьмиосных вагонов соответственно, Н/кН.

w″04 = 0,7 + ,                 q04 = ,

w″06 = 0,7 + ,                 q06 = ,

                                   w″08 = 0,7 +   ,             q08 = .

Масса составам по предварительному расчету

mс =    т,

где g – ускорение свободного падения, м/с2.

w′0 = 1,9 + 0,01· 20,5 + 0,0003· 20,52 = 2,23 Н/кН,

q04 = = 13 т/ось,

q08 = = 16,5 т/ось,

w″04 = 0,7 + = 1,17 Н/кН,

w″08 = 0,7 + = 1,16 Н/кН,

w″0  = 0,8·1,17 + 0,2·1,16 = 1,17 Н/кН,

Q = = 18460 кН.

mс = = 1846 т.

3.2.Проверка веса поезда по длине приемо-отправочных путей

Длина поезда lп  не должна превышать полезную длину приемо-отправочных путей станции lпоп

lп ≤ lпоп ,

где lп    - длина поезда,м;

      lпоп – полезная длина приемо-отправочных путей станции, м.

Длина поезда определяется из выражения

lп = lс + lл +10,

где lс - длина состава, м;

      lл -  длина локомотива, м;

      10 – запас длины на неточность установки поезда, м.

Длина состава

lс = n4 l4 + n6 l6 + n8 l8 ,

где n4,n6, n8 - количество однотипных вагонов в составе;

       l4 ,l6 ,l8   - длина однотипных вагонов, м.

Количество однотипных вагонов в составе

n4 = · ;

n6  = · ;

n8  = · ,

где   q4, q6, q8 - масса одного вагона из каждой группы однотипных вагонов, т.

n4 = 0,8  = 29 ваг;

n8 = 0,2   = 3 ваг;

lс = 29·14 +  3·20 = 466 м;

lп = 466 + 34 + 10 = 510 м.

Условие lп ≤ lпоп   выполняется (510 ≤ 1050).

3.3.Проверка веса состава на преодоление скоростного подъема

Основная задача проверки состоит в том, чтобы определить, сможет ли поезд преодолеть выбранный в качестве «скоростного» подъем с учетом использования кинетической энергии, накопленной на предшествующих элементах профиля.

Аналитическая проверка выполняется по формуле

S = ∑  [м],

где νнi ,νкi     - начальная и конечные скорости интервала, км/ч;

      (fк – wк)i – средняя удельная результирующая сила, действующая на поезд в пределах интервала скорости от νнi до νкi , Н/кН.

Удельную силу (fк – wк)i  можно рассчитать в пределах выбранного интервала изменения скоростей принимают равной удельной силе при средней скорости интервала, т. е.

(fк – wк)i = [H/кH].

Значения Fк,w′0 и  w″0 определяются по среднему значению скорости νср рассматриваемого интервала

νср = [км/ч].

Для повышения точности расчета интервалы изменения скорости следует брать в пределах 10 км/ч.

Если полученное расстояние больше или равно длине скоростного подъема Sс

S≥Sс,

то поезд преодолеет подъем.

1.         νн  = 80  км/ч, νк  = 70 км/ч,

νср =   = 75 км/ч,

Fк =   51000 Н

w′0 = 1,9 + 0,01·75 + 0,0003·752 = 4,34 Н/кН,

            w″04 = 0,7 + = 2,60 Н/кН,

w″08 = 0,7 + = 1,95 Н/кН,

w″0  = 0,8·4,34 + 0,2·1,95 = 3,86 Н/кН,

fк – wк = Н/кН,

S = м.

2.         νн  = 70  км/ч, νк  = 60 км/ч,

νср =   = 55 км/ч,

Fк =   61500 Н

w′0 = 1,9 + 0,01·65 + 0,0003·652 = 3,82 Н/кН,

            w″04 = 0,7 + = 2,24 Н/кН,

w″08 = 0,7 + = 1,75 Н/кН,

w″0  = 0,8·2,24 + 0,2·1,75 = 2,14 Н/кН,

fк – wк = Н/кН,

S = м.

3.         νн  = 60  км/ч, νк  = 51,5 км/ч,

νср =   = 55,75  км/ч,

Fк =   68000 Н

w′0 = 1,9 + 0,01·55,75 + 0,0003·55,752 = 3,39 Н/кН,

            w″04 = 0,7 + = 1,96 Н/кН,

w″08 = 0,7 + = 1,59 Н/кН,

w″0  = 0,8·1,96 + 0,2·1,59 = 1,89 Н/кН,

fк – wк = Н/кН,

S = м.

S = 509 + 530 + 427 = 1466 м.

Поезд преодолеет скоростной подъем, так  как  условие  S≥Sс     выполняется       (1466 ≥ 1200).

3.4. Проверка веса на трогание с места

Вес состава проверяют на возможность трогания с места на остановочных пунктах по формуле

Qтр = - Р   [кН],

где Fктр   -   сила тяги локомотива при трогание с места, Н;

wтр    -   удельное сопротивление состава при трогание с места, Н/кН;

iтр      -   крутизна элемента пути, на котором производится  трогание с места, ‰.

Удельное сопротивление состава при трогании с места определяется по формуле

wтр = wтр4 + wтр6 + wтр8    Н/кН,

где wтр4 ,wтр6 ,wтр8   -  удельное сопротивление при трогании с места соответственно 4-осных, 6-осных, 8-осных вагонов, Н/кН.

Для вагонов на подшипниках качения

wтр =    Н/кН,

где q0  - масса, приходящаяся на одну колесную пару для данной группы вагонов,т/ось.

q04 = = 13 т/ось,

q08 = = 16,5 т/ось.

Вес состава Qтр , полученный по условиям трогания с места, должен быть не менее веса состава Q, определенного по расчетному подъему, т. е. Qтр  ≥ Q.

wтр4 =    = 1,40 Н/кН,

wтр8 = = 1,20  Н/кН,

wтр = 1,40∙0,8 + 1,20∙0,2  = 1,36Н/кН,

Qтр = - 1270 = 212700 кН.

Условие Qтр  ≥ Q выполняется (212700 ≥ 18460).