Курсовая. Расчет технико-эксплуатационных показателей тепловоза 3м62

kursovaya-2018-pszhd.docx

Составление схемы расположения оборудования2
1. Развеска локомотива4
Составление кинематической схемы привода вспомогательных агрегатов и определение затрат мощности на их привод11
1 Мощность на привод вентилятора холодильника.14
2. Мощность на привод вентилятора централизованного охлаждения электрических машин16
3. Мощность на привод тормозного компрессора.16
4. Потери мощности на возбуждение тягового генератора приведённые к фланцу коленчатого вала:17
Схема колесно-моторного блока локомотива-образца и определение передаточного отношения тягового редуктора17
Составление схемы рессорного подвешивания тележки и определение динамических параметров локомотива21
Построение тяговой характеристики локомотива и определение его КПД29
Определение пробега тепловоза между наборами топлива. Особые условия.32
Список используемой литературы.38
Составление схемы расположения оборудования
Схема расположения оборудования составляется для локомотива - образца тепловоза 3М62.
В 1976 г. на Ворошиловградском заводе был построен первый образец двухсекционного тепловоза 2М62 созданного на базе М62. В том же году начался серийный выпуск этих машин.
По всей видимости тепловозы 2М62 рассматривались МПС с одной стороны как способные заменить стареющие ТЭ3 особенно на линиях со средней грузонапряжённостью (где мощность 2ТЭ10ЛВ и 2ТЭ116 была бы явно избыточной). С другой стороны - в качестве временной меры в условиях когда тепловозы типа ТЭ10 с дизелями 10Д100 уже считались бесперспективными а доводка новых 2ТЭ116 затягивалась на неопределённое время.
Тепловоз 2М62 (заводское обозначение 2133) состоит из двух секций каждая из которых по конструкции в целом мало чем отличается от односекционного тепловоза М62. Основное отличие - в связи с постоянной работой в двухсекционном варианте отсутствует вторая кабина управления в секции (со стороны холодильника - бывшая кабина "Б" на М62). Всё оборудование размещавшееся в этой кабине было ликвидировано а само пространство бывшей кабины фактически превратилось в тамбур для перехода в смежную секцию; вместо лобовых окон смонтирована переходная площадка с дверью. Как и в случаях с другими сериями отечественных тепловозов секции тепловоза 2М62 обозначаются как "А" и "Б" конструктивно идентичны между
На тепловозах 2М62 самых первых выпусков в задней части секции в районе ликвидированной кабины управления ещё устанавливалась пара входных дверей а внутри здесь оставалась стенка (бывшая задняя стенка кабины с дверью) и привод ручного тормоза. Входные двери в задней части секции имелись на 2М62 до №0069 (включительно) и на №0071 (она последняя четырёхдверная). На тепловозах №0070 и с №0072 таких дверей нет взамен появилось только откидное окно для доступа к приводу зачехления жалюзи холодильника а внутри исчезла и перегородка и ручник.
В середине 1980-х г.г. на Ворошиловградском заводе по заказу МПС было начато создание трёхсекционного тепловоза на базе М62. При этом кроме увеличения количества секций в конструкцию нового локомотива были внесены значительные изменения и усовершенствования по сравнению с 2М62.
Основными из них стали применение унифицированных бесчелюстных тележек с "гуськовым" расположением ТЭД (давно уже применявшихся на 2ТЭ10В ТЭ10М 2ТЭ116) и топливного бака ёмкостью 7300 л (6300 кг) при этом аккумуляторные батареи наконец-то были перенесены в задние нерабочие кабины секций. В результате проведённой модернизации сцепная масса секции увеличилась со 120 до 126 т соответственно повысилась нагрузка на ось - с 20 до 21 тс. Соответствующие изменения направленные на обеспечение возможности работы в составе трёх секций были внесены в электрическую схему кроме того появился автоматический пуск дизеля возможность перевода дизеля любой секции в режим автономного холостого хода и др. Также были применены некоторые новые типы деталей и узлов: малогабаритный глушитель шума выхлопа унифицированные межтепловозные соединения (ЖОКСы) главные резервуары объёмом 250 л (вместо 222-литровых) увеличен запас песка с 600 до 700 кг (на секцию) и др.
Первый трёхсекционный тепловоз 3М62У-0001 был изготовлен в 1985 г. (сдан МПС был в 1986 г.) с 1986 г. начался серийных выпуск этих локомотивов. В следующем 1987 г. аналогичная модернизация коснулась строившихся двухсекционных машин и взамен 2М62 началось производство 2М62У. Впоследствии появилось целое семейство "унифицированных" тепловозов известных как тип М62У (заводское обозначение 2161).
Тепловозы типа М62У выпускались в следующих модификациях:
в односекционном (двухкабинном) варианте - М62УМ (16 ед. - экспортная модификация для Монголии) и М62УП (только для промышленности СССР);
в двухсекционном варианте - 2М62У (для МПС а также промышленности СССР);
в трёхсекционном варианте - 3М62У (для МПС СССР) а также 3М62П (три тепловоза специального назначения).
Тепловоз 3М62У состоит из трёх секций - двух крайних (головных) "А" и "Б" и средней (промежуточной) секции "В". Секции тепловоза 2М62У и головные секции 3М62У конструктивно абсолютно идентичны между собой. Средняя секция "В" может соединяться с крайними любой стороной при этом цепи управления крайними секциями собираются через межтепловозные соединения и транзитные провода средней секции. Кабины управления на секции "В" как таковые отсутствуют но на месте бывшей кабины (со стороны противоположной холодильнику) установлен упрощённый пульт управления (по конструкции напоминающий унифицированные пульты ТЭ10МУ и 2ТЭ116) используемый для самостоятельных маневровых передвижений и при производстве реостатных испытаний. Также на средней секции отсутствует некоторое оборудование (кран машиниста усл. №395 устройство блокировки тормозов усл. №367 комплект устройств АЛСН и радиосвязи и др.) поэтому использование её в качестве самостоятельной тяговой единицы (без хотя бы одной головной секции) для вождения поездов невозможно.
1.Развеска локомотива
При проектировании локомотива необходимо разместить оборудование в кузове и на тележках так чтобы обеспечить равенство нагрузок по колёсным парам и по колёсам левой и правой стороны.
Эти расчёты называются развеской тепловоза в первом случае продольной во втором - поперечной.
В курсовой работе выполняется только продольная развеска размещение узлов и агрегатов на локомотиве задано заранее и поэтому проводится только поверочный расчёт. Для этого подсчитывают моменты агрегатов тепловоза согласно схеме расположения и первоначально заданным данным. Момент находится по формуле
Исходные данные к курсовой работе отражены в Таблице 1
Эффективная мощность Ne кВт
Удельный эффективный расход топлива
Емкость топливного бака
Результаты расчёта сводим в таблицу следующей формы:
Наименование узла (группы деталей)
Дизель - генераторная группа
Рама тепловоза с принадлежностями
Оборудование шахты холодильника и вентилятора тяговых двигателей
Кузов с принадлежностями
Высоковольтная камера с оборудованием и аккумуляторная батарея
Компрессоры редукторы и вспомогательный генератор с приводом
Детали вспомогательного оборудования инструмент
Трубопроводы баки и фильтры воздушные резервуары подогреватели
Обслуживающий вес (бригада топливо масло вода)
Непосредственный вес тепловоза (секции)
Условный центр моментов находится спереди средней оси тележки на расстоянии 4035 м.
Определив моменты Gi li находят Gi (суммарный вес) и Gi··li (алгебраическая сумма моментов) и положение центра тяжести кузова где приложена равнодействующая всех весов агрегатов Gi .
Gi =73193 кН Gi li = 6155966 кН*м
Расстояние центра тяжести от условной оси моментов определяется по формуле:
В таблице и на рисунке приведены геометрические параметры локомотивов.
Из неё находим расстояние между осями автосцепок 1а тепловоза 3М62 и другие данные. Чтобы нагрузки на каждую тележку были одинаковыми нужно чтобы центр тяжести находился посередине локомотива т.е.
где – длина локомотива по осям автосцепок
Тогда а1 = а2 (рис. 3) и
ООП - опорно-осевое подвешивание;
Если ц.т. не совпадает с серединой локомотива т.е. а1 а2 то нагрузки по тележкам можно найти используя формулы:
Несовпадение центра тяжести Xцт и геометрического центра тяжести верхнего строения тепловоза Х можно определить из выражения:
Xцт - центр тяжести тепловоза м Xцт = 841
Xцт' = 16972 = 848 (м)
Х = 848 – 841 = 007 (м)
Рассчитаем нагрузки на каждую тележку:
По нормам применяемых при проектировании тепловоза неравномерность распределения нагрузок 2П по колесным парам разных тележек не должна превышать величины ±003. В этом случае величина 2П может быть определена из следующего выражения кН:
где 2П нагрузка от колесной пары на рельсы при равномерном распределении нагрузок по колесным парам тепловоза кН
П1 - нагрузка от каждой из колесных пар второй тележки кН
где Gт - вес тележки тепловоза кН;
Nт - количество осей в тележке кН;
П1 = (35958 + 250) 3 = 20319 кН
П2 = (37234 + 250) 3 = 20744 кН
П =20319-207442503 = 0017 – условие выполняется.
Для расчёта рессорного подвешивания и определения динамических качеств локомотива необходимо найти обрессоренный вес приходящийся на каждую тележку:
Где - обрессоренный вес собственно тележки. Очевидно что
где GT - полный вес тележки.
Для одной секции тепловоза 3М62 GT =250 кН
- число колёсных пар тележки 3 колесных пары;
q - необрессоренный (мертвый) вес каждой колёсной пары. Это вес колёсной пары с буксами и 05 веса ТЭД (при опорно-осевом подвешивании).
Из условия задачи при опорно-осевом подвешивании ТЭД q= 44 46 кН;
Тогда обрессоренный вес приходящийся на колёсную пару:
Полная нагрузка от оси колёсной пары на рельсы:
П=16003+4515=20518 кН
Полученное значение П можно проверить по весовой ведомости локомотива-образца:
где mс - число осей секции локомотива.
Составление кинематической схемы привода вспомогательных агрегатов и определение затрат мощности на их привод
В таблице задана эффективная мощность дизеля тепловоза-образца. Эффективная мощность Ne это мощность снимаемая с фланца коленчатого вала т.е. полезная мощность вырабатываемая дизелем. Однако для создания тяги локомотива используется не вся эта мощность т.к. часть её расходуется на привод вспомогательных агрегатов обеспечивающих нормальную работу тепловоза (вентилятор холодильника тормозной компрессор вентиляторы охлаждения электрических машин и т.д.).
В целях использования единой методики расчёта принята кинематическая схема предложенная на рисунке .
В расчёте приняты мощности вспомогательных агрегатов тепловоза 3М62 из таблицы .
Вспомогательные механизмы
и агрегаты (мощность кВт)
Секция тепловоза 3М62
Вентиляторы электрических
Тормозной компрессор
Возбудитель и вспомогательный
Отбор мощности на привод вспомогательных механизмов обеспечивающих работу силовой установки производится как со стороны генератора так и со стороны холодильной камеры. Со стороны генератора ГП-312 (номинальная мощность 1270 кВт) (рис. ) расположены: передний распределительный редуктор двухмашинный агрегат А-706А (состоит из возбудителя В-600 мощностью 206 кВт и вспомогательного генератора ВГТ-275120 мощностью 12 кВт) вентиляторы охлаждения тягового генератора и тяговых электродвигателей синхронный подвозбудитель компрессор КТ7.
Привод переднего редуктора двухмашинного агрегата и компрессора осуществляется через пластинчатые муфты привод вентиляторов — через карданы а привод подвозбудителя — через клиноременную передачу. Передний редуктор двухмашинный агрегат подвозбудитель установлены на тяговом генераторе. Редуктор приводится от вала отбора мощности дизеля а привод двухмашинного агрегата подвозбудителя и вентиляторов охлаждения тягового генератора и тяговых электродвигателей осуществляется от переднего распределительного редуктора. Компрессор установлен на сварном фундаменте который после центровки компрессора с валом тягового генератора» приваривается к настилу рамы. Привод компрессора осуществляется от вала тягового генератора.
Со стороны холодильной камеры расположены задний распределительный редуктор вентилятор охлаждения тяговых электродвигателей задней тележки и гидропривод вентилятора холодильной камеры. Привод вентилятора и гидропривода осуществляется от заднего редуктора через пластинчатые муфты. Задний распределительный редуктор приводится от вала дизеля через карданный вал. Все механизмы со стороны холодильной камеры установлены на настиле рамы.
Рис. 147. Приводы вспомогательных механизмов тепловоза 2М62:
— компрессор: 2 7 12 17 20 — муфты полужесткие; 3 —вентилятор охлаждения тягового генератора; 4 10 15 21 — карданные валы; 5 — двухмашинный агрегат; 6 — редуктор распределительный передний; 8 — тяговый генератор; 9 — дизель; И — вентилятор охлаждения тяговых электродвигателей задней тележки; 13 — вентиляторное колесо; 14 — подпятник вентилятора; 16 — гидропривод вентилятора; 18 — редуктор распределительный задний; 19 — клиноременная передача; 22 — вентилятор охлаждения электродвигателей передней тележки; 23 — подвозбудитель
Вспомогательные механизмы выполняют следующие функции.
Вентиляторы холодильника дизеля служат для охлаждения воды дизеля (иногда масла) в секциях холодильника. Приводится во вращение от гидропривода вентилятора который предназначен для поддержания необходимых режимов работы охлаждающего устройства тепловоза путем бесступенчатого изменения частоты вращения вала вентилятора.
Основным элементом гидропривода является гидромуфта переменного наполнения состоящая из насосного колеса жестко соединенного с чашами и турбинного колеса с армированной стальной ступицей. Гидромуфта с механизмом регулирования предназначена для бесступенчатого изменения крутящего момента на турбинном (ведомом) валу независимо от частоты вращения насосного (ведущего) вала.
Гидромуфта - переменного наполнения т.е. круг циркуляции автоматически (в зависимости от температуры охлаждаемой воды) заполняется рабочей жидкостью от минимума до полного заполнения. Этим обеспечивается изменение частоты вращения вентилятора т.е. интенсивность охлаждения воздухом который подаёт вентилятор.
Диаметр вентиляторного колеса тепловоза 2М62 - 1600 мм максимальная частота вращения 1395 обмин подача воздуха 413 м3с потребляемая мощность 588 кВт.
Вентиляторы охлаждения тягового генератора и тяговых электродвигателей
Для охлаждения тягового генератора и тяговых электродвигателей на тепловозе используются центробежные вентиляторы. Привод вентиляторов охлаждения тягового генератора и тяговых электродвигателей передней тележки осуществляется от переднего редуктора через карданные валы а вентилятора охлаждения тяговых электродвигателей задней тележки от заднего редуктора через полужесткую муфту. При частоте вращения коленчатого вала дизеля 750 обмин частота вращения вентилятора охлаждения генератора равна 2200 обмин подача вентилятора составляет 9600 м3ч а полное статическое давление - 211 кПа (215 мм вод. ст.); частота вращения вентиляторов охлаждения тяговых электродвигателей передней и задней тележек - соответственно 2600 и 2650 обмин подача при 2650 обмин составляет 8820 м3ч а полное статическое давление - 225 кПа (230 мм вод. ст.).
Привод вентилятора охлаждения тягового генератора механический от вала отбора мощности дизеля на вспомогательные нужды через редуктор.
Привод вентилятора охлаждения тяговых электродвигателей передней тележки механический от вала отбора мощности дизеля на вспомогательные нужды через редуктор.
Привод вентилятора охлаждения тяговых электродвигателей задней тележки механический от коленчатого вала дизеля через редуктор
Тормозной компрессор служит для подачи воздуха в тормозную магистраль и в пневмосистему управления тепловозом. Привод компрессора осуществляется от вала тягового генератора.
Компрессор КТ7 - двухступенчатый трехцилиндровый поршневой с воздушным охлаждением оборудован устройством для перехода на холостой ход. Режим работы - повторно-кратковременный с отношением времени работы под нагрузкой ко времени работы на холостом ходу 1:3. Время работы под нагрузкой не должно превышать 15 мин. Корпус литой чугунный с четырьмя лапами для крепления компрессора. Передняя часть корпуса закрыта съемной крышкой в которой установлен один из подшипников коленчатого вала и резиновая манжета или кожаный сальник. По бокам в корпусе имеются два люка для доступа к деталям внутри корпуса. К корпусу на шпильках крепятся три чугунных цилиндра с ребрами (для увеличения поверхности охлаждения) расположенными в одной вертикальной плоскости под углом 60° друг к другу. Боковые цилиндры являются цилиндрами I ступени средний-II ступени.
Техническая характеристика компрессора КТ7
Рабочее давление наибольшее кгссм2 (МПа) - (088)
Частота вращения коленчатого вала наибольшая обмин - 750
Эффективная производительность при противодавлении 9 кгссм2 (088 МПа) и 750 обмин м3мин - 46
Потребляемая мощность при противодавлении 088 МПа и 750 обмин л. с. (кВт) - 55 (404)
1 Мощность на привод вентилятора холодильника.
Мощность потребляемая вентилятором Ne = 588 кВт при частоте вращения в= 1395 обмин.
Скольжение гидромуфты на номинальном режиме S = 3% = 003; Номинальная частота вращения вала дизеля Д = 750 обмин;
Число зубьев конического зацепления Z2 = 48 Z1=23
Тогда передаточное число механического редуктора с учётом скольжения гидромуфты будет равно:
Приведённая к валу дизеля мощность на привод вентилятора холодильника:
где - механический кпд передачи от вала дизеля к валу вентилятора; - кпд гидромуфты. По схеме привода (см. рис. ) получим:
где - кпд цилиндрической пары зацепления;
кпд карданного вала;
- кпд конического зацепления.
КПД гидромуфты определяется из условия:
Частота вращения насосного колеса гидромуфты:
Частота вращения турбинного колеса гидромуфты:
Тогда кпд гидромуфты:
Приведённая к валу дизеля мощность на привод вентилятора:
2. Мощность на привод вентилятора централизованного охлаждения электрических машин
При номинальном режиме вентилятор потребляет мощность
Тогда приведённая к валу дизеля мощность вентилятора централизованного охлаждения при КПД конического зацепления =0975 будет равна:
3. Мощность на привод тормозного компрессора.
В условии задана потребляемая мощность компрессора 441 кВт. Для компрессора КТ-7 это потребляемая мощность при частоте вращения коленчатого вала дизеля 850 обмин. Для дизеля 14Д40 рассматриваемого тепловоза 2М623М62 при увеличении частоты вращения 840-870 обмин срабатывает предельный выключатель аварийной защиты дизеля. Поэтому тормозной компрессор КТ-7 будем рассматривать с параметрами:
-мощность потребляемая компрессором - 39 кВт при 750 обмин;
-мощность на холостом ходу -228 кВт.
Привод компрессора - непосредственно от коленчатого вала. По статистике - на тяговом режиме компрессор работает 25% и на холостом ходу 75%. Тогда:
NTK = 39 025 + 228 075 = 2685 кВт.
4. Потери мощности на возбуждение тягового генератора приведённые к фланцу коленчатого вала:
где - мощность возбуждения тягового генератора;
кпд 2-х машинного агрегата типа А-706Б «В 600ВГТ-275120»
Тогда суммарная мощность затрачиваемая на вспомогательные нужды на XV позиции контролера при нормальных атмосферных условиях (в тяговом режиме).
Потери мощности на вспомогательные нужды в % от мощности дизеля:
Потери мощности на вспомогательные нужды не должна превышать 10 12%.
Схема колесно-моторного блока локомотива-образца и определение передаточного отношения тягового редуктора
Все современные тепловозы имеют индивидуальный электрический привод т.е. на каждой колёсной паре подвешивается электродвигатель (ТЭД) который через тяговый редуктор передаёт крутящий момент на колёсную пару.
Существующие способы подвешивания ТЭД можно разбить на три группы:
При опорно-осевом подвешивании (рис. ) тяговый двигатель 1 с одной стороны опирается на ось колёсной пары 4 через опорно-осевой подшипник б а с другой стороны - на раму тележки через пружинный пакет 5. С помощью шестерни zx напрессованный на вал якоря ТЭД и зубчатого колеса 3 на оси колесной пары крутящий момент от электродвигателя передаётся на колёсную пару.
Преимущество такого подвешивания - простота конструкции обеспечивающий передачу крутящего момента. Недостаток - ухудшение динамических качеств локомотива из-за увеличения необрессоренного веса локомотива за счёт примерно половины веса ТЭД опирающегося непосредственно на ось колёсной пары. Однако это ухудшение становится значительным только при скоростях более 100 кмч. Поэтому практически на всех грузовых тепловозах применяют простое опорно-осевое подвешивание.
Рисунок - Схема опорно-осевого подвешивания ТЭД
Передача крутящего момента от ТЭД к колёсным парам осуществляется через одноступенчатый тяговый редуктор важнейшим параметром которого является передаточное отношение (или передаточное число). Это отношение крутящего момента на колёсной паре к моменту на валу якоря ТЭД при длительном режиме работы колёсно-моторного блока (КМБ). Это также можно представить как отношение частоты вращения якоря ТЭД к частоте вращения колёсной пары или через отношение числа зубьев зубчатого колеса z2 к числу зубьев шестерни якоря Z1
где - крутящий момент на колесный паре кН*м;
- крутящий момент создаваемый якорем ТЭД при длительном режиме кН*м
- сила тяги КМБ на длительном режиме кН;
Дк - диаметр колеса м.
Значения и можно определить из выражений:
где - мощность ТЭД при длительном режиме кВт;
vp - расчётная скорость кмч;
- частота вращения якоря длительного режима обмин.
где - максимально допустимая частота вращения якоря ТЭД из условия прочности.
В расчётах принимаем пямах =2200 2300 обмин;
vконст ~ конструктивная скорость кмчас. vконст для тепловоза 3М62 = 100 кмчас
Это передаточное число получено из условия прочности якоря ТЭД. Однако его нужно уточнить из условия размещения ТЭД на колесной паре. Введём понятие - длина централи «А». Это расстояние между осями тягового двигателя и колесной пары. Тогда:
где т - модуль зубчатого зацепления тягового редуктора. Можно принять т = 10.
Длина централи в ориентировочном расчёте применяется А = 469 мм.
Число зубьев z1 и z2 определяются при решении двух уравнений:
Составление схемы рессорного подвешивания тележки и определение динамических параметров локомотива
Масса локомотива разделяется на подрессоренную и неподрессоренную. К неподрессоренным массам относят массу колесной пары с буксами часть массы рессорного подвешивания первой ступени (примерно 23) около половины массы тягового электродвигателя при опорно-осевом его подвешивании (двигатель опирается одним концом на ось колесной пары а другим — на раму тележки). Неподрессоренная масса приходящаяся на одни колесно-моторный блок у тепловозов с опорно-осевой подвеской двигателя (ТЭМ2 М62 и др.) составляет 45—46 т. При движении тепловоза его подрессоренные и неподрессоренные массы совершают колебания относительно рельсового пути. Причем колебания колесных пар (неподрессоренных масс) происходят самостоятельно независимо от колебаний всего экипажа. У тепловозов различают следующие основные виды колебаний: подпрыгивание галопирование поперечная качка виляние и боковой относ.
Колебания локомотива приносят много вреда сопровождающие колебательный процесс чрезмерные динамические нагрузки расстраивают путь нарушают плавность хода а иногда могут вызывать сход экипажа с рельсов. Воспринимаемые экипажем динамические нагрузки вредно отражаются на работе тягового оборудования ухудшают условия труда локомотивной бригады.
Основными параметрами (характеристиками) всех колебательных процессов являются: массы участвующие в колебательном процессе размах (амплитуда) колебаний и частота или период колебаний. Количественные показатели этих параметров для колеблющихся в вертикальном направлении подрессоренных масс характеризуют вертикальную динамику локомотива.
Вертикальная динамика локомотива считается хорошей если он имеет плавный ход во всем диапазоне скоростей т. е. оказывает наименьшее динамическое воздействие на путь обеспечивает минимальную утомляемость локомотивных бригад.
Горизонтальную динамику характеризуют силы действующие на рельсы и экипаж в горизонтальной плоскости при прохождении кривых и прямых участков пути а также поведение экипажа в рельсовой колее (виляние поперечные броски кузова и т. д.).
Возникающие при колебаниях силы растут с увеличением скорости. Во избежание их чрезмерного роста при котором создается угроза безопасности движения следует снижать скорость тепловоза. Для установления допускаемой скорости движения в прямых и кривых участках пути необходимо иметь представление о действующих на колесные пары силах в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
Причина возникновения вертикальных колебаний надрессорного строения обусловлена различными неровностями рельсового пути. При качении колеса по неровности рессорное подвешивание как бы разделяет массы нижнего и верхнего строения экипажа. Инерционное же перемещение кузова вниз вызовет сжатие упругих элементов подвешивания и инерционная сила погаснет. Сжатые упругие элементы подвешивания после исчезновения дополнительных инерционных сил восстанавливаются за счет внутренних сил упругости.
Критическая скорость и гашение колебаний. Катящиеся по рельсам колеса получают толчки и удары с частотой зависящей главным образом от периодичности повторения рельсовых стыков. Эту частоту называют частотой вынужденных колебаний. Кузов же колеблется с частотой собственных свободных колебаний которая зависит от статического прогиба рессорного подвешивания под нагрузкой. В случае совпадения частот вынужденных и собственных колебаний наступает явление резонанса при котором резко возрастают амплитуды колебаний кузова а значит и динамические силы. Скорость при которой наступает резонанс называют критической.
Рессорное подвешивание. Предназначено для уменьшения динамического воздействия колес на рельсы при движении по неровностям пути распределения нагрузок по колесам и обеспечения плавности хода тепловоза. Рессорное подвешивание бывает сбалансированное и индивидуальное одноступенчатое и двухступенчатое.
Нагрузка от массы кузова и тележки передается колесным парам через буксы установленные на концы оси. Упругими элементами посредством которых нагрузка передается на колесные пары могут служить листовые рессоры цилиндрические витые пружины резиновые амортизаторы.
По способу передачи нагрузки на колесные пары рессорное подвешивание бывает индивидуальным или сбалансированным. Если упругие элементы размещены только между буксами и рамой тележек такое подвешивание называют одноступенчатым. Если же помимо буксовой ступени упругие элементы имеются между рамами кузова и тележек подвешивание называется двухступенчатым.
Для тепловоза 3М62 выберем сбалансированное рессорное подвешивание так как необходимо выровнять вертикальные нагрузки по осям колесных пар.
Преимущество такого подвешивания заключается в том что статические и динамические нагрузки равномерно распределяются между осями тепловоза. Недостатки: большое количество шарнирных соединений подверженных интенсивному износу и требующих периодического добавления смазки; недостаточная чувствительность системы из-за значительного трения в шарнирах в связи с чем непродолжительные динамические нагрузки не успевают перераспределиться между колесными парами; большая суммарная масса элементов рессорного подвешивания. Для снижения трения и износов в шарнирных соединениях рессорного подвешивания на тепловозах 2М62 с 1981 г. стали устанавливать ступенчатые шарнирные валики.
Рисунок - Сбалансированная схема рессорного подвешивания:
- тарелка; 2 - пружина; 3 - подвеска; 4 - балансир; 6 - предохранительная скоба; 7 - листовая рессора; 8 - серьга; 9 – букса.
Рессорное подвешивание тележки тепловоза 2М62 включает рессорные и концевые узлы соединенные балансирами. Нагрузка от рамы тележки на буксу через концевой узел передается посредством пружины 7 (рис. ) резинового амортизатора 8 расположенного между тарелкой 16 и подкладкой 19 подвески 18 соединенной валиком 17 с балансирами 1. Подвеска 18 изготовлялась раньше в виде стержня соединенного с головкой резьбой. Из-за появления трещин в резьбовом соединении сборный вариант подвески заменен цельнокованым. Через рессорный узел нагрузка передается посредством резиновых амортизаторов 8 пружин 7 и рессоры 10 включенной последовательно пружинам с помощью двуплечего кронштейна 6 и валика 5. Пружины и резиновые амортизаторы фиксируются в раме тележек с помощью фиксаторов 9 выполненных заодно целое с тарелками 11 пружин. Рессора 10 опирается на валики 15 П-образных подвесок 2 через специальные опорные втулки 14 выступ которых входит в эллиптические отверстия в первом коренном листе рессоры. Подвески соединены валиками 13 с балансирами. Балансиры нагруженные по обоим концам передают нагрузку на буксу своей средней частью. Опираются балансиры на закаленные упоры запрессованные в корпус буксы.
Рессорное подвешивание тележки тепловоза 2М62 состоит из двух самостоятельных групп сбалансированных листовых рессор и пружин. Каждая группа расположена по одну сторону тележки. В состав группы рессорного подвешивания входят два средних и два концевых рессорных комплекта а также балансиры 1 и подвески 2. 18 связывающие эти комплекты в единую систему.
Средний комплект состоит из листовой рессоры 10 и двух цилиндрических пружин 7. Каждая пластина листовой рессоры имеет сферические выступ и впадину для фиксирования ее положения относительно другой пластины. Рессорные пластины в средней части скреплены хомутом 9 который обжимают в горячем состоянии. Пружины 7 и рессора 10 связаны в единый узел валиком 5 проходящим через отверстия в проушинах нижней опоры 6 и хомута 9. Чтобы предохранить проушины от износа в них запрессованы стальные втулки 4. Для смазки трущихся поверхностей втулок 4 и валика 5 в валике просверлены центральное и радиальные отверстия. Опрессовка смазкой шарнирного соединения средних комплектов после их сборки а также ее дозаправка в процессе эксплуатации производятся через масленку 12 ввернутую в торец валика
Рис. . Рессорное подвешивание тележки 2М62
- балансир; 2 18 - подвески; 3 - скоба предохранительная; 4 - втулка; 5 13 15 17 - валики; 6 - кронштейн; 7 - пружина; 8 - амортизатор; 9 - хомут; 10 - рессора; 11 - тарелка; 12 - клапан смазки; 14 - опора рессоры; 16 - тарелка; 19 - прокладка; 20 - шплинт; 21 – гайка.
Шарнирные соединения состоят из валиков вставленных в закаленные втулки которые запрессованы в отверстия подвесок балансиров и опор рессор. Валик 5 полый в него ввернут клапан 12 через который подводится масло к трущимся поверхностям по осевым и радиальным каналам.
Рама тележки опирается на верхние опоры 11 среднего комплекта через резиновые амортизаторы 8. Хвостовик опоры входит в отверстие нижнего листа междурамного крепления фиксируя тем самым положение опоры и амортизатора относительно рамы тележки. Нагрузка от рамы через винтовые пружины 7 опору 6 валик 5 передается на хомут 9 рессоры 10. Концы рессоры соединены ступенчатыми валиками 15 с подвесками 2; в свою очередь подвески связаны посредством ступенчатых валиков 13 с балансирами 1 через которые нагрузка от рамы тележки передается на буксы.
В концевом комплекте нагрузка от рамы тележки па балансир 1 передастся через цилиндрическую винтовую пружину 7 тарелку 20 с подкладкой 19 между которыми установлен резиновый амортизатор 8 и подвеску 18 соединенную с балансиром ступенчатым валиком 17. Шарнирные соединения подвесок 2 18 со ступенчатыми валиками 13 15 17 не требуют смазки при сборке и в процессе эксплуатации.
Для предотвращения падения рессор на железнодорожный путь в случае поломок элементов рессорного подвешивания установлены предохранительные скобы 3.
Назначение балансиров - выравнивать нагрузку между колесными парами при наезде на неровности пути при малых скоростях. При значительных скоростях динамические нагрузки имеющие малый период действия не успевают перераспределяться между колесами вследствие значительной инерции балансиров и рессор замедляющих их угловые перемещения. Этому способствует значительное трение в листах рессоры и шарнирных соединениях.
Основными параметрами рессорного подвешивания являются жесткость и определяемый ею статический прогиб. Чем меньше жесткость и выше статический прогиб тем меньше частота собственных вертикальных колебаний надрессорного строения. Для обеспечения удовлетворительных ходовых качеств тепловоза статический прогиб должен быть примерно численно равен по значению конструкционной скорости а частота свободных колебаний надрессорного строения.
Жёсткость - отношение статистической нагрузки на элемент или группу упругих элементов к их статистическому прогибу т.е.
На рессорное подвешивание тележки действует статистическая нагрузка веса кузова с его оборудованием и обрессоренный вес тележки =619415кН
Тогда жёсткость рессорного подвешивания тележки определится из выражения:
Тепловоз на рессорном подвешивании представляет собой колебательную систему с определённой частотой колебаний. Напомним что в механике различают собственные и вынужденные колебания системы. Собственными колебаниями называются колебания системы под (действием однократной внешней силы. Эти колебания постепенно затухают и тем быстрее чем больше будет сопротивление в системе. Для увеличения сопротивления колебаниям в систему вводят гасители колебаний (гидравлические и фрикционные).
Вынужденные колебания - колебания возникающие под действием периодически действующей силы. Для локомотива такой силой могут быть импульсы со стороны рельсового пути (например от стыков) неровности пути.
Из теории колебаний угловая частота собственных колебаний надрессорного строения тележки при вертикальных колебаниях (подпрыгивании) определяется по формуле:
- жёсткость тележки в размерности Нм
- обрессоренная масса действующая на одну тележку.
Тогда линейная частота будет равна:
Во время работы тепловоза в процессе колебаний возникают динамические нагрузки на рессорное подвешивание и далее на колёсные пары которые оцениваются коэффициентом динамики:
Статистический прогиб в этой формуле в мм.
Определив коэффициент динамики можно найти динамические нагрузки:
При вынужденных вертикальных колебаниях возникающих от периодического воздействия стыков рельсового пути может выступать резонанс (когда частота собственных колебаний совпадает с частотой вынужденных колебаний системы). Критическая скорость локомотива при которой наступает это явление определяется по формуле:
где L - длина рельса м
Локомотивы проектируются так чтобы vкpum ≥ vконстр
При длине рельса L = 125 м vкpum =36*125*1902 = 8559 кмч
При длине рельса L = 25 м vкpum =36*25*1902 = 17118 кмч.
Таким образом наш локомотив с данной жесткостью рессорного подвешивания не может двигаться с конструкционной скоростью 100 кмч по рельсовой колее с длинной рельса 125 м.
Построение тяговой характеристики локомотива и определение его КПД
Тяговой характеристикой локомотива называется зависимость касательной силы тяги создаваемой локомотивом от скорости т.е. fk =f(y). Напомним что идеальная тяговая характеристика обеспечивающая постоянство касательной мощности во всём диапазоне скоростей описывается выражением:
где - касательная мощность тепловоза кВт;
- касательная сила тяги кН.
Реализуемая на ободе колёс касательная мощность будет равна:
где - эффективная мощность дизеля кВт; - кпд электрической передачи;
коэффициент учитывающий потери мощности на привод вспомогательных агрегатов (определены в разделе 4.3) т.е.
Кпд электрической передачи для передачи постоянного тока определяется:
где: - кпд соответственно тягового генератора тягового электродвигателя тягового редуктора.
Для ориентировочных расчётов примем:
Определив касательную мощность строят тяговую характеристику задаваясь различными скоростями от 5 кмч до конструкционной с интервалом 5 10 кмч. При этом принимаем что мощность во всем диапазоне скоростей постоянна.
По результатам расчёта строится зависимость FK = f(v).
На построенную зависимость FK = f(v) нанесем ограничение по сцеплению Fxaf=f(v).
Согласно основному закону локомотивной тяги FK FKC - сила сцепления колеса с рельсом определяется по выражению:
где - расчётный коэффициент сцепления колеса с рельсом определяется по формулам:
-для тепловозов ТЭ10 и его модификаций:
РСЦ - сцепной вес локомотива кН. Определяется по результатам расчёта развески:
Расчёт FСЦ производится для скоростей: 0 5 10 20 30 (до пересечения с тяговой характеристикой). Точка пересечения этих кривых соответствует скорости при которой начинает использоваться полная мощность локомотива и выход на автоматическую тяговую характеристику (скорость порога).
Если на тяговую характеристику FK = f(v) нанести зависимость W = f(v) т.е. полного сопротивления состава в функции от скорости то точка пересечения этих кривых определит равномерную скорость движения поезда для этого профиля пути для которого рассчитано сопротивление состава.
Эта методика определения равномерных скоростей используется дальше при расчёте пробега тепловоза между наборами топлива.
На рисунке приведена тяговая характеристика тепловоза с нанесёнными на неё ограничениями по сцеплению и конструктивной скорости.
Основным экономическим показателем тепловоза является его кпд который представляет собой отношение полезной работы (или мощности) к затраченному теплу полученному в результате сгорания топлива:
где NK - касательная мощность тепловоза кВт;
- удельная теплота сгорания топлива на рабочую массу кДжкг
(т.е. количество тепла выделяемое при сгорании 1 кг топлива). В расчётах можно принять =42745 кДжкг;
- часовой расход топлива:
ge = 0328- удельный эффективный расход топлива для тепловоза 3М62 ;
Ne = 1470*3 эффективная мощность дизеля тепловоза 3М62.
Кпд тепловоза в основном зависит от кпд дизеля и затрат мощности на привод вспомогательного оборудования.
Задаёмся различными значениями скорости и результаты расчёта сводим в таблицу 13.
На построенную по этим данным тяговую характеристику (рис. ) наносим ограничения по сцеплению и конструктивной скорости.
Для построения ограничения по сцеплению принимаем:
Коэффициент сцепления определяем по формуле:
Задаемся скоростями от 0 до 30 кмч. Результаты сводим в таблицу
Определение пробега тепловоза между наборами топлива. Особые условия.
В условиях эксплуатации очень важно знать пробег тепловоза между экипировками и в частности между снабжением тепловоза дизельным топливом. Это позволит более рационально разместить на заданном участке пункты экипировки и технического обслуживания тепловозов и организовать их эксплуатационную работу. Пробег тепловоза между снабжением топливом в основном определяется ёмкостью топливных баков.
Исходную (основную) норму расхода дизельного топлива на прямом и горизонтальном пути в килограммах на измеритель 104 т·км·бр можно определить по формуле:
где Q =4400 т - масса состава т;
Вч - часовой расход топлива кгч;
v0 - равномерная скорость движения поезда на площадке кмч.
Скорость движения поезда на площадке v0 определяется сиз совмещенной диаграммы зависимостей тяговой характеристики Fk=f(v) и полного сопротивления движению поезда W0=f(v). Пересечение графиков этих зависимостей определяет искомую скорость v0.
Полное сопротивление движению поезда W0 слагается из полного сопротивления локомотива и состава при движении на площадке:
где - основное удельное сопротивление движению локомотива в режиме тяги кгст;
- основное удельное средневзвешенное сопротивление движению состава кгст;
Р - масса локомотива т;
Удельное сопротивление движению локомотива кгст:
где v - скорость движения кмч.
Удельное сопротивление движению состава кгст: - для 4-х осных вагонов на подшипниках скольжения:
- для вагонов на подшипниках качения:
где qоч - масса вагона приходящаяся на ось тось.
При расчётах следует принимать qоч =20 22 mось для грузовых вагонов.
Соотношение вагонов в грузовых поездах на подшипниках качения и скольжения принимать соответственно 90% и 100%.
Тогда основное удельное средневзвешенное сопротивление состава определится:
Расчёт полного сопротивления движению поезда W0 произведен для скоростей 20 40 60 80100 кмч.
Результаты расчёта представим в виде таблице .
Действительная норма расхода дизельного топлива в кг104 т·км·бр зависит от массы состава скорости движения профиля пути и ряда других факторов.
где - коэффициент оценивающий влияние профиля пути
- коэффициент оценивающий отличие сопротивление поезда для конкретного участка от сопротивления принятого при расчёте основной нормы;
- коэффициент оценивающий модернизацию тепловоза вызывающую снижение расхода топлива;
- температурный коэффициент оценивающий климатические условия;
- относительный расход топлива оценивающий затраты энергии на торможение поезда;
- коэффициент равный отношению времени холостого хода к общему времени движения;
- относительный часовой расход топлива на холостом ходу; - относительный расход топлива тепловозом на стоянках.
Определение полного сопротивления движения поезда
Локомотив серии 3M62 Р = 378т Q= 4400 т
Величина коэффициента Кi зависит от трудности профиля:
где iэ =+2 эквивалентный уклон оценивающий трудность профиля участка для которого определяется норма расхода топлива
а - коэффициент зависящий от категории поезда скорости движения и вида тяги.
Коэффициент «а» определяется для скорости движения расчётного поезда на эквивалентном уклоне vЭ =54 кмчас. Согласно предустановленным значениям коэффициента а = f(vЭ) в данном случае а0456
Значения коэффициента а = f(vЭ)
Значения коэффициента а при Vэ кмx
Скорость движения поезда на эквивалентном уклоне vэ определяется аналогично скорости v0.
Результаты расчёта WЭ на эквивалентном уклоне сведем в таблице
Δnt=35 кг104 т·км·бр
Часовой расход топлива на холостом ходу gx=63 кгч (для тепловоза 3М62)
Относительный часовой расход топлива на холостом ходу:
где vЭ - скорость на эквивалентном уклоне кмч.
Относительный расход топлива на стоянках для приближённых расчётов можно принять Δnс = 15кг104 т·км·бр.
Определим возможный пробег тепловоза между снабжением топливом из выражения:
где 09 - коэффициент учитывающий 10% резервный запас топлива в топливных баках;
Gб = 3500·3 кг ёмкость топливных баков тепловоза 3М62.
На тяговую характеристику тепловоза 3М62 нанесем зависимости
W0=f (v) и Wэ=f (v) в масштабе что и для зависимости FK = f(v)
Точки пересечения зависимостей W0=f (v) и Wэ=f (v) определяют на оси скоростей соответственно значения v0 и vэ которые равны v0 =98 кмч и vэ =66 кмч.
Эти значения v0 и vэ используем в дальнейших расчётах. Часовой расход топлива тепловозом определяем из выражения:
Br = ge·Ne =0238·1470·3 = 104958 кгч
Тогда исходная норма расхода топлива будет составлять:
Используя полученные ранее величины по формуле
n = 2434+1912·1·1·1+216+0085·315+15 = 3017 кг104 т·км·бр
Пробег LТ между наборами топлива тепловоза серии ЗМ62 с составом массой g = 4400 m при ёмкости топливных баков Gб =3500·3 = 10500 кг и эквивалентном уклоне iэ = +2 составит:
Список используемой литературы.
Кузьмич В.Д. Руднев B.C. Просвиров Ю.Е. Локомотивы. Общий курс: Учебник для вузов ж.-д. транспорта - М.: ФГОУ "УМЦ по образованию на ж.д. транспорте" 2011. - 582с.
Тепловозы. Назначение и устройство: Учебник для образовательных учреждений ж.д. транспорта Под редакцией О.Г. Куприенко. - М.: Маршрут 2006 280с.
Хушит Л.И. Общий курс железных дорог. - М.: Маршрут 2005 256с
Большая энциклопедия транспорта: В 8 т. Т.4. Железнодорожный транспорт Гл. ред. Н.С. Конарев. - М.: Большая Российская энциклопедия 2003. - 1039 с.