Выбор тягового электродвигателя будем производить из числа серийных двигателей по известным размерам сердечника якоря (прототип ЭД-127):

Тип двигателя: ЭД-118

Серия тепловоза: М62К

Класс изоляции якорной обмотки: F

Диаметр сердечника якоря, мм: 493

Длина сердечника якоря, мм: 420

Число главных полюсов: 4

Число коллекторных пластин: 216

Развиваемая мощность, кВт: 305

Толщина миканита между коллекторными пластинами, мм: 1.2

1. Электрическая мощность ТЭД:

- касательная мощность секции тепловоза;

- число движущих осей секции тепловоза;

5 - КПД тягового зубчатого редуктора;

- КПД ТЭД в продолжительном режиме.

2. Линейная скорость на поверхности якоря ТЭД при движении с конструкционной скоростью:

Принимаем по условиям механической прочности ТЭД.

3. Линейная скорость на поверхности якоря ТЭД при движении с расчётной скоростью:

где диапазон рабочих скоростей тепловоза.

4. Линейная токовая нагрузка ТЭД в продолжительном режиме (с изоляцией якорной обмотки класса "F"):

, А/м

А/м

- проверка выполняется

5. Требуемый коэффициент регулирования напряжения ТЭД.

где - минимальная степень ослабления возбуждения ТЭД.

диапазон рабочих скоростей тепловоза

Принимаем , тогда:

- проверка выполняется.

6. Магнитная индукция в воздушном зазоре ТЭД в продолжительном режиме.

где - коэффициент, зависящий от конструкции ТЭД;

- коэффициент полюсного перекрытия ТЭД (для некомпенсированных ТЭД).

Проверка по условию насыщения магнитной системы ТЭД:

- проверка выполняется.

7. Среднее напряжение между коллекторными пластинами ТЭД при движении с конструкционной скоростью.

9,3 В

Проверка: для некомпенсированных тяговых двигателей значения [еср], [еmax] можно увеличить на 2-3 В.

Следовательно по условию нормальной коммутации (для некомпенсированных двигателей при толщине миканита 1,2 мм):

проверка выполняется

8. Максимальное напряжение между коллекторными пластинами ТЭД при движении с конструкционной скоростью.

где 2р=4 - число главных полюсов ТЭД;

- эффективный воздушный зазор под главным полюсом;

- коэффициент воздушного зазора.

30,86 В

Проверка: для некомпенсированных тяговых двигателей значения [еср], [еmax] можно увеличить на 2-3 В.

Следовательно по условию нормальной коммутации (для некомпенсированных двигателей при толщине миканита 1,2 мм):

.

9. Реактивная ЭДС в якорной обмотке ТЭД при движении с конструкционной скоростью.

где - коэффициент рассеяния якорной обмотки.

6,52В

Проверка по условию нормальной коммутации:

.

По итогам расчёта выбираем тяговый электродвигатель ЭД-118 (некомпенсированный) со следующими параметрами:

м

2р=4

а также параметры работы ТЭД на проектируемом тепловозе:

А/м

3. Режим работы тяговых электрических машин на проектируемом тепловозе

1. Частота вращения якоря ТЭД в режиме конструкционной скорости.

об/мин

2. Частота вращения якоря ТЭД в продолжительном режиме.

об/мин

3. Сила тока ТЭД в продолжительном режиме.

где - число проводников якорной простой петлевой обмотки ТЭД (для тепловозов);

К=216 - число коллекторных пластин;

Тогда .

628,5 А

4. Напряжение ТЭД в продолжительном режиме.

В

5. Магнитный поток возбуждения в продолжительном режиме.

где - электрическая постоянная ТЭД;

а=р - число параллельных ветвей якорной обмотки ТЭД (для тепловозных ТЭД с простой петлевой обмоткой);

Тогда

Вб

6. Максимальное напряжение ТЭД.

В

7. Допустимое напряжение ТЭД.

В

Проверка по напряжению:

.

8. Минимальная сила тока ТЭД:

9. Максимальная сила тока ТЭД.

А

10. Допустимая сила тока ТЭД.

где А - допустимая сила тока в параллельной ветви якорной обмотки ТЭД с классом изоляции "F";

2а=4 - число параллельных ветвей якорной обмотки.

А

Проверка по силе тока:

11. Минимальное напряжение питания ТЭД

12. Электрическая мощность генератора постоянного тока.

где

кВт

13. Напряжение и ток продолжительного режима работы тягового генератора.

где - зависит от схемы подключения двигателей к тяговому генератору.

А

В

Режим работы представлен на рисунке 1

4. Выбор тягового генератора проектируемого тепловоза

Тип генератора: ГП-312

В качестве энергетической установки будем использовать дизель из мощностного ряда Д49.

Основное уравнение ДВС:

, МПа, где

МПа

При Ne=1500: 0,95 МПа - условие выполняется.

Окончательно выбираем следующие параметры ДГУ:

Дизель Д49: z=12; МПа; об/мин.

ГП - 312: В; кВт.

Выбор числа цилиндров представлен на рисунке 2

6. Оценка параметров тягового зубчатого редуктора

1.1 Частота вращения якоря ТЭД при движении тепловоза с конструкционной скоростью.

Из пункта 2.2 имеем

1.2 Частота вращения якоря ТЭД в продолжительном режиме.

Из пункта 2.2 имеем

1.3 Вращающий момент на валу двигателя в продолжительном режиме:

2. Выбор конструкции тягового привода проектируемого тепловоза.

Выбор схемы охлаждения теплоносителей дизеля и конструкции охлаждающих устройств

1.1 Температура воды на входе в ВМТ ( - задаем по результатам расчета II контура системы охлаждения):

1.2 Температура масла на входе в ВМТ:

1.3 Допустимый перепад температуры масла во внутренней масляной системе дизеля:

1.4 Расчетная производительность водяного насоса: .

1.5 Теплоотвод от масла в воду ВМТ: .

2) Условия работы ВМТ.

2.1 Расчетная подача масляного насоса:

где , теплоемкость и плотность масла при соответственно (определяется по универсальному уравнению).

;

.

Теперь можно определить:

2.2 Температуры воды и масла в ВМТ:

1. температура масла на выходе из ВМТ:

2. температура воды на выходе из ВМТ:

где , теплоемкость и плотность воды при соответственно (определяется по универсальному уравнению).

;

Тогда имеем:

2.3 Средние температуры теплоносителей в пределах ВМТ:

Масло

Вода

3) Геометрические характеристики трубок ВМТ.

Дизель в курсовом проекте типа Д49, поэтому для расчёта ВМТ выбираем оребрённые трубки:

диаметр трубки по вершинам ребер;

наружный диаметр трубки;

внутренний диаметр трубки;

шаг оребрения;

толщина основания ребра;

толщина вершины ребра;

шаг разбивки трубок по фронту течения масла.

Теперь рассчитаем остальные параметры трубок ВМТ.

Высота ребра:

Средняя толщина ребра:

Боковая площадь одного витка ребра:

Торцевая площадь одного витка винтового ребра:

Площадь межреберного промежутка, приходящаяся на шаг оребрения:

Полная площадь внешней поверхности трубки, приходящаяся на шаг оребрения:

,

Площадь внутренней поверхности трубки, приходящаяся на шаг оребрения:

,

Коэффициент оребрения трубки:

4) Расчет коэффициента теплопередачи ВМТ.

1. Теплофизические параметры для масла, при температуре (определяем по универсальному уравнению):

;

;

;

.

2. Теплофизические параметры для воды, при температуре :

;

;

;

.

3. Число Рейнольдса для потока воды:

где скорость воды в трубках.

4. Число Прандтля для потока воды:

5. Число Нуссельта для потока воды:

6. Коэффициент теплоотдачи от стенки трубки к воде:

,

7. Число Рейнольдса для потока масла:

где условный диаметр трубки с оребренной стороны;

скорость масла между водяными трубками.

Условный диаметр трубки с оребренной стороны можно найти так:

8. Число Прандтля для потока масла:

Температура стенки трубки:

10. Теплофизические параметры для масла, при температуре =

;

;

;

.

11. Число Прандтля для потока масла при температуре стенки трубки =

12. Число Нуссельта для потока масла:

где параметр шаговых отношений, учитывающий расположение трубок в трубном пучке;

параметр оребрения.

,

Теперь можно найти:

13. Конвективный коэффициент теплоотдачи от масла к стенке трубки:

14. Расчетная температура стенки водяной трубки:

15. Приведенный коэффициент теплоотдачи от масла к стенке оребрённой трубки.

число Био для ребра:

где коэффициент теплопроводности для материала ребра.

параметр ребра:

коэффициент эффективности винтового ребра:

коэффициент расширения ребра к основанию:

поправочный коэффициент, учитывающий неравномерность теплоотдачи по поверхности ребра:

,

приведенный коэффициент теплоотдачи от масла к стенке оребрённой трубки:

16. Коэффициент теплопередачи ВМТ:

5) Расчет технических параметров ВМТ.

1. Теплопередающая поверхность ВМТ со стороны масла:

- расчетный температурный напор между теплоносителями,

Тогда можно определить:

2. Живое сечение водяных трубок для прохода воды:

3. Требуемое число водяных трубок для пропуска воды с заданной скоростью:

где число ходов воды в ВМТ.

4. Диаметр трубного пучка:

где коэффициент заполнения трубной решётки.

5. Ориентировочная длина трубного пучка:

Принимаем 2 теплообменника длиной 2.73/2=1.37 м.

6. Живое сечение между трубками, требуемое для пропуска масла с заданной скоростью:

7. Площадь окна перегородки (сегмента), требуемое для пропуска масла над перегородкой с заданной скоростью:

8. Геометрическая площадь сегмента перегородки:

где - центральный угол сегмента (подбирается так, чтобы ).

Принимаем угол

9. Высота сегмента перегородки:

10. Ширина условного среднего сечения для прохода масла между перегородками:

11. Расстояние между перегородками, требуемое для пропуска масла в межтрубном пространстве с заданной скоростью:

12. Число ходов масла в ВМТ:

13. Расчётная длина трубного пучка:

где - толщина перегородки.

14. Расчётный объём трубного пучка:

6) Порядок расчёта показателей работы теплообменника.

1. Мощность масляного насоса, необходимая для прокачки масла через ВМТ:

число рядов трубок ВМТ, перпендикулярных потоку масла:

коэффициент гидравлического сопротивления ряда трубок проходу масла:

где - эмпирический коэффициент;

гидравлический диаметр для прохода масла между оребрёнными трубками.

где относительный диаметр трубного пучка.

,

Тогда можно найти:

гидравлическое сопротивление ВМТ проходу масла:

мощность масляного насоса, требуемая для прокачки масла через ВМТ:

где з_мн=0,65 - к. п. д. масляного насоса

2. Мощность водяного насоса, необходимая для прокачки воды через ВМТ:

коэффициент гидравлического сопротивления ВМТ проходу воды (по формуле Дарси-Вейсбаха):

где л_т - коэффициент потерь напора на трение, возникающее при течении воды в трубках (коэффициент Дарси);

о_мс ?3,4 - коэффициент потерь напора на местном сопротивлении, вызванном изменением направления движения воды в трубках ВМТ.

Значение коэффициента Дарси можно определить так:

Тогда можем найти:

гидравлическое сопротивление ВМТ проходу воды:

мощность водяного насоса, необходимая для прокачки воды через ВМТ:

где з_вн=0,75 - КПД водяного насоса.

3. Показатель энергетической эффективности ВМТ.

4. Коэффициент использования объема ВМТ.

Эскиз водомасляного теплообменника представлен на рисунке 5

10. Оценка основных параметров системы охлаждения тяговых электрических машин

Силы действующие в ТП при реализации силы тяги

1) Осевая сила тяги при трогании локомотива:

2) Момент на КП:

3) Момент на валу ТЭД:

4) Реактивный момент на статоре ТЭД:

5) Сила в зубчатом зацеплении, действующая на большое зубчатое колесо (сила в зубчатом зацеплении, действующая на шестерню):

6) Момент от сил в зубчатом зацеплении:

7) Результирующий момент:

,

8) Изменение не обрессоренной нагрузки:

-база подвешивания ТЭД принял =865 мм

Расчёт статического коэффициента использования сцепного веса тепловоза

,

,

1) Момент на раме кузова от сил тяги в автосцепке:

где

2) От сил, действующих в подвесках ТЭД:

кН•м

3) Результирующий момент:

М = 889,5 - 170,94=718,56

4) Изменение обрессоренных нагрузок на оси КП от момента на раме тележки:

При индивидуальном рессорном подвешивании и наклоне надрессорного строения на угол ц прогиб пружин и следовательно дополнительные нагрузки на колесные пары будут примерно пропорциональны расстояниям от колесной пары до центра поворота кузова.

2) Фактическая нагрузка на оси КП:

Проверка:

3) Статический коэффициент использования веса локомотива:

=0,97 - 0,98 - коэффициент, учитывающий наличие статического прогиба в опорах кузова

Cхема экипажной части представлена на рисунке 9.

Геометрическое вписывание тепловоза в кривую заданного радиуса

1. Построение параболической диаграммы:

Суммарный рельсовый зазор при радиусе кривых менее 300 м:

,

При построении диаграммы изображают внутренние грани головок рельсов, а расстояние между ними принимают равным рельсовому зазору.

Масштабы:

по оси х: ;

по оси у: ;

R радиус заданной кривой, принимаем из исходных данных 80000 мм

Построения будем вести по зависимостям:

, мм

, мм

Расчет параболической диаграммы сведем в таблицу:

Таблица 6. Расчет параболической диаграммы

2. Вписывание локомотива.

Экипаж локомотива изображается с уменьшением линейных размеров в масштабе . На диаграмме тележка изображается одной прямой линией - эта линия представляет собой горизонтальный след совмещения плоскостей наружных граней гребней колес. Тележки изображаются в положении наибольшего перекоса. КП показываются точками на прямой линии, изображающей тележку.

Схема вписывания тепловоза в кривую показана на рисунке 10.

По построению видно, что проектируемый тепловоз не вписывается в кривую заданного радиуса. Для вписывания в кривую можно увеличить боковой разбег средних колесных пар (5 и 2 на диаграмме) на 10 мм на сторону.

13. Технические характеристики спроектированного тепловоза

Расчёт и анализ удельных параметров тепловоза

Таблица 7. Удельные параметры тепловозов

для проектного тепловоза:

з_т= (3600/Q^р_н*g_ен) *

з_т= (3600/42500*0.21) *=0.326

для серийного тепловоза:

з_т= (3600/Q^р_н*g_ен) *

з_т= (3600/42500*0.21) *=0.305

Проанализировав удельные параметры делаем вывод, что проектный тепловоз превосходит базовый по мощности, коэффициенту силы тяги и т.д. (см таблицу 7), но это не дает эффекта, так как статический коэффициент использования сцепного веса у проектного тепловоза ниже (0.839 против 0.86 у серийного тепловоза). Таким образом, не целесообразно увеличивать мощность тепловоза, который не сможет реализовать эту ее на колесной паре. Следует применить какую-либо систему для повышения коэффициента статического использования сцепного веса, например догрузить лимитирующую колесную пару (кп №3, см. стр.62). Для этого можно применить пневматический догружатель по типу 2ТЭ70. За счет его применения можно увеличить в_сц до 0.92.

Расчёт и анализ тяговой характеристики тепловоза

1. Ограничение силы тяги по сцеплению:

Расчет силы тяги на этом участке будем проводить по формуле:

За счет конструкторских решений коэффициент сцепления проектного и серийного тепловозов будут отличатся.

Для серийного тепловоза:

Для проектного тепловоза:

где коэффициент, учитывающий изменение статического коэффициента использования сцепного веса проектного тепловоза;

коэффициент, учитывающий запланированное изменение динамического коэффициента использования сцепного веса проектного тепловоза.

Проведенные расчеты целесообразно представить в виде таблицы.

Таблица 8. Ограничение силы тяги по сцеплению

Расчет силы тяги на этом участке будем проводить по формуле:

Проведенные расчеты целесообразно представить в виде таблицы.

Таблица 9. Ограничение силы тяги по мощности

Тяговые характеристики проектного и базового тепловоза показаны на рисунке 11.

Заключение