Аналітичне описання тягово-енергетичних характеристик тепловозу 2ТЭ116

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 629.4.016.1

Аналітичне описання тягово-енергетичних характеристик тепловозу 2ТЭ116

Горобченко О.М., к.т.н., доцент (ДонІЗТ)

Кривошея Ю.В., к.т.н., доцент (ДонІЗТ)

Матвієнко С.А., аспірант (ДонІЗТ)

Основними вихідними даними для вирішення цілого комплексу задач тяги поїздів є тягово-енергетичні характеристики локомотивів потрібної серії. До них належать, перш за все, залежності наступних фізичних величин від швидкості руху v та позиції регулювання n_к потужності локомотиву: сили тяги F_к=f₁(v,n_к), характерного струму локомотиву I=f₂(v,n_к), а для тепловозів - ще й питомих витрат палива в одиницю часу G=f₃(v,n_к).

Отримані дослідним або розрахунковим шляхом, такі характеристики повністю описують поведінку локомотива при реакції на сигнали керування або інші зміни умов руху. Користуючись підходом до моделювання локомотива (чи цілого поїзда) як чорної скриньки, на основі цих характеристик можна отримати всі інші фазові координати поїздки. Крім того, із підвищенням вимог до реалістичності математичної моделі поїзда при розрахунках (а тим більше при порівнянні даних моделювання із результатами натурних поїздок) необхідно враховувати також тягово-енергетичні характеристики локомотивів при роботі на проміжних (часткових) позиціях n_к регулювання силової установки (передачі).

В результаті аналізу попередніх досліджень встановлено, що для найпоширенішого вітчизняного тепловозу 2ТЭ116 як в нормативних джерелах [1,2], так і в навчальній літературі [6-8] відсутні відомості про тягово-енергетичні характеристики при часткових позиціях регулювання потужності контролером машиніста. Наявних номінальних характеристик, наведених для 15-ї позиції контролера, явно недостатньо для виконання вимоги адекватності математичної моделі тяги.

Виходячи з цього, метою статті є визначення розрахункових залежностей основних тягово-енергетичних характеристик (тягової та витратної) для часткових (з 0 до 14-ї) позицій регулювання потужності тепловоза 2ТЭ116, а також апроксимація та аналітичне описання отриманих залежностей для зручності комп'ютерних розрахунків.

Вихідними даними для розрахунків є зовнішні характеристики дизель-генераторної установки, приведені до виходу випрямної установки [3], та електромеханічні характеристики електродвигуна ЭД-118 [4].

Оскільки характеристики дизель-генераторної установки у [3] наведені для непарних позицій контролера машиніста, положення характеристик для парних позицій обчислювалося як середнє між сусідніми кривими; для кожної кривої перевірявся рівень потужності на ній за допустимим інтервалом потужності з нормативів реостатних випробувань тепловозу 2ТЭ116. Отримані таким чином криві для кожної позиції контролера машиніста наведені на рисунку 1.

Рисунок 1 - Залежність напруги на виході випрямної установки від струму навантаження тепловозу 2ТЭ116

Методика розрахунку тягових характеристик розглядуваного тепловозу спирається на класичні положення [6-8], згідно із якими сила тяги одного колесо-моторного блоку становить, в Н

, (1)

де М_д - обертальний момент на валу тягового електродвигуна (ТЕД), Н·м;

D_к - діаметр рушійної колісної пари, м, для розглядуваного тепловозу D_к=1,050 м [5];

і - передаточне відношення тягового редуктора, для розглядуваного тепловозу і=4,412 [5];

з_зп - коефіцієнт корисної дії (ККД) тягового редуктора (визначається в залежності від відношення реалізованої потужності до номінальної, наприклад, за рисунком 2).

Рисунок 2 - Залежність ККД тягового редуктора від реалізованої потужності ТЕД

Швидкість, реалізована одним колесо-моторним блоком, дорівнює, в км/год

, (2)

де п_д - частота обертання валу ТЕД, об/с;

U_д та U_н - відповідно фактичне та номінальне значення напруги на затискачах ТЕД.

Для виконання комп'ютерних розрахунків за вказаними формулами криві зовнішніх характеристик дизель-генератора були затабульовані, крок за струмом від 10А до 100А підбирався з умови максимального збереження форми кривих. Для кожного значення струму з електромеханічних характеристик [4] визначалися значення моменту М_д та частоти обертання п_д, а також номінальної напруги U_н, при якій знімалася характеристика (розрахунки виконувалися в пакеті програм Mathcad із використанням функції лінійної інтерполяції). Для цього ж струму з зовнішньої характеристики дизель-генератора визначалося дійсне значення напруги U_д, яке відповідає даній позиції. За цими значеннями за формулою (2) розраховувалася швидкість руху. Сила тяги, яка відповідає цій швидкості, розраховувалася за формулою (1). Значення ККД приймалося постійним на рівні його значення для середньої потужності з метою недопущення значного падіння розрахованої сили тяги в зонах малих швидкостей (менше 5 км/год).

Обчислення виконувалися за всіма затабульованими значеннями струму зовнішньої характеристики для кожної позиції та для трьох режимів ослаблення поля збудження ТЕД (відповідно до характеристик ТЕД [4]). Оскільки в експлуатації особливості настроювання реле переходів індивідуальні для кожного тепловозу, то розрахункові швидкості переходів між ступенями ослаблення збудження приймалися у точках перетину відповідних характеристик для певної позиції контролера.

Отримані таким чином масиви значень тягових характеристик для кожної позиції контролера апроксимувалися лінійною комбінацією гіперболічної та показникової функцій виду

, (3)

де F_к - значення сили тяги;

v - швидкість (аргумент функції);

р₁, р₂, р₃ - параметри функцій;

а₁, а₂, а₃ - коефіцієнти.

При фіксованих значеннях параметрів р₁, р₂ та р₃ для кожної позиції коефіцієнти а₁, а₂ та а₃ визначалися з умови мінімального відхилення отриманої кривої (3) від точок розрахованих даних. Для кожної позицій вище 3-ої апроксимація виконувалася двома кривими для кращого наближення в зоні малих швидкостей. Коефіцієнти функцій виду (3) визначалися вбудованою функцією linfit пакету Mathcad.

В результаті розрахунків були отримані апроксимаційні формули для описання тягових характеристик однієї секції тепловозу 2ТЭ116 (таблиця 1), графіки яких наведені на рисунку 3.

Таблиця 1 - Апроксимуючі залежності сили тяги від швидкості для тепловозу 2ТЭ116 (одна секція)

Рисунок 3 - Тягові характеристики тепловозу 2ТЭ116 (одна секція)

Точність обчислень перевірялася співставленням тягової характеристики для 15-ої позиції за ПТР [1] та за розрахунковими формулами з табл.1: зокрема, нормативне значення розрахункової сили тяги однієї секції при 24,2 км/год складає 50600/2 кгс=25300 кгс=248193 Н, що лише на 0,7% перевищує її значення за розрахунковими формулами (246551 Н), отже можна вважати, що отримані формули з достатньою точністю описують реальні тягові характеристики тепловозу.

Іншою важливою тягово-енергетичною характеристикою тепловозу є залежність витрат палива дизелем при роботі на різних режимах, зокрема при часткових позиціях контролера машиніста. Таку характеристику можна отримати за значеннями годинних витрат палива в залежності від частоти обертання колінчастого валу за результатами випробувань [3], визначивши в якості аргументу функції позицію контролера в залежності від частоти колінчастого валу. Тоді можна запропонувати наступну формулу для визначення витрат палива, кг/хв, в залежності від позиції контролера п_к:

. (4)

Похибка розрахунку за формулою (4) для номінального режиму (п_к=15) складає 0,9%. Графічне зображення залежності витрати палива від позиції контролера наведено на рисунку 4.

Рисунок 4 - Залежність витрат палива дизелем тепловозу 2ТЭ116 від позиції контролера машиніста

При вивченні процесів руху поїзда окрім режиму тяги, який для тепловозу повністю описується наведеними тягово-енергетичними характеристиками, виникає необхідність моделювання також режимів гальмування, зокрема пневматичного.

Найбільш повно описати процес гальмування можна, визначивши для даної швидкості та ступеня гальмування питому гальмову силу поїзда, в Н/кН, за формулою

, (5)

де ц_кр - розрахунковий коефіцієнт тертя гальмової колодки о колесо (в залежності від типу колодок);

- розрахунковий гальмовий коефіцієнт складу, кН/кН;

k_г - коефіцієнт повноти гальмування (частка від повного значення ), який враховує зміну гальмової сили в залежності від глибини розрядки гальмової магістралі (ступеня гальмування).

Якщо для даного поїзда задані характеристики його гальмової системи, то за методикою ПТР [1] можна визначити постійний для цього поїзда розрахунковий гальмовий коефіцієнт та функцію залежності коефіцієнту тертя ц_кр від швидкості руху. Тоді керуюча дія буде задаватися коефіцієнтом k_г в залежності від величини тиску в гальмовій магістралі (ГМ). Значення k_г для трьох ступенів службового гальмування на двох режимах роботи повітророзподільників (порожньому; вантажному та середньому) задані в [1]. Приймаючі середні значення зниження тиску в ГМ для різних ступенів гальмування за [2], були визначені такі залежності коефіцієнта повноти гальмування k_г від величини розрядки ГМ:

- для середнього та вантажного режимів

(6)

- для порожнього режиму

(7)

де Др - величина зниження тиску в ГМ від зарядного, кгс/см² (0,1 МПа).

Для виключення хибного спрацювання гальм через незначні зниження тиску у модельних розрахунках для коефіцієнта k_г введено зону нечуттєвості перед початком гальмування 0,2 кгс/см² (0,02 МПа). Графічні залежності коефіцієнта k_г від величини Др, які розраховані за формулами (6,7), наведені на рисунку 5.

Рисунок 5 - Залежність коефіцієнта повноти гальмування від величини зниження тиску в гальмовій магістралі

Отже, можна зробити наступні висновки:

1. Виконано розрахунок тягових характеристик для всіх позицій контролера машиніста тепловоза 2ТЭ116; розрахункові дані добре збігаються із наявними нормативними характеристиками.

2. Визначені формули для аналітичного описання основних тягово-енергетичних характеристик тепловоза 2ТЭ116 (тягової та витратної характеристик) в залежності від швидкості та позиції контролера машиніста.

3. Запропоновано визначення гальмової сили із врахуванням коефіцієнту повноти гальмування в залежності від глибини розрядки гальмової магістралі на різних режимах.

4. Використання аналітичних залежностей для вказаних характеристик має переваги перед їх отриманням за допомогою інтерполяції з відповідних таблиць як з огляду на простоту формування алгоритму числових розрахунків, так і з точки зору швидкості його виконання.

5. Отримані аналітичні залежності тягово-енергетичних та гальмових характеристик можуть бути застосовані в будь-яких задачах моделювання процесів руху поїзда (наприклад, при виконанні тягових розрахунків для порівняння із результатами дослідних поїздок, при створенні тренажерів тощо). Врахування характеристик для часткових позицій підвищує реалістичність та адекватність моделі.

тяговий енергетичний тепловоз

Список літератури

1. Правила тяговых расчетов для поездной работы. - М.: Транспорт, 1985. - 287 с.

2. Астахов П.Н., Гребенюк П.Т., Скворцова А.И. Справочник по тяговым расчетам. - М.: Транспорт, 1973. - 256 с.

3. Сравнительные тягово-энергетические испытания тепловозов 2ТЭ116 и 2ТЭ10Л: Технический отчет по научно-исследовательской работе/Всесоюзн. науч.-иссл. тепловозн. ин-т, Ворошиловгр. тепловозостр. з-д им. Октярьск. рев. - №И-03-74; Госуд. регистр. №71018248; Инв. №6344781. - Ворошиловград, 1974.

4. Электрооборудование тепловозов. Справочник/ Под ред. В.С. Марченко. - М.: Транспорт, 1981. - 287 с.

5. Филонов С.П., Гибалов А.И., Быковский В.Е. Тепловоз 2ТЭ116. - М.: Транспорт,1985. -328 с.

6. Деев В.В., Ильин Г.А., Афонин Г.С. Тяга поездов: Учебное пособие для вузов. - М.: Транспорт, 1987. - 264 с.

7. Осипов С.И., Миронов К.А., Ревич В.И. Основы локомотивной тяги: Учебник для техникумов ж.-д. трансп. - М.: Транспорт, 1979. - 440 с.

8. Кузьмич В.Д., Руднев В.С., Френкель С.Я. Теория локомотивной тяги: Учебник для вузов ж.-д. транспорта. - М.: Маршрут, 2005. - 448 с.

Размещено на Allbest.ru