Расчёт основных технических параметров тепловоза

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

В данном курсовом проекте закреплены теоретические знания, полученные в лекционном курсе "Теория и конструкция локомотивов". На основе тепловоза прототипа разрабатывается проект магистрального грузового тепловоза заданной мощности. В работе выбираются и рассчитываются конструкции охлаждающего устройства и его вентилятора, водомасляный теплообменник, секции радиатора, а также выбирается и рассчитывается система охлаждения тяговых электрических машин. Выполняется геометрическое вписывание в кривую заданного радиуса, производится расчет статического коэффициента использования сцепного веса, строится тяговая характеристика проектного тепловоза.

Объём курсового проекта включает расчетно-пояснительную записку и графическую часть.



1. РАСЧЁТ ОСНОВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЕКТНОГО ТЕПЛОВОЗА

тепловоз водомасляной теплообменник тяговый

Исходные данные:

1) род службы тепловоза - грузовой;

2) расчётная скорость - км/ч;

3) конструкционная скорость - км/ч;

4) минимальный радиус проходимых кривых - R=80 м;

5) весовая норма состава - т;

6) расчётный подъём - 0/00;

7) осевая нагрузка вагона - т.

1. Определение расчетной касательной силы тяги.

где -ускорение свободного падения;

-коэффициент тяги;

-основное удельное сопротивление движению локомотива;

-основное удельное сопротивление движению вагонов;

1.1 Коэффициент сцепления при расчётной скорости:

1.2 Коэффициент тяги:



1.3 Основное удельное сопротивление движению локомотива:

1.4 Основное удельное сопротивление движению вагонов:

Теперь можно рассчитать :

2. Сила тяги тепловоза при трогании с места:

где -основное удельное сопротивление при трогании;

расчетный коэффициент сцепления при трогании;

удельная ускоряющая сила.

2.1 Расчетный коэффициент сцепления при трогании:

можно найти:

2.2 Основное удельное сопротивление при трогании

Теперь можно определить :

3. Номинальная касательная мощность тепловоза:

4. Номинальная мощность тепловоза по дизелю:

где - коэффициент отбора мощности по дизелю.

5. Секционная мощность тепловоза по дизелю:

где число секций локомотива .

Принимаем

6. Сцепной вес секции тепловоза.

6.1 Сцепной вес, требуемый для реализации силы тяги при разгоне:

6.2 Сцепной вес, требуемый для реализации силы тяги при трогании:



Принимаем максимальный сцепной вес

7. Служебная масса секции тепловоза.

7.1 Служебная масса, необходимая для создания требуемого сцепного веса:

7.2 Служебная масса тепловоза как постройки:

где удельная металлоемкость.

Окончательно принимаем

8. Осевая нагрузка тепловоза.

Принимаем осевую формулу .

9. Ориентировочный диаметр колеса.



где - удельная нагрузка на один миллиметр диаметра колеса.

Принимаем =1050 мм

10. Габаритные и базовые размеры секции тепловоза.

10.1 Ориентировочная длина тепловоза по осям автосцепки:

Максимальная длина локомотива ограничена техническими требованиями к ремонтным стойлам депо, минимальная - прочностью путевых сооружений.

где - допускаемая нагрузка на единицу длины пути.

Окончательно принимаем Lл=17720 мм.

10.2 База локомотива:

где числовой коэффициент

10.3 База тележек:

где число осей в тележке

Вывод: по результатам расчета получаем данные тепловоза (в скобках указаны значения параметров тепловоза-прототипа ):

nс=1 ( nс=1);

осевая формула 30-30

Fкр=190 кН (Fкр=200 кН);

Ne=1547,7 кВт (Ne=1470 кВт);

mсл=110,66 т

По полученным данным выбираем прототип тепловоза - М62К.



2. ВЫБОР ТЯГОВО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРЕКТНОГО ТЕПЛОВОЗА

2.1 Выбор тягового электродвигателя

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

2.2 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

2.3 Выбор тягового генератора проектируемого тепловоза

Предварительно задаем серию ТГ такой же, как и на тепловозе-прототипе (ГП-312)

Тип генератора: ГП-312

Серия тепловоза: М62К

Диаметр сердечника статора Dа, мм: 990

Длина сердечника статора Lа, мм: 500

Число главных полюсов 2р: 10

Число коллекторных пластин к: 435

Число заходов якорной обмотки m: 2

1. Линейная токовая нагрузка ТГ.

Для выбранного ТГ необходимо выполнить проверку по допустимой тепловой напряженности рабочей обмотки в продолжительном режиме работы:

, А/м

,3 А/м

- проверка выполняется

2. Номинальная частота вращения ротора ТГ.

a) Минимальная возможная частота вращения ротора ТГ на номинальном режиме

где: - коэффициент полюсного перекрытия;

- обмоточный коэффициент;

- коэффициент формы кривой поля;

Тл - магнитная индукция в воздушном зазоре, при работе генератора с максимальным напряжением;

м - длина якоря ТГ;

продолжительная электромагнитная мощность тягового генератора, кВт,

где:

коэффициент мощности в продолжительном режиме;

кВт

Теперь можем найти:

об/мин,

Максимально допустимые частоты вращения ротора ТГ на номинальном режиме:

, об/мин,

, об/мин

где: м/с - предельно допустимая линейная скорость на поверхности ротора;

Dр- диаметр ротора ТГ (Dp=0,99)

об/мин.

, об/мин

Окончательно номинальную частоту вращения можно выбрать 1254,6 об/мин

2.4 Выбор дизеля

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

Основное уравнение ДВС:

, МПа,



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

2.5 Оценка параметров тягового зубчатого редуктора

1. Параметры работы ТЭД на проектируемом тепловозе.

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.

2.1 Класс тягового привода.

В соответствии с родом службы (грузовое движение) и выбранной серией ТЭД (ЭД-118) принимаем в курсовом проекте тяговый привод I класса.

2.2 Диаметр колеса.

В соответствии с пунктом 1 принимаем мм.

2.3 Тип зубчатой передачи.

По рассчитанным параметрам мм и применяем одностороннюю зубчатую передачу.

3. Выбор параметров тягового зубчатого редуктора.

3.1 Передаточное отношение:

3.2 Модуль зубчатого зацепления:

В соответствии с , и т.к. Dк=1050 выбираем .

3.3 Геометрические параметры большого зубчатого колеса.

1. Диаметр делительной окружности большого зубчатого колеса:

где - расстояние между нижней точкой корпуса редуктора и головкой рельса (клиренс ТЗР);

с мм - расстояние между вершиной зуба большого зубчатого колеса и кожухом редуктора.

2. Число зубьев большого зубчатого колеса:



3.4 Геометрические параметры шестерни

1. Число зубьев шестерни:

Значения следует принимать взаимно простыми, с наибольшим общим делителем равным 1.

.26?20

Окончательно принимаем 20:77.

3.5 Диаметр делительной окружности шестерни:

мм

4 Компоновка ТЭД и ТЗР.

4.1 Централь тягового зубчатого редуктора:

мм

4.2 Предельное значение ширины остова ТЭД:

мм

мм

4.3 Предельное значение высоты остова ТЭД:

где мм - клиренс ТЭД;

мм - превышение оси вала ТЭД над осью колёсной пары.

мм

4.4 Проверка возможности совместной компоновки ТЭД и ТЗР.

Для ЭД-118 можно условно принять:

Все проверки выполняются.



3. РАСЧЁТ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРОЕКТНОГО ТЕПЛОВОЗА

3.1 Выбор схемы охлаждения теплоносителей дизеля и конструкции охлаждающих устройств

Водяная система: 2-х контурная система охлаждения теплоносителей дизеля, ОУ с секциями радиатора ВС-12.

3.2 Тепловой расчёт водовоздушных радиаторов

1. Основные положения и исходные данные.

1.1 Теплоотводы в воду I и II контуров:

где теплоотвод от элементов дизеля в воду, кВт;

теплоотвод от элементов дизеля в масло, кВт;

теплоотвод от надувочного воздуха, кВт.

Для дизелей мощностного ряда Д49 можно использовать эмпирические зависимости:

Тогда имеем:

1.2 Условия работы системы охлаждения:

а) температура воды на входе в ВВР:

- для первого контура: ;

- для второго контура: ;

б) температура воздуха на входе в ВВР:

в) допустимый перепад температур воды:

1.3 Технические характеристики секции ВВР:

Таблица 1. Технические характеристики секции ВС12

№	Параметр	Обозначение	Величина
1	Рабочая длина трубок		1206
2	Шаг оребрения		2,3
3	Живое сечение секции для прохода воды		0,00132
4	Живое сечение секции для прохода воздуха		0,1490
5	Теплопередающая поверхность секции с воздушной стороны		29,5
6	Гидравлический диаметр воздушной стороны секции		0,0038
7	Гидравлический диаметр трубки		0,002098
8	Ширина секции		0,154
9	Глубина секции		0,187
10	Масса секции		42,25

1.4 Теплофизические параметры теплоносителей:

Для расчета теплофизических параметров теплоносителей будем использовать универсальное уравнение:

где значение теплоносителя (например, плотность);

температура теплоносителя;

эмпирические коэффициенты.

I контур

1. Теплофизические параметры теплоносителей.

а) Теплофизические параметры воды при :

;

;

;

.

б) Теплофизические параметры воздуха при температуре 40:

;

;

;

.

2. Расчетная подача водяного насоса в I контуре.

3. Коэффициент теплопередачи секции радиатора I контура.

3.1 Число Рейнольдса для потока воды:

где - массовая скорость воды в трубках радиатора;

- коэффициент динамической вязкости воды.

3.2 Число Рейнольдса для потока воздуха:

где - массовая скорость воздуха в секции радиатора;

коэффициент динамической вязкости воздуха.

3.3 Температурный фактор:

3.4 Критерий Кирпичева:

где - числовые коэффициенты;

, - число Рейнольдса для потока воздуха и воды соответственно;

- температурный фактор.

Значения эмпирических коэффициентов для приведены в таблице:

Таблица 2. Значения эмпирических коэффициентов для секций типа ВС

	A	n		p
1100-2300	0,008729	0,78	0,095	0,08

4. Коэффициент теплопередачи секции радиатора.



где -коэффициент, учитывающий технологические неточности изготовления секций типа ВС;

5. Число секций радиатора в I контуре системы охлаждения.

(11,4=12

Окончательно принимаем секций.

6. Температура теплоносителей на выходе из радиатора:

Вода:

Воздух:

7. Фактическая массовая скорость воды в трубках радиатора.

При параллельном соединении секций



8. Мощность привода водяного насоса.

где - КПД центробежного водяного насоса;

- расчетный напор водяного насоса, Па;

?pв - гидравлическое сопротивление секции радиатора, Па.

Гидравлическое сопротивление секции радиатора можно определить так:

Тогда можно определить расчетный напор водяного насоса:

Далее находим мощность привода водяного насоса:

II контур

1. Теплофизические параметры воды при температуре 75:

;

;

;

;

2. Расчетная подача водяного насоса во II-м контуре.

3. Коэффициент теплопередачи секции радиатора второго контура.

3.1 Число Рейнольдса для потока воды:

3.2 Число Рейнольдса для потока воздуха:

3.3 Температурный фактор:

3.4 Критерий Кирпичева:

Значения эмпирических коэффициентов для приведены в таблице:

Таблица 3. Значения эмпирических коэффициентов для секций типа ВС

	A	n		p
1100-2300	0,008729	0,78	0,095	0,08

4. Коэффициент теплопередачи секции радиатора.

5. Число секций радиатора во втором контуре системы охлаждения.

(15,8=16

Окончательно принимаем секций.

6. Температура теплоносителей на выходе из радиатора:

Вода:

Воздух:

7. Фактическая массовая скорость воды в трубках радиатора.

При последовательно-параллельном соединении секций



8. Мощность привода водяного насоса.

Тогда можно определить расчетный напор водяного насоса:

Далее по находим мощность привода водяного насоса:

3.3. Расчет технических требований вентилятора охлаждающего устройства

1 Исходные данные.

1.1 Серия вентилятора УК-2М.

1.2 Тип привода вентилятора: электрический.

1.3 Предельный диаметр вентилятора по условию прочности лопастей [D]=1,97м.

2Компоновка охлаждающих устройств:

2.1 Длина шахты:



2.2 Число вентиляторов в шахте:

2.3 Число секций обслуживаемых одним вентилятором:

2.4 Длина шахты:

3 Расчетная производительность вентилятора:

3.1 Температура воздуха на входе в вентилятор:

где - коэффициент, учитывающий подсос воздуха в шахту через неплотности.

3.2 Плотность воздуха на входе в вентиляторное колесо:

Далее можно найти расчетную производительность вентилятора:

4 Расчетный напор вентиляторной установки.

4.1 Потеря давления воздуха в боковых жалюзи:

, Па

где - коэффициент аэродинамического сопротивления боковых жалюзи;

...