Как найти мощность тепловоза

1.1 Касательная полезная мощность

Касательная полезная мощность тепловоза,
реализуемая на ободе колёс при условии
установившегося движения, определяется
по формуле:

N_k=N_e*β*η_n
(1.1)

N_k=1400*0,95*0,857=1140
кВт

где N_e
– эффективная мощность дизеля,
кВт;

β = 0,95–коэффициент, учитывающий
затрату мощности на обслуживание
локомотива;

η_n – КПД
полезного действия передачи.

По данной касательной полезной мощности
выбирается тип тепловоза.

Для тепловоза с электрической передачей
постоянного или постоянно-переменного
тока:

η_n=η_r*
η_g*
η_зп* η_ву
(1.2)

η_n
=0,94*0,94*0,98*0,99=0,857

где η_r
= 0,93 ÷ 0,95– КПД главного генератора;

η_g
= 0,91 ÷ 0,94– КПД тяговых электродвигателей;

η_зп = 0,98–
КПД зубчатой передачи;

η_ву = 0,99–
КПД выпрямительной установки (если
есть).

1.2 Сцепная масса тепловоза

Сцепная масса тепловоза характеризует
его способность развивать необходимую
силу тяги без проскальзывания колёс по
рельсам:

(1.3)

=220*6/9,81=134,56
кг

где 2П – нагрузка от оси на рельсы,
кН;

z – число сцепных
осей тепловоза;

g = 9,81 м/с²
– ускорение силы тяжести.

Число сцепных осей определяется исходя
из касательной мощности тепловоза N_k
и номинальной мощности тягового
электродвигателя Р_ТЭД:

.
(1.4)

Принимаем z=6.

1.3 Расчёт и построение тяговой характеристики тепловоза

Сила тяги тепловоза при трогании с места
и до пороговой скорости определяется
по формуле:

F_ксц=10*_k*M_сц
, (1.5)

F_ксц=10*0,33*134,56=444,037

где _k
– коэффициент сцепления колёс с рельсами.

Для тепловозов коэффициент сцепления
колёс с рельсами:

, (1.6)

где V – скорость
движения тепловоза, км/ч.

Для определения значений _k
и затем F_ксц
необходимо задаться значениями скоростей
от 0 до 30 км/ч, с интервалом 5 км/ч.

Результаты расчётов сводятся в таблицу
1.

Таблица 1

Результаты расчета силы тяги ограниченной
по условиям сцепления колес с рельсами
в функции от скорости

Сила тяги тепловоза при использовании
полной мощности дизеля определяется
по формуле:

,
(1.7)

где N_к –
касательная мощность тепловоза, кВт;

V – скорость тепловоза,
км/ч.

Задавшись значениями от 10 км/ч до
конструкционной, интервалом через 10
км/ч, вычисляем значения F_к.
Результаты расчётов вносим в таблицу
2.

Таблица 2

Результаты расчета силы тяги в функции
от скорости

Определяем скорость порога V_n,
т. е. скорость, при которой тепловоз
выходит на полное использование мощности
и силу тяги при этой скорости.

Скорость порога определяется из
равенства:

F_ксц=F_к

откуда

.
(1.8)

После преобразований получается
квадратное уравнение для определения
V_n:

(1.9)

;

откуда находится величина V_n
,км/ч (пороговая скорость)и по
формуле 1.6 определяется F_кп,
кН (сила тяги при пороговой скорости).

Тяговая характеристика, построенная
по данным табл. 1 и 2, будет иметь вид
графика показанного на рис.1.

Выбор диаметра колеса определяется
величиной допустимых контактных
напряжений. Практически требуемый
диаметр колеса подсчитываем по следующей
эмпирической формуле:

, (1.10)

где D_к –
диаметр колеса, м;

2П – нагрузка на ось, кН;

Р – допустимая удельная нагрузка
в расчёте на 1 м диаметра колеса, которая
принимается в пределах: для грузовых
тепловозов – 160 ÷ 200
кН/м, для пассажирских тепловозов
– 120 ÷ 160 кН/м

Меньшие значения Р берутся для
нагрузок 2П=210 кН, большие для 2П>210 кН.

Диаметр колеса округляется до ближайшего
стандартного размера. Для тепловозов
по стандарту диаметры колес могут быть
950, 1050, 1220, 1320 мм при толщине бандажа 75
мм, а также 980, 1080, 1250, 1350 мм при толщине
бандажа 90 мм. Бандажи толщиной 75 мм
устанавливают на колесные пары локомотивов
осевой нагрузкой до 210 кН; при больших
нагрузках используют бандажи толщиной
90 мм.

Принимаем D_k=1350мм

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

В условии задачи дано, что тепловоз за время t = 1 час = 3600 с проходит путь S = 58 км = 58000 м, развивая силу тяги F = 155 кН = 155000 Н. Чтобы определить мощность двигателя тепловоза N, воспользуемся определением понятия мощности, как работы, совершенной за единицу времени N = А/t. Работу определяют по формуле А = F ∙ S, тогда:

N = F ∙ S/t.

Подставим значения величин в расчётную формулу и найдём мощность:

N = (155000 Н ∙ 58000 м)/3600 с; N ≈ 2500000 Вт = 2,5 МВт.

Ответ: мощность двигателя тепловоза равна 2,5 МВт.

Практическое занятие №2 по ЛЭУ

Расчет мощности дизеля тепловоза для заданной массы
состава

Методика расчета:

Необходимое условие: на
заданном расчетном подъеме тепловоз должен обеспечивать движение заданной массы
поезда с равномерной расчетной скоростью.

1. 
Определяется основное удельное
сопротивление движения поезда на прямом горизонтальном пути.

1.1. 
Тепловоз в режиме тяги:

Для
звеньевого пути

, н/кН

         
Для бесстыкового пути

, н/кН

1.2. 
Вагоны четырех и шестиосные,
груженые на подшипниках качения:

, н/кН

         
где q_о –
средняя нагрузка от оси вагона на рельс, q_о = 20тс.

Для восьмиосных вагонов:

,
н/кН

Для пассажирских вагонов:

, н/кН

2. 
Расчет коэффициента сцепления
колеса с рельсом.

3. 
Расчетная сила тяги тепловоза при
полном использовании сцепной массы.

, кН    (3.1)

    
где   Q – масса состава, т

            
 — основное удельное сопротивление
вагонов, н/кН;

            
 — основное удельное сопротивление
локомотива, н/кН;

            
 — расчетный подъем, ‰.

           
 — сцепной вес локомотива, =21-25 т/ось.

Максимальная сила тяги по сцеплению:

, кН      (3.2)

На расчетном подъеме принимают:  

Дополнительное
сопротивление от подъема численно равно самому подъему:  .

4. 
После преобразования формул (3.1)
и (3.2) определяют расчетную силу тяги:

, кН

 — округляется
кратным 50.

5. 
Зная  и   определяют  касательную
мощность тепловоза:

, кВт

6. 
Эффективная суммарная мощность по
дизелю:

, кВт

где   — коэффициент
отбора мощности на вспомогательные нужды тепловоза, ≈
0,9;

 — к.п.д. передачи (зависит от типа
передачи), ≈ 0,8 ─ 0,85;

  —
коэффициенты, учитывающие внешние атмосферные условия.

                                              
Таблица К_t

                                                                                             
Таблица К_р

7. 
После определения  необходимо выбрать количество секций
тепловоза, т.е. найти единичную мощность дизеля:

где  — количество
секций тепловоза, кВт

8. 
После определения секционной
мощности необходимо подобрать дизель из существующего мощностного ряда.

                                                                                         
        Задание

Расчеты:

Студент               ____________

Преподаватель   ____________

«___» ___________ 20__г

§ 8. Мощность тепловозного дизеля

Из школьного курса физики известно, что механической мощностью N. например, машины называют физическую величину, равную отношению механической работы А_м к промежутку времени t, в течение которого она совершена, т.е. N = А_м/t. Мощность обычно измеряют в ваттах (Вт). Как уже отмечалось ранее (см. § 2), эта единица измерения была названа в честь создателя первой в мире работоспособной паровой машины английского инженера Джеймса Уатта. В природе такая физическая величина как мощность отсутствует. Ее придумали люди, например, для сравнений и оценки возможностей животных или машин, выполняющих какую-либо работу.

Механической работой А_м в физике называют величину, равную произведению модуля вектора силы F и длины перемещения (пути) S, умноженному на косинус угла  между этими направлениями. Сразу же оговоримся, что применительно к рабочим процессам, протекающим в цилиндрах дизелей, направления действия силы газов на поршень и его перемещения совпадают, соответственно, величина , а  такого угла, как известно, равняется 1. Следовательно, механическую работу А_м можно определить из выражения А_м = F∙S, а механическую мощность — по формуле N = F∙S/t. Итак, для определения мощности тепловозного дизеля нужно, как минимум, установить величины F, S и t. Перейдем к реальным рабочим процессам, протекающим в тепловозных дизелях.

При политропном расширении газов, например, во время третьего такта в четырехтактном дизеле, под их давлением Р поршень (рис. 17) перемещается от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ). Давление газов Р не является векторной величиной, т.е. силой, так как равномерно действует на всю поверхность днища поршня площадью . Для определения силы давления газов F в одном цилиндре дизеля достаточно перемножить величины Р и . Механическая работа А_м, совершаемая в одном цилиндре диаметром D за один ход поршня, определяется как произведение силы давления газов на пройденный поршнем путь, т.е. расстояние между мертвыми точками S (ход поршня).

Рис. 17. Схема цилиндра дизеля:

S – ход поршня; n_e – частота вращения вала; P – давление газов

Как уже отмечалось, механической мощностью N называют скорость совершения механической работы А_м. Применительно к тепловозному дизелю эта скорость, в первую очередь, зависит от числа тактов (т.е. числа ходов поршня) за единицу времени (в секунду, так как Вт = Н∙м/с). За каждый оборот коленчатого вала поршень в цилиндре совершает два хода от одной мертвой точки до другой. Следовательно, при прочих равных условиях скорость совершения механической работы в цилиндре дизеля напрямую связана с частотой вращения вала дизеля n_е. Число ходов поршня в цилиндре дизеля за 1 мин будет определяться величиной 2n_е, а за 1 с — 2n_е/60.

Итак, мощность одного цилиндра двигателя при условии, что его коленчатый вал вращается с постоянной частотой n_е = const, может быть определена по следующей формуле:

Рекомендуемые материалы

, Вт,                                               (1)

где 2n_е/60 — число ходов поршня за 1 с.

Рис. 18. Индикаторная диаграмма четырехтактного дизеля:

Р_i — индикаторное давление; Р_е — эффективное давление; Р_z — давление газов; Р_о — атмосферное давление; Р_м — давление газов на преодоление механических потерь в дизеле; f — площадь индикаторной диаграммы; S — ход поршня

Вспомним, что в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания (ДВС) из четырех ходов поршня, необходимых для осуществления рабочего цикла, только один (третий) является рабочим. В двухтактном из двух ходов поршня лишь во втором газами совершается механическая работа. Влияние тактности на мощность обычно учитывают с помощью коэффициента : для четырехтактных дизелей принимают , двухтактных . Также несложно учесть влияние на мощность дизеля изменение числа его цилиндров z. С учетом величин  и z формула (1) примет вид:

, Вт                                               (2)

Несколько сложнее обстоит дело с оценкой влияния на мощность дизеля давления газов Р. Обратимся к индикаторной диаграмме (Р-V-диаграмме), например, четырехтактного дизеля, изображенной на рис. 18 штриховыми линиями. Третий (рабочий) такт — расширение газов, происходит по линии 3—3’—3″—4. Давление газов Р плавно меняется по политропическому закону (линия 3″—4) с Р_z до атмосферного Р₀, т.е. уменьшается примерно в 100 — 140 раз. Как же при расчете мощности дизеля учесть переменную величину давления газов Р за третий такт? Данную задачу, разумеется, можно решить путем интегрирования dР/dV, но это сделает формулу по определению мощности малопригодной для практического использования.

Как мы уже знаем, механическая работа определяется как произведение силы и величины перемещения (пути). Площадь f индикаторной диаграммы, очерченная линией 2—3—4

(см. рис. 18), эквивалентна полезной механической работе газов, которую они совершают за цикл. Если измерить площадь f Р-V-диаграммы специальным прибором, например, планиметром, то среднее давление газов за цикл можно определить, разделив величину f на перемещение поршня S, с учетом масштаба индикаторной диаграммы. Такое давление называют индикаторным (внутрицилиндровым):

Р_i, = f/S∙m, Па,                                                                      (3)

где m — масштаб давлений Р-V-диаграммы, мм/Па.

Следует отметить, что измерять прибором величину f во многих случаях бывает неудобно. Поэтому специалисты в области дизелестроения предложили для практического использования условный параметр — среднее индикаторное давление Р_i,. Величиной Р_i называют условное постоянное в течение хода поршня давление в цилиндре, равное высоте (в соответствующем масштабе) прямоугольника (см. рис. 18), основанием которого является величина хода поршня S, а площадь равна площади ( реальной индикаторной диаграммы, очерченной линией 2—3—4.

В соответствии с формулой (2) индикаторная (внутрицилиндровая) мощность тепловозного дизеля N_i, будет равна:

, кВт,                                    (4)

где 1/10³ — коэффициент размерности, с помощью которого Вт переводятся в кВт.

Однако полезная (или эффективная) мощность N_е дизеля, измеряемая на коленчатом вале и идущая на привод потребителей механической энергии, всегда будет меньше индикаторной мощности N_е < N_i. Это обусловлено тем обстоятельством, что часть индикаторной мощности затрачивается на преодоление сил трения внутри двигателя N_м, например, сил трения поршней о стенки цилиндров, а также на привод клапанов, насосов и т.п.:

N_е = N_i — N_м, кВт.                                                          (5)

Для тепловозных дизелей в среднем N_м ≈ 0,2N_i.

По аналогии с уравнением (4) можно записать:

, кВт,                                   (6)

где Р_е — среднее эффективное давление — это такое условное постоянное давление, которое меньше индикаторного давления Р_i, на величину потерь давления газов Р_м на преодоление механических потерь внутри дизеля и условно приведенное к валу дизеля:

Р_е = Р_i, — Р_м, МПа.                                                           (7)

На рис. 18 над индикаторной диаграммой геометрически показан смысл величины Р_е в виде высоты прямоугольника аb’с’d, основанием которого является ход поршня S.

Анализируя формулу (6), можно сделать вывод, что эффективная мощность дизеля N_е зависит от шести параметров: диаметра цилиндра D, хода поршня S, частоты вращения коленчатого вала n_е, тактности , числа цилиндров z и среднего эффективного давления Р_е.

Учитывая, что рабочий объем цилиндра V_h определяют по формуле (м³), то формулу (6) можно заметно упростить:

, кВт,                                                 (8)

где 100/3 — коэффициент, зависящий от единиц измерения; Р_е — эффективное давление. МПа; V_h — рабочий объем цилиндра тепловозного дизеля, м³; n_е — частота вращения вала дизеля, об/мин; z — число цилиндров;  — тактность дизеля.

Эффективная мощность является основной характеристикой дизеля, так как для потребителя (эксплуатационника) наиболее важна, прежде всего, выходная мощность двигателя, которую можно использовать для выполнения определенной работы.

Необходимо также отметить, что одним из основных направлений развития отечественного и зарубежного дизелестроения является увеличение агрегатной эффективной мощности тепловозных дизелей. Остановимся на этом более подробно.

Таблица 1

Параметры основных типов дизелей магистральных тепловозов

* имеются опытные образцы или проекты

Популярное на сайте:

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах. 

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте. 

Как быстро и эффективно исправить почерк?  Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.