Конспект лекций. Конспект лекций по дисциплине подвижной состав железных дорог Н. Новгород 2014 Содержание. Введение. 4 Тема 1 Электроснабжение железных дорог. 4 Принципиальная схема электроснабжения. 4 Внешнее электроснабжение. 4

• Название: Конспект лекций по дисциплине подвижной состав железных дорог Н. Новгород 2014 Содержание. Введение. 4 Тема 1 Электроснабжение железных дорог. 4 Принципиальная схема электроснабжения. 4 Внешнее электроснабжение. 4
• Анкор: Конспект лекций.doc
• Дата: 27.05.2017
• Размер: 3.42 Mb.
• Имя файла: Конспект лекций.doc
• Тип: Конспект лекций; #8136
• страница: 4 из 6

Тема 5:

Тяга поездов.

Виды тяги и их технико-экономическое сравнение.

В зависимости от типа локомотива различают и виды тяги. При паровой тяге поезда обслуживаются паровозами; при тепловой тяге – тепловозами, в пригородном сообщении – дизельпоездами; при электрической тяге – электровозами, в пригородном сообщении – электропоездами. Паровоз, тепловоз, дизельпоезд – это автономные локомотивы.

Несмотря на привязанность к линиям электроснабжения, электрическая тяга имеет ряд преимуществ:

1.Мощность тяговых электродвигателей электровоза неограниченна мощностью источника энергии. Поэтому, при равном и даже меньшем весе, электровоз развивает большую силу тяги  и ведет поезд с более высокой скоростью, отсюда:

2.Пропускная способность (количество поездов в единицу времени) возрастает на 30÷50 % по сравнению с паровой тягой, а провозная способность (количество тонн перевезенного груза в единицу времени) возрастает в 1,5÷2 раза.

3.КПД составляет ≈ 23 % (при тепловой тяге ≈ 19 %, при паровой тяге ≈ 3÷4 %).

4.Электроподвижной состав устойчиво работает в зимних условиях.

5.Более высокая культура в производстве.

6.Возможна работа по системе многих единиц. На тепловозах и дизельпоездах она ограничена необходимостью контроля за работой дизель-генераторных установок в противопожарном отношении.

7.Сравнительно низкие расходы на ремонт и эксплуатацию.

8.Возможность применения рекуперации (передача электроэнергии от электровоза в контактную сеть).

9.Простота управления, быстрая смена направления движения.

Однако электрическая тяга имеет ряд недостатков:

1.Большой расход цветного металла.

2.Работа электроподвижного состава зависит от состояния контактной сети, тяговых подстанций, электростанций.

3.Требуются дополнительные капитальные затраты на строительство электростанций, тяговых подстанций и сооружений контактной сети, но они окупаются за 2÷4 года.

Силы, действующие на двигающийся поезд.

Силы, действующие вдоль оси пути по направлению движения поезда, называются движущими силами, а силы встречного направления называются силами сопротивления движению поезда.


Образование силы тяги.

При подаче напряжения на обмотку якоря и обмотку возбуждения тягового электродвигателя по обмоткам тягового электродвигателя потечет ток, образуется вращающий момент на валу якоря тягового электродвигателя, который через зубчатую передачу передается на колесную пару М_к. Колесо колесной пары прижато к рельсу с силой Р₀. Вращающий момент М_к можно заменить парой сил F₁ и F₂. Сила F₁ приложена к центру колеса О , а сила F₂ – к ободу колеса в точке А касания его с рельсом. Рельс закреплен! Под действием сил F₂ и Р₀ по третьему закону Ньютона возникнут равные им и противоположно направленные реакции со стороны рельса, выраженные силами F_к и R, которые являются внешними силами. Сила R направлена вертикально и не влияет характер движения. Сила реакции рельса F_к и является силой тяги. За счет сцепления колеса с рельсом возникает необходимый упор. При этом силы F₂ и F_к уравновешиваются. Под действием силы F₁ колесо поворачивается относительно точки А, как мгновенного центра вращения. Так как мгновенный центр вращения при этом перемещается по поверхности головки рельса слева направо, то и центр колеса (точка О) поступательно будет двигаться в том же направлении.

Сумма сил F_к всех движущих колесных пар локомотива называется силой тяги локомотива.

Сила тяги F_к не должна превышать силу сцепления колеса с рельсом.

F_к≤F_{к сцеп}. В противном случае, колесо теряет упор, начнется проскальзывание или боксование. Сила сцепления определяется произведением силыР₀ на коэффициент сцепления колеса с рельсом – F_{к сцеп} = P₀×ψ.

Для локомотива F_{к сцеп}=m_л × g× ψ,

где m_л - масса локомотива;

g = 9,81 м/с² – ускорение свободного падения;

ψ – коэффициент сцепления.

Коэффициент сцепления ψ зависит от материала рельса и материала колес, состояния их поверхностей и от скорости движения.

Природу силы сцепления часто объясняют наличием шероховатостей на поверхностях колеса и рельса. При таком рассуждении можно считать, что при наличии отшлифованных поверхностей сила сцепления меньше. Однако, практика доказывает, что при чистых и хорошо обработанных поверхностях сила сцепления выше. Сцепление колес с рельсами объясняется молекулярным сцеплением. Для увеличения сцепления колес с рельсами используют сухой кварцевый песок, который разрушает поверхностные пленки и твердые частицы внедряются в контактируемые поверхности.

Расчетный коэффициент сцепления локомотива ψ_к  определяют по эмпирическим формулам, полученных путем экспериментов или испытаний, для различных типов локомотивов и отдельно в кривых малого радиуса R менее 500 м.

Например, для электровозов переменного тока:

+.

Эмпирические формулы можно найти в «Правилах тяговых расчетов для поездной работы (ПТР)».

Для уменьшения проскальзывания колес под каждое колесо локомотива подается песок примерно 400÷700 г/мин летом и 900÷1500 г/мин зимой. Если и это не снижает проскальзывания колес, то машинист локомотива уменьшает силу тяги понижением напряжения подаваемого на тяговые электродвигатели переходом на более низкую позицию.

Склонность колесных пар к боксованию возрастает с увеличением проката бандажей свыше 3÷4 мм и износа рельсов вследствие изменения формы и размеров площадки, по которой соприкасаются колесо и рельс.

Тяговая характеристика локомотива.

Тяговая характеристика локомотива – это зависимость силы тяги локомотива от скорости движения F_k(V).

Из механики известно, что мощность Р определяется произведением вращающего момента на частоту вращения – Р=М ×n. Зная образование силы тяги, это же выражение обозначим как Р=F_k×V, где мощность Р измеряется в Вт, сила тяги F_кизмеряется в Н, скорость движенияV измеряется в м/с. В тяговых расчетах мощность Р выражается в кВт, сила тяги F_к выражается в кН, а скорость движения V выражается в км/ч, поэтому формула будет иметь вид:

, кВт .

Переводной коэффициент м/с в км/ч 3,6.

Из этого выражения следует, чтобы водить поезда большего веса и с большей скоростью, необходимы мощные локомотивы. Это необходимо для преодоления крутых затяжных подъемов поездами большей массы и сохранением высокой скорости движения. Но при этом при следовании по спускам и площадкам не требуется большой силы тяги, и мощность локомотива будет недоиспользована.

На тепловозах устанавливать дизели большой мощности не возможно из-за их больших габаритов и большого веса. Поэтому на тепловозах скорость движения по расчетным подъемам около 25 км/ч. Если же необходимо сократить время движения увеличением скорости движения, то необходимо понизить силу тяги, а значит уменьшить массу состава.

Чтобы использовать мощность локомотива в полном объеме на различных профилях, необходимо Р_к = F_к× V = Сonst.

Такая графическая зависимость между силой тяги и скоростью движения для тепловозов будет иметь вид гиперболы и осуществляется автоматически.

Тяговая характеристика локомотива имеет ограничение силы тяги по сцеплению колес колесных пар с рельсами и ограничение силы тяги по максимальной скорости движения.

Переход с участка характеристики зависимости силы тяги ограниченной сцеплением колес колесных пар с рельсами от скорости движения F_{к сцеп}(V) на тяговую характеристику у тепловозов осуществляется при скорости 12÷20 км/ч, у электровозов – при скорости 45÷60 км/ч.

У электровозов мощность электродвигателей можно увеличивать в нужный момент за счет получения дополнительной электроэнергии из контактной сети для увеличения величины электрического тока, а, значит, и силы тяги.

При протекании электрического тока происходит нагрев обмоток тяговых электродвигателей. Тепло от тяговых электродвигателей отводится вентиляторами. При длительной работе электродвигателей с большими токами мощность вентиляторов может оказаться недостаточной. Может произойти перегрев обмоток тяговых электродвигателей, разрушение изоляции и, как следствие, короткое замыкание и пожар. Чтобы этого не произошло, необходимо регулировать величину силы тока в зависимости от времени работы электродвигателей под этим током.

Различают два режима работы электродвигателей: часовой и продолжительный (длительный).

При часовом режиме по обмоткам электродвигателя пропускают максимальный электрический ток, который в течение часа не перегреет обмотки электродвигателя при нормальной вентиляции выше нормы (145 ^оС).

При продолжительном режиме пропускается максимальной величины электрический ток, который не перегревает обмотки электродвигателя в течение неограниченного времени. При испытаниях электродвигателей за продолжительный период считается промежуток времени 6 часов.

Сила тяги, полученная при продолжительном режиме работы тяговых электродвигателей, называется расчетной F_кр , а скорость, соответствующая этой силе тяги, также называется расчетной V_р .

Для грузовых тепловозов расчетная скорость V_р =20÷25 км/ч, а для грузовых электровозов расчетная скорость V_р=43÷47 км/ч.

Отсюда вывод: электровозы обеспечивают прохождение трудных подъемов поездами одинаковой массы за меньшее время, чем тепловозы. В этом главное преимущество электровозов.

Силы сопротивления движению поезда.

Сопротивления движению поезда делятся на две составляющие:

I.Основное, действуют при движении поездавсегда:

1.Сопротивление пути:

а) трение качения колес по рельсам из-за деформации опорных поверхностей (сила обратно пропорциональна диаметру колес и зависит от твердости материалов);

б) трение скольжения из-за проскальзывания и из-за трения между гребнями бандажей и рельсами, которые уменьшаются при натяжке в режиме тяги;

в) от ударов при движении по неровностям пути (зависит от скорости, нагрузки на ось, зазора в стыке).

2.Сопротивление подвижного состава:

трение в подшипниках (сила прямо пропорциональна диаметру оси, обратно пропорциональна диаметру колеса, зависит от коэффициента трения, площади соприкосновения, смазки).

3.Сопротивление внешней среды:

а) впереди происходит сжатие воздуха;

б) боковые поверхности и крыша соприкасаются с воздухом;

в) в промежутках между вагонами и за составом происходит разряжение, завихрение воздуха (конструктивно выполняют более обтекаемую форму подвижного состава).

II.Дополнительные − возникают при движении по отдельным участкам пути и в отдельные периоды времени:

1.От уклонов:

эта сила создается составляющей веса поезда, действующая на подъеме против движения поезда, а на спусках – по направлению движения поезда.

Уклон характеризуется крутизной i, измеряется в тысячных и размерность обозначается «‰», и показывает разницу по высоте подъема в метрах на каждую 1000 метров пути.

Дополнительное удельное сопротивление от подъема в Н/кН численно равно величине подъема в ‰ .

2.От кривых:

а) под действием центробежной силы гребни бандажей колесных пар прижимаются к наружному рельсу и появляется трение;

б) колесо, идущее по внутреннему рельсу, имеет проскальзывание;

в) трение в центральных и боковых опорах кузова.

Из-за большого числа факторов и сложных зависимостей дополнительное удельное сопротивление от кривой определяется по эмпирической формуле:

,

где R – радиус кривой в м.

3.При трогании с места:

а) повышенное трение в подшипниках (смазка выдавлена из-под трущихся поверхностей и получается полусухое трение);

б) большая деформация рельса и колеса.

Дополнительное удельное сопротивление при трогании с места определяются по эмпирическим формулам:

для подшипников скольжения:

;

для подшипников качения:

,

гдеm_вo – масса вагона в тоннах, приходящаяся на одну ось.

4.При низких температурах окружающего воздуха:

а) возрастает вязкость смазки, а значит и коэффициент трения;

б) возрастает сопротивление воздушной среды (увеличивается давление воздуха);

Дополнительное удельное сопротивление при низких температурах окружающего воздуха определяется по формуле:

w_нт = w_o(К_нт-1) .

Значение коэффициента низких температур К_нтберется из таблицы в ПТР при различных значениях низких температур и скоростях движения для грузовых и пассажирских вагонов.

5.От ветра:

а) встречный и боковой ветер увеличивают сопротивление из-за трения;

б) увеличения сопротивления воздушного потока.

Дополнительное удельное сопротивление от ветра определяется по формуле:

w_в = w₀ (К_в −1) .

Значение коэффициента ветра К_вберется из таблицы в ПТР.

6.От подвагонных генераторов для пассажирских вагонов.

7.От движения в тоннелях.

Общее сопротивление движению поезда W_к определяется алгебраической суммой основного и дополнительного сопротивлений:

W_К = W₀ + W_д, в Н.

Почти все виды сопротивлений пропорциональны весу поезда, поэтому рассматривают удельные   сопротивления движению   поезда:

w_к = w₀ + w_д, в Н/кН.

Основное удельное сопротивление определяется по эмпирическим формулам в зависимости от скорости движения:

а)для различных серий локомотивов;

б) при движении под током;

в) при движении без тока;

г) в зависимости от подшипников качения или скольжения;

д) в зависимости от количества осей вагона;

е) для груженых или порожних вагонов;

ж) для стыкового или бесстыкового пути.

Общее основное удельное сопротивление определяется как:

.

Образование силы торможения.

При механическом торможении подается сжатый воздух в тормозные цилиндры. Поршень в цилиндре перемещается, через шток, тяги  и рычаги прижимая тормозную колодку к колесу с усилением К. В месте контакта колеса с тормозной колодкой возникает сила трения K×φ_к, направленная навстречу вращению колеса. φ_к − это коэффициент трения колодки о колесо. Перенесем силу трения K×φ_кв точку А касания колеса с рельсом. Колесо прижато к рельсу силой Р₀. Обе эти силы внутренние по отношению к поезду и не могут повлиять на характер движения.

Если колесо прижато к рельсу с силой Р₀, то в результате сцепления колеса с рельсом сила K×φ_к  стремится сдвинуть рельс по направлению движения. Но рельс закреплен и вызывается реакция рельса по третьему закону Ньютона В_т, равная K×φ_к и противоположно направленная. Эта сила по отношению к поезду является внешней и называется тормозной силой. Она действует против движения и создает колесу упор.

Тормозная сила одного колеса: B_т = K×φ_к . 

Усилие прижатия тормозной колодки к колесу «К» зависит от интенсивности торможения, от диаметра тормозного цилиндра, от давления воздуха в нем, от передаточного отношения рычажной передачи, от силы оттормаживающей пружины в тормозном цилиндре.

Коэффициент трения φ_кзависит от материала колодок, скорости движения и удельных сил нажатия колодок на колеса.

С увеличением скорости движения и удельного нажатия колодок коэффициент трения снижается, так как за счет тепла металл размягчается, в тонком слое может оплавиться. Для повышения коэффициента трения применяют двухстороннее нажатие колодок.

Коэффициент трения рассчитывают по эмпирическим формулам, которые можно найти в «Правилах тяговых расчетов для поездной работы».

Применяются тормозные колодки чугунные, чугунные с повышенным содержанием фосфора (до 1,0÷1,4 %) и композиционные.

С увеличением скорости движения у чугунных колодок коэффициент трения более резко снижается. Чугунные колодки имеют больший износ. У композиционных колодок коэффициент трения выше и с увеличением скорости движения он в меньшей степени снижается. У чугунных колодок с повышенным содержанием фосфора коэффициент трения имеет промежуточное значение, но ближе к значениям чугунных колодок.

Тормозная сила В_т не должна превышать силу сцепления колеса с рельсом. В_т≤ F_{к сцеп} . В противном случае колесо прекращает вращение и будет двигаться «юзом» по рельсу. На поверхности катания колеса образуется площадка (ползун), который во время дальнейшего движения будет разрушать рельсы.

Режимы движения поезда.

Поезд может находиться в трех режимах движения: в режиме тяги, когда у локомотива создается сила тяги; в режиме выбега, когда у локомотива нет силы тяги, и поезд движется за счет запасенной кинетической энергии (по инерции); в режиме торможения, когда создается тормозная сила.

Если силу тяги F_к, силы сопротивления W_к, силу торможения В_т поделить на вес поезда (масса, умноженная на ускорение свободного падения m×g), то получим, соответственно, удельную силу тяги , удельную силу сопротивления , удельную тормозную силу .

Удельная ускоряющая сила в общем случае f_y=f_к−w_k−b_m. Для режима тяги f_y=f_к−w_k; для режима выбега f_y= −w_k; для режима торможения

f_y= −w_k−b_m..

При движении поезда ускоряющая сила изменяется в связи с изменением режимов работы локомотива, плана и профиля пути. Наиболее общим случаем является ускоренное или замедленное движение и только в частных случаях – равномерное.

Ускоренное движение можно получить как в режиме тяги, так и в режиме выбега или торможения при следовании на спусках, когда составляющие от веса поезда окажутся больше сил сопротивления движению или суммы сил сопротивления движению и тормозной силы.

Равномерное движение наступает при равенстве этих сил.

Замедленное движение может быть и в режиме тяги при следовании по подъему, когда сила тяги окажется меньше сил основного и дополнительного сопротивлений движению.

При     f_y > 0 – ускоренное движение, при f_y = const > 0 равноускоренное.

При     f_y < 0 – замедленное движение, при f_y = const < 0 равнозамедленное.

При     f_y = 0 – равномерное движение.

Определение массы состава.

Масса состава – один из важнейших показателей работы железнодорожного транспорта. Увеличение массы состава позволяет повысить провозную способность железнодорожных линий, уменьшить расход топлива и электрической энергии, снизить себестоимость перевозок.

Наибольшая масса поезда ограничивается возможностью проведения поезда локомотивом по наиболее тяжелому (расчетному) подъему, условиями трогания поезда с места на станции и длиной приемо отправочных путей.

Расчетный подъем – это наиболее трудный для движения в данном направлении элемент профиля пути, на котором достигается расчетная скорость, соответствующая расчетной силе тяги локомотива. Наиболее крутой подъем участка достаточно длинный принимается за расчетный. Если же наиболее крутой подъем заданного участка имеет небольшую протяженность и ему предшествуют «легкие» элементы профиля (спуски, площадки), на которых поезд может развить высокую скорость, то такой подъем не может быть принят за расчетный, так как поезд его преодолевает за счет запасенной кинетической энергии, по инерции. И такие подъемы называются инерционными. И за расчетный подъем принимается подъем меньшей крутизны, но большей протяженности, на котором может быть достигнута равномерная скорость движения при выравнивании силы тяги с общим сопротивлением движению поезда (F_k =W_k)

Средне - эксплуатационный КПД локомотивной тяги.

Для электрической тяги КПД определяется произведением:

,

где – КПД электростанции (тепловая, атомная, гидравлическая); у гидроэлектростанции КПД выше;

– КПД повышающего трансформатора, установленного на электростанции;

– КПД линии высоковольтной передачи (ЛЭП);

– КПД тяговой подстанции;

– КПД контактной сети;

– КПД электровоза.

Наибольшее влияние на величину КПД электрической тяги оказывает значение КПД электростанции.

Для тепловой тяги КПД определяется произведением:

,

где = 0,35 0,40 – КПД дизеля;

= 0,94 0,95 – КПД генератора;

0,99 – КПД выпрямительной установки (только для тепловозов с генератором переменного тока и тяговыми электродвигателями постоянного тока);

= 0,915 – КПД тяговых электродвигателей;

= 0,975 – КПД зубчатой передачи;

= 0,88 0,92 – КПД вспомогательных затрат.