Материал: Теория и конструкция локомотивов

От противоположного конца коллектора часть горячей воды поступает по трубопроводу в калорифер, по трубопроводу - на обогрев ступеньки под ногами машиниста, и по трубопроводу - в топливоподогреватель. Охлажденная в калорифере, ступеньке и топливоподогревателе вода, минуя секции радиатора, засасывается насосом, к которому подводится по трубопроводу.

Водяной насос вспомогательного контура засасывает охлажденную воду и по трубопроводу нагнетает ее в охладитель наддувочного воздуха. Из охладителя вода по трубопроводу направляется к водомасляному теплообменнику, где, проходя по его трубкам, охлаждает дизельное масло. Теплообменник соединен трубопроводами и с верхними коллекторами секций радиатора вспомогательного контура. Пройдя по секциям, охлажденная вода собирается в нижних коллекторах, соединенных общим трубопроводом, откуда по трубопроводу снова поступает к водяному насосу.

Оба контура охлаждения пополняются водой из общего расширительного бака.

Для слива и набора воды в системе имеется общий трубопровод, соединенный с всасывающими трубопроводами обоих контуров. Трубопровод соединен с гибким рукавом, на конце которого укреплена соединительная головка. Тепловоз экипируют специально подготовленной горячей водой, которая подается в систему под давлением через сливной (приемный) трубопровод.

Кроме того, для аварийной экипировки тепловоза предусмотрен ручной водяной насос крыльчатого типа аналогичный по конструкции с ручным топливоподкачивающим насосом), соединенный трубопроводом с расширительным баком.

Расширительный бак содержит необходимый запас воды, обеспечивает пополнение обоих контуров системы водой, воспринимает пар и излишки воды при нагреве и расширении ее в контурах. Расширительный бак состоит из двух емкостей - правой и левой. Обе емкости сварены из листовой стали и установлены на шахте холодильника над верхними коллекторами, т.е. расширительный бак расположен выше всех остальных частей водяной системы. Между емкостями и каркасом шахты ставят войлочные прокладки, после чего бак прикрепляют четырьмя стальными хомутами. Емкости соединены между собой двумя трубопроводами: верхним малого диаметра и нижним большого диаметра. Нижний трубопровод расположен ближе к дизелю и соединен с всасывающими трубопроводами контуров охлаждения для пополнения их водой.

Для соединения расширительного бака с атмосферой к заливочной горловине правой емкости прикреплена сигнальная (вестовая) труба, выведенная под главную раму тепловоза. При экипировке тепловоза воду набирают до тех пор, пока она не начнет вытекать через сигнальную трубу. Выброс воды и пара через трубу во время эксплуатации тепловоза является следствием перегрева воды.

На передней торцовой стенке левой емкости установлены водомерное стекло для контроля за уровнем воды в системе и краник, позволяющий производить отбор воды на анализ. Правая емкость соединена трубопроводом с ручным насосом, имеющим в качестве всасывающей трубы гибкий шланг. Между баком и насосом на трубопроводе установлен вентиль, который в эксплуатации должен быть закрыт (открывают его лишь при аварийной экипировке тепловоза).

Для выхода пара и излишков воды при ее нагреве из обоих контуров охлаждения бак соединен с ними двумя специальными трубопроводами. Трубопровод идет от коллектора горячей воды в правую емкость, а трубопровод соединяет правую емкость с четырьмя верхними коллекторами секций.

Горловина позволяет заполнять систему водой при отсутствии экипировочных устройств, а также добавлять воду в систему в незначительном количестве. Эта работа выполняется на крыше тепловоза и требует строгого соблюдения всех мер безопасности.

При работающем дизеле циркуляцию подогреваемой воды в системе обеспечивают водяные насоса, а при неработающем - три водяных насоса с электроприводами. Водяные насосы подсоединены параллельно трубопроводам и размещены в переднем кузове тепловоза (под шахтой холодильника). Водяной насос установлен в задней части машинного отделения (над вспомогательным генератором) параллельно трубопроводу, на котором имеется дополнительный вентиль. При работающем дизеле этот вентиль открыт, т.е. из коллектора горячей воды вода направляется к калориферу, минуя насос. Если дизель не работает, то вентиль должен быть закрыт.

Воздухоснабжение дизеля

Отработавшие газы, выходящие из цилиндров дизеля, проходят по двумя выпускным коллекторам и поступают во входной корпус турбонагнетателя. Пройдя по каналам входного корпуса, газы через сопловой аппарат выбрасываются на лопатит турбинного колеса, приводя его вместе с валом ротора во вращение, и затем через глушитель и выпускную трубу выходят в атмосферу.

Рабочее колесо нагнетателя раскручивает своими лопастями воздух. Под действием центробежной силы вращающиеся частицы воздуха отбрасываются к периферии, и по центру рабочего колеса создается разрежение. За счет разницы давлений происходит подсос воздуха из дизельного помещения тепловоза в полость воздушного корпуса. Воздух поступает в дизельное помещение из атмосферы через воздушные фильтры, смонтированные на дверях капота, оборудованных жалюзи с неподвижными створками. Далее воздух очищается в фильтрующих кассетах самого турбонагнетателя.

Очищенный воздух направляется безлопаточным диффузором на лопасти заборника, захватывается вращающимся колесом и попадает в лопаточный диффузор, из которого подается в расширяющийся канал улиткообразного корпуса. В диффузоре скорость движения воздуха снижается, а давление растет. Воздух под давлением проходит по патрубку в промежуточный охладитель, где отдает часть тепла воде вспомогательного контура, циркулирующей по горизонтальным трубкам охладителя, а затем поступает во впускной коллектор. Снижение температуры воздуха увеличивает его плотность и позволяет подавать больше воздуха в цилиндры дизеля, что необходимо для получения хорошей горючей смеси.

2.      Определение тягово-энергетических параметров тепловоза

Для сравнительного анализа тягово-энергетических характеристик серийного и расчетного тепловозов с электрической передачей постоянного и переменно-постоянного тока необходимо использовать технические параметры, перечень которых представлен в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Исходные данные для сравнительной оценки тягово-энергетических характеристик серийного и расчетного тепловозов

Касательная мощность тепловоза с электрической передачей определится по выражению, кВт:

 (2.1)

где  эффективная мощность дизеля тепловоза, кВт;

- количество секций;

- коэффициент полезного действия генератора;

- коэффициент полезного действия тягового двигателя;

- коэффициент полезного действия тягового редуктора;

- коэффициент вспомогательного оборудования.

Мощность энергетической установки, затраченная на собственные нужды тепловоза, кВт,

 (2.2)

Эмпирическое выражение КПД вспомогательного оборудования тепловоза,

 (2.3)

 кВт

 кВт

Электромеханические, скоростные характеристики тяговых двигателей  тепловоза, мин^-1,

 (2.4)

где a, b - коэффициенты регрессии, приведенные в табл. 2.2.

Таблица 2.2. Коэффициенты регрессии для серийных тяговых двигателей

Характеристика крутящего момента  на валу тягового двигателя определяется по формуле, Н·м:

 (2.5)

где  - номинальная мощность тягового двигателя тепловоза, кВт;

- частота вращения якоря ТЭД для заданного значения тока, мин^-1.

Построение электромеханических характеристик тяговых двигателей выполняется для ряда значений тока, изменяющегося в пределах от  до  с шагом .

Все полученные данные сводятся в табл. 2.3. По результатам расчета электромеханических характеристик тяговых двигателей строятся электромеханические характеристики тяговых двигателей (рис. 2.1 и рис. 2.2).

Таблица 2.3. Результаты расчета электромеханических характеристик тяговых двигателей

Рис. 2.1. График зависимости частоты вращения от силы тока тягового двигателя серийного и расчетного тепловозов

Рис. 2.2. График зависимости крутящего момента от силы тока тягового двигателя серийного и расчетного тепловозов

Для каждого значения частоты вращения и крутящего момента на валу ТЭД рассчитываем параметры тяговой характеристики тепловоза с учетом режима работы электрической передачи по выражениям:

 (2.6)

 (2.7)

где - коэффициент полезного действия тягового редуктора тепловоза;

 ‒ количество колесно-моторных блоков в конструкции тепловоза.

Тяговая характеристика тепловоза по выражению (2.7) строится для номинальной мощности энергетической установки тепловоза для трех режимов работы электрической силовой передачи тепловоза для скорости движения от 0 до конструкционной скорости, равной 100 км/ч.

Данные, полученные в ходе расчета тяговой характеристики тепловоза, сводим в табл. 2.4, и по результатам строим зависимость  для серийного и расчетного тепловозов (рис. 2.3).

Ограничение по максимальной касательной силе тяги, Н,

 (2.8)

где Р_сц = 1207 - сцепной вес тепловоза, кН.

Коэффициент сцепления ,

 (2.9)

Таблица 2.4. Построение тяговой характеристики серийного и расчетного тепловозов

Величина  рассчитывается для нескольких значений скорости и результаты расчетов  (табл. 2.5) наносятся на график тяговой характеристики серийного и расчетного тепловозов.

Также на тяговые характеристики тепловозов наносятся ограничения по конструкционной скорости движения тепловоза и по расчетной касательной силе тяги, соответствующей расчетной скорости движения тепловоза.

Таблица 2.5. Расчет ограничения тяговой характеристики по сцеплению

Технико-экономические характеристики тепловоза представляют собой зависимости эффективной и касательной мощности тепловоза, часового расхода топлива дизелем, КПД силовой передачи и КПД тепловоза от скорости его движения в условиях эксплуатации.

Для определенного режима работы тепловоза, или для определенной позиции контроллера машиниста, эффективная мощность дизеля есть величина постоянная и не зависит от скорости, то есть N_е = f(V) = const.

Величина часового расхода топлива дизелем серийного и расчетного тепловоза определяется по выражению, кг/ч:

 (2.10)

 кг/ч;

 кг/ч.

Рис. 2.3. Тяговые характеристики серийного и расчетного тепловозов:
1 - ограничение по максимальной касательной силе тяги; 2 - ограничение по длительной силе тяги; 3 - ограничение по конструкционной скорости

Характеристика КПД силовой передачи тепловоза для номинального режима работы будет изменяться в соответствии с выражением:

 (2.11)

Эксплуатационный КПД тепловоза,

 (2.12)

Графики зависимостей ,  и  для расчетного и серийного тепловозов представлены на (рис. 2.4; рис. 2.5; рис. 2.6).

Рис. 2.4. График зависимости N_К = f(V) для серийного и расчетного тепловозов

Рис. 2.5. Графики зависимости B_Ч = f(V) для расчетного и серийного тепловозов

Рис. 2.6. Графики зависимостей η_пер=f(V) и η_т=f(V) для расчетного и серийного тепловозов

По полученным расчетам технико-экономических характеристик можно сделать вывод о том, что расчетный тепловоз по сравнению с серийным имеет более хорошие показатели часового расхода топлива и эксплуатационного КПД дизеля.

Изменение веса поезда при изменении эффективной мощности дизеля и выходной мощности тягового генератора тепловоза, кН,

 (2.13)

При расчете отклонения веса состава по выражению (2.13) предполагается, что состав поезда состоит из груженых четырехосных вагонов и поезд движется на расчетном подъеме (9 ‰) с расчетной скоростью.

В соответствии с ПТР основное удельное сопротивление движению локомотива определяется по формуле, Н/кН:

; (2.14)

.

В соответствии с ПТР основное удельное сопротивление движению грузовых вагонов на стыковом пути для четырехосных вагонов на подшипниках качения определяется по формуле, Н/кН:

 (2.15)

где q₀ = 17,5 - масса брутто вагона, т.

Значение силы тяги тепловоза на расчетном подъеме возьмем из табл. 2.4 для I_тэд = 1200 А.

Сравнительные характеристики тяговых и экономических параметров приведены в табл. 2.6.

Таблица 2.6. Сравнительные характеристики тяговых и экономических параметров серийного и расчетного тепловозов для номинального режима работы

3.      Анализ эффективности работы системы охлаждения

Для оценки эффективности работы системы охлаждения серийного и расчетного тепловозов составим расчетную схему системы охлаждения тепловоза (рис. 3.1). Исходные данные для сравнительного анализа эффективности работы системы охлаждения сведем в табл. 3.1.

Таблица 3.1. Исходные данные для сравнительного анализа эффективности работы системы охлаждения серийного и расчетного тепловозов

Расчет параметров теплоносителей для горячего контура системы охлаждения серийного тепловоза

Уравнение теплового баланса для охлаждаемой воды, кДж/ч,

 (3.1)

где  - площадь живого сечения стандартной воздушно-водяной секции холодильника со стороны жидкости, м² [8, стр. 22 табл. 3.2].

Уравнение теплового баланса для охлаждающего воздуха, кДж/ч,

 (3.2)

где  - площадь живого сечения стандартной воздушно-водяной секции холодильника со стороны воздуха, м²[8, стр. 22 табл. 3.2].

Уравнение теплопередачи, кДж/ч,

 (3.3)

где F = 29,6 - общая поверхность теплообмена воздушно-водяной секции холодильника, м².

Плотность, кг/м³, и удельная теплоемкость воды, кДж/(кг×К),

 (3.4)

 (3.5)

 кг/м³;

кДж/(кг·К);

Плотность, кг/м³, и удельная теплоемкость масла, кДж/(кг×К),

Плотность, кг/м³, и удельная теплоемкость для воздуха при нормальных условиях P_o = 0,1033 МПа и Т_о = 303 К, кДж/(кг×К),

                  (3.6)

 (3.7)

кг/м³;

Скорость движения жидкости в трубках секции, м/с,

 (3.8)

 м/с.

Зададимся значением весовой скорости воздуха в секциях холодильника  = 4,19 кг/(м²×с).

Найдем из уравнения (3.1) температуру воды на выходе из системы охлаждения , из формулы (3.2) - температуру воздуха , К:

 (3.9)

 (3.10)

К

К

Коэффициент теплопередачи, кДж/(м²×ч×К),

 (3.11)

Общее количество тепла, передаваемого в контуре охлаждающему воздуху, кДж,

 (3.12)

Величина абсолютной ошибки, %:

 (3.13)

Так как значение абсолютной ошибки  то рассчитаем расход воздуха через секции горячего контура охлаждения, кг/ч:

 (3.14)

Все полученные параметры теплоносителей, рассчитанные для горячего контура серийного тепловоза, представлены в табл. 3.2.

Расчет параметров теплоносителей горячего контура системы охлаждения расчетного тепловоза

Средняя температура теплоносителя, К,

 (3.15)

Плотность, кг/м³, и удельная теплоемкость воды для расчетного тепловоза находим по формулам (3.4) и (3.5), кДж/(кг×К):

Скорость движения жидкости в трубках секции из выражения (3.8) для расчетного тепловоза, м/с,

Удельный теплоотвод, кДж/(кВт×ч),

 (3.16)

Зададимся значением весовой скорости воздуха в секциях холодильника  = 8,1 кг/(м²×с).

Найдем из уравнения (3.9) температуру воды на выходе из системы охлаждения , из формулы (3.10) - температуру воздуха , К,

Коэффициент теплопередачи определяется по формулам (3.11), кДж/(м²×ч×К):

Общее количество тепла, передаваемого в контуре охлаждающему воздуху (3.12), кДж,

Величина абсолютной ошибки, % определяется по формуле (3.13):

Так как значение абсолютной ошибки  то рассчитаем расход воздуха по выражению (3.14) через секции горячего контура охлаждения, кг/ч:

Все полученные параметры теплоносителей, рассчитанные для горячего контура расчетного тепловоза, сведены в табл. 3.2.

3.2 Анализ термических характеристик теплоносителей холодного контура системы охлаждения тепловоза

Расчет параметров холодного контура охлаждения серийного тепловоза

Адиабатный КПД центробежного нагнетателя ,

 (3.17)

Где D_к = 330 - диаметр колеса компрессора, мм.

В соответствии со схемой наддува и степенью повышения давления воздуха для номинального режима работы дизеля зададимся температурой воды на входе в воздухоохладитель Т_в3 = 338 К.

Общее количество тепла, передаваемого в контуре, кДж/ч,

 (3.18)

Линейная скорость жидкости, м/с,

 (3.19)

Для ОХНВ последовательно определим приращение температуры воды в контуре при охлаждении масла дизеля и наддувочного воздуха, К,

 (3.20)

Температура воды на входе в секции холодного контура, К,

 (3.21)

Уравнение теплового баланса для охлаждаемой воды, кДж/ч,

 (3.22)

Уравнение теплового баланса для охлаждающего воздуха, кДж/ч,

 (3.23)

Уравнение теплопередачи, кДж/ч,

 (3.24)

Зададимся значением весовой скорости воздуха в секциях холодильника  кг/(м²·с).

Из выражения (3.10) определим температуру воздуха на выходе из системы охлаждения, К:

 (3.25)

Коэффициент теплопередачи для холодного контура серийного тепловоза определяется по формулам (3.13), кДж/(м²×ч×К):

Из уравнения определим количество тепла, передаваемого в контуре, кДж/ч:

Величина абсолютной ошибки, %:

Значение абсолютной ошибки .

Расход воздуха через секции охлаждения, кг/ч,

 (3.26)

Температура воздуха на входе в ОХНВ, К,

 (3.27)

Температура воздуха на выходе из ОХНВ, К,

 (3.28)

Плотность надувочного воздуха до и после воздухоохладителя, кг/м³,

 (3.29)

 (3.30)

где π_к = 1,58 - степень повышения давления наддувочного воздуха.

Все полученные параметры теплоносителей, рассчитанные для холодного контура серийного тепловоза, представлены в табл. 3.2.

Расчет параметров холодного контура системы охлаждения расчетного тепловоза

Удельный теплоотвод теплоносителей, кДж/(кВт×ч),

 (3.31)

Общее количество передаваемого тепла рассчитывается по формуле (3.36), кДж/ч:

Степень повышения давления в агрегатах наддува для расчетного тепловоза рассчитывается по выражению:

 (3.32)

где к = 1,3 - эмпирический показатель.

Адиабатный КПД центробежного нагнетателя такие же, как у серийного тепловоза и равны η_кад = 0,80.

Зададимся температурой воды на выходе из системы охлаждения

Т_в3 = 338 К.

Линейная скорость жидкости (3.8), м/с,

Для ОХНВ последовательно определим, приращение температуры воды в контуре при охлаждении масла дизеля и наддувочного воздуха, К:

Температура воды на входе в секции холодного контура К,

Зададимся значением весовой скорости воздуха в секциях холодильника U_x = 3,3 кг/(м²·с).

Из уравнения (3.10) определим температуру воздуха на выходе из системы охлаждения, К:

Коэффициент теплопередачи для холодного контура расчетного тепловоза определяется по формулам (3.11) кДж/(м²×ч×К):

Из уравнения (3.24) определим количество тепла, передаваемого в контуре, кДж/ч:

Величина абсолютной ошибки, %:

Так как значение абсолютной ошибки  то рассчитаем расход воздуха через секции охлаждения (3.33), кг/ч,

Температура воздуха на входе в ОХНВ, К,

 (3.34)

Температура воздуха на выходе из ОХНВ (3.35), К,

Плотность надувочного воздуха до и после воздухоохладителя определяется по формулам (3.35) и (3.36), кг/м³:

Все полученные параметры теплоносителей, рассчитанные для холодного контура серийного тепловоза, представлены в табл. 3.2.

3.3 Определение мощности ДГУ, затраченной на привод вентиляторной установки охлаждения тепловоза

Определение мощности ДГУ, затраченной на привод вентиляторной установки охлаждения серийного тепловоза

Аэродинамическое сопротивление шахты холодильника определяется по формуле (3.37), Па,

Средняя температура воздуха в шахте холодильника, К

 (3.38)

Плотность воздуха в шахте холодильника (3.39), кг/м³,

Мощность дизель-генераторной установки, используемая на привод вентилятора шахты холодильника для обеспечения заданного режима охлаждения теплоносителей (3.40), кВт,

Все полученные параметры теплоносителей, рассчитанные для холодного контура расчетного тепловоза, представлены в табл. 3.2.

Определение мощности ДГУ, затраченной на привод вентиляторной установки охлаждения расчетного тепловоза

Средняя температура воздуха в шахте холодильника, К

 (3.42)

Плотность воздуха в шахте холодильника (3.43), кг/м³,

Мощность дизель-генераторной установки, используемая на привод вентилятора шахты холодильника для обеспечения заданного режима охлаждения теплоносителей (3.44), кВт,

Все полученные параметры теплоносителей, рассчитанные для холодного контура расчетного тепловоза, представлены в табл. 3.2.

Таблица 3.2. Результаты расчета параметров системы охлаждения тепловозов

Заключение

В результате выполнения курсового проекта были рассчитаны тяговые и технико-экономические характеристики серийного тепловоза ЧМЭ3 (тепловоза-образца) для номинального режима работы дизель-генераторной установки и характеристики расчетного тепловоза для режима работы, определенного в задании на проектирование.

Кроме того, были построены электромеханические и моментные характеристики ТЭД, тяговая характеристика и технико-экономические характеристики тепловоза.

По заданным параметрам теплоносителей в системе охлаждения расчетного тепловоза и по их нормативным значениям оценена эффективность работы системы охлаждения и доля мощности дизеля, затраченную на привод вспомогательного оборудования.

Рассчитанный тепловоз-образец почти не отличается от серийного и лишь уступает ему в тяговых свойствах.

Библиографический список

1. Методические указания к курсовой работе по дисциплине «Теория и конструкция локомотивов» / Е.И. Сковородников, А.С. Анисимов; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2013. 49 с.

. Нотик З.Х. Тепловозы ЧМЭ3, ЧМЭ3Т: Пособие машинисту.-М.: Транспорт, 1990. 381 с.