Расчетную касательную мощность (в кВт) локомотива, реализуемую на ободе его колес при условии установившегося движения, находят из выражения
(1)
где - касательная сила тяги на расчетном режиме, равная сопротивлению движения поезда заданной массы, кН;
- расчетная скорость движения, км/ч.
Исследования по установлению масс грузовых и пассажирских поездов показывают, что экономически целесообразная масса поезда соответствует полному использованию длины станционных путей и их несущей способности. При современных нормах на эти показатели пути и с учетом технической оснащенности и провозной способности железных дорог наибольшая масса пассажирского поезда составляет не более 1200 т, грузового 6000 т (таблица 4.1). При массе поезда = 8000 т наивыгоднейшая расчетная скорость для тепловозов равна 27 км/ч, газотурбовозов 30—40 и электровозов 40—60 км/ч.
Наибольшую касательную мощность маневрового тепловоза, реализуемую при разгоне грузового поезда массой до скорости , находят из уравнения
|
|
(2)
где - удельное сопротивление, = 30 Н/т; — среднее ускоряющее усилие, = (50—80) Н/т; — удельное сопротивление от подъема, = (0—20) Н/т; - средняя скорость при разгоне, = (7—8,5) км/ч
Таблица 4.1.
Рекомендуемые массы поездов и расчетные скорости движения
Вид тяги | Масса поезда , т (не более) | Скорость, км/ч | |
расчетная | Максимальная | ||
Тепловозная: | |||
на однопутных участках с малым грузооборотом | 23-30 | 85-100 | |
на участках с наибольшим грузооборотом | 28-30 | ||
в пассажирском движении | 800-1200 | 70-100 | 140-200 |
Газотурбовозная в грузовом движении | 30-40 | ||
Электрическая: | |||
на постоянном токе в грузовом движении | |||
на переменном токе в грузовом движении | 110-120 | ||
на переменном токе в пассажир- ском движении | 800-1000 | 80-100 | 160-200 |
Эффективную мощность (в кВт) – основной энергетический параметр автономного локомотива (тепловоза, газотурбовоза, паровоза), равный мощности его силовой установки, определяют по выражению
, (3)
где - КПД передачи, = 0,77 для гидропередач, = 0,8 для электрических передач; - коэффициент свободной мощности.
Коэффициент учитывает на локомотивах расход энергии на привод вентилятора холодильной установки, вспомогательных машин (компрессора, вспомогательного генератора и др.) и аппаратов. Для тепловозов коэффициент = 0,90 ÷ 0,92. У газотурбовозов отсутствует мощная холодильная установка, поэтому значение = 0 97. для газотурбовозов, оборудованных дизелем для вспомогательных нужд, = 1.
Мощность электровозов определяют как суммарную мощность на валах тяговых электродвигателей при их работе в часовом и длительном режимах движения. Мощность наряду с другими параметрами используют для выбора энергетической установки проектируемого локомотива. В том случае, когда эффективная мощность установлена техническим заданием или принята по мощности энергетической установки, следует определить массу поезда, при которой локомотив может двигаться со скоростями, рекомендованными МТК РК.
|
|
Сцепной вес является суммарной нагрузкой на движущие колесные пары локомотива и характеризует его способность развивать необходимую силу тяги без проскальзывания колес по рельсам.
Сцепной вес (в кН) для грузового локомотива вычисляют при условии его движения по расчетному подъему с установившейся скоростью без боксования из соотношения
, (4)
где - коэффициент сцепления при скорости , - коэффициент использования сцепного веса; для локомотивов с групповым приводом = 1, с индивидуальным = 0,85÷0,92.
Для получения значений коэффициента , близких к единице, рекомендуют использовать поводковые буксы, рядное расположение тяговых двигателей, низкое размещение шкворня, наклонные поводки тягового устройства, мономоторный привод, догружатели - устройства, ликвидирующие разгрузку колесных пар тележки.
Сцепной вес пассажирского локомотива из условия обеспечения заданного ускорения при разгоне поезда определяют по формуле
, (5)
где - полное удельное сопротивление движению поезда в момент трогания с условной скоростью 5—8 км/ч на уклоне i (‰), Н/т;
- удельное сопротивление от ускоряющего усилия, Н/т; ( - ускорение поезда после трогания с места в зависимости от категории, поезда, равное 1200-1800 км/ч2);
— ускорение поезда, км/м2, при действии удельной ускоряющей силы 1 Н/т.
Для расчета можно принять = 80 Н/т. Значения для грузовых и пассажирских поездов равны 12,2 км/ч2, электропоездов 12 км/ч2, дизель-поездов 11,8 км/ч2.
Выбрав значение , проверяют возможность реализации при этом заданного ускорения разгона по уравнению (5) при = 0 с более высокими скоростями движения. Если принятое значение не выдерживается на участке, равном половине пути разгона, то вес увеличивают.
Сцепной вес маневрового локомотива (тепловоза) зависит от характера и условий его работы: сортировочных маневров на горке, вывозных операций на магистральных дорогах и т. д. При горочной работе потребный сцепной вес определяют при трогании поезда с места после остановки у горба горки из соотношения
, (6)
где - удельное сопротивление движению, равное для грузовых поездов 70 Н/т; - среднее сопротивление при подъеме по надвижной части горки, Н/т.
Сопротивление , для всех видов подвижного состава численно
равно 10-кратной величине подъема, которую находят из выражения
, (7)
где - подъемы участков надвижной части горки, ‰;
- длины участков надвижной части горки, м;
- длина поезда, м.
В условиях вывозной работы требуемый сцепной вес локомотива находят из уравнения (4) при расчетной скорости = 10÷16 км/ч.
Служебную массу определяют количеством материалов, вложенных в конструкцию машины. У тележечных локомотивов, которых все колесные пары движущие, служебная масса (в т) равна 0,1 . У маневровых локомотивов обычно служебной массы недостаточно для получения расчетного сцепного веса. В этом случае в экипажной части предусматривают дополнительную массу (балласт). Магистральные пассажирские локомотивы, особенно скоростные, имеют служебную массу, которая обеспечивает действительный сцепной вес, превосходящий расчетный. У таких локомотивов можно снизить служебную массу путем уменьшения расхода материалов при их изготовлении. Служебную массу для построенных локомотивов определяют на специальных весах для взвешивания локомотивов. В начальной стадии проектирования служебную массу можно подсчитать по формуле
|
|
, (8)
где - удельный показатель служебной массы, рекомендуемый для перспективных локомотивов, кг/кВт.
Для электровозов в показатель вводится мощность часового Режима , кВт. В таблице 4.2 приведены значения удельного показателя служебной массы для современных локомотивов.
Таблица 4.2
Удельные показатели служебной массы
Тепловозы | ТЭП70 | ТЭ121 | ТЭМ7 | ТЭМ2 |
Электровозы | ВЛ60 | ВЛ60р | ВЛ80 | ЧС4 |
33,4 | 29,7 | 29,3 | 26,3 |
Число колесных пар зависит от массы локомотива и нагрузки от колесной пары на рельсы. Если в расчете использовать служебную массу, то будет определено полное число колесных пар, если сцепной вес — число движущих колесных пар. Для одной секции локомотива число может быть равно 2, 3, 4, 6 и 8. Если больше, то локомотив формируют из двух секций.
Наметив для проектируемого локомотива число колесных пар, необходимо проверить статическую нагрузку на рельсы по выражению
, (9)
где - допускаемая статическая нагрузка от колесной пары на рельсы, кН.
Допускаемая нагрузка зависит от конструкции и состояния верхнего строения пути и устанавливается техническими требованиями МТК РК. На дорогах с рельсами Р50 и Р65, уложенными на деревянных шпалах и щебеночном балласте, допускаются следующие значения = 226 кН для грузовых локомотивов, = 206 кН - для пассажирских. На реконструированных участках допускаемая нагрузка от колесной пары на рельс равна 246 кН.
Диаметр движущих колес локомотивов зависит от многих факторов, из которых надежность и минимальная неподрессоренная масса являются основными.
В настоящее время на тяговом подвижном составе железных дорог СНГ применяют три типоразмера колес: диаметром 1050 и 1220 мм для тепловозов, 950 мм для дизель-поездов и части электропоездов и 1220 и 1250 мм для электровозов. Для унификации ходовых частей экипажей тепловозов и электровозов рекомендуется использовать колеса диаметром 1220 и 1250 мм, что снизит эксплуатационные и ремонтные расходы, увеличит пробег между обточками бандажей, понизит контактные напряжения в рельсах и т. д. Однако при применении колес с большим диаметром возрастает масса колесной пары и увеличивается эксцентриситет главной рамы относительно автосцепки. Требуемый диаметр колеса (мм) подсчитывают по формуле
|
|
, (10)
где — допустимая нагрузка на 1 мм диаметра колеса, равная от 0,2—0,22 до 0,27 кН/мм.
При выборе диаметра колес следует руководствоваться стандартными размерами бандажей для подвижного состава широкой колеи на колесные пары для тепловозов и электровозов. Бандажи толщиной 75 мм устанавливают на колеса с осевой нагрузкой до 206 кН, толщиной 90 мм — на колеса с осевой нагрузкой более 206 кН.
Длину локомотива по осям автосцепок устанавливают в процессе компоновки оборудования. На начальной стадии проектирования длина, мм,
(11)
для локомотивов мощностью 1470-2300 кВт;
(12)
для локомотивов мощностью свыше 2900 кВт;
В общем случае ориентировочно
(13)
где - рекомендуемая длина, приходящаяся на единицу
кости, мм/кВт.
Максимальная длина локомотива ограничивается техническими требованиями на ремонтные стойла депо, минимальная - прочностью путевых сооружений. Для проверки используют уравнение
, (14)
где - допускаемая нагрузка на единицу длины пути, равная 73,5 кН/м для эксплуатируемых и 88,5 кН/м для проектируемых локомотивов.
База локомотива - это расстояние между шкворнями или геометрическими центрами тележек одной секции. Она определяется условия компоновки экипажной части «по низу» и надежность сцепляемости автосцепки локомотива и вагона. предварительно база локомотива
, (15)
где е - числовой коэффициент, равный 0,5-0,54 для экипажной части с длиной до 20 м и 0,55-0,6 длиной свыше 20 м.
База тележки зависит от размеров тягового привода, тяговых электродвигателей и других элементов, размещаемых на тележках. Расстояние между смежными колесными парами у современных тележек локомотивов равно 1,85-2,3 м. Меньшие значения относятся к тележкам с групповыми приводами, большие – с индивидуальными приводами. Исходя из этого, можно выбрать базу тележки до разработки конструкции экипажа: в пределах 3,7-4,6 м для трехосных тележек и 5,5 -7 м для четырехосных тележек с индивидуальным приводом. Для исключения больших ошибок при оценке линейных размеров , и их следует сравнить с аналогичными показателями современных локомотивов (таблица 4.3).
В процессе проектирования основные параметры локомотивов могут уточняться с учетом требований перспективного развития и возможностей их осуществления (таблицы 4.4и 4.5).
Таблица 4.3
Основные показатели линейных размеров локомотивов
Показатель | 2ТЭ10В | ТЭП70 | ТЭМ2 | ВЛ60 |
Длина: | ||||
, мм/кВт | 8,7 | 7,0 | 19,2 | 4,5 |
, мм/т | 141,5 | |||
Отношение | 0,54 | 0,55 | 0,505 | 0,56 |
Расстояние от шкворня до головки автосцепки | ||||
База тележки , мм |
Таблица 4.4. Рекомендуемые параметры тепловозов
Тепловозы мощностью , кВт | Сцепной вес, кН | Сила тяги при , кН | Скорость , км/ч | Нагрузка , кН | Число движущих осей |
Грузовые: | |||||
2х2210 | 2х1355 | 2х260 | 1х6 | ||
2х2945 | 2х1355 | 2х300 | 2х6 | ||
2х4420 | 2х1960 | 2х480 | 2х8 | ||
Пассажирские: | |||||
Маневровые: | |||||
157-143 | 9-9,5 | 177-167 | |||
11,0 | |||||
10,5 | |||||
Таблица 4.5. Рекомендуемые параметры электровозов
Наименование | Переменного тока | Постоянного тока | |
грузовой | пассажирский | ||
Мощность на валу тягового двигателя в часовом режиме, кВт | 850-900 | 850-900 | 650-750 |
Скорость в часовом режиме, км/ч | 50-60 | 80-100 | 47-50 |
Сила тяги в часовом режиме, приходящаяся на ось, кН | 54-60 | 32-37 | 50-55 |
Максимальная скорость, км/ч | 110-120 | 160-180 | 110-120 |
Нагрузка от колесной пары на рельс, кН | 197-206 |