Все расчёты на нагревание тяговых двигателей и генератора производятся путём определения превышения температуры обмоток якоря над температурой охлаждающего воздуха.
Построение кривой превышения температуры изоляции обмоток тяговых машин над температурой окружающей среды – τ = f(S) (температура перегрева ТЭМ) выполняется с помощью диаграммы тепловых коэффициентов Tv/60 = f(τ ∞ ). Наглядность результатов расчётов способствует лучшему пониманию физической сущности процесса нагревания и уменьшает вероятность ошибок. Предлагаемый метод значительно ускоряет выполнение расчётов в сравнении с аналитическим методом, так как диаграммы тепловых коэффициентов являются постоянными для каждой серии локомотива и могут быть использованы неоднократно при условии постоянства масштабов тяговых расчётов. Порядок расчета и построения диаграммы тепловых коэффициентов удобнее всего рассмотреть на примере расчетов для тепловоза М62. Расчеты представим в табличной форме:
Таблица 1.
|
|
I, А | v, км/ч | T, мин | τ ∞, град | Tv/60, ед. | I, А | v, км/ч | T, мин | τ ∞, град | Tv/60, ед. |
Ограничение по сцеплению | Ослабленное поле 1-ой ступени | ||||||||
42,8 | 216,5 | 0,71 | 30,2 | 81,0 | 14,60 | ||||
39,8 | 187,0 | 3,32 | 28,4 | 64,0 | 18,93 | ||||
37,2 | 154,5 | 6,20 | 27,6 | 55,5 | 23,00 | ||||
11,5 | 36,6 | 148,0 | 7.02 | 27,2 | 51,0 | 27,20 | |||
Полное поле | 27,15 | 50,0 | 27,60 | ||||||
11,5 | 36,6 | 148.0 | 7.02 | Ослабленное поле 2-ой ступени | |||||
33,3 | 111,5 | 8.32 | 43,5 | 29,7 | 76,0 | 21,53 | |||
30,2 | 81,0 | 10,07 | 28,8 | 68.5 | 24,00 | ||||
27,9 | 58,5 | 13,95 | 28,2 | 61,5 | 28,20 | ||||
33,5 | 27,4 | 54,0 | 15,30 | 27,7 | 57.0 | 32,32 | |||
27,4 | 53,0 | 36,53 | |||||||
27,15 | 50,0 | 40,72 |
Графы 1 и 2 таблицы 1 заполняют по данным графика зависимости тока ТЭД от скорости движения Iд = f(v) (рисунке 1) для полного (ПП) и ослабленного возбуждения (ОП1 и ОП2). В таблицу обязательно вносят значения токов для характерных точек тяговой характеристики: точка выхода на автоматическую характеристику – переход с ограничения по сцеплению (или по пусковому току) на ограничение по мощности; точки переходов ПП D ОП1, ОП1 D ОП2. В дополнение к характерным точкам тяговой характеристики на каждом отрезке кривой надо взять минимум два-три значения тока кратные 50 или 100 А. Для выбранных значений токов по токовой характеристике (рисунок 1) определяют соответствующие значения скорости (графа 2).
Графы 3 и 4 заполняют по данным тепловых характеристик тягового электродвигателя (рисунок 2). Для токов, указанных в графе 1, определяют значения тепловой постоянной Т и установившейся температуры (τ∞). Затем производят расчёт данных графы 5 - Tv/60. По данным табл. 1 для каждой ветви: ограничение по сцеплению (или по пусковому току, например, для тепловоза ТЭП60); ПП; ОП1 и ОП2 строят в соответствующих масштабах кривые Tv/60 = f(τ∞) (рисунок 3), для М-62 кривые ограничения: 1 –по сцеплению и полному полю ПП, 2 ‑ по ОП1, 3 – по ОП2) с указанием значений соответствующей скорости движения (графа 2) около кривых.
|
|
Рисунок 1. Токовая характеристика тепловоза М62.
Рисунок 2. Тепловые характеристики тяговых двигателей.
Рисунок 3. Графическое изображение тепловых характеристик.
Для построения кривой нагревания тяговых машин – τ = f(S) в режиме холостого хода - Tоv/60 = f(τ∞) (а для тепловоза ТЭП60 и в режиме ограничения разгона по пусковому току Tрv/60 = f(τ∞)), рассчитывают значения тепловых коэффициентов
где То = 24,3 мин – тепловая постоянная двигателя тепловоза М62 при холостом ходе;
Тр = 58,1 мин – тепловая постоянная двигателя тепловоза ТЭП60 при разгоне;
τ∞ = 353 оС – установившаяся температура двигателя тепловоза ТЭП60 при разгоне.
Коэффициенты Tрv/60 при разгоне тепловоза ТЭП60 для скоростей 10 и 20 км/ч равны соответственно 9,69 и 19,37. Для режима холостого хода тепловоза М62 коэффициенты Tоv/60 приведены в таблице 2:
Таблица 2.
Скорость тепловоза, км/ч | |||||||||
Tоv/60 | 4,05 | 8,1 | 12,15 | 16,2 | 20,25 | 24,3 | 28,35 | 32,4 | 36,45 |
Трогание с места и разгон поезда, как правило, происходят при максимально допустимом токе тягового двигателя, который остается практически постоянным до выхода на автоматическую характеристику (например, пусковой ток у тепловоза ТЭП60). Так как при этом Тр –величина постоянная, соответствующая току при разгоне, то зависимость Tрv/60 = f(τ∞) представляет прямую линию, проведённую через точку τ∞р параллельно оси ординат (линия 4 - τ ∞ р " Tрv/60 на рисунок 4-а).
Для режима выбега и при пневматическом торможении значение То также постоянно, а значение τ∞о = 0. Поэтому зависимость Tоv/60 = f(τ∞) также представляет собой прямую линию на оси ординат при τ∞о = 0 (линия 4 на рисунке 3).
Для графического построения необходимо выбрать масштабы диаграммы тепловых коэффициентов и кривой нагревания τ = f(S). Между масштабами должно соблюдаться соотношение:
ms / mτ = mTv/60 / mτ∞,
где ms – масштаб пути, выбранный ранее при построении кривой скорости v =f(S); mτ – масштаб кривой нагревания (температуры перегрева); mTv/60 - масштаб тепловых коэффициентов; mτ∞ - масштаб установившейся температуры.
Рисунок 4. Построение кривой нагревания тяговых электрических машин.
Для удобства построения на графике тепловых коэффициентов наносят вспомогательные кривые зависимости скорости движения v от установившейся температуры (кривые 5, 6 и 7). Для их построения наносят в произвольном масштабе временную шкалу скорости. затем из точек скорости на кривых 1, 2 и 3 делают вертикальный перенос значений τ∞ на соответствующие значения скорости временной шкалы. Пунктирными линиями показан порядок построения вспомогательной кривой v = f(τ∞) для полного поля тяговых двигателей (кривая 5). Аналогично строят вспомогательные кривые для ослабленного возбуждения ОП1 и ОП2 (кривые 6 и 7).
Кривую превышения температуры ТЭД в режиме разгона (до выхода на автоматическую характеристику) строят следующим образом (рисунок 4-а). На оси S построенной кривой скорости выбирают отрезок Δ S1 (рекомендуется выбрать Δ S1= 2 мм), для которого по кривой v(S) находят среднюю скорость движения поезда vср1. На оси Tоv/60 выбирают точку В, соответствующую vср1, а на оси абсцисс – точку А, соответствующую начальному превышению температуры τо. Через точки А и В проводят прямую и к ней из точки С планшета кривой скорости восстанавливают перпендикуляр в пределах отрезка пути Δ S1. Точка τк1 соответствует в выбранном масштабе mτ конечному превышению температуры, достигаемой в конце отрезка Δ S1. Затем выбирают отрезок Δ S2 (не более 3 мм) и определяют среднюю на этом отрезке пути скорость движения vср2. Точка А′ соответствует температуре τ к1 (эта температура является начальной для второго отрезка пути), а точка В′ соответствует средней скорости движения vср2 на отрезке пути Δ S2. Проведя через эти две точки прямую линию, восстанавливаем перпендикуляр из точки τ к1 до конца отрезка Δ S2 (точка τ к2). Аналогичные построения ведут до скорости, соответствующей скорости выхода на автоматическую характеристику (точка Д кривой скорости).
|
|
После выхода на автоматическую характеристику графические построения ведут аналогично. На оси S выбирается отрезок Δ S и для него определяют среднюю скорость движения vср (рисунок 4-б). если значение vср не указано на кривых 1, 2 и 3 диаграммы тепловых коэффициентов (см рисунок 3), то его находят, пользуясь вспомогательными кривыми 5, 6 и 7. Соединив прямой линией точки vср (точка А) и точку начальной температуры τн на отрезке Δ S (см. рисунок 4-б), восстанавливают перпендикуляр из точки В кривой температуры перегрева до конца отрезка Δ S (точка С). Конечная температура перегрева τ к на отрезке Δ S является начальной для следующего отрезка пути.
Отрезки пути Δ S следует выбирать так, чтобы границы отрезков являлись границами перехода с одного режима движения на другой, а также точки перелома кривой скорости при переходе поезда с одного элемента профиля на другой. Для большей точности расчётов отрезки пути Δ S необходимо выбирать такими, чтобы изменение скорости на графике было не более 10 мм (Δ v ≤ 10 мм).
При езде без тока построение кривой превышения температуры ведут следующим образом (рисунок 4-в). Для выбранного отрезка пути Δ S определяют среднюю скорость движения поезда vср. Значение её – V км/ч откладывают на оси Tоv/60 (цифры слева от оси) диаграммы тепловых коэффициентов (точка А). На оси τ∞ определяют точку В, соответствующую начальной температуре на отрезке Δ S. Через точки А и В проводят прямую линию и к ней восстанавливают перпендикуляр τн - τк в пределах отрезка Δ S. Длины отрезков пути, при постоянной скорости движения (без переломов кривой скорости движения), выбирают длиной не более 1 км.
|
|
Для удобства построения кривую температуры τ(S) обрывают аналогично кривой времени.
Так как расчёты на нагревание генератора и тяговых электродвигателей производят путем определения превышения температуры лимитирующих обмоток над температурой охлаждающего воздуха, то температура нагрева обмоток тяговых машин определяется из выражения τ = τ max + tнв
где τ max – максимальная температура превышения нагревания тяговой машины на участке, определённая по кривой τ(S); tнв –температура окружающего воздуха, в оС
Для большинства локомотивов температуру охлаждающего воздуха принимают равной температуре наружного воздуха. Наибольшее допускаемое превышение температуры обмоток над температурой окружающего воздуха при его максимальной температуре tнв max ≤ 40 оС определять по таблице 3
Таблица 3
Обмотки | τдоп оС, для классов изоляции | ||
B | F | H | |
Якоря | 120*1 | 140*2 | 160*3 |
Полюсов |
*1 Тепловозы ЧМЭ3, ТЭМ2, М62, 2М62, ТЭ10Л, ТЭП60
*2 Тепловозы ТЭ10В, ТЭ10М, ТЭ116
*3 Тепловоз ТЭП70.
При максимальной температуре наружного воздуха более +40 оС допускаемое превышение температур обмоток тяговых электрических машин уменьшать на соответствующее число градусов. Максимальную температуру наружного воздуха принимать по данным метеорологических станций как среднюю многолетнюю (не менее 5 лет) по замерам в 7, 13 и в 19 ч по местному времени для летнего периода за июнь, июль и август и определять по формуле
tнв = (t7 + 2 t13 + t19)/4 (1)
но не ниже + 15 оС, а для зимнего периода за декабрь, январь и февраль - не ниже 0 оС.
При отправлении тепловоза со станции после длительной стоянки (свыше 2 ч) начальную температуру перегрева обмоток τн принимать + 15 оС. При меньших стоянках температуру перегрева определять по предыдущему рейсу как температуру в момент прибытия, снижая её за время стоянки по кривой охлаждения, приводимой в ПТР.
Проверку тяговых электрических машин на нагревание делать в том случае, когда вводится ограничение скорости движения на труднейших подъемах или на походе к ним.
На участках с сосредоточенными подъёмами проверку нагревания генератора и тяговых двигателей выполнять от станции отправления до прохода последнего пикета подъёма. Расчёт проводится для летнего и зимнего времени.
Наибольшее превышение температуры, полученное при расчёте, в зимнее время следует привести к расчётной температуре наружного воздуха с учетом влияния устройства снегозащиты по формуле
τ р = τ ∙Ксз∙Кнв (2)
где Ксз – коэффициент, учитывающий снижение расхода воздуха на охлаждение при постановке фильтров, принимается по ПТР. Для зимних условий Ксз=1,1, а для летних условий Ксз=1,1.
Значения коэффициента Кнв принимают также по данным ПТР (см. таблицу 4)
Таблица 4
Обмотки | Кнв для tнв , в оС | |||||||
Полюсов | 0,9 | 0,92 | 0,94 | 0,96 | 0,98 | 1,02 | 1,04 | |
Якоря | 0,94 | 0,95 | 0,96 | 0,98 | 0,99 | 1,01 | 1,02 |
Для случаев, когда тепловоз работает на промежуточных позициях контроллера, превышение температуры τ∞, приведённое в тепловых характеристиках тяговых электрических машин, умножается на коэффициент К п, имеющий следующие значения:
Таблица 5
Позиция контроллера nк | 13 - 12 | |||
Коэффициент К п | 1,05 | 1,08 | 1,15 | 1,2 |
При необходимости результаты расчёта перегрева электрических машин следует проверять опытными поездками. Перед проведением опытных поездок по техническим данным определяют лимитирующую по нагреванию электрическую машину. По результатам предварительных испытаний тепловоза – по распределению охлаждающего воздуха и токов нагрузки по двигателям определяют двигатель, работающий в наиболее тяжёлых условиях. В опытных поездках температуру обмоток замеряют перед отправлением и после прибытия на конечный пункт. Места остановок для замеров выбирают на основании тяговых расчётов, анализа профиля пути и данных предварительных опытных поездок. Кроме того, в тех местах, где по результатам предварительных расчётов ожидаются максимальные температуры и резкие изменения температуры нагревания, также делаются остановки по определению температуры при остановленном поезде.
Предварительные расчеты по нагреванию в этом случае могут быть выполнены для наиболее нагруженного двигателя с учетом неравномерного токораспределения. Для этого характеристику Iд = f(v) перестраивают с учетом повышения токов двигателя на определённую величину на разных участках токовой характеристики.
Контрольные вопросы
1. Как определить нагревания тягового двигателя, если ток его в эксплуатации превышает паспортный?
2. В чем заключается разница в определении температуры нагревания тяговой машины в зимний и летний периоды?
3. Каким образом проверяется фактическая температура нагревания тяговых машин в эксплуатации?
4. Почему при определении температуры нагревания тяговой машины способом А.И. Матвеенко участки пути, проходимые на выбеге, рекомендуется принимать равными не более 1 км.?