Характеристика тягового двигателя поездов

Ключевой критерий выбора

Иркутские учёные предлагают повысить энергетическую эффективность электровозов с помощью модернизации

Новейшие отечественные электровозы «Ермак» (2,3,4, ЭС5К) позволяют сегодня водить грузовые поезда большой массы и длины. По данным за 2013–2015 годы, у этих электровозов более высокие показатели надёжности и безопасности, чем у других современных электровозов. Правда, в статистических данных отсутствует графа «отказы» такого важного оборудования, как тяговые двигатели НБ-514. Но затраты электроэнергии на тягу поездов у этих электровозов высоки, что снижает их энергетическую эффективность. Я считаю, что магистральный грузовой электровоз переменного тока нужно оценивать по двум, на мой взгляд, ключевым эксплуатационным критериям. Первый: он должен обладать высокой энергетической эффективностью в режимах тяги и рекуперативного торможения, что достигается при высоких коэффициентах мощности и полезного действия. Второй критерий: наличие для этого у электровоза регулировочных возможностей в широком диапазоне скоростей. Соответствие этим критериям и определяет выбор тягового электропривода (коллекторного или асинхронного). В чём их отличие и преимущества?

Для коллекторного привода достижение коэффициента мощности не менее 0,95 и полезного действия не менее 0,86 возможно лишь с использованием новых силовых выпрямительно-инверторных преобразователей (ВИП) и выпрямительных установок возбуждения (ВУВ) на основе силовых IGBT-транзисторов. В Иркутском университете путей сообщения выполнены научно-исследовательские и проектно-конструкторские работы по таким преобразователям. Более того, с ноября 2014 года опытную эксплуатацию на Восточном полигоне успешно проходит электровоз ВЛ80Р №1829, оборудованный выпрямительной установкой возбуждения на транзисторах. А для проведения испытаний выпрямительно-инверторного преобразователя необходимо решить вопрос разработки и изготовления опытного образца. Благодаря поддержке ОАО «РЖД» молодые учёные ведут работу в данном направлении.

У электровоза с коллекторным приводом в диапазоне средних и высоких скоростей регулировочные возможности достигаются большим количеством нефиксированных мягких тяговых и тормозных характеристик при неизменяющемся значении напряжения двигателя на каждой из позиций. Причём электровоз может работать долго, оставаясь на одной и той же такой характеристике в большом диапазоне скорости (20–30 км/ч).

В зоне низких и средних скоростей грузового поезда на сложном профиле пути сила тяги сохраняется максимальной за счёт снижения скорости до допустимой величины. Это очень важная возможность для преодоления подъёмов большой крутизны. Нефиксированные мягкие тормозные характеристики позволяют при повышении скорости увеличивать возврат электроэнергии в сеть при рекуперативном торможении.

При асинхронном приводе, например, с двигателем 6 FRA 4567 G электровоза 2ЭС5 «Скиф» достигнуть коэффициентов мощности не менее 0,95 и полезного действия не менее 0,86 можно с помощью преобразователей частоты, состоящих из управляемых выпрямителя и автономного инвертора, выполненных на основе силовых IGBT-транзисторов.

Однако достижение широких регулировочных возможностей в том же диапазоне у асинхронного двигателя невозможно. У него в отличие от коллекторного привода жёсткие нефиксированные характеристики. С изменением скорости практически не меняется сила тяги, и электровоз не может осуществлять автоматическое регулирование скорости. Для этого необходимо в автоматическом режиме изменять пропорционально друг другу величины частоты тока и напряжения в статорных обмотках асинхронного двигателя. В результате появляются тяговые и тормозные характеристики, которые при увеличении скорости приводят к постоянству или некоторому повышению величины мощности электровоза в режимах тяги и рекуперативного торможения. А это увеличивает как расход электроэнергии, так и возврат её в сеть.

Для подтверждения этих выводов приведу пример. Опытная эксплуатация пяти «Скифов» с асинхронным приводом в 2014–2015 годах на участке Тайшет – Вихоревка – Северобайкальск Восточно-Сибирской дороги показала, что удельный расход электроэнергии на тягу поездов у этих электровозов на 15–20% больше, чем у электровозов «Ермак». Это говорит о том, что электровозы «Скиф» на самом деле имеют более низкую энергетическую эффективность по сравнению с электровозами «Ермак».

В ноябре 2015 года на участке Хабаровск 2 – Бикин Дальневосточной дороги были проведены опытные измерения параметров работы электровоза 3ЭС5К «Ермак» с коллекторным приводом при ведении поезда массой 6119 тонн по перевальному участку пути. Они показали, что у него на 15% меньше расход электроэнергии на тягу поезда, чем у электровоза 2ЭС5 «Скиф» с жёсткими тяговыми характеристиками. Не следует забывать и о том, что у двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением большая перегрузочная способность и устойчивость работы при росте сил сопротивления движению. В тех же самых условиях асинхронные двигатели могут снизить устойчивую работу не только при перегрузке, но и при уменьшении напряжения в контактной сети.

Могут спросить: а какова оптимальная мощность тягового электродвигателя? В электровозах «Ермак» мощность тягового двигателя типа НБ-514 – 825 кВт, и её можно считать вполне достаточной для реализации силы тяги на пределе сцепления при нагрузке от оси колесной пары до 25 тс. Большая мощность не нужна, так как она не может быть реализована из-за возникающего боксования даже при нормальных условиях сцепления. А увеличивать нагрузку от оси выше, чем 25 тс, нельзя ввиду негативного воздействия на путь.

Я считаю, что для вождения поездов большой массы и длины нужно добавлять новые секции, что и делается сегодня на примере электровоза «Ермак». Но этим не стоит увлекаться, потому что и здесь имеются свои ограничения. Согласно рекомендации ВНИИЖТа максимально возможной силой тяги электровоза по условиям прочности автосцепки является величина 120 тс. Таким образом, при трогании тяжеловесного поезда с места с головы состава больше четырёх секций электровоза ставить нельзя. В этой связи мощность асинхронного двигателя 6 FRA 4567 G – около 1050 кВт на электровозе «Скиф», которая на 21% больше, чем у тягового двигателя НБ-514 электровоза «Ермак», является излишней и не может быть использована за пределами сцепления. Мощность 2ЭС5 является не преимуществом перед электровозом с коллекторным приводом, а скорее недостатком в силу неполного использования мощности двигателей. В оценке электровоза «Скифа» надо учесть и то, что стоимость его ещё год назад была в 2,5 раза больше, чем «Ермака» с коллекторным приводом.

Проведя, по предложению учёных ИрГУПСа, модернизацию серии электровозов «Ермак» и перевод их на новые транзисторные преобразователи ВИП и ВУВ, ОАО «РЖД» получит электровозы с высокой энергетической эффективностью и лучшими регулировочными возможностями. Правда, стоимость первых таких электровозов будет на 10–15% выше старой цены за счёт импортных транзисторов. Но с переходом на отечественные транзисторы цены сравняются. Учитывая большие размеры тяжеловесного движения на сети дорог, экономический эффект от эксплуатации модернизированных электровозов будет значительным.

ОСНОВЫ ТЯГИ ПОЕЗДОВ

Осипов СИ., Осипов С.С. Основы тяги поездов. Учебник для студентов техникумов и колледжей ж/д тр-та — М.: УМК МПС России, 2000. — 592 с.

В книге изложены основы теории тяги поездов, методы тяговых расчетов при электрической и тепловозной тяге, управление электровозами, электропоездами, тепловозами и их обслуживание. Рассмотрены силы, действующие на поезд, их влияние на характер его движения, вопросы расхода электрической энергии и топлива на тягу. Рассказано о тепловых режимах работы тяговых электродвигателей и генераторов при работе локомотивов. Уделено внимание приемам управления локомотивом и мотор-вагонным подвижным составом, предупреждению, обнаружению и устранению неисправностей электроподвижного состава и тепловозов, соблюдению правил техники безопасности. Для лучшего усвоения теоретического материала приведены примеры решения задач. При выполнении расчетов предусмотрено использование вычислительной техники.

Настоящая книга является учебником для техникумов и колледжей железнодорожного транспорта и соответствует программе по основам локомотивной тяги для специальности: № 1707 «Техническая эксплуатация, обслуживание и ремонт подвижного состава железных дорог», специализации № 170701 «Техническая эксплуатация, обслуживание и ремонт тягового подвижного состава».
Она написана так, чтобы ей было удобно пользоваться лицам, изучающим каждый вид тяги. Весь материал, касающийся только одного вида тяги, выделен в отдельные главы и разделы. Изложение ведется с учетом Правил тяговых расчетов для поездной работы, использованием Международной системы единиц (СИ) и других указаний МПС в области тяги поездов.
Рассматривая вопросы теории электрической и тепловозной тяги, авторы стремились в первую очередь возможно проще раскрыть их физическую сущность. Для лучшего уяснения теоретических положений они дополнены практическими примерами.
Большое внимание в книге уделено характеристикам новых серий выпускаемого подвижного состава. Кроме того, даны общие представления об импульсном регулировании напряжения и перспективном тяговом подвижном составе с бесколлекторными тяговыми электродвигателями.
После рассмотрения вопросов тяги поездов в учебнике приведены приемы обслуживания тягового подвижного состава и управления им в различных условиях с соблюдением условий техники безопасности.

Оглавление
ОТ АВТОРОВ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1 СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ПОЕЗД. ОБРАЗОВАНИЕ СИЛЫ ТЯГИ
1.1. Характеристика сил, действующих на поезд
1.2. Образование силы тяги
1.3. Касательная сила тяги и ее ограничение
1.4. Факторы, влияющие на реализацию сил сцепления колес с рельсами
1.5. Повышение использования тяговых свойств локомотивов
1.6. Расчетный коэффициент сцепления
Глава 2 ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ И ТЯГОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА ПОСТОЯННОГО ТОКА
2.1. Электромеханические характеристики на валу тягового электродвигателя постоянного тока
2.2. Электромеханические характеристики тягового электродвигателя, отнесенные к ободам колес
2.3. Пересчет характеристик при изменении передаточного отношения редуктора и диаметров колесных пар
2.4. Сравнение характеристик при различных способах возбуждения тяговых электродвигателей
2.5. Выбор характеристик электродвигателей для тяги поездов
2.6. Тяговые и удельные тяговые характеристики электроподвижного состава
Глава 3 РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА ПОСТОЯННОГО ТОКА
3.1. Способы регулирования скорости движения
3.2. Характеристики при изменении напряжения на тяговых электродвигателях
3.3. Характеристики при регулировании возбуждения
3.4. Процесс изменения скорости при скачкообразном изменении напряжения и включении ступени ослабления возбуждения
3.5. Пуск и разгон электроподвижного состава
3.6. Расчет ступеней пускового реостата и построение пусковой диаграммы
3.7. Коэффициент пусковых потерь
3.8. Понятие об импульсном регулировании напряжения
3.9. Электромеханические и тяговые характеристики при разных уровнях напряжения и регулировании возбуждения
Глава 4 ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
4.1. Особенности электрической тяги на переменном токе
4.2. Внешние характеристики преобразовательной установки
4.3. Характеристики тяговых электродвигателей с учетом внешней характеристики
4.4. Регулирование скорости движения при ступенчатом регулировании напряжения
4.5. Плавное регулирование напряжения
4.6. Характеристики электроподвижного состава со статическими преобразователями
Глава 5 ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОВОЗОВ
5.1. Особенности тяговых свойств
5.2. Сила тяги тепловоза по дизелю
5.3. Сила тяги в зависимости от типа передачи
5.4. Внешние характеристики главных генераторов
5.5. Тяговые характеристики и их ограничения
Глава 6 СИЛЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЮ ПОЕЗДА
6.1. Силы основного сопротивления движению поезда
6.2. Формулы для расчета сил основного удельного сопротивления движению
6.3. Основное удельное сопротивление движению поезда
6.4. Дополнительное сопротивление движению
6.5. Общее сопротивление движению поезда
6.6. Мероприятия по снижению сил сопротивления движению поездов
Глава 7 ТОРМОЗНЫЕ СИЛЫ ПОЕЗДА
7.1. Общие сведения
7.2. Образование тормозной силы при механическом торможении и ее ограничение
7.3. Расчет тормозных сил поезда
7.4. Действие тормозных сил в длинносоставных поездах повышенной массы
7.5. Общие сведения об электрическом торможении
7.6. Характеристики реостатного торможения.
7.7. Характеристики рекуперативного торможения
Глава 8 УРАВНЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДА
8.1. Условия движения поезда
8.2. Уравнение движения поезда и его анализ
8.3. Общие принципы решения уравнения движения поезда
8.4. Спрямление и приведение профиля пути
8.5. Аналитический метод решения уравнения движения поезда
8.6. Графический метод решения уравнения движения поезда
8.7. Практические приемы построения кривых скорости и времени в функции пути
8.8. Определение времен хода методом установившихся скоростей .
Глава 9 РАСЧЕТ МАССЫ ПОЕЗДА
9.1. Общие сведения
9.2. Методы расчета массы состава
9.3. Проверка массы состава по условиям трогания поезда с места
9.4. Проверка массы состава по длине станционных путей
9.5. Принципы установления норм массы поездов
9.6. Особенности расчетов при работе поездов повышенных массы и длины
Глава 10 ТОРМОЖЕНИЕ ПОЕЗДОВ И ТОРМОЗНЫЕ ЗАДАЧИ
10.1. Принципы тормозных расчетов
10.2. Тормозные задачи и методы их решения
10.3. Тормозные расчеты с помощью номограмм
Глава 11 ТОКОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И КРИВЫЕ ТОКА
11.1. Токовые характеристики электроподвижного состава постоянного тока
11.2. Токовые характеристики электроподвижного состава переменного тока
11.3. Построение кривых тока электроподвижного состава
11.4. Кривые тока тяговых электрических машин тепловозов
Глава 12 НАГРЕВАНИЕ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ И ГЕНЕРАТОРОВ
12.1. Общие сведения
12.2. Аналитический метод расчета нагревания электрических машин
12.3. Другие методы расчета нагревания электрических машин
Глава 13 РАСХОД ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И ТОПЛИВА
13.1. Факторы, влияющие на расход электрической энергии и топлива
13.2. Определение расхода электрической энергии на движение поезда графоаналитическим методом
13.3. Графический метод определения расхода электроэнергии
13.4. Аналитический метод определения расхода электрической энергии
13.5. Полный и удельный расход электрической энергии
13.6. Взаимодействие электроподвижного состава и системы электроснабжения.
13.7. Определение расхода топлива тепловозами и дизель-поездами
13.8. Техническое нормирование расхода электрической энергии и топлива
13.9. Способы уменьшения расхода электрической энергии и топлива
Глава 14 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БЕСКОЛЛЕКТОРНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ ТЯГИ ПОЕЗДОВ
14.1. Общие сведения
14.2. Характеристики электроподвижного состава с вентильными тяговыми двигателями
14.3. Характеристики тягового подвижного состава с асинхронным тяговыми двигателями
Глава 15 ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН ДЛЯ ТЯГОВЫХ РАСЧЕТОВ
15.1. Общие сведения
15.2. Информация, необходимая для тяговых расчетов
15.3. Порядок расчетов на ЭВМ
Глава 16 ОПЫТНЫЕ ПОЕЗДКИ И ИСПЫТАНИЯ ЛОКОМОТИВОВ
16.1. Испытания тяговых электродвигателей и генераторов
16.2. Испытания локомотивов
16.3. Опытные поездки при тягово-эксплуатационных испытаниях локомотивов
Глава 17 УПРАВЛЕНИЕ ЛОКОМОТИВАМИ И ИХ ОБСЛУЖИВАНИЕ
17.1. Подготовка локомотивов, электро- и дизель-поездов к работе и выезд из депо
17.2. Обеспечение безопасности движения поездов
17.3. Сцепление локомотива с составом и опробование тормозов
17.4. Управление локомотивом при трогании поезда с места
17.5. Управление локомотивом в процессе следования с поездом
17.6. Управление электропоездом
17.7. Управление электровозом в режиме электрического торможения
17.8. Управление локомотивом при ведении длинносоставного поезда повышенной массы
17.9. Особенности вождения поездов в зимних условиях
17.10. Правила пользования поездной радиосвязью
Глава 18 НЕИСПРАВНОСТИ ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА И ИХ УСТРАНЕНИЕ
18.1. Неисправности механического оборудования
18.2. Неисправности электрических машин и аппаратов
18.3. Неисправности в электрических цепях
18.4. Обнаружение неисправностей в электрических цепях
Глава 19 ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ НА ЛОКОМОТИВЕ И МОТОРВАГОННОМ ПОДВИЖНОМ СОСТАВЕ.
19.1. Организация работ по технике безопасности
19.2. Общие меры безопасности
19.3. Меры безопасности при эксплуатации электроподвижного состава
19.4. Меры безопасности при обслуживании тепловозов и дизель-поездов
19.5. Противопожарные меры
Приложение 1
ПРИМЕР ТЯГОВЫХ РАСЧЕТОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОВОЗА ПОСТОЯННОГО ТОКА
Приложение 2
ПРИМЕР ТЯГОВЫХ РАСЧЕТОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОВОЗА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.
Приложение 3
ПРИМЕР ТЯГОВЫХ РАСЧЕТОВ ДЛЯ ТЕПЛОВОЗА
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Силы, действующие на поезд

Во время движения на поезд действуют различные силы. Они могут оказывать свое влияние временно или постоянно, достигать различной величины и иметь направление в сторону движения поезда или против. К таким силам относятся сила тяги, тормозная сила и силы сопротивления движению. При торможении, как правило, сила тяги не оказывает влияния на поезд и остаются лишь тормозная сила и силы сопротивления.

Тормозной силой называется искусственно создаваемая и управляемая человеком сила, направленная против движения вагона, локомотива или поезда в целом. Применяется эта сила в тех случаях, когда необходимо: снизить скорость движения поезда; остановить поезд в заранее намеченном месте; остановить поезд при возникновении препятствия на пути или лри появлении запрещающего сигнала. Тормозную силу обозначают буквой В_т и измеряют в кгс.

Силы сопротивления бывают двух видов: основные и дополнительные. Первые возникают в результате трения шеек осей о подшипники, трения качения и скольжения колес по рельсам, а также от сопротивления воздуха движущемуся подвижному составу. Эти силы, обозначаемые буквой действуют постоянно и направлены против движения поезда.

Дополнительное сопротивление возникает при движении поезда на подъем в результате действия соста в л я ю ще й Щ от веса поезда Q. Если поезд идет по горизонтальному пути (рис. а), эта составляющая равна нулю и вес поезда не изменяет характера движения.

При следовании по спуску (рис. б) силаЩ направлена в сторону движения и, следовательно, уменьшает тормозную силу. На подъеме (рис. в) сила направлена против движения поезда и способствует его торможению.

Основные и дополнительные силы сопротивления, действующие на поезд, обычно измеряют в кгс.

На железнодорожном транспорте применяют следующие виды торможения:

фрикционное, при котором силы трения создаются непосредственно на поверхности катания колес подвижного состава или на специальных дисках, жестко связанных с колесными парами. Силы трения на поверхности катания колес создаются при помощи колодочного тормоза путем прижатия тормозных колодок I к колесам (рис. а). На поверхности специального диска 2 (рис. б) сила трения создается прижатием к нему тормозных накладок 3. Такой тормоз называется дисковым;

реверсивное, осуществляемое переключением тяговых двигателей на режим генераторов — источников тока. Такое торможение часто называют электрическим или динамическим. Оно бывает рекуперативным с возвращением вырабатываемой электроэнергии в контактную сеть или реостатн ым, когда ток поглощается специальными резисторами, в которых электрическая энергия превращается в тепловую и затем рассеивается в окружающую среду;

магнитно-рельсовое, достигаемое воздействием башмаков 4 (рис. в) с электромагнитами на рельсы.

Основным видом торможения, применяемым на железных дорогах, является фрикционное при помощи колодочного тормоза. Электрическое (рекуперативное или реостатное) торможение применяется на моторных вагонах и некоторых локомотивах. Дисковые и магнитно-рельсовые тормоза используются в скоростных пассажирских поездах.

Образование тормозного момента происходит так. Если к вращающемуся колесу, нагруженному силой @ (рис. а на стр. 6), прижать тормозную колодку с силой К, то между поверхностью катания колеса и колодкой возникнет сила трения В_к. Эта сила на плече, равном радиусу г, создает тормозной момент В_кг, направленный против вращения колеса.

Однако этот тормозной момент, создаваемый внутренней ло отношению к вагону или локомотиву силой, не может сам по себе произвести торможение. По законам механики необходимо приложить еще момент от внешней силы. Такой силой является сила С — реакция рельса, или сила сцепления колеса с рельсом в точке касания.

Таким образом, в результате взаимодействия внутренних и внешних сил создается тормозной момент.

При электрическом торможении поезда машинист выключает тяговые двигатели, но поезд ло инерции, а на спусках и под действием силы тяжести продолжает двигаться. На колесо действует вращающий момент от силы С (рис. б) сцепления колеса с рельсом и от равной ей силы С_х, приложенной в центре колеса. Этот момент передается на вал якоря тягового двигателя. Поскольку этот двигатель переключен машинистом на режим генератора, при вращении якоря создается электрический ток. Таким образом, механическая энергия движущегося поезда будет затрачиваться на вырабатывание электрической энергии и скорость поезда начнет снижаться.

Расположение тормозных колодок на колесе бывает одностороннее и двустороннее. При одностороннем расположении (рис. в) к колесу прижимается одна колодка, что упрощает тормозную рычажную передачу и облегчает ее обслуживание. Однако если колодки чугунные, то эффективность торможения при этом заметно снижается вследствие уменьшения коэффициента трения между колодкой и колесом при большом удельном давлении на колодку.

Двустороннее расположение колодок (рис. г) усложняет рычажную передачу и ее обслуживание, но зато обеспечивает большую эффективность торможения, особенно с чугунными колодками. Объясняется это тем, что при одинаковой силе нажатия на колесо удельное давление на колодки при двустороннем их расположении почти в 2 раза меньше, чем при одностороннем.

На грузовом подвижном составе применяется прямодействующий автоматический тормоз.

Ручка крана машиниста такого тормоза имеет несколько положений. При / положении происходит зарядка и отпуск тормоза (рис. а). Сжатый воздух подается компрессором 9 в главный резервуар 8, а оттуда — в питательную магистраль 7. Тормозная магистраль I через кран машиниста б сообщается с питательной магистралью, тормозной цилиндр 2 через воздухораспределитель 4 — с атмосферой, а запасный резервуар 3 через обратный клапан 5 — с тормозной магистралью.

Во время торможения (рис. б) ручку крана машиниста 6 переводят в III положение. При этом давление в тормозной магистрали 1 снижается (воздух через кран машиниста выпускается в атмосферу), воздухораспределители 4 приходят в действие, разобщают тормозные цилиндры 2 с атмосферой и сообщают их с запасными резервуарами 3. Под давлением сжатого воздуха поршни тормозных цилиндров перемещаются, а тормозные колодки при помощи системы тяг и рычагов (рычажной тормозной передачи) прижимаются к колесам.

Чтобы сохранить необходимое давление воздуха в тормозных цилиндрах, ручку крана машиниста переводят в положение II — ле-рекрыши. В зависимости от величины снижения давления воздуха в магистрали торможение может быть полным или ступенчатым. Отпуск тормозов также бывает полным или ступенчатым.

Кран машиниста осуществляет автоматическое пополнение утечек воздуха из тормозной сети, а также наполнение запасных резервуаров через воздухораспределители. Благодаря этому тормоз становится неистощимым и называется прямодействующим.

Автоматическим тормоз называется потому, что в случае обрыва поезда или повреждения его тормозной магистрали, а также при открывании стоп-крана он автоматически приходит в действие.

При наполнении тормозных цилиндров сжатым воздухом из запасных резервуаров через воздухораспределители происходит торможение поезда.

После выпуска воздуха из цилиндров через воздухораспределители в атмосферу наступает отпуск тормозов.

Торможение. В начале наполнения тормозного цилиндра сжатым воздухом происходит скачок давления, который необходим для того, чтобы преодолеть сопротивление поршня и деталей тормозной рычажной передачи и ускорить их холостой ход до момента прижатия тормозных колодок к колесам.

Дальнейшее наполнение цилиндра может осуществляться ступенями или сразу до полного давления, как показано на диаграмме о.

Наибольшая величина давления р в тормозном цилиндре составляет 3.8—4,2 кгс/см 2 для пассажирских вагонов, 3,8—4,5 кгс/см 2 для грузовых на груженом режиме, не менее 2,8 кгс/см 2 — на среднем режиме и в пределах 1,4 — 1,8 кгс/см 2 — на порожнем режиме торможения.

Время наполнения I измеряется после повышения давления в цилиндрах от 0 до 3,5 кгс/см 2 и при проверке на испытательном стенде должно быть для тормозов пассажирского типа в пределах 5—7с при пневматическом управлении, 3—4 с при электрическом управлении, а для тормозов грузового типа — 15—20 с.

Отпуск тормоза. В процессе отпуска тормоза воздух выпускается из цилиндров полностью — полный отпуск, как показано на диаграмме б, или частично — ступенчатый отпуск.

Время отпуска исчисляют до момента, когда давление в тормозном цилиндре снизится до 0,4 кгс/см 2 .

При проверке на испытательном стенде время отпуска после полного служебного торможения составляет для тормоза пассажирского типа 9—12 с, а для тормоза грузового типа 15—25 с на равнинном режиме и 35—40 с на горном режиме.

Сравнение характеристик тяговых электродвигателей.

Для того чтобы выполнить сравнение характеристик тяговых двигателей необходимо определиться с перечнем требований предъявляемых к ним.

Требования, предъявляемые к характеристикам тяговых электродвигателей.Характеристики электродвигателей используемых для тяги поездов должны удовлетворять следующим условиям:

· электрическая устойчивость режимов работы;

· механическая устойчивость движения поезда;

· равномерное распределение нагрузок между параллельно работающими тяговыми двигателями;

· возможно меньшие изменения нагрузки двигателей при колебаниях напряжения в контактной сети;

· наименьшие изменения потребляемой мощности при движении поезда по различным элементам профиля;

· экономичное регулирование скорости в широком диапазоне;

· наименьший расход энергии на тягу поездов;

· использование рекуперативного торможения;

· максимальное использование сцепления колесных пар с рельсами;

· надежность в работе.

Под электрической устойчивостью понимается восстановление электродвигателями значения установившегося тока при незначительных случайных его отклонениях. Данное требование является наиболее важным, так как при наличии электрической неустойчивости двигатель не может быть использован на практике.

Электрическую устойчивость устанавливают при рассмотрении уравнения (3), преобразованное к виду (16) с учетом закономерностей определяющих изменение магнитного потока, так как частоту вращения при быстро протекающих электрических процессах можно считать практически неизменной.

. (16)

Из всех перечисленных вариантов возбуждения тяговых двигателей к электрическй неустойчивости может привести встречно-смешанное возбуждение двигателей.

Механической устойчивостьюназывают стремление тягового электродвигателя к восстановлению установившейся скорости движения при возникновении ее отклонений. Как известно из механики установившееся движение возникает при равенстве силы тяги силам сопротивления движению. Для определения механической устойчивости тяговых двигателей с различными системами возбуждения нанесем на рисунок 6 кривую сил сопротивления движению (рисунок 7), которые несколько возрастают с ростом скорости.

Установившееся движение поезда возникает в точках пересечения кривых сил тяги (1 – 3) с кривой сопротивления движению (4).

Рисунок 7. К определению механической устойчивости тяговых электродвигателей при различных системах возбуждения.

1 – тяговая характеристика э.п.с. с двигателем параллельного или независимого возбуждения; 2 – тяговая характеристика э.п.с. с двигателем согласно-смешанного возбуждения; 3 – тяговая характеристика э.п.с. с двигателем последовательного возбуждения; 4 – кривая сил сопротивления движению (W).

Как видно из рисунка 7 для всех трех рассмотренных случаев, при случайном увеличении скорости движения сила сопротивления движению станет больше силы тяги. Следовательно, поезд начнет замедляться вплоть до достижения установившейся скорости движения. При случайном уменьшении скорости силы тяги наоборот становятся больше силы сопротивления движению, следовательно, поезд будет разгоняться до достижения установившейся скорости движения.

Равномерное распределение нагрузки между тяговыми электродвигателями. Как правило, локомотивы имеют несколько тяговых электродвигателей включаемых в параллельные ветви. При изготовлении неизбежны отклонения размеров деталей, качества обработки поверхностей, магнитных свойств используемых сталей в пределах установленных допусков. Поэтому электромеханические характеристики двигателей несколько отличаются друг от друга. Свою роль играет также роль разница в диаметрах колесных пар локомотива. Все эти отклонения являются причиной неравномерного распределения нагрузок по колесным парам локомотива.

При рассмотрении электромеханических характеристик можно доказать, что мягкие характеристики двигателей последовательного возбуждения обеспечивают более равномерное распределение нагрузок, по сравнению с двигателями согласно-смешанного и параллельного возбуждения.

Изменение нагрузок тяговых электродвигателей при изменении напряжения в контактной сети. Как видно из формулы (4), частота вращения зависит от напряжения на электродвигателе, которое определяется напряжением в контактной сети. Следовательно, при изменении напряжения в контактной сети изменится и зависимость n=f(I) электромеханической характеристики. На рисунке 8 показано влияние изменения напряжения в контактной сети на ток и вращающий момент для двигателя с последовательной и параллельной системой возбуждения. При скачкообразном изменении напряжения частота вращения двигателя в силу инерционных свойств практически не изменяется, следовательно, переход от одной зависимости n=f(I) на другую происходит по горизонтальной линии. Как видно из рисунка изменение тока тягового двигателя и вращающего момента в двигателях последовательного возбуждения достаточно невелико, а в двигателях параллельного возбуждения значительно больше.

Рисунок 8. Влияние изменения напряжения на ток нагрузки и вращающий момент тягового двигателя: а) – двигатель последовательного возбуждения; б) – двигатель параллельного возбуждения.

Таким образом, колебания напряжения вызывают незначительные изменения нагрузок у двигателей последовательного возбуждения. При параллельном возбуждении толчки тока и силы тяги получаются значительно больше и могут отразиться на плавности движения поезда.

Изменения мощности, потребляемой тяговыми электродвигателями при движении по различным элементам профиля. В зависимости от условий движения тяговые электродвигатели э.п.с. развивают различные мощности. При следовании по легким участкам профиля они работают с небольшими нагрузками и потребляемыми мощностями. В случае движения состава на тяжелых подъемах электродвигатели работают с большими токами нагрузки и мощностями. При сохранении режима ведения поезда у тяговых двигателей независимого и параллельного возбуждения из-за жестких характеристик скорость уменьшается незначительно, а, следовательно, потребляемая мощность возрастает практически пропорционально увеличению силы тяги (вращающего момента).

Тяговые электродвигатели последовательного возбуждения благодаря мягким характеристикам при повышении силы тяги снижают скорость движения, следовательно, потребляемая ими мощность и ток оказываются меньше чем у двигателей с жесткими характеристиками, что способствует более равномерной загрузке тяговых подстанций.

Использование пропускной способности линий. Тяговые электродвигатели последовательного возбуждения обеспечивают движение по тяжелым подъемам с меньшими скоростями, чем на более легких участках пути. Участки с тяжелыми подъемами ограничивают число пропускаемых пар поездов. В случае применения тяговых двигателей параллельного возбуждения с жесткими характеристиками скорость движения поездов по всем элементам профиля будет примерно одинаковой и на тяжелых подъемах будет больше чем у двигателей последовательного возбуждения.

По условиям использования пропускной способности двигатели с жесткими характеристиками имеют некоторое преимущество.

Экономичное регулирование скорости движения. Скорость движения поезда при установке на э.п.с. двигателей параллельного и смешанного возбуждения можно легко регулировать изменением магнитного потока за счет воздействия на небольшой по своему значению ток возбуждения. В электродвигателях последовательного возбуждения регулирование магнитного потока требует усложнения силовой цепи и дополнительного оборудования из-за больших токов, протекающих через обмотку возбуждения. Однако в этом случае требуется меньшее число ступеней регулирования благодаря мягким характеристикам и меньшим диапазонам регулирования скорости.

Расход энергии на тягу поездов. При постоянной скорости движения требуется совершать меньшую работу по перемещению поезда. Поэтому при использовании жестких характеристик двигателей параллельного возбуждения расходуется меньше электроэнергии. При мягких характеристиках электродвигателей последовательного возбуждения скорость движения изменяется в широких пределах в зависимости от профиля пути. При равной средней скорости здесь требуется совершить большую работу и израсходовать несколько больше энергии. Это связано с тем, что силы сопротивления движению возрастают с увеличением скорости более интенсивно, чем сама скорость движения. Частично такой перерасход энергии компенсируется снижением потерь в пусковом реостате за счет более низких скоростей выхода на безреостатные характеристики.

Использование рекуперативного торможения. Рекуперативное торможение позволяет уменьшить расход электрической энергии благодаря ее возврату в сеть при движении поезда на спуске или при снижении скорости движения. Тяговые электродвигатели параллельного и согласно-смешанного возбуждения переходят в режим рекуперации (в генераторный режим работы) автоматически при увеличении скорости движения.

Тяговые двигатели последовательного возбуждения в режиме рекуперации устойчиво работать не могут. Поэтому на э.п.с. их переводят на независимое возбуждение от специального преобразователя, что приводит некоторому усложнению оборудования и электрических схем.

Условия сцепления колес с рельсами.В случае использования двигателей параллельного или независимого возбуждения благодаря жестким характеристикам сцепление колесных пар с рельсами восстанавливается быстрее, среднее значение силы тяги по сцеплению, а следовательно, и коэффициент сцепления получается больше, чем у двигателей последовательного возбуждения с мягкими характеристиками.

Из анализа предъявляемых к тяговым двигателям требований видно, что каждая система возбуждения имеет свои преимущества и недостатки. Однако, по таким наиболее важным показателям, как равномерность распределения нагрузок, меньшее изменение нагрузки при колебаниях напряжения в контактной сети, меньшее изменение мощности при движении по различным элементам профиля пути, электродвигатели последовательного возбуждения обладают преимуществами. Поэтому данный тип двигателей используют в качестве тягового на э.п.с. С таким недостатком как более низкий коэффициент сцепления борются при помощи различных систем противобоксовочной защиты. Для обеспечения рекуперации переводят электродвигатели на независимое возбуждение, хотя это и усложняет электрооборудование э.п.с.

Дата добавления: 2017-11-21 ; просмотров: 1237 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ