Tính toán sức kéo bám cho đầu máy Sức kéo bám quyết định khả năng sức kéo của đoàn tàu trong quá trình tính sức kéo cần tính các thông số sau: - Tính hệ số bám cho đầu máy điesel truyền
Trang 1Xác định công suất vμ xây dựng
đặc tính sức kéo đoμn tμu kéo đẩy
TS Nguyễn văn chuyên
Bộ môn Đầu máy - Toa xe Khoa Cơ khí - Trường ĐH GTVT
Tóm tắt: Bμi báo trình bμy cách xác định công suất vμ xây dựng đặc tính sức kéo cho
đoμn tμu kéo đẩy
Summary: This arctile presents to ascertain power and to make tractive performance for
pully - hauly train
I Đặt vấn đề
Đoàn tàu kéo đẩy bao gồm một đầu kéo,
một đầu đẩy và các toa xe kéo theo ở giữa
Trong quá trình vận dụng trong khu đoạn từ A
đến B, các đầu kéo đẩy thay nhau vị trí đầu
tiên tuỳ theo hướng chạy từ A đến B hoặc
ngược lại từ B đến A Do vậy mà nó không
phải quay đầu và cũng không cần thiết bị
quay đầu phức tạp Một đặc điểm của đoàn
tàu kéo đẩy là phải gia tốc nhanh khi khởi
động cũng như sau khi hãm Chính vì vậy khi
tính toán sức kéo vành bánh để xác định công
suất vành bánh và công suất động cơ cần có
yêu cầu riêng Sau khi xác định được công
suất vành bánh cần phải xây dựng đường đặc
tính sức kéo để phục vụ cho công tác vận
dụng
II Nội dung
A Tính toán công suất đoàn tàu kéo
đẩy
1 Các số liệu phục vụ cho tính toán
Đây là số liệu của một đoàn tàu cụ thể dự
định thiết kế ở Việt nam :
- Thành phần đoàn tàu gồm: Một đầu
kéo, một đầu đẩy, hai toa khách và một toa hàng ăn
- Tốc độ cao nhất trên đường bằng là
120 km/h
- Tải trọng trục đầu máy 12 T/trục
- Căn cứ vào tải trọng trục, trọng lượng lớn nhất của một đầu máy là 4 x 12 = 48T
- Tải trọng trục toa xe là 10T, trọng lượng một toa xe tối đa là 40T
- Bán kính đường cong:
+ Trên chính tuyến R ≥ 100 m + Trên đường nhánh R ≥ 75 m
- Gia tốc đoàn tàu a = 0,65 m/s2
- Độ giảm tốc khi hãm a = 1 m/s2
- Công suất động cơ tối đa 2 x (600 ữ 700) =
1200 ữ 1400 mã lực
- Công thức trục đầu máy B0 - B0
- Truyền động đầu máy là truyền động
điện
- Đường kính bánh xe D = 780 mm = 0,78 m
Trang 22 Tính toán sức kéo bám cho đầu máy
Sức kéo bám quyết định khả năng sức
kéo của đoàn tàu trong quá trình tính sức kéo
cần tính các thông số sau:
- Tính hệ số bám cho đầu máy điesel
truyền động điện trên đường thẳng
V 20 100
8 25
, 0
+ +
=
μ
- Tính hệ số bám khi vào đường cong:
(0,67 0,00055R)
μ
Với R = 75m và R = 100m
- Tính lực kéo bám khi chạy trên đường
thẳng:
μ
=2P.g
Với P là khối lượng của một đầu máy
g là gia tốc trọng trường; g = 9,81 m/s2
- Tính lực bám đầu máy trong đường
cong:
r
Từ các công thức trên ta thay các số liệu
vào, cho vận tốc chạy từ 0 đến 120 km/h,
đồng thời dùng phần mềm MATLAB 6.0 sẽ vẽ
được đồ thị lực kéo bám khi chạy trên đường
thẳng và trên đường cong như hình 1:
Hình 1 Đồ thị lực kéo bám
Từ đồ thị thấy rằng bán kính đường cong
càng bé, lực bám càng nhỏ Do vậy khi chạy
sức kéo để bảo đảm đoàn tàu chạy an toàn
3 Tính lực cản đoμn tμu
trong đường cong phải chú ý tới sự phát huy
đoàn tàu căn
cứ v
ản đơn vị đầu máy
V là vận tốc của đoàn tàu km
e khách
ωo
- Tính lực cản đơn vị quy đổi đư
đườn
Các công thức tính lực cản
ào tài liệu [1], [3]
- Tính lực cản cơ b
2 '
V 0003 , 0 V 01 , 0 9 ,
=
/h
- Tính lực cản cơ bản đơn vị toa x
2 '' =1,66+0,0075V+0,000155V [N/KN]
ờng dốc,
g cong và đường hầm:
S C
S C
r
S r
L 00013 , 0 L
2 , 12 i
L 00013 , 0 L
L R
700 i
] KN
+ α +
=
+ +
=
trong đó:
dốc của đường [N/KN]
g [N/KN]
r
LC
n]
S
ẩy:
m lực cản
o
ω
trong đó:
ối lượng một đầu máy [T]
2]
i - Độ
ωr - Lực cản đơn vị đường con
ωS - Lực cản đơn vị đường hầm [N/KN]
L - Chiều dài đường cong [m]
R - Bán kính đường cong [m]
R = 0
R = 100
R = 75
- Chiều dài đoàn tàu [m]
α - Góc ở tâm đường cong [radia
L - Chiều dài đường hầm [m]
- Tính lực cản vận hành kéo đ Lực cản vận hành kéo đẩy bao gồ cơ bản đầu máy, lực cản cơ bản toa xe
và lực cản phụ đoàn tàu, ký hiệu là W
''
P 2 [
P - Kh
G - Khối lượng 3 toa xe [T]
g - Gia tốc trọng trường [m/s
Trang 3- Tính lực cản vận hành đoàn tàu khi
chạy đà:
+ Lực cản đơn vị chạy đà đầu máy:
'
ω
+ Tính lực cản chạy đà toà :
Wd =
Dùng phần mềm MATLAB 6.0 má
sẽ v
Trên cơ sở các giá trị lực cản đơn vị xác
c cản vận hành kéo đẩy và lực
cản
hất:
ớc
g phần mềm MATLAB 6.0 má
sẽ v
Trên cơ sở các giá trị lực cản đơn vị xác
c cản vận hành kéo đẩy và lực
cản
hất:
(2P G).0 g G
P 2 [ ω'o + ωo'' + +
ớc
(2P G)i g G
P 2 [ F 95 , 1
' o
o
2,4+0,01V+0,00035V2 [N/KN]
n đoàn tàu [2Pω'od +Gωo'' +(2P+G)i.j g [N]
y tính
ẽ ra đồ thị các lực cản đơn vị đầu máy, lực
cản đơn vị toa xe và lực cản đơn vị chạy đà
như hình 2:
định được lự
ẽ ra đồ thị các lực cản đơn vị đầu máy, lực
cản đơn vị toa xe và lực cản đơn vị chạy đà
như hình 2:
định được lự
chạy đà của toàn đoàn tàu được thể hiện
ở hình 3:
chạy đà của toàn đoàn tàu được thể hiện
ở hình 3:
4 Tính lực kéo
Tính toán sức kéo cho đoàn tàu kéo đẩy
được thực hiện ở 3 chế độ: Chế độ chạy trên
đường bằng ở tốc độ cao nhất, ở chế độ tốc
độ tính toán và ở chế độ khởi động Về lý thuyết đối với đoàn tàu kéo đẩy, do khối lượng
đoàn tàu thấp, nên ở chế độ tính toán và khởi
động thường không sử dụng hết công suất, dù sức kéo ở hai chế độ này lớn Để chọn công suất tính toán hợp lý, ta vận hành lực kéo ở ba chế độ trên để lựa chọn
Tính toán sức kéo cho đoàn tàu kéo đẩy
được thực hiện ở 3 chế độ: Chế độ chạy trên
đường bằng ở tốc độ cao nhất, ở chế độ tốc
độ tính toán và ở chế độ khởi động Về lý thuyết đối với đoàn tàu kéo đẩy, do khối lượng
đoàn tàu thấp, nên ở chế độ tính toán và khởi
động thường không sử dụng hết công suất, dù sức kéo ở hai chế độ này lớn Để chọn công suất tính toán hợp lý, ta vận hành lực kéo ở ba chế độ trên để lựa chọn
- Tính lực kéo ở tốc độ cao n
ở đoàn tàu kéo đẩy lực kéo ở đầu máy sau bằng 0,95 lực kéo ở đầu máy trước Nếu gọi tổng sức kéo của cả đoàn tàu là Fct; lực kéo một đầu máy trước là
Fct1 ta có :
ở đoàn tàu kéo đẩy lực kéo ở đầu máy sau bằng 0,95 lực kéo ở đầu máy trước Nếu gọi tổng sức kéo của cả đoàn tàu là F
Fct = Fct1(1 + 0,95) = Fct1.1,95 F
=
=[2Pω'o +Gωo'' +(2P+G).0 g
ở đây lấy ij = 0 nghĩa là đoàn tàu phát huy tốc độ cao nhất trên đường bằng
ở đây lấy i
Thay V = 120 km/h vào ta được:
Fct = 12629 [N]
F
- Tính lực kéo đẩy ở tốc độ tính toán:
Ftt = Ftt1(1 + 0,95) = Ftt1.1,95 F
trong đó: Ftt là tổng lực kéo đoàn tàu khi chạy ở tốc độ tính toán Ftt1 là lực kéo ở đầu máy trư
trong đó: F
(2P G)i g G
P 2 [ F 95 , 1
Với ij là độ dốc lớn nhất trong khu gian vận hành
Với i
' o
ω và ω là sức cản tính ở tốc độ tính toán
và ω là sức cản tính ở tốc độ tính toán
'' o
Ta lấy tốc độ tính toán V = 15 km/h, độ dốc lớn nhất ij = 17 %0 thay vào ta được:
Ta lấy tốc độ tính toán V = 15 km/h, độ dốc lớn nhất i
ct; lực kéo một đầu máy trước là
Fct1 ta có :
ct = Fct1(1 + 0,95) = Fct1.1,95
j = 0 nghĩa là đoàn tàu phát huy tốc độ cao nhất trên đường bằng
ct = 12629 [N]
tt = Ftt1(1 + 0,95) = Ftt1.1,95
tt là tổng lực kéo đoàn tàu khi chạy ở tốc độ tính toán Ftt1 là lực kéo ở đầu máy trư
j là độ dốc lớn nhất trong khu gian vận hành
j = 17 %0 thay vào ta được:
ω 0d '
ω 0 ', ω 0 '', ω 0d ' [N/KN] Đồ thị lực cản đơn vị vận hành, chạy đà
ω0''
ω0'
Hình 2 Đồ thị lực cản đơn vị đầu máy, toa xe, chạy đμ
W,W d [N] Đồ thị lực cản vận hành W [N], chạy đà Wd [N]
Hình 3 Đồ thị lực cản vận hμnh kéo đẩy, chạy đμ
Trang 4Ftt = 40144 [N]
- Tính lực kéo khi khởi động, theo [3]
- Lực cản khởi động đơn vị đầu máy lấy
bằng: ω'q= 5 N/KN
- Lực cản khởi động đơn vị đoàn xe:
ωq'' =3 +0,4i.q [KN/N]
Với iq là độ dốc ở vị trí đầu máy và toa xe
khởi động
- Lực cản đoàn tàu khi khởi động:
Wq =[2Pω'q +Gωq'' +(2P+G)i.q g [N]
Thay các giá trị vào ta tính được:
Wq = 16010 [N]
- Tính lực kéo khi khởi động
Gọi Fq là lực khởi động của cả đoàn tàu,
Fq1 là lực khởi động của đầu máy trước ta có:
Fq = Fq1(1 + 0,95) = 1,95.Fq1
=[2Pω'q+Gωq'' +(2P+G)i.q g
Thay các giá trị vào ta tính được:
Fq = 16010 [N]
5 Tính công suất vμnh bánh xe
Trên cơ sở đã xác định được lực kéo ở
các chế độ, chúng ta đã xác định công suất
cần thiết khi chạy ở tốc độ cao nhất, ở tốc độ
tính toán và ở chế độ khởi động Căn cứ vào 3
giá trị công suất, sẽ chọn giá trị nào lớn nhất
làm công suất tính toán Đây chính là công
suất vành bánh thoả mãn khi chạy ở chế độ
trên Giá trị đó là giá trị công suất vành bánh
lớn nhất để xây dựng đặc tính sức kéo của
đầu máy
- Tính công suất vành bánh khi chạy ở
tốc độ cấu tạo:
3600
V F
NKct = ct ct [kW]
trong đó: Fct tính bằng [N]
Vct tính bằng, Vct = 120 [km/h]
Thay vào ta được:
kW 97 , 420 3600
120 x 12629
Nkct = 420,97 [kW]
- Công suất vành bánh ở tốc độ tính toán:
3600
V F
Nktt = tt tt [kW]
kW 27 , 167 3600
15 x
=
Nktt = 167,27 [KW]
- Tính công suất vành bánh khi khởi
động:
3600
V F
NKq = q q [kW]
kW 89 , 8 3600
2 x 16010
=
=
Nkq = 8,89 [kW]
Sau khi tính toán ta lựa chọn công suất vành bánh Nkct = 420,97 kW là công suất kéo của đầu máy
6 Tính công suất động cơ diesel của
đầu máy
Đây là công suất của tổng các động cơ
điesel trên đoàn tàu Nếu gọi hiệu suất cơ khí
là ηck; hiệu suất tổn hao cho các máy phụ là
ηmf; hiệu suất tổn hao cho quá trình truyền
động là ηtd Căn cứ vào [2] chọn ηck.ηmf = 0,8;
ηtd = 0,82 Chúng ta tính được tích:
ηck.ηmf.ηtd = 0,8 x 0,82 = 0,656
Ta tiến hành tính công suất động cơ
điesel trên đầu máy như sau :
1 Công suất động cơ điesel thoả mãn khi
Trang 5đoàn tàu chạy ở tốc độ cao nhất:
td mf ck
kct ect
N N
η η η
656 , 0
97 , 420
=
=
Nect = 641,72 kW
2 Công suất động cơ điesel thoả mãn khi
đoàn tàu chạy ở tốc độ tính toán:
td mf ck
ktt ett
N N
η η η
kW 98 , 254 656 , 0
27 , 167
=
=
Nett = 254,98 KW
3 Công suất động cơ điesel thoả mãn để
đoàn tàu khởi động được:
td mf ck
kq eq
N N
η η η
13,55kW
656 , 0
89 ,
=
Neq = 13,55 [kW]
Căn cứ vào các giá trị Nect, Nett và Ncq ta
chọn giá trị lớn nhất làm cơ sở chọn động cơ
cho đoàn tàu và từ đó quyết định công suất
động cơ của một đầu máy và loại động cơ
điesel ở đây chọn công suất tối thiểu cho hai
động cơ trên đầu máy là 640,72 kW Như vậy
công suất tối thiểu cho một động cơ trên đầu
máy là 320,86 kW Tính ra mã lực, công suất
tối thiểu cho một động cơ là 436,36 mã lực
Trên cơ sở giá trị lựa chọn mày ta chọn loại
động cơ nào có công suất lớn hơn công suất
tính toán sẽ thoả mãn yêu cầu của đoàn tàu
kéo đẩy
B Xây dựng đặc tính sức kéo của đầu
máy khi kéo đẩy
1 Lựa chọn công suất của đầu máy
Căn cứ vào công suất vành bánh, chúng
ta chọn loại nào có giá trị lớn nhất được coi là thông số tính toán
Trong ba loại, công suất vành bánh ở các trạng thái vận hành trên đường thẳng, ở tốc độ tính toán và khi chạy đà thì công suất vành bánh khi chạy ở tốc độ cao là lớn nhất Giá trị của nó là Nkct = 420,97 kW
2 Xây dựng đặc tính sức kéo của đầu máy
Căn cứ vào công thức:
3600
V F
Nkct = ct ct =
Công suất 420,97 kW là công suất vành bánh ở vị trí toàn tải Truyền động của đầu máy là truyền động điện một chiều, do vậy
đặc tính sức kéo cơ dạng hypebon Với công suất là Nkct đặc tính sức kéo có dạng:
3600
V F
Nkct =
Từ đây suy ra:
V
N 3600
Với V = [0, 5, 10, 15, 120 km/h]
Đặc tính sức kéo ở chế độ toàn tải được
vẽ trên hình 4:
Hình 4 Đường đặc tính sức kéo đầu máy kéo đẩy
Nhìn vào đồ thị ở tốc độ thấp thì lực kéo
Trang 6lớn, khi tốc độ càng cao thì lực kéo giảm đi, ở
tốc đô 120 km/h lực kéo bằng 12,629 KN
Ngoài ra đường đặc tính sức kéo còn bị hạn
chế bởi đường sức kéo bám
III Kết luận
1 Khi thành phần đoàn tàu đã xác định,
trong ba giá trị công suất vành bánh: công
suất vành bánh ở tốc độ lớn nhất khi chạy trên
đường bằng, công suất vành bánh tính ở tốc
độ tính toán và ở chế độ khởi động, giá trị
công suất ở tốc độ lớn nhất có giá trị lớn nhất,
được chọn làm công suất tính toán và lấy làm
cơ sở để chọn động cơ, sau khi tính toán
khẳng định công suất khi chạy ở tốc độ cao
nhất là công suất lớn nhất Nó được chọn làm
cơ sở để tính toán thiết kế
2 Khi thành phần đoàn tàu thay đổi, cần
bảo đảm tốc độ lớn nhất, công suất vành
bánh tăng lên và phải chọn công suất động cơ
tăng lên
3 Đường đặc tính sức kéo cho phép xác
định được đặc tính vận hành của đoàn tàu kéo
đẩy, cho phép phát huy công suất ở dải tốc độ
từ nhỏ nhất khi khởi động đến tốc độ cao nhất
của đoàn tàu
Tài liệu tham khảo
[1] A.M.BABICHEKOB Chiaga Poezđov
Chiago-vưe Rachetư Matxcơva, 1971
[2] Trường Đại học Đường sắt Trung Quốc Sức
kéo đoàn tàu Bắc Kinh, 1996
[3] Nguyễn Văn Chuyên Sức kéo đoàn tàu, Hà nội
2001
[4] Nguyễn Văn Chuyên, Mai Văn Thắm Đề mục
tính toán sức kéo của đoàn tàu kéo đẩy Đề tài
cấp nhà nước: "Đoàn tàu nhẹ kéo đẩy" do
ThS Vũ Trọng Quỳnh chủ trì Hà nội, 2003Ă