Báo cáo khoa học: "Xác định công suất và xây dựng đặc tính sức kéo đoàn tàu kéo đẩy" pdf

Xác định công suất v xây dựng đặc tính sức kéo đon tu kéo đẩy TS. Nguyễn văn chuyên Bộ môn Đầu máy - Toa xe Khoa Cơ khí - Trờng ĐH GTVT Tóm tắt: Bi báo trình by cách xác định công suất v xây dựng đặc tính sức kéo cho đon tu 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 hớng chạy từ A đến B hoặc ngợc 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 nh 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 đợc công suất vành bánh cần phải xây dựng đờng 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 đờng bằng là 120 km/h. - Tải trọng trục đầu máy 12 T/trục. - Căn cứ vào tải trọng trục, trọng lợng lớn nhất của một đầu máy là 4 x 12 = 48T. - Tải trọng trục toa xe là 10T, trọng lợng một toa xe tối đa là 40T. - Bán kính đờng cong: + Trên chính tuyến R 100 m + Trên đờng nhánh R 75 m - Gia tốc đoàn tàu a = 0,65 m/s 2 - Độ giảm tốc khi hãm a = 1 m/s 2 - Công suất động cơ tối đa 2 x (600 ữ 700) = 1200 ữ 1400 mã lực - Công thức trục đầu máy B 0 - B 0 - Truyền động đầu máy là truyền động điện - Đờng kính bánh xe D = 780 mm = 0,78 m 2. 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 đờng thẳng V.20100 8 25,0 + += - Tính hệ số bám khi vào đờng cong: () R00055,067,0 r += Với R = 75m và R = 100m - Tính lực kéo bám khi chạy trên đờng thẳng: = .g.P2F b [KN] Với P là khối lợng của một đầu máy g là gia tốc trọng trờng; g = 9,81 m/s 2 - Tính lực bám đầu máy trong đờng cong: rbr .g.P2F = [KN] 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 đợc đồ thị lực kéo bám khi chạy trên đờng thẳng và trên đờng cong nh hình 1: Hình 1. Đồ thị lực kéo bám Từ đồ thị thấy rằng bán kính đờng 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 đon tu trong đờng 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 o - Tính lực cản đơn vị quy đổi đ đờn Các công thức tính lực cản ào tài liệu [1], [3]. - Tính lực cản cơ b 2' V0003,0V01,09,1 ++= [N/KN] o /h. - Tính lực cản cơ bản đơn vị toa x 2'' V000155,0V0075,066,1 ++= [N/KN] ờng dốc, g cong và đờng hầm: S C S C r Srj /N[ii ++= L.00013,0 L 2,12 i L.00013,0 L L . R 700 i ]KN + += ++= trong đó: dốc của đờng [N/KN] g [N/KN] r L C n] S ẩy: m lực cản oo +++= [N] trong đó: ối lợng một đầu máy [T] 2 ] i - Độ r - Lực cản đơn vị đờng con S - Lực cản đơn vị đờng hầm [N/KN] L - Chiều dài đờng cong [m] R - Bán kính đờng cong [m] Fbr [KN] Fbr [KN] R = 0 R = 100 R = 75 - Chiều dài đoàn tàu [m] - Góc ở tâm đờng cong [radia L - Chiều dài đờng 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. () ''' g].i.GP2GP2[W j P - Kh G - Khối lợng 3 toa xe [T] g - Gia tốc trọng trờng [m/s - Tính lực cản vận hành đoàn tàu khi chạy đà: + Lực cản đơn vị chạy đà đầu máy: ' od = + Tính lực cản chạy đà toà : W d = 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: () g].0.GP2GP2[ '' o ' o +++ ớc. () g].i.GP2GP2[F.95,1F j '' o ' o1tttt +++== ' o '' o 2 V00035,0V01,04,2 ++ [N/KN] n đoàn tàu () g].i.GP2GP2[ j '' o ' od +++ [N] y tínhy 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 nh hình 2: định đợc 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 nh hình 2: định đợc lự chạy đà của toàn đoàn tàu đợc thể hiện ở hình 3: chạy đà của toàn đoàn tàu đợc thể hiện ở hình 3: 4. Tính lực kéo 4. Tính lực kéo Tính toán sức kéo cho đoàn tàu kéo đẩy đợc thực hiện ở 3 chế độ: Chế độ chạy trên đờng 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 lợng đoàn tàu thấp, nên ở chế độ tính toán và khởi động thờng 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 đợc thực hiện ở 3 chế độ: Chế độ chạy trên đờng 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 lợng đoàn tàu thấp, nên ở chế độ tính toán và khởi động thờng 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- 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 trớc. Nếu gọi tổng sức kéo của cả đoàn tàu là F ct ; lực kéo một đầu máy trớc là F ct1 ta có : ở đoàn tàu kéo đẩy lực kéo ở đầu máy sau bằng 0,95 lực kéo ở đầu máy trớc. Nếu gọi tổng sức kéo của cả đoàn tàu là F F ct = F ct1 (1 + 0,95) = F ct1 .1,95 F = = () g].0.GP2GP2[ '' o ' o +++ ở đây lấy i j = 0 nghĩa là đoàn tàu phát huy tốc độ cao nhất trên đờng bằng. ở đây lấy i Thay V = 120 km/h vào ta đợc: Thay V = 120 km/h vào ta đợc: F ct = 12629 [N] F - Tính lực kéo đẩy ở tốc độ tính toán: - Tính lực kéo đẩy ở tốc độ tính toán: F tt = F tt1 (1 + 0,95) = F tt1 .1,95 F trong đó: F tt là tổng lực kéo đoàn tàu khi chạy ở tốc độ tính toán. F tt1 là lực kéo ở đầu máy tr trong đó: F () g].i.GP2GP2[F.95,1F j '' o ' o1tttt +++== Với i j là độ dốc lớn nhất trong khu gian vận hành. Với i ' o và là sức cản tính ở tốc độ tính toán. và là sức cản tính ở tốc độ tính toán. '' o Ta lấy tốc độ tính toán V = 15 km/h, độ dốc lớn nhất i j = 17 %0 thay vào ta đợc: Ta lấy tốc độ tính toán V = 15 km/h, độ dốc lớn nhất i ct ; lực kéo một đầu máy trớc là F ct1 ta có : ct = F ct1 (1 + 0,95) = F ct1 .1,95 j = 0 nghĩa là đoàn tàu phát huy tốc độ cao nhất trên đờng bằng. ct = 12629 [N] tt = F tt1 (1 + 0,95) = F tt1 .1,95 tt là tổng lực kéo đoàn tàu khi chạy ở tốc độ tính toán. F tt1 là lực kéo ở đầu máy tr j là độ dốc lớn nhất trong khu gian vận hành. j = 17 %0 thay vào ta đợc: 0d ' 0 ', 0 '', 0d ' [N/KN] Đồ thị lực cản đơn vị vận hành, chạy đà 0'' 0' Hình 2. Đồ thị lực cản đơn vị đầu máy, toa xe, chạy đ W,W d [N] Đồ th ị l ự c cản v ậ n hành W [N], ch ạy đà Wd [N] Hình 3. Đồ thị lực cản vận hnh kéo đẩy, chạy đ F tt = 40144 [N] - Tính lực kéo khi khởi động, theo [3]. - Lực cản khởi động đơn vị đầu máy lấy bằng: = 5 N/KN. ' q - Lực cản khởi động đơn vị đoàn xe: [KN/N] q '' q i.4,03 += Với i q là độ dốc ở vị trí đầu máy và toa xe khởi động. - Lực cản đoàn tàu khi khởi động: [N] () g].i.GP2GP2[W q '' q ' qq +++= Thay các giá trị vào ta tính đợc: W q = 16010 [N] - Tính lực kéo khi khởi động Gọi F q là lực khởi động của cả đoàn tàu, F q1 là lực khởi động của đầu máy trớc ta có: F q = F q1 (1 + 0,95) = 1,95.F q1 () g].i.GP2GP2[ q '' q ' q +++= Thay các giá trị vào ta tính đợc: F q = 16010 [N] 5. Tính công suất vnh bánh xe Trên cơ sở đã xác định đợc 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 N ctct Kct = [kW] trong đó: F ct tính bằng [N] V ct tính bằng, V ct = 120 [km/h] Thay vào ta đợc: kW97,420 3600 120x12629 N Kct == N kct = 420,97 [kW] - Công suất vành bánh ở tốc độ tính toán: 3600 V.F N tttt ktt = [kW] kW27,167 3600 15x40114 == N ktt = 167,27 [KW] - Tính công suất vành bánh khi khởi động: 3600 V.F N qq Kq = [kW] kW89,8 3600 2x16010 == N kq = 8,89 [kW] Sau khi tính toán ta lựa chọn công suất vành bánh N kct = 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 ck ; hiệu suất tổn hao cho các máy phụ là mf ; hiệu suất tổn hao cho quá trình truyền động là td . Căn cứ vào [2] chọn ck . mf = 0,8; td = 0,82. Chúng ta tính đợc tích: ck . mf . td = 0,8 x 0,82 = 0,656. Ta tiến hành tính công suất động cơ điesel trên đầu máy nh sau : 1. Công suất động cơ điesel thoả mãn khi đoàn tàu chạy ở tốc độ cao nhất: tdmfck kct ect N N = [kW] kW72,641 656,0 97,420 == N ect = 641,72 kW 2. Công suất động cơ điesel thoả mãn khi đoàn tàu chạy ở tốc độ tính toán: tdmfck ktt ett N N = [kW] kW98,254 656,0 27,167 == N ett = 254,98 KW 3. Công suất động cơ điesel thoả mãn để đoàn tàu khởi động đợc: tdmfck kq eq N N = [kw] kW55,13 656,0 89,8 == N eq = 13,55 [kW] Căn cứ vào các giá trị N ect , N ett và N cq 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. Nh 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 đợc coi là thông số tính toán. Trong ba loại, công suất vành bánh ở các trạng thái vận hành trên đờng 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 N kct = 420,97 kW. 2. Xây dựng đặc tính sức kéo của đầu máy Căn cứ vào công thức: kW97,420 3600 V.F N ctct kct == 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 N kct đặc tính sức kéo có dạng: 3600 V.F N kct = Từ đây suy ra: V N.3600 F kct = [N] Với V = [0, 5, 10, 15, 120 km/h] Đặc tính sức kéo ở chế độ toàn tải đợc vẽ trên hình 4: Hình 4. Đờng đặc tính sức kéo đầu máy kéo đẩy Nhìn vào đồ thị ở tốc độ thấp thì lực kéo lớn, khi tốc độ càng cao thì lực kéo giảm đi, ở tốc đô 120 km/h lực kéo bằng 12,629 KN. Ngoài ra đờng đặc tính sức kéo còn bị hạn chế bởi đờng 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 đờng 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, đợc 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 đợc 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. Đờng đặc tính sức kéo cho phép xác định đợc 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- ve Rachet. Matxcơva, 1971. [2]. Trờng Đại học Đờng 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 nớc: "Đoàn tàu nhẹ kéo đẩy" do ThS. Vũ Trọng Quỳnh chủ trì. Hà nội, 2003Ă . 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. bánh để xác định công suất vành bánh và công suất động cơ cần có yêu cầu riêng. Sau khi xác định đợc công suất vành bánh cần phải xây dựng đờng đặc tính sức kéo để phục vụ cho công tác vận. 780 mm = 0,78 m 2. 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