xây dựng họ đặc tính sức kéo đầu máy diesel từ các đặc tính làm việc của động cơ điện kéo TS. đỗ việt dũng Bộ môn Đầu máy Toa xe Trờng Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Hiện nay các đầu máy diesel của ngnh Đờng sắt hầu hết đều l đầu máy nhập khẩu m trong hồ sơ kỹ thuật, nh chế tạo chỉ cung cấp các đặc tính sức kéo ở chế độ ton tải m không có các đặc tính sức kéo bộ phận. Còn với các đầu máy thiết kế v lắp ráp trong nớc, khi không có điều kiện thí nghiệm, để có đặc tính phục vụ công tác khai thác đầu máy, cũng cần có phơng pháp xây dựng họ các đặc tính sức kéo. Nội dung bi báo trình by phơng pháp xây dựng họ đặc tính sức kéo trên cơ sở họ đặc tính điều chỉnh thực tế của máy phát điện kéo v các đặc tính lm việc của động cơ điện kéo. Summary: At present, all most locomotives of Vietnam Railway are imported and in technical documents, only full load traction property curves are supplied by manufacturers. For locomotives that have been designed and assembled in homeland, when condition for experiments is not available, in order to have property curves used to exploit these locomotives, it is necessarily to have a method to build a traction property curve system. This paper presents a method to build a traction property curve system based on fundamentals of practical adjusting property curves of electric generator and working property of traction electric motors. CT 2 I. Đặt vấn đề Hầu hết các đầu máy mà ngành Đờng sắt Việt Nam (ĐSVN) hiện đang quản lý đợc nhập từ nớc ngoài, các tài liệu kỹ thuật, đặc biệt là những tài liệu phục vụ công tác khai thác, kiểm nghiệm đầu máy không đầy đủ, trong đó có các đặc tính sức kéo đầu máy, các nhà chế tạo chỉ cung cấp đặc tính sức kéo ứng với công suất định mức của động cơ diesel (đặc tính ngoài). Đối với các đầu máy đã đợc thiết kế, lắp ráp, chế tạo trong nớc (đầu máy kéo đẩy - D8E), do cha có hệ thống đo đặc tính sức kéo đầu máy, nên đặc tính sức kéo cho công suất định mức đợc xây dựng bằng phơng pháp tính gần đúng từ công suất động cơ diesel (theo dạng đặc tính sức kéo lý tởng), cha kể đến sự ảnh hởng trực tiếp của bộ truyền động điện (TĐĐ), tức là của họ đặc tính điều chỉnh của máy phát điện kéo (MFĐK) và dạng đặc tính cơ thực tế của động cơ điện kéo (ĐCĐK) đến đặc tính sức kéo đầu máy. Do đại đa số các đầu máy hiện đang khai thác, các đặc tính của ĐCĐK không đợc cung cấp đầy đủ, nên nhu cầu thiết lập phơng pháp xây dựng họ đặc tính sức kéo bằng lý thuyết là nhu cầu cấp thiết để phục vụ công tác tính toán sức kéo, tốc độ, thời gian chạy tàu hợp lý, tính toán trọng lợng đoàn tàu tối u, xây dựng biểu đồ chạy tàu sát với thực tế. Việc giải quyết vấn đề thực tế trên có thể đợc thực hiện tơng đối dễ dàng trên máy tính điện tử với thuật toán và chơng trình thích hợp, trên cơ sở khảo sát các thông số kết cấu, thông số kỹ thuật cơ bản trên ĐCĐK, xây dựng các đặc tính làm việc của chúng, từ đó thiết lập họ đặc tính sức kéo cho một loại đầu máy cụ thể. II. Phơng pháp chung xây dựng đặc tính sức kéo từ các đặc tính lm việc của bộ truyền động điện Bộ TĐĐ đầu máy đợc cấu thành từ các máy điện kéo, đặc tính làm việc của chúng có ảnh hởng quyết định đến đặc tính sức kéo và các tính năng kỹ thuật quan trọng nhất của đầu máy. Vì vậy, để xây dựng họ đặc tính sức kéo cho đầu máy bằng lý thuyết, cơ sở quan trọng là phải có các đặc tính làm việc của các phần tử của bộ TĐĐ. 2.1. Các đặc tính lm việc của bộ truyền động điện 2.1.1. Họ đặc tính lm việc sau điều chỉnh của MFĐK [3] Các đầu máy diesel trên Đờng sắt Việt Nam sử dụng bộ TĐĐ một chiều và hỗn hợp, với cả hai loại TĐĐ này, đặc tính quan trọng nhất, ảnh hởng đến đặc tính sức kéo đầu máy là đờng đặc tính phụ tải U = f(I). Đờng đặc tính tự nhiên U = f(I) của MFĐK đều có dạng đặc tính cứng, không phù hợp với yêu cầu tận dụng công suất của động cơ diesel mà cần phải điều chỉnh tự động đặc tính bằng các thiết bị chuyên dụng [3]. Họ đặc tính điều chỉnh U=f(I) của MFĐK (bao gồm đặc tính ngoài và các đặc tính bộ phận là tập hợp các đờng hypecbol, hình 1) đợc các nhà chế tạo cung cấp khá đầy đủ hoặc thiết lập đợc qua quá trình thử nghiệm công suất trên bệ thử công suất bằng biến trở nớc tại các Xí nghiệp đầu máy. CT 2 2.1.2. Các đặc tính lm việc chủ yếu của ĐCĐK [3] Hiện nay trên ĐSVN, các đầu máy diesel TĐĐ đều sử dụng loại ĐCĐK một chiều kích từ nối tiếp , ngoài các đặc tính: hiệu suất, quạt gió,các đặc tính làm việc cơ bản có tác động trực tiếp đến dạng đặc tính sức kéo đầu máy gồm có: Hình 1. Họ đặc tính điều chỉnh của MFĐK TD 805D đầu máy D12E - Đặc tính cơ - điện: là đặc tính biểu diễn mối quan hệ giữa tốc độ quay n với dòng điện phần ứng I của ĐCĐK: n = f(I) khi giữ điện áp đặt vào ĐCĐK là không đổi. Đặc tính n = f(I) có dạng là đờng hypecbol (hình 2). n M n=f(I) M=f(I) I(A) I ủm Hình 2. Các đặc tính lm việc của ĐCĐK Khi làm việc với MFĐK trên đầu máy, do điện áp máy phát biến thiên theo đặc tính điều chỉnh nên ứng với mỗi đặc tính điều chỉnh có một họ đặc tính tốc độ là các đờng hypecbol đồng dạng. - Đờng đặc tính mô men (hình 2): biểu diễn mối quan hệ giữa mô men trên trục và dòng điện phần ứng của ĐCĐK M=f(I), đây là đờng parabol (mô men tỷ lệ với bình phơng dòng điện) - Đờng đặc tính cơ (hình 3): là đờng biểu diễn mối quan hệ giữa mômen và tốc độ quay trên trục của ĐCĐK M = f(n), khi giữ điện áp đặt lên động cơ điện kéo không đổi. Hình 3. Đặc tính cơ ĐCĐK - ứng với một giá trị I của dòng điện, dựa vào hai đờng đặc tính n=f(I) và M=f(I), ta có đờng đặc tính cơ giới cần xác định. 2.2. Phơng pháp xây dựng họ đặc tính sức kéo đầu máy Có nhiều phơng pháp xây dựng họ đặc tính sức kéo đầu máy TĐĐ: Trong trờng hợp đã biết các đặc tính làm việc của ĐCĐK do nhà chế tạo cung cấp có thể xây dựng đặc tính kéo bằng phơng pháp đồ thị [1]. Khi cha có các đặc tính, phơng pháp gần đúng thờng đợc sử dụng, trong đó giả thiết đặc tính của bộ truyền động là lý tởng (đờng hypecbol cân) để xây dựng đặc tính sức kéo bộ phận theo công suất động cơ diezel đã cho ở các vị trí tay máy. Các nghiên cứu xây dựng họ đặc tính sức kéo bằng phơng pháp cân bằng năng lợng [2] mặc dù đã khắc phục sai số, nhng với độ chính xác còn phụ thuộc nhiều vào các yếu tố vận dụng (chi phí nhiên liệu đơn vị) thực tế và cần có nhiều số liệu khảo sát trên đoàn tàu thực tế, tốn nhiều công sức, tổ chức rất khó khăn, chi phí lớn. Phơng pháp thiết lập đặc tính sức kéo dựa vào việc xây dựng đặc tính làm việc của ĐCĐK bằng phơng pháp lý thuyết đảm bảo đợc độ chính xác của kết quả nhận đợc. Các bớc thiết lập họ đặc tính sức kéo đầu máy theo kết cấu cụ thể của các ĐCĐK đợc thực hiện theo trình tự nh sau [4], [5]: CT 2 Dựa vào kết quả khảo sát các thông số kỹ thuật, thông số kết cấu và vật liệu từ hoá của ĐCĐK của đầu máy cụ thể để xây dựng đờng cong từ hoá = f(I KT ) . Tính tốc độ quay ĐCĐK theo dòng điện phần ứng n=f(I kt )=f(I ) + = .K )U2R.I(U n e u d , [v/p] (1). trong đó: U - điện áp của MFĐK đặt vào ĐCĐK, V U= u 3 Dj I 10.N , [V] (2). , I từ trờng và dòng điện phần ứng của ĐCĐK (do ĐCĐK kích từ nối tiếp nên I KT = I ); R tổng trở phần ứng và phần cảm của ĐCĐK, ; 2U tổn hao điện áp trên các chổi điện, V; K e Hệ số kết cấu của máy điện khi tính sức điện động; N Dj Công suất của MFĐK cấp cho ĐCĐK ở tay máy j, kw. Từ các biểu thức (1), (2) ta thấy, ứng với mỗi mức phát huy công suất đầu máy N Dj ta có đợc 1 đờng đặc tính cơ điện n đ = f(I ). Tập hợp các vị trí tay máy j của đầu máy ta có họ đờng đặc tính cơ điện. Tính mô men trên trục ĐCĐK theo dòng điện phần ứng M Đ = f(I kt ) = f(I ) M Đ = K M I , [N m] (3). với: K M hệ số kết cấu của máy điện khi tính mô men Xây dựng đặc tính cơ giới M Đ = f(n đ ) dựa vào các đặc tính mô men và cơ điện đã xác lập biến thiên theo biến chung là dòng điện phần ứng I của ĐCĐK. Nghĩa là, tơng ứng với mỗi giá trị dòng điện phần ứng ta có thể xác định đợc một cặp giá trị M Đ và n đ . ứng với mỗi mức công suất đầu máy, khi cho dòng điện biến thiên từ nhỏ nhất I min đến lớn nhất I max (tơng ứng với U max đến U min trên đặc tính điều chỉnh của MFĐK) ta xác định đợc một đờng đặc tính, với các vị trí tay máy khác nhau, ta lập đợc một họ đặc tính cơ giới của ĐCĐK Tính toán tốc độ và sức kéo đầu máy theo tốc độ và mô men quay ĐCĐK đã xác định đợc ở trên theo các mức công suất, kết cấu hộp giảm tốc trục và bộ phận chạy đầu máy V K = f(n đ ), F K =f (M Đ ). Nếu biết biết đờng kính danh nghĩa của bánh xe chủ động D K (m) và tỷ số truyền hộp giảm tốc trục i Z , thì [3]: d Z K K n. i.60 D 6,3 V = , [km/h] (4). K uMZ GTDGTD K DZ K D I K.i m.96,1 m. D M.i.2 .98,0F == , [N] (5). trong đó: m số ĐCĐK của đầu máy; , hiệu suất của ĐCĐK và hộp giảm tốc trục D GT CT 2 Việc xây dựng đồ thị họ đặc tính sức kéo F K = f(V K ) đợc tiến hành dựa trên các biểu thức trên. Từ đặc tính từ hoá = f( f kt ), đặc tính cơ điện n = f(I) tơng ứng với giá trị biến thiên của điện áp máy phát điện kéo đầu máy (đặc tính ngoài U F = f(I F )) cấp cho ĐCĐK (hình 1), ta có thể ứng dụng máy tính điện tử để thiết lập đợc đặc tính cơ M = f(n) bằng phơng pháp giải tích. Lu đồ thuật toán của chơng trình Bắt đầu Xây dựng đờng cong từ hoá i = f(I KTi ) Nhập dữ liệu ĐCĐK (Thông số kỹ thuật, kết cấu mạch từ) Xây dựng họ đặc tính sức kéo F K =f(V K ) In họ đặc tính Đ i= i+1 i=n;j=k S Kết thúc Nhập dữ liệu đầu máy (Thông số kết cấu D K , i Z ,V kmax , số vị trí tay máy J, N Dj ) Xây dựng họ đờng cong tốc độ n đij = f(I KTij ) Xây dựng đờng cong mô men M Đ = f(I ) J=1-n; N Dj Xây dựng họ đặc tính cơ giới M Đij = f (n đij ) Tính toán tốc độ đầu máyV K = f (n đ ) Tính toán sức kéo đầu máy F K = f (M Đ ) i=1 i= i+1 S Bắt đầu Xây dựng đờng cong từ hoá i = f(I KTi ) Nhập dữ liệu ĐCĐK (Thông số kỹ thuật, kết cấu mạch từ) Xây dựng họ đặc tính sức kéo F K =f(V K ) In họ đặc tính Đ i= i+1 i=n;j=k S Kết thúc Nhập dữ liệu đầu máy (Thông số kết cấu D K , i Z ,V kmax , số vị trí tay máy J, N Dj ) Xây dựng họ đờng cong tốc độ n đij = f(I KTij ) Xây dựng đờng cong mô men M Đ = f(I ) J=1-n; N Dj Xây dựng họ đặc tính cơ giới M Đij = f (n đij ) Tính toán tốc độ đầu máyV K = f (n đ ) Tính toán sức kéo đầu máy F K = f (M Đ ) i=1 i= i+1 S Hình 4. Lu đồ thuật toán xây dựng họ đặc tính sức kéo đầu máy thiết lập họ đặc tính sức kéo cho đầu máy theo phơng pháp trên đựơc trình bày trên hình 4. Hình 5. Họ đặc tính sức kéo đầu máy D12E Từ thuật toán đã có, thiết lập chơng trình tính toán trên máy tính điện tử, ứng với một bộ TĐĐ cụ thể, nhập số liệu vào chơng trình với đặc tính điều chỉnh của MFĐK U F =f(I F ) ứng với mỗi mức công suất đầu máy và thông số kết cấu cụ thể của ĐCĐK, ta thu đợc họ đặc tính sức kéo đầu máy (hình 5). III. Xây dựng đặc tính sức kéo cho đầu máy D12E Đầu máy D12E có công suất 1200 mã lực là loại đầu máy TĐĐ một chiều chủ lực trên ĐSVN. Trừ vị trí không tải (số 0), đầu máy có 9 nấc tay máy tơng ứng với 9 mức công suất của MFĐK TD805D khác nhau (bảng 1). Động cơ điện kéo của đầu máy D12E là loại động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp ký hiệu TEO 15B [5]. Các thông số kỹ thuật và kết cấu của đầu máy, ĐCĐK đợc giới thiệu trên hình 6. Bng 1. Công suất MFĐK đầu máy D12E Tay máy Thông số 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Tốc độ động cơ diezel (v/p) 500 500 550 650 750 850 950 1050 1150 Công suất MFĐK (kw) 20 60 133 210 290 370 450 530 610 CT 2 Từ lu đồ thuật toán, sử dụng ngôn ngữ lập trình Visual Basic 6.0 lập chơng trình tính toán, xử lý số liệu nhập. Giao diện chơng trình (hình 6) rất đơn giản, thuận tiện cho việc nhập các dữ liệu về ĐCĐK và đầu máy cần tính toán xây dựng họ đặc tính. Kết quả tính toán đợc đa ra dới dạng bảng số liệu (bảng 2) và các họ đồ thị đặc tính cơ giới (hình 7) và đặc tính sức kéo (hình 5) ứng với các mức phát huy công suất khác nhau của động cơ diezel đầu máy D12E. Hình 6. Giao diện nhập dữ liệu cho chơng trình CT 2 tính sức kéo đầu máy D12E Giá trị Phi(i) (Wb) Giá trị Ikt (A) Giá (v/p) (N.m) (km/h) (N) Bảng 2. Bảng số liệu tính toán họ đặc trị nd1 Giá trị Md Giá trị Vk Giá trị Fk 0.0 2 45 7 29 4 1 110 35 78982 500 6.6746 16.335 7.877924 033.3 0.0781844 500 461.33462 2886.8775 18.060352 108921.888 0.0773866 500 466.09064 2857.4196 18.246541 107810.44 0.0765888 500 470.94576 2827.9616 18.436609 106698.992 0.075791 499 2 .3547 476.62411 2794.892 18.658905 105451.276 0.0749932 496.26746 485.20528 2748.3746 18.994842 103696.175 0.0741954 493.58021 493.54485 2704.4127 19.321319 102037.491 0.0733976 490.89296 502.09788 2660.7674 19.656154 100390.753 0.0725998 422.41127 602.65369 2264.6921 23.592718 85446.832 0.071802 419.32402 614.37751 2223.4354 24.051683 83890.2185 0.0606328 235.77984 1347.411 1055.7292 52.748518 39832.6626 0.059835 226.29259 1424.732 999.9168 55.775483 37726.861 0.0590372 223.60534 1461.9377 974.86877 57.232011 36781.7988 0.0582394 214.59809 1546.2364 922.95596 60.532142 34823.1284 0.0574416 211.91084 1588.2109 898.91357 62.175362 33916.0088 0.0566438 209.16981 1632.3265 874.96286 63.902403 33012.3487 0.055846 202.20256 1714.3673 833.90573 67.11414 31463.263 0.0550482 199.51531 1763.2881 811.06859 69.029293 30601.6178 0.0542504 194.78805 1833.8086 780.37529 71.790036 29443.5595 0.0534526 192.08858 1888.0093 758.24338 73.911886 28608.5227 0.0526548 189.40133 1944.4916 736.47708 76.123056 27787.2802 0.051857 185.15408 2020.8005 709.05336 79.110402 26752.5831 0.0510592 182.46683 2083.3086 688.01225 80 25958.7023 CT 2 Bằng phơng pháp lý thuyết, dựa trên các tham số kết cấu của máy điện kéo và các thông máy cụ thể, bài báo đã đa ra phơng pháp và thiết lập chơng trình tính để xây dựng họ đặc tính sức kéo cho đầu máy diesel nói chung và tính cụ thể cho đầu máy D12E với độ c Tài liệu tham khảo g, Đỗ Việt Dũng (11.1997). Phơng pháp xây dựng họ đặc tính sức kéo đầu máy diesel truyền động điện khai thác trên đờng sắt Việt nam, Tạp chí Giao thông Vận tải, Bộ Giao Thông Vận tải. 99). Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ GD&ĐT mã số B 1998 -35-07. i Ngọc Đờng, T l, ết, Hình 7. Họ đờng đặc tính cơ giới của ĐCĐK TEO 15B ở các mức công suất của đầu máy IV. Kết luận số kỹ thuật đầu hính xác cao phù hợp với đặc tính làm việc của ĐCĐK cụ thể của đầu máy. Họ đặc tính xây dựng đợc phù hợp với quy luật lý thuyết, phản ảnh đúng chế độ làm việc của máy điện kéo, đặc biệt là đã đa đợc các chế độ hạn chế về dòng điện và điện áp trên họ đặc tính của MFĐK TD 805D trên đầu máy D12E. Với thuật toán và chơng trình đã thiết lập, khi khảo sát thu thập đủ các số liệu của bộ TĐĐ trên các đầu máy khác nạp vàp chơng trình, ta có thể nhanh chóng có đợc họ đặc tính sức kéo của các đầu máy đó để phục vụ cho công tác quản lý kỹ thuật, xây dựng biểu đồ chạy tàu và tính toán các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của ngành. [1]. Lại Ngọc Đờn [2]. Lại Ngọc Đờng (19 [3]. Đỗ Việt Dũng, Lạ rơng Duy Phúc (1996). Truyền động đầu máy diesel, Giáo trình giảng dạy đại học, trờng ĐHGTVT [4]. Đỗ Việt Dũng, (9.2006). Phơng pháp xây dựng đặc tính cơ điện cho động cơ điện kéo đầu máy diese Tạp chí Khoa học Giao thông Vận tải, Trờng Đại học Giao Thông Vận tải. Số 15, tháng 09.2006 [5]. Đỗ Việt Dũng (12.2006). Xây dựng đặc tính cơ giới của động cơ điện kéo bằng phơng pháp lý thuy Tạp chí Khoa học Giao thông Vận tải, Trờng Đại học Giao Thông Vận tải. Số 16, tháng 12.2006 . dựng họ đặc tính sức kéo đầu máy diesel từ các đặc tính làm việc của động cơ điện kéo TS. đỗ việt dũng Bộ môn Đầu máy Toa xe Trờng Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Hiện nay các đầu. thuật cơ bản trên ĐCĐK, xây dựng các đặc tính làm việc của chúng, từ đó thiết lập họ đặc tính sức kéo cho một loại đầu máy cụ thể. II. Phơng pháp chung xây dựng đặc tính sức kéo từ các đặc tính. nhất của đầu máy. Vì vậy, để xây dựng họ đặc tính sức kéo cho đầu máy bằng lý thuyết, cơ sở quan trọng là phải có các đặc tính làm việc của các phần tử của bộ TĐĐ. 2.1. Các đặc tính lm việc của