2.9.1. Nội dung tính năng lượng.
a) Công cơ học của đầu máy RM. b) Công cơ học của lực cản RC.
c) Chi phí điện năng cho đầu máy điện.
d) Chi phí dầu điezen cho đầu máy điezen.
e) Chi phí lượng hao hơi, hao nước và hao than cho đầu máy hơi nước.
Dựa trên các chỉ tiêu này trong quá trình thiết kế người ta tính được chi phí khai thác, điều này là cần thiết khi lập phương án tuyến theo quan điểm kinh tế.
2.9.2. Các chế độ chuyển động của tàu.
Để tính toán năng lượng cần xác định chế độ chuyển động của tàu trên từng đoạn trắc dọc theo đường cong vận tốc v(S).
+ Tàu chạy mở máy: tức là sử dụng toàn bộ công suất của đầu máy để nhận được vận tốc lớn nhất và thời gian ít nhất.
+ Tàu chạy đóng máy: ngắt động cơ kéo và lực kéo không tồn tại.
+ Tàu chạy đóng máy kết hợp hãm.
+ Tàu chạy có hạn chế công suất.
Khi xác định chế độ chạy tàu cần chú ý là tàu lúc nào cũng thể hiện hết lực kéo để đạt đến vận tốc lớn nhất, vì vậy:
+ Khi tàu chưa đạt vận tốc tối đa hay vận tốc giới hạn cho phép nào đó (như vận tốc lớn nhất theo điều kiện hãm hay vận tốc hạn chế qua ghi ...) thì tàu đang chạy ở chế độ mở máy.
+ Khi tàu đạt đến vận tốc tối đa (hay giới hạn) có thể xảy ra:
* Tàu chạy đóng máy, khi đó tàu sử dụng động năng dự trữ từ trước hay tàu chạy nhờ sức hút của đất (xuống dốc).
* Tàu chạy có hãm.
* Tàu chạy theo chế độ hạn chế công suất đầu máy.
Ví dụ: Xem xét một đoạn đường mà trên đó, vận tốc tàu bị hạn chế v=80km/h do điều kiện hãm.
Hình 2- . Xác định chế độ chuyển động của đoàn tàu.
Trường hợp xuống dốc i=8‰, trước khi đạt vận tốc 80km/h thì tàu chạy mở máy, khi v=80km/h thì có ωi=8N/kN; ωođ=3N/kN, như vậy để v=const thì hợp lực đơn vị phải bằng 0, hay là cần một lực hãm đơn vị là bT=ωi-ωođ.
Trường hợp xuống dốc i=2‰, ωi=2N/kN; ωođ=3N/kN (ứng với v=80km/h), như vậy để v=const thì hợp lực đơn vị phải bằng 0 hay là cần một phần lực kéo là fhc=ωođ - ωi.
Kết luận: Như vậy để xác định chế độ chạy tàu trong trường hợp chuyển động đều cần so sánh i với ωođ.
a) Nếu i>ωođ thì cần hãm điều hòa với trị số bct=i-ωođ hay là Bct=g(P+Q) (i-ωođ).
b) Nếu i=ωođ thì cần đóng máy.
c) Nếu i<ωođ thì cần bổ sung lực kéo trị số fhc=ωođ -i hay là Fhc=g(P+Q) (ωođ - i).
2.9.3. Xác định công cơ học của đầu máy.
Công cơ học của đầu máy là công của lực kéo trên tất cả các đoạn đường mà tàu chạy mở máy. Trên một quãng đường nào đó từ S1 đến S2, công cơ học được thể hiện ở dạng tích phân là:
∫
= 2
1
S
S k
M F dS
R (MJ) (2- 0)
Theo công thức trên ta thấy Fk=f(v) mà v luôn thay đổi nên tính toán theo phương pháp giải tích rất phức tạp, do đó nên dùng phương pháp đồ giải.
Theo phương pháp đồ giải, dựa vào đường cong v(S) vẽ đồ thị Fk(S). Đồ thị Fk(S) vẽ ngay trên cùng một hình vẽ với đồ thị v(S) với tỷ lệ tùy ý sao cho vẽ được dễ dàng. Mặt khác đường cong này dựa vào đường đặc tính lực kéo Fk = f(v) của loại đầu máy ta đang xét, nhưng trị số Fk thì tương ứng với các trị số vận tốc lấy ở đường v=f(S) (cần lấy được hết những điểm đặc trưng của đường v=f(S) và số điểm không nên lấy ít quá để đảm bảo mức độ chính xác).
Cách vẽ trên tương ứng với trường hợp đầu máy chạy hết công suất có sử dụng lực kéo lớn nhất, còn những đoạn lực kéo bằng Fk=0 (tức là chạy đóng máy) thì ngắt đường biểu diễn Fk=f(S) ra. Với những đoạn chạy theo chế độ hạn chế công suất của đầu máy, tức là giữ cho vận tốc cố định (chạy đều) như là qua ghi, qua cầu dài mà không được vượt quá vận tốc giới hạn nào đó thì lực kéo:
Fk=Wk=ωo(P+Q)g ± ik(P+Q)g =g (P+Q)(ωo ± ik) (2- 0) Khi vẽ xong đường Fk=f(S), ta tính diện tích hình bị giới hạn bởi đường đó và trục hoành, trục tung, sau đó nhân với tỷ lệ xích thì có công:
RM=Ωq (MJ). (2- 0)
Việc chọn tỷ lệ xích được tiến hành như sau:
+ Nếu 1cm trên trục tung có m kilô Niutơn và 1cm trên trục hành có y kilômét thì giá trị của diện tích 1cm2 là q=my MJ
+ Ta chọn 1km = 20mm 10KN= 2,5mm
10N.km = 0,5cm2
→ 1cm2 = 20KN.km = 20MJ
2.9.4. Xác định công cơ học của lực cản.
Công cơ học của lực cản RC xác định mức độ hao mòn các bộ phận chuyển động của đoàn tàu và của kiến trúc tầng trên. Từ đó xác định các khoản chi phí khai thác tương ứng liên quan đến sự hao mòn đó.
Khi thiết kế tuyến mới, để so sánh các phương án tuyến thiết kế phải tính được công cơ học của lực cản.
Công cơ học của lực cản được xác định như sau:
RC = Rω + Rb (2- 0)
+ Rω - công cơ học của lực cản, bao gồm công cơ học của lực cản cơ bản và lực cản phụ do đường cong:
Rω =g (P+Q)(ωo + ωr).Si.10-3 (MJ) (2- 0) ở đây, Si - chiều dài đoạn đường đang xét, km.
+ Rb - công cơ học của lực hãm
Rb =g (P+Q)b.Sb.10-3 (MJ) (2- 0) Trong đó Sb- các quãng đường có hãm, km.
Như vậy, Rc = g[(P+Q)(ωo + ωr).Si + (P+Q)b.Sb].10-3 (MJ) (2- 0) Tính RC theo công thức trên rất phức tạp vì phải tính nó trên từng yếu tố cho nên trong thực tế người ta tính RC theo RM khi sử dụng định luật biến đổi động năng.
∆T = RM− RC− Rh (2- 0)
Trong đó ∆T- đại lượng biến đổi động năng, MJ
∆T= (P+Q)(1+γ) 2 22.10 3 6
, 3 . 1
− d −
c v
v
Rh - công tích lũy thế năng, MJ.
Từ đóRC = RM − Rh − ∆T (2- 0)
Rc = Rm− g(P+Q)∆h.10-3 - 4,17(P+Q)(vc2− vđ2).10-3 (MJ)
Theo công thức trên, Rc phụ thuộc vđ, vc, vào cao độ điểm đầu, điểm cuối của đoạn đang xét, còn vận tốc và cao độ của các điểm trung gian trong đoạn đường đó không ảnh hưởng gì tới công của lực cản.
- Nếu ở đoạn đang xét có Hđ = Hc; vđ = vc → Rc = Rm
- Nếu vđ = vc nhưng Hđ ≠ Hc thì + Hc > Hđ → Rc < Rm
+ Hc < Hđ → Rc > Rm
- Nếu Hđ = Hc nhưng vđ ≠ vc thì + vc > vđ → Rc < Rm
+ vc < vđ → Rc > Rm
- Nếu tàu có dừng ở hai ga thì vđ = vc và Rc = Rm − g(P+Q)∆h.10-3 (MJ) - Vì |Rh | ở chiều đi và chiều về như nhau nên RM(đi) + RM(về) = RC(đi) + RC(về)
2.9.5. Tính tiêu hao nhiên liệu ở đầu máy điezen.
Lượng tiêu hao nhiên liệu của đầu máy điezen thường căn cứ vào trạng thái vận hành của đầu máy có hoặc không sử dụng sức kéo để tính toán và được xác định bằng tổng các lượng tiêu hao nhiên liệu trong các khoảng thời gian ở chế độ chạy mở máy (có sử dụng sức kéo) và chạy đóng máy, hãm hoặc dừng tàu (không sử dụng sức kéo). Ttrong các khoảng thời gian này, lượng tiêu hao nhiên liệu coi là không đổi với vận tốc chạy tàu trung bình).
∑
1 n
= i
®
® m
mt +g t
G
=
E (kg)
Trong đó: Gm - lượng tiêu hao nhiên liệu đơn vị trong chế độ kéo sau 1 phút chạy tàu ứng với vận tốc trung bình của đầu máy và tay máy ở vị trí nhất định (kg/phút).
tm - thời gian động cơ điezen làm việc ở vận tốc trung bình (phút).
gđ - lượng tiêu hao nhiên liệu đơn vị của động cơ điezen khi tàu chạy đóng máy (kg/phút).
tđ - thời gian tàu chạy đóng máy (phút).
n - số khoảng thời gian được phân chia, trong đó mỗi khoảng có vận tốc trung bình khác nhau.
Các trị số của G và gđ lấy theo đồ thị tiêu hao nhiên liệu đầu máy trong quy trình tính sức kéo.
Bảng 2-. Vận tốc quay của trục khuỷu động cơ điezen và lượng tiêu hao nhiên liệu khi tàu chạy đóng máy
Loại đầu máy Vận tốc vòng quay trục (vòng/phút)
Lượng tiêu hao nhiên liệu
(kg/phút)
D4H 600 0,12
D11H 650 0,20
D9E 450 0,16
D13E 450 0,16
D18E 450 0,16
Bảng 2- . Tiêu hao nhiên liệu của đầu máy điezen Liên Xô cũ Tí10 khi tàu chạy mở máy.
Thứ tự vđ vc vtb
Tiêu hao nhiên
yếu tố km/h liệu (kg/phút)
1 0 13 6,5 3,0
2 13 25 19 5,65
3 25 20,5 22,7 5,65
Khi tính lượng tiêu hao nhiên liệu của đầu máy điezen cần lập thành bảng (xem bảng 2-9)
Bảng 2- . Bảng tính tiêu hao nhiên liệu của đầu máy điezen.
Thứ tự Tình huống
Vận tốc
(km/h) Chạy mở máy Chạy đà, hãm,
dừng Tiêu hao yếu tố vận
hành vđ vc vtb ∆t Gm ∆t gđ nhiên liệu trắc
dọc
đầu
máy (phút) (kg/phút) (phút) (kg/phút
) E (kg)
Lượng tiêu hao nhiên liệu của đầu máy có thể tính sơ bộ cho 10kN.km công cơ học của đầu máy khi chạy mở máy là 0,80÷0,85kg. Khi đó tiêu hao nhiên liệu của đầu máy là Em = (0,80 ÷ 0,85)RM (kg).
Suất tiêu hao nhiên liệu tính cho 100 nghìn kN.km công vận chuyển (cả bì).
L Q P e E
) (
10 . 4
= + (2- 0)
Trong đó : L - Chiều dài đoạn tuyến tính toán, km.
2.9.6. Tiêu hao năng lượng điện của đầu máy điện.
Tiêu hao năng lượng điện để kéo đoàn tàu được xác định theo biểu thức sau:
∫c
t
t
c Iedt
A U 60 ®
= (2- 0)
Trong đó: Uc - Điện áp lưới tại cầu tiếp điện, V;
Ie - Dòng điện phụ thuộc thời gian, A.
Khi thay tích phân bằng tổng các số gia hữu hạn và chuyển từ W.h sang kW.h, chúng ta nhận được:
∫ Δ
c
tb
t
t e
c I t
A U
1000 ®
= 60
)
. (
Để xác định giá trị Ie(tb) cần xây dựng đường cong Ie(S) dòng điện của đầu máy điện theo quãng đường. Đường cong này được xây dựng trên cơ sở đặc tính dòng điện đầu máy theo vận tốc chạy tàu Ie(v).
Lượng tiêu hao điện của đầu máy điện A được tính trên cơ sở lượng tiêu hao điện khi đầu máy có sử dụng sức kéo Ay và lượng tiêu hao điện khi không sử dụng sức kéo Ao của chạy đà, hãm và dừng tàu
A= Ay + Ao
Lượng tiêu hao điện có thể tính theo “dòng hữu ích” ampe hoặc có thể tính theo “đơn vị thời gian”.
1. Lượng tiêu hao điện tích theo “dòng hữu ích”.
Lượng tiêu hao điện khi có sử dụng sức kéo Ay =
60.1000
).
∑I ( Δt
Uc etb (kW/h)
Trong đó: Ie(tb) - Dòng điện hữu ích bình quân khi có sử dụng sức kéo, A.
∆t- Khoảng thời gian trong mỗi giãn cách vận tốc, phút.
Đường cong Ie=f(v) là đường đặc tính dòng điện đầu máy theo vận tốc chạy tàu.
Để thuận lợi, ta lập bảng (2-10):
Bảng 2- . Bảng tính tiêu hao điện khi dùng “dòng điện hữu ích”.
Thứ tự giản cách
Phương thức điều khiển
Vận tốc đầu vđ
(km/h)
Vận tốc cuối vc
(km/h)
Vận tốc bình quân vtb
(km/h)
Thời gian vận
hành ∆t (phút)
Dòng điện hữu ích bình
quân Ie(tb)
(A)
Ie.∆t (A.phú
t)
Lượng tiêu hao điện khi không sử dụng sức kéo (chạy đà, hãm, dừng) Ao = ( )
60.1000
∑ p .Δo
c I t
U o (kW/h)
Trong đó: Ipo - Dòng điện khi không sử dụng sức kéo (A); ở trạng thái chạy
đà, hãm gió ép, dừng ở ga Ipo = 2A, khi hãm điện trở Ipo = 10A
∆to- thời gian tương ứng với Ipo, phút.
2. Lượng tiêu hao tính theo đơn vị thời gian:
A= Ay + Ao = Σ (ay.∆t) + Σ (ao.∆to) (kW.h)
Trong đó: ay- Lượng tiêu hao điện đơn vị thời gian (kW.h/phút) của đầu
máy ở vị trí tay gạt và tốc độ nào đó,
∆t - Thời gian tương ứng với các ay, phút.
ao - Lượng tiêu hao điện đơn vị thời gian (kW.h/phút) của chạy
đà, hãm, dừng tàu, lấy ao= 0,83; ở hãm điện trở ao= 4,17
∆to - Thời gian tương ứng với các ao , phút.
Cách tính toán trên cũng được lập thành bảng (xem bảng 2-11) Bảng 2- . Bảng tính lượng tiêu hao điện theo “Lượng tiêu hao điện
đơn vị thời gian”.
Thứ tự giản cách tốc độ
Phươn g thức
điều khiển
Vận tốc đầu vđ
(km/h)
Vận tốc cuối vc
(km/h)
Vận tốc bình quân vtb
(km/h)
Thời gian vận
hành ∆t (phút)
Lượng tiêu hao điện đơn vị thời
gian a (kW.h/phút)
Lượng tiêu hao điện A (kW.h)
Lượng tiêu hao điện tính cho 100 nghìn kN.km công vận chuyển L
Q P a A
) (
. +
= 104
Trong đó: L- Chiều dài đoạn tuyến tính toán.
2.10. Tính sức kéo đầu máy trên máy tính điện tử