Тяговые расчеты для магистральных железных дорог

Тяговые расчеты для магистральных железных дорог

Московский Государственный Университет Путей Сообщения

(МИИТ)

Институт Транспортной Техники и Систем Управления

(ИТТСУ)

Кафедра «Электропоезда и локомотивы»

Курсовой проект

по дисциплине «Теория тяги поездов»

«Тяговые расчеты для магистральных железных дорог»

Москва-2014

Оглавление

Введение

1. Анализ и подготовка продольного профиля пути для выполнения тяговых расчетов

.1 Спрямление профиля пути и выполнения расчетов

.2 Порядок расчета

2. Определение веса (массы) состава грузового поезда с учетом ограничений по условиям эксплуатации

2.1 Определение расчетного веса (массы) состава грузового поезда

.2 Выбор серии и числа секций локомотивов для ведения грузового поезда заданного веса

3. Расчет значений удельных ускоряющих и замедляющих сил, действующих на поезд при его движении

3.1 Расчет удельных равнодействующих сил в режиме тяги

3.2 Расчет удельных равнодействующих сил в режиме холостого хода

3.3 Расчет удельных равнодействующих сил в режиме торможения

4. Определение допустимых по условиям безопасности скоростей движения

4.1 Найдём удельную тормозную силу

4.2 Время тормозного пути для заданных уклонов

.3 Тормозной путь для заданных уклонов

4.4 Графическое построение допустимых по условиям безопасности скоростей движения

5. Расчет скорости движения поезда по участку с учетом ограничений по скорости движения

6. Определение времени хода поезда по участку

7. Расчет расхода топлива тепловозом и электроэнергии электровозом при движении по участку

7.1 Определение расхода дизельного топлива тепловоза

.2 Определение расхода электроэнергии электровозом переменного тока

. Сравнение тяговых энергетических показателей работы тепловоза и электровоза

.1 Техническая скорость

.2 Расход энергоресурсов на перемещение одного поезда

.3 Материальные затраты, требуемые для энергоресурсов необходимых для перемещения одного поезда

.4 Удельный расход энергии на перемещение поезда

.4.1 При тепловозной тяге. Qнр

.4.2 При электрической тяге

.5 Определение производительности тепловоза и электровоза

. Результаты расчётов. Выбор локомотива

Вывод

Список используемой литературы

Введение

В ходе данной курсовой работы необходимо выполнить следующие пункты задания:

Выполнить спрямление продольного профиля пути;

Определить серию и число секций двух сравниваемых локомотивов (тепловоз и электровоз), необходимой мощности для ведения поезда заданного веса по данному участку профиля сети железных дорог.

Выполнить построение графиков скорости движения и времени хода поезда по участку при продолжительности стоянки поезда на промежуточной станции 11 мин.

Определить общий и удельный расход энергоресурсов локомотивами при ведении поезда по участку.

Обосновать выбор типа и серии локомотива для работы на данном участке.

1. Анализ и подготовка продольного профиля пути для выполнения тяговых расчетов

Таблица 1 - Результаты расчетов по спрямлению элементов действительного профиля пути

*Участок №13 выбираем, как расчетный подъем, участок №21, как проверяемый.

1.1 Спрямление профиля пути и выполнения расчетов

При выполнении тяговых расчетов, связанных с движением поезда, число элементов заданного (действительного) профиля пути (см. таблицу 1) уменьшают за счет группировки небольших по длине элементов и эквивалентной замене каждой группы элементов профиля одним суммарным. Одновременно все кривые. Находящиеся на пути, спрямляют в плане, заменяя их фиктивными подъемами.

При спрямлении надо учитывать, что спрямлению не подлежат: остановочные пункты, расчетные уклоны, инерционные, уклоны, элементы с разноименными знаками.

Крутизна уклона суммарного профиля i’c ‰ определяется по формуле:

 (1)

где Sс - суммарная длина спрямляемых элементов профиля, м;

‰ - промилле (тысячная часть числа), т. е. 1 ‰ = 0,001;

, 2, … n - номера спрямляемых элементов.

Для избежания больших погрешностей при тяговых расчетах, например, при определении времени хода поезда по участку, необходимо провести проверку допустимости замены группы элементов действительного профиля одним суммарным. Данная проверка проводится для каждого (i-ого) в отдельности элемента действительного профиля, входящего в спрямляемый участок по формуле (м)

 (2)

При анализе профиля пути все кривые участки пути заменяют фиктивными подъемами по формуле ‰:

 (3)

где 1, 2, … j - номера кривых участков пути, находящихся на спрямляемом участке;кр - длина кривой в пределах спрямленного участка, м;- радиус кривой, м;

Окончательная крутизна уклона спрямленного участка с учетом кривых (приведенный уклон), ‰

 (4)

Знак перед ic’ определяется характером уклона спрямленного участка: подъем "+", спуск "-".

Величина фиктивного уклона ic'', заменяющего действие дополнительного сопротивления от кривых, всегда положительна.

тепловоз электровоз тяговой эксплуатация

1.2 Порядок расчета

Анализ профиля пути показывает, что возможна группировка и замена суммарным профилем следующих элементов профиля пути:

Участок 3-5:

определим суммарный уклон по формуле (1):

проверяем по формуле (2) возможность спрямления для каждого действительного элемента профиля:

Определим величину фиктивного подъема от кривых для суммарного участка

Определим величину приведенного уклона суммарного участка по формуле

Участок 7-10:

Проверяем:

Так как участки 7-10 прямые:

Участок 15-16:

определим суммарный уклон по формуле (1):

проверяем по формуле (2) возможность спрямления для каждого действительного элемента профиля:

Определим величину фиктивного подъема от кривых для суммарного участка

Определим величину приведенного уклона суммарного участка по формуле

Участок 18-20:

определим суммарный уклон по формуле (1):

проверяем по формуле (2) возможность спрямления для каждого действительного элемента профиля:

Так как участки 18-20 прямые:

Участок 23-24:

определим суммарный уклон по формуле (1):

проверяем по формуле (2) возможность спрямления для каждого действительного элемента профиля:

Определим величину фиктивного подъема от кривых для суммарного участка

Определим величину приведенного уклона суммарного участка по формуле

Участок 6:

Определим величину фиктивного подъема от кривых для суммарного участка

Определим величину приведенного уклона суммарного участка по формуле

2. Определение веса (массы) состава грузового поезда с учетом ограничений по условиям эксплуатации

.1 Определение расчетного веса (массы) состава грузового поезда

Минимальная необходимая сила тяги локомотива определяется из условия равномерного движения поезда заданного веса с расчетной скоростью по расчетному подъему. В этом случае

Fkmin=Wk=Q(wo’’+ip)+P(wo’+ip), (5)

где Q - заданный вес поезда, кН; wo’’ - основное удельное сопротивление движению состава, Н/кН; ip - величина расчетного подъема, ‰; P - вес локомотива, кН; wo’ - основное удельное сопротивление движению локомотива, Н/кН.

Так как расчетный вес локомотива изначально неизвестен, то вводим замену

, (6)

где  - коэффициент тяги локомотива.

После всех преобразований получаем искомую формулу для расчета Fkmin в следующем виде:

, Н. (7)

Для расчета wo’ и wo’’ применяются следующие эмпирические формулы:

, (8)

, (9)

где V - скорость движения локомотива, км/ч;  - содержание 4-хосных вагонов в составе поезда, %;  - основное удельное сопротивление движению 4-хосных вагонов, Н/кН;  - содержание 8-миосных вагонов в составе поезда, %;  - основное удельное сопротивление движению 8-миосных вагонов, Н/кН.

Основные удельные сопротивления движению вагонов каждого типа можно рассчитать по следующим формулам:

Н/кН, (10)

Н/кН, (11)

где  - нагрузка на ось 4-хосного вагона, т;  - нагрузка на ось 8-миосного вагона, т.

Значение нагрузки, приходящейся на одну ось вагона, рассчитывается путем деления массы вагона на количество осей вагона, то есть

, (12)

где m - масса вагона, т; n - количество осей.

Значение  предварительно задаем на уровне , где  - значение расчетного коэффициента сцепления колес локомотива с рельсами при расчетной скорости Vp.

Для различных видов локомотивов существуют различные эмпирические формулы для расчета :

для тепловозов с электропередачей:

; (13)

- для электровозов постоянного тока:

; (14)

- для электровозов переменного тока:

. (15)

Так как значение расчетной скорости неизвестно, то задаем его ориентировочно. Для грузового движения при тепловозной тяге Vp=20-25 км/ч, при электрической тяге Vp=43-50 км/ч.

Исходные данные для расчета :

Q=10000 кН;

=9,5‰;

Vpтепл=20 км/ч;

Vpэл=43 км/ч;

=40%;

=60%;

m4=40 т;

m8=80 т;

подбираем электровоз переменного тока (для расчета ).

Подставляем исходные данные в формулы (7)-(15) и рассчитываем минимальную касательную силу тяги для тепловоза с электропередачей и электровоза переменного тока.

Для тепловоза имеем:

Для электровоза переменного тока имеем:

На основе полученных значений  подбираем тепловоз и электровоз постоянного тока, исходя из условия, что :

тепловоз М62;

электровоз ВЛ60к.

Для каждого выбранного локомотива необходимо определить расчетную весовую норму состава и номинальную касательную мощность.

Расчетная весовая норма находится по формуле

 (16)

где P - вес локомотива, кН.

Номинальная касательная мощность рассчитывается по формуле

 (17)

Для тепловоза:

расчетная весовая норма ;

номинальная касательная мощность .

Для электровоза:

расчетная весовая норма ;

номинальная касательная мощность .

Полученные данные оформляем в таблицу

Таблица 2 - Расчетные параметры локомотивов для вождения составов с унифицированной весовой нормой Q=10000 кН

3. Расчет значений удельных ускоряющих и замедляющих сил, действующих на поезд при его движении

.1 Расчет удельных равнодействующих сил в режиме тяги

В данном режиме на поезд действуют касательная сила тяги локомотива Fk, Н, направленная по скорости движения, и основное сопротивление движению поезда в режиме тяги Wo, Н, направленное против хода поезда. Равнодействующая сила в данном режиме

R= Fk- Wo, Н, (18)

Удельная равнодействующая сила в режиме тяги

r=fk-wo, Н/кН, (19)

где fk - удельная сила тяги, Н/кН,

 (20)

wo - основное удельное сопротивление движению поезда в режиме тяги, Н/кН,

 (21)

3.2 Расчет удельных равнодействующих сил в режиме холостого хода

В данном режиме на поезд действует основное сопротивление движению поезда в режиме холостого хода Wох, Н, направленное против хода поезда.

Удельная равнодействующая сила в данном режиме r=wox, Н\кН, где

 (22)

’ - основное удельное сопротивление движению локомотива в режиме холостого хода, Н/кН,

 (23)

3.3 Расчет удельных равнодействующих сил в режиме торможения

В режиме торможения на поезд действуют основное сопротивление движению поезда в режиме холостого хода Wох, Н, и тормозная сила поезда Bт, Н, направленные против хода поезда.

Равнодействующая сила в режиме торможения R= Wох+ Bт, Н.

, Н, (24)

где θр - расчетный тормозной коэффициент поезда; φкр - расчетный коэффициент трения тормозной колодки.

, (25)

для чугунных тормозных колодок.

Удельная равнодействующая сила в режиме торможения

 Н/кН, (26)

где - удельная тормозная сила, Н/кН.

При полном служебном торможении или регулировочном торможении тормозная сила используется не полностью, в отличие от экстренного торможения. В этих случаях ориентировочно  Н/кН.

Полученные для каждого локомотива данные внесем в таблицы.

Таблица 3 - значения удельных ускоряющих и замедляющих сил, действующих на поезд при его движении (для тепловоза).

4. Определение допустимых по условиям безопасности скоростей движения

Как известно, машинисту наиболее сложно обеспечить безопасность движения на спусках при , так как даже при ведении поезда в режиме холостого хода на спусках круче скорость будет возрастать.

Для обеспечения безопасности движения поезда по участку в курсовой работе необходимо определить наибольшие допустимые скорости движения поезда на спусках, т.е. .

Полный расчетный тормозной путь , м, равен сумме пути, проходимом поездом при подготовке тормозов к действию  действительного тормозного пути :

Расчетные тормозные пути принимаем [1]:

 м - для спусков крутизной до -6‰ (включая 0);

 м - для спусков крутизной от -6‰ до -12‰;

 м - для спусков крутизной от -12‰ до -18 ‰;

Подготовительный тормозной путь , м, то есть путь проходимый поездом от момента поворота рукоятки крана машиниста в тормозное положение до соприкосновения тормозных колодок с бандажами колес, определяют из условия равномерного движения поезда со скоростью :

где - скорость поезда в начале торможения, км/ч; в расчетах можно принять  = 100 км/ч;

 - время подготовки тормозов, с (определяют по эмпирическим формулам в зависимости от числа тормозных осей).

4.1 Найдём удельную тормозную силу

Вт = 1000∙ὑ∙,где

расчётный тормозной коэффициент трения тормозных колодок;

ὑ- расчётный тормозной коэффициент заданный в дано.

 (29)

При  bт=10,8

4.2 Время тормозного пути для заданных уклонов

Для грузовых составов, длиной менее 200 осей:

4.3 Тормозной путь для заданных уклонов

Тогда подготовительный тормозной для разных уклонов составит:

4.4 Графическое построение допустимых по условиям безопасности скоростей движения

При графических построениях зависимостей ,  и  используется масштаб, рекомендуемый ПТР.

Н/кН =1 мм

км/ч = 1мм

км = 120 мм

Используя заданный масштаб и рассчитанные значения при заданных уклонах, построить графики функций ,  и .

На планшете, на оси х находим точку О' на расстоянии Sт = 1000м.

Из точки О' проводим прямую . Из точки 0 построим кривую скорости для экстремального торможения поезда (кривая строится, начиная с нулевой скорости, в интервалах изменения скорости ∆ V, где ∆V = 4 км/ч до V≤50 км/ч и ∆V = 10 для V≥50 км/ч).

Находим искомые допустимые скорости при которых Sт = Sп + Sд = [Sт] Далее на планшете, на оси х откладывает точку О'' на расстоянии Sт = 1200м.

Из точки О'' строим проводим прямую Sп6. Скорость Vс определяем, как точку пересечения графиков Sп6 и Sд6. Для определения скорости vд строят прямую Sп12 из точки О'' и кривую Sд12 из точки О.

5. Расчет скорости движения поезда по участку с учетом ограничений по скорости движения

Для определения скорости движения поезда по участку используется графический способ МПС (метод А.И. Липеца). Результаты построений представлены в приложении.

При выполнении построений использовались масштабы:

Н/кН = 6 мм

км/ч = 1мм

км = 120 мм

В соответствии с данными удельных равнодействующих сил и результатами расчета веса поезда на планшет со спрямленным профилем в заданном масштабе нанесены графические зависимости удельных ускоряющих fk-w0=f(V) и замедляющих wox=f (V), 0,5bT + wox=f (V) сил, действующих на поезд.

По кривым удельных ускоряющих и замедляющих сил, используя графический способ А.И. Липеца, на том же планшете была построена кривая скорости u = f (S).

6. Определение времени хода поезда по участку

Определим время хода поезда по участку В-А графическим способом Лебедева Г.В.

В приложении представлен график t = f (S). Построение выполнено в масштабах, которые приведены в пункте 5. Масштаб времени 1мин=10мм.

Выполнив все построения, рассчитаем среднюю техническую Vт и участковую Vуч скорости движения поезда (км/ч) для каждого варианта сравнения:

; (31)

. (32)

где:  - общая длина профиля, км;- время хода поезда, мин (определяется по графику), к которому необходимо добавить время стоянки поезда на промежуточной станции в течении 9 минут;

Для тепловоза:

Для электровоза:

7. Расчет расхода топлива тепловозом и электроэнергии электровозом при движении по участку

.1 Определение расхода дизельного топлива тепловоза

Расход дизельного топлива тепловозом при движении по заданному участку определяют по формуле, кг:

(33)

где  - расход топлива за I мин. при движении тепловоза в режиме тяги при i-ом положении рукоятки контроллера машиниста, кг/мин; приводятся в [2,3] в виде расходных характеристик G=f(,nк);

- время стоянки поезда на промежуточной станции

 - расход топлива за 1 мин при движении тепловоза в режимах холостого хода и торможения, кг/мин;

 - суммарное время движения тепловоза в режиме тяги при i -ом положении рукоятки контроллера машиниста, мин; определяется по кривой t=f(S);

 - суммарное время движения тепловоза в режимах холостого хода и торможения, мин; определяется по кривой t=f(S).

кг

7.2 Определение расхода электроэнергии электровозом переменного тока ВЛ60к

Исходными данными для определения расхода электроэнергии электровозами постоянного тока являются ранее построенные кривые

=f(S); t=f(S); Iэ = f(S).

Расход электроэнергии при движении электровоза по участку, кВт∙ч

А =АТ + АСН, (34)

где АТ - расход электроэнергии при движения электровоза в режиме тяги, кВт∙ч;

АСН - расход электроэнергии на собственные нужды электровоза, кВт∙ч.

где n - число интервалов изменения скорости движения электровоза. Результаты расчета расхода электроэнергии электровозом постоянного тока представлены в таблице 14.

Расход электроэнергии электровозами постоянного тока на собственные нужды, кВт∙ч:

Асн = асн ∙ t, (36)

где асн - среднее значение расхода электроэнергии электровозом за 1 мин на собственные нужды кВт∙ч /мин, для ВЛ60к можно принять:

асн=3,33 кВт∙ч /мин;- общее время хода электровоза по участку, мин.

Таблица 3

Подставим полученные данные в формулы (34) и(35)

435,958 кВт∙ч

А = 435,958 +186,48 = 622,438 кВт∙ч

8.1 Техническая скорость

Тепловозт = 36,52км/ч

Электровозт = 36,2км/ч

8.2 Расход энергоресурсов на перемещение одного поезда

Расход условного топлива тепловозом М62

, где (37)

Е - расход натурального дизельного топлива;

Э - коэффициент перевода натурального дизельного топлива в условное

Э = 1,43

Подставим данные в формулу (39)

кг.

Расход электроэнергии электровозом, отнесенный к вводам тяговых подстанций.

, где (38)

 - КПД тяговой подстанции ();

 - КПД контактной сети (

Подставим данные в формулу (40)

8.3 Материальные затраты на перемещение одного поезда

Материальные затраты на перемещение одного поезда при тепловозной тяге.

З = Сцт ∙ Ецт, где (39)

Сцт - цена одного килограмма условного топлива для ОАО РЖД (Сцт =20,8р)

З = 20,8 ∙ 145,3 = 3022.24 рубля

Материальные затраты на перемещение одного поезда при электрической тяге.

З = Сэ ∙ Ап, где (40)

Сэ - цена одного киловатта в час электрической энергии на вводах тяговых подстанций ОАО РЖД (Сэ =2,8р/кВт∙ч).

З = 2,8 ∙ = 1912,25 рубля

8.4 Удельный расход энергии

Удельный расход энергии при тепловозной тяге.Qнр

 (41)

е - удельный расход топлива на перевозочной работе;нр - низшая удельная теплота сгорания дизельного топлива(Qнр=42500кДж/кг).

е   (42)

=108,08

Удельный расход энергии при электрической тяге.

 (43)

а - удельный расход электроэнергии на единицу перевозочной работы.

Ƞтэс - КПД тепловой электростанции (Ƞтэс = 0,38)

Ƞэс - КПД энергетической системы для передачи электроэнергии от ТЭС до ввода тяговых подстанций электрифицированных железных дорог.

Ƞтэс∙ Ƞкс ∙ Ƞпс=0,8

8.5 Определение производительности тепловоза и электровоза

Wл =  (45)

для тепловозал =

для электровозал =

Удельная производительность единицы мощности локомотива.

Wл'=  (46)

- для тепловоза

л'=

для электровозал'=

9. Результаты расчётов. Выбор локомотива

Таблица 4

Вывод

Из анализа полученных данных видно, что касательная сила тяги электровоза выше, чем у тепловоза, однако электровоз более экономичен и обладает большей мощностью. По остальным критериям значения тягово-экономических показателей практически одинаковы. В курсовом задании целесообразней для заданного состава выбрать электровоз.

Список используемой литературы

1.      Кузьмич В.Д., Руднев В.С., Френкель С.Я. Теория локомотивной тяги: Учебник для вузов ж.-д. транспорта/ - М.: Издательство «Маршрут»,. 2005. - 448 с.

.        Гребенюк П.Т., Долганов А.Н, Скворцова А.И. Тяговые расчёты: Справочник./Под ред. П.Т. Гребенюка. - М.: Транспорт, 1987.- 272с.

.        Правила тяговых расчётов для поездной работы. - М.: Транспорт, 1985. - 287с.

.        Осипов С.И., Осипов С.С., Феоктистов В.П. Теория электрической тяги: Учебник для вузов ж.-д. транспорта/ - М.: Издательство «Маршрут»,. 2006. - 436 с.

.        Теория и конструкция локомотивов: Учебник для вузов ж.-д. транспорта/ Под ред. Г.С. Михальченко. - М.: Издательство «Маршрут»,. 2004. - 424 с.

.        Руднев В.С. Тяговые расчеты для магистральных железных дорог: Методические указания. - М.: МИИТ, 2002.- 44с.