Весовые ведомости тепловозов

Таблица3

 

№ гр.	Группы оборудования и основные весовые части тепловоза	Тепловозы (вес групп, кН)
ТЭМ2	ТЭМ7	М62У	ТЭМ21	ЧМЭ3	2ТЭ10М	2ТЭ116	2ТЭ70	ТЭП70	2ТЭ25
	Дизель-генераторная группа (дизель с навешанными агрегатами, тяговый генератор со вспомогательными электрическими машинами)
	Охлаждающее устройство	54,8	39,7
	Системы дизеля (водяная, масляная, топливная)	19,2	8,9
	Системы тепловоза (тормозная, автоматики, песочная)		15,9
	Вспомогательные механизмы (компрессоры и вентиляторы электрических машин)		38,2
	Электрооборудование (аппаратная камера, аккумуляторная батарея, выпрямительная установка, электрические кабели и прочее)		94,2

 

	Рама с кузовом и топливным баком, включая кабины машиниста, автосцепки, балласт	296,0	483,4
	Вспомогательное оборудование (противопожарная система, сан. узел, инструменты, принадлежности и прочее)	8,7	15,2
	Обслуживающий вес (топливо, вода, смазка)		71,2
	Надтележечный вес		979,7
	Вес тележек (двух)	464,0
	Вес тепловоза

 

 

 

Основные базовые размеры тепловозов

Таблица 4

 

№ п/п	Размеры, мм	ТЭМ2	ТЭМ7	М62У	ЧМЭ3	ТЭМ21	2ТЭ10М	2ТЭ116	2ТЭ70	ТЭП70	ТЭП780
	Длина тепловоза (между осями автосцепок одной секции)
	База экипажа (между шкворнями)
	База тележки (между осями крайних колесных пар)								2400+2200	2300+2000
	Длина рамы тепловоза
	Длина дизель- генератора
	Длина холодильника
	Расстояние центра масс дизель- генераторной установки, м	8,0	8,45	8,45	3,5	7,8	7,6	9,0	10,6	10,6
	Расстояние центра масс охлаждающего устройства, м	2,6	2,8	12,8	3,5	2,0	12,4	16,0	6,7	16,7	16,5

После определения центров тяжести групп оборудования необходимо определить момент каждой группы относительно условной оси:

Mi = Gi ⋅ li, кН ⋅ м,

где Gi — вес группы оборудования, кН, i = 1..9;

li— плечо (расстояние от центра тяжести группы оборудования до условной оси, м,

i = 1..9).

По результатам расчетов составляется таблица 5.

 

Таблица 5

 

Номер группы оборудования	Группы оборудования	Вес Gi, кН	Плечо li, м	Момент Gi· li, кН·м
	Надтележечный вес ΣGi	Xцнт	ΣGi · li

 

Расстояние центра тяжести тепловоза от условной оси моментов находится по формуле:

∑ Gi ⋅ li

Xцнт =

∑ Gi.

Определив центр тяжести надтележечного строения, находим расстояние a1 и a2 до точек передачи нагрузки на тележки (или до осей шкворней).

Если расстояния a1 и a2 не равны между собой, то нагрузка на тележки определяется из выражений:

1 ∑ i

a ⋅ G

P =

T

a

T 2 + a

и P 1 = ∑ Gi − PT2.

Если разница в нагрузках не превышает допустимой (3 %), то можно считать, что

надтележечное оборудование тепловоза размещено правильно. Если эта разница превышает 3 %, то следует достичь равномерного распределения нагрузки между тележками смещением в ту или другую сторону наиболее тяжелой дизель-генераторной группы.

 

 

Пример. Завершив ориентировочную компоновку основного оборудования на тепловозе, необходимо установить веса отдельных узлов, агрегатов и групп оборудования и расположение их центров масс.

Принимая, что оборудование в кузове тепловоза расположено симметрично относительно его продольной оси, рассматриваем плоскую схему с вертикальными силами Gi. Равнодействующая этих сил должна проходить через центр тяжести локомотива, который

(центр) должен лежать на геометрической вертикальной оси симметрии, то есть на одинаковом расстоянии от опорных точек тележек.

Схема размещения основных агрегатов и групп оборудования на тепловозе (ТЭМ7),

расположение приложенных сил тяжести и их расстояния от условной оси моментов (плечи) представлены на рис. 2.

Расчеты выполняем, используя весовую ведомость. Сводная весовая ведомость проектного тепловоза по укрупненным узлам и группам оборудования приведена в таблице 6. В ней указаны веса групп оборудования, их условные обозначения, плечи и моменты сил тяжести.

 

 

Таблица 6

Сводная весовая ведомость расчета развески проектного тепловоза

 

№ п/п	Наименование узлов, групп оборудования и основных весовых частей	Условное обозначение	Вес, кН	Плечо, м	Момент, кН·м
	Дизель-генераторная группа	Gдг		8,45	1799,85
	Охлаждающее устройство	Gох	39,7	2,8	111,16
	Системы дизеля	Gсд	8,9	8,4	74,76
	Системы тепловоза	Gст	15,9	10,8	171,72
	Силовые установки	Gсу	38,2	12,0	458,3
	Электрооборудование	Gэл	94,2	16,8	1582,56
	Рама тепловоза с кузовом	Gрт	483,4	10,8	5220,72
	Вспомогательное оборудование	Gвсп	15,2	10,8	164,16
	Обслуживающий вес	Gобс	71,2	10,8	768,96
	Надтележечный вес	Gнадт	979,7	10,56
	Тележки	Gтел ·2		—	—
	Суммарный вес тепловоза	G	1765,7	—	—

 

Рис. 2

Веса групп оборудования для других тепловозов берутся из таблицы 5, а плечи моментов для дизель-генераторной группы и охлаждающего устройства из таблицы 6. Остальные плечи моментов принимаем ориентировочно, согласно рекомендациям, приведенным в методических указаниях. При этом, назначив ориентировочно центры тяжести группы оборудования, измеряем их расстояния от условной оси момента миллиметровой линейкой и умножаем на масштаб.

Расстояние центра тяжести надтележечной части тепловоза от выбранной нами условной оси моментов находим по упомянутой формуле.

 

Xцнт

= 10330 = 10,54

979,7 м.

Таким образом, центр тяжести надтележечной части проектного тепловоза не совпал с

его вертикальной осью симметрии (lос = 10,75

 

м).

Чтобы совместить центр тяжести тепловоза с вертикальной осью симметрии, целесообразнее всего несколько сместить вперед (по схеме — вправо) наиболее тяжелый агрегат — дизель-генератор. Расстояние, на которое надо сдвинуть дизель-генератор, определим из уравнения:

(∑ Gili)− Gдг lдг + Gдг lд ′ г = (∑ Gilос).

Отсюда определяем расстояние, на которое надо сместить дизель-генератор тепловоза:

∆ = (lд ′ г − lдг) =

(∑ Gi) lос − (

Gдг

∑ Gi li)

,

где ∑ G

 

 

моментов;

 

i = 979,7 кН — вес всей надтележечной массы (см. сводную весовую ведомость);

Loс = 10,75 м — плечо надтележечной массы относительно условной оси

(∑ Gili)= 10330 кН ⋅ м — суммарный момент надтележечной массы

относительно условной оси моментов (см. сводную весовую ведомость);

Gдг = 213 кН

 

— вес дизель-генератора тепловоза;

lдг = 8,45 м

 

— плечо центра тяжести дизель-генератора, принятое при

первоначальном размещении основного оборудования на тепловозе;

l ′ — искомое плечо центра тяжести дизель-генератора относительно

условной оси О – О, требуемое для выравнивания нагрузок по тележкам.

 

 

Подставляя в уравнение известные нам числовые значения, получаем

∆ = 979,7 ⋅ 10,75 − 10354 = 0,83 м

213.

Таким образом, для того, чтобы центр тяжести надтележечной части тепловоза совпал с его вертикальной осью симметрии необходимо переместить дизель-генератор вправо на 0,83 м от первоначально выбранного положения.

Проверим выполненный расчет.

Новое плечо центра тяжести дизель-генератора:

lд ′ г = lдг + ∆ = 8,45 + 0,83 = 9,28 м.

Новый момент центра тяжести дизель-генератора:

Gдг ⋅ lд ′ г = 213 ⋅ 9,28 = 1976 кН ⋅ м.

Момент надтележечной части проектного тепловоза после корректировки расположения дизель-генератора на раме локомотива:

10354 – 1799,85 + 213⋅ 9,28 = 10530 кН⋅м.

Расстояние центра тяжести надтележечной части тепловоза от условной оси моментов

О–О при смещении дизель-генератора на 0,83 м:

 

XЦ ′ Т

Gi li 10530

∑

= = = 10,75 м

∑ Gi

979,7

.

Полученный результат точно совпадает с положением вертикальной оси симметрии тепловоза относительно условной оси моментов О–О, и это обеспечивает равномерное распределение вертикальных нагрузок по тележкам и колесным парам локомотива.

Определим общий вес проектного тепловоза. Вес одной тележки составляет

Ртел. = 393 кН. Следовательно, вес тепловоза составляет

P Σ= Gнад + Pтел × 2 = 979,7 + 786 = 1765,7 кН,

где Gнад = 979,7 кН

развески, табл. 6).

 

— вес надтележечной части тепловоза (см. сводную ведомость расчета

 

Статическая вертикальная нагрузка от каждой тележки на рельсовый путь:

1765,7

2 =882,85 кН.

Нагрузка от колесной пары на рельсы:

 

П = Pщ4 + 4

= 1765,7 = 220,7 кН

8.

Таким образом, выполненный нами расчет развески проектного тепловоза показал, что статические весовые нагрузки распределяются по тележкам и колесным парам равномерно.

 

 

3. Определение основных параметров работы дизеля и охлаждающего устройства

К основным параметрам работы дизеля относятся среднее индикаторное и среднее эффективное давления, средняя скорость поршня, индикаторный и эффективный КПД, удельный расход топлива.

Среднее эффективное давление pе характеризует полезную мощность дизеля, отнесенную к коленчатому валу (фланцу отбора мощности), а среднее индикаторное давление pi соответствует мощности, полученной непосредственно в цилиндре двигателя. Эту мощность называют индикаторной.

Эффективная Pе ном и индикаторная мощности связаны соотношением

Pе ном = Pi ⋅η м,

откуда

Pe ном

η

Pi =

м,

где Peном — номинальная эффективная мощность одного дизеля, получаемая делением заданной мощности Pe на число секций тепловоза;

η м — механический КПД дизеля.

Механический КПД дизеля характеризует механические и гидравлические потери в трущихся частях двигателя, а так же расход части мощности на привод вспомогательных механизмов дизеля (топливных, масляных, водяных насосов, механизма газораспределения и др.) Его значение находится в пределах от 0,78 до 0,9.

Средняя скорость поршня Cм, м/с, характеризует конструкцию двигателя с точки зрения тепловой и динамической напряженности, а также интенсивности износа деталей. В современных тепловозных дизелях средняя скорость поршня 7 – 10 м/с (при больших значениях Cм резко возрастает интенсивность износа трущихся частей, что понижает надежность и срок службы дизеля).

См = 2S ⋅ n,

где S — ход поршня, м;

n — частота вращения коленчатого вала, 1/с.

 

 

Часовой расход топлива дизеля Bч, кг/ч

Bч = bе ⋅ Pе ном,

где bе — удельный расход топлива, приходящийся на 1 кВт эффективной мощности,

кг/(кВт. ч).

 

 

Удельный расход топлива характеризует степень совершенства преобразования химической энергии топлива в механическую в тепловом двигателе. Для современных дизелей он составляет:

для двухтактных — 0,218 – 0,231 кг/(кВт.ч)

для четырехтактных — 0,204 – 0,225 кг/(кВт.ч).

Эффективный КПД дизеля η е есть отношение количества теплоты, эквивалентной

эффективной мощности, к располагаемой теплоте, полученной от сгорания топлива в

цилиндрах в течение часа,

η= 3600 ⋅ Pе

 

3600

е

Hи ⋅ Bч

 

или

η е =

bе

· Hи,

где Hи = 42500 кДж/кг — теплота сгорания дизельного топлива (количество теплоты, выделяемой при сгорании 1 кг топлива).

 

Индикаторный КПД дизеля η i.

 

η = η еi η

м.

Значение η м принять в пределах от 0,8 до 0,9.

Выписав из таблицы 3 основные технические параметры дизеля выбранного тепловоза-

образца, необходимо определить по заданной мощности (несколько отличающейся от мощности выбранного дизеля) новые параметры работы дизеля: среднее эффективное и индикаторное давления, эффективный и индикаторный КПД, а так же давление воздуха pк перед впускными органами цилиндра (давление наддува).

Среднее эффективное давление в МПа

 

pe =

Pe ном ⋅τ

3

2 ⋅ 10

Vh ⋅ i ⋅ n,

где τ — тактность дизеля;

i — число цилиндров;

n — частота вращения коленчатого вала дизеля, с-1;

d2

π

Vh =

 

ц ⋅ S 4

 

— рабочий объем цилиндра, м3,

здесь dц, S — диаметр цилиндра и ход поршня, м. Среднее индикаторное давление, МПа

 

pepi = η

м.

Цикловая подача топлива в цилиндры дизеля qц, кг/цикл

b ⋅ P ×τ

q = е e ном ц 2 ⋅ 3600 ⋅ n ⋅ i.

 

Давление воздуха pк перед впускными органами цилиндра дизеля (давление наддува) существенно влияет на мощность дизеля и определяется из выражения цикловой подачи топлива в цилиндры дизеля

6

η V 10

· pк ⋅ Vh

0

qц = α L ⋅

 

8314 Tк,

 

 

8314 ⋅ Тк α ⋅ L ⋅ q

р = 0 ц

v

к 106 ⋅η

⋅ Vh

где ηV — коэффициент наполнения. Принимается равным 0,85 — для 4х-тактных дизелей и 0,8 — для 2х-тактных;

α — коэффициент избытка воздуха. Принять α = 1,95;

L0 — теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива,

КМоль/кг; принять L0 = 0,495 КМоль/кг;

Tк — температура воздуха перед впускными клапанами, К; принять

Tк = 60 + 273 = 333 ° К.

 

 

Пример. Для варианта 7 заданная мощность составляет Pe= 4500 кВт, мощность дизеля тепловоза-образца 2206 кВт, заданная мощность одного дизеля

 

Pe ном

 

= Pe = 2250 2

 

 

кВт.

Индикаторная мощность

Peном 2250

Pi = = = 2647

η м 0,85

кВт.

Эффективный КПД дизеля

3600⋅ P

e

η= e ном

Hи ⋅ Bч

 

= 3600 ⋅ 2250 = 0,442500 ⋅ 0,211⋅ 2250.

 

Индикаторный КПД

i

η = η e

η м

= 0,4

0,85

 

= 0,47

.

Объем цилиндра

2 2

π dц π ⋅ 0,26

V = ⋅ S =

⋅ 0,26 = 0,013797

h 4 4

м3.

Среднее эффективное давление при Peном = 2250 кВт

Pe ном ⋅τ

e

p =

2250 ⋅ 4

1,223

2 ⋅ 103Vh

⋅ i ⋅ n

=

2 ⋅ 103 ⋅ π

⋅ 0,26 2

4

=

⋅ 0,26 ⋅ 16 ⋅ 16,66

МПа,

при Peном = 2206 кВт

e

p = 2206 ⋅ 4 = 1,2

2

2 ⋅ 103 ⋅ π ⋅ 0,26

4

⋅ 0,26 ⋅ 16 ⋅ 16,66

МПа.

Цикловая подача топлива при Peном = 2250 кВт

q = 0,211 ⋅ 2250 ⋅ 4 = 0,00099

ц 2 ⋅ 3600 ⋅ 16,66 ⋅ 16

кг/цикл,

при Peном = 2206 кВт

q = 0,211 ⋅ 2206 ⋅ 4 = 0,00097

ц 2 ⋅ 3600 ⋅ 16,66 ⋅ 16

кг/цикл.

Давление наддува при Peном = 2206 кВт

pк =

8314 ⋅ Tк ⋅α ⋅ L0 ⋅ qц

106 ⋅η V ⋅ Vh

= 8314 ⋅ 333 ⋅ 1,95 ⋅ 0,495 ⋅ 0,00097 106 ⋅ 0,85 ⋅ 0,013797

= 0,2219

МПа,

при Peном = 2250 кВт

p = 8314 ⋅ 333 ⋅ 1,95 ⋅ 0,495 ⋅ 0,00099 = 0,2256

к 106 ⋅ 0,85 ⋅ 0,013797

МПа.

∆ pк = 0,2256 − 0,221 = 0,0046

МПа.

 

 

Таким образом, чтобы поднять мощность дизеля с Peном = 2206 кВт до Peном = 2250 кВт нужно повысить давление наддува на 0,0046 МПа и увеличить цикловую подачу топлива на 0,00002 кг/цикл.

 

 

Расчет числа секций охлаждающего устройства

Для отвода тепла, выделенного в цилиндрах дизеля при сгорании топлива, применяют охлаждающие устройства. В качестве теплоносителей используют воду и масло. Вода охлаждает цилиндры дизеля, крышки цилиндров и остальной газовыпускной тракт. Масло охлаждает поршни и другие трущиеся детали. В современных дизелях кроме того охлаждают наддувочный воздух. Для охлаждения воды, циркулирующей между дизелем и охлаждающим устройством, применяют водовоздушные радиаторы, а для охлаждения масла и воздуха — водомасляные теплообменники и воздухоохладители. Вода, охлаждающая масло в

теплообменнике и воздух в воздухоохладителе, так же охлаждается в водовоздушных радиаторах. Система циркуляции воды, охлаждающей дизель, называется горячим контуром, а система циркуляции воды между теплообменными аппаратами для охлаждения масла и воздуха и водовоздушными радиаторами — холодным контуром.

Необходимые размеры и параметры охлаждающего устройства определяют из уравнений теплового баланса и уравнения теплопередачи.

Q = Gж ⋅ Сж ⋅ ∆ t;

Q = Gвозд ⋅ С р ⋅ ∆ τ;

Q = Z ⋅ F ⋅ K ⋅ ∆ tср,

где Q — количество тепла, которое необходимо отвести охлаждающим устройством в единицу времени, кДж;

Gж — подача насоса (количество жидкости, перекачиваемой насосом в единицу времени), м3/ч;

Gвозд — подача вентилятора (количество воздуха, проходящее через секции в единицу времени), м3/ч;

Cж,Cр — удельные теплоемкости жидкости и воздуха, кДж/кг ⋅ К; K — коэффициент теплоотдачи, кДж/м2 ⋅ ч ⋅ К;

∆ t — разность между температурами жидкости до охлаждения и после охлаждения;

∆τ — разность между температурами воздуха до поступления в секции радиаторов и

после выхода из них;

∆ tср — разность между средней температурой жидкости и средней температурой

воздуха;

F — площадь охлаждающей поверхности одной секции радиаторов, см2; Z — число секций радиаторов.

 

 

Решение этих уравнений дает возможность определить число секций радиаторов, необходимых для отвода тепла с водой от дизеля Qв, с маслом в водомасляном теплообменнике Qм, с воздухом в водовоздушном охладителе Qвозд.

Приближенно необходимое число секций горячего и холодного контуров можно

определить по графикам, предложенным проф. Хуторянским Н. М. (рис. 3).

При этом сначала нужно определить количество тепла, вводимого в дизель при сгорании топлива в течение 1 часа

Qд = be ⋅ Pe ⋅ Hu

 

кДж/ч.

Разделив полученное значение тепловой энергии на 3600 (число секунд в 1 часе), получим секундную мощность тепловой энергии дизеля

Q = be ⋅ Pe ⋅ Huд 3600

 

 

кДж/с.

Количество тепла, отводимое с охлаждающей водой в секунду для горячего контура

qв

Qв =

 

100

⋅ Qд

 

кДж/с.

Количество тепла, отводимое в масло

Qм =

qм 100

⋅ Qд

 

 

кДж/с.

Количество тепла, отводимое от дизеля с водой, охлаждающей наддувочный воздух

qвв

Qвв =

 

100

⋅ Qд

 

кДж/с.

Здесь qв, qм, qвв — доли тепла в процентах, отводимые с водой, маслом и воздухом. Их значения приведены в таблице 7.

 

 

Рис. 3

 

 

Таблица 7

 

Теплоотвод, %	Дизели
ПД1М	2-6Д49	2-2Д49	10Д100	14Д40	1А-5Д49	2А5Д49	К6S310DR
qb	22,5		15,5	11,5	18,2	14,0		22,5
qм	3,5		8,2	10,0	9,7	7,8	6,5	3,5
qвв	2,5		8,7	8,0		6,3	7,5	2,5

 

Примерная схема двухконтурного охлаждающего устройства приведена на рис. 4. Студент вычерчивает в курсовом проекте схему охлаждающего устройства своего тепловоза.

 

Рис. 4. Схема системы охлаждения тепловоза с однорядным расположением водяных секций, с применением водомасляного теплообменника, двух вентиляторов и разделенных отсеков холодильной камеры: 1- дизель; 2 – водомасляный теплообменник;