Сила тяги тепловоза по дизелю.

Мощность тепловоза, подведенную к ободам колесных пар, называют касательной мощностью и определяют по формуле:

(кВт); (3) где N_е – эффективная мощность дизеля (кВт); – коэффициент полезного действия передачи мощности; – доля энергии отбираемая на вспомогательные нужды (на современных локомотивах ).

Эффективную мощность дизеля можно определить через следующие параметры:

; (4) где: N_i – индикаторная мощность дизеля (кВт); и – механический и индикаторный к.п.д. дизеля; – среднее индикаторное давление (МПа); V_h – рабочий объем цилиндра дизеля (литры); z – число цилиндров дизеля; n – частота вращения коленчатого вала дизеля (об/мин); i – тактность дизеля; B_ч – часовой расход топлива (кг/ч); – низшая рабочая теплота сгорания топлива (кДж/кг).

Выразим касательную мощность (кВт) через параметры тяговой характеристики:

; (5) где F_K – касательная сила тяги (Н); v – скорость (км/ч).

Совместив выражения 3.3 – 3.5 и выполнив ряд несложных преобразований, получим выражение для касательной силы тяги по дизелю:

. (6)

Наибольшая сила тяги по дизелю определяется родом службы тепловоза и условиями его эксплуатации. При заданной нагрузке от колесной пары на рельсы и осевой формуле локомотива она может быть ограничена массогабаритными показателями. Для повышения мощности и силы тяги тепловоза при данной скорости, необходимо повышение мощности тепловозного дизеля за счет увеличения числа цилиндров, рабочего объема цилиндра, частоты вращения коленчатого вала, цикловой подачи топлива.

Увеличение числа цилиндров и их рабочего объема вызывает увеличение массы дизеля и может быть ограничено массогабаритными показателями тепловоза. Кроме того, стоит учитывать, что повышение мощности дизеля вызовет увеличение размеров вспомогательных систем тепловоза.

Подача топлива за рабочий цикл дизеля (цикловая подача) и частота вращения коленчатого вала определяют режим работы тепловозного дизеля, силу тяги и скорость движения тепловоза. С другой стороны значительное увеличение количества топлива подаваемого в цилиндр может привести к снижению качества сгорания топлива, и как следствие к снижению его к.п.д.

Повышение мощности за счет частоты вращения коленчатого вала дизеля снижает моторесурс и к.п.д. дизеля, увеличивает расходы на его обслуживание и ремонт. Номинальная частота вращения тепловозных дизелей обычно не превышает 1500 об/мин. С другой стороны уменьшение номинальной частоты вращения ниже 800-1000 об/мин нежелательно с точки зрения массогабаритных показателей дизеля и передачи мощности.

Индикаторный к.п.д. дизеля определяется по формуле:

; (7) где 3600 – переводной коэффициент.

Значения индикаторного к.п.д. и среднего индикаторного давления характеризуют качество рабочего процесса тепловозного дизеля. Индикаторное давление может быть повышено за счет увеличение цикловой подачи с одновременным увеличением давления наддува, однако повышение давления выше 1,6-2,0 МПа для четырехтактных и 1,2-1,4 МПа для двухтактных дизелей нежелательно, так как это резко снижает моторесурс.

Индикаторное к.п.д. тепловозных дизелей изменяется в пределах 0,25-0,53. С понижением мощности к.п.д. сначала возрастает из-за увеличения коэффициента избытка воздуха, а затем снижается, так как горючая смесь обедняется и снижается среднее индикаторное давление.

Механический к.п.д. может быть определен по зависимости:

; (8) где p_e – среднее эффективное давление (МПа); – эффективный к.п.д. дизеля.

Механический к.п.д. дизеля зависит от его конструкции, качества обработки и смазки трущихся поверхностей, режима работы. Величиной механического к.п.д. оценивают все механические потери дизеля, его значение в эксплуатационных режимах меняется в пределах 0,7-0,92. Характер изменения механического к.п.д. показан на рисунке 2.

Рисунок 2. Зависимость механического, индикаторного и эффективного к.п.д., а также удельного эффективного расхода топлива от эффективной мощности дизеля.

Эффективный к.п.д. тепловозного дизеля характеризует его энергетическую эффективность в целом и определяется из соотношения:

. (9)

Величина колеблется в пределах 0,22-0,42.

Экономичность дизеля также оценивается величиной удельного эффективного расхода топлива g_e:

. (10)

У современных тепловозных дизелей удается достичь величины г/(кВт·ч). При уменьшении мощности дизеля резко g_e возрастает, а резко уменьшается, так при этом резко ухудшается качество распыления топлива, снижается давление наддува и уменьшается .

Доля энергии затрачиваемой на вспомогательные нужды определяется по формуле:

. (11) где – суммарная мощность, отбираемая на вспомогательные нужды.

Величина складывается из следующих составляющих:

; (12) где – мощность, отбираемая на привод вентилятора холодильника; – мощность, отбираемая на привод вентилятора охлаждения тягового генератора; – мощность, отбираемая на привод вентиляторов охлаждения тяговых электродвигателей и аппаратуры; – мощность возбудителя и подвозбудителя; – мощность, отбираемая на привод компрессора тормозной системы; – мощность вспомогательного генератора. Величина у различных тепловозов составляет от 120 до 300 кВт.

Режимы работы дизелей изменяются соответственно переменным нагрузкам в широком диапазоне. При этом изменяются мощность, частота вращения, вращающий момент, тепловые и механические нагрузки, подача топлива, экономические показатели. Если в процессе работы дизеля указанные показатели остаются неизменными, то режим работы дизеля называют установившимся.

Зависимость параметров в том или ином сочетании при установившихся режимах работы дизеля называют характеристиками дизеля. Параметры характеристик существенно влияют на тягово-эксплуатационные свойства и экономическую эффективность работы дизеля. Каждому тепловозному дизелю устанавливается допустимый (от минимальной до максимальной частоты вращения) диапазон частот вращения.

Скоростными характеристиками дизеля называют зависимость его параметров от частоты вращения коленчатого вала дизеля при фиксированных положениях рейки топливного насоса.

Внешней характеристикой дизеля называют скоростную характеристику, полученную при предельной подаче топлива (рейка топливного насоса находится на упоре). Внешняя характеристика ограничивает поле предельной мощности, режимов продолжительной работы дизеля в эксплуатации и таким образом ограничивают силу тяги тепловоза по дизелю.

Частичными называют скоростные характеристики, полученные при уменьшенных значениях подачи топлива и фиксированном положении рейки топливного насоса. Режим работы тепловоза, соответствующий этим характеристикам называют режимом частичных тяговых характеристик, или ездой на промежуточных позициях контроллера.

Зависимость эффективной мощности дизеля, затрачиваемой на привод тягового генератора тепловоза от частоты вращения, называют тепловозной (генераторной) характеристикой (рисунок 3 – кривая 3). Она лежит ниже внешней при всех частичных нагрузках, а при номинальном режиме совпадает с ней. Форма генераторной характеристики зависит от характеристик системы возбуждения тягового генератора.

Рисунок 3. Характеристики дизеля:

1 – внешняя характеристика; 2 – ограничительная характеристика; 3 – генераторная характеристика; 4 – винтовая характеристика; 5 – линия максимального момента дизеля.

В случае работы дизеля с гидропередачей его скоростная характеристика зависит от типа включенного аппарата – гидротрансформатора или гидромуфты. При совместной работе с гидротрансформатором мощность дизеля изменяется в зависимости от частоты вращения коленчатого вала по закону кубической параболы ( ). При этом на номинальной частоте вращения реализуется номинальная мощность. Такую характеристику называют винтовой.

Когда мощность дизеля передается через гидромуфту или механическую коробку передач, двигатель работает по своей внешней характеристике. При этом имеет место прямая зависимость между частотой вращения вала дизеля и скоростью движения локомотива.

Рисунок 4. Универсальная характеристика дизеля 5Д49 с неохлаждаемым коллектором: 1 – ограничительная; 2 – экономическая.

Для двигателей, работающих на переменных режимах по мощности и частоте вращения, оценить их экономичность удобно по универсальным характеристикам (рисунок 4). Они представляют собой зависимости на установившихся режимах эффективной мощности от частоты вращения при постоянных удельных расходах топлива и эффективных к.п.д. Из этих характеристик видно, что любая заданная мощность может быть реализована в поле допустимых режимов работы дизеля при различной частоте вращения коленчатого вала. Однако наименьший расход топлива достигается только при определенной частоте вращения. Определив для всего диапазона мощностей частоты вращения, при которых достигается наименьший расход топлива, получим зависимость , которую называют скоростной экономической характеристикой. Работа по этой характеристике обеспечивает наименьшие расходы топлива дизелем в эксплуатации. Следует иметь в виду, что режимы наибольшей экономичности дизеля и тепловоза могут не совпадать, так как при передаче вращающего момента от дизеля к колесным парам также происходят потери энергии, что необходимо учитывать при выборе наиболее экономичных режимов работы тепловоза.

Способность дизеля к саморегулированию при воздействии переменной внешней нагрузки характеризуется коэффициентом приспособляемости – отношением максимального вращающего момента M_max к моменту номинального режима M_н (номинальному моменту – кривая 5, рисунок 3). Его значение у дизелей с наддувом колеблется в пределах 1,1-1,15, что говорит о низкой способности к перегрузкам.

Анализируя параметры дизеля, можно оценить его свойства с позиций требований рельсового транспорта, установить ограничения по энергетическим ресурсам и надежности, определить силу тяги при различных способах регулирования и выбрать оптимальные режимы работы в эксплуатации.

Использование дизелей обеспечивает необходимую мощность тепловозов и высокую эффективность тяги поездов. Ни один из известных на сегодняшний день из тепловых двигателей не способен сравниться с дизелем по энергетической экономичности на эксплуатационных режимах работы.

Однако, несмотря на имеющиеся достоинства, стоит отметить, что тепловозный дизель непригоден к тяговой службе при передаче вращающего момента коленчатого вала непосредственно к колесным парам без использования передачи мощности. Это вызвано сразу несколькими причинами.

Во-первых, при непосредственной передаче вращающего момента дизеля его запуск и начало движения тепловоза должны совпасть по времени. Так как дизель запускается от постороннего источника энергии и не может накапливать тепловую энергию, то такой тепловоз оказался бы непригоден для трогания с места и разгона поезда.

Во-вторых, при непосредственной связи коленчатого вала дизеля с колесными парами его частота вращения, а, следовательно, и реализуемая мощность напрямую зависели бы от скорости движения тепловоза. Таким образом, при проходе подъема на котором скорость тепловоза уменьшается, следовательно, снижалась бы и мощность и сила тяги по дизелю, в то время как для преодоления более трудного подъема требуется большая сила тяги.

Кроме того, при работе по нагрузочной характеристике для преодоления подъемов требовался бы дизель значительно большей мощности, чем это возможно исходя из массогабаритных показателей.

Таким образом, тепловозный дизель может быть успешно применен в качестве источника энергии при автономной тяге лишь при использовании его совместно с одним из типов передачи мощности, осуществляющей преобразование крутящего момента и частоты вращения. На данный момент в автономной тяге используются механическая, гидравлическая, гидромеханическая и электрическая передачи мощности.