Báo cáo khoa học: "Xác định công suất và xây dựng đặc tính sức kéo đoàn tàu kéo đẩy" pdf

Xác định công suất v xây dựng
đặc tính sức kéo đon tu kéo đẩy


TS. Nguyễn văn chuyên
Bộ môn Đầu máy - Toa xe
Khoa Cơ khí - Trờng ĐH GTVT

Tóm tắt: Bi báo trình by cách xác định công suất v xây dựng đặc tính sức kéo cho
đon tu kéo đẩy.
Summary: This arctile presents to ascertain power and to make tractive performance for
pully - hauly train.
I. Đặt vấn đề
Đoàn tàu kéo đẩy bao gồm một đầu kéo,
một đầu đẩy và các toa xe kéo theo ở giữa.
Trong quá trình vận dụng trong khu đoạn từ A
đến B, các đầu kéo đẩy thay nhau vị trí đầu
tiên tuỳ theo hớng chạy từ A đến B hoặc
ngợc lại từ B đến A. Do vậy mà nó không
phải quay đầu và cũng không cần thiết bị
quay đầu phức tạp. Một đặc điểm của đoàn
tàu kéo đẩy là phải gia tốc nhanh khi khởi
động cũng nh sau khi hãm. Chính vì vậy khi
tính toán sức kéo vành bánh để xác định công
suất vành bánh và công suất động cơ cần có
yêu cầu riêng. Sau khi xác định đợc công
suất vành bánh cần phải xây dựng đờng đặc
tính sức kéo để phục vụ cho công tác vận
dụng.
II. Nội dung
A. Tính toán công suất đoàn tàu kéo

đẩy.
1. Các số liệu phục vụ cho tính toán
Đây là số liệu của một đoàn tàu cụ thể dự
định thiết kế ở Việt nam :
- Thành phần đoàn tàu gồm: Một đầu
kéo, một đầu đẩy, hai toa khách và một toa
hàng ăn.
- Tốc độ cao nhất trên đờng bằng là
120 km/h.
- Tải trọng trục đầu máy 12 T/trục.
- Căn cứ vào tải trọng trục, trọng lợng
lớn nhất của một đầu máy là 4 x 12 = 48T.
- Tải trọng trục toa xe là 10T, trọng lợng
một toa xe tối đa là 40T.
- Bán kính đờng cong:
+ Trên chính tuyến R 100 m
+ Trên đờng nhánh R 75 m
- Gia tốc đoàn tàu a = 0,65 m/s
2
- Độ giảm tốc khi hãm a = 1 m/s
2
- Công suất động cơ tối đa 2 x (600 ữ 700) =
1200 ữ 1400 mã lực
- Công thức trục đầu máy B
0
- B
0
- Truyền động đầu máy là truyền động
điện
- Đờng kính bánh xe D = 780 mm = 0,78 m

2. Tính toán sức kéo bám cho đầu máy
Sức kéo bám quyết định khả năng sức
kéo của đoàn tàu trong quá trình tính sức kéo
cần tính các thông số sau:
- Tính hệ số bám cho đầu máy điesel
truyền động điện trên đờng thẳng
V.20100
8
25,0
+
+=

- Tính hệ số bám khi vào đờng cong:
()
R00055,067,0
r
+=
Với R = 75m và R = 100m
- Tính lực kéo bám khi chạy trên đờng
thẳng:
= .g.P2F
b
[KN]
Với P là khối lợng của một đầu máy
g là gia tốc trọng trờng; g = 9,81 m/s
2
- Tính lực bám đầu máy trong đờng
cong:
rbr

.g.P2F = [KN]
Từ các công thức trên ta thay các số liệu
vào, cho vận tốc chạy từ 0 đến 120 km/h,
đồng thời dùng phần mềm MATLAB 6.0 sẽ vẽ
đợc đồ thị lực kéo bám khi chạy trên đờng
thẳng và trên đờng cong nh hình 1:
Hình 1. Đồ thị lực kéo bám
Từ đồ thị thấy rằng bán kính đờng cong
càng bé, lực bám càng nhỏ. Do vậy khi chạy
sức kéo để bảo đảm đoàn tàu chạy an toàn.
3. Tính lực cản đon tu
trong đờng cong phải chú ý tới sự phát huy
đoàn tàu căn
cứ v
ản đơn vị đầu máy
V là vận tốc của đoàn tàu km
e khách

o

- Tính lực cản đơn vị quy đổi đ
đờn
Các công thức tính lực cản
ào tài liệu [1], [3].
- Tính lực cản cơ b
2'
V0003,0V01,09,1 ++= [N/KN]
o
/h.
- Tính lực cản cơ bản đơn vị toa x

2''
V000155,0V0075,066,1 ++= [N/KN]
ờng dốc,
g cong và đờng hầm:
S
C
S
C
r
Srj
/N[ii ++=
L.00013,0
L
2,12
i
L.00013,0
L
L
.
R
700
i
]KN
+

+=
++=

trong đó:

dốc của đờng [N/KN]
g [N/KN]
r
L
C
n]
S
ẩy:
m lực
cản
oo
+++=
[N]
trong đó:
ối lợng một đầu máy [T]
2
]
i - Độ

r
- Lực cản đơn vị đờng con

S
- Lực cản đơn vị đờng hầm [N/KN]
L - Chiều dài đờng cong [m]
R - Bán kính đờng cong [m]
Fbr [KN] Fbr [KN]
R = 0
R = 100
R = 75

- Chiều dài đoàn tàu [m]
- Góc ở tâm đờng cong [radia
L - Chiều dài đờng hầm [m].
- Tính lực cản vận hành kéo đ
Lực cản vận hành kéo đẩy bao gồ
cơ bản đầu máy, lực cản cơ bản toa xe
và lực cản phụ đoàn tàu, ký hiệu là W.
()
'''
g].i.GP2GP2[W
j
P - Kh
G - Khối lợng 3 toa xe [T]
g - Gia tốc trọng trờng [m/s

- Tính lực cản vận hành đoàn tàu khi
chạy
đà:
+ Lực cản đơn vị chạy đà đầu máy:
'
od
=
+ Tính lực cản chạy đà toà :
W
d
=
Dùng phần mềm MATLAB 6.0 má
sẽ v
Trên cơ sở các giá trị lực cản đơn vị xác
c cản vận hành kéo đẩy và lực

cản
hất:
ớc.
g phần mềm MATLAB 6.0 má
sẽ v
Trên cơ sở các giá trị lực cản đơn vị xác
c cản vận hành kéo đẩy và lực
cản
hất:
()
g].0.GP2GP2[
''
o
'
o
+++
ớc.
()
g].i.GP2GP2[F.95,1F
j
''
o
'
o1tttt
+++==
'
o

''
o

2
V00035,0V01,04,2 ++ [N/KN]
n đoàn tàu

()
g].i.GP2GP2[
j
''
o
'
od
+++
[N]
y tínhy tính
ẽ ra đồ thị các lực cản đơn vị đầu máy, lực
cản đơn vị toa xe và lực cản đơn vị chạy đà
nh hình 2:
định đợc lự
ẽ ra đồ thị các lực cản đơn vị đầu máy, lực
cản đơn vị toa xe và lực cản đơn vị chạy đà
nh hình 2:
định đợc lự
chạy đà của toàn đoàn tàu đợc thể hiện
ở hình 3:
chạy đà của toàn đoàn tàu đợc thể hiện
ở hình 3:
4. Tính lực kéo 4. Tính lực kéo
Tính toán sức kéo cho đoàn tàu kéo đẩy
đợc thực hiện ở 3 chế độ: Chế độ chạy trên

đờng bằng ở tốc độ cao nhất, ở chế độ tốc
độ tính toán và ở chế độ khởi động. Về lý
thuyết đối với đoàn tàu kéo đẩy, do khối lợng
đoàn tàu thấp, nên ở chế độ tính toán và khởi
động thờng không sử dụng hết công suất, dù
sức kéo ở hai chế độ này lớn. Để chọn công
suất tính toán hợp lý, ta vận hành lực kéo ở ba
chế độ trên để lựa chọn.
Tính toán sức kéo cho đoàn tàu kéo đẩy
đợc thực hiện ở 3 chế độ: Chế độ chạy trên
đờng bằng ở tốc độ cao nhất, ở chế độ tốc
độ tính toán và ở chế độ khởi động. Về lý
thuyết đối với đoàn tàu kéo đẩy, do khối lợng
đoàn tàu thấp, nên ở chế độ tính toán và khởi
động thờng không sử dụng hết công suất, dù
sức kéo ở hai chế độ này lớn. Để chọn công
suất tính toán hợp lý, ta vận hành lực kéo ở ba
chế độ trên để lựa chọn.
- Tính lực kéo ở tốc độ cao n- Tính lực kéo ở tốc độ cao n
ở đoàn tàu kéo đẩy lực kéo ở đầu
máy sau bằng 0,95 lực kéo ở đầu máy
trớc. Nếu gọi tổng sức kéo của cả đoàn
tàu là F
ct
; lực kéo một đầu máy trớc là
F
ct1
ta có :
ở đoàn tàu kéo đẩy lực kéo ở đầu
máy sau bằng 0,95 lực kéo ở đầu máy

trớc. Nếu gọi tổng sức kéo của cả đoàn
tàu là F
F
ct
= F
ct1
(1 + 0,95) = F
ct1
.1,95 F

= =
()
g].0.GP2GP2[
''
o
'
o
+++
ở đây lấy i
j
= 0 nghĩa là đoàn tàu
phát huy tốc độ cao nhất trên đờng
bằng.
ở đây lấy i
Thay V = 120 km/h vào ta đợc: Thay V = 120 km/h vào ta đợc:
F
ct
= 12629 [N] F
- Tính lực kéo đẩy ở tốc độ tính toán: - Tính lực kéo đẩy ở tốc độ tính toán:
F

tt
= F
tt1
(1 + 0,95) = F
tt1
.1,95 F
trong đó: F
tt
là tổng lực kéo đoàn tàu khi
chạy ở tốc độ tính toán. F
tt1
là lực kéo ở đầu
máy tr
trong đó: F
()
g].i.GP2GP2[F.95,1F
j
''
o
'
o1tttt
+++==

Với i
j
là độ dốc lớn nhất trong khu gian
vận hành.
Với i
'
o

và là sức cản tính ở tốc độ tính
toán.
và là sức cản tính ở tốc độ tính
toán.
''
o
Ta lấy tốc độ tính toán V = 15 km/h, độ
dốc lớn nhất i
j
= 17 %0 thay vào ta đợc:
Ta lấy tốc độ tính toán V = 15 km/h, độ
dốc lớn nhất i
ct
; lực kéo một đầu máy trớc là
F
ct1
ta có :
ct
= F
ct1
(1 + 0,95) = F
ct1
.1,95
j
= 0 nghĩa là đoàn tàu
phát huy tốc độ cao nhất trên đờng
bằng.
ct
= 12629 [N]
tt

= F
tt1
(1 + 0,95) = F
tt1
.1,95
tt
là tổng lực kéo đoàn tàu khi
chạy ở tốc độ tính toán. F
tt1
là lực kéo ở đầu
máy tr
j
là độ dốc lớn nhất trong khu gian
vận hành.
j
= 17 %0 thay vào ta đợc:

0d
'

0
',
0
'',
0d
' [N/KN]
Đồ thị lực cản đơn vị vận hành, chạy đà
0''
0'
Hình 2. Đồ thị lực cản đơn vị đầu máy, toa xe, chạy đ

W,W
d
[N] Đồ th
ị
l
ự
c cản v
ậ
n hành W [N], ch
ạy
đà Wd [N]
Hình 3. Đồ thị lực cản vận hnh kéo đẩy, chạy đ


F
tt
= 40144 [N]
- Tính lực kéo khi khởi động, theo [3].
- Lực cản khởi động đơn vị đầu máy lấy
bằng: = 5 N/KN.
'
q

- Lực cản khởi động đơn vị đoàn xe:
[KN/N]
q
''
q
i.4,03 +=
Với i

q
là độ dốc ở vị trí đầu máy và toa xe
khởi động.
- Lực cản đoàn tàu khi khởi động:
[N]
()
g].i.GP2GP2[W
q
''
q
'
qq
+++=
Thay các giá trị vào ta tính đợc:
W
q
= 16010 [N]
- Tính lực kéo khi khởi động
Gọi F
q
là lực khởi động của cả đoàn tàu,
F
q1
là lực khởi động của đầu máy trớc ta có:
F
q
= F
q1
(1 + 0,95) = 1,95.F
q1

()
g].i.GP2GP2[
q
''
q
'
q
+++=
Thay các giá trị vào ta tính đợc:
F
q
= 16010 [N]
5. Tính công suất vnh bánh xe
Trên cơ sở đã xác định đợc lực kéo ở
các chế độ, chúng ta đã xác định công suất
cần thiết khi chạy ở tốc độ cao nhất, ở tốc độ
tính toán và ở chế độ khởi động. Căn cứ vào 3
giá trị công suất, sẽ chọn giá trị nào lớn nhất
làm công suất tính toán. Đây chính là công
suất vành bánh thoả mãn khi chạy ở chế độ
trên. Giá trị đó là giá trị công suất vành bánh
lớn nhất để xây dựng đặc tính sức kéo của
đầu máy.
- Tính công suất vành bánh khi chạy ở
tốc độ cấu tạo:
3600
V.F
N
ctct

Kct
= [kW]
trong đó: F
ct
tính bằng [N]
V
ct
tính bằng, V
ct
= 120 [km/h]
Thay vào ta đợc:
kW97,420
3600
120x12629
N
Kct
==
N
kct
= 420,97 [kW]
- Công suất vành bánh ở tốc độ tính toán:
3600
V.F
N
tttt
ktt
= [kW]
kW27,167
3600
15x40114

==
N
ktt
= 167,27 [KW]
- Tính công suất vành bánh khi khởi
động:
3600
V.F
N
qq
Kq
=
[kW]

kW89,8
3600
2x16010
==
N
kq
= 8,89 [kW]
Sau khi tính toán ta lựa chọn công suất
vành bánh N
kct
= 420,97 kW là công suất kéo
của đầu máy.
6. Tính công suất động cơ diesel của
đầu máy
Đây là công suất của tổng các động cơ
điesel trên đoàn tàu. Nếu gọi hiệu suất cơ khí

là
ck
; hiệu suất tổn hao cho các máy phụ là

mf
; hiệu suất tổn hao cho quá trình truyền
động là
td
.
Căn cứ vào [2] chọn
ck
.
mf
= 0,8;

td
= 0,82. Chúng ta tính đợc tích:

ck
.
mf
.
td
= 0,8 x 0,82 = 0,656.
Ta tiến hành tính công suất động cơ
điesel trên đầu máy nh sau :
1. Công suất động cơ điesel thoả mãn khi

đoàn tàu chạy ở tốc độ cao nhất:
tdmfck

kct
ect

N
N

=
[kW]

kW72,641
656,0
97,420
==

N
ect
= 641,72 kW
2. Công suất động cơ điesel thoả mãn khi
đoàn tàu chạy ở tốc độ tính toán:
tdmfck
ktt
ett

N
N

=
[kW]

kW98,254

656,0
27,167
==

N
ett
= 254,98 KW
3. Công suất động cơ điesel thoả mãn để
đoàn tàu khởi động đợc:

tdmfck
kq
eq

N
N

=
[kw]

kW55,13
656,0
89,8
==

N
eq
= 13,55 [kW]
Căn cứ vào các giá trị N
ect

, N
ett
và N
cq
ta
chọn giá trị lớn nhất làm cơ sở chọn động cơ
cho đoàn tàu và từ đó quyết định công suất
động cơ của một đầu máy và loại động cơ
điesel.
ở đây chọn công suất tối thiểu cho hai
động cơ trên đầu máy là 640,72 kW. Nh vậy
công suất tối thiểu cho một động cơ trên đầu
máy là 320,86 kW. Tính ra mã lực, công suất
tối thiểu cho một động cơ là 436,36 mã lực.
Trên cơ sở giá trị lựa chọn mày ta chọn loại
động cơ nào có công suất lớn hơn công suất
tính toán sẽ thoả mãn yêu cầu của đoàn tàu
kéo đẩy.
B. Xây dựng đặc tính sức kéo của đầu
máy khi kéo đẩy
1. Lựa chọn công suất của đầu máy
Căn cứ vào công suất vành bánh, chúng
ta chọn loại nào có giá trị lớn nhất đợc coi là
thông số tính toán.
Trong ba loại, công suất vành bánh ở các
trạng thái vận hành trên đờng thẳng, ở tốc độ
tính toán và khi chạy đà thì công suất vành
bánh khi chạy ở tốc độ cao là lớn nhất. Giá trị
của nó là N
kct

= 420,97 kW.
2. Xây dựng đặc tính sức kéo của đầu
máy
Căn cứ vào công thức:
kW97,420
3600
V.F
N
ctct
kct
==
Công suất 420,97 kW là công suất vành
bánh ở vị trí toàn tải. Truyền động của đầu
máy là truyền động điện một chiều, do vậy
đặc tính sức kéo cơ dạng hypebon. Với công
suất là N
kct
đặc tính sức kéo có dạng:
3600
V.F
N
kct
=
Từ đây suy ra:
V
N.3600
F
kct
= [N]
Với V = [0, 5, 10, 15, 120 km/h]

Đặc tính sức kéo ở chế độ toàn tải đợc
vẽ trên hình 4:

Hình 4. Đờng đặc tính sức kéo đầu máy kéo đẩy
Nhìn vào đồ thị ở tốc độ thấp thì lực kéo

lớn, khi tốc độ càng cao thì lực kéo giảm đi, ở
tốc đô 120 km/h lực kéo bằng 12,629 KN.
Ngoài ra đờng đặc tính sức kéo còn bị hạn
chế bởi đờng sức kéo bám.
III. Kết luận.
1. Khi thành phần đoàn tàu đã xác định,
trong ba giá trị công suất vành bánh: công
suất vành bánh ở tốc độ lớn nhất khi chạy trên
đờng bằng, công suất vành bánh tính ở tốc
độ tính toán và ở chế độ khởi động, giá trị
công suất ở tốc độ lớn nhất có giá trị lớn nhất,
đợc chọn làm công suất tính toán và lấy làm
cơ sở để chọn động cơ, sau khi tính toán
khẳng định công suất khi chạy ở tốc độ cao
nhất là công suất lớn nhất. Nó đợc chọn làm
cơ sở để tính toán thiết kế.
2. Khi thành phần đoàn tàu thay đổi, cần
bảo đảm tốc độ lớn nhất, công suất vành
bánh tăng lên và phải chọn công suất động cơ
tăng lên.
3. Đờng đặc tính sức kéo cho phép xác
định đợc đặc tính vận hành của đoàn tàu kéo
đẩy, cho phép phát huy công suất ở dải tốc độ
từ nhỏ nhất khi khởi động đến tốc độ cao nhất

của đoàn tàu.


Tài liệu tham khảo
[1]. A.M.BABICHEKOB. Chiaga Poezđov Chiago-
ve Rachet. Matxcơva, 1971.
[2]. Trờng Đại học Đờng sắt Trung Quốc. Sức
kéo đoàn tàu. Bắc Kinh, 1996.
[3]. Nguyễn Văn Chuyên. Sức kéo đoàn tàu, Hà nội
2001.
[4]. Nguyễn Văn Chuyên, Mai Văn Thắm. Đề mục
tính toán sức kéo của đoàn tàu kéo đẩy. Đề tài
cấp nhà nớc: "Đoàn tàu nhẹ kéo đẩy" do
ThS. Vũ Trọng Quỳnh chủ trì. Hà nội, 2003Ă