ROZDZIAŁ 6

PROJEKTOWANIE CHARAKTERYSTYKI POJAZDU SZYNOWEGO

Z TRAKCYJNYMI SILNIKAMI ELEKTRYCZNYMI

6.1. Przełożenie przekładni mechanicznej pomiędzy silnikiem a osią napędnego zestawu pojazdu trakcyjnego [1],[9],[10],[13].

Rysunek 6.1. Indywidualny (I) układ napędowy lokomotywy elektrycznej (E) z usprężynowanym silnikiem (Us), z usprężynowaną przekładnią (Up), z wałem przegubowym (P) i jego skrajnia ponad płaszczyzną toru.

Wartość przełożenia przekładni mechanicznej pomiędzy wirnikiem silnika a osią zestawu napędnego i=z₁/z₂, jak też liczba n silników w lokomotywie, określają wzajemne przyporządkowanie mechanicznej charakterystyki elektrycznego silnika trakcyjnego i charakterystyki trakcyjnej lokomotywy. Mechaniczną charakterystykę silnika szeregowego prądu stałego przedstawiono na rysunku 5.10, zaś silnika asynchronicznego prądu przemiennego - na rysunku 5.20. Współrzędnymi tych charakterystyk są moment obrotowy wirnika M_s oraz prędkość kątowa wirnika silnika ω_s.

Budowę mechanicznej charakterystyki lokomotywy na podstawie mechanicznej charakterystyki szeregowego silnika trakcyjnego DC zilustrowano rysunkiem 5.11.

Relacje przyporządkowujące odpowiednio moment obrotowy silnika i siłę pociągową lokomotywy odniesioną do osi zestawów napędnych oraz prędkość kątową wirnika i prędkość lokomotywy zapisano w wzorami (5.4). Wzory te odnoszą się do każdego rodzaju silników trakcyjnych.

Charakterystykę ogólną pojazdu trakcyjnego z silnikami elektrycznymi przedstawiono na rysunku 4.7.

Występująca we wzorach (5.4) wartość przełożenia i=z₁/z₂ podlega fizycznym ograniczeniom. Z jednej strony zębnik z₂ nie może mieć mniejszej liczby zębów niż 17 ze względu na uniknięcie podcięć zębów u podstawy, z drugiej strony koło zębate na zestawie z₁ nie może mieć zbyt dużej średnicy zewnętrznej ze względu na skrajnię taboru trakcyjnego.

Rysunek 6.2. Skrajnia taboru trakcyjnego w strefie współpracy zestawu z torem normalnym. A-B - dopuszczalne przekroczenie skrajni przez części związane z zestawem kół.

Według rysunku 6.1 istnieje możliwość szeregowego zastosowania zębatych przekładni wielokołowych, najczęściej trójkołowych. W takim przypadku przełożenie przekładni nie zależy od liczby zębów z_p koła pośredniego.

(6.1)

gdzie z_i - liczba zębów kół odpowiednio: na zestawie, pośredniego i na wirniku silnika; (i=1,p,2).

Ograniczenie wartości przełożenia przekładni ze strony skrajni narzuconej przepisami UIC zilustrowano rysunkiem 6.3.

Zarys skrajni nie może być przekroczony nawet krótkotrwale, przy chwilowym, dynamicznym ugięciu jakiegokolwiek elementu taboru.

Rysunek 6.3. Ograniczenie średnicy koła zębatego obejmującego oś zestawu.

Skrajniowe ograniczenia średnicy koła zębatego - oznaczenia

 - dopuszczalne promieniowe zużycie eksploatacyjne koła,

d_k - średnica okręgu tocznego nowego koła pojazdu trakcyjnego,

h₁ - najmniejsza dopuszczalna odległość zewnętrznego zarysu osłony (obudowy) koła zębatego od poziomu główek szyn - według rysunku 6.2,

h₂ - najmniejsza odległość podziałowej linii zęba koła zębatego od wewnętrznego zarysu osłony (obudowy) przekładni,

h₂ = (1,0 ÷ 1,1)m + 10 [mm], gdzie m - moduł uzębienia,

h₃ - względne pionowe przesunięcie osi koła zębatego i zestawu kół (zależnie od wariantu konstrukcyjnego); w wózkach dwuosiowych ~26 [mm]; w trzyosiowych ~35 [mm],

g - grubość ścianki osłony (obudowy); osłona ~3 [mm]; obudowa ~10 [mm].

(6.2)

Zgodnie z wzorami (5.4), wzrostowi wartości przełożenia „i” towarzyszy spadek prędkości jazdy V przy tej samej prędkości obrotowej wirnika silnika trakcyjnego. Stąd wynika zasada doboru wartości przełożenia przekładni we wszystkich pojazdach trakcyjnych; pojazdy wolnobieżne charakteryzują się większymi wartościami przełożeń aniżeli szybkobieżne. W pojazdach wolnobieżnych (np. metro, tramwaje) gdy silniki są szybkoobrotowe, często stosuje się przekładnię dwustopniową.

6.2. Dobór wartości przełożenia przekładni przy zastosowaniu trakcyjnych silników szeregowych prądu stałego [10],[13].

W celu możliwie najpełniejszego wykorzystania silników trakcyjnych należy dążyć do pełnego eksploatacyjnego zagospodarowania rozpiętości prędkości obrotowej silnika. Wyróżnikiem takiej rozpiętości jest stosunek „k_s” obrotowej prędkości maksymalnej wirnika (ze względu zarówno na warunki komutacji jak i na wytrzymałość mechaniczną wirnika na rozerwanie) do jego prędkości ciągłej. Prędkość ciągła odpowiada prądowi ciągłemu, według elektromechanicznej charakterystyki silnika pokazanej na rysunku 5.10.

(6.3)

Istnieje ogólne dążenie do takiego doboru przełożenia przekładni w lokomotywie z silnikami szeregowymi prądu stałego, że siła ciągła (i prędkość ciągła) oraz krzywa przyczepności przecinają się w jednym punkcie B, zaznaczonym na rysunku 4.7. Przy prawidłowym zaprojektowaniu przekładni, rozpiętość prędkości charakterystycznych lokomotywy k_v jest bliska rozpiętości charakterystycznych prędkości obrotowych wirnika silnika k_v ≤ k_s

(6.4)

gdzie V_D/V_B - według rysunku 4.7.

W praktyce, ze względu na skokowe wartości przełożeń rzeczywistych, dobieramy wartość przełożenia „i” według następującej zasady:

(6.5)

Należy przy tym pamiętać, że prędkość V_max lokomotywa musi osiągać także przy okręgach tocznych kół napędnych zużytych do najmniejszej dopuszczalnej wartości. Zatem wykorzystanie prędkości obrotowej silnika, gdy lokomotywa ma koła nowe, jest najgorsze.

W zakończeniu niniejszego podrozdziału należy podkreślić, że zagadnienie doboru wartości przełożenia przekładni powinno być połączone z wnikliwą analizą możliwości wykorzystania mocy ciągłej silnika przy prędkości dopuszczalnej, maksymalnej w eksploatacji, przy wykorzystaniu najniższej dopuszczalnej wartości osłabionego strumienia pola magnetycznego silników. W krajowych lokomotywach elektrycznych 3000 [V] z silnikami prądu stałego najgłębsze osłabienie strumienia głównego pola magnetycznego waha się w granicach 0,22-0,18 zależnie od typu silnika. Jeżeli więc przy najwyższej prędkości dopuszczalnej lokomotywa nie zapewnia możliwości wykorzystania mocy, to należy skorygować wartość przełożenia jej przekładni.

Rysunek 6.4. Charakterystyka trakcyjna lokomotywy prądu stałego 101E z silnikami komutatorowymi. Charakterystyki naturalne silnika pokazano w postaci pogrubionej linii ciągłej. Krzywe przy osłabionym strumieniu głównym - linią przerywaną.

Powyższe uwagi dotyczą tylko lokomotyw i trakcyjnych zespołów elektrycznych. W przypadku lokomotyw spalinowych (autonomicznych) z przekładnią elektryczną, obowiązują nieco inne zasady. Przypadek ten zostanie omówiony w oddzielnym podrozdziale.

Na rysunku 6.4.pogrubioną linią pokazano dwie krzywe mocy ciągłej: jedna dla napięcia na zaciskach silnika 1500 V/silnik, i druga dla napięcia 750 V/silnik. Przy ruszaniu lokomotywy od prędkości V=0 wszystkie silniki lokomotywy są połączone szeregowo i zasilane napięciem 750 V. Podczas rezystorowego rozruchu lokomotywy w szereg z uzwojeniami silników kolejno załącza się rezystory dodatkowe R_DK (K=n; n-1; ...1; 0) zgodnie z wzorami (5.3) i (6.6) tak, aby przy określonym prądzie silników I_K spełnić pierwsze równanie.

(6.6)

Rezystancje poszczególnych rezystorów dodatkowych dobiera się tak, aby współczynnik nierównomierności siły pociągowej przy rozruchu δ nie przekraczał technicznie akceptowalnej wartości:

(6.7)

Rozruch pojazdu jest prowadzony aż do stanu R_DK=0, co odpowiada postaci wzoru (5.3). Podczas przyśpieszania pojazdu prąd, a także i siła pociągowa, spada dość gwałtownie. Skokowe załączanie coraz mniejszych rezystancji dodatkowych skokowo zapobiega temu spadkowi. Na stopniu nastawnika R_DK=0 pojazd przyśpiesza według krzywej naturalnej silnika aż do podjęcia jednej z dwóch opcji sterowania: albo przełącza się pary silników według schematów pokazanych na rysunkach 5.12 i 5.13, albo nadal kontynuuje się rozruch przy szeregowym połączeniu silników załączając kolejne stopnie osłabienia pola magnetycznego ich strumienia głównego. Wybór opcjonalny jest podjęty na etapie projektowania lokomotywy. Podczas eksploatacji proces przełączania stopni rozruchowych odbywa się samoczynnie. Maszynista nie ma innej możliwości sterowania jak tylko odpowiednie przełączanie uprzednio zaprogramowanych kolejnych stopni skokowych.

W przypadku dalszego rozruchu rezystorowego (bardziej energochłonnego lecz stosowanego najczęściej bo krótkotrwale) jazdę prowadzi się po przełączeniu par silników według rysunków 5.12 i 5.13. Można też w pewnym zakresie prowadzić rozruch energooszczędny (według rysunku 6.4), przez załączanie kolejnych stopni osłabienia pola strumienia głównego silników. Ta opcja jednak prowadzi do większej złożoności układu sterowania a i tak nie daje możliwości pełnej eliminacji rozruchu rezystorowego przed przełączeniem par silników według rysunków 5.12 i 5.13.

6.3. Dobór wartości przełożenia przekładni przy zastosowaniu trakcyjnych trójfazowych silników asynchronicznych prądu przemiennego [1],[9],[10].

Niniejszy podrozdział dotyczy zarówno lokomotyw elektrycznych jak też lokomotyw spalinowych z przekładnią elektryczną i silnikami asynchronicznymi.

Do wyznaczenia wartości przełożenia przekładni są potrzebna następujące dane:

• prędkość maksymalna lokomotywy V_max=V_D (rys. 4.7),

• maksymalna kątowa prędkość pola magnetycznego silnika ω_omax,

• najmniejsza dopuszczalna średnica zużytych kół jezdnych lokomotywy d_kmin,

• wartość poślizgu s dla momentu znamionowego M_rob silnika s_rob (rys. 5.20).

Znając s_rob, na podstawie (5.4) wyznacza się ω_smax:

(6.8a)

przy czym

(6.8b)

Następnie, korzystając z (6.8), wyznaczamy wartość przełożenia przekładni zębatej:

(6.9)

Tabela 6.1 Główne parametry lokomotywy 110E.

GŁÓWNE PARAMETRY LOKOMOTYWY 110E
System	=3000V	15kV,16^2/3Hz	25kV,50Hz
Układ osi	Bo Bo	Bo Bo	Bo Bo
Masa służbowa	8200 kg	8800 kg	8800 kg
Prędkość eksploatacyjna (VD)	200 km/h	200 km/h	200 km/h
Prędkość konstrukcyjna (dopuszczalna)	220 km/h	220 km/h	220 km/h
Moc maksymalna	6,4 MW	4,5 MW	6,0 MW
Moc ciągła	6,0 MW	3,0 MW	5,0 MW
Hamulec odzyskowy Nc,	6,0 MW	4,5 MW	6,0 MW
Hamulec rezystorowy Nc,	4,0 MW	4,0 MW	4,0 MW
Siła A na haku przy rozruchu rys.4.7.	280 kN	280 kN	280 kN
Siła B przy końcu rozruchu/VB rys 4.7.	256 kN/90	240 kN/67,5	240 kN/90
Siła przy VD=200	115 kN	81 kN	108 kN
Przełożenie przekładni	3,304	3,304	3,304
Napięcie urz. pom. i baterii	110 V	110 V	110 V

O możliwości praktycznego uzyskania przełożenia według (6.7) decydują wielkości geometryczne silnika (zwłaszcza jego średnica zewnętrzna), skrajnia taboru (rys.6.2), graniczne ugięcia usprężynowania (rys. 6.3, wymiar h₃), typ układu napędowego (czy jest konieczność zastosowania koła pośredniego) itp. Na rysunku 5.24a podano wszystkie potrzebne wielkości i parametry uzasadniające wybór przełożenia.

Przed kilkoma laty rozważano celowość ewentualnego zakupu lokomotyw wielosystemowych dla obsługi międzynarodowych przewozów PKP. W tabeli 6.1, dla przykładu, zestawiono wybrane parametry takich lokomotyw. Charakterystykę trakcyjną lokomotywy przedstawiono na rysunku 6.5

Rysunek 6.5. Charakterystyka zewnętrzna trójsystemowej lokomotywy elektrycznej 110 E; 15[kV]16²/₃[Hz]AC / 25[kV]50[Hz]AC / 3[kV]DC z odzyskowym hamowaniem elektrodynamicznym. W polu pracy na charakterystyce występuje pełna gęstość krzywych trakcyjnych.

118

SKRAJNIA

37,5

200

155,5

100

80

73

80

30

60

130

935

150

B

A



h₁

h₂

g

d_z1max

d_k

Oś zestawu kołowego

Oś koła zębatego z₁

h₃

Z₁

Z₂

N_max=6400 [kW]

N_c=6000 [kW]

Hamulec odzyskowy

A

B

D

250

F_o [kN]

V [km/h]

200

0

100

100

200

150

M_poc 750 t;

i=0%o;

15 wagonów

N_c=1600

U_s=750

N_c=3200 kW

U_s=1500 V

W=

0,30

0,36

0,42

0,50

0,60

0,71

0,84

1,0

F_o

[kN]

Lokomotywa Bo-Bo 3000V

Typ 101E N_c=3200 kW

V_ekspl=160 km/h

V_c=101,4 km/h

F_c=112200 N; dk=1,25 m

i=74/47=1,575; m=12mm

I_max/I_c=1,58;

Przekładnia dwukołowa

240

220

200

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 V[km/h]

Krzywa F_oψ

przyczepności

F_rmax

F_rmin

---