X¸c ®Þnh c«ng suÊt vμ x©y dùng
®Æc tÝnh søc kÐo ®oμn tμu kÐo ®Èy
TS. NguyÔn v¨n chuyªn
Bé m«n §Çu m¸y - Toa xe
Khoa C¬ khÝ - Tr−êng §H GTVT
Tãm t¾t: Bμi b¸o tr×nh bμy c¸ch x¸c ®Þnh c«ng suÊt vμ x©y dùng ®Æc tÝnh søc kÐo cho
®oμn tμu kÐo ®Èy.
Summary: This arctile presents to ascertain power and to make tractive performance for
pully - hauly train.
I. §Æt vÊn ®Ò
§oµn tµu kÐo ®Èy bao gåm mét ®Çu kÐo,
mét ®Çu ®Èy vµ c¸c toa xe kÐo theo ë gi÷a.
Trong qu¸ tr×nh vËn dông trong khu ®o¹n tõ A
®Õn B, c¸c ®Çu kÐo ®Èy thay nhau vÞ trÝ ®Çu
tiªn tuú theo h−íng ch¹y tõ A ®Õn B hoÆc
ng−îc l¹i tõ B ®Õn A. Do vËy mµ nã kh«ng
ph¶i quay ®Çu vµ còng kh«ng cÇn thiÕt bÞ
quay ®Çu phøc t¹p. Mét ®Æc ®iÓm cña ®oµn
tµu kÐo ®Èy lµ ph¶i gia tèc nhanh khi khëi
®éng còng nh− sau khi h·m. ChÝnh v× vËy khi
tÝnh to¸n søc kÐo vµnh b¸nh ®Ó x¸c ®Þnh c«ng
suÊt vµnh b¸nh vµ c«ng suÊt ®éng c¬ cÇn cã
yªu cÇu riªng. Sau khi x¸c ®Þnh ®−îc c«ng
suÊt vµnh b¸nh cÇn ph¶i x©y dùng ®−êng ®Æc
tÝnh søc kÐo ®Ó phôc vô cho c«ng t¸c vËn
dông.
II. Néi dung
A. TÝnh to¸n c«ng suÊt ®oµn tµu kÐo
®Èy.
1. C¸c sè liÖu phôc vô cho tÝnh to¸n
§©y lµ sè liÖu cña mét ®oµn tµu cô thÓ dù
®Þnh thiÕt kÕ ë ViÖt nam :
- Thµnh phÇn ®oµn tµu gåm: Mét ®Çu
kÐo, mét ®Çu ®Èy, hai toa kh¸ch vµ mét toa
hµng ¨n.
- Tèc ®é cao nhÊt trªn ®−êng b»ng lµ
120 km/h.
- T¶i träng trôc ®Çu m¸y 12 T/trôc.
- C¨n cø vµo t¶i träng trôc, träng l−îng
lín nhÊt cña mét ®Çu m¸y lµ 4 x 12 = 48T.
- T¶i träng trôc toa xe lµ 10T, träng l−îng
mét toa xe tèi ®a lµ 40T.
- B¸n kÝnh ®−êng cong:
+ Trªn chÝnh tuyÕn R ≥ 100 m
+ Trªn ®−êng nh¸nh R ≥ 75 m
- Gia tèc ®oµn tµu a = 0,65 m/s2
- §é gi¶m tèc khi h·m a = 1 m/s2
- C«ng suÊt ®éng c¬ tèi ®a 2 x (600 ÷ 700) =
1200 ÷ 1400 m· lùc
- C«ng thøc trôc ®Çu m¸y B0 - B0
- TruyÒn ®éng ®Çu m¸y lµ truyÒn ®éng
®iÖn
- §−êng kÝnh b¸nh xe D = 780 mm = 0,78 m
2. TÝnh to¸n søc kÐo b¸m cho ®Çu m¸y
Søc kÐo b¸m quyÕt ®Þnh kh¶ n¨ng søc
kÐo cña ®oµn tµu trong qu¸ tr×nh tÝnh søc kÐo
cÇn tÝnh c¸c th«ng sè sau:
- TÝnh hÖ sè b¸m cho ®Çu m¸y ®iesel
truyÒn ®éng ®iÖn trªn ®−êng th¼ng
V.20100
8
25,0 +
+=μ
- TÝnh hÖ sè b¸m khi vµo ®−êng cong:
()
R00055,067,0
r+μ=μ
Víi R = 75m vµ R = 100m
- TÝnh lùc kÐo b¸m khi ch¹y trªn ®−êng
th¼ng:
μ= .g.P2Fb [KN]
Víi P lµ khèi l−îng cña mét ®Çu m¸y
g lµ gia tèc träng tr−êng; g = 9,81 m/s2
- TÝnh lùc b¸m ®Çu m¸y trong ®−êng
cong:
rbr .g.P2F μ= [KN]
Tõ c¸c c«ng thøc trªn ta thay c¸c sè liÖu
vµo, cho vËn tèc ch¹y tõ 0 ®Õn 120 km/h,
®ång thêi dïng phÇn mÒm MATLAB 6.0 sÏ vÏ
®−îc ®å thÞ lùc kÐo b¸m khi ch¹y trªn ®−êng
th¼ng vµ trªn ®−êng cong nh− h×nh 1:
H×nh 1. §å thÞ lùc kÐo b¸m
Tõ ®å thÞ thÊy r»ng b¸n kÝnh ®−êng cong
cµng bÐ, lùc b¸m cµng nhá. Do vËy khi ch¹y
søc kÐo ®Ó b¶o ®¶m ®oµn tµu ch¹y an toµn.
3. TÝnh lùc c¶n ®oμn tμu
trong ®−êng cong ph¶i chó ý tíi sù ph¸t huy
®oµn tµu c¨n
cø v
¶n ®¬n vÞ ®Çu m¸y
V lµ vËn tèc cña ®oµn tµu km
e kh¸ch
o
ω
- TÝnh lùc c¶n ®¬n vÞ quy ®æi ®−
®−ên
C¸c c«ng thøc tÝnh lùc c¶n
µo tµi liÖu [1], [3].
- TÝnh lùc c¶n c¬ b
2' V0003,0V01,09,1 ++=ω [N/KN]
o
/h.
- TÝnh lùc c¶n c¬ b¶n ®¬n vÞ toa x
2'' V000155,0V0075,066,1 ++= [N/KN]
êng dèc,
g cong vµ ®−êng hÇm:
S
C
S
C
r
Srj /N[ii ω+ω+=
L.00013,0
L
2,12
i
L.00013,0
L
L
.
R
700
i
]KN
+
α
+=
++=
trong ®ã:
dèc cña ®−êng [N/KN]
g [N/KN]
r
LC
n]
S
Èy:
m lùc
c¶n
oo ++ω+ω= [N]
trong ®ã:
èi l−îng mét ®Çu m¸y [T]
2]
i - §é
ωr - Lùc c¶n ®¬n vÞ ®−êng con
ωS - Lùc c¶n ®¬n vÞ ®−êng hÇm [N/KN]
L - ChiÒu dµi ®−êng cong [m]
R - B¸n kÝnh ®−êng cong [m]
Fbr [KN] Fbr [KN]
R = 0
R = 100
R = 75
- ChiÒu dµi ®oµn tµu [m]
α - Gãc ë t©m ®−êng cong [radia
L - ChiÒu dµi ®−êng hÇm [m].
- TÝnh lùc c¶n vËn hµnh kÐo ®
Lùc c¶n vËn hµnh kÐo ®Èy bao gå
c¬ b¶n ®Çu m¸y, lùc c¶n c¬ b¶n toa xe
vµ lùc c¶n phô ®oµn tµu, ký hiÖu lµ W.
()
''' g].i.GP2GP2[W j
P - Kh
G - Khèi l−îng 3 toa xe [T]
g - Gia tèc träng tr−êng [m/s
- TÝnh lùc c¶n vËn hµnh ®oµn tµu khi
ch¹y ®µ:
+ Lùc c¶n ®¬n vÞ ch¹y ®µ ®Çu m¸y:
'
od =ω
+ TÝnh lùc c¶n ch¹y ®µ toµ :
Wd=
Dïng phÇn mÒm MATLAB 6.0 m¸
sÏ v
Trªn c¬ së c¸c gi¸ trÞ lùc c¶n ®¬n vÞ x¸c
c c¶n vËn hµnh kÐo ®Èy vµ lùc
c¶n
hÊt:
íc.
g phÇn mÒm MATLAB 6.0 m¸
sÏ v
Trªn c¬ së c¸c gi¸ trÞ lùc c¶n ®¬n vÞ x¸c
c c¶n vËn hµnh kÐo ®Èy vµ lùc
c¶n
hÊt:
()
g].0.GP2GP2[ ''
o
'
o++ω+ω
íc.
()
g].i.GP2GP2[F.95,1F j
''
o
'
o1tttt ++ω+ω==
'
o
ω''
o
2
V00035,0V01,04,2 ++ [N/KN]
n ®oµn tµu
()
g].i.GP2GP2[ j
''
o
'
od ++ω+ω [N]
y tÝnhy tÝnh
Ï ra ®å thÞ c¸c lùc c¶n ®¬n vÞ ®Çu m¸y, lùc
c¶n ®¬n vÞ toa xe vµ lùc c¶n ®¬n vÞ ch¹y ®µ
nh− h×nh 2:
®Þnh ®−îc lù
Ï ra ®å thÞ c¸c lùc c¶n ®¬n vÞ ®Çu m¸y, lùc
c¶n ®¬n vÞ toa xe vµ lùc c¶n ®¬n vÞ ch¹y ®µ
nh− h×nh 2:
®Þnh ®−îc lù
ch¹y ®µ cña toµn ®oµn tµu ®−îc thÓ hiÖn
ë h×nh 3:
ch¹y ®µ cña toµn ®oµn tµu ®−îc thÓ hiÖn
ë h×nh 3:
4. TÝnh lùc kÐo 4. TÝnh lùc kÐo
TÝnh to¸n søc kÐo cho ®oµn tµu kÐo ®Èy
®−îc thùc hiÖn ë 3 chÕ ®é: ChÕ ®é ch¹y trªn
®−êng b»ng ë tèc ®é cao nhÊt, ë chÕ ®é tèc
®é tÝnh to¸n vµ ë chÕ ®é khëi ®éng. VÒ lý
thuyÕt ®èi víi ®oµn tµu kÐo ®Èy, do khèi l−îng
®oµn tµu thÊp, nªn ë chÕ ®é tÝnh to¸n vµ khëi
®éng th−êng kh«ng sö dông hÕt c«ng suÊt, dï
søc kÐo ë hai chÕ ®é nµy lín. §Ó chän c«ng
suÊt tÝnh to¸n hîp lý, ta vËn hµnh lùc kÐo ë ba
chÕ ®é trªn ®Ó lùa chän.
TÝnh to¸n søc kÐo cho ®oµn tµu kÐo ®Èy
®−îc thùc hiÖn ë 3 chÕ ®é: ChÕ ®é ch¹y trªn
®−êng b»ng ë tèc ®é cao nhÊt, ë chÕ ®é tèc
®é tÝnh to¸n vµ ë chÕ ®é khëi ®éng. VÒ lý
thuyÕt ®èi víi ®oµn tµu kÐo ®Èy, do khèi l−îng
®oµn tµu thÊp, nªn ë chÕ ®é tÝnh to¸n vµ khëi
®éng th−êng kh«ng sö dông hÕt c«ng suÊt, dï
søc kÐo ë hai chÕ ®é nµy lín. §Ó chän c«ng
suÊt tÝnh to¸n hîp lý, ta vËn hµnh lùc kÐo ë ba
chÕ ®é trªn ®Ó lùa chän.
- TÝnh lùc kÐo ë tèc ®é cao n- TÝnh lùc kÐo ë tèc ®é cao n
ë ®oµn tµu kÐo ®Èy lùc kÐo ë ®Çu
m¸y sau b»ng 0,95 lùc kÐo ë ®Çu m¸y
tr−íc. NÕu gäi tæng søc kÐo cña c¶ ®oµn
tµu lµ Fct; lùc kÐo mét ®Çu m¸y tr−íc lµ
Fct1 ta cã :
ë ®oµn tµu kÐo ®Èy lùc kÐo ë ®Çu
m¸y sau b»ng 0,95 lùc kÐo ë ®Çu m¸y
tr−íc. NÕu gäi tæng søc kÐo cña c¶ ®oµn
tµu lµ F
Fct = Fct1(1 + 0,95) = Fct1.1,95 F
= =
()
g].0.GP2GP2[ ''
o
'
o++ω+ω
ë ®©y lÊy ij = 0 nghÜa lµ ®oµn tµu
ph¸t huy tèc ®é cao nhÊt trªn ®−êng
b»ng.
ë ®©y lÊy i
Thay V = 120 km/h vµo ta ®−îc: Thay V = 120 km/h vµo ta ®−îc:
Fct = 12629 [N] F
- TÝnh lùc kÐo ®Èy ë tèc ®é tÝnh to¸n: - TÝnh lùc kÐo ®Èy ë tèc ®é tÝnh to¸n:
Ftt = Ftt1(1 + 0,95) = Ftt1.1,95 F
trong ®ã: Ftt lµ tæng lùc kÐo ®oµn tµu khi
ch¹y ë tèc ®é tÝnh to¸n. Ftt1 lµ lùc kÐo ë ®Çu
m¸y tr−
trong ®ã: F
()
g].i.GP2GP2[F.95,1F j
''
o
'
o1tttt ++ω+ω==
Víi ij lµ ®é dèc lín nhÊt trong khu gian
vËn hµnh.
Víi i
'
o
ω vµ ω lµ søc c¶n tÝnh ë tèc ®é tÝnh
to¸n.
vµ ω lµ søc c¶n tÝnh ë tèc ®é tÝnh
to¸n.
''
o
Ta lÊy tèc ®é tÝnh to¸n V = 15 km/h, ®é
dèc lín nhÊt ij = 17 %0 thay vµo ta ®−îc:
Ta lÊy tèc ®é tÝnh to¸n V = 15 km/h, ®é
dèc lín nhÊt i
ct; lùc kÐo mét ®Çu m¸y tr−íc lµ
Fct1 ta cã :
ct = Fct1(1 + 0,95) = Fct1.1,95
j = 0 nghÜa lµ ®oµn tµu
ph¸t huy tèc ®é cao nhÊt trªn ®−êng
b»ng.
ct = 12629 [N]
tt = Ftt1(1 + 0,95) = Ftt1.1,95
tt lµ tæng lùc kÐo ®oµn tµu khi
ch¹y ë tèc ®é tÝnh to¸n. Ftt1 lµ lùc kÐo ë ®Çu
m¸y tr−
j lµ ®é dèc lín nhÊt trong khu gian
vËn hµnh.
j = 17 %0 thay vµo ta ®−îc:
ω0d'
ω0', ω0'', ω0d' [N/KN] §å thÞ lùc c¶n ®¬n vÞ vËn hµnh, ch¹y ®µ
ω0''
ω0'
H×nh 2. §å thÞ lùc c¶n ®¬n vÞ ®Çu m¸y, toa xe, ch¹y ®μ
W,Wd [N] §å th
Þ
l
ù
c c¶n v
Ë
n hµnh W [N], ch
¹y
®µ Wd [N]
H×nh 3. §å thÞ lùc c¶n vËn hμnh kÐo ®Èy, ch¹y ®μ
Ftt = 40144 [N]
- TÝnh lùc kÐo khi khëi ®éng, theo [3].
- Lùc c¶n khëi ®éng ®¬n vÞ ®Çu m¸y lÊy
b»ng: = 5 N/KN.
'
q
ω
- Lùc c¶n khëi ®éng ®¬n vÞ ®oµn xe:
[KN/N]
q
''
qi.4,03 +=ω
Víi iq lµ ®é dèc ë vÞ trÝ ®Çu m¸y vµ toa xe
khëi ®éng.
- Lùc c¶n ®oµn tµu khi khëi ®éng:
[N]
()
g].i.GP2GP2[W q
''
q
'
qq ++ω+ω=
Thay c¸c gi¸ trÞ vµo ta tÝnh ®−îc:
Wq = 16010 [N]
- TÝnh lùc kÐo khi khëi ®éng
Gäi Fq lµ lùc khëi ®éng cña c¶ ®oµn tµu,
Fq1 lµ lùc khëi ®éng cña ®Çu m¸y tr−íc ta cã:
F
q = Fq1(1 + 0,95) = 1,95.Fq1
()
g].i.GP2GP2[ q
''
q
'
q++ω+ω=
Thay c¸c gi¸ trÞ vµo ta tÝnh ®−îc:
Fq = 16010 [N]
5. TÝnh c«ng suÊt vμnh b¸nh xe
Trªn c¬ së ®· x¸c ®Þnh ®−îc lùc kÐo ë
c¸c chÕ ®é, chóng ta ®· x¸c ®Þnh c«ng suÊt
cÇn thiÕt khi ch¹y ë tèc ®é cao nhÊt, ë tèc ®é
tÝnh to¸n vµ ë chÕ ®é khëi ®éng. C¨n cø vµo 3
gi¸ trÞ c«ng suÊt, sÏ chän gi¸ trÞ nµo lín nhÊt
lµm c«ng suÊt tÝnh to¸n. §©y chÝnh lµ c«ng
suÊt vµnh b¸nh tho¶ m·n khi ch¹y ë chÕ ®é
trªn. Gi¸ trÞ ®ã lµ gi¸ trÞ c«ng suÊt vµnh b¸nh
lín nhÊt ®Ó x©y dùng ®Æc tÝnh søc kÐo cña
®Çu m¸y.
- TÝnh c«ng suÊt vµnh b¸nh khi ch¹y ë
tèc ®é cÊu t¹o:
3600
V.F
Nctct
Kct = [kW]
trong ®ã: Fct tÝnh b»ng [N]
V
ct tÝnh b»ng, Vct = 120 [km/h]
Thay vµo ta ®−îc:
kW97,420
3600
120x12629
NKct ==
Nkct = 420,97 [kW]
- C«ng suÊt vµnh b¸nh ë tèc ®é tÝnh to¸n:
3600
V.F
Ntttt
ktt = [kW]
kW27,167
3600
15x40114 ==
Nktt = 167,27 [KW]
- TÝnh c«ng suÊt vµnh b¸nh khi khëi
®éng:
3600
V.F
Nqq
Kq = [kW]
kW89,8
3600
2x16010 ==
Nkq = 8,89 [kW]
Sau khi tÝnh to¸n ta lùa chän c«ng suÊt
vµnh b¸nh Nkct = 420,97 kW lµ c«ng suÊt kÐo
cña ®Çu m¸y.
6. TÝnh c«ng suÊt ®éng c¬ diesel cña
®Çu m¸y
§©y lµ c«ng suÊt cña tæng c¸c ®éng c¬
®iesel trªn ®oµn tµu. NÕu gäi hiÖu suÊt c¬ khÝ
lµ ηck; hiÖu suÊt tæn hao cho c¸c m¸y phô lµ
ηmf; hiÖu suÊt tæn hao cho qu¸ tr×nh truyÒn
®éng lµ ηtd.
C¨n cø vµo [2] chän ηck.ηmf = 0,8;
ηtd = 0,82. Chóng ta tÝnh ®−îc tÝch:
ηck.ηmf.ηtd = 0,8 x 0,82 = 0,656.
Ta tiÕn hµnh tÝnh c«ng suÊt ®éng c¬
®iesel trªn ®Çu m¸y nh− sau :
1. C«ng suÊt ®éng c¬ ®iesel tho¶ m·n khi
®oµn tµu ch¹y ë tèc ®é cao nhÊt:
tdmfck
kct
ect ..
N
Nηηη
= [kW]
kW72,641
656,0
97,420 ==
Nect = 641,72 kW
2. C«ng suÊt ®éng c¬ ®iesel tho¶ m·n khi
®oµn tµu ch¹y ë tèc ®é tÝnh to¸n:
tdmfck
ktt
ett ..
N
Nηηη
= [kW]
kW98,254
656,0
27,167 ==
Nett = 254,98 KW
3. C«ng suÊt ®éng c¬ ®iesel tho¶ m·n ®Ó
®oµn tµu khëi ®éng ®−îc:
tdmfck
kq
eq ..
N
Nηηη
= [kw]
kW55,13
656,0
89,8 ==
N
eq = 13,55 [kW]
C¨n cø vµo c¸c gi¸ trÞ Nect, Nett vµ Ncq ta
chän gi¸ trÞ lín nhÊt lµm c¬ së chän ®éng c¬
cho ®oµn tµu vµ tõ ®ã quyÕt ®Þnh c«ng suÊt
®éng c¬ cña mét ®Çu m¸y vµ lo¹i ®éng c¬
®iesel. ë ®©y chän c«ng suÊt tèi thiÓu cho hai
®éng c¬ trªn ®Çu m¸y lµ 640,72 kW. Nh− vËy
c«ng suÊt tèi thiÓu cho mét ®éng c¬ trªn ®Çu
m¸y lµ 320,86 kW. TÝnh ra m· lùc, c«ng suÊt
tèi thiÓu cho mét ®éng c¬ lµ 436,36 m· lùc.
Trªn c¬ së gi¸ trÞ lùa chän mµy ta chän lo¹i
®éng c¬ nµo cã c«ng suÊt lín h¬n c«ng suÊt
tÝnh to¸n sÏ tho¶ m·n yªu cÇu cña ®oµn tµu
kÐo ®Èy.
B. X©y dùng ®Æc tÝnh søc kÐo cña ®Çu
m¸y khi kÐo ®Èy
1. Lùa chän c«ng suÊt cña ®Çu m¸y
C¨n cø vµo c«ng suÊt vµnh b¸nh, chóng
ta chän lo¹i nµo cã gi¸ trÞ lín nhÊt ®−îc coi lµ
th«ng sè tÝnh to¸n.
Trong ba lo¹i, c«ng suÊt vµnh b¸nh ë c¸c
tr¹ng th¸i vËn hµnh trªn ®−êng th¼ng, ë tèc ®é
tÝnh to¸n vµ khi ch¹y ®µ th× c«ng suÊt vµnh
b¸nh khi ch¹y ë tèc ®é cao lµ lín nhÊt. Gi¸ trÞ
cña nã lµ Nkct = 420,97 kW.
2. X©y dùng ®Æc tÝnh søc kÐo cña ®Çu
m¸y
C¨n cø vµo c«ng thøc:
kW97,420
3600
V.F
Nctct
kct ==
C«ng suÊt 420,97 kW lµ c«ng suÊt vµnh
b¸nh ë vÞ trÝ toµn t¶i. TruyÒn ®éng cña ®Çu
m¸y lµ truyÒn ®éng ®iÖn mét chiÒu, do vËy
®Æc tÝnh søc kÐo c¬ d¹ng hypebon. Víi c«ng
suÊt lµ Nkct ®Æc tÝnh søc kÐo cã d¹ng:
3600
V.F
Nkct =
Tõ ®©y suy ra:
V
N.3600
Fkct
= [N]
Víi V = [0, 5, 10, 15, ... 120 km/h]
§Æc tÝnh søc kÐo ë chÕ ®é toµn t¶i ®−îc
vÏ trªn h×nh 4:
H×nh 4. §−êng ®Æc tÝnh søc kÐo ®Çu m¸y kÐo ®Èy
Nh×n vµo ®å thÞ ë tèc ®é thÊp th× lùc kÐo