МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МГУПС (МИИТ))
Кафедра «Электрическая тяга»
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине
ПОДВИЖНОЙ СОСТАВ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
раздел
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПОДВИЖНОЙ СОСТАВ
Выполнил студент группы ТПЭ–212
_______________ /Козырев А.Н. /
Принял доцент
_______________/Скребков А.В./
Москва – 2012
СОДЕРЖАНИЕ
стр.
1. ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………...4
1.1. Цель курсовой работы……………………………………………….4
1.2. Теоретические сведения……………………………………………..4
2. ХОД ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ……………………………………………..7
2.1. Выбор электровоза – прототипа…………………………………….7
2.2. Расчет и построение электротяговых характеристик……………...7
2.3. Расчет и построение тяговых характеристик……………………..14
2.4. Расчет и построение ограничений тягового режима……………..16
2.5. Расчет напряжения на токоприемнике электровоза с учетом влияния сопротивления контактной сети…………………...........................18
3. ВЫВОДЫПО ПРОДЕЛАННОЙ РАБОТЕ………………………………...23
4. СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ…………………….............24
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 …………………………………………………………...25
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 …………………………………………………………...26
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 …………………………………………………………...27
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 …………………………………………………………...28
ВВЕДЕНИЕ
1.1. Цель курсовой работы.
Углубление и закрепление теоретических знаний по расчету характеристик и параметров электроподвижного состава постоянного тока в режиме тяги и влияния на них системы тягового электроснабжения.Необходимо рассчитать электротяговые и тяговые характеристики выбранного в качестве прототипа электровоза, рассчитать и построить ограничения тягового режима, а так же выполнить исследование и анализ изменения величины напряжения в контактной сети при перемещении электровоза от одной тяговой подстанции до другой.
1.2. Теоретические сведения.
Выбор электровоза–прототипа выполняется в соответствии с заданным типом тягового электродвигателя. Для этого необходимо на основании [1, таблица 15] определить серию электровоза. Электротяговые характеристики для заданного типа тягового электродвигателя выбранного электровоза–прототипа определяются в соответствии с [1, рисунки 4.104 –4.106]. Диаметр бандажа электровоза–прототипа определяют в соответствии с [1, рисунки 4.1 – 4.3], а передаточное отношение –в соответствии с [1, таблица 16].Расчет электротяговых характеристик для заданных диаметра бандажа и передаточного отношения зубчатой передачи производят на основании выбранных электротяговых характеристик тягового электродвигателя электровоза–прототипа. В начале проектирования расчет характеристик выполняют для полного возбуждения при параллельном соединении тяговых электродвигателей.На тяговые характеристики наносят ограничения режимов работы тяговых электродвигателей по конструкционной скорости, силе тяги по сцеплению колес с рельсами и максимально допустимому току тяговых электродвигателей.
Ограничение характеристик по конструкционной скорости наносят в виде горизонтальной прямой. Величину ограничения принимают на основании технических характеристик электровоза–прототипа в соответствии с [1, таблица 15]. Ограничение по току наносят на характеристики параллельного соединения (высшей ступени регулирования напряжения) тяговых электродвигателей. При этом максимальный ток не должен превышать полуторакратный часовой ток тяговых электродвигателей. Часовой ток тяговых электродвигателей определяется в соответствии с [1, рисунки 4.104 – 4.106].
Систему электроснабжения электрических железных дорог выполняют так, чтобы максимально снизить потери напряжения в контактной сети и, следовательно, обеспечить максимум реализации мощности электровоза. Уровень напряжения в тяговой сети в значительной степени зависит от схемы питания и секционирования контактной сети.
Для анализа величины падения напряжения в контактной сети при различных структурных схемах питания принимаются следующие допущения:
–внутреннее электрическое сопротивление электровоза мало и им пренебрегают, то есть суммарная электродвижущая сила тяговых электродвигателей равна напряжению на токоприемнике электровоза;
–сопротивление рельсовой цепи, а так же питающих линий, ввиду их малой величины, равно нулю;
–удельное сопротивление одного километра контактной сети известно;
–напряжение на выходах обоих тяговых подстанций одинаково и составляет для электроподвижного состава магистральных железных дорог3300 В.
Контактная сеть электрических железных дорог состоит из опорных и поддерживающих конструкций. К последним подвешены несущий трос, контактные, вспомогательные и несущие провода. Несущий трос в контактной сети применяют либо медный марки М–120 или М–95, либо биметаллический (сталемедный или сталеалюминиевый) марки ПБСМ–1–70, ПБСМ–2–70, ПБСМ–1–95 и ПБСМ–2–95. У проводов ПБСМ–1 толщина медной оболочки составляет 10% от радиуса, а у проводов ПБСМ–2 только 7 % от радиуса. Поэтому электрическое сопротивление у проводов ПБСМ–2 несколько больше, чем у ПБСМ–1. Контактные провода используют марки МФ (медь фасонная) с различной площадью поперечного сечения. По условиям токосъёма, на линиях постоянного тока, подвешивают два контактных провода. При двойной цепной подвеске подвешивают вспомогательный провод чех же марок, что и контактный провод. В тех случаях, когда необходимая проводимость недостаточна, подвешивают усиливающие провода марок А–120, А–150 или А–185.
ХОД ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
2.1. Выбор электровоза – прототипа.
По указанному типу тягового электродвигателя (НБ–406) выбираем электровоз постоянного тока ВЛ8, у которого диаметр бандажа D0=1200 мм, передаточное соотношение зубчатой передачи µ 
=3.9, нагрузка на ось колесной парыp0= 22.5 т.
2.2. Расчет и построение электротяговых характеристик.
2.2.1. Расчет электротяговых характеристик по заданным значениям диаметра бандажа колесных пар и передаточного отношения зубчатой передачи проводим для полного возбуждения при параллельном Псоединении тяговых электродвигателей (см. рис. 2.1).
Рисунок 2.1 – Упрощенная схема соединения тяговых двигателей при параллельном соединении.
Рассчитываем скорость движения электровоза при П соединении тяговых двигателей, по формуле[2, (3.1)]:
, (2.1)
где 
– скорость движения электровоза при П соединении тяговых двигателей, км/ч;
=1200 мм – заданный диаметр бандажа, мм;
µ=3,78– заданное передаточное соотношение зубчатой передачи;
– скорость электровоза–прототипа на параллельном соединении тяговых двигателей[1, рис. 4.104], км/ч;
Рассчитываем силу тяги двигателядля заданныхDи µ, по формуле [2, (3.2)]:
, (2.2)
где Fкд0– силатяги двигателя электровоза – прототипа[1, рис. 4.104], кгс;
Fкд – сила тяги двигателя расчетного электровоза, кгс;
Таблица 2.1 – Результаты расчета электротяговых характеристик.
| Iд, А | Vп0, км/ч | Vп, км/ч | Fкд 0, кгс | Fкд, кгс |
| 100,0 | 103,2 | |||
| 89,5 | 92,3 | |||
| 82,0 | 84,6 | |||
| 77,0 | 79,4 | |||
| 63,0 | 65,0 | |||
| 60,9 | 62,8 | |||
| 56,7 | 58,5 | |||
| 53,7 | 55,4 | |||
| 52,7 | 54,4 | |||
| 49,6 | 51,2 | |||
| 46,3 | 47,8 | |||
| 44,3 | 45,7 |
Продолжение табл. 2.1
| Iд, А | Vп0, км/ч | Vп, км/ч | Fкд 0, кгс | Fкд, кгс |
| 43,8 | 45,2 | |||
| 42,6 | 44,0 | |||
| 41,9 | 43,2 | |||
| 40,4 | 41,7 | |||
| 39,0 | 40,2 | |||
| 37,8 | 39,0 | |||
| 36,8 | 38,0 |
Рисунок 2.2 – Упрощенная схема соединения тяговых двигателей при сериесно-параллельном СП соединении.
Рисунок 2.3 – Упрощенная схема соединения тяговых двигателей при сериесном С соединении.
Рассчитываем значения скоростей при сериесном 
и сериесно–параллельном 
соединении тяговых электродвигателей (см. рис. 2.2 и рис. 2.3), для этого используем приближенные формулы [2, (3.3),(3.4)]:
, (2.3)
,(2.4)
где 
– значение скорости на параллельном соединении тяговых двигателей, км/ч;
= 1500 В – номинальное напряжение на тяговом двигателе при параллельном соединении, В;
Значения напряжения на С и СП соединениях, 
и 
соответственно, рассчитываются по следующим формулам [2, (3.5),(3.6)]:
(2.5)
(2.6)
где 
= 3000 В – номинальное напряжение в контактной сети;
ncиnсп – количество двигателей включенных последовательно на С и СП соединениях соответственно.
Таблица 2.2 – Результаты расчета электротяговых характеристик дляС и СП соединений.
| Iд, А | Vп, км/ч | Vс, км/ч | Vсп, км/ч |
| 103,2 | 25,8 | 51,6 | |
| 92,3 | 23,1 | 46,2 | |
| 84,6 | 21,2 | 42,3 | |
| 79,4 | 19,9 | 39,7 | |
| 65,0 | 16,3 | 32,5 | |
| 62,8 | 15,7 | 31,4 | |
| 58,5 | 14,6 | 29,3 | |
| 55,4 | 13,9 | 27,7 | |
| 54,4 | 13,6 | 27,2 | |
| 51,2 | 12,8 | 25,6 | |
| 47,8 | 12,0 | 23,9 | |
| 45,7 | 11,4 | 22,9 | |
| 45,2 | 11,3 | 22,6 | |
| 44,0 | 11,0 | 22,0 | |
| 43,2 | 10,8 | 21,6 | |
| 41,7 | 10,4 | 20,9 | |
| 40,2 | 10,0 | 20,1 | |
| 39,0 | 9,8 | 19,5 | |
| 38,0 | 9,5 | 19,0 |
По даннымтаблицы 2.1 и таблицы 2.2 строим графики зависимостей 
и 
для С, СП, П соединений двигателей (см. ПРИЛОЖЕНИЕ 1).
2.2.2. Для расчета электротяговых характеристик в режимах ослабления возбуждения необходимо рассчитать коэффициент ослабления возбуждения на каждой из четырех принятых ступеней регулирования, для этого пользуемся формулой [2, (3.7)]:
, (2.7)
где 
– коэффициент ослабления возбуждения n–ой ступени;
=0,75 – коэффициент ослабления возбуждения для первой ступени.
Далее,по полученным значениям 
, производим расчет электротяговых характеристик для П соединения тяговых двигателей при движении в режимах ослабления возбуждения, по формулам:
, (2.8)
где 
–ток тягового двигателя при ослаблении возбуждения, А;
– ток тягового двигателя при полном возбуждении, А;
При этом скорость движения электровоза с полным возбуждением тяговых двигателей должна равняться скорости электровоза с ослабленным возбуждением тяговых двигателей.
, (2.9)
где 
– сила тяги двигателя при ослаблении возбуждения, кгс;
– сила тяги двигателя при полном возбуждении, кгс;
Таблица 2.3 – Результаты расчета электротяговых характеристик для режимов ослабления возбуждения.
| V, км/ч |  =1
| 
| 
| 
| 
| |||||
 , А
|  , кгс
|  , А
|  , кгс
|  , А
|  , кгс
|  , А
|  , кгс
|  , А
|  , кгс
| |
| 103,2 | ||||||||||
| 92,3 | ||||||||||
| 84,6 | ||||||||||
| 79,4 | ||||||||||
| 65,0 | ||||||||||
| 62,8 | ||||||||||
| 58,5 | ||||||||||
| 55,4 | ||||||||||
| 54,4 | ||||||||||
| 51,2 |
Продолжение табл. 2.3
| V, км/ч | =1
|
|
|
|
| |||||
| , А
| , кгс
| , А
| , кгс
| , А
| , кгс
| , А
| , кгс
| , А
| , кгс
| |
| 47,8 | ||||||||||
| 45,7 | ||||||||||
| 45,2 | ||||||||||
| 44,0 | ||||||||||
| 43,2 | ||||||||||
| 41,7 | ||||||||||
| 40,2 | ||||||||||
| 39,0 | ||||||||||
| 38,0 |
По данным таблицы 2.3 строим графики зависимостей 
и 
в одних координатных осях вместе и (см. ПРИЛОЖЕНИЕ 1).
2.3. Расчет и построение тяговых характеристик.
Тяговые характеристики электровоза рассчитываемдля С и СП соединений тяговых двигателей на полном возбуждении, и всех степеней регулирования ослабления возбуждения на П соединении тяговых двигателей, по формуле [2, (3.8)]:
, (2.10)
где 
–заданное количество осей на электровозе;
Таблица 2.4 – Результаты расчета тяговых характеристик электровоза 2Э8К.
| ПВ
=1
| ОВ1
| ОВ2
| ОВ3
| ОВ4
| |||||||
 , кгс
| V, км/ч | , кгс
| V, км/ч | , кгс
| V, км/ч | , кгс
| V, км/ч | , кгс
| V, км/ч | ||
| С | СП | П | П | П | П | П | |||||
| 25,8 | 51,6 | 103,2 | 103,2 | 103,2 | 103,2 | 103,2 | |||||
| 23,1 | 46,2 | 92,3 | 92,3 | 92,3 | 92,3 | 92,3 | |||||
| 21,2 | 42,3 | 84,6 | 84,6 | 84,6 | 84,6 | 84,6 | |||||
| 19,9 | 39,7 | 79,4 | 79,4 | 79,4 | 79,4 | 79,4 | |||||
| 16,3 | 32,5 | 65,0 | 65,0 | 65,0 | 65,0 | 65,0 | |||||
| 15,7 | 31,4 | 62,8 | 62,8 | 62,8 | 62,8 | 62,8 | |||||
| 14,6 | 29,3 | 58,5 | 58,5 | 58,5 | 58,5 | 58,5 | |||||
| 13,9 | 27,7 | 55,4 | 55,4 | 55,4 | 55,4 | 55,4 | |||||
| 13,6 | 27,2 | 54,4 | 54,4 | 54,4 | 54,4 | 54,4 | |||||
| 12,8 | 25,6 | 51,2 | 51,2 | 51,2 | 51,2 | 51,2 | |||||
| 12,0 | 23,9 | 47,8 | 47,8 | 47,8 | 47,8 | 47,8 | |||||
| 11,4 | 22,9 | 45,7 | 45,7 | 45,7 | 45,7 | 45,7 | |||||
| 11,3 | 22,6 | 45,2 | 45,2 | 45,2 | 45,2 | 45,2 | |||||
| 11,0 | 22,0 | 44,0 | 44,0 | 44,0 | 44,0 | 44,0 | |||||
| 10,8 | 21,6 | 43,2 | 43,2 | 43,2 | 43,2 | 43,2 | |||||
| 10,4 | 20,9 | 41,7 | 41,7 | 41,7 | 41,7 | 41,7 | |||||
| 10,0 | 20,1 | 40,2 | 40,2 | 40,2 | 40,2 | 40,2 | |||||
| 9,8 | 19,5 | 39,0 | 39,0 | 39,0 | 39,0 | 39,0 | |||||
| 9,5 | 19,0 | 38,0 | 38,0 | 38,0 | 38,0 | 38,0 |
По данным таблицы 2.4 строим графики зависимости 
(см. ПРИЛОЖЕНИЕ 2).
2.4. Расчет и построение ограничений тягового режима.
Ограничение по максимальнойскорости 80 км/ч, это ограничение по конструкционной скорости электровоза–прототипа ВЛ8. Откладываем горизонтальную прямую, соответствующую 80 км/ч, на оси скорости (см. ПРИЛОЖЕНИЕ 1).
Для построения ограничения режимов работы тяговых двигателей по сцеплению колес с рельсами определяем силу сцепления 
, по формуле [2, (3.9)]:
, (2.11)
где 
=25 т. – заданная нагрузка на ось, т;
– расчетный коэффициент сцепления колеса с рельсами.
Расчетный коэффициент сцепления с рельсами колес является функцией скорости. Расчет 
осуществляют на основании формулы [1, (94)]:
, (2.12)
Таблица 2.5 – Результаты расчета ограничения по сцеплению.
 , км/ч
| 
|  , кгс
|
| 0,330 | ||
| 0,290 | ||
| 0,277 | ||
| 0,266 | ||
| 0,261 | ||
| 0,259 |
Продолжение табл. 2.5
| , км/ч
|
| , кгс
|
| 0,257 | ||
| 0,256 | ||
| 0,255 |
Для определения величины тока, соответствующей ограничению по току 
,воспользуемся формулой:
, (2.13)
где 
=380А– ток часового режима работы тягового электродвигателя НБ–406, А;
Далее, строим ограничение по сцеплениюпо данным таблицы 2.5, зависимость 
, и ограничение по максимальному току (см. ПРИЛОЖЕНИЕ 2). Чтобы построить ограничение по току на тяговых характеристиках, отмечаем точки пересечения ограничения по току на электротяговых характеристиках с зависимостью 
на П соединении тяговых двигателейи всех ее ступенях ослабления возбуждения на том же соединении, сопоставляем точки пересечения со скоростью, затем откладываем полученные скорости на тяговых характеристиках и отмечаем точки пересечения на соответствующих графиках 
.
Рисунок 2.1 – Пояснение к построению ограничений тягового режима.
2.5. Расчет напряжения на токоприемнике электровоза с учетом влияния сопротивления контактной сети.
Определяем удельное сопротивление 1 км контактной сети 
, по формуле [2, (3.11)]:
, (2.14)
где 
, 
, 
, 
– удельные сопротивления соответственно контактного, вспомогательного проводов, несущего троса, усиливающего провода, Ом/км;
В контактной сети постоянного тока используют два контактных провода и вспомогательный провод той же марки, что и контактный.
Таблица 2.6 – Удельное сопротивление заданных проводов.
| Марка провода и вид |  , Ом/км
|
| МФ–100 контактный | 0,177 |
| М–120 несущий трос | 0,158 |
Продолжение табл. 2.6
| Марка провода и вид | , Ом/км
|
| А–185 усиливающий | 0,170 |
= 0,034 Ом/км
Рассчитываем ток электровоза 
, по формуле:
(2.15)
где 
=340 А– ток длительного режима работы одного тягового двигателя электровоза–прототипа;
= 4 – число параллельных ветвей тяговых двигателей на параллельном соединении;
Составляем эквивалентные электрические схемы замещения двухпутных участков пути для составления формул расчета эквивалентного сопротивления контактной сети, при следовании электровоза от первой тяговой подстанции ТП1до второй тяговой подстанции ТП2.
Рисунок 2.2 – Эквивалентная схема замещения для случая двухстороннего питания контактной сети на двухпутном участкепути при движении электровоза от ТП1 к ПС.
Рисунок 2.3 – Эквивалентная схема замещения для случая двухстороннего питания контактной сети при следовании электровоза по двухпутному участку пути от ПС до ТП2.
На основании схем рис. 2.2 и рис. 2.3 составляем формулы для расчета эквивалентного сопротивления контактной сети, при следовании электровоза по участку от ТП1 до ТП2:
, (2.16)
, (2.17)
где 
, 
– расстояния,соответственно от ТП1 до ПС и от ПС до ТП2, км;
– расстояние от ТП1 до электровоза, км;
, 
–сопротивление контактнойсети при следовании электровоза, соответственно по первому и по второму участкам, Ом;
Таблица 2.7 – Результаты расчета эквивалентного сопротивления контактной сети.
 , км
|  , Ом
| , км
|  , Ом
|
| 0,096 | |||
| 0,032 | 0,108 | ||
| 0,060 | 0,116 | ||
| 0,084 | 0,118 | ||
| 0,103 | 0,116 | ||
| 0,119 | 0,109 | ||
| 0,130 | 0,097 | ||
| 0,138 | 0,080 | ||
| 0,141 | 0,058 | ||
| 0,140 | 0,032 | ||
| 0,135 | |||
| 0,126 | – | – | |
| 0,113 | – | – | |
| 0,096 | – | – |
Рассчитываем падение напряжения на токоприемнике электровозаU, по формуле [2, (3.10)]:
, (2.18)
где 
=3300В – напряжение на выходе из тяговой подстанции;
Таблица 2.8 – Результаты расчетаизменения напряжения на токоприемнике электровоза при движении его от ТП1 до ТП2.
| , км
|  , В
| , км
|  , В
|
| – | – | ||
| – | – | ||
| – | – |
По данным табл. 2.7 и табл. 2.8 строим график падения напряжения на токоприемникеэлектровоза (см. ПРИЛОЖЕНИЕ 4) и график изменения эквивалентного сопротивления контактной сети, в зависимости от расстояния до тяговых подстанций и ПС (см. ПРИЛОЖЕНИЕ 3).
ВЫВОДЫПО ПРОДЕЛАННОЙ РАБОТЕ
Произвели расчет и построение электротяговых характеристик тягового двигателя НБ–406, тяговых характеристик расчетного электровоза 2Э8К, ограничений тяговых характеристик по максимальному току двигателей, по конструкционной скорости и по силе сцепления колеса с рельсом. Причем, ограничение тягового режима по сцеплению и по максимальному току получили комбинированным, т.е. максимальная сила тяги электровоза определяется и силой сцепления и максимальным током.
Произвели расчет и построение графика падения напряжения на токоприемнике электровоза, в зависимости от сопротивления контактной сети, при следовании электровоза от одной тяговой подстанции до другой по двухпутному участку пути. По итогам расчетов получили следующие данные: минимальное напряжение на токоприемнике электровоза 3108 В достигается при следовании его по первому участку от ТП1 до ПС, напряжение не падает ниже номинального равного 3000 В.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Правила тяговых расчетов для поездной работы. — М.: Транспорт, 1985.— 287 с.
2. Скребков А.В., Чуверин Ю.Ю. Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Подвижной состав железных дорог» раздел «Электрический подвижной состав». — М.: МИИТ, 2012.— 18 с.