Выбор двигателя по тепловой мощности. Как указывалось выше, применительно к параметрам подвижного состава и заданным условиям движения должна быть определена необходимая мощность тягового двигателя, которая является основой для дальнейшего расчета в соответствии с приведенными ниже рекомендациями.
Существующий метод проектирования и применения подвижного состава предусматривает создание некоторой универсальной машины для всех возможных случаев ее применения, хотя, как будет показано ниже, для того чтобы не увеличивать чрезмерно мощность и массу подвижного состава, предназначенного для подавляющего большинства маршрутов с легкими и средними условиями движения, необходимо вводить некоторые ограничения при использовании этого подвижного состава на маршрутах тяжелого профиля. Для отдельных особо тяжелых маршрутов необходимо создать специальный подвижной состав или модификацию серийной машины применительно к ее эксплуатации на утяжеленной трассе.
Как показали проведенные автором предварительные расчеты, выбор двигателя по тепловой мощности для подвижного состава городского транспорта может быть произведен на основе следующих исходных величин: массы вагона, ускорения при пуске, скорости выхода на первую безреостатную ступень тяговой характеристики и установившейся скорости движения на площадке.
Расчеты целесообразно проводить применительно к некоторой номинальной нагрузке и некоторому расчетному режиму движения. Номинальной нагрузкой в соответствии с ГОСТ 8802-58 и 7495-63 для троллейбуса и трамвайных вагонов является нагрузка при наличии всех сидящих пассажиров и пяти пассажиров на 1 м2 свободной площади пола.
Расчетным режимом движения для вагонов трамвая и троллейбусов является движение на нормированном ГОСТ 7495-63 и 8802-58 перегоне 350 м. Современные типы троллейбусов и трамваев в соответствии с требованиями указанных стандартов должны развивать при этом скорость (на уклоне 3%о.) 25 км/ч при 10% времени на нагон.
Движение при скорости сообщения 25 км/ч соответствует предельно возможному режиму движения и не имеет места в реальных эксплуатационных условиях. Это обстоятельство несколько облегчает фактический эксплуатационный тепловой режим тягового двигателя. Однако тепловая нагрузка на тяговый электродвигатель увеличивается из-за повторных пусков, число которых при затрудненных условиях движения может в 2 раза и более превысить расчетное число пусков в соответствии с ГОСТ 7495-63 и 8802-58. Тепловой режим тягового электродвигателя также утяжеляется (как в двигательном, так и в генераторном режимах) из-за подъемов и спусков, превышающих нормированный стандартом условный профиль трассы с эквивалентным подъемом 3%0. Поэтому следует считать, что при тепловых расчетах для средних условий движения с достаточной точностью за номинальный тепловой режим может быть принят режим, соответствующий движению с номинальной нагрузкой при длине перегона 350 м, со скоростью 25 км/ч. На особо сложных маршрутах (затяжные уклоны, «пиковая» нагрузка относительно большой длительности) должны быть проведены более подробные тепловые расчеты.
Для средних условий эксплуатации наряду с общепринятыми подробными методами теплового расчета с построением кривых зависимости тока от времени движения (или пути) и последующим определением значении среднеквадратичного тока может быть предложен более простой и достаточно точный метод выбора тягового двигателя. Сущность этого метода заключается в установлении постоянного значения удельной мощности тягового двигателя, т. е. мощности Р, отнесенной к массе подвижного состава G с номинальной нагрузкой, при заданном значении начальных ускорений и определенной скорости выхода на первую безреостатную ступень скоростной характеристики, а также при определенной установившейся скорости на площадке с последующим учетом отклонений фактического ускорения при пуске, фактической скорости при выходе на безреостатную ступень и установившейся скорости от принятых при расчетах. Это значение для современных трамваев и троллейбусов составляет 7—7,5 кВт/т.
При движении со скоростью 25 км/ч на перегоне 350 м и при длительности остановки 8 с время движения составляет 42 с, а общее время, включая стоянку — 50 с.
Зависимость тока двигателя от времени при прохождении перегона 350 м со скоростью 25 км/ч представлена на рис. 2-2. Кривая, выражающая эту зависимость, может быть разбита на четыре участка: пусковой участок длительностью 8—9 с, участок движения на автоматической характеристике длительностью 13—14 с, выбег — 8 с и тормозной участок длительностью 12 с. Значение среднеквадратичного тока на перегоне составляет около 0,85 номинального (часового) тока и весьма близко к величине длительного тока двигателя. Если ускорение при пуске, скорость «выхода» на безреостатную характеристику и установившаяся скорость отличаются от приведенных выше значений, то для определения необходимой удельной
На рис. 2-3 приведена зависимость предельных подъемов от скорости движения на них при перечисленных выше условиях. Для
Скорость выхода на безреостатную характеристику у вагон метрополитена несколько выше, чем у трамвайных вагонов и составляет 24—28 км/ч.
Степень ослабления поля двигателей, предназначенных для гопов метрополитена, также несколько больше, чем у трамвайно-троллейбусных двигателей.
При скорости 90 км/ч тяговый двигатель для метрополитена должен развивать мощность 70% номинальной.
В частности, в вагонах метрополитена серии и скорость вы на безреостатную характеристику при ускорении 1,3 м/с2 состав. 25 км/ч при мощности 1,4 номинальной. Скорость при выходе на характеристику при наибольшем ослаблении поля составляет 55 κм, а мощность двигателя при скорости 90 км/ч равна 0,7 номинальной.
Для вагонов метрополитена при длине перегона 1 500—2 000 и скорости сообщения до 45 км/ч может быть рекомендована следующая формула для выбора мощности тягового двигателя:
* Длина тормозного пути со скорости 60 км/ч также равна 160 м.
* Напряжение на подвижном составе метрополитена при номинальном напряжении 750 В должно соответствовать ГОСТ 6962-54; максимальное кратковременное напряжение нс должно превышать
С точки зрения коммутационных условий тяговые электродвигатели для городского транспорта могут быть подразделены на четыре категории: 1) двигатели с напряжением на коллекторе 275 В, а также компенсированные двигатели с напряжением на коллекторе до 550 В с одновитковой обмоткой якоря; 2) двигатели с напряжением на коллекторе 550 В с одновитковой обмоткой якоря; 3) двигатели с напряжением на коллекторе 550 В с двухвитковой обмоткой якоря; 4) двигатели для вагонов метрополитена с напряжением на коллекторе 375 В.
Двигатели с напряжением на коллекторе 275 В, а также двигатели с компенсационной обмоткой при напряжении до 550 В практически обеспечивают все необходимые эксплуатационные режимы без коммутационных ограничений. Среднее напряжение между смежными пластинами коллектора (межламельное напряжение) в двигателях этого типа без учета реакции якоря составляет менее 6 В при напряжении 275 В на коллекторе и 13 В при напряжении 550 В. В режиме максимального ослабления поля величина максимального межламельного напряжения у компенсированных двигателей, а также у двигателей на напряжение 275 В без компенсационной обмотки не превосходит 33 В. В сочетании с относительно небольшими значениями реактивной э. д. с. невысокие межламельные напряжения предопределяют устойчивую коммутацию этих двигателей при всех практических эксплуатационных режимах. Допустимое ослабление поля в двигателях этого типа даже при относительно небольшой величине воздушного зазора может быть доведено до 25—30%. В двигателях с напряжением на коллекторе 550 В при одновитковой обмотке якоря среднее межламельное напряжение составляет менее 13 В, однако реакция якоря особенно при ослабленном поле существенно повышает величину этого напряжения. При некоторых условиях максимальное межламельное напряжение может достичь опасного значения (более 38 В). При выборе величины ослабления поля коммутационные ограничения должны быть тщательно учтены. В двигателях этого типа ослабление поля до 60% его значения при усиленном поле в пусковом режиме может быть допущено лишь при наличии относительно большого воздушного зазора. При увеличенном воздушном зазоре ослабление поля до 60% может быть достигнуто при величине н. с., равной 38—40% н. с. в пусковом режиме, что в сочетании с повышенным сопротивлением пути реакции якоря понижает величину межламельных напряжений до предельно допустимых значений.
Действительно, в двигателе ДК-207Д при пусковом токе 270 А и и. с. при ослабленном поле 2 550 А величина магнитного потока составит 60% его значения при усиленном поле, а максимальное межламельное напряжение достигает 39 В.
Двигатели с напряжением на коллекторе 550 В (без компенсационной обмотки) с двухвитковой обмоткой якоря имеют весьма ограниченные пределы регулирования скорости ослаблением поля из-за высокого значения реактивной э. д. с. при повышенных значениях межламельного напряжения.
Современные вагоны метрополитена выполняются с тяговыми двигателями, у которых номинальное напряжение на коллекторе равно половине напряжения сети (375 В). Эти двигатели, даже если они выполняются без компенсационной обмотки, практически нс имеют ограничений в режиме ослабленного поля (при двигательном режиме). Так, в двигателе типа ДК-108 вагонов метрополитена серии Е максимальное межламельное напряжение при наибольшем ослаблении поля не превосходит 30 В.
Как указывалось ранее, тяговые двигатели должны быть рассчитаны таким образом, чтобы была обеспечена удовлетворительная их коммутация также и в переходных режимах. Мерилом коммутационной устойчивости двигателя при нестационарных процессах является «ударное» напряжение, воспринимаемое двигателем без появления кругового огня, которое в режиме наибольшего ослабления поля нс должно быть ниже 1,3Uном. Таким образом, коммутационные ограничения, непосредственно связанные с пределами регулирования скорости ослаблением поля, должны тщательно учитываться при выборе тяговых двигателей для троллейбусов и вагонов метрополитена.
Для двигателей без компенсационной обмотки должна быть определена величина максимального межламельного напряжения, которая во всех режимах не должна превосходить 37—38 В. При толщине изоляции между пластинами 1 мм и применении щеток улучшенного качества можно увеличить предельное значение межламельного напряжения до 40—42 В.
Увеличение воздушного зазора в целесообразных пределах позволяет несколько расширить диапазон регулирования скорости. Весьма эффективным средством обеспечения устойчивой коммутации и увеличения диапазона регулирования является применение компенсационной обмотки.
Коммутационные ограничения в значительной степени определяют режим и эффективность динамического торможения. Величина допустимого тормозного момента зависит главным образом от системы возбуждения и отношения максимальной скорости к скорости выхода на первую безреостатную характеристику. Это отношение, как указывалось выше, достигает 3,6.
В троллейбусах пусковая мощность равна 1,2Рном при ускорении 1,3 м/с2. Если считать, что к. и. д. троллейбуса (рассматривая к. п. д. как отношение мощности, расходуемой на ускорение или замедление, к электромагнитной мощности) составляет 0,7, то для торможения с замедлением 1,3 м/с2 необходимо создать электромагнитный тормозной момент, равный 0,5М двигательного режима. При той же кратности тока (1,2) необходимо, чтобы магнитное поле двигателя составляло примерно 50% величины поля при пуске.
Противоэлектродвижущая сила двигателя при пуске составляет около 500 В.
При заданных условиях величина э. д. с. при торможении со скорости 55 км/ч составит:
Е=500-0,5-2,9=725 В,
что соответствует напряжению на коллекторе 700 В.
При торможении со скорости 70 км/ч напряжение на коллекторе становится предельно допустимым. В связи с этим замедление при применении динамического тормоза в зоне высоких скоростей ограничено для троллейбуса величиной 1,0—1,2 м/с2.
Кривые коммутационных ограничений для троллейбусного двигателя ДК-207 приведены на рис. 2-9.
Приведенная выше формула для определения Ек не учитывает насыщения магнитной цепи и при относительно больших значениях реакции якоря приводит к несколько преувеличенным результатам. Применительно к расчету режима торможения троллейбусов при расчете Ек должны приниматься во внимание явления насыщения. Как видно из кривой рис. 2-9, при торможении со скорости 70 км/ч расчетные значения Ек превосходят 37 В. Практические значения Ек несколько ниже, так как в процессе нарастания тока имеет место снижение скорости и установившийся (расчетный) режим начинается со скорости 65 км/ч.
Для трамвайных вагонов величину к. п. д. можно принять равной 0,75, а значение магнитного потока при замедлении 1,3 м/с2 и той же кратности тока (1,3) —примерно равным 60% величины магнитного потока при пуске.
Подобная перегрузка для машин без компенсационной обмотки в режиме максимальной скорости является предельно допустимой, так как при этом необходимо использовать машину при двойном напряжении и полуторакратном токе.
Практически при торможении с предельной скорости может быть допущена менее чем двойная поминальная э. д. с. при токе 0,7Iпуск при наибольшем ослаблении поля. В этом случае максимальное межламельное напряженно достигает предельных значений 37 В.
Применительно к вагону метрополитена серии Е с тяговыми двигателями типа ДК-108 построены кривые коммутационных ограничений при тормозном режиме для различных значений ослабления поля (рис. 2-10). Как видно из этих кривых, предельная величина замедления при торможении с максимальной скорости определяется предельными значениями тока и магнитного потока. При предварительных paccчетax можно считать, что величина магнитного потока определяется из условия достижения двойной э. д. с. при скорости 3,6vпуск. Таким образом, величина магнитного потока равна 2/3,6=0,55 величины магнитного потока при пуске.
Тормозной электромагнитный момент при токе, равном 0,7 пускового тока, и при магнитном потоке, равном 0,55 величины потока в пусковом режиме, составляет 0,7х0,55=0,385 пускового момента машины в двигательном режиме.
Учитывая, что условный к. п. д. вагона равен 0,80, а ускорение при пуске равно 1,3 м/с2, можно определить величину замедления 0,385х1,3/0,802≈0,8 м/с2.
Рис, 2-11. Типовой чертеж тягового электродвигателя (с линейными допусками).
Подробное рассмотрение зависимостей (рис. 2-10) показывает, что в зоне предельных скоростей тормозной момент, ограниченный коммутационными условиями, возрастает с увеличением ослабления поля. При скорости около 70 км/ч предельный тормозной момент мало зависит от степени ослабления поля, а при скорости, меньшей 65 км/ч, наибольшее тормозное усилие имеет место в режиме полного поля. По мере снижения скорости величина замедления, ограниченного условиями коммутации, повышается и при скорости 60 км/ч (2,4vпуск) достигает 1,3 м/с2 и более.
Коммутационные ограничения, а тем самым и эффективность электродинамического тормоза, особенно в зоне высоких скоростей, определяются также и выбранной системой управления.
При выборе тягового двигателя необходимо также обеспечить надлежащую работоспособность его механической части. В частности, желательно, чтобы максимально допустимая скорость вращения якоря превышала скорость установившегося режима па площадке не менее чем на 10—15%.
По заданным скоростям вращения, величине крутящих моментов и аксиальных усилий должны быть выбраны подшипники тягового двигателя. Выбор подшипников обычно производится исходя из срока их службы, который должен быть нс менее 10 000 ч. Расчет подшипников предусматривает их работу при номинальной частоте вращения в течение 85—90% общего времени и при максимальной частоте вращения в течение 10—15% времени.
Для троллейбусов необходимо также учесть осевое усилие, возникающее при перемещении кузова и тягового двигателя относительно редуктора, а следовательно, при осевом перемещении частей карданного вала.
При трамвайной подвеске ускорения, которым подвергалась механическая часть тягового двигателя, достигали при максимальных скоростях 5—7
При опорно-рамной подвеске не зарегистрированы ускорения более 1 g. Тем не менее детали механической части, как указывалось выше, должны быть выполнены из высокопрочных материалов (сталь и равные ей по прочности материалы) и с надежным креплением деталей и узлов. Посадка несущих деталей па вал должна выполняться с посадками, обеспечивающими натяг при предельных значениях допусков.
Коллектор двигателя выбирают исходя из условия обеспечения срока службы не менее 10 лет при допустимом уменьшении радиального размера его в процессе ремонтов нс менее чем на 10 мм.
Система вентиляции также должна быть выбрана с учетом обеспечения надежной эксплуатации двигателя. Наилучшая система как независимой, так и самовентнляции предусматривает всасывание чистого воздуха из салона пассажирского помещения. При этом необходимо, чтобы перепад аэродинамического давления в подводящей вентиляционной системе был минимальным. Для этого желательно, чтобы скорость воздуха в этой системе нс превышала 12 м/с, а перепад давления в трубах не превышал 5—7 мм вод. ст.
Если воздух поступает в двигатель непосредственно из-под кузова, необходимо всемерно защитить входное вентиляционное отверстие от чрезмерного попадания пыли, грязи и снега.
В городах с обильными снегопадами может оказаться целесообразным несколько уменьшить сечение входного отверстия в течение зимнего периода с том, чтобы температура обмоток двигателя в эксплуатационном режиме не опускалась ниже 50—60 °C.
Правильный выбор двигателя по тепловой мощности, тяговым и тормозным характеристикам, коммутационным ограничениям и конструктивному исполнению, а также применение соответствующей системы управления в значительной степени определяют технический уровень и надежность подвижного состава в целом.