Опытные тяговые характеристики тепловозов с электрической передачей получают на основании результатов тягово-теплотехнических и эксплуатационных испытаний локомотивов на Экспериментальном кольце ВНИИЖТа, специализированном железнодорожном участке Белореченская — Майкоп Северо-Кавказской железной дороги и опытных поездок с поездами различного веса по сети железных дорог. Опытные тяговые характеристики эксплуатируемых серий тепловозов с электрической передачей приведены в приложении 5 ПТР и справочной литературе [9]. Тяговые расчеты для магистральных железных дорог, как правило, проводят исключительно с использованием опытных тяговых характеристик локомотивов.
На эксплуатируемых сериях тепловозов с электрической передачей регулирование (управление) основных параметров движения — касательной силы тяги FK и скорости V осуществляется двумя способами: изменением частоты вращения коленчатого дизеля и автоматическим переключением ступеней ослабления магнитного потока тяговых электродвигателей.
При первом способе машинист, меняя положение рукоятки контроллера машиниста, воздействует на степень затяжки пружины объединенного регулятора дизеля тепловоза и изменяет величину удельного эффективного расхода топлива в цилиндрах ge. Пропорционально величине ge происходит изменение частоты вращения коленчатого вала и эффективной мощности Ne дизеля (см. формулу 2.9). Соответственно изменяются частота вращения якоря тягового генератора, подводимое к тяговым электродвигателям тепловоза напряжение Ur, значения силы тяги и скорости движения тепловоза с электрической передачей (см. формулу 2.22).
Опытные тяговые характеристики FK=f(V) тепловоза с электрической передачей представляют собой семейство кривых FK =f(V), число которых равно числу позиций рукоятки контроллера машиниста.
Автоматическое регулирование параметров движения (FK, V) тепловоза с электрической передачей по закону, соответствующему виду гиперболической кривой, обеспечивается двухступенчатой системой ослабления магнитного потока Ф возбуждения тяговых электродвигателей.
Переключение ступеней ослабления магнитного потока Ф (ПП-ОП1 - ОП2) производится в автоматическом режиме при определенных для каждой серии тепловоза скоростях движения (см. таблицу 1). Соответственно различают скорости прямых (при росте скорости) и обратных (при снижении скорости) переключений (переходов) ступеней ослабления магнитного потока. Подобная двухступенчатая система автоматического регулирования параметров движения тепловоза позволяет троекратно использовать внешнюю характеристику тягового генератора и обеспечивать изменение касательной силы тяги в функции скорости примерно по гиперболической кривой.
Таблица 1
Характерные скорости тяговых характеристик тепловозов с электрическими передачами
Тяговая характеристика тепловоза с электрической передачей на каждой позиции рукоятки контроллера машиниста состоит из трех кривых FK =f( V), соответствующих полному полю возбуждения (ПП), первой ступени ослабления поля (ОШ) и второй (ОП2).
На рис. 21 представлены опытные тяговые характеристики грузового тепловоза 2ТЭ121. Эти характеристики представляют семейство кривых FK=f(V) для 15 позиций рукоятки контроллера машиниста. Каждому положению рукоятки контроллера машиниста (ПК) соответствует фиксированное значение частоты вращения коленчатого вала дизеля 2А-5Д49 от 350 об/мин на ПК1 до 1000 об/мин на ПК 15, когда дизель каждой секции работает с номинальной мощностью 2200 кВт. Таким образом, прирост оборотов коленчатого вала дизеля 2А-5Д49 при перемещении рукоятки контроллера машиниста тепловозов 2ТЭ121 на одно положение составляет примерно 43 об/мин.
На рис. 21 также показаны ограничения тяговых возможностей тепловоза 2ТЭ121 (ПК15): по силе сцепления колес с рельсами — кривая а-Ь\ по мощности дизеля — кривая b-с; максимальной (конструкционной) скорости движения — кривая c-d и характерные скорости этой серии тепловозов: V* — скорость выхода на автоматическое регулирование параметров движения; Vp — расчетная скорость движения (скорость длительного режима); точки 1,2,3,4 на тяговой характеристике соответствуют скоростям прямого и обратного переключений ступеней ослабления магнитного потока и тока возбуждения ТЭД. При повышении скорости движения тепловоза включаются реле прямых переходов (переключений), при понижении — обратные.
Одним из важнейших показателей тяговой характеристики локомотива является его расчетная скорость движения Vp. В таблице 2.1 представлены значения величины Vp основных серий отечественных тепловозов.
Расчетная скорость — минимально допустимая по условиям обеспечения заданной надежности работы силового оборудования тепловоза с электрической передачей равномерная (равновесная) скорость движения, которая достигается при ведении поезда расчетного (критического) веса по наиболее трудному для преодоления элементу профиля. Такие элементы профиля для конкретных участков обращения локомотивов называют расчетные или руководящие подъемы.
Рис. 21. Тяговые характеристики грузового тепловоза 2ТЭ121
Режим работы тепловоза при расчетных значениях скорости V и силы тяги FKp (точка «А» на рис. 21) также называют расчетным. Величины Fкр и Vp для конкретной серии тепловозов устанавливают опытным путем по результатам эксплуатационных испытаний локомотивов.
Снижение значения расчетной скорости грузовых тепловозов — один из важных резервов повышения эксплуатационной эффективности тепловозной тяги. Так как тяговая характеристика тепловоза имеет вид гиперболической кривой, снижение величины Vp локомотива позволит увеличить весовые нормы грузовых поездов при той же мощности силовой установки тепловоза. С другой стороны, выбор расчетной скорости в зоне ограничения силы тяги по условиям сцепления колес с рельсами (например, на кривой α-b рис. 20) приведет к снижению устойчивости работы тепловоза в зоне возможного боксования. Также при снижении величины Vp возрастают токовые и температурные нагрузки на тяговые электрические машины тепловоза, что потребует применения в них более высоких классов изоляции (например, «Н») для обеспечения заданной эксплуатационной надежности.
Обычно расчетный режим работы тепловоза с электрической передачей находится на ограничении его тяговой характеристики по мощности дизеля при полном магнитном поле тяговых электродвигателей (кривая b-в на рис. 20).
На рис. 22 представлена опытная тяговая характеристика пассажирского тепловоза ТЭП80 при работе на 15-й позиции рукоятки контроллера машиниста. Восьмиосный тепловоз ТЭП80 (колесная осевая формула 40-40) имеет сцепной вес 1800 кН и предназначен для работы на скоростных магистралях с пассажирскими поездами, число вагонов в которых может достигать 26-30. Расчетная скорость этой серии Vp = 50 км/ч, а конструкционная — VK = 160 км/ч; расчетная сила тяги — FKp = 246,8 кН. Силовая установка тепловоза ТЭП80 состоит из дизеля 20ЧН26/26 мощностью 4400 кВт (ПК15), синхронного генератора переменного тока ГС-519У2 с частотой питающего напряжения 133 Гц и двух выпрямительных установок В-ТППД-4К-1000. На тепловозе применены тяговые электродвигатели ЭД121В с последовательной системой возбуждения и электрический реостатный тормоз мощностью 4000 кВт. Возбуждение тяговых электродвигателей ЭД 121В при работе в режиме электрического торможения осуществляется от тягового генератора.
Рис. 22. Тяговая характеристика пассажирского тепловоза ТЭП80
Восьмиосный тепловоз ТЭМ7 мощностью 1470 кВт с электрической передачей переменно-постоянного тока предназначен для выполнения тяжелой маневрово-вывозной и горочной работы на крупных железнодорожных станциях с составами весом до 60000 кН. Тяговые характеристики тепловоза 1ЭМ7 приведены на рис. 23. Полная мощность дизеля 12ЧН26/26тепловоза ТЭМ7 используется лишь до скорости 85 км/ч, что обусловлено наличием ограничения по возбуждению синхронного тягового генератора ГС-515.
На рис. 23 также показаны ограничения тяговой характеристики тепловоза ТЭМ7 (ПК8): по силе сцепления колес с рельсами — кривая а-b; по мощности дизеля — кривая b-с; по максимальной скорости движения — кривая c-d. Точка А на характеристике FK=f(V) соответствует расчетному режиму работы тепловоза, при котором расчетная сила тяги этого тепловоза = 344 кН при расчетной скорости 10,5 км/ч.
Рис. 23. Тяговые характеристики тепловоза ТЭМ7