Báo cáo khoa học: "xây dựng họ đặc tính sức kéo đầu máy diesel từ các đặc tính làm việc của động cơ điện kéo" ppsx

Nội dung bμi báo trình bμy phương pháp xây dựng họ đặc tính sức kéo trên cơ sở họ đặc tính điều chỉnh thực tế của máy phát điện kéo vμ các đặc tính lμm việc của động cơ điện kéo.. Đối vớ

xây dựng họ đặc tính sức kéo đầu máy diesel

từ các đặc tính làm việc của động cơ điện kéo

TS đỗ việt dũng

Bộ môn Đầu máy – Toa xe Trường Đại học Giao thông Vận tải

Tóm tắt: Hiện nay các đầu máy diesel của ngμnh Đường sắt hầu hết đều lμ đầu máy

nhập khẩu mμ trong hồ sơ kỹ thuật, nhμ chế tạo chỉ cung cấp các đặc tính sức kéo ở chế độ toμn tải mμ không có các đặc tính sức kéo bộ phận Còn với các đầu máy thiết kế vμ lắp ráp trong nước, khi không có điều kiện thí nghiệm, để có đặc tính phục vụ công tác khai thác đầu máy, cũng cần có phương pháp xây dựng họ các đặc tính sức kéo Nội dung bμi báo trình bμy phương pháp xây dựng họ đặc tính sức kéo trên cơ sở họ đặc tính điều chỉnh thực tế của máy phát điện kéo vμ các đặc tính lμm việc của động cơ điện kéo

Summary: At present, all most locomotives of Vietnam Railway are imported and in

technical documents, only full load traction property curves are supplied by manufacturers For locomotives that have been designed and assembled in homeland, when condition for experiments is not available, in order to have property curves used to exploit these locomotives, it is necessarily to have a method to build a traction property curve system This paper presents a method to build a traction property curve system based on fundamentals of practical adjusting property curves of electric generator and working property of traction electric motors

CT 2

I Đặt vấn đề

Hầu hết các đầu máy mà ngành Đường sắt Việt Nam (ĐSVN) hiện đang quản lý được nhập

từ nước ngoài, các tài liệu kỹ thuật, đặc biệt là những tài liệu phục vụ công tác khai thác, kiểm nghiệm đầu máy không đầy đủ, trong đó có các đặc tính sức kéo đầu máy, các nhà chế tạo chỉ cung cấp đặc tính sức kéo ứng với công suất định mức của động cơ diesel (đặc tính ngoài) Đối với các đầu máy đã được thiết kế, lắp ráp, chế tạo trong nước (đầu máy kéo đẩy - D8E), do chưa

có hệ thống đo đặc tính sức kéo đầu máy, nên đặc tính sức kéo cho công suất định mức được xây dựng bằng phương pháp tính gần đúng từ công suất động cơ diesel (theo dạng đặc tính sức kéo lý tưởng), chưa kể đến sự ảnh hưởng trực tiếp của bộ truyền động điện (TĐĐ), tức là của họ

đặc tính điều chỉnh của máy phát điện kéo (MFĐK) và dạng đặc tính cơ thực tế của động cơ

điện kéo (ĐCĐK) đến đặc tính sức kéo đầu máy Do đại đa số các đầu máy hiện đang khai thác, các đặc tính của ĐCĐK không được cung cấp đầy đủ, nên nhu cầu thiết lập phương pháp xây dựng họ đặc tính sức kéo bằng lý thuyết là nhu cầu cấp thiết để phục vụ công tác tính toán sức kéo, tốc độ, thời gian chạy tàu hợp lý, tính toán trọng lượng đoàn tàu tối ưu, xây dựng biểu đồ chạy tàu sát với thực tế… Việc giải quyết vấn đề thực tế trên có thể được thực hiện tương đối dễ dàng trên máy tính điện tử với thuật toán và chương trình thích hợp, trên cơ sở khảo sát các thông số kết cấu, thông số kỹ thuật cơ bản trên ĐCĐK, xây dựng các đặc tính làm việc của chúng, từ đó thiết lập họ đặc tính sức kéo cho một loại đầu máy cụ thể

II Phương pháp chung xây dựng đặc tính sức kéo từ các đặc tính lμm việc

của bộ truyền động điện

Bộ TĐĐ đầu máy được cấu thành từ các máy điện kéo, đặc tính làm việc của chúng có ảnh

hưởng quyết định đến đặc tính sức kéo và các tính năng kỹ thuật quan trọng nhất của đầu máy

Vì vậy, để xây dựng họ đặc tính sức kéo cho đầu máy bằng lý thuyết, cơ sở quan trọng là phải

có các đặc tính làm việc của các phần tử của bộ TĐĐ

2.1 Các đặc tính lμm việc của bộ truyền động điện

2.1.1 Họ đặc tính lμm việc sau điều chỉnh của MFĐK [3]

Các đầu máy diesel trên Đường sắt Việt Nam sử dụng bộ TĐĐ một chiều và hỗn hợp, với

cả hai loại TĐĐ này, đặc tính quan trọng nhất, ảnh hưởng

đến đặc tính sức kéo đầu máy là đường đặc tính phụ tải U

= f(I)

Đường đặc tính tự nhiên U = f(I) của MFĐK đều có

dạng đặc tính cứng, không phù hợp với yêu cầu tận

dụng công suất của động cơ diesel mà cần phải điều

chỉnh tự động đặc tính bằng các thiết bị chuyên dụng

[3] Họ đặc tính điều chỉnh U=f(I) của MFĐK (bao gồm

đặc tính ngoài và các đặc tính bộ phận – là tập hợp các

đường hypecbol, hình 1) được các nhà chế tạo cung cấp

khá đầy đủ hoặc thiết lập được qua quá trình thử

nghiệm công suất trên bệ thử công suất bằng biến trở

nước tại các Xí nghiệp đầu máy

CT 2

2.1.2 Các đặc tính lμm việc chủ yếu của ĐCĐK [3]

Hiện nay trên ĐSVN, các đầu máy diesel TĐĐ đều sử

dụng loại ĐCĐK một chiều kích từ nối tiếp , ngoài các đặc

tính: hiệu suất, quạt gió…,các đặc tính làm việc cơ bản có tác động trực tiếp đến dạng đặc tính

sức kéo đầu máy gồm có:

Hình 1 Họ đặc tính điều chỉnh của

MFĐK TD 805D đầu máy D12E

- Đặc tính cơ - điện: là đặc tính biểu diễn mối quan hệ giữa tốc độ quay n với dòng điện

phần ứng I của ĐCĐK: n = f(I) khi giữ điện áp đặt vào

ĐCĐK là không đổi Đặc tính n = f(I) có dạng là đường

hypecbol (hình 2)

n M

I(A)

Iủm

Hình 2 Các đặc tính lμm việc của ĐCĐK

Khi làm việc với MFĐK trên đầu máy, do điện áp

máy phát biến thiên theo đặc tính điều chỉnh nên ứng

với mỗi đặc tính điều chỉnh có một họ đặc tính tốc độ là

các đường hypecbol đồng dạng

- Đường đặc tính mô men (hình 2): biểu diễn mối

quan hệ giữa mô men trên trục và dòng điện phần ứng

của ĐCĐK M=f(I), đây là đường parabol (mô men tỷ lệ

với bình phương dòng điện)

- Đường đặc tính cơ (hình 3): là đường biểu diễn mối quan hệ giữa mômen và tốc độ quay trên trục của

ĐCĐK M = f(n), khi giữ điện áp đặt lên động cơ điện

kéo không đổi

Hình 3 Đặc tính cơ ĐCĐK

- ứng với một giá trị I của dòng điện, dựa vào hai

đường đặc tính n=f(I) và M=f(I), ta có đường đặc tính

cơ giới cần xác định

2.2 Phương pháp xây dựng họ đặc tính sức kéo đầu máy

Có nhiều phương pháp xây dựng họ đặc tính sức kéo đầu máy TĐĐ: Trong trường hợp đã biết các đặc tính làm việc của ĐCĐK do nhà chế tạo cung cấp có thể xây dựng đặc tính kéo bằng phương pháp đồ thị [1] Khi chưa có các đặc tính, phương pháp gần đúng thường được sử dụng, trong đó giả thiết đặc tính của bộ truyền động là lý tưởng (đường hypecbol cân) để xây dựng đặc tính sức kéo bộ phận theo công suất động cơ diezel đã cho ở các vị trí tay máy Các nghiên cứu xây dựng họ đặc tính sức kéo bằng phương pháp cân bằng năng lượng [2] mặc dù

đã khắc phục sai số, nhưng với độ chính xác còn phụ thuộc nhiều vào các yếu tố vận dụng (chi phí nhiên liệu đơn vị) thực tế và cần có nhiều số liệu khảo sát trên đoàn tàu thực tế, tốn nhiều công sức, tổ chức rất khó khăn, chi phí lớn

Phương pháp thiết lập đặc tính sức kéo dựa vào việc xây dựng đặc tính làm việc của ĐCĐK bằng phương pháp lý thuyết đảm bảo được độ chính xác của kết quả nhận được Các bước thiết lập họ đặc tính sức kéo đầu máy theo kết cấu cụ thể của các ĐCĐK được thực hiện theo trình tự như sau [4], [5]:

CT 2

Dựa vào kết quả khảo sát các thông số kỹ thuật, thông số kết cấu và vật liệu từ hoá của

ĐCĐK của đầu máy cụ thể để xây dựng đường cong từ hoá Φ = f(IKT)

Tính tốc độ quay ĐCĐK theo dòng điện phần ứng n=f(Ikt)=f(Iư)

φ

Δ +

ư

K

) U 2 R I ( U n

e

u

d , [v/p] (1) trong đó: U - điện áp của MFĐK đặt vào ĐCĐK, V

U=

u

3 Dj

I

10 N

, [V] (2)

Φ, Iư – từ trường và dòng điện phần ứng của ĐCĐK (do ĐCĐK kích từ nối tiếp nên IKT = Iư);

RΣ – tổng trở phần ứng và phần cảm của ĐCĐK, Ω;

2∆U – tổn hao điện áp trên các chổi điện, V;

Ke – Hệ số kết cấu của máy điện khi tính sức điện động;

NDj – Công suất của MFĐK cấp cho ĐCĐK ở tay máy j, kw

Từ các biểu thức (1), (2) ta thấy, ứng với mỗi mức phát huy công suất đầu máy NDj ta có được 1

đường đặc tính cơ điện nđ = f(Iư) Tập hợp các vị trí tay máy j của đầu máy ta có họ đường đặc tính cơ điện

Tính mô men trên trục ĐCĐK theo dòng điện phần ứng MĐ = f(Ikt) = f(Iư)

M Đ = K M Ф.I ư , [N m] (3)

với: KM – hệ số kết cấu của máy điện khi tính mô men

Xây dựng đặc tính cơ giới MĐ = f(nđ) dựa vào các đặc tính mô men và cơ điện đã xác lập

biến thiên theo biến chung là dòng điện phần ứng Iư của ĐCĐK Nghĩa là, tương ứng với mỗi giá

trị dòng điện phần ứng ta có thể xác định được một cặp giá trị MĐ và nđ ứng với mỗi mức công

suất đầu máy, khi cho dòng điện biến thiên từ nhỏ nhất Imin đến lớn nhất Imax (tương ứng với Umax

đến Umin trên đặc tính điều chỉnh của MFĐK) ta xác định được một đường đặc tính, với các vị trí

tay máy khác nhau, ta lập được một họ đặc tính cơ giới của ĐCĐK

Tính toán tốc độ và sức kéo đầu máy theo tốc độ và mô men quay ĐCĐK đã xác định

được ở trên theo các mức công suất, kết cấu hộp giảm tốc trục và bộ phận chạy đầu máy VK =

f(nđ), FK=f (MĐ) Nếu biết biết đường kính danh nghĩa của bánh xe chủ động DK (m) và tỷ số

truyền hộp giảm tốc trục iZ, thì [3]:

d Z

K

i

60

D 6 , 3

K

u M Z GT D GT

D K

D Z K

D

I

K i m 96 , 1

m D

M i

2 98 , 0

η η

= η η

trong đó: m – số ĐCĐK của đầu máy;

ηD, ηGT – hiệu suất của ĐCĐK và hộp giảm tốc trục

CT 2 Việc xây dựng

đồ thị họ đặc tính

sức kéo FK = f(VK)

được tiến hành dựa

trên các biểu thức

trên Từ đặc tính từ

hoá Ф = f( f kt ), đặc

tính cơ điện n = f(I)

tương ứng với giá trị

biến thiên của điện

áp máy phát điện

kéo đầu máy (đặc

tính ngoài UF = f(IF))

cấp cho ĐCĐK (hình

1), ta có thể ứng

dụng máy tính điện

tử để thiết lập được

đặc tính cơ M = f(n)

bằng phương pháp

giải tích Lưu đồ thuật

toán của chương trình

Bắt đầu

Xây dựng đường cong từ hoá Φi = f(I KTi )

Nhập dữ liệu ĐCĐK (Thông số kỹ thuật, kết cấu mạch từ…)

Xây dựng họ đặc tính sức kéo F K =f(V K )

In họ đặc tính

Đ

i= i+1 i=n;j=k

S

Kết thúc

Nhập dữ liệu đầu máy (Thông số kết cấu D K , i Z , V kmax , số vị trí tay máy J, N Dj …)

Xây dựng họ đường cong tốc độ n đij = f(I KTij ) Xây dựng đường cong mô men M Đ = f(I ư )

J=1-n; N Dj

Xây dựng họ đặc tính cơ giới M Đij = f (n đij ) Tính toán tốc độ đầu máyV K = f (n đ ) Tính toán sức kéo đầu máy F K = f (M Đ )

i=1

i= i+1

S

Bắt đầu

Xây dựng đường cong từ hoá Φi = f(I KTi )

Nhập dữ liệu ĐCĐK (Thông số kỹ thuật, kết cấu mạch từ…)

Xây dựng họ đặc tính sức kéo F K =f(V K )

In họ đặc tính

Đ

i= i+1 i=n;j=k

S

Kết thúc

Nhập dữ liệu đầu máy (Thông số kết cấu D K , i Z , V kmax , số vị trí tay máy J, N Dj …)

Xây dựng họ đường cong tốc độ n đij = f(I KTij ) Xây dựng đường cong mô men M Đ = f(I ư )

J=1-n; N Dj

Xây dựng họ đặc tính cơ giới M Đij = f (n đij ) Tính toán tốc độ đầu máyV K = f (n đ ) Tính toán sức kéo đầu máy F K = f (M Đ )

i=1

i= i+1

S

Hình 4 Lưu đồ thuật toán xây dựng họ đặc

tính sức kéo đầu máy

thiết lập họ đặc tính sức kéo cho đầu máy theo

phương pháp trên đựơc trình bày trên hình 4

Hình 5 Họ đặc tính sức kéo đầu máy D12E

Từ thuật toán đã có, thiết lập chương trình tính toán trên máy tính điện tử, ứng với một bộ TĐĐ cụ

thể, nhập số liệu vào chương trình với đặc tính điều

chỉnh của MFĐK UF=f(IF) ứng với mỗi mức công

suất đầu máy và thông số kết cấu cụ thể của

ĐCĐK, ta thu được họ đặc tính sức kéo đầu máy

(hình 5)

III Xây dựng đặc tính sức kéo cho đầu máy D12E

Đầu máy D12E có công suất 1200 mã lực là loại đầu máy TĐĐ một chiều chủ lực trên

ĐSVN Trừ vị trí không tải (số 0), đầu máy có 9 nấc tay máy tương ứng với 9 mức công suất của MFĐK TD805D khác nhau (bảng 1) Động cơ điện kéo của đầu máy D12E là loại động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp ký hiệu TEO 15B [5]

Các thông số kỹ thuật và kết cấu của đầu máy, ĐCĐK được giới thiệu trên hình 6

Bảng 1 Công suất MFĐK đầu máy D12E

Tay máy Thông số

Công suất MFĐK (kw) 20 60 133 210 290 370 450 530 610

CT 2

Từ lưu đồ thuật toán, sử dụng ngôn ngữ lập trình Visual Basic 6.0 lập chương trình tính toán, xử lý

số liệu nhập Giao diện chương trình (hình 6) rất đơn giản, thuận tiện cho việc nhập các dữ liệu về

ĐCĐK và đầu máy cần tính toán xây dựng họ đặc tính Kết quả tính toán được đưa ra dưới dạng bảng

số liệu (bảng 2) và các họ đồ thị đặc tính cơ giới (hình 7) và đặc tính sức kéo (hình 5) ứng với các mức phát huy công suất khác nhau của động cơ diezel đầu máy D12E

Hình 6 Giao diện nhập dữ liệu cho chương trình

CT 2

tính sức kéo đầu máy D12E

Giá trị Phi(i)

(Wb)

Giá trị Ikt (A)

Giá

Bảng 2 Bảng số liệu tính toán họ đặc

trị nd1 Giá trị Md Giá trị Vk Giá trị Fk

0.0789822 500 6.674645 7 2916.3354 17.877924 110033.335

0.075791 499.35472 476.62411 2794.892 18.658905 105451.276

CT 2

Bằng phương pháp lý thuyết, dựa trên các tham số kết cấu của máy điện kéo và các thông

máy cụ thể, bài báo đã đưa ra phương pháp và thiết lập chương trình tính để xây dựng họ đặc tính sức kéo cho đầu máy diesel nói chung và tính cụ thể cho đầu máy D12E với

độ c

Tài liệu tham khảo

g, Đỗ Việt Dũng (11.1997) Phương pháp xây dựng họ đặc tính sức kéo đầu máy diesel

truyền động điện khai thác trên đường sắt Việt nam, Tạp chí Giao thông Vận tải, Bộ Giao Thông Vận tải

99) Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ GD&ĐT mã số B 1998 -35-07

i Ngọc Đường, T

l,

ết,

Hình 7 Họ đường đặc tính cơ giới của ĐCĐK TEO

15B ở các mức công suất của đầu máy

IV Kết luận

số kỹ thuật đầu

hính xác cao phù hợp với đặc tính làm việc của ĐCĐK cụ thể của đầu máy Họ đặc tính xây dựng được phù hợp với quy luật lý thuyết, phản ảnh đúng chế độ làm việc của máy điện kéo,

đặc biệt là đã đưa được các chế độ hạn chế về dòng điện và điện áp trên họ đặc tính của MFĐK

TD 805D trên đầu máy D12E Với thuật toán và chương trình đã thiết lập, khi khảo sát thu thập đủ các

số liệu của bộ TĐĐ trên các đầu máy khác nạp vàp chương trình, ta có thể nhanh chóng có được họ

đặc tính sức kéo của các đầu máy đó để phục vụ cho công tác quản lý kỹ thuật, xây dựng biểu đồ chạy tàu và tính toán các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của ngành

[1] Lại Ngọc Đườn

[2] Lại Ngọc Đường (19

giảng dạy đại học, trường ĐHGTVT

[4] Đỗ Việt Dũng, (9.2006) Phương pháp xây dựng đặc tính cơ điện cho động cơ điện kéo đầu máy diese Tạp chí Khoa học Giao thông Vận tải, Trường Đại học Giao Thông Vận tải Số 15, tháng 09.2006

[5] Đỗ Việt Dũng (12.2006) Xây dựng đặc tính cơ giới của động cơ điện kéo bằng phương pháp lý thuy