Выбор технических параметров и основного оборудования проектируемых магистральных тепловозов

Министерство транспорта Российской Федерации 

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение  

высшего образования 

«Российский университет транспорта (МИИТ)» 

 

Институт транспортной техники и систем управления (ИТТСУ) 

 

Кафедра «Электропоезда и локомотивы» 

 

 

 

 

 К.А. НЕРЕВЯТКИН 

 

 

ВЫБОР ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И ОСНОВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ 

ПРОЕКТИРУЕМЫХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТЕПЛОВОЗОВ 

 

 

Учебно-методическое пособие 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва - 2018  

Министерство транспорта Российской Федерации 

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение  

высшего образования 

«Российский университет транспорта (МИИТ)» 

 

Институт транспортной техники и систем управления (ИТТСУ) 

 

Кафедра «Электропоезда и локомотивы» 

 

 

 

 К.А. НЕРЕВЯТКИН 

 

 

 

ВЫБОР ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И ОСНОВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ 

ПРОЕКТИРУЕМЫХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТЕПЛОВОЗОВ 

 

 

Учебно-методическое пособие 

для студентов специальности 23.05.03 «Подвижной состав железных дорог»  

(специализация «Локомотивы») 

 

 

 

 

 

Москва - 2018  

 

УДК 629.42  

Н54 

 

Неревяткин К.А. Выбор технических параметров и основного оборудования 

проектируемых магистральных тепловозов: Учебно-методическое пособие для вы-

полнения курсового проекта по дисциплине «Теория и конструкция локомотивов». 

– М.: РУТ (МИИТ), 2018. – 38 с. 

 

В учебно-методическом пособии рассмотрена методика определения основных 

технических параметров магистрального тепловоза для заданных условий его экс-

плуатации, а также изложены принципы выбора основного оборудования проекти-

руемого тепловоза: дизель-генераторной установки, тягового электрического двига-

теля, тягового зубчатого редуктора.  

Учебно-методическое пособие предназначено для выполнения курсового про-

екта по дисциплине «Теория и конструкция локомотивов» студентами специально-

сти 23.05.03 «Подвижной состав железных дорог» (специализация «Локомотивы»).  

Ил. 5, табл. 9, библиогр. 10 назв. 

 

Рецензент: Соломатин В.В., к.т.н., доцент кафедры «Вагоны и вагонное хозяй-

ство» РУТ (МИИТ). 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

© РУТ (МИИТ), 2018 

СОДЕРЖАНИЕ 

Стр.

Введение…………………………………………………………………
4.

1. Определение основных технических параметров магистрального

тепловоза………………………………………………………………….
5.

2. Выбор тягового электрического двигателя проектируемого 

тепловоза………………………………………………………………….
14.

3. Режимы работы тягового электрического двигателя на 

проектируемом тепловозе……………………………………………….
19.  

4. Выбор тягового генератора проектируемого тепловоза………………
22.

5. Выбор дизеля проектируемого тепловоза……………………………...
28.

6. Оценка параметров тягового зубчатого редуктора проектируемого

тепловоза………………………………………………………………….
31.

Список использованных источников…………………………………...
37.

 

ВВЕДЕНИЕ 

 

Методика определения технических параметров магистрального тепловоза и 

выбора его основного оборудования, рассмотренная в настоящих методических 

указаниях, предназначена для выполнения первой части курсового проекта по дис-

циплине «Теория и конструкция локомотивов». 

Исходными данными для расчета основных технических параметров проек-

тируемого тепловоза служат: 

1) род службы тепловоза (грузовой, пассажирский); 

2) весовая норма состава на участке работы тепловоза Qвн, т; 

3) осевая нагрузка вагона qо, т; 

4) расчетный подъем на участке работы тепловоза iр, о/оо; 

5) расчетная скорость тепловоза Vр, км/ч (скорость движения поезда по рас-

четному подъему); 

6) конструкционная (максимальная) скорость тепловоза Vк, км/ч. 

В ходе расчета требуется определить значения следующих параметров теп-

ловоза: 

1) расчетная касательная сила тяги тепловоза Fкр, кН; 

2) касательная сила тяги при трогании тепловоза Fктр, кН; 

3) номинальная касательная мощность тепловоза Nк, кВт; 

4) номинальная мощность тепловоза по дизелю Nет, кВт; 

5) число секций тепловоза nс и секционная мощность по дизелю Nе, кВт; 

6) сцепной вес секции тепловоза Рсц, кН; 

7) служебная масса секции тепловоза mсл, т; 

8) число движущих осей секции nос  и осевая нагрузка тепловоза 2П, кН; 

9) ориентировочный диаметр колеса тепловоза Dк, мм; 

10) ориентировочные значения длины секции по осям автосцепок Lа (м), ба-

зы тепловоза Lб (м), базы тележки Lт (м). 

Результаты расчета необходимы для последующего выбора основного обо-

рудования проектируемого тепловоза, а именно тягового электрического двигателя, 

тягового генератора, дизеля и тягового зубчатого редуктора. 

При выполнении курсового проекта нужно придерживаться следующих тре-

бований: 

1) расчетно-пояснительная записка должна быть выполнена на листах пис-

чей бумаги формата А4 в рукописном виде либо с использованием текстовых ре-

дакторов персонального компьютера; 
 
 

2) расчеты нужно сопровождать подробными пояснениями; расчетные фор-

мулы приводят сначала в общем виде с применением принятых буквенных обозна-

чений, после чего подставляют в них числовые значения величин и показывают ре-

зультат вычислений;  

3) графические зависимости следует представить на миллиметровой бумаге 

или построить с помощью графических редакторов персонального компьютера.  

 

 

1.  ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ 

МАГИСТРАЛЬНОГО ТЕПЛОВОЗА 

 

1.1. Расчетная касательная сила тяги тепловоза  

Расчетную касательную силу тяги магистрального тепловоза, предназначен-

ного для эксплуатации на участке с заданными характеристиками, определяют из 

условия равномерного движения поезда с расчетной скоростью по расчетному 

подъему. В этом случае касательная сила тяги локомотива Fкр (кН) должна быть 

равна полному сопротивлению движения поезда Wк (кН), то есть 

1000

)
i
(
m
g
)
i
(
Q
g
W
F
р
о
сл
р
о
вн

к
кр












,                                                (1) 

где  g – ускорение свободного падения (g=9,81 м/с2); 

ωо/ , ωо// - основное удельное сопротивление движению тепловоза и вагонов со-

ответственно, Н/кН; 

iр - расчетный подъем на участке работы тепловоза, о/оо; 

Qвн - весовая норма состава на участке работы тепловоза, т; 

mсл - служебная масса тепловоза, т. 

Поскольку значение mсл для проектируемого локомотива изначально неизвестно, 

произведем следующую замену, справедливую, если все оси локомотива являются 

движущими: 

g

F

g
Р
m

т

кр
сц

сл




,                                                                                               (2) 

где  Рсц - сцепной вес тепловоза, кН; 

φт – коэффициент тяги. 

Подставив уравнение (2) в зависимость (1) и выполнив необходимые преобразова-

ния, получим формулу, которую можно использовать для предпроектного опреде-

ления расчетной касательной силы тяги тепловоза Fкр ,кН: 

р
о
т

р
о

т
вн
кр
i
1000

i
Q
g
F














 .                                                                   (3) 

Величина коэффициента тяги φт – качественного параметра, характеризую-

щего тяговые свойства локомотива - зависит от конструктивных особенностей теп-

ловоза: типа тепловозной передачи, конструкции экипажной части и др. Для 

уменьшения вероятности боксования, которое может иметь место при реализации 

локомотивом расчетной касательной силы тяги, значение φт целесообразно задать с 

некоторым запасом относительно величины расчетного коэффициента сцепления 

колес с рельсами:  

φт = (0,80÷0,85).ψкр ,                                                                                             (4) 

где ψкр – расчетный коэффициент сцепления колес с рельсами при движении локо-

мотива с расчетной скоростью Vр. 

Согласно «Правилам тяговых расчетов для поездной работы» (ПТР) [1], для отече-

ственных тепловозов с электрической передачей (кроме 2ТЭ10Л) зависимость ве-

личины ψкр  от скорости движения локомотива V имеет вид 

5,
27
V

5
118
,0
кр




.                                                                                        (5) 

Значения основных удельных сопротивлений движению для локомотива ωо/ 

(Н/кН) и для вагонов ωо// (Н/кН) также можно вычислить по формулам ПТР [1]: 

 для тепловозов в режиме тяги на звеньевом пути 

2

о
V
0003
,0
V
01
,0
9,1






;                                                                            (6) 

 для груженых четырехосных грузовых вагонов на роликовых подшипниках при 

движении по звеньевому пути 

о

2

о
q

V
0025
,0
V
1,0
3
7,0







;                                                                       (7) 

 для пассажирских вагонов на роликовых подшипниках при движении по звеньевому 
пути 

о

2

о
q

V
003
,0
V
18
,0
8
7,0







,                                                                     (8) 

где qo – осевая нагрузка вагона, т.  

При использовании формул (5)-(8) значение скорости движения локомотива 

V (км/ч) необходимо принимать равным величине расчетной скорости тепловоза Vр  

в соответствии с исходными данными к курсовому проекту. 

 

1.2. Касательная сила тяги тепловоза при трогании 

Касательную силу тяги тепловоза при трогании Fктр (кН) определяют из 

условия трогания поезда с места и разгона с заданным ускорением: 

,
1000
/)j
i
(
)
Q
g
m
g
(
F
тр
тр
вн
сл
ктр








                                                      (9) 

где  ωтр – удельное сопротивление поезда при трогании с места, Н/кН; 

iтр – уклон пути, на котором производится трогание и разгон, о/оо (в курсовом 

проекте принимаем для неблагоприятных условий  iтр= iр); 

j – требуемая удельная ускоряющая сила поезда, Н/кН. 

Поскольку значение mсл для проектируемого локомотива изначально неизвестно, 

произведем следующую замену, справедливую, если все оси локомотива являются 

движущими: 

,
g

F

g
Р
m

ктр

ктр
сц

сл




                                                                                          (10) 

где  Рсц - сцепной вес тепловоза, кН; 

ψктр – расчетный коэффициент сцепления колес с рельсами при трогании локомотива. 


Подставив уравнение (10) в зависимость (9) и выполнив необходимые преобразования, 
получим формулу, которую можно использовать для предпроектного определения 
касательной силы тяги тепловоза при трогании Fктр , кН: 

.j
i
1000

j
i
Q
g
F

р
тр
ктр

р
тр

ктр
вн
ктр















                                                    (11) 

Значение ψктр вычисляют по формуле (5) с подстановкой V=0 (в этом случае  

получают ψктр=0,3).  

Значение ωтр (Н/кН) вычисляют по формуле ПТР [1]     
.
7
q

28

o

тр



                            

Значение удельной ускоряющей силы j, действующей на поезд при трогании 

и разгоне, задают равным 2-4 Н/кН для грузовых и 10-15 Н/кН для пассажирских 

поездов [2]. 

 

1.3. Номинальная касательная мощность тепловоза 

Номинальная касательная мощность тепловоза Nк (кВт) – это мощность, 

развиваемая на колесных парах тепловоза при реализации расчетной касательной 

силы тяги Fкр (кН) и движении с расчетной скоростью Vр (км/ч): 

.
3,6

V
F
N
р
кр

к



                                                                                                     (12) 

 

1.4. Номинальная мощность тепловоза по дизелю 

Номинальную мощность тепловоза по дизелю Nет (кВт) определяют с учетом 
потерь, возникающих при передаче энергии от дизеля к колесным парам, и с 

учетом отбора мощности на привод вспомогательного оборудования локомотива: 

,
N
N

м

к

ет


                                                                                                           (13) 

где φм – коэффициент полезного использования мощности дизеля для тяги, характеризующий 
энергетическую эффективность тепловоза. 

Для тепловозов с электрической передачей переменно-постоянного тока 

),
1(
всп
тзр
тэд
ву
тг
м












                                                                    (14) 

где  ηтг – к.п.д. тягового генератора на номинальном режиме (ηтг=0,94-0,96); 

ηву – к.п.д. выпрямительной установки на номинальном режиме (ηву=0,98-0,99); 

ηтэд – к.п.д. тягового электрического двигателя на номинальном режиме  

(для пассажирских тепловозов ηтэд=0,91-0,94; для грузовых тепловозов 

ηтэд=0,86-0,92); 

ηтзр – к.п.д. тягового зубчатого редуктора на номинальном режиме (ηтзр=0,975); 

βвсп – коэффициент отбора мощности на привод вспомогательного оборудова-

ния (βвсп=0,07-0,14); при предварительных расчетах можно считать, что 

на привод вспомогательного оборудования расходуется 10% мощности 

дизеля, то есть βвсп=0,1. 

Примечание: значение φм  для тепловозов с электрической передачей можно пред-

варительно задать, по опыту локомотивостроения, на уровне 

φм=0,7-0,8. 

 

1.5.  Секционная мощность тепловоза по дизелю 

Секционную мощность тепловоза по дизелю, то есть номинальную эффек-

тивную мощность дизеля Nе (кВт), определяют с учетом числа секций тепловоза nс 

по формуле 

.
n
N
N

с

ет

е 
                                                                                                           (15) 

Число секций проектируемого тепловоза выбирают минимально возможным, но 

обеспечивающим выполнение ограничения Nе ≤ 4410 кВт, которое обусловлено 

предельной достигнутой мощностью отечественных тепловозных дизелей. 

 

1.6.  Сцепной вес секции тепловоза 

Сцепной вес секции тепловоза, то есть вес, приходящийся на движущие ко-

лесные пары и участвующий в создании силы тяги, определяют из двух условий. 

1) Сцепной вес (кН), требуемый для реализации расчетной касательной силы 

тяги  

;
n

F
)
P
(

т
с

кр

р
сц



                                                                                                  (16) 

2) Сцепной вес (кН), требуемый для реализации касательной силы тяги при 

трогании и разгоне поезда 

.
n

F
)
P
(

ктр
c

ктр

тр
сц



                                                                                             (17) 

В качестве окончательного значения сцепного веса Рсц (кН) принимают максималь-

ную из двух полученных величин, то есть   

Рсц = max [(Рсц)р, (Рсц)тр].                                                                                    (18) 

 

1.7.  Служебная масса секции тепловоза 

Служебную массу секции mсл (т) можно определить из двух условий. 

1) Служебная масса, необходимая для создания требуемого сцепного веса  

.
g
P
)
m
(
сц

сц
сл

                                                                                                    (19) 

Примечание: формула (19) используется в предположении, что все оси проектиру-

емого тепловоза являются движущими. 

2) Служебная масса секции как постройки (металлоконструкции) 

,
N
1000

m
)
m
(
е

уд

стр
сл


                                                                                          (20) 

где mуд – удельная строительная масса (металлоемкость) тепловоза, кг/кВт. 

Значения металлоемкости mуд (кг/кВт) для отечественных магистральных 

тепловозов с электрической передачей можно оценить с помощью эмпирических 

формул: