Tính toán một số thông số cơ bản
của đon tu nhẹ

TS. Nguyễn văn chuyên
Bộ môn Đầu máy - Toa xe
Khoa Cơ khí - Trờng Đại học GTVT

Tóm tắt: Trên cơ sở năng lực chuyên chở hnh khách, có thể định ra biên chế của đon
tu. Căn cứ vo mức độ gia v giảm tốc độ để phát huy tốc độ một cách hợp lý, cần xác định
một số thông số cơ bản đảm bảo yêu cầu vận tải của tuyến một cách tối u.
Summary: Base on passenger transporting capacity, we are able to dicide component
parts of train. Depend on reducing and increasing ability, in order to rationalire the velocity and
the transport capacity, we find out some original parameters.

i. đặt vấn đề
Lần đầu tiên Việt Nam triển khai xây
dựng tuyến đờng sắt nhẹ đô thị tốc độ cao.
Đây là loại hình vận tải đờng sắt đặc biệt
khác xa với yêu cầu của đờng sắt thông
thờng. Loại đờng sắt này vận chuyển trong
những khu gian rất ngắn khoảng 1000m, yêu
cầu tăng tốc khi khởi động rất nhanh và giảm
tốc khi hãm cũng rất mạnh. Để có thể xây
dựng đợc những đoàn tàu này cần phải tính
toán lựa chọn một số thông số cơ bản nh
công suất nhỏ, hình thức truyền động, hình thức
phanh hãm. Đây là những nội dung cơ bản của
bài báo.
ii. nội dung
1. Yêu cầu thiết kế phơng tiện vận tải

Các chi tiết, đặc điểm thuộc phần điện phải
đợc nhiệt đới hoá.
Năng lợng chuyên chở hành khách đợc
xác định từ năng lực của phơng tiện với thời
gian giãn cách tối thiểu. Các thiết bị dẫn
khách lên xuống phải thuận tiện, tạo điều kiện
lên xuống nhanh. Thời gian giãn cách ngắn sẽ
tăng năng lực vận tải hành khách, giảm thời
gian chờ đợi.
Các chi tiết đợc thiết kế cần có khả
năng dự phòng cao, giá thành sửa chữa thấp,
các thiết bị phải đợc tiêu chuẩn hoá, dễ mua
với thời gian ngắn mà không phải thiết kế lại.
Các thiết bị điện không sử dụng các đấu nối
có sử dụng kẹp và ghim mà sử dụng các giắc
cắm thay thế, tạo khả năng thay thế các thiết
bị nhanh.
Hệ thống điện động lực chọn loại 750V DC.
Động cơ điện kéo là động cơ điện xoay chiều.
2. Thành phần đoàn tàu
Đoàn tàu gồm toa xe có buồng lái ký hiệu
là T
C
, toa xe có lắp động cơ ký hiệu là M. Toa
có buồng lái lắp ở đầu xe. Giai đoạn đầu đoàn
tàu đợc biên chế dạng gồm 4 toa đợc bố trí
nh sau: = T
C
* M = M * T
C

đứng; Trọng lợng 1 ngời Việt nam khi tính
toán lấy khoảng 70kg.
- Với định viên 6 ngời/1m
2
hành khách
trên 2 toa xe có động cơ là 574 ngời.
- Với định viên 9 ngời/1m
2
hành khách
trên 2 toa xe có động cơ là 818 ngời
- Trọng lợng bám khi 6 ngời/1m
2
là:
P
1
= 2x36 + 574x0,07 = 112,18 tấn
- Trọng lợng bám khi 9 ngời/1m
2
là:
P
2
= 2x36 + 818x0,07 = 129,26 tấn
Lực bám tính theo công thức:
F
b
= P
i
.
k
[KG] (1)


P
i
là trọng lợng ứng với các số định viên [tấn]
Thay số vào các công thức (1), (2), (3) và
(4) ta vẽ ra đợc đặc tính sức kéo bám nh
các hình 2, đồ thị lực kéo bám nh hình 3, 4:

Hình 2. Đồ thị hệ số bám

k
,

kR

Hình 3. Đồ thị lực kéo bám khi số định viên
6 ngời/1m
2

Hình 4. Đồ thị lực kéo bám khi số định viên
9 ngời/1m

2
3.2. Đặc tính sức cản
Lực cản đoàn tàu khi chạy trên đờng:

(
)
(
)

+
+++
=
[KG/T] (6)
với i
k
là độ dốc quy đổi %0
Đặc tính sức cản biểu thị trên hình 5.

[T]
Hình 5. Đồ thị lực cản đon tu theo độ dốc
3.3. Tính toán lực kéo vnh bánh
Lực kéo vành bánh đợc tính ở tốc độ
tính toán, tốc độ cấu tạo, khi khởi động ký
hiệu là F
tt
, F
ct
, F
kd
. Sau khi tính toán lấy theo
giá trị lớn nhất trong các lực đó.
[T]
3.3.1. Lực kéo vnh bánh khi chạy ở tốc
độ tính toán
P2).i(Q2).i(F
k
''
0k
'





+
+
=
kd
0
kd
0
kd
i
7q
28
Q2i
7q
28
P2F [KG]
(8)
Tính cho các tải trọng trục q
o
= 13; 13,48;
14 tấn/1trục
Với độ dốc i
kd
= 40%o, q
0
= 13; 13,48;
14 tấn/1trục, tính đợc các giá trị lực khởi kéo

3.4. Tính toán công suất vnh bánh
(công suất kéo đon tu)
Công suất vành bánh tính theo công
thức:

7355,0
270
V.F
N = [KW] (11)
F: lực kéo ở các chế độ tính toán [KG]
V: tốc độ tính toán ở các chế độ khởi
động, tốc độ tính toán, tốc độ cấu tạo [km/h]
Sau khi xác định đợc công suất vành
bánh khi chọn ở các tốc độ tính toán, khởi
động ở tốc độ cấu tạo và ở tốc độ 120km/h
tơng ứng là 171,5KW; 5,28KW, 202,7 W và
487,67KW
3.5. Tính toán công suất các động cơ
N
dc
= N
t
. [KW] (12)
Với là hiệu suất bánh răng truyền động,
= 0,95.
Tơng ứng với các chế độ tính toán, khởi
động, tốc độ cấu tạo, tốc độ tơng lai đợc:
N
dtt
= 382,16/0,95 = 402 KW

định. Vì vậy công suất cho một động cơ
khoảng 180kw để thoả mãn sự vận hành bình
thờng của đoàn tàu.
3.6. Xây dựng đặc tính sức kéo đon tu
7355,0.V
N.270
F
maxk
=
[KG]
Với V
k
= [0, 5, 10, 15, 120 km/h]

Hình 6. Đờng đặc tính sức kéo đon tu

Khi thiết kế đầu máy cần chọn phơng
thức điều khiển động cơ điện kéo cần thoả
mãn đặc tính sức kéo nh trên hình 6.
3.7. Chọn gia tốc đon tu khi kéo
Tốc độ cấu tạo của phơng tiện thiết kế
80km/h. Gia tốc đoàn tàu từ 0 đến 40km/h
trong khoảng 0,83 ữ 0,9m/s
2
,
từ 0 đến 80km/h
lớn hơn 0,85m/s
2
.
Thời gian tăng tốc từ 0 đến V km/h tính

278,0t =

=

Thời gian tăng tốc từ 0 đến 80km/h
khoảng 26,4 ữ 25,3s.
3.8. Gia tốc đon tu khi hãm, thời gian
cần thiết để giảm tốc, quãng đờng hãm cần
thiết
Đối với đoàn tàu nhẹ độ giảm tốc khi hãm
thờng phải lớn hơn 1m/s
2
; độ giảm tốc hãm
khẩn yêu cầu lớn hơn 1,3 m/s
2
.
3.8.1. Thời gian để hãm thờng giảm tốc
từ 80km/h đến 0km/h l
[]
s24,22
1
80
278,0tS
a
V
278,0t ===
3.8.2. Quãng đờng hãm khi hãm thờng
[]
= m
a

2
ht
==

Kết hợp với điều kiện vận hành, phơng
thức lập tàu và kỹ thuật điều khiển VVVF của
tuyến đờng sắt Hà Nội - Hà Đông kiến nghị
gia tốc bình quân khi khởi động là 0,83m/s
2

(0 ữ 80km/h), độ giảm tốc bình quân khi hãm
là 1m/s
2
(80 ữ 0km/h). Tốc độ cao nhất của
đoàn tàu là 80km/h.
4. Lựa chọn hệ thống điện kéo
- Hệ thống điện động lực bao gồm động
cơ điện kéo các thiết bị điện khí có liên quan
đến động cơ điện kéo và các dây dẫn. Tác
dụng của hệ thống điện động lực là đem điện
năng của mạch điện chuyển thành lực kéo
đoàn tàu, khi hãm thì đem động năng của toa
xe chuyển thành lực hãm điện. Đây là mạch
điện kín, công suất lớn, dòng điện lớn, cao áp.
Hệ thống điện kéo là phần cốt lõi của toa
xe động cơ điện, đánh dấu chủ yếu trình độ kỹ
thuật toa xe, tính năng của toa xe tốt hay kém,
giá thành và chi phí vận hành cao hay thấp và
sự đảm bảo chắc chắn của toa xe là những
chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật quan trọng, đều gắn

trong các dự án xây dựng mới.
Điều khiển điện thế bằng cách chặn sóng
một chiều tức là tận dụng máy chặn sóng liên
tiếp để điều tiết điện cuối cùng của máy điện,
để đạt mục đích điều khiển tốc độ phơng
thức này sẽ mang lại hiệu quả lớn là tiết kiệm
năng lợng nói chung có thể tiết kiệm khoảng
20- 30 % điện so với phơng thức biến thế
điện bằng máy biến đổi điện trở, đặc biệt
mang lại hiệu quả nổi bật và giảm nhiều giá
thành vận hành cho đờng sắt nhẹ đô thị khởi
động và hãm phanh dồn dập.
Nhng hệ thống kéo một chiều đều lấy
máy điện kéo một chiều làm động cơ, do vậy
máy điện kéo một chiều có những khuyết
điểm nh thể tích lớn, chiếm không gian rộng,
việc tu sửa lớn v.v Hiện nay, máy điện xoay
chiều chặn sóng đã dần dần thay thế máy
điện một chiều.
4.2. Hệ thống máy kéo xoay chiều
Hệ thống máy kéo xoay chiều là hệ thống
kéo lấy máy điện kéo xoay chiều làm động cơ.
Máy kéo xoay chiều kết cấu đơn giản, công
việc tu sửa không nhiều, song việc điều khiển
tốc độ khó hơn so với máy điện một chiều.
Cho nên trong quãng thời gian dài, lĩnh vực
máy kéo công suất lớn luôn luôn lấy máy điện
một chiều là chính . Nhng song song với sự
xuất hiện của nguyên kiện điện lực điện tử
GTO, IGBT và LPM cũng nh sự phát triển

rất nhiều các đờng dây điện và số lợng
công tắc, khối lợng công việc tu sửa ít, giảm
thiểu trọng lợng thiết bị điện, nhờ đó mà
giảm bớt trọng lợng của toa xe cũng nh
giảm bớt sự tác động đối với đờng ray.
Qua phân tích so sánh các loại hệ thống
kéo nói trên, xét về tính năng kỹ thuật và công
việc tu sửa, áp dụng kỹ thuật chuyển điện
xoay chiều VVVF là thích hợp. Kỹ thuật này
đã đợc ứng dụng rộng rãi vào xe điện trên
các tuyến đờng sắt nhẹ đô thị ở các nớc.
Đối với mối quan hệ giữa máy biến tần và
việc điều khiển máy điện cần phải suy xét nh
sau, 1 máy biến tần có thể điều khiển 4 máy
điện kéo (gọi tắt là 1C4M) và 1 máy biến tần
điều khiển 2 máy điện (1C2M). Hai phơng
thức điều khiển này đều có u, khuyết điểm.
Về phơng thức điều khiển bằng 1C4M,
thì yêu cầu dung lợng của máy biến tần có
thể khởi động đợc 4 máy điện 180 kW, trong
khi đó đẳng cấp chịu đựng của nguyên kiện
công suất cũng cần phải nâng cao một cách
tơng ứng. Bởi vậy việc chế tạo máy biến tần
IGBT rất khó.
Một máy biến dòng điện ngợc điều
khiển 4 máy điện, do sự khác nhau về đặc
tính giữa máy điện với bánh xe, tiến độ bám
của toa xe khi nâng cao. Do sự ảnh hởng
của kích thớc bánh xe làm cho phụ tải của
các máy điện không cân bằng, dẫn tới lợng

mức nhất định, đồng thời cũng tăng thêm
công việc sửa chữa. Tuy nhiên qua thực tế
thấy rằng giá thành của đầu máy toa xe sẽ
nâng không nhiều.
Nói tóm lại, trong tình hình giá thành đầu
máy toa xe không nhiều, đồng thời để mang
tính năng vận hành tốt hơn cho tàu và hạ thấp
tỷ lệ mất động lực đoàn tàu do hai đầu máy
kéo hai toa xe bởi chớng ngại máy biến dòng
điện ngợc gây nên, đề nghị tuyến 2 đờng
sắt nhẹ đô thị Hà Nội áp dụng phơng thức
điều khiển bằng 1C2M, tức do một máy biến
dòng điện ngợc điều khiển hai máy điện kéo.
Đờng dây điện chính sử dụng thiết bị
điều khiển dòng điện chính ngợc nh : IGBT
hoặc (IPM) VVVF, áp dụng phơng thức điều
khiển IC2M, tức một máy biến dòng điện
ngợc điều khiển hai máy điện kéo.
Động cơ điện kéo là động cơ xoay chiều
ba pha, công suất liên tục của máy điện tối
thiểu là 180 kW, cấp cách điện là 200, tự
thông gió. Mỗi đầu máy toa xe lắp 4 máy điện
xoay chiều 3 pha treo theo hớng ngang trên
khung giá chuyển hớng.

III. Kết luận
Các thông số cơ bản sau khi tính toán và
lựa chọn thấy rằng nó rất khác so với tính toán
của đờng sắt nguyên thuỷ. Sự khác nhau
này chủ yếu do yêu cầu kỹ thuật của đoàn tàu