ट्रैक्टिव प्रयास एवं ट्रेन प्रतिरोध — वास्तविक सूत्र

विद्युत अभियांत्रिकी विद्युत इंजन अध्याय 9/28 16 मिनट पठन स्रोत: सत्यापित स्रोत
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वास्तविक मूल अवधारणाएं — बल, ऊर्जा, पावर

ट्रैक्टिव प्रयास (TE) गति उत्पन्न करने हेतु ट्रेन के व्हील द्वारा रेल पर लगाया गया बल है, पावर उपकरण की विशेषताओं एवं LP इसका उपयोग कैसे करता है द्वारा निर्धारित — TE एक विशेष नियंत्रण सेटिंग हेतु गति का फलन है। एक विशिष्ट TE-बनाम-गति वक्र पर, स्टार्टिंग TE वास्तविक 20 mph तक स्थिर रहती है — इस सीमा में (स्थिर TE/बल सहित F=ma) त्वरण स्थिर है, इसलिए गति समय के साथ समान रूप से बनती है। यह स्थिर-TE क्षेत्र अधिकतम ट्रैक्टिव प्रयास का क्षेत्र है, आसंजन द्वारा सीमित। इस गति से ऊपर, TE गिरती है, इसलिए त्वरण एवं गति-निर्माण धीमा होता है, एवं गति-बनाम-समय प्लॉट वक्र बनाता है।

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परीक्षा पर ध्यान — वास्तविक हल उदाहरण: रेल पर अधिकतम पावर
अधिकतम TE 100 kN वाली एक यूनिट हेतु, 20 mph पर: m/s में गति = (mph में गति)/2.2 = 20/2.2 = 9.1 m/s। पावर = बल × गति = 100 kN × 9.1 m/s = 20 mph तक 910 kW — यह वास्तविक 'रेल पर अधिकतम पावर' है। वास्तविक नोट: सहायक लोड एवं परिवर्तन हानियों के कारण आपूर्ति से खींची गई वास्तविक पावर 910 kW से अधिक होगी; उपकरण के सभी सेवा प्रकारों हेतु इस पावर स्तर को निरंतर बनाए रखने की संभावना नहीं, एवं रेटिंग कारणों से उपकरण विशेषता वास्तविक 70 mph से आगे सैद्धांतिक अधिकतम-पावर वक्र का शीर्ष गति तक अनुसरण करने के बजाय गिरती है — इसलिए आमतौर पर एक अलग निरंतर पावर रेटिंग उद्धृत की जाती है, उपकरण विशेषताओं एवं समय-अनुपात मान्यताओं (LP द्वारा कम TE मांग पर कोस्टिंग होने सहित) से व्युत्पन्न।

ट्रैक्टिव प्रयास के वास्तविक प्रकार

वास्तविक संबंध: TE = लोको वज़न × आसंजन। वास्तविक नोट: हॉर्सपावर TE की गणना का हिस्सा नहीं है।

वास्तविक TE प्रकारवास्तविक परिभाषा
Starting Tractive EffortAmount of TE that must be produced to start moving a train from a dead stop without slipping the wheels
Continuous Tractive EffortAmount of TE required to keep a train in motion continuously for the long term without slipping wheels or overheating traction motors/transmission
Short Term Tractive Effort for X minutesTE required for a short term (X prescribed minutes), e.g. to climb a grade — real limit: generally does NOT exceed 120% of Continuous TE for that prescribed period, limited by overheating of TMs and other power/transmission equipment

गति वृद्धि एवं वास्तविक संतुलन-गति अवधारणा

जैसे-जैसे DC मोटर की गति बढ़ती है, आंतरिक रूप से उत्पन्न 'बैक-EMF' लागू वोल्टेज का विरोध करता है; धारा (एवं इसलिए टॉर्क) दोनों के बीच अंतर द्वारा शासित है, इसलिए गति बढ़ने पर टॉर्क गिरता है। त्वरण जारी रखने हेतु, नॉच बढ़ाए जाते हैं — प्रत्येक नॉच प्रभावी वोल्टेज एवं धारा/टॉर्क को कुछ समय हेतु बढ़ाता है जब तक मोटर पकड़ न ले, हर बार त्वरण के झटके के रूप में महसूस होते हुए।

वास्तविक 'संतुलन स्थिति': जब ट्रेन प्रतिरोध (गति के साथ बढ़ते हुए) मोटरों द्वारा उत्पन्न टॉर्क से मेल खाता है, मोटर स्वाभाविक रूप से किसी भी नॉच-स्थिति पर त्वरित होना बंद कर देती है। संतुलन गति = उस ग्रेडिएंट एवं वक्रता पर, दिए गए भार हेतु अधिकतम गति — TE-गति वक्र एवं ट्रेन प्रतिरोध-गति वक्र के प्रतिच्छेदन बिंदु पर गति। किसी भी दी गई गति पर ट्रेन को त्वरित करने हेतु उपलब्ध बल TE एवं ट्रेन प्रतिरोध के बीच का अंतर है। वास्तविक हल उदाहरण (चित्र 5): समान लोकोमोटिव/भार हेतु समतल ट्रैक पर संतुलन गति 95 mph है परंतु 1-इन-100 ग्रेडिएंट पर केवल 75 mph, चूंकि ग्रेडिएंट प्रतिरोध किसी भी दी गई गति पर TE एवं प्रतिरोध के बीच मार्जिन कम करता है।

वास्तविक ट्रेन प्रतिरोध — पूर्ण सूत्र सेट

ट्रेन प्रतिरोध किसी दिए गए भार की ट्रेन को दी गई गति पर दिए गए ग्रेडिएंट पर शुरू करने/चलाने हेतु दिया गया प्रतिरोध है। चलने के दौरान वास्तविक सामान्य सूत्र: R = a + bV + cV², जहां V = गति, एवं a/b/c विशेष ट्रेन को चिह्नित करते हैं — 'a' स्थैतिक घर्षण है, 'b' यांत्रिक विचारों के कारण है, 'c' वायु प्रतिरोध है। यह सामान्यतः kg/ton में विशिष्ट प्रतिरोध के रूप में व्यक्त किया जाता है — प्रति टन वज़न लोको/ट्रेन हेतु स्टार्टिंग/रनिंग हेतु आवश्यक TE।

ट्रेन-प्रतिरोध के वास्तविक 4 प्रकार: (1) सीधे समतल ट्रैक पर शुरू करने का प्रतिरोध (लोको या लोको+ट्रेन); (2) सीधे समतल ट्रैक पर दी गई गति पर चलने का प्रतिरोध; (3) ग्रेडिएंट के कारण प्रतिरोध; (4) ट्रैक वक्रता के कारण प्रतिरोध।

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परीक्षा पर ध्यान — वास्तविक स्टार्टिंग एवं रनिंग प्रतिरोध सूत्र (RDSO TC 27)
वास्तविक RDSO तकनीकी परिपत्र TC 27 (Lr.No.EL/3.1.39/1 दि.27.7.98) अनुसार: (A) आवश्यक स्टार्टिंग TE = T1×(भार वज़न) + T2×(लोको वज़न) + T3×(ट्रेन वज़न) + T4×(ट्रेन वज़न), जहां T1 = kg/ton में भार का स्टार्टिंग प्रतिरोध (वास्तविक मान: BOXN वैगन हेतु 4 kg/ton, BOX वैगन हेतु 6 kg/ton); T2 = लोको का स्टार्टिंग प्रतिरोध = वास्तविक 6 kg/ton; T3 = kg/ton में ग्रेड प्रतिरोध; T4 = kg/ton में वक्र प्रतिरोध। (B) V kmph गति पर चलने का रनिंग प्रतिरोध/TE: T3 व T4 स्टार्टिंग हेतु समान रहते हैं, जबकि वास्तविक T1 = 0.6438797 + 0.01047218V + 0.00007323V² (BOXN भार हेतु) एवं वास्तविक T2 = 0.647 + (13.17/A) + 0.00933V + (0.057/AN)V² (लोको हेतु), जहां A = लोको का एक्सल-भार टन में, N = लोको में एक्सल की संख्या।
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परीक्षा पर ध्यान — वास्तविक हल उदाहरण: ग्रेडिएंट प्रतिरोध
एक वास्तविक 1-इन-1 ग्रेडिएंट (G=1) पर, पूर्ण गुरुत्व लागू होता है: गुरुत्व के कारण त्वरण g = 9.81 m/s² (स्थिर)। 150-टन (150×1000 kg) ट्रेन हेतु: बल = द्रव्यमान × त्वरण = 150,000 × 9.81 = 1,471,500 N = 1471.5 kN (यह mg के भी बराबर है, ट्रेन का वज़न)। चूंकि सामने आने वाला कोई भी ग्रेडिएंट उतना तीव्र नहीं है, वज़न को ग्रेडिएंट संख्या से विभाजित करना गुरुत्व-प्रतिरोध का एक अच्छा सन्निकटन देता है। वास्तविक 1-इन-200 ग्रेडिएंट (G=200) चढ़ती उसी ट्रेन हेतु: TG = 1471.5/200 = 7.3575 kN। वास्तविक सामान्य सूत्र: वज़न W की ट्रेन हेतु '1 इन G' का ग्रेडिएंट पार करने को आवश्यक TE है TG = W/G, इसलिए विशिष्ट ग्रेड प्रतिरोध = kg/ton में 1/G है।

ट्रेन की गति वहां स्थिर रहती है जहां मोटर टॉर्क (प्रभावी वोल्टेज द्वारा शासित) संतुलन गति पर ट्रेन प्रतिरोध के बराबर हो। ग्रेड चढ़ना: गति गिरती है क्योंकि ड्रैग टॉर्क से अधिक है, परंतु गिरती गति बैक-EMF कम करती है इसलिए प्रभावी वोल्टेज बढ़ता है — जब तक धारा नए ड्रैग से मेल खाने हेतु पर्याप्त टॉर्क बाध्य न करे। जब तक TE कुल ट्रेन प्रतिरोध से अधिक है, ट्रेन त्वरित होती है।

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परीक्षा पर ध्यान — वास्तविक वक्र-प्रतिरोध सूत्र
वास्तविक सूत्र: एक S°-डिग्री वक्र के वक्र-प्रतिरोध को पार करने हेतु आवश्यक TE है TC = 0.4 × S × W, जहां W = टन में ट्रेन का वज़न। यदि वक्रता की त्रिज्या R (मीटर में) डिग्री-ऑफ-कर्व के बजाय दी गई हो: S° = 1746/R। इसलिए विशिष्ट वक्र प्रतिरोध = T4 = 0.4 × S, kg/ton में।

ट्रैक्टिव प्रयास पर गियर अनुपात का वास्तविक प्रभाव

एक गियरबॉक्स TM शाफ्ट को ट्रेन एक्सल से जोड़ता है, मोटर की उच्च घूर्णी गति को एक्सल की आवश्यक गति तक कम करते हुए। चूंकि पावर = बल × गति, एक्सल पर गति कम करने से एक्सल पर बल/टॉर्क बढ़ता है — इसलिए विभिन्न सेवा प्रतिरूपों के अनुकूल संशोधित ट्रैक्शन विशेषता प्राप्त करने हेतु पुनः-गियरिंग एक सामान्य तरीका है। गियर अनुपात बदलने से वह ट्रेन गति बदलती है जिस पर पूर्ण भार लागू किया जा सकता है: गियर अनुपात बढ़ाना न्यूनतम संचालन गति कम करता है (टॉर्क बढ़ाते हुए) — वास्तविक उदाहरण: लगभग 4 का गियर अनुपात (वास्तविक अनुपात 16:65, 18:64, या 17:77) माल लोको पर उपयोग होता है। गियर अनुपात कम करना मोटरों को यांत्रिक क्षति के बिना लोकोमोटिव की पहुंच योग्य अधिकतम गति बढ़ाता है — वास्तविक उदाहरण: लगभग 3 का गियर अनुपात (वास्तविक अनुपात 21:58) कोचिंग लोको पर उपयोग होता है।

व्हील व्यास एवं फील्ड शंट का वास्तविक प्रभाव

जैसे-जैसे व्हील घिसते हैं, TE विशेषता बदलती है — व्हील व्यास में परिवर्तन प्रभावी रूप से गियर अनुपात परिवर्तन है। जैसे व्हील छोटे होते हैं, स्टार्टिंग TE बढ़ती है, परंतु चूंकि किसी भी दी गई ट्रेन गति हेतु एक्सल गति अधिक हो जाती है, उच्च गति पर TE अधिक तेज़ी से गिरती है। वास्तविक परंपरा: ट्रेन-प्रदर्शन भविष्यवाणी सामान्यतः औसत आधा-घिसा व्हील व्यास मानती है।

वास्तविक 'फील्ड शंटिंग': एक DC मोटर अपनी मूल संतुलन गति (पूर्ण-समानांतर विन्यास में पूर्ण वोल्टेज सहित प्राप्त) से तेज़ चल सकती है फील्ड शंटिंग के माध्यम से — मोटर फील्ड में एक अतिरिक्त परिपथ फील्ड के साथ समानांतर में एक प्रतिरोध रखकर फील्ड धारा कमज़ोर करता है। यह आर्मेचर को इसके चुंबकीय क्षेत्र एवं फील्ड कॉइल के क्षेत्र के बीच संतुलन बहाल करने हेतु गति बढ़ाने को बाध्य करता है — ट्रेन को तेज़ परंतु कम पावर पर चलाते हुए।

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