Общее устройство и работа тепловозов

Тепловозом называется локомотив, у которого в качестве первичной энергетической установки применен двигатель внутреннего сгорания - дизель.

В отличие от обычных карбюраторных двигателей внутреннего сгорания воспламенение топлива в дизеле происходит не от электрической искры, а оно самовоспламеняется в нагретом до высокой температуры воздухе при его сжатии. Сгорание топлива в цилиндрах дизеля обусловлено наличием кислорода, содержащегося в воздухе, поступающем в цилиндры дизеля. Чтобы получить возможно большую мощность в цилиндрах дизеля, не прибегая к увеличению их объема, воздух в цилиндры нагнетают под давлением выше атмосферного, т. е. осуществляют наддув с помощью механических или турбинных нагнетателей. Превращение полученной в цилиндрах дизеля тепловой энергии в механическую осуществляется посредством шатунно-кривошипного механизма, состоящего из поршня, шатуна и колена (кривошипа) коленчатого вала.

Чтобы дизель мог нормально работать, на тепловозе предусмотрены обслуживающие его системы: топливная, воздухоснабжения, водяная и масляная. Топливная система имеет бак, трубопроводы с фильтрами грубой и тонкой очистки, топливоподкачивающий насос, насосы высокого давления и топливовпрыскивающие форсунки. Система воздухоснабжения состоит из воздухозаборных фильтров, охладителей воздуха, газотурбинных или механических нагнетателей, обеспечивающих подачу очищенного воздуха под повышенным давлением в воздушные коллекторы и далее в цилиндры дизеля. Водяная система служит для охлаждения стенок цилиндров, нагреваемых теплом, выделяющимся при сгорании топлива. Чтобы успешно отводить тепло от стенок цилиндров дизеля, на тепловозе предусмотрено охлаждающее устройство. Водяные полости между цилиндрами и рубашками соединены трубопроводами с трубчатыми радиаторами. Для обеспечения циркуляции воды в системе установлены водяные насосы. Проходящая по трубкам радиаторов вода охлаждается воздухом, подаваемым через секции радиаторов специальными вентиляторами. Регулируя подачу воздуха через секции радиаторов, поддерживают температуру охлаждающей жидкости на определенном уровне. Масляная система служит для смазывания трущихся деталей дизеля. Так как масло одновременно охлаждает такие узлы, как поршни, работающие при высоких темпера- турах, то его необходимо охлаждать. Для этого в масляной системе предусмотрены насосы, обеспечивающие циркуляцию масла между дизелем и холодильным устройством. В качестве охлаждающего устройства используются либо масловоздушные радиаторы, либо водомасляные теплообменники. В систему включены также маслопрокачивающие насосы, фильтры грубой и тонкой очистки масла.

Для получения сжатого воздуха, необходимого для питания тормозной системы, а также для электропневматической системы управления механизмами и аппаратами, на тепловозе установлен компрессор. Привод компрессора и других вспомогательных машин осуществляется от вала дизеля через раздаточный редуктор. На некоторых тепловозах для привода компрессора (и других машин) используют электродвигатели.

На тепловозе имеется аккумуляторная батарея, запас электрической энергии которой используется для пуска дизеля (раскрутки коленчатого вала), а также для питания цепей управления и освещения тепловоза. При работающем дизеле эти функции (кроме пуска) выполняет вспомогательный электрический генератор. Он также служит для заряда аккумуляторной батареи.

Дизель устойчиво может работать при частоте вращения коленчатого вала не ниже определенного предела -(0, 3= 0, 4)n_ном•

Весь диапазон частоты вращения (от минимальной до номинальной, т, е. максимальной) разбит на градации (позиции). С набором очередной позиции контроллера машиниста увеличивается подача топлива в цилиндры дизеля, в соответствии с этим, растут частота вращения коленчатого вала n и мощность дизеля Ре (Рис.4.8.).

Рис. 4.8. Внешние характеристики двигателя.

 

Работу дизеля на нулевой позиции называют режимом холостого хода, на последней – номинальным режимом, а на промежуточных позициях - частичными режимами.

При работе на определенной позиции мощность дизеля остается постоянной, практически постоянным остается и вращающий момент на коленчатом валу. В то же время для вращения колесных пар необходимо изменять вращающий момент в зависимости от условий движения. Например, при трогании с места тяжелого состава для реализации большой силы тяги необходимо к колесным парам приложить вращающий момент, значительно (в 4-5 раз) больший, нежели момент на коленчатом валу дизеля. И, наоборот, в процессе движения поезда для поддержания необходимой рабочей скорости не требуется большого вращающего момента и он может оказаться меньшим, чем, момент на валу дизеля. В силу этих обстоятельств непосредственно передавать вращающий момент от дизеля колесным парам не представляется возможным. Для того чтобы приспособить дизель для условий тяги, на тепловозе предусматривают специальное устройство - передачу. Она должна обеспечивать автоматическое регулирование тягового момента (силы тяги) в соответствии со скоростью и профилем пути при наиболее полном использовании мощности дизеля. Известно, что мощность, реализуемая на тягу (касательная мощность Р_к), равна произведению силы тяги тепловоза на скорость движения. Так как у тепловоза мощность силовой установки при определенной позиции контроллера постоянна, то произведение силы тяги F_к на скорость V будет также постоянным Fк*V=Р=const. Из соотношения следует, что при изменении скорости соответствующим образом будет изменяться сила тяги, и если построить зависимости силы тяги от скорости (тяговую характеристику), она будет иметь вид гиперболы(рис 4.9). Понятно, что выполнение условия Fк*V = =Р_к=const может быть обеспечено только в определенном интервале (от точки Б до точки В). Максимальное значение силы тяги ограничивается силой сцепления колесных пар с рельсами (А-Б), а максимальное значение скорости - условиями безопасности. Таким образом, в условиях, когда дизель имеет постоянную частоту вращения и неизменяющийся вращающий момент, а колесные пары частоту вращения от нуля до определенного максимального значения, от передачи требуется непрерывное плавное изменение передаточного отношения, и это изменение должно совершаться автоматически в соответствии с требуемой силой тяги тепловоза.

Рис.4.9 Тяговая характеристика тепловоза

 

Кроме этого, передача должна обеспечивать возможность отсоединения дизеля от тяговой нагрузки (от колесных пар) и реверсирования движения тепловоза. На тепловозах применяются только два типа передач—гидромеханическая и электрическая. Механическая передача на тепловозах распространения не получила из-за невозможности создать многоступенчатую коробку передач небольших размеров для тепловоза большой мощности. Она применяется только на мотовозах и автодрезинах.

Гидромеханическая передача применяется на некоторых маневровых тепловозах и дизель - поездах мощностью до 9000 к8т. Передача мощности осуществляется с помощью гидравлических аппаратов (гидромуфт и гидротрансформаторов) и механических звеньев (зубчатых редукторов и карданных валов). Гидропередача компактна, имеет сравнительно малую массу, низкий расход цветных металлов, но КПД ее невелик (около 75 %).

Электрическая передача получила наибольшее распространение. Она состоит из тягового генератора с возбудителем, тяговых электродвигателей и зубчатых редукторов. Вал генератора подсоединен к коленчатому валу дизеля. 8 нем механическая энергия дизеля преобразуется в электрическую. Тяговые электродвигатели размещены в тележках непосредственно возле колесных пар. Подведенный по кабелям электрический ток от генератора вращает валы электродвигателей-электрическая энергия превращается снова в механическую. Валы двигателей и оси колесных пар связаны между собой зубчатыми передачами. Таким образом, вращающий момент от двигателей передается колесным парам. Так как колесные пары прижаты к рельсам массой тепловоза, то между ними и рельсами возникает сцепление, благодаря которому колесные пары перекатываются вдоль рельсов, перемещая за собой тележки, а те в свою очередь - кузов тепловоза. Размещенная в раме кузова автосцепка передает тяговое усилие на состав.

Если переданный на колесную пару тяговый момент превысит момент от силы сцепления колесной пары с рельсами, произойдет срыв сцепления, т. е. начнет буксование. Поэтому основной закон локомотивной тяги гласит: сила тяги не может превышать силу сцепления колес с рельсами. Регулирование тягового момента (силы тяги) осуществляется электрическими машинами. Известно, что вращающий момент на валу электродвигателя зависит от размеров двигателя, учитываемых постоянной С, силы тока в обмотках якоря I_я и магнитного потока Ф, создаваемого обмотками возбуждения на полюсах двигателя:

М_кр = Сlя*Ф.

Передаваемый на колесную пару момент двигателя, увеличенный в i раз (передаточное число редуктора), направлен на образование силы тяги. Таким образом, тяговый момент и сила тяги зависят от тока, протекающего по двигателю, т. е. чтобы получить большую силу тяги, нужно по двигателю пропускать большой силы ток. Известно, что мощность электрической машины равна произведению силы тока на напряжение (1*U), и если мощность ее постоянна (а она постоянна), то при увеличении значения одного множителя другой должен уменьшаться. Так оно и получается.

Рис. 4.10. Схема передачи мощности от дизеля колесным парам при электрической передаче: 1- дизель; 2- соединительная муфта, 3- тяговый электрический генератор; 4- возбудитель генератора; 5- рама тележки;

б- пружинная подвеска двигателя на раме тележки; 7- тяговый электродвигатель; 8-шестерня; 9- зубчатое колесо; 10 - колесная пара; КВ - контактор возбуждения;. ПК- поездной контактор.

 

При трогании с места, когда требуется большая сила тяги, на двигатели подается большой ток, а напряжение мало. С увеличением скорости тепловоза растет частота вращения колесных пар и связанных с ними зубчатой передачей яко рей тяговых двигателей. С ростом частоты вращения якорей двигателей растет на их зажимах напряжение. В силу постоянства произведения силы тока на напряжение сила тока соответственно будет уменьшаться. В случае вступления поезда на подъем из-за возросшего сопротивления движению скорость поезда уменьшается, соответственно уменьшается и напряжение на зажимах двигателя, а сила тока возрастает, что приведет к увеличению силы тяги. Таким образом, благодаря электрическим машинам с последовательным возбуждением осуществляется автоматическое регулирование силы тяги локомотива.

На тепловозах со сравнительно небольшой мощностью дизеля применяют генераторы постоянного тока. При увеличении мощности свыше 2000 кВт габаритные размеры генераторов резко увеличиваются, поэтому применяют более компактные и надежные синхронные генераторы переменного тока с выпрямительной установкой. В этом случае передачу называют передачей на переменно-постоянном токе.

Тяговые электродвигатели локомотивов коллекторные постоянного тока. Подвод электрического тока к ним осуществляется через щеточно-коллекторный узел. При существующей системе подвешивания электродвигателей - опорно-осевой, когда двигатели одной стороной опираются на ось через моторно-осевые подшипники, а другой на раму тележки через пружинную опору, двигатель оказывается незащищенным от ударов на стыках рельсов и других неровностях.

Удары и вибрации в системе: рельс-колесо- электродвигатель вредно отражается на работе коллекторно-щеточного узла, а так же на узлах крепления подводящих кабелей с выводами катушек возбуждения главных и дополнительных полюсов. Надежность работы в тяговых электродвигателей в этом случае резко снижается. Она в десяток раз ниже чем у двигателей, имеющих опорно-рамную подвеску (у пассажирских локомотивов).

С точки зрения повышение надежности тяговых электродвигателей особую актуальность приобретает применение на локомотивах передачи переменно-переменного тока с бесколлекторными двигателями. Но их применение пока сдерживается из-за трудностей в обеспечении регулирования частоты вращения. Отечественная электронная промышленность пока не в состоянии поставлять транспорту необходимую электронную технику высокого качества и надежности.

Рис. 4.11. Устройство тепловоза 2ТЭ25К: 1- установка аппаратов системы КЛУБ и радиостанции; 2- резервуары уравнительные; 3- антенна метрового и гектометрового диапазонов; 4- тормоз электрический обдуваемый; 5- мотор-вентилятор охлаждения управляемого выпрямительного модуля; 6- мотор-вентилятор охлаждения ТЭД передней тележки; 7, 43 - мультициклонный блок очистки воздуха; 8- мотор-вентилятор охлаждения тягового агрегата; 9, 12 - мотор-вентилятор отсоса пыли; 10 - мотор-вентилятор вытяжной; 11- глушитель на выхлопе; 13-воздухоочиститель дизеля (два); 14 - умывальник с подогревом воды; 15- мотор-вентилятор холодильной камеры (два); 16- преобразователи вспомогательных нужд (четыре) с плавным регулированием; 17 - переход межсекционный; 18 - резервуар воздушный главный 250 л(четыре); 19. 48 - настил пола; 20 - бак топливный (емкость 7000 кг)21 – батарея аккумуляторная; 22 - агрегат тяговый; 23, 24 - резервуар воздушный дополнительный; 25- гребнесмазыватель; 26- устройство обеспечения микроклимата кабины; 27- холодильник пищи; 28- устройство аварийное; 29- унифицированный комплекс тормозной оборудования; 30 -выпрямитель двухканальный для регулирования тока возбуждения тягового и вспомогательного генераторов; 31- бункеры песочниц передних; 32 - дизель типа Д49; 33 - экологически чистый туалет; 34 - насос масляный; 35 - электронасос (два); 36 - термоизолированные баки слива воды радиаторов; 37 - модуль компрессорной установки; 38- бункеры песочниц задних; 39- система газового пожаротушения; 40- осушитель сжатого воздуха; 41- вентилятор отсоса пыли; 42- мотор вентилятор ТЭД задней тележки; 44 - топливоподогреватель; 45 - агрегат топливоподкачивающий; 46-насосмаслопрокачивающий; 47-фильтртопливный; 49-стартер-генератор 6СГ; 50- шестиканальный силовой выпрямительный С модуль; 51 - камеры аппаратные; 52 - шкаф для одежды; 53 – устройство обработки информации; 54 - огнетушитель; 55 - привод ручного тормоза; 55 - электроплитка; 57 - кресло машиниста-инструктора; 58 - пульт управления.