Author: Михальченко Г.С.
Tags: тяга поездов на железных дорогах подвижной состав железнодорожный транспорт локомотивостроение
ISBN: 5-89035-372-1
Year: 2006
Text
ТЕОРИЯ И КОНСТРУКЦИЯ локомотивов
Под редакцией профессора Г. С. Михальченко
Рекомендовано
Управлением учебных заведений
и правового обеспечения Федерального агентства железнодорожного транспорта в качестве учебника для студентов вузов железнодорожного транспорта
Москва
2006
УДК 629.42(075)
ББК 39.23
Т338
Т338 Теория и конструкция локомотивов: Учебник для вузов ж.-д.
транспорта / Г.С. Михальченко, В.Н. Кашников, В.С. Кос-сов, В.А. Симонов; под ред. Г.С. Михальченко. — М.: Маршрут, 2006. — 584 с.
ISBN 5-89035-372-1
Приведены сведения об автономном тяговом подвижном составе; представлены конструкции и технические характеристики основных типов тепловозов, их узлов и систем. Дано краткое описание дизель-поездов, автомотрис. Изложены основы прочностных, теплотехнических и аэродинамических расчетов.
Учебник предназначен для студентов вузов железнодорожного транспорта, обучающихся по специальности «Локомотивы», и специалистов, занимающихся созданием и эксплуатацией локомотивов.
УДК 629.42(075)
ББК 39.23
Учебник написали: введение, гл. 1,2 (п. 7, 8), 4, 5, 6 — д-р техн, наук, проф. Г.С. Михальченко', гл. 2 (п. 1—6, 8) — д-р техн, наук, проф. В. Н. Кашников; гл. 3 — канд. техн, наук, доц. В. А. Симонов; гл. 7 — д-р техн, наук В. С. Коссов.
Рецензенты: ст. науч, сотрудник ВНИИЖТа, канд. техн, наук А.В. Заручейский; зав. кафедрой «Локомотивы и локомотивное хозяйство» МИИТа, д-р техн, наук, профессор В.И. Киселев; гл. конструктор по локомотивостроению ООО ПК «Брянский машиностроительный завод», канд. техн, наук Г.М. Волохов.
ISBN 5-89035-372-1
© Коллектив авторов, 2006
© ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте, 2006
© Издательство «Маршрут», 2006
ОТ АВТОРОВ
В структуре парка тягового подвижного состава России значительная роль отводится тепловозам, т.е. самодвижущимся железнодорожным тяговым средствам (локомотивам), в которых источником энергии передвижения являются двигатели внутреннего сгорания.
Постоянное совершенствование локомотивного парка способствует выполнению поставленных перед железнодорожным транспортом России задач: полное удовлетворение народного хозяйства и населения в перевозках, повышение пропускной и провозной способности железных дорог, увеличение производительности труда и снижение себестоимости перевозок. Для этого разрабатываются требования к исследованиям, проектированию, постройке и содержанию локомотивов, к подготовке инженеров для локомотивостроительной промышленности и локомотивного хозяйства железных дорог.
В подготовке специалистов в области создания и эксплуатации тепловозов курс «Теория и конструкция локомотивов» является одной из фундаментальных дисциплин учебного плана инженерного образования в вузах по специальности «Локомотивы». Изучение дисциплины «Теория и конструкция локомотивов» основывается на знаниях, полученных студентами при освоении дисциплин «Математика», «Физика», «Теоретическая механика», «Начертательная геометрия и инженерная графика», «Технология конструкционных материалов», «Термодинамика и теплопередача», «Гидравлика и гидропривод», «Электротехника и электроника», «Локомотивы. Общий курс», «Теория локомотивной тяги» и др. В свою очередь, дисциплина «Теория и конструкция локомотивов» является базой для овладения многими дисциплинами специализаций специальности «Локомотивы».
Со времени выпуска учебников «Конструкция и динамика тепловозов» под ред. В.Н. Иванова (1974 г.) и «Конструкция, расчет и
3
проектирование локомотивов» под ред. А.А. Камаева (1981 г.) произошли изменения в конструкции автономного тягового подвижного состава, в методах их проектирования, в технологиях обслуживания и ремонта. В первую очередь, успешное развитие за последние 20 лет микроэлектроники, силовой преобразовательной техники способствовало внедрению на локомотивах принципиально новых систем автоматического регулирования и управления энергетическими установками, силовыми передачами, охлаждающими и тормозными устройствами. Благодаря широкому использованию на тяговом подвижном составе средств технической диагностики в сочетании с микропроцессорной электроникой и ЭВМ качественно изменился подход к процессу управления машиной, контролю за работой основных агрегатов, узлов и систем.
Значительно изменилась технология проектирования локомотивов, обусловленная использованием в практике конструкторских бюро систем автоматизированного проектирования. Выполнение многовариантных прочностных, динамических, теплотехнических и других расчетов позволяет на более высоком качественном уровне проектировать как отдельные конструкции несущих систем, узлов, агрегатов, так и машину в целом. В главе 3 данного учебника авторы изложили современный подход к расчету несущих конструкций локомотива с использованием метода конечных элементов, реализованный с помощью ЭВМ.
При изложении материала по конструкции экипажной части, вспомогательного оборудования тепловозов авторы дали представление как об известных и установившихся технических решениях, широко используемых на локомотивах, так и о новых оригинальных конструкциях, появившихся за последние 20 лет.
В учебнике использован многолетний опыт преподавания дисциплины «Теория и конструкция локомотивов» в Брянском государственном техническом университете (БГТУ) для студентов конструкторской специализации и в Ростовском государственном университете путей сообщения (РГУПС) для студентов эксплуатационной специализации.
Авторы надеются, что новый учебник будет способствовать повышению качества подготовки специалистов, а также будет поле
4
зен специалистам локомотивостроительных предприятий и работникам локомотивного хозяйства.
Авторы выражают глубокую признательность ведущим специалистам и ученым Всероссийского научно-исследовательского и конструкторско-технологического института (ВНИКТИ), Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВНИИЖТа), ОАО ХК «Коломенский завод», ЗАО УК «Брянский машиностроительный завод», ООО «Людиновотеп-ловоз» за ценные консультации и помощь в получении новых материалов и разработок для учебника, а также рецензентам рукописи учебника, сделавшим ряд ценных предложений и замечаний по его содержанию.
Авторы приносят благодарность профессору кафедры «Локомотивы» БГТУ, канд. техн, наук Е.Н. Максаковой за большую помощь, оказанную при авторском редактировании рукописи, а также канд. техн, наук А.Г. Галичеву и инженеру Д.В. Прусову, вложившим много труда при подготовке материала рукописи к печати.
ВВЕДЕНИЕ
Локомотив является одним из важнейших технических средств железнодорожного транспорта, поскольку предназначен для передвижения вагонов и составов с грузами или пассажирами. Наряду с локомотивами, являющимися основными тяговыми единицами железнодорожного транспорта, для пригородных перевозок пассажиров широко используются электропоезда и дизель-поезда, автомотрисы, в последнее время и рельсовые автобусы, которые по сути являются автомотрисами.
Локомотивное хозяйство является одним из наиболее фондоемких в отрасли. На его долю в 2002 г. приходилось 12,5 % стоимости основных фондов железных дорог.
Предметом дисциплины «Теория и конструкция локомотивов» является учение об общих характеристиках и свойствах локомотивов, технических требованиях, предъявляемых к ним, особенностях условий эксплуатации, конструкции узлов и агрегатов, методах их анализа и расчета.
В зависимости от первичного источника энергии тяговый подвижной состав разделяется на автономный (тепловозы, дизель-поезда, автомотрисы, газотурбовозы, паровозы) и неавтономный (электровозы и электропоезда).
Содержание данного учебника в основном отражает теорию и конструкцию автономного тягового подвижного состава, главным образом тепловозов. Тепловоз является сложнейшей технической системой, включающей энергетическую, механическую, электрическую, теплотехническую, гидравлическую, пневматическую и другие подсистемы. При проектировании тепловоза закладываются основные свойства будущей машины: надежность, тяговые качества, экологичность и безопасность движения. Сложность оборудования локомотивов и возможная работа в экстремальных условиях эксплуатации предъявляют к проектированию высокие требования. В создании новых локомотивов принимают участие
6
специалисты проектно-конструкторских подразделений предприятий, научно-исследовательских организаций, заводов металлургической, электротехнической, электронной и других отраслей промышленности.
Создание новых конструкций локомотивов включает в себя этапы: проектирование, технологическая подготовка производства, производство, испытание опытных образцов, освоение серийного производства с учетом корректировки рабочей конструкторской документации по результатам испытаний и опытной эксплуатации.
На всех этапах проектирования и постройки учитываются требования, предъявляемые к локомотиву государственными стандартами и другими законодательными и нормативными документами.
90-е гг. прошедшего столетия характеризуются застоем в тепловозостроении в России. Основной потребитель магистральных и маневровых тепловозов — МПС России — практически прекратил покупку серийно выпускаемых промышленностью локомотивов. Созданные на предприятиях отрасли опытные тепловозы ТЭП80 (ОАО ХК «Коломенский завод»), ТЭРА1 (ООО «Людиновотепло-воз»), ТЭМ18Г (ЗАО УК «Брянский машиностроительный завод») не получили дальнейшего развития в виде серийных машин.
Крупнейший в мире тепловозостроительный завод в г. Луганске (Украина) также остался без заказов на новые тепловозы железными дорогами России.
Наметившийся с конца 90-х гг. экономический рост в России проявился в увеличении перевозок грузов и пассажиров по железным дорогам. Очевидно, что быстро устаревавший парк локомотивов без существенного обновления новыми и модернизированными машинами сдерживал потребность народного хозяйства России в перевозках. Поэтому МПС России в 2001—2002 гг. разработаны технические требования к новым магистральным и маневровым тепловозам, а также к модернизации эксплуатируемых тепловозов для продления срока их службы.
Этими требованиями, обобщающими мировой и отечественный опыт тепловозостроения, заложены высокие технико-экономические показатели новых локомотивов с учетом перспектив их длительной эксплуатации. Так, для тепловозов перспективный дизель предполагается четырехтактным, с регулируемым газотурбинным
7
наддувом, цилиндровой мощностью не менее 260 кВт, удельным эффективным расходом топлива не более 191 г/кВт-ч, моторесурсом не менее 3-106 км пробега до капитального ремонта.
Для магистральных и маневровых тепловозов перспективными являются тяговые электрические передачи переменного тока с асинхронными двигателями или переменно-постоянного тока и коллекторными двигателями с поосным регулированием силы тяги. Тепловозы оборудуют микропроцессорными системами управления, безопасности движения и диагностики.
Экипажная часть локомотивов должна по прочности, динамическим качеством и воздействию на путь соответствовать нормативным требованиям, разработанным для перспективных условий эксплуатации. При создании локомотивов необходимо выполнять соответствующие санитарные, экологические и эргономические требования. В инструкцию локомотива должен быть заложен модульный принцип компоновки узлов и агрегатов.
Локомотивы, предназначенные для эксплуатации на железных дорогах России, проектируют и изготавливают для условий эксплуатации при температуре окружающей среды от +55 °C до -55 °C.
Создание новых тепловозов, соответствующих перечисленным выше требованиям, является сложнейшей задачей, которую нужно решить в наиболее короткие сроки. Качества машины, время для ее создания и цена — это основные показатели, которые прежде всего рассматривает покупатель при окончательном выборе изготовителя и самого локомотива. В этих условиях коренным образом изменяются технологии проектирования и производства локомотивов на предприятиях. Для этого на локомотивостроительных заводах применяются системы автоматизированного проектирования изделий (САПР-К) и технологической подготовки их производства (САПР-Т). В настоящее время тепловозостроительные заводы России, а также ВНИКТИ оснащаются современной вычислительной техникой, средствами компьютерной графики, соответствующим программным обеспечением. В вузах готовятся инженерные кадры по локомотивам и локомотивному хозяйству, способные воспринять и развивать новые технологии проектирования, производства и эксплуатации локомотивов.
8
Теория и конструкция автономных локомотивов как научная дисциплина возникла в России в начале XX века.
В начале 30-х гг. в МВТУ и МИИТе впервые в мире были организованны тепловозные кафедры и начата подготовка инженеров по тепловозной специальности. Научные основы теории и конструкции тепловозов закладывались и развивались русскими и советскими учеными Ю.В. Ломоносовым, В.Н. Ивановым, К.П. Королевым, С.М. Куценко, А.А. Камаевым, В.Д. Кузьмичем, И.Ф. Семичастным, А.С. Евстратовым, Л.К. Добрыниным, С.М. Голубятниковым, И.В. Бирюковым, Н.И. Поповым, А.Л. Третьяковым, А.С. Нестраховым, В.Н. Шестаковым и многими другими. Большой вклад в развитие и совершенствование конструкции тепловозов внесли главные конструкторы тепловозов Б.С. Поздняков, А.С. Лебедянский, Г.А. Жилин, Э.И. Нестеров, Ю.В. Хлебников, А.В. Подопросветов, А.А. Кирнарский, А.Н. Коняев, С.П. Филонов, П.И. Аронов, Е.Ф. Сдобников, М.В. Загорский, А.И. Хрычи-ков, В.Н. Логунов, Г.С. Меликджанов, Л.А. Михальчук и другие.
Глава 1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ТЕПЛОВОЗОСТРОЕНИЯ.
ОБЩЕЕ УСТРОЙСТВО И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ АВТОНОМНОГО ТЯГОВОГО
ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
1.1. Исторический очерк отечественного тепловозостроения
Начало отечественного тепловозостроения было положено 4 января 1922 г. постановлением Совета Труда и Обороны РСФСР, инициатором которого был Предсовнаркома В.И. Ленин. Эта дата отмечается как начало тепловозостроения в нашей стране.
30 января 1922 г. на заседании коллегии народного комиссариата путей сообщения было признано целесообразным «немедленно приступить к сооружению трех тепловозов». Рассматривались проекты тепловозов с газовой, электрической и механической передачами мощности от дизеля к движущим колесным парам.
Строительство тепловозов с электрической передачей осуществлялось: на заводах Ленинграда Юэ№ 002 (впоследствии обозначался Гэ 1, Щ-ЭЛ1 и Щэл1) мощностью 736 кВт по проекту профессора Я.М. Гаккеля (1874—1945) и в Германии Юэ № 001 (впоследствии обозначался Э-ЭЛ2 и Ээл2) мощностью 880 кВт по проекту профессора Ю.В. Ломоносова (1876—1952), возглавлявшего Российскую железнодорожную миссию по закупке зарубежной техники, в том числе строившую паровозы серии Э в Швеции и Германии по чертежам Луганского паровозостроительного завода.
6 ноября 1924 г. тепловоз Юэ № 001 был испытан и принят на рельсовой колее шириной 1524 мм в германском городе Эслинген. В тот же день тепловоз Юэ № 002 совершил свою первую поездку по одной из железных дорог Ленинграда.
10
Это были первые в мире работоспособные мощные магистральные тепловозы. На основании изучения в 1927 г. опыта их конструирования и эксплуатации к созданию магистральных тепловозов приступили в США, а затем и в других странах.
Тепловоз Юэ № 001 прибыл в СССР 20 января 1925 г. 4 февраля его зачислили в инвентарный локомотивный парк. Эта дата считается началом тепловозной тяги.
30 декабря 1925 г. в инвентарный парк зачислили тепловоз Щэл 1. Из-за неисправностей дизеля и электрооборудования тепловоз был выведен из эксплуатации в 1927 г., но сохранился как музейный экспонат.
Первые тепловозы базировались в Люблино Московской области, а с 1931 г. в Ашхабаде. Здесь в 1954 г. был списан и, к сожалению, утрачен тепловоз Ээл2, который стал прототипом для создания с 1930 г. тепловозов Ээл и Оэл на Коломенском машиностроительном заводе имени В.В. Куйбышева.
В 1930 г. начато производство тепловозов на Коломенском машиностроительном заводе: были построены 3 маневровых тепловоза Оэл мощностью 440 кВт, а в 1932 г. магистральные тепловозы серии Ээл9 мощностью 770 кВт. В 1934 г. построен первый в мире двухсекционный тепловоз ВМ (Вячеслав Молотов) мощностью 2x770 кВт. Эксплуатация тепловозов выявила высокую эффективность их использования по сравнению с паровозами, особенно в безводных условиях Средней Азии. В 1937—1941 гг. тепловозы Ээл выпускались в виде передвижных электростанций.
Тепловозостроение в СССР возобновилось после окончания Великой Отечественной войны на Харьковском заводе транспортного машиностроения (ХЗТМ) им. В.А. Малышева. В 1946 г. на ХЗТМ был построен тепловоз ТЭ1 мощностью 736 кВт капотного типа. Прототипом для него послужил американский тепловоз ДА фирмы «Алко». 68 таких тепловозов в 1945 г. были получены Советским Союзом по «ленд-лизу», они эксплуатировались на Ашхабадской и Орджоникидзевской железных дорогах. В 1948 г. на ХЗТМ был построен двухсекционный тепловоз ТЭ2 мощностью 2x736 кВт с кузовом вагонного типа, более приемлемого для условий работы локомотивных бригад и оборудования. На тепловозах ТЭ1 и ТЭ2 применен один и тот же четырехтактный дизель типа Д50. В отли
11
чие от тепловоза ТЭ1 с двумя трехосными, у тепловоза ТЭ2 было две двухосных тележки. Создатели тепловоза ТЭ2 в 1952 г. удостоились Сталинской премии 2-й степени.
Следующим этапом развития тепловозостроения в СССР стали создание и освоение серийного производства тепловозов грузового ТЭЗ и пассажирского ТЭ7 мощностью 2x1770 кВт. Опытный образец тепловоза ТЭЗ был создан на ХЗТМ в 1953 г. Это был локомотив вдвое большей мощности, чем тепловоз ТЭ2, с кузовом вагонного типа, двухтактным дизелем 2Д100, электрической передачей постоянного тока и осевой формулой 2(30-30). Создание этого локомотива было значительным шагом вперед. По мощности двухсекционный тепловоз был сравним с наиболее мощными серийными грузовыми паровозами ФД и ЛВ, а по силе тяги, ввиду большего сцепного веса, значительно их превосходил. С этими параметрами локомотивов замена паровозной тяги тепловозной давала существенный технический и экономический эффект.
Повсеместный переход железных дорог на передовые виды тяги (тепловозную и электрическую) ускорился в 1956 г., когда директивами XX съезда КПСС производство паровозов прекращалось, а тепловозов и электровозов развертывалось. С этой целью на производство тепловозов были переоборудованы паровозостроительные заводы: Луганский (Ворошиловградский), Коломенский, Брянский, а также Людиновский локомобильный завод, Калужский, Муромский им. Ф.Э. Дзержинского и Камбар-ский машиностроительные заводы.
По чертежам Харьковского завода было организовано производство тепловозов ТЭЗ на Луганском и Коломенском заводах. Дизели 2Д100 для этого тепловоза изготавливались на ХЗТМ и Коломенском заводе, электрооборудование на нынешнем Харьковском заводе «Электротяжмаш», экипажная часть на Луганском заводе (в то время Ворошиловградский завод им. Октябрьской революции). В 1957 г. ХЗТМ начал выпускать также и пассажирскую модификацию тепловоза ТЭЗ — тепловоз ТЭ7 с конструкционной скоростью 140 км/ч, а в 1959 г. был построен тепловоз ТЭ10 с дизелем мощностью 2200 кВт — 10Д100 и несущим кузовом.
В 1961 г. в Луганске был создан тепловоз 2ТЭ10Л. Для этого тепловоза тележка, главная рама и кузов были взяты от тепловоза 2ТЭЗ,
12
адизель — ЮДЮОстурбонаддувоммощностью2206 кВт,чтобыбез особых производственных трудностей быстро перейти на серийный выпуск тепловозов 2ТЭ10Л. Завод выпускал их до 1975 г.
Одновременно на Коломенском заводе был создан пассажирский тепловоз ТЭП60 мощностью 2206 кВт и конструкционной скоростью 160 км/ч. В конструкции этого тепловоза были заложены оригинальные решения: несущий кузов ферменного типа, опорно-рамное подвешивание тяговых электродвигателей, бесчелюстная тележка с центральными маятниковыми опорами, водомасляный теплообменник. Некоторые из этих решений нашли применение и в других тепловозах.
60-е гг. характеризуются также разработкой магистральных тепловозов с гидравлической передачей. Тепловозы с гидропередачей в тот период имели бесспорное преимущество — меньшую массу. У созданного на Луганском заводе тепловозе ТГ102 при одной и той же мощности секции, что и ТЭЗ, масса была 82 т против 126 т у ТЭЗ, это позволило сделать секцию тепловоза ТГ102 четырехосной.
Серийное производство тепловозов ТГ102 было организовано на Ленинградском Пролетарском тепловозоремонтном заводе. Они эксплуатировались в основном на Октябрьской и Прибалтийской железных дорогах.
Луганский завод построил также опытные образцы более мощных тепловозов с гидропередачей: в 1961 г. односекционный ТГ105 мощностью 2206 кВт с дизелем 1 ОД 100 и в том же году самый мощный в мире односекционный ТГ106 мощностью 2940 кВт с двумя дизелями типа Д40 и двумя гидропередачами собственной конструкции. Коломенский завод в 1962—1963 гг. разработал и изготовил два пассажирских односекционных тепловоза ТГП50 мощностью 2940 кВт. Гидропередачи для этих тепловозов проектировались и изготавливались также на этом заводе.
Создание аналогичных тепловозов по мощности с электропередачей в то время было невозможным. Ограничения по габаритам и массе тепловозов не допускали использовать изготавливавшееся тогда электрическое оборудование.
В серийное производство указанные тепловозы с гидропередачей не были запущены. Гидравлические передачи и вся трансмиссия локомотивов не были достаточно отработаны, при эксплуатации теп
13
ловозов возникало много отказов. Все деповское хозяйство и персонал были ориентированны Министерством путей сообщения на эксплуатацию магистральных тепловозов с электрической передачей.
В 1963 г. на Луганском заводе были начаты опытно-конструкторские работы по созданию экспортного тепловоза. Первые два тепловоза, обозначенные Венгерскими железными дорогами М62, были построены и поступили в опытную эксплуатацию на железные дороги СССР в 1964 г. Это был односекционный двухкабинный универсальный тепловоз западноевропейского габарита мощностью 1471 кВт с дизелем Коломенского завода типа Д40 и нагрузкой от оси на рельсы 190 кН. Такие тепловозы поставлялись во многие страны.
В 1967 г. луганскими тепловозостроителями был построен более мощный экспортный тепловоз ТЭ109. Он значительно отличался от своих предшественников. На нем были применены более экономичный четырехтактный дизель Коломенского завода типа Д49 мощностью 2280 кВт, бесчелюстная тележка, новый тяговый электродвигатель ЭД118, электрический привод вспомогательных агрегатов. Эти тепловозы в Германской Демократической Республике обозначались серией V300.
70-е гг. характеризуются появлением более совершенных тепловозов. На этих тепловозах предусматривалось применение новых экономичных четырехтактных дизелей Коломенского завода типа Д49 и электрической передачи переменно-постоянного тока. К ним относятся: грузовой тепловоз 2ТЭ116 Луганского завода и пассажирский тепловоз ТЭП70 Коломенского завода. На тепловозе 2ТЭ116 при той же мощности, что и у тепловоза 2ТЭ10Л, кроме дизеля и электрической передачи переменно-постоянного тока, применены новые конструкторские решения, использованные на тепловозе ТЭ109.
На тепловозе ТЭП70 мощностью 2940 кВт впервые в отечественной практике были применены: централизованное возду-хоснабжение для охлаждения электрических машин и выпрямительной установки, реостатный тормоз, оригинальная конструкция тележки с мягким рессорным подвешиванием, новый опорно-рамный привод колесных пар, блочная конструкция охлаждающего устройства.
14
В 1976 г. Коломенским заводом на основе тепловоза ТЭП70 был построен самый мощный в мире на то время шестиосный тепловоз ТЭП75 мощностью 4413 кВт с нагрузкой от оси на рельсы 230 кН.
Конструкторы Луганского завода успешно работали над созданием более мощных грузовых тепловозов. В 1977 г. появился первый опытный образец двухсекционного тепловоза 2ТЭ121 мощностью 2x2940 кВт, нагрузкой на ось 250 кН и силой тяги 2x294 кН. Для него, как и для тепловозов Коломенского завода, были использованы: система централизованного воздухоснабжения, электрический тормоз, новая конструкция трехосных тележек с опорно-рамным подвешиванием тяговых электродвигателей. В 1985 г. был построен двухкабинный восьмиосный тепловоз ТЭ136 мощностью 4412 кВт с оригинальными четырехосными тележками, а в 1988 г. на основе этого тепловоза построен самый мощный в мире двухсекционный тепловоз 2ТЭ126 мощностью 2x4412 кВт, не имевший аналогов в зарубежном тепловозостроении.
В 1989 г. коломенскими тепловозостроителями был создан восьмиосный скоростной тепловоз ТЭП80 мощностью 4412 кВт. В 1991 г. на одном из участков железной дороги Москва—Ленинград этот тепловоз установил мировой рекорд скорости для данного класса локомотивов — 271 км/ч.
Маневровые тепловозы в СССР и России строили Муромский и Брянский машиностроительные и Людиновский тепловозостроительный заводы.
Промышленным предприятиям необходимы дешевые и неприхотливые тепловозы небольшой мощности. Одним из первых заводов, на котором было налажено производство таких тепловозов, стал Муромский машиностроительный завод имени Ф.Э. Дзержинского.
В 1955 г. на Муромском заводе был разработан проект промышленного тепловоза ТГМ1, по мощности и силе тяги равноценного паровозу 9П, выпускавшемуся на этом предприятии. В 1957 г. началось серийное производство этих локомотивов. В отличие от всех отечественных тележечных тепловозов, у него был простой бестележечный экипаж с спарниковым приводом колес. Такой тип экипажа сохранился на всех последующих модификациях тепловозов. На заводе было налажено производство гидравлической передачи для этого тепловоза. В 60-е гг. завод начал выпускать тепловозы серии ТГМ23. К концу
15
XX столетия завод разработал и построил несколько модификаций тепловоза ТГМ23 (ТГМ23Б, ТГМ23В, ТГМ23Д) с различной нагрузкой от оси на рельсы от 440 до 540 кН, шириной колеи 1435, 1520 и 1676 мм, двумя типами гидропередачи, для эксплуатации в различных климатических условиях. Поэтому предприятие вышло на экспортные поставки тепловозов во многие страны мира.
Первый тепловоз серии ТЭМ1 мощностью 735 кВт был построен в Брянске в 1958 г., дальнейшим развитием этой машины стал тепловоз ТЭМ2 мощностью 882 кВт. На этих тепловозах использованы четырехтактные дизели типа Д50 Пензенского дизельного завода. Увеличение мощности дизеля достигнуто применением турбонаддува. Тепловозы типа ТЭМ2 различных модификаций выпускались заводом в течение многих лет. Конструкторы Брянского завода постоянно работали над совершенствованием этой машины. Тепловоз ТЭМ2 стал одним из самых надежных и экономичных локомотивов.
В 1970 г. завод изготовил партию тепловозов ТЭМ5 с дизелем типа Д49 и бесчелюстными тележками, а в 1971 г. легкий универсальный тепловоз ТЭМ6, предназначенный для работы на железных дорогах колеи 1000, 1067, 1435 и 1520 мм. Этот тепловоз отличался небольшой нагрузкой от оси на рельсы (153 кН) и повышенной мощностью дизеля (1103 кВт). На базе тепловоза ТЭМ2 был создан ряд модификаций экспортных тепловозов (ТЭМ4, ТЭМ15 и другие). Более 800 таких тепловозов работают на железных дорогах Кубы, Монголии, Сирии, Гвинеи, Нигерии, Болгарии, Польши, Югославии и других стран.
В 90-х гг., несмотря на отсутствие заказов от МПС, Брянский завод продолжал работы над созданием новых типов локомотивов. В 1997 г. был построен первый в России газодизельный тепловоз ТЭМ18Г мощностью 882 кВт, который может работать на дизельном топливе и сжатом газе. На газотепловозе установлена модификация дизеля Д50, работающего по газодизельному циклу.
В эти же годы конструкторы Брянского завода работали над созданием тепловозов с передачей переменного тока. Первый тепловоз был создан в 1998 г. переоборудованием тепловоза ТЭМ2. В 2000 г. заводом построен принципиально новый как по электрической передаче, так и по ходовой части маневрово-вывозной четырехосный тепловоз ТЭМ21 мощностью 1103 кВт и конструкционной скоростью 120 км/ч. В 2005-2006 гг. на заводе совместно
16
с ВНИКЛИ созданы два грузовых локомотива: тепловоз 2ТЭ25К с коллекторными тяговыми электродвигателями и тепловоз 2ТЭ25А с асинхронными электродвигателями. Мощность локомотивов 2500 кВт, конструкционная скорость 120 км/ч.
Тепловозостроение на Людиновском заводе началось в 1958 г. выпуском по чертежам Ворошиловградского завода опытного четырехосного тепловоза ТГМ2 с быстроходным дизелем Ленинградского завода «Звезда», мощностью 550 кВт и гидромеханической передачей. Серийный выпуск тепловозов начался в 1959 г. с тепловоза ТГМЗ, проект которого полностью разработали специалисты завода. В 1961 г. на этом тепловозе была установлена вместо гидропередачи Ворошиловградского завода унифицированная гидравлическая передача Калужского завода УГП750/1200, тепловозу была присвоена серия ТГМЗА, развитием этой машины в дальнейшем стали тепловозы ТГМ4 и ТГМ4А.
В 1967 г. тепловозостроители Людиновского завода построили более мощный маневровый и вывозной тепловоз ТГМ6 для металлургических предприятий. Завод строил на основе тепловозов ТГ102 магистральные двухсекционные тепловозы ТГ16 мощностью 2410 кВт для железных дорог Сахалина с шириной колеи 1067 мм.
Знаменательной вехой для отечественного тепловозостроения стало создание Людиновским заводом маневрово-вывозного тепловоза ТЭМ7 мощностью 1470 кВт. Высокие тяговые качества (сила тяги длительного режима — 343 кН) обеспечивали обработку тяжеловесных составов массой до 7000 т. Тепловоз отличает уникальная восьмиосная ходовая часть, впервые разработанная в СССР. По своему техническому уровню тепловозы ТЭМ7 и ТЭМ7А превзошли лучшие достижения в отечественном и зарубежном тепловозостроении.
90-е гг. XX столетия для Людиновского тепловозостроительного завода характеризуются значительными экономическими трудностями из-за резкого спада заказов на маневровые и промышленные тепловозы. В этих сложных условиях были созданы новые тепловозы для Сахалина: магистральный тепловоз ТГ22 и маневровый ТГМ11 взамен исчерпавших срок службы тепловозов ТГ16 и ТГМ7; построена автомотриса АС4 для служебных целей и перевозки ремонтных рабочих и пассажиров. Совместно с фирмой General Motors (GM) США на базе восьмиосной экипажной части тепловоза ТЭМ7 был построен в 1999 г. грузовой тепловоз ТЭРА1 мощностью 2940 кВт.
17
На этом тепловозе были воплощены лучшие достижения отечественного и зарубежного тепловозостроения этого периода.
Рассматривая историю тепловозостроения на Людиновском заводе, следует отметить, что тепловозы этого предприятия известны и за рубежом. Они работают в Болгарии, Франции, Египте, Югославии, на Кубе и в других странах (всего около 600 тепловозов).
Еще одним специализированным предприятием, на котором было организованно производство промышленных тепловозов для железных дорог узких колей (750 мм, 1067 мм), стал Камбарский машиностроительный завод. Он выпускает узкоколейные тележечные тепловозы для маневровой, вывозной и магистральной работы мощностью от 93 до 294 кВт с механической и гидравлической передачами. Это тепловозы ТУ4, ТУ5, ТУ6, ТУ7, ТГМ40.
1.2. Компоновочные схемы автономного тягового подвижного состава
Классификация автономного тягового подвижного состава (АТПС). Компоновочные решения во многом определяются типом АТПС. В зависимости от первичного источника энергии современный АТПС разделяется на две группы (рис. 1.1): дизельный подвижной состав и газотурбинный.
Рис. 1.1. Классификация автономного тягового подвижного состава
18
В настоящее время на железных дорогах России эксплуатируется подвижной состав первой группы. Построенные в 60-х гг. XX столетия на Коломенском заводе опытные газотурбовозы, грузовой Пи пассажирский ГП1, не получили дальнейшего развития в серийном производстве. В этих газотурбовозах применялись простые одновальные газотурбинные установки (ГТУ) с КПД меньшим, чем у дизеля. За 40 лет, прошедших после выпуска первых отечественных газотурбовозов, в области создания Г ГУ достигнуты значительные успехи, и возрождение газотурбинной тяги на железных дорогах России становится вполне реальным.
Наиболее распространенным видом АТПС на железных дорогах России являются тепловозы. Они классифицируются по следующим признакам:
- роду службы — грузовые, пассажирские и маневровые (промышленные);
- типу передачи мощности — с электрической, гидравлической и механической передачами;
- типу экипажа — тележечные и с жесткой рамой.
Энергетические цепи тепловозов. Устройства и связи между ними, последовательно преобразующие химическую энергию топлива в механическую энергию вращающихся колесных пар локомотива, образуют энергетическую цепь тепловоза.
Упрощенно энергетическая цепь тепловоза состоит из следующих основных элементов и связей (рис. 1.2). Дизель 1 — это агрегат, в
Электрическая энергия
Кинетическая энергия жидкости
Рис. 1.2. Схемы преобразования энергии на тепловозах:
а — с электрической передачей: 1 — дизель; 2 — тяговый генератор; 3 — тяговый электродвигатель; 4 — колесная пара; б — с гидравлической передачей: 1 — дизель; 2 — гидравлический насос; 3 — гидравлическая турбина;
4 — колесная пара
19
котором происходит преобразование внутренней химической энергии топлива в механическую энергию вращения коленчатого вала.
Дизель по своим характеристикам не соответствует требованиям тяги. Мощность дизеля при неизменной подаче топлива пропорциональна частоте вращения коленчатого вала, а момент на валу незначительно уменьшается. Необходимо, чтобы с увеличением скорости движения происходило значительное уменьшение тягового момента на колесах тепловоза при постоянной мощности дизеля. Для оптимального использования дизеля применяют устройства, преобразующие его энергию и момент требуемым образом. Такое промежуточное между дизелем и колесными парами устройство называют передачей мощности.
При электрической передаче (рис. 1.2, а) в энергетическую цепь включен тяговый генератор 2, который преобразует механическую энергию вала дизеля в электрическую. Электрическая энергия от генератора поступает к тяговым электрическим двигателям 3, которые кинематически, обычно через редуктор, связаны с колесными парами 4 и приводят их во вращение.
При гидравлической передаче (рис. 1.2, б) энергия дизеля 1 затрачивается на привод гидравлического насоса 2, сообщающего энергию жидкости в замкнутом контуре специальных гидроаппаратов. Поступая в гидравлическую турбину 3, находящуюся в контуре циркуляции, жидкость передает ей свою энергию. С выходным валом турбинного колеса механически, обычно с помощью карданных валов и редукторов, вращение передается колесным парам 4.
Компоновочные схемы тепловозов. К основным частям тепловозов, кроме дизеля и передачи, относятся экипажная часть и вспомогательное оборудование.
Экипажная часть тележечного тепловоза состоит из кузова, главной рамы и тележек. Главная рама тепловоза служит основанием для размещения силовой установки и вспомогательного оборудования. Она передает их вес через опоры на тележки. Кроме того, рама передает продольные тяговые и тормозные усилия от колесных пар к составу. Кузов размещается на раме и защищает оборудование тепловоза от внешних воздействий. Кузова бывают двух типов: вагонного или закрытого (обычно у магистральных тепловозов) и капот-ного (у маневровых тепловозов). В первом случае кузов образует
20
машинное помещение с внутренними проходами для обслуживания силовой установки; во втором — капот накрывает оборудование тепловоза, доступ к которому снаружи обеспечивается через боковые дверцы. Для возможности прохода обслуживающего персонала у тепловоза с капотным кузовом устраивают продольные (с обеих сторон) и поперечные (по концам рамы) площадки.
Двух- или трехосные тележки поворачиваются вокруг вертикальной оси, а на некоторых локомотивах дополнительно перемещаются в поперечном направлении относительно главной рамы. Такое устройство экипажной части облегчает прохождение тепловозами кривых участков пути и уменьшает их динамическое взаимодействие. На некоторых промышленных тепловозах малой мощности движущие колесные пары размещают непосредственно в главной раме.
Вспомогательное оборудование обеспечивает нормальную работу дизеля, передачи и экипажной части, а также тепловоза в целом. Это топливная, водяная и масляная системы дизеля, его устройства охлаждения и воздухоснабжения, а также системы охлаждения и вспомогательные устройства передачи, песочная система экипажа, воздушная (тормозная) система тепловоза, система пожаротушения и т.п.
Общее устройство и компоновка магистральных тепловозов. Эти вопросы полезно начать рассматривать на примере тепловозов типа 2ТЭ10 (2ТЭ10Л, 2ТЭ10В, 2ТЭ10М) как наиболее распространенных серий грузового тепловоза СССР и России, начиная с 70-х гг. XX века и по настоящее время.
На тепловозе 2ТЭ10Л применена электрическая передача постоянного тока. Он состоит из двух одинаковых секций (рис. 1.3), соединенных между собой стандартной автосцепкой 21. Каждая секция с кузовом 12 вагонного типа оборудована кабиной машиниста 2 с пультом управления 7 и в случае необходимости может использоваться в качестве самостоятельного локомотива. При совместной работе обе секции управляются с поста управления головной секции.
Источником энергии на тепловозе служит двухтактный дизель типа 10Д100 мощностью 2206 кВт. Основная часть энергии дизеля 13 передается тяговому генератору 9, вал якоря которого соединен по-лужесткой пластинчатой муфтой с коленчатым валом дизеля. Тяговый генератор преобразует механическую энергию вращения вала дизеля в электрическую. Дизель и генератор, установленные на
21
8
11 13
Рис. 1.3. Схема размещения основных узлов секции тепловоза 2ТЭ10Л: 1 — пульт управления; 2 — кабина машиниста; 3 — двухмашинный агрегат, 4 — тормозной компрессор; 5, 16 — вентилятор; 6 — передний редуктор; 7 — высоковольтные камеры; 8— вентилятор; 9— тяговый генератор; 10 — поддизельная рама; 11 — центробежный нагнетатель; 12 — кузов; 13 — дизель; 14 — турбокомпрессор; 75 — задний редуктор; 17 — охлаждающее устройство; 18— секции ; 19— гидроредуктор; 20 — холодильник; 21 —автосцепка; 22 —тяговый электродвигатель;25 — колесная пара; 24 — бак; 25 — трехосные тележки; 26 — главная рама
общей поддизельной раме 10, представляют собой единый силовой агрегат — дизель-генератор. Дизель-генератор, являющийся наиболее тяжелой частью тепловоза, расположен на главной раме 26 в средней части. Это необходимо для равномерного распределения нагрузок на колесные пары 23, которые объединены в две трехосные тележки 25.
Главная рама опирается на каждую тележку в четырех точках (боковых опорах). Центральный шкворень, соединяющий раму с тележкой, является осью поворота тележки относительно рамы и передает только горизонтальные усилия. Все оси тепловозов движущие. На оси каждой колесной пары подвешен тяговый электродвигатель 22. Тяговые электродвигатели питаются током от тяго
22
вого генератора. Они преобразуют электрическую энергию в механическую и через зубчатые передачи (редукторы) приводят во вращение колесные пары.
Для привода агрегатов вспомогательного оборудования мощность от вала дизеля отбирается через передний б и задний 15 редукторы. В частности, с передним редуктором б связаны тормозной компрессор 4 и двухмашинный агрегат 3, состоящий из возбудителя, питающего обмотку главных полюсов тягового генератора, и вспомогательного генератора, являющегося на тепловозе источником низкого (75 В) напряжения для цепей управления, освещения и т.п. От заднего редуктора 75 через гидроредуктор 19 приводится вентилятор охлаждающего устройства 7 7. Последний просасывает воздух через радиаторы для охлаждения воды, состоящие из отдельных секций 18. Секции (различной величины) расположены в два яруса с обеих сторон шахты холодильника 20. Нагретый воздух вентилятор выбрасывает вверх через крышу тепловоза. Между кабиной машиниста и машинным помещением по обеим сторонам от центральной двери находятся высоковольтные камеры 7, в которых размещена большая часть электрических аппаратов.
По обеим сторонам дизеля под полом расположены аккумуляторные батареи, которые используются для пуска дизеля при помощи тягового генератора. На его полюсах размещена дополнительная пусковая обмотка, которая при пуске включается последовательно с обмоткой генератора на напряжение аккумуляторной батареи. Генератор, таким образом, оказывается временно в режиме электродвигателя последовательного возбуждения. Когда вал дизеля достигнет необходимой частоты вращения для самостоятельной работы дизеля, пусковая цепь размыкается. После этого тяговый генератор, приводимый дизелем, может сам вырабатывать электрическую энергию. При работе дизеля аккумуляторная батарея заряжается от вспомогательного генератора. Запас топлива хранится в баке 24, подвешенном к главной раме в средней ее части.
Воздух для дизеля засасывается из атмосферы через воздухоочистители, расположенные в боковых стенках кузова с обеих сторон тепловоза, турбокомпрессорами 14и центробежным нагнетателем 77, работающими последовательно, и через воздухоохладитель нагнетается в цилиндры дизеля. Продукты сгорания (газы) из цилин
23
дров отводятся через выхлопной коллектор, турбины турбокомпрессоров и выхлопные патрубки в атмосферу.
Тяговые электрические машины, в обмотках которых при работе выделяется большое количество тепла, охлаждаются воздухом. Для охлаждения генератора предназначен вентилятор 8, связанный с верхним валом дизеля. Охлаждение тяговых электродвигателей обеспечивается вентиляторами 5 и 16. Они приводятся во вращение от вала дизеля соответственно через передний и задний редукторы. Каждый вентилятор подает воздух в три двигателя одной тележки. Воздух подводится к двигателям по каналам в раме тепловоза и затем по гибким брезентовым рукавам. На привод вспомогательных агрегатов тепловоза затрачивается значительная мощность: 160—230 кВт на секцию.
С учетом потерь в передаче максимальная полезная (так называемая касательная) мощность тепловоза 2ТЭ10Л с дизелями мощностью 4400 кВт равна примерно 3400 кВт.
В трехосных тележках тепловоза применены челюстные буксы и одноступенчатое сбалансированное рессорное подвешивание. Тяговый электродвигатель с тяговым редуктором подвешен одним концом через упругую подвеску к раме тележки, а другим через моторно-осевые подшипники скольжения опирается на ось колесной пары. Такое подвешивание электродвигателя называется опорно-осевым. Конструкция тележки обеспечивает максимальную скорость движения 100 км/ч.
Привод всех вспомогательных агрегатов тепловозов типа 2ТЭ10 от дизеля — механический, включающий различные редукторы, валопроводы, упругие муфты. У механического привода высокий КПД. Однако применение такого типа привода затрудняет компоновку тепловоза, увеличивает его вес.
В последующем развитии отечественного магистрального тепловозостроения просматривается тенденция отказа от применения механического привода.
На грузовом тепловозе 2ТЭ116 (рис. 1.4) для вспомогательных агрегатов (вентиляторов, компрессора) применен индивидуальный электрический привод. У этого тепловоза тормозной компрессор 10, как один из наиболее шумящих агрегатов, благодаря электрическому приводу размещен, в отличие от тепловозов типа 2ТЭ10, на
24
Рис. 1.4. Схема размещения основных узлов секции тепловоза 2ТЭ116:
1 — кабина; 2 — высоковольтная камера; 3 — блок охлаждения тормозных резисторов; 4 — мотор-вентилятор охлаждения выпрямительной установки; 5 — выпрямительная установка; 6 — возбудитель; 7 — вентилятор охлаждения тягового генератора; 8 — глушитель шума; 9 — кассетный фильтр очистки воздуха; 10 — тормозной компрессор; И — мотор-вентилятор холодильной камеры; 12 — радиаторные секции; 13— главная рама; 14 — тяговый электродвигатель; 15 — электродвигатель привода компрессора; 16 — редуктор; 17— вентилятор охлаждения задней тележки ТЭД; 18 — дизель; 19 — ниши для размещения аккумуляторных батарей; 20 — топливный бак; 21 — рама тележки; 22 — вентилятор охлаждения ТЭД передней тележки
значительном удалении от кабины. Перед кабиной расположена высоковольтная камера 2, изолированная от дизельного отсека. Такой компоновкой удалось значительно снизить шум в кабине. На тепловозе применена традиционная для тепловозов Луганского завода холодильная камера шахтного типа, привод вентиляторов (их четыре) осуществляется электродвигателями переменного тока. Топливный бак 20 свободно подвешен снизу к главной раме, в баке есть ниши 19, в которых размещаются аккумуляторные батареи. Очистка воздуха для электрических машин (генератора и тяговых электродвигателей), а также выпрямительной установки осуществляется в кассетных фильтрах.
У тепловоза две трехосные бесчелюстные тележки с индивидуальным приводом колесных пар тяговым электродвигателем постоянного тока 14. Подвешивание двигателя опорно-осевое. Однако расположение двигателей в тележке иное, чем у тепловоза 2ТЭ10Л: двигатели третьей и четвертой осей развернуты подвесками к середине тепловоза. Такое расположение повышает тяговые качества локомотива. Начиная с 1981 г. на магистральных тепловозах типа 2ТЭ10 вместо челюстных применяются унифицированные бесчелюстные тележки и унифицированная с тепловозом 2ТЭ116 кабина машиниста (тепловозы 2ТЭ10В, 2ТЭ10М).
Пассажирские тепловозы обычно односекционные, двухкабинные. Поэтому они несколько длиннее, чем одна секция грузового тепловоза той же мощности.
На тепловозе ТЭП70 (рис. 1.5) в системе охлаждения тяговых электрических машин и выпрямительного устройства применено оригинальное решение: централизованное воздухоснабжение (ЦВС) 6, 7, расположенное между генератором и высоковольтной камерой. Подача очищенного воздуха к охлаждаемым агрегатам осуществляется высокопроизводительным осевым вентилятором, установленным в цилиндрическом корпусе. Привод вентилятора механический от генератора через упругую резинокордную муфту и конический редуктор. Таким образом, вместо четырех центробежных вентиляторов тепловоза 2ТЭ116 в системе воздухоснабжения тепловоза ТЭП70 применяется один более экономичный осевой. Система ЦВС получила широкое распространение и на других тепловозах: ТЭМ7, 2ТЭ121, ТЭП80.
26
Рис. 1.5 Схема размещения основных узлов тепловоза ТЭП70:
1 — кабина; 2 — вентиляторное колесо охлаждающего устройства; 3 — глушитель шума; 4— блок фильтров воздуха дизеля, 5 — дизель-генератор; 6 — блок фильтров централизованной системы воздухоснабже-ния тяговых электрических машин, 7 — вентилятор централизованного воздухоснабжения; 8 — блок электрического тормоза, 9 — высоковольтная камера; 10 — тяговый электродвигатель; 11 — топливный бак с нишами для аккумуляторов, 12 — рама тележки; 13 — шахта охлаждающего устройства; 14 — электродвигатель привода компрессора; 15 — компрессор
to
На тепловозах ТЭП70 первых выпусков впервые в отечественной практике применены три охлаждающих устройства блочного типа, установленные в крыше тепловоза. Осевые вентиляторы этих устройств приводятся во вращение гидромоторами. На тепловозах Коломенского завода в системе охлаждения воды дизеля традиционно используется гидростатический привод вентиляторов. На тепловозах, начиная с № 8, блочная конструкция охлаждающих устройств заменена шахтной 13 с двумя вентиляторами 2. Вместо укороченных водяных секций радиаторов типа ВС7 применены более длинные секции — ВС 12. Число секций значительно уменьшилось, сократилась и длина трубопроводов.
Компрессор 15 тепловоза установлен на главной раме под одним из блоков охлаждения воды дизеля. Привод компрессора электрический двигателем постоянного тока 14.
Топливный бак И тепловоза ТЭП70 вварен в несущую систему кузова и располагается между тележками. В баке сделаны специальные отсеки, в которых располагаются аккумуляторные батареи.
При двухкабинном варианте тепловоза, с двумя дизелями и двумя гидропередачами, компоновкой можно добиться почти полной симметрии в расположении оборудования относительно середины тепловоза. В отечественной практике такие тепловозы выпускал Людиновский завод для Сахалина. Это тепловозы ТГ16 (хотя и однокабинные, но с двумя силовыми установками в секции) и ТГ22. Схема компоновки основного оборудования тепловоза ТГ22 приведена на рис. 1.6. При отсутствии необходимости в использовании полной мощности и тяги тепловоз может работать с одной энергетической установкой.
На маневровых тепловозах применяется кузов капотного типа. Такое решение является обязательным условием, так как из одной кабины необходимо обеспечивать хороший обзор пути при движении вперед и назад. Наилучшее расположение кабины с точки зрения обзора — посередине тепловоза в приподнятом над главной рамой положении. На отечественных маневровых тепловозах кабина расположена ближе к одному из концов локомотива, для размещения наиболее тяжелых агрегатов (дизель-генератора, дизеля и гидропередачи) посередине тепловоза.
28
Рис. 1.6. Схема размещения основного оборудования тепловоза ТГ22:
1 — кабина; 2 — фильтр воздуха дизеля; 3 — глушитель шума; 4 — дизель; 5 — вентиляторное колесо; 6 — радиаторные секции; 7 — вспомогательный генератор; 8 — фильтр очистки масла; 9 — редуктор привода вентилятора; 10 — компрессор; 11 — тамбур; 12 — главная рама; 13 — рама тележки; 14 — колесная пара; 75 — гидропередача; 16 — топливный бак; 17 — соединительный карданный вал; 18 — раздаточный карданный вал; 79 — осевой редуктор; 20 — тележечный карданный вал
Типичной для маневровых локомотивов является компоновка оборудования тепловоза серии ТЭМ2У (рис. 1.7). Посередине на главной раме 1 установлен дизель-генератор 8. Дизель типа Д50 среднеоборотный, вращает генератор постоянного тока. В тепловозе применены механические приводы всех вспомогательных агрегатов. Холодильная камера (позиции 2, 4, 5) в виде отдельного блока образует переднюю часть тепловоза. Аккумуляторная камера 14 расположена за кабиной машиниста. Топливный бак 19 подвешен между тележками. Тележка челюстная со сбалансированным рессорным подвешиванием и смешанным, как и у тепловозов 2ТЭ10Л (рис. 1.3), расположением тяговых электродвигателей 16.
У маневровых тепловозов с гидропередачей (обычно это четырехосные локомотивы) расположение оборудования аналогично маневровым тепловозам с электропередачей, однако дизель из-за гидропередачи смещается от середины тепловоза в сторону холодильной камеры (рис. 1.8). При таком несимметричном расположении оборудования затруднена развеска тепловоза. У маневрово-промышленных тепловозов Людиновского завода она решается размещением соответствующим образом балласта. Установка гидропередачи посередине тепловоза обеспечивает симметрию трансмиссии, и, следовательно, можно применить одинаковые элементы для привода колесных пар передней и задней тележек. У некоторых тепловозов с гидропередачей, например ТГМ6А, аккумуляторная камера располагается перед кабиной.
У тепловозов Людиновского завода ТГМ12 (см. рис. 1.8) привод компрессора 5 осуществляется отключаемой гидромуфтой, установленной в гидропередаче 15. Через механический редуктор, встроенный в гидропередачу, приводится во вращение и вспомогательный генератор 6. Вентилятор холодильной камеры 10 связан с валом дизеля через гидромеханический редуктор 13.
Анализ компоновок различных тепловозов выявляет некоторые общие закономерности. По типу компоновки оборудования все тепловозы можно разделить на две группы: с симметричным и несимметричным расположением основного силового оборудования в отношении поперечной оси.
Симметричное расположение оборудования, при котором легче достигнуть равномерного распределения нагрузок по колесным
30
Рис. 1.7. Схема размещения основных узлов тепловоза ТЭМ2У:
1 — главная рама; 2 — редуктор привода вентилятора; 3 — бункер передней песочницы; 4 — радиаторные секции; 5 — вентилятор; 6 — карданный вал привода вентилятора; 7 — вентилятор охлаждения ТЭД передней тележки; 8— дизель-генератор; 9— искрогаситель; 10— компрессор; 11 — высоковольтная камера; 12 — двухмашинный агрегат; 13— кабина; 14 — аккумуляторная камера; 75 — бункер задней песочницы; 16 — тяговый электродвигатель; 17 — рама тележки; 18 — тяговый редуктор; 19 — топливный бак
СМ to
Рис. 1.8. Схема размещения основных узлов тепловоза ТГМ12:
1 — главная рама; 2 — бункер задней песочницы; 3 — аккумуляторная камера; 4 — кабина; 5 — компрессор; б — вспомогательный генератор; 7 — дизель; 8 — искрогаситель; 9 — фильтр воздуха дизеля; 10 — вентиляторное колесо; 11 — радиаторные секции; 12 — бункер передней песочницы; 13 — гидромеханический редуктор привода вентилятора; 14 — топливный бак; 15 — гидропередача; 16 — раздаточный карданный вал; 17 — осевой редуктор; 18 — тележечный кардан
парам, характерно для односекционных тепловозов с двумя быстроходными дизелями и двумя гидропередачами или генераторами. Кроме равномерного распределения веса, для тепловозов с гидропередачей удается в этом случае использовать одинаковые элементы трансмиссии (карданные валы, раздаточные и осевые редукторы, промежуточные опоры и т.д.).
Несимметричное расположение оборудования характерно для тепловозов с одной силовой установкой. Корректирование распределения нагрузок по тележкам можно обеспечить в этом случае незначительным смещением в продольном направлении силовой установки и соответствующего расположения балласта, что широко используется для маневровых локомотивов.
Вспомогательное оборудование относительно дизеля располагают так, чтобы все приводы были проще по конструкции, наиболее коротки и содержали минимальное количество звеньев.
Для двухсекционных и двухкабинных тепловозов с шахтной конструкцией холодильной камеры нежелательно расположение в ней вспомогательного оборудования и приводов, так как это затрудняет проход обслуживающего персонала из секции в секцию или из кабины в кабину. В этом отношении компоновка тепловозов типа 2ТЭ10Л не отвечает данному требованию.
Для уменьшения аэродинамического сопротивления системы воздухоснабжения и выпуска отработанных газов необходимо устанавливать по возможности ближе к дизелю. Места для всасывания атмосферного воздуха и выпуска отработавших газов из дизеля располагают так, чтобы исключить попадание газов в воздух, поступающий в дизель, на охлаждение электрических машин, кабину машиниста. На выпуске газов из дизеля обязательно устанавливается глушитель-искрогаситель.
Водяные, масляные и топливные трубопроводы также необходимо делать по возможности короче. В настоящее время тепловозные дизели оборудуют смонтированными на них водомасляными теплообменниками, различными фильтрами, насосами, что сокращает длину трубопроводов, уменьшает количество гибких соединений, часто выходящих из строя, и повышает общую надежность работы систем дизеля.
33
Расположение охлаждающего устройства на тепловозах в значительной степени обусловлено конструкцией приводов вентиляторов. При использовании механического привода необходимо стремиться к уменьшению длины валопроводов, что способствует снижению вибрации, шума, повышению их надежности, снижению стоимости привода. При применении в качестве привода вентиляторов гидро-объемных или электрических машин охлаждающее устройство можно размещать в наиболее удобном месте для обслуживания и развески. При этом пространство кузова не загромождается горизонтальными и вертикальными валами и их ограждениями, опорами, редукторами, что улучшает условия размещения другого оборудования. Наилучшим вариантом является блочная конструкция охлаждающего устройства, размещенного в крыше тепловоза, как это сделано на тепловозах ТГ16, ТГ22, ТЭРА1.
Для охлаждения главного вентилятора, тяговых электродвигателей, выпрямительной установки применяются различные вентиляторы, приводимые от дизеля или электродвигателями. На современных тепловозах отдается предпочтение электрическому регулируемому приводу. На тепловозах ТЭП70, ТЭП80, 2ТЭ121, ТЭМ7, ТЭРА1 для охлаждения электрических машин и аппаратов применяется централизованная система воздухоснабжения с одним осевым или центробежным вентилятором.
При размещении оборудования локомотивов с кузовом вагонного типа следует предусматривать по обеим сторонам сквозные проходы шириной 700—800 мм для удобства обслуживания дизель-генератора и другого оборудования. Между кабиной и силовым оборудованием для уменьшения шума в кабине в магистральных тепловозах целесообразно иметь тамбур. Около кабин со стороны дизельного помещения размещать малошумное оборудование: высоковольтные камеры, преобразователи частоты, фильтры, аккумуляторные отсеки и т.п.
Компоновочные схемы дизель-поездов и автомотрис. Дизель-поезда и автомотрисы предназначены для перевозок пассажиров на неэлектрифицированных линиях. Автомотрисы обычно применяются для перевозки пассажиров на участках с малым пассажиропотоком, а также путейских и других работников. В последнем случае на железных дорогах зачастую используют так называемые служебные
34
автомотрисы, у которых кроме кабин и пассажирского салона есть моторный отсек с силовым и вспомогательным оборудованием, а также генератором для питания внешних потребителей, применяемых при ремонтных работах. Типичным примером служебной автомотрисы является двухосная автомотриса Людиновского завода АС4.
Дизель-поезда состоят из 4, 6 и 8 вагонов, из которых обычно головные (моторные) вагоны являются тяговыми. В головных вагонах за кабиной машиниста располагается моторный отсек, в котором размещается силовая установка в виде дизель-генератора или дизеля и гидропередачи. В этом отсеке, а также под вагоном устанавливается вспомогательное оборудование для обслуживания дизеля и пневмо-систем поезда, в том числе тормозной и автоматического управления дверями вагонов. Из-за размещения кабины и моторного отсека пассажировместимость головного вагона меньше, чем прицепного. Например, в дизель-поезде ДР1 Рижского вагоностроительного завода оборудовано 68 сидячих мест для головного и 124 для прицепного, а в дизель-поезде ДР2 — соответственно 104 и 124 места.
На дизель-поездах применяется гидравлическая передача с карданным приводом на переднюю двухосную тележку, которая является тяговой.
Автомотрисы в зависимости от компоновки силового оборудования различают двух типов: с размещением дизеля в моторном отсеке кузова и с размещением полностью всего силового оборудования под кузовом. У служебной автомотрисы АС4 моторный отсек находится в кузове, а гидропередача располагается под вагоном. Конструкции некоторых отечественных автомотрис описаны в главе 6 учебника.
У зарубежных дизель-поездов и автомотрис обычно силовое и вспомогательное оборудование располагается под вагоном. Такое решение значительно увеличивает пассажировместимость дизель-поездов и автомотрис. Для большинства моторвагонного подвижного состава данных типов применяются гидропередачи известной немецкой фирмы «Voith». При этом в зависимости от выбранной мощности под тяговым вагоном могут размещаться одна силовая установка с приводом колесных пар одной из тележек (рис. 1.9, а) или две силовые установки с приводом на одну из колесных пар каждой тележки (рис. 1.9, б).
35
o\
Рис. 1.9. Схемы размещения силового оборудования на некоторых зарубежных дизель-поездах и автомотрисах:
а — с приводом на одну тележку; б — с приводом на две тележки; 1 — дизель; 2 — гидропередача; 3 — двухступенчатый осевой редуктор
В конце XX века в Германии благодаря успешному развитию асинхронного тягового привода удалось реализовать новое концептуальное решение дизель-поезда. В качестве тяговой единицы этого поезда используется двухосный модуль длинной 3900 мм, в котором размещены: дизель-генераторная установка, системы обслуживания дизеля, компрессор, преобразователь частоты, топливный бак и два асинхронных электродвигателя с тяговыми редукторами. На тяговую тележку безрамной конструкции опираются кузов модуля и концы двух пассажирских вагонов. С другой стороны пассажирский вагон опирается на свою поддерживающую двухосную тележку. У модуля есть проход, что позволяет пассажирам и обслуживающему персоналу переходить из вагона в вагон.
В дизель-поезде GTV2/6 установлен один тяговый модуль (мощностью по дизелю 540 кВт), расположенный посередине двухвагонного поезда и рассчитанный на перевозку 240 пассажиров, а у дизель-поезда GTV4/8 два тяговых модуля и три пассажирских вагона вместимостью 348 пассажиров.
1.3. Выбор основных параметров тепловозов
К основным параметрам локомотива, характеризующим его как тяговую единицу подвижного состава, относят мощность по дизелю, касательную мощность и силу тяги на ободе колес и на автосцепке, служебную массу, сцепной вес, нагрузку от колесной пары на рельсы, конструкционную и расчетную скорости, линейные, базовые и габаритные размеры.
Выбор основных параметров магистральных локомотивов зависит от масс и скоростей движения поездов, обеспечивающих минимальные годовые затраты на освоение заданного объема перевозок. При выборе основных параметров необходимо учитывать несущую способность пути и путевых сооружений, габарит подвижного состава, технический уровень развития локомотивостроения и смежных отраслей. Для реализации основных параметров следует широко использовать стандартизацию и размерные ряды локомотивов по видам тяги и назначению.
37
Расчетную касательную мощность 7’к (кВт) локомотива, реализуемую на ободе его колес при условии установившегося движения, находят из выражения
Р = Fpv /3,6, (1.1)
к к р ’ ’ v 7
где — касательная сила тяги на расчетном режиме, равная сопротивлению движения поезда заданной массы на расчетном подъеме, кН; ур — расчетная скорость движения (установившаяся скорость движения на расчетом режиме), км/ч.
Исследования по установлению масс грузовых mv и пассажирских тп поездов показывают, что экономически целесообразная масса поезда соответствует полному использованию длины станционных путей и их несущей способности. При современных нормах на эти показатели пути и с учетом технической оснащенности и провозной способности железных дорог наибольшая масса пассажирского поезда равна не более 1200 т, грузового 6000 т (табл. 1.1).
Таблица 1 1
Рекомендуемые массы поездов и скорости движения
Вид движения Масса поезда, т (не более) Скорость, км/ч
расчетная, vp максимальная, vK
Грузовой на однопутных участках с МИЛЫМ 2000—3000 19—24 100
грузооборотом наибольшим 5000—6000 23—26 120
грузооборотом Пассажирский 800—1200 42—48 140—160
Наибольшую касательную мощность маневрового тепловоза, реализуемую при разгоне грузового поезда массой тг (т) до скорости Ур, находят из уравнения
Рк =(шг/3600)(со0+ ^ + 10^, (1.2)
где со0 — удельное сопротивление, <о0 = 30 Н/т;уср — среднее ускоряющее усилие, у = (50—80) Н/т; z'o — удельное сопротивление от подъема, /0 = (0—20) Н/т; vcp — средняя скорость при разгоне, vcp = (7—8,5) км/ч.
38
Эффективную мощность, PQ (кВт) — основной энергетический параметр автономного локомотива, равный мощности его силовой установки, определяют по выражению
Р =Р /Г] и , (1.3)
е к 'п 'всп ’ >
где г)п — КПД передачи, т]п = 0,77 для гидропередач, г)п = 0,8 для электрических передач; г)всп — коэффициент свободной мощности.
Коэффициент Г)всп учитывает расход энергии на привод вентилятора холодильной установки, вспомогательных машин (компрессора, вспомогательного генератора и др.) и аппаратов. Для тепловозов с электрической передачей коэффициент г)всп ~ 0,90—0,92, с гидравлической передачей Г|всп = 0,92—0,93. У газотурбовозов отсутствует мощная холодильная установка, поэтому значение [Зс = 0,97.
Мощность Ре наряду с другими параметрами используют для выбора энергетической установки проектируемого локомотива. В том случае, когда эффективная мощность установлена техническим заданием или принята по мощности энергетической установки, следует определить массу поезда, при которой локомотив может двигаться со скоростями, рекомендованными ВНИИЖТом.
Сцепной вес Усц (кН) является суммарной нагрузкой на движущие колесные пары локомотива и характеризует его способность развивать необходимую силу тяги без проскальзывания колес по рельсам.
Сцепной вес для грузового локомотива вычисляют при условии его движения по расчетному подъему с установившейся скоростью без боксования из соотношения
N >3,6Р /ш n v 11 41
СЦ.Г ’ К т К 'и р : V1 'V
где ук — коэффициент сцепления при скорости гр; г]и — коэффициент использования сцепного веса; для локомотивов с групповым приводом т)и = 1, с индивидуальным г)и = 0,92 (см. п. 2.7.1).
Для получения требуемых значений коэффициента Т]и, при индивидуальном электрическом приводе колесных пар, рекомендуют применять поводковые буксы, рядное расположение тяговых двигателей подвесками к середине тепловоза, низкое размещение шкворня, наклонные тяги для передачи тяговых сил от тележек к кузову, догружатели — устройства, уменьшающие разгрузку колесных пар тележки при движении локомотива в тяговом режиме.
39
Сцепной вес пассажирского локомотива из условия обеспечения заданного ускорения при разгоне поезда определяют по формуле
™пк+СОтр+г0+СОу) io3vKnB
(1-5)
где (со0 + шТр + Zo) — полное удельное сопротивление движению поезда в момент трогания с условной скоростью 5—8 км/ч на уклоне i (%о), Н/т; соу_удель-
ное сопротивление от ускоряющего усилия, Н/т; соу = (ап — ускорение поезда после трогания с места в зависимости от категории поезда, равное 1200—1800 км/ч2; £ — ускорение поезда, км/ч2, при действии удельной ускоряющей силы 1 Н/т).
Для расчета можно принять со0 + со + /0 = 80 Н/т. Значения £ для грузовых и пассажирских поездов равны 12,2 км/ч2, электропоездов — 12 км/ч2, дизель-поездов — 11,8 км/ч2.
Выбрав значение /V п, проверяют возможность реализации при этом заданного ускорения разгона по уравнению при соТр = 0 с более высокими скоростями движения. Если принятое значение ап не выдерживается на участке, равном половине пути разгона, то вес /Vc п увеличивают.
Сцепной вес маневрового локомотива (тепловоза) зависит от характера и условий его работы: сортировочных маневров на горке, вывозных операций на магистральных дорогах и т.д. При горочной работе потребный сцепной вес определяют при трогании поезда с места после остановки у горба горки из соотношения
т (со „ + со + со ) г\ о тр ср/
103w п
тк 'в
(1-6)
где со0 + соТр — удельное сопротивление движению, равное для грузовых поездов 70 Н/т; соср — среднее сопротивление при подъеме по надвижной части горки, Н/т.
Сопротивление сиСр для всех видов подвижного состава численно равно 10-кратной величине подъема, которую находят из выражения
Z ср ~z'lZ'l+z2Z'2+- + z«Z'n/Z'c, (1-7)
где Zj, z2„.., in — подъемы участков надвижной части горки, %о; Zq, Ly • -, Ln — длины участков надвижной части горки, м; Lc — длина состава, м.
40
В условиях вывозной работы сцепной вес локомотива находят из уравнения при расчетной скорости тр = 10—16 км/ч.
Служебная масса тсл (кг) — это масса экипированного локомотива с 2/3 запаса топлива и песка.
Служебную массу определяют количеством материалов, вложенных в конструкцию машины. У тележечных локомотивов, у которых все колесные пары движущие, служебная масса равна 0,1Усц. У маневровых локомотивов обычно служебной массы недостаточно для получения расчетного сцепного веса. В этом случае в экипажной части предусматривают размещение дополнительной массы (балласта). Служебная масса магистральных пассажирских локомотивов, особенно скоростных, обеспечивает действительный сцепной вес, превосходящий расчетный. У таких локомотивов можно снизить служебную массу при их изготовлении уменьшением расхода материалов.
На этапе проектирования масса определяется как сумма масс несущих элементов, агрегатов, приборов, узлов, систем, балласта и т.д., образующих конструкцию локомотива. Все оборудование локомотива необходимо разместить таким образом, чтобы нагрузка от кузова на тележки и от колесных пар на рельсы были одинаковыми (в пределах заданного допуска). Для этих целей при проектировании рассчитывается развеска локомотива. Для выполнения развески вычерчивают схему расположения оборудования с указанием положения центров масс всех элементов, например, от вертикальной оси, проходящей через центр головки автосцепки, и составляют ведомость развески с учетом экипировочных запасов и веса локомотивной бригады. Окончательно служебную массу и распределение нагрузок от колесных пар на рельсы построенных локомотивов определяют взвешиванием на специальных электрических весах.
Количество колесных пар зависит от массы локомотива и нагрузки от колесной пары на рельсы. Если в расчете использовать служебную массу, то будет определено общее количество колесных пар, если сцепной вес — общее количество движущих колесных пар. Для одной секции локомотива »кп может быть равно 2, 3, 4, 6 и 8. Если нкп больше, то локомотив формируют из двух секций.
Наметив для проектируемого локомотива общее количество колесных пар, проверяют статическую нагрузку на рельсы по выражению
41
2П = 9,8гасл/икп <[2П], (1.8)
где [2П] — допускаемая статическая нагрузка от колесной пары на рельсы, кН.
Допускаемая нагрузка [2П] зависит от конструкции и состояния верхнего строения пути и устанавливается техническими требованиями железнодорожного ведомства. На дорогах с рельсами Р50 и Р65, уложенными на деревянных шпалах и щебеночном балласте, допускаются следующие значения [2П]: 226 кН для грузовых тепловозов, 211 кН для пассажирских. На реконструированных участках с рельсами Р65 с железобетонными шпалами допускаемая нагрузка от колесной пары на рельс равна 245 кН для грузовых тепловозов и 221 кН для пассажирских.
Диаметр движущих колес локомотивов зависит от многих факторов, из которых надежность и минимальная неподрессоренная масса являются основными.
В настоящее время для тягового подвижного состава отечественных железных дорог применяют три типоразмера колес: диаметром 1050 и 1220 мм для тепловозов, 950 мм для дизель-поездов и электропоездов и 1220 и 1250 мм для электровозов. Для унификации ходовых частей экипажей тепловозов и электровозов рекомендуется использовать колеса диаметром 1220 и 1250 мм, что снизит эксплуатационные и ремонтные расходы, увеличит пробег между обточками бандажей, понизит контактные напряжения в рельсах. Однако при применении колес с большим диаметром возрастает масса колесной пары и увеличивается эксцентриситет главной рамы относительно автосцепки. Требуемый диаметр колеса (мм) подсчитывают по формуле
п > 2П
<1-9>
где [2р] —допускаемая нагрузка на 1 мм диаметра колеса, равная 0,2—0,27 кН/мм.
При выборе диаметра колес следует руководствоваться стандартными размерами бандажей для подвижного состава широкой колеи и ГОСТ 11018-2000 на колесные пары для тепловозов и электровозов. Бандажи толщиной 75 мм устанавливают на колеса с осевой нагрузкой до 206 кН, толщиной 90 мм — на колеса с осевой нагрузкой более 206 кН.
42
Длину локомотива по осям автосцепок Ьл (мм) устанавливают в процессе компоновки оборудования. На начальной стадии проектирования длина £л = Ре (14 - 0,00237’е) для локомотивов мощностью 1470—2500кВти£л = 8 Ре(1 -0,00008Ре) для локомотивов мощностью свыше 2500 кВт. В общем случае ориентировочно
L„=(^eK (МО)
где — рекомендуемая длина, приходящаяся на единицу мощности, мм/кВт.
Максимальная длина локомотива ограничена техническими требованиями к ремонтным стойлам депо, минимальная £д min — прочностью путевых сооружений. Для проверки Ьл min используют уравнение
L . >9,8/и /[а 1, (111)
mm ’ сл L^nJ’ V1-11/
где [<?п] — допускаемая нагрузка на единицу длины пути, равная 73,5 кН/м для проектируемых локомотивов.
База локомотива £б — это расстояние между шкворнями или геометрическими центрами тележек одной секции. Она определяет условия компоновки экипажной части «по низу» и надежность сцеп-ляемости автосцепки локомотива и вагона. Предварительно база локомотива определяется по формуле
(1-12)
где е — коэффициент, равный 0,5—0,54 для экипажной части с длиной £л до 20 м и 0,55—0,6 длиной свыше 20 м.
База тележки /т зависит от диаметра колес, размеров тягового привода, тяговых электродвигателей и других элементов, размещаемых на тележках. Расстояние между смежными колесными парами у современных тележек локомотивов равно 1,85—2,3 м. Исходя из этого можно выбрать базу тележки до разработки конструкции экипажа: в пределах 3,7—4,6 м для трехосных тележек и 5,5—6,5 м для четырехосных тележек с индивидуальным приводом. Для исключения больших ошибок при оценке линейных размеров L, L& /т их следует сравнить с аналогичными показателями современных локомотивов (табл. 1.2).
43
Таблица 1.2
Основные показатели линейных размеров локомотивов
Показатель Серия тепловоза
ТЭМ2У ТЭМ18 ТГМ6Д ТЭМ7 2ТЭ10 М 2ТЭ116 ТЭП70 2ТЭ121
Длина по осям 16910 16900 14300 21500 16969 18150 21700 21000
автосцепки, мм Шкворневая ба- 8600 8800 8000 10900 8600 9630 13790 11200
за, мм База тележки, мм Расстояние от 4200 4155 3700 4050 2100 3250 6300 5300 3700 3560 3700 4483 4300 3955 4400 4900
шкворня до оси автосцепки, мм LJPe, ММ /кВт мм /т 19,2 141,5 19,2 13,4 16,2 158,9 11,8 119,4 7,69 123 8,07 131,5 7,38 160,7 7,14 140
Одним из основных технико-экономических показателей при сравнении различных локомотивов и различных видов тяги является коэффициент полезного действия.
Универсальная формула для определения КПД тепловоза:
3600Р
~ Q Q ~ % Vn, (1.13)
где Р* — касательная мощность тепловоза; G4 — часовой расход топлива дизеля; gH = 42500 кДж/кг — теплота сгорания дизельного топлива; це — КПД дизеля; г]п — КПД передачи; г]всп — коэффициент, учитывающий расход энергии на вспомогательные нужды.
КПД современных тепловозов равен 28—32 %. Меньшие значения КПД соответствуют тепловозам с гидропередачей, большие — с электрической передачей.
При проектировании новых и технико-экономическом анализе эксплуатируемых локомотивов часто используют такие показатели, как удельный показатель массы — отношение массы локомотива к его эффективной или касательной мощности; удельную мощность — отношение касательной мощности локомотива к массе локомотива; коэффициент тяги — отношение силы тяги в расчетном режиме к сцепному весу локомотива и др.
44
В начальной стадии проектирования служебную массу можно подсчитать по формуле
т = Р \т / Р ) ('114')
сл е \ сл е д) > 11 •1 ^7
где («Ст/-Ре)о — удельный показатель служебной массы, рекомендуемый для перспективных локомотивов, кг/кВт.
Ниже в табл. 1.3 приведены значения удельных показателей для некоторых современных тепловозов.
В процессе проектирования основные параметры локомотивов могут уточняться с учетом требований перспективного развития и возможностей их осуществления. Рекомендуемые параметры тепловозов приведены в главе 7, см. табл. 7.1.
Таблица 1.3
Удельные показатели отечественных тепловозов
Показатель Серия тепловоза
2ТЭ10Л 2ТЭ116 2ТЭ121 1 2ТЭ25К 2ТЭ25А ТЭП70 ТЭМ7 ТЭМ18 1 ТГМ6Д
Удельная масса, кг/кВт 58,6 62 51 57,6 57,6 44 122 142,9 100
Удельная 17,06 16,0 19,6 17,36 17,36 21,8 81,67 7 9,8
мощность, кВт/т Удельная сила тяги, кН/кВт 0,112 0,133 0,1 0,12 0,156 0,057 0,233 0,227 0,227
Коэффициент тяги, кН/т 1,97 1,85 1,96 2,08 2,71 1,24 1,9 1,59 2,73
Глава 2. ТЕЛЕЖКИ
2.1. Общее устройство и типы тележек
Тележки локомотивов классифицируются на движущие, бегун-ковые и поддерживающие.
Число движущих и бегунковых тележек (колесных пар) и их конструктивное расположение оказывают значительное влияние на компоновку экипажной части локомотива. Для обеспечения при высоких скоростях одинаковых условий движения локомотива вперед или назад возникает необходимость применять бегунковые тележки на обоих концах локомотива.
Бегунковые и поддерживающие тележки бывают одноосные и двухосные, они облегчают вписывание локомотива в кривые и воспринимают избыточный (сверх сцепного) вес локомотива. Такие тележки применялись в основном на магистральных паровозах.
Движущие колесные пары могут располагаться жестко в раме локомотива, а при большом их количестве группироваться в отдельные движущие тележки (по две, три или четыре колесные пары).
В первом случае локомотив называют однорамным (тепловозы ТГМ1, ТГМ23, ТГК2, ТГМ61 и др.), в нем движущие колесные пары параллельны друг другу. У тепловозов ТГК2 и ТГМ61 они перемещаются только в поперечном направлении относительно рамы. А у тепловозов ТГМ1, ТГМ23 колесные пары, из-за особенностей спарникового тягового механизма, жестко связаны с рамой. Для обеспечения возможности прохождения кривых средняя колесная пара выполнена без гребней.
Движущие тележки допускают возможность устанавливаться под углом друг к другу, а колесные пары в пределах одной тележки расположены параллельно. Движущие тележки могут быть сочлененными (сцепленными между собой) или несочлененными. Подробная схема классификации тележек локомотивов приведена на рис. 2.1.
46
| Направляющие!
| Одноосные | | Двухосные |
| С центральным шкворнем I Со смещенным шкворнем
{Тележки локомотивов
| Движущие |
| С жесткими осевыми упорами [— | С упругими осевыми упорами^—
С наклонными плоскостями I
С пружинами
С возвращающими устройствами
Без возвращающих устройств
Рис 2.1. Классификация тележек локомотивов
С нижней тяговой балкой
С передачей силы тяги через боковые опоры
С передачей силы тяги через рычажную систему
С передачей силы тяги через пружинную связь
Для обозначения количества бегунковых и движущих колесных пар локомотивов и их взаимного расположения используются осевые формулы, содержащие цифровые обозначения. Бегунковые и движущие колесные пары обозначаются цифрами: одноосная бе-гунковая тележка — цифрой 1, двухосная — цифрой 2; затем ставится знак тире (-) и обозначение количества движущих колесных пар, жестко установленных в одной общей раме (однорамный экипаж), или в каждой сочлененной движущей тележке, при этом сочленение между движущими тележками обозначается знаком плюс (+); после чего следует обозначение задней бегунковой тележки. Приведем в качестве примера осевую формулу 1-4-1, которая означает, что локомотив имеет четыре движущие колесные пары с одноосными бегунковыми тележками по концам. Тележечный локомотив с двумя сочлененными трехосными движущими тележками обозначается осевой формулой 3+3, а при отсутствии сочленения обозначается 3-3. Цифровое обозначение дополняют индексом 0 (нуль) при индивидуальном приводе движущих колесных пар. Так, например, осевая формула 1 -20-1 обозначает локомотив с индивидуальным приводом двух движущих колесных пар и с бегунковыми колесными парами по концам.
На всех современных тепловозах применяется экипаж только тележечного типа. Так, например, односекционные тепловозы ТЭП60, ТЭП7О, ТЭМ2, ТЭМ 18с двумя трехосными тележками с индивидуальным приводом трех движущих колесных пар обозначаются осевой формулой 30-30, а тепловоз ТЭП80 с двумя четырехосными тележками с индивидуальным приводом движущих колесных пар — осевой формулой 40-40.
Для двухсекционных тепловозов перед обычной осевой формулой (одной секции) ставится цифра 2, например, тепловозы 2ТЭ10, 2ТЭ116 обозначают осевой формулой 2 (30-30).
Наибольшее распространение тележечных экипажей объясняется существенными преимуществами, в частности, улучшенной горизонтальной и вертикальной динамикой, меньшими затратами на постройку и ремонт локомотивов, а также возможностью использования агрегатных методов ремонта.
Тележки локомотивов отличаются конструкцией рамы, числом осей, системой рессорного подвешивания с упругими и диссипа
48
тивными (рассеивающими энергию колебаний) элементами, способом подвешивания тяговых электродвигателей, системой соединений с кузовом, связью колесных пар с рамой тележки, типом тормозной и песочной систем и т.д.
Наиболее широко используются двухосные и трехосные тележки, однако, в настоящее время для некоторых локомотивов разработаны четырехосные и сдвоенные двухосные тележки с промежуточной рамой.
Тележки современных тепловозов состоят из следующих основных частей: рамы, колесных пар, букс, электродвигателей с тяговым приводом при электрической передаче, осевых редукторов с карданами при гидравлической передаче, рессорного подвешивания, опорно-возвращающих устройств, тяговых устройств, механической части тормозной системы.
Рассмотрим конструкции некоторых тележек.
Челюстная трехосная тележка тепловоза 2ТЭ10Л. Основными особенностями тележек тепловозов ТЭЗ, 2ТЭ10Л, ТЭМ2 и других являются сбалансированное рессорное подвешивание и челюстная связь буксовых узлов с рамой тележки. Конструкция тележки приведена на рис. 2.2.
Трехосная тележка такого типа с небольшими конструктивными изменениями использовалась преимущественно для тепловозов с электрической передачей. Три колесные пары 10 со своими буксами би 11 установлены в буксовые челюсти с наличниками рамы 1 тележки. Для обеспечения необходимой жесткости и прочности рамы челюсти снизу стянуты струнками 9. Все колесные пары имеют поперечные разбеги относительно рамы тележки, величины которых зависят от места установки колесных пар в тележке.
Вертикальная нагрузка от главной рамы тепловоза передается на тележку через четыре роликовые опоры 3, размещенные по окружности диаметром 2730 мм вокруг шкворня. Шкворень рамы, входящий в гнездо подпятника 14 шкворневой балки, передает только горизонтальные силы (тяговые, тормозные, инерционные). Опоры 3, помимо передачи вертикальной нагрузки на тележку, используются для уменьшения колебаний кузова и тележек в горизонтальной плоскости. Для этого у опоры оборудованы возвращающие устройства роликового типа.
49
<Л
О
Рис. 2.2. Челюстная тележка тепловоза 2ТЭ10Л:
1 — рама; 2 — тормозной цилиндр; 3 — опора рамы кузова; 4 — балансир; 5 — листовая рессора; 6 — средняя букса (с жестким упором); 7 — пружина; 8 — подвеска рессоры; 9 — струнка; 10 — колесная пара; 11 —крайняя букса (с упругим упором); 12 — песочная труба; 13 — тяговый электродвигатель; 14 — гнездо подпятника для шкворня
У тележки две точки рессорного подвешивания. Все упругие элементы каждой стороны тележки, сопряженные балансирами 4 и подвесками 8, представляют одну точку подвешивания. Рессорное подвешивание включает в себя два средних комплекта, состоящих из листовых рессор 5 и пружин 7, и два концевых с винтовыми пружинами и резиновыми амортизаторами. На рисунке показаны также тормозной цилиндр 2, песочная труба 12 и тяговый электродвигатель 13 с опорно-осевой подвеской.
Для более полного наглядного представления конструкции тележки на рис. 2.3 приведено ее изображение в аксонометрии.
Тележка маневровых тепловозов типа ТЭМ2 отличается от вышеописанной только конструкцией опор кузова. Опоры кузова выполнены плоскими, так что при повороте тележки относительно кузова опора создает только фрикционный момент трения, в отличие от роликовых опор, которые создают возвращающий момент и момент трения. Для условий работы в эксплуатации манев-
Рис. 2.3. Челюстная тележка тепловоза 2ТЭ10Л в аксонометрии:
/ —концевая балка; 2 — песочная труба; 3 — тяговый электродвигатель; 4 — канал для подвода охлаждающего воздуха; 5 — колесная пара; 6 — гребнесмазыватель; 7 — рама; 8 — балансир; 9 — масленка; 10 — тормозная колодка; 11, 25 — резиновые амортизаторы; 12 — букса; 13 — тормозной цилиндр; 14 — подвеска рессоры; 15 — шкворневая балка; 16 — опора рамы кузова; 17 — маслоуказатель; 18 — предохранительная скоба; 19 — листовая рессора; 20 — винтовая стяжка тормозной тяги; 21 — подвеска рессоры; 22 — букса с пружинным упором; 23 — сгрунка; 24 — пружина; а — боковина рамы; б — поперечная балка
51
ровых тепловозов (малая скорость движения, значительное число кривых, стрелочных переводов на станционных и заводских путях) применение опорно-возвращающих устройств неоправданно. При движении в кривых тепловоз с такими опорами оказывает повышенное воздействие на путь, а также будет происходить повышенный износ гребней колес.
Бесчелюстная трехосная тележка тепловоза 2ТЭ116. После усовершенствования тепловоза 2ТЭ10Л установкой бесчелюстных тележек и некоторых новых элементов локомотив получил обозначение вначале 2ТЭ10В, а затем — 2ТЭ10М. Разработанные и освоенные в серийном производстве Луганским заводом тележки для отечественных магистральных грузовых тепловозов 2ТЭИ6, 2ТЭ116А, 2ТЭ1ОВ, 2ТЭ1 ОМ и экспортных грузопассажирских ТЭ109 (модификаций 130, 131, 132 и 142) получили название унифицированные бесчелюстные.
Тележка в исполнении для тепловоза 2ТЭ116 (рис. 2.4) состоит из следующих основных частей: рамы тележки 1, трех колесно-моторных блоков 8, комплектов пружин 7 буксового рессорного подвешивания с фрикционными гасителями колебаний 4, опорно-возвращаю-щего устройства, состоящего из четырех резино-роликовых опор 3, рычажной передачи тормоза с тормозными цилиндрами 2 и системой воздухопроводов, песочного трубопровода 6. У унифицированной бесчелюстной тележки индивидуальный привод каждой колесной пары осуществляется через односторонний одноступенчатый тяговый редуктор от электродвигателя постоянного тока. Установка электрических двигателей в тележке выполнена опорно-осевой с рядным их расположением траверсными подвесками 5 к середине тепловоза.
Для возможности более детального ознакомления с конструкцией унифицированной тележки на рис. 2.5 приведено изображение в аксонометрии одного из первых ее вариантов, когда кузов опирался на тележки через жесткие роликовые опоры. В дальнейшем эта опора была модернизирована установкой на верхнюю ее плиту семи резино-металлических амортизаторов (рис. 2.4) с общим статическим прогибом 15 мм.
У этих тележек челюстная связь букс с рамой тележки заменена поводковой. Поводки 4 оборудованы резинометаллическими амортизаторами, через которые они соединены с буксой 3 и рамой те-
52
Рис. 2.4. Бесчелюстная тележка тепловоза 2ТЭ116:
1 — рама, 2 — тормозной цилиндр; 3 — опора кузова; 4 — фрикционный гаситель вертикальных колебаний, 5 — траверсная подвеска тягового двигателя, б — песочная труба, 7 — пружина; 8 — колесно-моторный блок; 9— гнездо подпятника для шкворня
лежки б. Взаимное перемещение колесной пары и рамы тележки обеспечивается упругой деформацией резиновых элементов. Это исключило из конструкции тележки быстро изнашивающиеся наличники челюстей рамы и букс, которые в эксплуатации требовали значительных затрат на их обслуживание и ремонт.
Вместо сбалансированного рессорного подвешивания на этих тележках применено индивидуальное для каждой оси подвешива-
53
14
Рис. 2.5 Бесчелюстная тележка тепловоза 2ТЭ116 (в аксонометрии):
1 — тормозной цилиндр, 2 — фрикционный гаситель вертикальных колебаний; 3 — букса; 4 — поводок; 5 — пружинный комплект; 6 — рама тележки; 7— песочная труба; 8,17 — концевые балки; 9— боковина; 10 — колесная пара, 77 — опора, 12, 21 — средние поперечные балки; 13 — шкворневое устройство; 14 — тяговый электродвигатель; 75 — кронштейн подвески тягового электродвигателя; 76 — корпус тягового редуктора; 18, 19 — кронштейны крепления буксовых поводков; 20 — воздухопровод; 22 — шкворневая балка; 23 — рычаг подвески тормозных колодок
ние, состоящее только из винтовых пружин. Нагрузка на каждую колесную пару передается через четыре пружинных комплекта 5, установленных на опорных кронштейнах букс. Такая схема подвешивания упростила конструкцию тележки и снизила эксплуатационные расходы на ее обслуживание и ремонт, так как в ней исключены все шарнирные соединения (в рессорном подвешивании челюстной тележки таких соединений 48). Ввиду отсутствия в винтовых пружинах внутреннего трения для избежания резонансных явлений в тележках применены фрикционные гасители колебаний (демпферы) 2, устанавливаемые между буксами 3 и рамой тележки 6. Центр шкворневого устройства 13 не совпадает с геометрическим центром тележки (сдвинут на 0,185 м к середине тепловоза). Расположение шкворня за средней осью тележки способствует снижению направляющего усилия на первой набегающей колесной паре. Роликовые опоры кузова 11 расположены в боковинах рамы несимметрично относительно шкворня. Центры передних опор находятся на расстоянии 1,632 м, а задние — 1,232 м. Опоры развернуты вдоль радиусов установки, а ролики перекатываются по наклонным поверхностям только при повороте тележки.
Бесчелюстная трехосная тележка тепловоза ТЭП60. Тележка была спроектирована инженерами-конструкторами Коломенского завода для первого отечественного пассажирского тепловоза с конструкционной скоростью 160 км/ч. При создании этой тележки был учтен отечественный и мировой опыт в локомотивостроении.
Оригинальная и сложная конструкция тележки (рис. 2.6) обусловлена опорно-рамным подвешиванием тяговых электродвигателей, сбалансированным рессорным подвешиванием и упругим опиранием кузова на раму тележки.
Боковины 2 рамы тележки изготовлены комбинированным способом: штампованные стальные листы сварены с литыми элементами, поперечные балки 17 сварные. Масса кузова тепловоза передается на тележку через две главные и четыре боковые опоры. На поперечных балках рамы тележки установлены главные маятниковые опоры 75, и, кроме того, с каждой стороны боковины — две боковые опоры 3, 5. На каждую главную опору приходится статическая нагрузка около 9,55 тс, а на боковую — до 4,75 тс.
55
Рис. 2.6. Бесчелюстная тележка тепловозов ТЭП60 и ТЭП70 (№1—7):
1 — тормозной цилиндр; 2 — боковина рамы тележки; 3 —боковая шарнирная опора; 4 — ограничитель отклонения кузова; 5 —боковая скользящая опора; 6— букса колесной пары; 7— концевая балка рамы тележки; 8 — поводок буксы; 9 — буксовый балансир; 10 — пружина; 11 — тяговый электродвигатель; 12 —продольный балансир; 13 — кожух тягового редуктора; 14 — листовая рессора; 15 — маятниковая опора кузова; 16 — пружинный возвращающий аппарат; 17 — поперечная балка рамы тележки; 18 — люк для подвода воздуха охлаждения тягового электродвигателя; 19 — колесная пара; 20 — смотровой люк тягового электродвигателя; 21 — рычажная передача тормоза
У главных опор 75 кузова сверху и снизу есть конусные резиновые вставки, заключенные в стакан. Прогиб одного резинового конуса под нагрузкой равен около 15 мм. Установка главных опор с малым статическим прогибом амортизаторов вдоль оси тележки обеспечивает параллельность между кузовом и тележками, что в свою очередь способствует более равномерному распределению нагрузки между колесными парами, а следовательно, улучшению коэффициента использования сцепного веса. Статический прогиб боковых пружин равен 98 мм.
Удерживают тележку на прямом участке вдоль оси пути, а также обеспечивают плавный поворот ее в кривых пружинные растяжки 16 на главных опорах. Они же являются возвращающим аппаратом. Пружины предварительно затягиваются до 15 кН.
Главные опоры, кроме восприятия вертикальной нагрузки, передают и силу тяги через стакан главной опоры и кронштейн, укрепленный на раме тележки. У двух средних боковых опор 3 сверху и снизу есть шарнирное соединение, две крайние опоры 5 шарнирно соединены только снизу, а вверху снабжены скользящими плоскостями, так что при повороте тележки относительно кузова они создают фрикционный момент трения, препятствующий колебаниям виляния.
У первых семи тепловозов ТЭП70 тележки однотипны с тележками тепловоза ТЭП60. Разница лишь в диаметрах колесных пар: у ТЭП60 диаметр колес равен 1,05 м, а у ТЭП70 — 1,22 м.
Бесчелюстная трехосная тележка тепловозов ТЭП70 и ТЭП75.
Данная тележка (рис. 2.7) разрабатывалась применительно к самому мощному в тот период пассажирскому тепловозу ТЭП75 с конструкционной скоростью 160 км/ч. После динамических испытаний тепловоза на скоростном полигоне МПС Белореченская-Май-коп Северо-Кавказской железной дороги, при которых были установлены хорошие динамические качества этого локомотива, было принято решение заменить тележки тепловоза ТЭП70, начиная с восьмого номера, новой от тепловоза ТЭП75. Эта тележка меньшей массы, проще по конструкции и более технологичнее в изготовлении.
При создании этой тележки были использованы новые конструктивные решения в локомотивостроении 70-х гг. XX века.
57
LA OO
14 15 16 13 17
Рис. 2.7. Бесчелюстная тележка тепловозов ТЭП70 и ТЭП75:
1 — винтовая стяжка; 2 — тормозной башмак; 3 — тормозной цилиндр; 4— опора пружины; 5 — пружина кузовной ступени подвешивания; б, 17 — гасители; 7 — рама тележки; 8— опорный кронштейн для двигателя; 9— вертикальный рычаг рычажной передачи тормоза; 10 — поводковая букса; Z7 — пружина рессорного подвешивания буксовой ступени; 12 — поводок буксы; 13 — шкворневое устройство; 14 — опора подшипника зубчатого колеса тягового привода; 15 — эластичная муфта привода; 16 — тяговый электродвигатель; 18 — тяговый редуктор
У тележки жесткая сварная рама 7, на верхние листы боковины которой опираются комплекты пружин 5 типа «Флексикоил» второй ступени рессорного подвешивания (по четыре с каждой стороны). Первая (буксовая) ступень подвешивания с прогибом пружин 57 мм в два раза меньше, чем во второй ступени. Пружины второй ступени подвешивания обеспечивают одновременно упругую связь при поперечных и угловых перемещениях тележки относительно кузова. Относительное перемещение тележки и кузова в поперечном направлении возможны благодаря упругому шкворневому устройству 13. Перемещение шкворня в этом направлении ограничено до 60 мм. Из них 30 мм составляет свободный ход, дальнейшие 30 мм — с деформацией пружины шкворневого устройства. Включение пружины шкворневого устройства при отклонении кузова более 30 мм обеспечивает необходимую нелинейную зависимость возвращающей силы от поперечного перемещения кузова относительно тележек (см. п. 2.6).
В связи с низким расположением шкворневого устройства 13, передающего силы тяги и торможения, шкворень смещен относительно средней оси тележки на 770 мм. Расстояние между колесными парами принято равным соответственно 2300 и 2000 мм. Чтобы обеспечить одинаковую нагрузку по колесным парам, центр симметрии комплекта пружин второй ступени смещен относительно средней оси в сторону шкворня на 220 мм.
Демпфирование вертикальных и горизонтальных колебаний кузова и тележки осуществляется гидравлическими гасителями колебаний 6,17. В буксовой ступени гасителей нет.
Тяговые электродвигатели 16 расположены рядно в раме тележки к середине тепловоза и жестко в ней закреплены. Привод колесной пары односторонний. Вращающий момент к колесной паре передается специальным механизмом, включающим зубчатую передачу, поводки с резинометаллическими шарнирами и полый карданный вал с двумя приводными фланцами по концам.
Передача силы тяги и тормозных усилий от колесной пары к раме тележки осуществляется через бесчелюстные буксы и поводки с резинометаллическими элементами. Суммированное рамой тележки тяговое усилие передается раме кузова через низкоопущен-ный (до уровня осей колесных пар) шкворень. Шесть тормозных
59
цилиндров 3 передают тормозное усилие индивидуально на каждое колесо. Автоматически регулируемый выход штока тормозных цилиндров компенсирует износ тормозных колодок.
Бесчелюстная четырехосная тележка с жесткой рамой тепловоза ТЭП80. Четырехосная тележка (рис. 2.8) состоит из жесткой рамы 5, на боковинах которой по осям симметрии расположены десять комплектов цилиндрических пружин 3 типа «Флексикоил» второй ступени рессорного подвешивания. Верхние их опоры подняты в кузов, что максимально уменьшило расстояние от центра тяжести кузова с оборудованием. Расстояние между осями смежных колесных пар равно 1850 мм, общая колесная база тележки — 6200 мм.
По конструктивным достоинствам эта четырехосная тележка не имеет аналогов в отечественном и мировом локомотивостроении. Ее оригинальность состоит в объединении двух смежных колесных пар в один блок продольными балансирами 4. Функционально этот блок является безрамной двухосной тележкой, но с регулируемым смещением связанных балансирами колесных пар.
Буксовые узлы 1 двух смежных колес со сферическими подшипниками выполнены в едином балансире со шпинтонной связью 13 с рамой тележки. В средней части балансиров внутри располагаются две пружины 12 рессорного подвешивания первой ступени, которые опираются на крышки — поддоны, прикрепленные снизу к балансиру болтами. Шпинтонная связь балансира обеспечивает ему упругое перемещение, а также поворот в вертикальной и горизонтальной плоскостях относительно рамы тележки. При движении перемещение одной колесной пары в горизонтальной плоскости приводит практически к синхронному перемещению в противоположном направлении второй колесной пары. Кинематическая связь колесных пар балансирами образует параллелограммный упругий механизм, который обеспечивает перпендикулярное положение оси колесной пары относительно продольной оси рамы тележки. Балансирная связь смежных колесных пар перераспределяет боковые силы, возникающие при движении в кривых, без включения в процесс образования сил сопротивления от поворота массы рамы тележки с подвешенным оборудованием. Это существенно уменьшает величину приведенной массы для набегающей колесной пары. Такая конструкция тележки, несмотря на значительную базу
60
Рис. 2.8. Четырехосная тележка тепловоза ТЭП80.
1 — букса со сферическими подшипниками, 2 — гасители вертикальных колебаний; 3 — комплекты пружин второй ступени рессорного подвешивания, 4 — балансир со шпинтонной связью с рамой тележки; 5 — рама тележки; 6 — тормозной цилиндр с автоматическим регулятором выхода штока; 7 — колесная пара; 8 — сл тяговый редуктор, 9 — тормозная рычажная передача, 10 — гидравлический гаситель колебаний относа; 11 —
тяговый электродвигатель, 12 — пружина первой ступени рессорного подвешивания; 13 — шпинтон
6,2 м, уменьшает горизонтальное воздействие локомотива на путь при движении в кривых. Виляние тележки происходит с большой длиной волны, которая определяется ее полной колесной базой.
Для демпфирования вертикальных колебаний локомотива установлены восемь гидравлических гасителей 2 в верхней и нижней ступенях рессорного подвешивания, а для демпфирования поперечных колебаний кузова два гасителя относа 10 как и в тележке тепловоза ТЭП70. Изменен только способ установки гасителей относа. Они устанавливаются снаружи по центру рамы тележки в специальных прямоугольных нишах боковин и доступны для осмотра и замены.
При теоретическом и экспериментальном изучении прочности балансиров и буксовых узлов, как наиболее нагруженных элементов тележки, было выявлено неблагоприятное распределение напряжений в некоторых зонах балансира и в роликах сферических подшипников. Единая конструкция балансир-букса затрудняет сборку тележки.
При проектировании четырехосной тележки для электровоза ЭП200 отмеченные недостатки были устранены. Балансир сделан для удобства монтажа составным из 3 частей. Он разгружен от вертикальных сил, передаваемых в тележке тепловоза ТЭП80 пружинами первой ступени. Вертикальная нагрузка от рамы тележки на буксу колесной пары передается через более мягкие две пружины, опирающиеся на специальные балки, подвешенные снизу к корпусам букс. Такое решение значительно снизило статическую и динамическую нагруженность балансира и сферических подшипников букс.
Результаты комплексных динамических испытаний показали, что экипажная часть тепловоза ТЭП80 соответствует техническим требованиям для высокоскоростных локомотивов, и специалисты ВНИИЖТа рекомендовали использовать ее основные принципы при создании электровоза для скоростей движения до 200—250 км/ч.
Четырехосная тележка тепловоза ТЭМ7. Верхнее строение тепловоза — главная рама с кузовом — установлена на двух четырехосных тележках (рис. 2.9). Каждая четырехосная тележка включает следующие основные узлы: две двухосные тележки 2; промежуточную раму 3; маятниковые подвески 7; два механизма передачи силы
62
Рис. 2.9. Четырехосная тележка тепловоза ТЭМ7:
1 —маятниковая подвеска; 2 —двухосная тележка; 3 —промежуточная рама; 4 — гидравлический гаситель; 5 — механизм передачи силы тяги; б— тормозной цилиндр; 7 — шкворневое устройство; 8 — вторая си ступень рессорного подвешивания; 9—роликовая опора; 10— кронштейн
тяги 5; вторую ступень рессорного подвешивания 8; шкворневое устройство 7. Вертикальная нагрузка на тележку передается через роликовые опоры 9, расположенные на верхних плитах второй ступени рессорного подвешивания, далее через пружины второй ступени на промежуточную раму и через маятниковые подвески на рамы двухосных тележек. Во второй ступени установлены восемь гидравлических гасителей 4.
В двухосной тележке нагрузка от ее рамы передается через пружины первой ступени рессорного подвешивания и буксовые узлы на колесные пары. Горизонтальные (тяговые и тормозные) усилия от колесных пар передаются буксовыми тяговыми поводками на раму тележки, от нее через рычажные механизмы передачи силы тяги на промежуточную раму и далее, через шкворневое устройство, на главную раму тепловоза. Промежуточная рама, а следовательно, и все верхнее строение тепловоза может отклоняться на маятниковых подвесках в поперечном направлении на 40 мм от среднего положения, что улучшает ходовые качества тепловоза. Из 40 мм поперечного перемещения 20 мм — свободный ход и 20 мм — подпружиненный.
Конструкция тележек обеспечивает хорошую плавность хода, удовлетворяет требованиям по воздействию тепловоза на путь и прочности элементов тележек.
Конструкция двухосных тележек (рис. 2.10). Все двухосные тележки в основном имеют одинаковую конструкцию. Рама тележки 3 объединяет составляющие тележку узлы. Для этого предназначены соответственно конструктивно оформленные кронштейны, платики, сверления и другие соединительные места. Колесно-моторные блоки 6 соединены с рамой тяговыми буксовыми поводками 7. Буксовые поводки осуществляют передачу горизонтальных усилий (тяговых, тормозных и боковых) между колесной парой и рамой тележки. У головок поводков есть резиновые элементы, деформацией которых осуществляются перемещения букс относительно рамы. Рама установлена на колесно-моторные блоки через пружины первой ступени подвешивания 1. Тяговые двигатели опорно-осевого подвешивания соединяются с рамой упругой траверсной подвеской 4.
Тормозной цилиндр 5 крепится к кронштейнам рамы тележки. Он передает тормозное усилие на четыре тормозные колодки через
64
1
2
3
4
5
Рис. 2.10. Двухосная тележка:
1 — пружина; 2 — буксовое предохранительное устройство; 3 — сварная рама;
4 —- подвеска тяговых электродвигателей; 5 — тормозной цилиндр; б — тяговый двигатель; 7 — буксовый поводок; 8 — предохранительное устройство
65
рычажную передачу. Предохранительное устройство 6 предназначено для предохранения низко расположенных деталей тележки, а также путевых шпал при случайном сходе тележки с рельсов. Предохранительное буксовое устройство 2 ограничивает опускание колесной пары при подъеме тепловоза или тележек во время ремонтных работ.
На поперечные балки крайних двухосных тележек установлены шлифованные плиты, на которые опираются опоры пневмодогру-жателей, расположенных на главной раме. На рамах наружных концевых балок этих же тележек установлены кронштейны 10 для соединения с рычагом автосцепки (см. рис. 2.9).
Бесчелюстная трехосная тележка тепловоза ЧМЭЗ. Обе бесчелюстные тележки с индивидуальным рессорным подвешиванием тепловоза (рис. 2.11) одинаковы по конструкции, но развернуты друг относительно друга на 180°. Особенностью экипажа является конструкция соединения главной рамы с тележками, где главная рама не опирается на тележки, а подвешивается к ним восемью специальными болтами. В узлах экипажной части используются резинометаллические соединения. Они смягчают работу узлов экипажа при передаче вертикальных и горизонтальных усилий.
Рассматриваемая тележка состоит из рамы, трех колесно-моторных блоков, рессорного подвешивания и тормозного оборудования. Основными элементами сварной стальной рамы тележки являются две продольные 18, две поперечные 77 и шкворневая балки 8. Продольная балка коробчатого сечения сварена из двух частей, каждая из которых представляет собой пустотелую стальную отливку, выполненную за одно целое с консолью 72 для опирания через резиновый амортизатор и сферический вкладыш подвесного болта. У рамы тележки четыре таких консоли используются для подвески главной рамы тепловоза. Снизу к продольным балкам приварены фартуки 14, в которых сделаны отверстия с запрессованными в них сменными стальными втулками под пальцы 19 сайлентблоков балансиров 75 букс. К продольным балкам также приварены: кронштейны 2 для крепления тормозной рычажной передачи, кронштейны 5 для крепления четырех тормозных цилиндров 20, тарелка 24 для шести комплектов цилиндрических пружин 16 и вилки 25 для крепления шести гидравлических гасителей колебаний 75. Резинометаллические упо-
66
Рис. 2 11. Бесчелюстная тележка тепловоза ЧМЭЗ:
1 — песочная труба; 2 — кронштейн для крепления тормозной рычажной передачи; 3 — кронштейн для крепления тормозного цилиндра, 4 — моторно-осевой подшипник; 5 — колесная пара; 6— гибкий рукав подвода воздуха; 7 — тяговый электродвигатель; 8 — шкворневая балка; 9 — накладка; 10— тормозной трубопровод; 11 — поперечная балка; 12 — консоль; 13 — балансир; 14 — фартук; 15 — гидравлический гаситель колебаний; 16— цилиндрическая пружина; 17, 23 — резинометаллические упоры; 18 — продольная балка; 19 — палец; 20 — тормозной цилиндр; 21 — роликовая букса; 22 — кожух тягового редуктора; 24 — тарелка; 25 — "J вилка; а, г — наружная и внутренняя плиты; б — слой резины; в — наличник; д — полоса; е — кронштейн
ры / 7, приваренные снаружи к серединам продольных балок, ограничивают перемещение кузова относительно тележек. Такие же упоры 23, ограничивающие вертикальное перемещение букс, прикреплены к продольным балкам снизу.
Продольные балки рамы тележки соединены между собой двумя поперечными балками 11 коробчатого сечения. К поперечной балке и фартукам приварен кронштейн с четырьмя выступами для монтажа пружинной подвески тяговых электродвигателей. Для снижения массы в кронштейне сделаны два окна. По периметру окон приварены стальные полосы д толщиной 16 мм, усиливающие жесткость кронштейна.
К поперечным балкам приварена сварная шкворневая балка 8, в центре шкворней балки есть гнездо под шкворень главной рамы тепловоза. К стенке гнезда прикреплены четырьмя шпильками накладки 9. Каждая накладка представляет собой комплект стальных плит а и г, разделенных слоем резины б. К наружной плите а приварен сменный наличник в из марганцовистой стали. Нормальный зазор между накладками гнезда и шкворнем главной рамы тепловоза равен 5—6 мм (допускается в эксплуатации не более 8 мм).
Внутри рамы размещены три колесно-моторных блока. Каждый блок состоит из колесной пары 5 и тягового двигателя 7. Колесная пара в сборе с роликовыми буксами 21 через балансиры 13 соединена с фартуками рамы тележки (к одному фартуку прикреплен один балансир, а к другому —два). Тяговый электродвигатель опирается на раму тележки через пружинную подвеску, а на ось колесной пары — через два моторно-осевых подшипника.
Двухосная тележка тепловоза ТЭМ21. Двухосная тележка опытного тепловоза ТЭМ21 (рис. 2.12) состоит из сварной рамы 3, выполненной с изогнутыми боковинами. Такая форма боковин необходима для размещения пружин типа «Флексикойл» 7 второй ступени рессорного подвешивания. Пружины 8 первой ступени подвешивания установлены на крыльях бесчелюстной одноповодковой буксы 9. Общий статический прогиб рессорного подвешивания — 150 мм.
Для гашения вертикальных колебаний кузова во второй ступени установлены четыре гидравлических гасителя 5, а поперечных колебаний — два гасителя 11.
68
Рис. 2.12. Двухосная тележка тепловоза ТЭМ21: 1 — наклонная тяга; 2 — тормозной цилиндр; 3 — рама тележки; 4 — колесная пара; 5 — гидравлический гаситель вертикальных колебаний; б — тяговый поводок буксы; 7—пружина типа «Флексикойл»; 8 — буксовая пружина; 9 — букса; 70 — поперечный рычаг рычажного механизма тормоза; 77 — гидравлический гаситель поперечных колебаний кузова, 72 — тяговый редуктор; 13 — тор-сион тягового устройства; 14 — асинхронный тяговый электродвигатель
Сила тяги от букс колесной пары 4 на раму тележки передается поводком 6, а от рамы тележки на кузов —- двумя наклонными тягами 7. Наклонные тяги упруго, через специальные тор-сионы 73, связаны с концевыми балками рамы тележки. На ось колесной пары через моторно-осевые подшипники скольжения опирается асинхронный тяговый электродвигатель. Крутящий момент электродвигателя на ось колесной пары передается тяговым редуктором 12. На наружных вертикальных стенках боковин рамы через специальные кронштейны с упорами установлены четыре тормозных цилиндра 2 с автоматическим устройством для регулирования выхода штока.
Определение основных размеров тележки тепловоза. Для выбора основных размеров тележки необходимо знать число колесных пар в тележке, схему расположения тяговых электродвигателей (ТЭД) и их подвешивание, а также учитывать, что тепловоз или его секция выполняется обычно с двумя несочлененными двухосными или трехосными тележками.
При конструкционных скоростях до 120 км/ч применяют опорно-осевое подвешивание тяговых электродвигателей, при более высоких скоростях — опорно-рамное.
База тележки определяется главным образом компоновкой тягового привода. Для трехосных тележек при опорно-осевом подвешивании тягового электродвигателя размер базы равен 3600—4100 мм, а при опорно-рамном — 4000—4400 мм.
Основными геометрическими размерами тележки, подлежащими определению, являются: расстояние между осями колесных пар ар ориентировочные размеры ширины поперечных балок п, расстояние от оси крайней колесной пары до торца концевой поперечной балки рамы тележки t, длина рамы тележки /.
При рядном расположении тяговых электродвигателей расстояние между осями колесных пар определяется по формуле
D
а. = с + п + b + —— + ,
1 2
(2-1)
где с — расстояние от оси колесной пары до носика ТЭД, мм; п — ширина поперечных балок рамы, мм; (п = 400—500 мм при размещении на них центральной опоры, п = 500—650 мм при установке в балке шкворня с попереч
70
ным перемещением, п = 120—200 мм без расположения на ней опор или шкворня; b — зазор между опорным кронштейном ТЭД и поперечной балкой рамы тележки, при опорно-осевом подвешивании ТЭД b = 20—25 мм, при опорнорамном b = 40—50 мм; DK — диаметр колеса, мм; s — расстояние между гребнем бандажа колесной пары и поперечной балкой рамы, s = 50—300 мм.
При встречном расположении тяговых электродвигателей расстояние между осями колесных пар
а^=2с + п + 2Ь. (2.2)
Расстояние от оси колесной пары до торца поперечной балки рамы тележки:
если ТЭД повернут в сторону концевой балки,
t}=c + b + m, (2.3)
где т = 60—250 мм — ширина концевого поперечного крепления рамы тележки;
если ТЭД повернут в сторону, противоположную концевой балки,
Длина рамы тележки
I = + #2 + +1 . (2-5)
2.2. Рамы тележек
Назначение и типы конструкций рам тележек. Рама тележки предназначена для размещения колесных пар, рессорного подвешивания, установки элементов передачи с тяговыми приводами, тяговых устройств и тормозного оборудования. Она воспринимает вертикальные нагрузки от надтележечных масс и массы самой рамы с размещенным на ней оборудованием, тяговые и тормозные силы, а также переменные нагрузки, вызванные колебаниями тепловоза в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Рама тележки объединяет колесно-моторные блоки и суммирует тяговые усилия от них для передачи на кузов и автосцепку.
71
Все эти функции обусловливают конструктивный тип рамы тележки и форму ее составных элементов.
Конструкции рам различаются типом и расположением опор-но-возвращающих и тяговых устройств, рессорного подвешивания, тормозного оборудования и тягового привода.
В зависимости от числа осей тележки и способа передачи на нее вертикальной нагрузки боковины рамы могут соединяться по-разному. На двухосных тележках боковины 1 соединяются тремя поперечными балками (рис. 2.13, а), средняя из которых 2 является более мощной. В случае центрального приложения вертикальной нагрузки через шкворень она называется шкворневой и передает все силы между тележкой и рамой тепловоза, причем основной нагрузкой на нее является изгибающий момент от вертикальных сил. Концевые балки 3 служат для обеспечения жесткости конструкции рамы и закрепления на ней других узлов тележки.
В случае когда вертикальная нагрузка передается через боковые опоры непосредственно на боковины, как у тепловозов ТЭМ2 и 2ТЭ10Л, средние поперечные балки 4 (рис. 2.13, б) не воспринимают изгибающих моментов от вертикальных нагрузок и выполняются более легкими. Однако для размещения подпятника шквор-
Рис. 2.13. Схемы рам тележек:
1 — боковина; 2 — шкворневая балка; 3 — концевая балка; 4 — средняя поперечная балка
72
ня и передачи продольных сил здесь необходима продольная шкворневая балка 2, опирающаяся на балки 4.
На трехосной тележке с передачей сил через две центральные опоры (рис. 2.13, в), как на тепловозе ТЭП60, шкворневых балок две.
С конструктивно-технологической точки зрения рамы тележек различаются по исполнению боковин. Они могут быть брусковыми, литыми, сварно-штампованными или коробчатыми (сварными). Брусковые рамы с боковинами, вырезанными из толстого стального листа, применялись на тепловозах ТЭ2. Тяжелые рамы из стального литья применялись на некоторых отечественных электровозах (ВЛ8), а также на тепловозах США, где на железных дорогах допускаются значительно большие, чем у нас, нагрузки от осей колесных пар на рельсы (до 300—350 кН).
Боковины рам тележек большинства отечественных тепловозов коробчатого сечения, образованного сваркой из стальных листов или штампованных профилей. В конструкции рамы такие боковины сочетаются с литыми элементами. Примером комбинированной рамы может служить рама трехосной тележки тепловозов ТЭМ2 и 2ТЭ10Л.
Рама челюстной тележки тепловоза 2ТЭ10Л. Рама тележки (рис. 2.14) состоит из двух боковин 9, которые соединены между собой двумя средними поперечными междурамными креплениями 1 (балками) и двумя концевыми балками 4. Средние поперечные балки в свою очередь соединены продольной шкворневой литой балкой 3 из стали марки 25ЛР. В центре шкворневой балки расточено гнездо под шкворень 2. Боковины коробчатого сечения сварены из стальных листов: двух вертикальных толщиной 10 мм, верхнего и нижнего — 14 мм. Верхний лист 5 в местах сопряжения со средними поперечными балками уширенный для удобства установки боковых опор. В боковину вварены литые буксовые челюсти 7, скрепленные внизу струнками 6. На плоскости челюстей, прилегающих к буксам, прикреплены электрозаклепками наличники 8 из марганцовистой износостойкой стали. Челюстные проемы перед установкой наличников механически обрабатываются на специальном фрезерном станке.
73
Рис. 2.14. Рама тележки тепловоза 2ТЭ10Л:
1 — поперечная балка; 2 — шкворневое гнездо; 3 — шкворневая балка; 4 — концевая балка; 5 — верхний лист боковины; б — струнка; 7 — буксовая челюсть; 8 — наличник буксы; 9 — боковина; 10, 13 — кронштейны подвески тяговых двигателей; 11 — подпятник; 12 — втулка; 14 — опора под пружину рессорного подвешивания
Средние поперечные балки 1 коробчатого сечения сварены из листов толщиной 8 мм и соединены с боковинами стыковыми швами.
Концевые части нижних листов удлинены и образуют верхние опоры для пружин рессорного подвешивания. Снизу к балкам приварены литые кронштейны 10, 13 для навески тяговых электродвигателей. Сверху на средние поперечные балки установлена шкворневая балка, сваренная из стальных листов толщиной 10 мм. В среднюю ее часть вварен подпятник 11 со сменной термообработанной втулкой 12, изготовленной из стали 50.
74
Концевые балки выполнены из швеллера № 22. К торцам концевых балок приварены планки, которыми балки закрепляют к боковинам: со стороны автосцепки кузова —- призонными болтами, с противоположной — сварными швами. Листы балок и боковин рамы изготовлены из мартеновской стали СтЗкп, а литые детали — из стали 20Л.
Рама бесчелюстной унифицированной тележки тепловозов 2ТЭ116, 2ТЭ10В, 2ТЭ10М. Рама бесчелюстной тележки (рис. 2.15) так же, как челюстной, сварно-литой конструкции. Основу рамы образуют две боковины 7 и 14, жестко связанные поперечными балками 8, 10 и 12, переднее концевое крепление 6 и шкворневая балка 11. Боковина в поперечном сечении представляет собой замкнутый профиль коробчатого сечения. Она сварена из боковых, верхнего и нижнего стальных листов толщиной соответственно 10, 14 и 22 мм. Сверху на боковины установлены платики 15 опор, снизу приварены литые кронштейны 5 и сварно-штампованные 4 с трапециевидными пазами для крепления буксовых поводков и установки опор пружин. Для повышения усталостной прочности к нижнему несущему листу боковины кронштейны приварены внахлестку фланцами малой толщины и параболической формы поперечных граней. Кроме того, после приварки кронштейнов зоны у основания сварных швов подвергают механическому упрочнению наклепом. Внутри боковин установлены диафрагмы, приваренные к боковым листам, для увеличения жесткости сечения в местах примыкания поперечных балок междурамного крепления. Снаружи к боковым листам боковин приварены вместе с подкладками 1 корпуса фрикционных гасителей колебаний и кронштейны 2 тормозных цилиндров. Сквозные овальные отверстия, усиленные полыми вставками 9, предназначены для прохода горизонтальных рычагов рычажной передачи тормоза.
Поперечные балки 8, 10 и 12 междурамного крепления сварной конструкции и также замкнутой коробчатой формы, выполненные из стальных листов толщиной 14 мм, жестко связывают между собой боковины. Своими вертикальными ребрами поперечные балки приварены к внутренним частям боковых листов и специальным выступам нижних листов боковин, сверху
75
1
2
Рис. 2.15. Рама тележки тепловоза 2ТЭ116:
1 — подкладка под корпус фрикционного гасителя; 2 — кронштейн тормозного цилиндра; 3 — кронштейн подвески тягового двигателя; 4, 5 — кронштейны буксовых поводков; 6 — передняя концевая балка; 7, 14 — боковины; 8 — задняя концевая балка; 9 — полая вставка; 10, 12 — поперечные балки; 11 — шкворневая балка; 13 — проставочный лист;
15 — платики опор кузова
приварены проставочные листы 13, которые связывают поперечные балки с верхними листами боковин, образуя замкнутое сварное междурамное крепление. К нижним листам поперечных балок приварены литые кронштейны 3 для опор электродвигателей. На средние балки междурамного крепления сверху установлена и закреплена с помощью электросварки продольная литая шкворневая балка Ис массивным шкворневым гнездом в средней части и развитыми горизонтальными полками
76
по концам для повышения жесткости ее крепления. В шкворневом гнезде монтируется подвижной в поперечном направлении шкворневой узел тележки, а в боковых стенках гнезда выполнены отверстия для установки пружинных комплектов упругих упоров шкворневого узла.
Переднее концевое крепление 6 коробчатого сечения выполнено сварным и изогнутым в средней части для удобства демонтажа фрикционного аппарата автосцепки. Торцы крепления сваркой соединяются с боковинами, связывая их для придания жесткости передней балке рамы тележки. Боковины, междурам-ные крепления, концевые балки изготавливают отдельно, подвергают термообработке (отжигу) для снятия напряжений от сварки, а затем сваривают между собой. После этого выполняют окончательную механическую обработку шкворневого узла, кронштейнов 5 и 4 крепления буксовых поводковых, опор пружин, протягивают трапециевидные пазы и обрабатывают пла-тики 15 для установки опор кузова.
На каждую окончательно готовую раму тележки составляют паспорт, где указывается качество металла, сварных швов и их структура, монтажно-установочные размеры. Основные сварные соединения подвергают дефектоскопии (ультразвуковой, рентгеновской). Сварочные дефекты (наплывы, непровары и включения с надрезом) не допускаются, как весьма опасные для эксплуатации сварной конструкции рамы тележки, которая предназначена для обеспечения надежности в течение всего срока службы тепловоза в условиях высокой динамической нагруженности.
Рама бесчелюстной трехосной тележки тепловоза ТЭП60. Рама тележки (рис. 2.16) выполнена сварно-штампованной с приваренными стальными литыми элементами. В комплект рамы входят боковины 1, поперечные шкворневые балки 8, концевые поперечные балки 11, 14, стойки поводков букс 2 и 4, опоры амортизатора листовой рессоры 10, детали для крепления рычажной передачи тормоза 15,16,17, 18, кронштейны опор тяговых электродвигателей 12, 13.
Штампованная боковина рамы коробчатого сечения, она образована из шести корытообразных элементов. Боковина сваре-
77
А-А
Рис. 2.16. Рама тележки тепловоза ТЭП60:
1 — боковина рамы; 2 — короткая стойка поводка буксы; 3 — платик ограничителя отклонений кузова; 4 — длинная стойка поводка буксы; 5 — кронштейн боковой опоры кузова; 6 — платик крепления тормозного цилиндра; 7 — стакан опоры кузова; 8 — шкворневая балка; 9 — фланец крепления шкворневой балки; 10 — опора амортизатора листовой рессоры; 11 — передняя концевая балка; 12 — кронштейн опоры тяговых двигателей (двойной); 13 — кронштейн опоры тягового двигателя (одинарный); 14 — задняя концевая балка; 15, 16, 17, 18 — детали для крепления рычажной передачи тормоза; 19 — литой угольник, соединяющий боковину с концевыми поперечными балками; 20 — фланец крепления кронштейна подвешивания тягового двигателя
78
на из трех частей, длина которых определялась условиями получения штамповки. Половины боковин с приваренными к ним стойками соединены продольными швами. Боковины штампуют из листов стали марки 20 толщиной 10 мм, а поперечные шкворневые балки из листов той же стали толщиной 12 мм с разъемом по длине балки. Стойки поводков отливают из стали марки 20Л.
В отверстие средней части поперечной шкворневой балки вставляют стальной литой стакан 7, служащий для установки опоры кузова и приваренный к верхней стенке балки. К нижней стенке балки приваривают сварной кронштейн 12, служащий для укрепления опор тяговых электродвигателей. У поперечных шкворневых балок с обоих концов есть цилиндрические цапфы диаметром 256 мм для соединения с боковинами, через отверстия которых проходят цапфы. Для более надежного соединения поперечных шкворневых балок с боковинами предусмотрены фланцы 9, охватывающие цапфы и привариваемые как к внутренней стенке боковин, так и к цапфам шкворневой балки. К наружным стенкам боковин цапфы балки привариваются торцевым швом.
Концевые поперечные балки 11 и 14 штампованные коробчатого сечения; они образованы из двух корытообразного сечения половин, сваренных по длине. Поперечная концевая балка 77 на конце тележки, обращенном к автосцепке, искривлена в средней части, а на противоположном конце установлена прямая балка.
Стойки поводка 2 и 4 присоединяют буксовые поводки к раме тележки и заменяют буксовые направляющие челюстных букс. Конусные пазы стойки размечают при сборке рамы тележки, после чего их маркируют. Сборка, сварка рамы и разметка поводковых конусных пазов производится на специальном стенде.
Рама тележки тепловозов ТЭП70 первых выпусков отличается от рамы тележки ТЭП60 в основном только длиной. Из-за увеличения диаметра колес длина рамы тепловоза ТЭП70 увеличена на 200 мм, а размеры между осями колесных пар остались прежними.
Рама бесчелюстной тележки тепловоза ТЭП70. Рама тележки (рис. 2.17) состоит из двух продольных боковин 19, соединен-
79
Рис. 2.17. Рама тележки тепловоза ТЭП70:
1 — кронштейн буксового поводка; 2 — шкворневая балка; 3 — направляющие втулки кузовных пружин; 4, 5 — опоры для пружин; 6 — ограничители горизонтальных перемещений кузова; 7 — кронштейны тяговых двигателей; 8 — платик для крепления кронштейна вертикального гасителя колебаний; 9 — кронштейн тормозного цилиндра; 10, 13, 14, 17, 20 — кронштейны рычажной передачи тормоза; 11 — платик для крепления кронштейна горизонтального демпфера; 12, 21 — концевые балки; 15 — прокладка; 16 — платик под опоры пружин типа «Флексикойл»; 18 — средняя поперечная балка; 19 — боковина
ных междурамными креплениями: двумя концевыми балками 12, 21, шкворневой балкой 2, средней поперечной балкой 18 круглого сечения. Боковины, шкворневая и концевые балки сварные коробчатого сечения. Средняя горизонтальная часть шкворневой балки утолщена. К ней на болтах прикреплен корпус шкворневого устройства.
Боковины рамы тележки образованы фасонными вертикальными листами, загнутыми по концам для приварки встык непосредственно к вертикальным листам концевых балок. Три направленные вниз выступа на вертикальных листах предназначены для приварки литых кронштейнов 1 крепления буксовых поводков. Сверху к вертикальным листам приварен верхний горизонтальный лист, состоящий из трех сваренных друг с другом частей: средней и двух концевых. Концевые листы при приварке к вертикальным листам выгибаются по их профилю. В промежутках между выступами к вертикальным листам боковин приварены нижние листы, выгнутые по профилю в горячем состоянии. Верхние и нижние листы боковин в местах приварки концевых и шкворневых балок уширены с плавным закруглением в местах уширения. Таким образом, сварочные швы, соединяющие горизонтальные листы боковин с листами шкворневой и концевых балок, удалены от боковин, что значительно снижает концентрацию напряжений в этих местах. Концевые и шкворневые балки привариваются с применением оставляемой внутри сечения прокладки 15.
Шкворневая балка сварена из фасонных листов, гнутых горячим способом. В центре шкворневой балки образовано прямоугольное гнездо с отверстием диаметром 410 мм в нижнем листе, через которое проходит низкоопущенный шкворень кузова.
Средняя поперечная балка выполнена из трубы диаметром 190 мм и вварена в боковины к их наружным и внутренним стенкам. К внутренним стенкам боковин труба вварена с применением фланца. Снизу к средней балке приварен фасонный литой кронштейн 7 для опоры тяговых электродвигателей. По концам балки в плоскости колес приварены кронштейны рычажной передачи тормоза.
81
Связывающие боковины тележки концевые балки гнутого профиля и отличаются друг от друга формой и размерами сечения. К передней балке приварены кронштейны подвески тягового электродвигателя и кронштейны 13 рычажной передачи тормоза. К средней части задней концевой балки приварены три кронштей-на-платика, к которым болтами прикреплен кронштейн подвески тягового электродвигателя. Между вертикальными стенками вварены распорные втулки, внутри которых проходят крепежные болты кронштейна.
Снизу к боковинам приварены литые опоры 5 для пружин рессорного подвешивания. Опоры 4 прикреплены четырьмя болтами к приливам коротких буксовых кронштейнов 1, возле средней поперечной балки в боковины вварены кронштейны для горизонтальных рычагов передачи тормоза. Снаружи к вертикальным листам боковин приварены платики для крепления кронштейнов 9 тормозных цилиндров, кронштейнов 8 вертикальных гасителей колебаний, ограничителей 6 горизонтальных перемещений кузова.
Рамы бесчелюстной четырехосной тележки тепловоза ТЭМ7. Промежуточная рама (рис. 2.18) представляет собой сварную конструкцию, состоящую из двух боковин 3 и шкворневой балки 7, соединяющей боковины. Промежуточная рама передает вертикальные и горизонтальные усилия и является балансиром между двухосными тележками. По концам боковин 3 есть отверстия и бонки 2 для соединения с нижними головками маятниковых подвесок. На бонках предусмотрены фиксаторы I, предназначенные для правильной ориентации нижних головок маятниковых подвесок при сборке. Снизу к боковинам приварены литые кронштейны 5, к которым подсоединяются наклонные тяги механизмов передачи силы тяги. Скобы 8 предназначены для зачаливания рамы при ремонтных работах. Шкворень главной рамы проходит через вваренную в центре шкворневой балки литую втулку 9.
Сварная рама двухосной тележки (рис. 2.19) состоит из двух боковин 4 коробчатого сечения, сваренных из листов, которые соединяются поперечной балкой 7. Снизу к поперечной балке приварен литой кронштейн 8 для подвески тяговых электродвигателей. Боковины соединяются, кроме поперечной, еще двумя нижними концевыми балками 1. Сверху к раме приварены два литых кронштейна 9 для
82
Рис. 2.18. Промежуточная рама:
1 — фиксатор маятниковой подвески; 2 — бонка; 3 — боковина; 4 — усиливающая накладка; 5 —литой кронштейн; 6 — обечайка; 7 — шкворневая балка; 8 — скоба; 9 — втулка
установки маятниковых подвесок. На поперечной балке приварена 1 шита 5 под опору догружателя. Плита 5 устанавливается только на двух рамах тележек, предназначенных для размещения догружателей. На боковинах рамы приварены средние 6 и концевые 3 и 13 литые кронштейны для крепления тяговых буксовых поводков.
Кроме того, на боковинах приварены кронштейны 2, 10, 11, 12, 14,15 для крепления тормозных цилиндров и рычажной передачи, корпус 16 бокового упора маятниковой подвески, уголки предохранительного буксового устройства и опорные накладки пружин рессорного подвешивания.
83
Рис. 2.19. Рама двухосной тележки:
1 — концевая балка; 2, 10, 11, 12, 14, 15 — кронштейны рычажной передачи; 3, 13 —концевые кронштейны; 4 — боковина; 5 — плита под дог-ружатель; 6 — средний кронштейн; 7 —поперечная балка; 8 — кронштейн подвески тягового двигателя; 9 — кронштейн маятниковой подвески;
16 — корпус бокового упора маятниковой подвески
84
2.3. Колесные пары
Одним из наиболее ответственных элементов экипажной части локомотива, от которых зависят реализация тяговых качеств и безопасность движения, являются колесные пары. Они воспринимают всю нагрузку локомотива, направляют его в прямых и кривых участках пути и при этом жестко взаимодействуют с рельсами, воспринимая от них при движении толчки и удары. Такие условия работы требуют по возможности меньшего веса колесных пар при одновременной высокой надежности, что может быть достигнуто рациональным использованием высококачественного металла. Поэтому к колесным парам при их освидетельствовании, ремонте и формировании предъявляют повышенные требования по сертификации* .
Классифицируют колесные пары по расположению буксовых шеек, конструкции колесных центров. Преимущественное распрос-I ранение получили колесные пары с внешними буксовыми шейками. Внутренние шейки букс применялись на всех паровозах, в настоящее время они используются только на тепловозах типа ТГМ23 со спарниковым механизмом: корпус внутренней буксы обычно разъемный, на паровозах применялись разъемные подшипники скольжения, а на тепловозе ТГМ23 — роликовые подшипники.
В зависимости от конструкции колесных центров различают спицевые, дисковые стальные литые и колесные пары с цельнокатаными колесами. Спицевые и дисковые колеса относят к числу сборных; они состоят из колесного центра, бандажа и укрепляющего кольца. Применение цельнокатаных колес снижает массу колесной пары на 400—500 кг, упрощает технологический процесс изготовления и уменьшает ее себестоимость. Цельнокатаные колеса применяются в основном на маневровых и промышленных тепловозах с гидропередачей.
Колесные пары различают по способу подвешивания тяговых электродвигателей. При опорно-осевом подвешивании зубчатое колесо напрессовано непосредственно на ось колесной пары или на удлиненную ступицу колесного центра (тепловозы ТЭЗ первого
* См.: Локомотивы и моторвагонный подвижной состав. Колесные пары с буксами. Требования по сертификации. ФТС ЖТ ЦТ 063-2000.
85
выпуска). При опорно-центровом и опорно-рамном подвешиваниях двигателя передачу крутящего момента от него к колесной паре осуществляют упругими муфтами, обеспечивающими относительное перемещение колесной пары и двигателя. В таких конструкциях ведомое зубчатое колесо с осью колесной пары не связано.
На рис. 2.20 показана унифицированная колесная пара для тепловозов с электрической передачей и опорно-осевым подвешиванием электродвигателей. Колесные пары отличаются размерами и формой торца шейки оси. Колесная пара состоит из оси 4, на которую напрессованы колесные центры 5, а на них в горячем состоянии насажены кольцевые бандажи 6. Ось изготавливается из осевой стали Ос.Л (ГОСТ 4728-96). Механические свойства ее после термообработки определяются ГОСТ 30272-96. Заготовка оси изготавливается способом поперечно-винтовой прокатки на специальных прокатных станах или свободной ковки. В последнем случае у заготовки оставляются большие припуски на обработку.
На поверхности оси различают: две буксовые шейки а, предсту-пичные части б, подступичные части в, на которые напрессовываются колесные центры и зубчатое колесо, шейки д для моторноосевых подшипников и среднюю часть г. При переходе от одного сечения к другому выполняют галтели радиусом 20—60 мм. Плавным переходом и улучшением качества поверхности достигают снижения концентрации напряжений в переходных сечениях оси. Подступичные части и шейки оси упрочняют накаткой стальными роликами с усилием 30—40 кН. Накатка роликом создает в поверхностном слое остаточные напряжения сжатия, повышающие в 2 раза предел выносливости оси в зонах неподвижных посадок. После накатки шейки осей шлифуют для посадки внутренних колец буксовых подшипников. На концах оси выполнена кольцевая канавка ж для установки стопорного кольца, предохраняющего подшипник от сползания с шейки. На пояске между кольцевой проточкой и торцом оси набиваются знаки: дата изготовления, номер плавки, порядковый номер оси, клейма ОТК и приемщика железнодорожного ведомства. В торцах оси выполняются отверстия диаметром 80 мм под вкладыш шлицевой втулки привода скоростемера.
Колесные центры могут быть литыми или катаными. Катаные центры легче литых на 42 кг. Колесные центры унифицированной
86
оо
1580 между кругами катания
Рис. 2.20. Унифицированная колесная пара:
1 — втулка под валик привода скоростемера; 2 —бандажное кольцо; 3 —зубчатое колесо; 4 — ось колесной пары; 5 — колесный центр; 6— бандаж; 7— пробка; 8 — лабиринтное кольцо
колесной пары изготовлены из отливки особо ответственного назначения (марка стали 25Л) и состоят из ступицы, обода и диска. Колесные центры на ось напрессовывают (ось запрессовывают в колесный центр) с усилием 1100—1500 кН при насаженных и 950—1400 кН при ненасаженных бандажах. Натяг между посадочными поверхностями равен 0,18—0,30 мм. Качество прессового соединения определяют по диаграмме, снимаемой при запрессовке. Перед напресовкой колесного центра посадочные поверхности смазываются натуральной олифой или растительным маслом*.
На внутренней поверхности средней части ступицы колесного центра делается проточка, соединенная каналом с наружной поверхностью ступицы. Проточка необходима для гидравлического ослабления натяга между колесом и осью при разборке колесной пары. Обработанные колесные центры балансируют статически.
Бандажи унифицированной колесной пары толщиной 75 мм изготовлены из раскисленной мартеновской стали 60-Ш. Материал и технические требования бандажей соответствуют ГОСТ 398-81, 11018-79 и 3225-80. Бандажи на обод колесных центров насаживают с натягом 1,1—1,45 мм тепловым способом (температура нагрева бандажа 250—320 °C). Бандажное кольцо 2 предотвращает сползание бандажа с колесного центра. Его вставляют в выточку, когда температура бандажа не ниже 200 °C, и закатывают роликом на специальном станке.
Выточка для бандажного кольца и профиль упорного бурта выполняется со скруглениями и контролируется шаблонами. Наличие острых углов в пазах и буртах неизбежно приводит к развитию трещин в этих местах. Эти трещины невозможно обнаружить ранее выхода их на поверхность, и поэтому они очень опасны, так как из-за них может произойти излом бандажа при движении локомотива. Не менее опасен увеличенный свыше нормы натяг, вызывающий повышенные напряжения в бандаже. После посадки на колесные центры бандажи обтачиваются. Наружной поверхности бандажей придается особый профиль по ГОСТ 11018-87 (рис. 2.21, а).
* См.: Инструкция по формированию, ремонту и содержанию колесных пар тягового подвижного состава железных дорог колеи 1520 мм. М.: Техин-форм, 2000.
88
Рис. 2.21. Профили бандажей локомотивных колес: а — стандартного конического; б — унифицированный ВНИИЖТом
Гребень предохраняет колесную пару от схода с рельсов и направляет ее при движении в кривой. У гребня нового бандажа установлена толщина 33 мм и угол наклона 70°. Конусность поверхности катания Г.10 (уклон Г.20) способствует центрированию колесной пары в рельсовой колее и уменьшает проскальзывание колес при прохождении кривых участков пути. Конусность внешней части бандажа 1:3,5 (уклон 1:7) и фаска облегчают прохождение стрелочных переводов.
Многолетняя практика эксплуатации колесных пар показывает, что, как правило, нарастание износа гребней бандажей опережает их прокат, вследствие чего для восстановления профиля бандажи вынужденно обтачиваются из-за недопустимого износа (подреза) гребней, когда прокат еще незначителен (3—4 мм). При этом для восстановления гребня до нормальной толщины 33 мм приходится снимать много металла с поверхности катания бандажа, уменьшая ее толщину. В связи с этим осуществляется ряд мероприятий для снижения износа гребней колесных пар.
Наряду с улучшением динамических качеств экипажей, обеспечивающих прохождение колесных пар кривых с наименьшими усилиями применением гребнесмазывателей, серьезное внимание уде
89
ляется разработке новых профилей бандажей, при которых снижается скольжение гребней колес по боковым граням рельсов и тем самым уменьшается их износ. ВНИИЖТом разработан и внедряется новый унифицированный (объединенный) профиль бандажа, одинаковый для локомотивов и вагонов (рис. 2.21, б), особенность которого заключается в следующем. Средняя часть профиля (поверхность катания) представляет собой поверхность, прикатанную по форме поверхности головки рельса. Она состоит из двух конических поверхностей: одна с уклоном образующей 1:100 (со стороны гребня) и другая с уклоном 1:20. Кривизна поверхности, сопрягающейся со средней частью и с гребнем, по мере приближения к гребню увеличивается, соответственно увеличивается и ее конусность. Эта зона гребня (зона набегания), прилегающая к выкружке, описана радиусом г = 70 мм. Угол наклона гребня равен 65°. Благодаря такому профилю бандажа при движении в кривой обеспечивается одноточечный контакт его с рельсом в отличие от бандажа со стандартным профилем, у которого двухточечный контакт с рельсом. При двухточечном контакте происходит интенсивное скольжение гребня бандажа о боковую грань головки рельса, что вызывает их повышенный износ. Применение бандажей с унифицированным профилем снижает износ гребней на 35—50 %.
Кроме профиля бандажа ВНИИЖТа, на железных дорогах России и Украины получил распространение криволинейный профиль типа ДМеТИ, предложенный специалистами Днепропетровского металлургического института. По своему очертанию он приближается к среднеизношенному по прокату бандажа. Профиль ДМеТИ также обеспечивает одноточечный контакт колеса с рельсом при набегании.
Одним из способов снижения износа поверхности катания колес и рельсов является уменьшение изначальной толщины гребня с 33 до 29 мм для конических колес и с 33 до 30 мм с криволинейным профилем колес. Уменьшение толщины гребня как бы увеличивает для локомотивов зазор колеи и тем самым поперечное смещение колесной пары относительно оси пути, при этом увеличивается направляющее действие конусности колес, уменьшается проскальзывание колес из-за разности радиусов наружного и внутреннего рельсов.
90
Повышенный износ гребней особенно интенсивно проявляется при качении колес по термоупрочненным рельсам, которые начиная с 80-х гг. прошлого века укладываются на грузонапряженных линиях. Твердость поверхности катания таких рельсов составляет 350—380 НВ.
Мировой и отечественный опыт эксплуатации железных дорог показывает, что соотношение твердостей рельсов и колес 1:1 является наиболее благоприятным в отношении наименьшего износа пары трения «колесо-рельс».
Существуют различные способы повышения твердости поверхности катания колес. Один из наиболее эффективных и используемых на российских железных дорогах — это плазменная обработка профиля колеса. При такой обработке достигается твердость поверхностного слоя 380—400 НВ на глубину до 3 мм.
На наружной грани бандажа набивают знаки и клейма в такой последовательности: номер завода-изготовителя, дата изготовления, марка бандажа, клейма приемки, номер плавки, номер бандажа.
Колесные пары тепловозов 2ТЭ10В, 2ТЭ10М и 2ТЭ116 с принудительной подачей масла в моторно-осевые подшипники. В отличие от унифицированной колесной пары в средней части оси такой колесной пары выполнен невысокий бурт, на котором укреплен разъемный зубчатый венец привода шестеренного масляного насоса. На удлиненных подступичных частях колесного центра и зубчатого колеса в горячем состоянии насажены кольца лабиринтного уплотнения моторно-осевых подшипников. На проточку ступицы колесного центра со стороны редуктора насажено кольцо для уплотнения кожуха редуктора. Моторно-осевые подшипники выполнены со сложной конфигурацией буртов, которые в сочетании с кольцами образуют лабиринтное уплотнение. Для упрощения изготовления подшипников бурты выполняют отдельно от цилиндрической части, т.е. делают их приставными.
При движении тепловоза зубчатый венец оси приводит во вращение шестерню масляного насоса, подающего масло из нижней камеры корпуса моторно-осевых подшипников к верхним смазочным камерам. Масло к шейкам оси подается польстерами, конструкция которых описана в главе 4. Принудительная подача масла
91
к моторно-осевым подшипникам обеспечивает более высокую надежность их работы.
Зубчатое колесо колесной пары тепловозов 2ТЭ10В, 2ТЭ10М и 2ТЭ116 принципиально отличается от зубчатого колеса унифицированной колесной пары. В этом колесе зубчатый венец и ступица связаны между собой упругими резиновыми элементами. Конструкция упругого зубчатого колеса (УЗК) описана в главе 4.
Колесная пара тепловоза ТЭП70. Устройство колесной пары тепловоза представлено на рис. 2.22. На ось 1 насажены колесные центры 2, из которых один (левый) имеет выгнутый наружу диск для размещения муфты и привода, а второй (правый) — прямой с четырьмя пальцами 12, запрессованными в приливы центра.
При опорно-рамном подвешивании тяговых электродвигателей ось в средней части менее нагружена, чем при опорно-осевом, поэтому ее диаметр в этой части несколько уменьшен, для облегчения она выполнена со сквозным отверстием диаметром 70 мм. Внутреннее отверстие не вызывает заметного ослабления оси, так как оно расположено по нейтральным волокнам металла. На торец оси набиваются маркировочные знаки и клейма. Окончательно обработанная ось для выявления скрытых дефектов и микротрещин проверяется ультразвуковым дефектоскопом.
Колесные пары тепловоза ТЭП70 формируются тепловым методом. При ремонте применяется маслопрессовый метод снятия колес с оси, в колесных центрах предусмотрены специальные каналы для подачи масла под давлением в зону соединения оси со ступицей. После окончательной механический обработки оси (накатки, шлифования и т.п.) подступенчатые части оси покрывают герметизирующим антикоррозионным лаком Ф-40 ТУ6-06-246-91. Для посадки на ось колесо нагревают в электропечи до температуры 240—260 °C и затем устанавливают на ось в специальном приспособлении, обеспечивающем правильное положение колеса относительно оси.
Каждая колесная пара проверяется гидропрессом на качество сопряжения оси и колес. При трехкратно приложенном осевом усилии около 1500 кН сдвиг оси относительно ступицы не допускается. Перед напрессовкой колес на ось одевается труба 5 полого карданного вала вместе с опорой 6 и зубчатым колесом. На рис. 2.22 показана только труба в сборе с шарнирно-рычажными муфтами и
92
40 L>->
Рис. 2.22. Колесная пара тепловоза ТЭП70 с полым карданным валом:
1 — ось; 2 — колесный центр; 3, 12 — пальцы; 4,10 — приводные фланцы; 5 — труба полого карданного вала; 6 — опора; 7 — тяговый редуктор; 8 — бандаж; 9 — резинометаллический шарнир; 11 — бандажное кольцо
тяговым редуктором 7. Зубчатое колесо редуктора, изготовленное из стали марки 45ХН ГОСТ 4543-71, установлено через два роликовых подшипника на опору.
Расчет осей колесных пар. Оси колесных пар относят к наиболее ответственным узлам экипажной части, определяющим безопасность движения. При создании оси для нового локомотива или при изменении ее конструкции, материала, условий нагружения, технологии изготовления для оценки ее прочности и надежности помимо расчета обязательны испытания, объем которых определяют в зависимости от степени новизны конструкции.
Ось колесной пары рассчитывается на сопротивление усталости от деформаций изгиба в вертикальной плоскости. Исследованиями установлено, что на прочность оси влияние изгиба в горизонтальной плоскости, продольного сжатия, перерезывающих сил и кручения незначительно. Поэтому они при расчете оси в соответствии с отраслевым стандартом ОСТ 32.93-97 не учитываются.
Расчетными являются следующие режимы движения локомотива:
- движение со скоростью, превышающей на 10—20 % конструкционную, по прямым участкам пути и по стрелкам на главном пути;
- движение с конструкционной скоростью или максимально разрешенной из условия получения непогашенного ускорения 0,7g по кривому участку пути радиусом 600 м и менее. Для пассажирских локомотивов с конструкционной скоростью выше 150 км/ч с максимально разрешенной скоростью;
- движение по стрелочным переводам на боковой путь с максимально разрешенной скоростью.
При этих режимах в оси колесной пары возникают наибольшие напряжения. Продольные силы (сила тяги, торможение) не оказывают существенного влияния на прочность оси и в расчете не учитываются.
Оценка сопротивления усталости производится по условию
п =--—>[«], (2.6)
о
Р
где п — коэффициент запаса сопротивления усталости; [и] — минимально допустимый коэффициент запаса сопротивления усталости; ст_]д — предел выносливости оси в расчетном сечении; ор — расчетные напряжения в соответствующем сечении оси.
94
Сопротивление усталости оценивается для сечений оси, которые определяются конструкцией колесной пары и тягового привода. В ОСТ 32.93-97 приведена расчетная схема и методики расчета для всех основных типов конструкций колесных пар при применении следующих тяговых приводов:
- электродвигатель с опорно-осевым подвешиванием и односторонней зубчатой передачей;
- электродвигатель с опорно-осевым подвешиванием и двухсторонней зубчатой передачей;
- электродвигатель с опорно-рамным подвешиванием и полым валом;
- карданный привод с осевым редуктором.
Рассмотрим методику расчета оси колесной пары при применении привода с опорно-рамным подвешиванием электродвигателя и опорно-осевым редуктором (привод II класса, см. гл. 4.)
Сопротивление усталости оси оценивается в основных сечениях (рис. 2.23): I — шейка оси, II — предподступичная часть оси; III — подступичная часть оси в плоскости круга катания колеса, IV — по переходной галтели от зоны установки тягового редуктора к средней части оси, V — средняя часть оси.
Рис. 2.23. Основные расчетные сечения колесной пары: I—V — расчётные сечения; /р Z2, /3, /4 — расстояние от середины шейки оси до соответствующего расчетного сечения; е — расстояние от плоскости круга катания колеса до плоскости центра масс редуктора; Рк1 — инерционная сила, приложенная к подступичной части оси со стороны редуктора;
Рс — инерционная сила, приложенная к средней части оси
95
Расчетные сечения относятся к месту действия наибольшего изгибающего момента для рассматриваемой части оси. Диаметр расчетного сечения принимается наименьшим для данной части оси. При этом учитывается уменьшение диаметра оси, допускаемое при ремонте колесных пар.
Если в конструкции колесной пары предусмотрена напрессовка ступицы зубчатого колеса и других деталей, то дополнительно оценивается сопротивление усталости оси в сечениях, расположенных в зонах напрессовки этих деталей.
Составляется схема действия нагрузок на ось колесной пары (рис. 2.24). Расчет оси ведется по эквивалентной статической нагрузке £РКВ от колесной пары на рельсы, в которой учитываются неравномерность распределения силы тяжести (веса) конструкции локомотива по тележкам, отклонение фактической его массы от номинального проектного значения, а также возможные нарушения регулировки рессорного подвешивания:
20ЭКВ=~1’ (1 + г12+П3), (2.7)
т
где <2Т — номинальная проектная сила тяжести (вес) локомотива, приходящаяся на наиболее нагруженную тележку; /т— число осей колесных пар наиболее нагруженной тележки; Т| j — коэффициент, учитывающий производственные допуски и характеризующий отклонение фактической массы локомотива от ее номинального проектного значения ("П1 = 1,03); Г)2 —
Рис. 2.24. Схема сил, действующих на колесную пару
96
коэффициент, учитывающий разность вертикальных статических сил, действующих на рельсы от осей колесных пар наиболее нагруженной тележки (Г|2 = 0,03); Г]3 — коэффициент, учитывающий разность вертикальных статических сил, действующих на рельсы от правого и левого колес рассчитываемой оси колесной пары (г|3 = 0,04).
В качестве расчетных напряжений в сечениях оси принимается сумма напряжений изгиба от приложенных к шейкам оси вертикальных статических сил и сил инерции, вызываемых вертикальными колебаниями надрессорного строения, вертикальных сил передаваемых на ось от тягового привода при силе тяги в длительном режиме, динамической поперечной рамной силы и инерционных сил, от вертикальных колебаний неподрессорен-ных масс тележки.
Вертикальная статическая сила Рст подсчитывается по выражению
2?кв (,77 + т )s
. v кп р '°
’ =-----------------------h т g,
СТ 2 Ш°
(2.8)
где ткп — масса колесной пары без букс и редуктора; тр — масса неподрес-соренных частей редуктора, которая определяется как суммарная величина массы зубчатого венца, его ступицы и 2/3 общей массы нижней и верхней части корпуса; тш — масса консольной части оси (до круга катания); g — ускорение силы тяжести.
Сила инерции Р1Т[Д, возникающая при вертикальных колебаниях надрессорного строения экипажа, определяется как динамическая добавка к вертикальной статической силе и прикладывается к шейке оси. Сила инерции принимается равной 40 % от вертикальной статической силы надрессорного строения Рош, приходящейся на шейку оси и вычисляется по формуле
Р
ОШ
О?кв-0 +т )g ^0 v кп р
- + тп )g,
(2.9)
Р =0АР , шд ош’
где Мд — масса буксового узла; тп — половина массы упругих элементов, опирающихся на буксу.
97
Вертикальная сила RA, приложенная в тяговом режиме к оси от зубчатого колеса редуктора, определяется по формуле (при напрес-совке этого колеса на ось)
FD ( 1
1 + _L
2а и
(2.10)
где FK — касательная сила тяги колесной пары в длительном режиме; DK — диаметр колеса; а — расстояние в продольном направлении от оси колесной пары до кронштейна подвески редуктора на раме тележки, и — передаточное число редуктора.
Вертикальная сила Рл, приложенная к шейке оси со стороны редуктора, для локомотива с двухосной тележкой равна:
(2.И)
где Ьпс — расстояния соответственно в продольном и поперечном направлениях между кронштейнами подвески редуктора на раме тележки; 2L — база тележки; 2/ — расстояние между серединами шеек оси.
Вертикальная сила Рп, приложенная к шейке оси со стороны, противоположной редуктору, для локомотива с двухосной тележкой определяется по формуле
Р п
F D
^T + R^b
4L ~4/~
(2-12)
Динамическая поперечная рамная сила //р принимается равной 30 % от величины эквивалентной осевой нагрузки. Рамная сила и поперечная сила трения Н между колесом и рельсом уравновешиваются боковой силой Р/g, приложенной ко второму колесу.
(2-13)
я =оЖкв-р ’ ^0 5
98
Н =ц R, тр тр 2 >
где цтр — коэффициент трения между колесом и рельсом, принимаем равным 0,25; — реакция рельса в вертикальном направлении.
Вертикальные инерционные силы от колебаний неподрессорен-ных масс прикладываются отдельно к шейкам, подступичной, редукторной (если редуктор неподрессорен) и средней частям оси. Ось рассматривается как твердое тело, при этом принимается, что вертикальное ускорение приложено к одному из колес, расположенному со стороны редуктора, а на противоположном колесе ускорение отсутствует. Распределение ускорений по длине колесной пары принимается по линейному закону.
Инерционные силы от неподрессоренных масс прикладываются в центрах масс элементов оси с учетом распределения масс буксовых узлов,колес и редуктора.
Инерционная сила средней части оси принимается в виде сосредоточенной силы, приложенной на расстоянии 2s/3 от плоскости круга катания колеса, расположенного со стороны редуктора (2s — расстояние между кругами катания колес).
Вертикальное ускорение буксового узла(м/с2), расположенного со стороны редуктора, определяется по формуле
j = (2000 + 113v ) —
Di к v т
V нк
(2.14)
где vK— конструкционная скорость, м/с; /?7НК — масса неподрессоренных частей, приходящаяся от колеса на рельс;
1 2s -е
т = — т +mr.+m -I--------т ,
нк 2 кп б п 2s Р
(2-15)
где е — расстояние от круга катания колеса до плоскости центра масс редуктора;
/Кр — масса неподрессоренной части редуктора.
Инерционная сила Рн1, приложенная к шейке, расположенной со стороны редуктора, равна:
где = + Шщ + н?п —масса неподрессоренных частей, относящихся
К шейке оси.
99
Инерционная сила Рн2, приложенная к шейке со стороны, противоположной редуктору, равна:
где— ускорение буксового узла со стороны, противоположной редуктору,
<2>8>
где /3 — расстояние от середины шейки оси до сечения III.
Инерционная сила Ркр приложенная к подступичной части оси, расположенной со стороны редуктора, равна:
Р , =т J ., (2.19)
к! к-'к!’
гдеук1 — ускорение колеса, расположенного со стороны редуктора,
j = j . (2.20)
K1 61/3+2s
Инерционная сила Р , приложенная к редукторной части оси, равна:
VVp- (2-20
где ур — ускорение неподрессорной части редуктора,
j (2.22)
Р 761Z3+2s
Инерционная сила Рс, приложенная к средней части оси, равна: Рс = °,5'ис7к1’ (2-23)
где тс — масса средней части оси между кругами катания колес.
Вертикальная реакция R\ на опоре (колесе) оси со стороны редуктора равна:
100
р
R,=P +Р + Р + Р , + Р . + Р -R. + —+
1 СТ ШД Л н1 к1 р А 2
+ (л+Р ,+P т-р)^--(р -R&}^ + P ^- + Н (2.24)
V0 н1 н2 п /25 VP ^>2s с 25 Р 45 '
где /5 — расстояние от среднего сечения оси до места приложения силы Рс,
Z5=|- (2.25)
Вертикальная реакция Т?2 на опоре (колесе) оси со стороны, противоположной редуктору, равна:
Р / \ /,
Я=Л +р +р -р +_с+(р -р -р -р Ы- +
z ст шд п н2 2 ' п 0 и! 2 S
+ (р -R.V--P ^-Н (2.26)
\ р А/27 с 2s р 45
Изгибающий момент (Wj в сечении I оси равен:
М=(Р +Р +Р+Р,)1, (2.27)
I СТ ШД л НГ1>
где /] — расстояние от середины шейки оси до сечения I.
Изгибающий момент Мц в сечении II оси равен:
М,. ={Р + Р +Р +P,)L (2.28)
II v ст шд л н1 ' 2 ’
где /2 — расстояние от середины шейки оси до сечения II.
Изгибающий момент Мщ в сечении III оси равен:
Я, D
М„,=(Р +Р + Р +P,)L+-^—*-. (2.29)
III v ст шд л нН 3 2
Изгибающий момент (WIV в сечении IV оси равен:
101
4v - (PcT + Ршд + Рл + Рн1 + (PK1 - R1 )<Z4 - l3 ) +
+ (Pp_7?A).(/4_/3_e) + ^A,
где /4 — расстояние от середины шейки оси до сечения IV
MV=(P + Р +Р -Р ^s + L+L)-V 4 ст шд п н2/ч 3 57
Н D т> / 1 \ тр К
- 7?2(5 + /5 ) +---.
“ 2
Расчетное напряжение в г-м сечении (г = I, II, III, IV, V) равно:
М (о ) =—, Р' W I
где Мг — изгибающий момент в z-м сечении оси, W\ — момент сопротивления z-ro сечения оси,
(2.30)
(2-31)
(2 32)
7К/3
JV = —, (2 33)
' 32
dt — диаметр z-ro сечения оси
При оценке сопротивления усталости оси пределы выносливости в расчетах принимаются по результатам натурных испытаний осей При отсутствии таковых рекомендуются для накатанных осей значения пределов выносливости, приведенные в табл. 2 1
Таблица 2 1
Пределы выносливости для расчетных сечений накатанных осей
Предел вынос-ливости, МПа сечения
I II Ш IV V
1д 145 145 140 150 150
Если конструкция и технология изготовления осей в значительной степени отличаются от применяемых, которым соответствуют данные таблицы, а также при оценке сопротивления усталости других сечений, расположенных в зонах напрессованных деталей (сгу-
102
пицы зубчатого колеса, дисково! о а ормоза и др), предел выносливости рекомендуется определять по формуле
О =_v_«2.o
Чд К К -1> с р
(2.34)
где а_[ — предел выносливости лабораторного образца (диаметром 7,5 мм) из материала оси при изгибе, Ка(у — коэффициент влияния абсолютных размеров поперечного сечения оси, Ку — коэффициент влияния поверхностного упрочнения (для накатки роликом поверхностей Kv = 1,3), Ко — эффективный коэффициент концентрации напряжений в галтелях, который равен
^=1 + ^-1), (2 35)
где с/п — коэффициент чувствительности к концентрации напряжений, ао — теоретический коэффициент концентрации напряжений, зависящий от диаметра расчетного сечения оси и размера галтели, К&—коэффициент, учитывающий влияние напрессовки, определяется в зависимости от величины контактного давления Р'к , которое вычисляется по формуле
V
J
d'
fl + y2 J-y2
(2 36)
8
где Е— модуль упругости сопрягаемых деталей, ц — коэффициент Пуассона, 5 — натяг (определяется по разности диаметров сопрягаемых деталей), d' — диаметр сопряжения, у — отношение диаметра сопряжения к наружному диаметру охватывающей детали, х — поправочный коэффициент, который определяется в зависимости от отношения длины охватывающей детали к посадочному диаметру
Коэффициенты Као, аа, qa, К % для сталей с пределом прочности оп - 400—500 МПа определяются по соответствующим графикам, представленным на рис 2 25
Величина допустимого коэффициента запаса сопротивления усталости [и] оси колесной пары принимается равной для шейки 1,9; для подступичной и заредукторной частей оси 1,3.
Расчет по приведенной методике следует рассматривать как предварительный при выборе конструкционных размеров. Уточненный расчет проводится по ОСТ 3293-97.
103
Рис. 2.25. Зависимости коэффициентов KaQ, аа, qa, Кр, х
2.4. Буксовые узлы
Под буксовым узлом понимают комплект деталей, состоящий из корпуса буксы с крышкой, подшипника и уплотнительных устройств. Буксовые узлы предназначены для передачи нагрузок от подрессоренных масс кузова и тележек на шейки осей колесных пар, а также сил тяги и торможения, боковых усилий от колесных пар на раму (так на
104
зываемых рамных сил). Кроме того, буксовые узлы ограничивают продольные и поперечные перемещения колесной пары относительно рамы.
Вертикальные нагрузки на буксовые узлы при колебаниях во время движения локомотива возрастают в 1,3—1,7 раза по сравнению со статическими. Увеличивают напряженное состояние элементов буксового узла продольные тяговые и тормозные усилия, достигающие более 30 кН, удары колес на стыках, вызывающие вертикальное ускорение букс более 10g. На буксовый узел действует рамная сила, величина которой около 80—90 кН.
Конструкции буксовых узлов весьма разнообразны, они различаются по способу передачи тяговых и тормозных усилий, передачи вертикальных нагрузок, а также по типу подшипников и другим характеристикам.
Основные требования к конструкции буксовых узлов в зависимости от условий эксплуатации: точность, надежность, вибрационная и ударная стойкость, жесткость, охлаждение, техническая диагностика, удобство сборки и разборки при ремонте, экономичность и энергосбережение, экологичность.
В зависимости от типа рам буксы бывают разъемные (при внутренних относительно колес рамах) и закрытого типа (при внешних главных и тележечных рамах). Наибольшее распространение получили буксы закрытого типа.
Основной частью букс являются подшипники, в которых вращаются шейки осей. Подшипники могут быть двух типов: трения скольжения и трения качения. Конструкция букс с подшипниками качения — роликовыми значительно сложнее, чем с подшипниками скольжения. Подшипники скольжения применялись в отечественных электровозах выпуска до 50-х гг. XX века, а также в первых серийных тепловозах ТЭ1 и ТЭ2. С конца 50-х гг. в отечественных локомотивах используются только подшипники качения, ввиду их многочисленных преимуществ: значительное снижение сопротивления движению во всем диапазоне скоростей, которое мало зависит от температуры воздуха и времени года, а сопротивление движению при трогании с места снижается на 85 % от сопротивления, создаваемого подшипниками скольжения; уменьшение расхода цветных металлов; отсутствие подбивки, фитилей и т.п.; снижение расхода смазки более, чем в 5 раз; отсутствие необходимости в повседневном уходе, так как ревизия букс
105
с роликоподшипниками проводится один раз в 6 месяцев, что значительно сокращает эксплуатационные расходы; исключено загрязнение окружающей среды (балласта и рельсов) от потерь смазки.
Буксы, используемые в локомотивах, можно условно классифицировать на три основных типа, принципиально различающихся по конструктивным особенностям: челюстные, бесчелюстные (поводковые) и с цилиндрическими направляющими. Последний тип букс применен на чешских электровозах ЧС2,ЧС6,ЧС7,ЧС8 и др.
Челюстные буксы. Челюстными буксами оборудованы колесные пары тепловозов М62, 2ТЭ10Л, ТЭМ2, ТЭМ2У, ТГМ4, ТГМ6. Поперечное перемещение колесной пары ограничивается приливами корпуса челюстной буксы. Такие буксы комплектуют цилиндрическими и сферическими роликовыми подшипниками различных типов. Существенным недостатком челюстных букс является наличие зазоров между корпусами букс и буксовыми направляющими рамы тележки, вследствие чего колесная пара с буксами может свободно перемещаться в продольном и поперечном направлениях. Ввиду износа направляющих возрастают продольные и поперечные перемещения колесных пар, повышающие склонность тележек к вилянию в прямых и увеличивающие углы набегания колесных пар в кривых участках пути, что приводит к повышению динамических нагрузок, действующих на локомотив в горизонтальной плоскости, и к увеличенному износу гребней колес. Сила трения между направляющими буксы и рамы тележки препятствует ее свободному вертикальному перемещению вместе с колесной парой относительно рамы. Продольные, а при отсутствии упругого осевого упора и поперечные удары передаются жестко на раму тележки. Буксовые и рамные наличники, работающие в условиях полусухого трения, сильно изнашиваются.
В буксе тепловоза 2ТЭ10Л (рис. 2.26) передача нагрузки на корпус 11 осуществляется через арку 15, в которую вставлены опоры балансиров 14. Благодаря уменьшению нагруженности подшипников при арочной системе опирания в буксе используются подшипники меньших размеров по сравнению с буксой тепловоза ТЭЗ, что значительно уменьшает габариты и вес всей буксы.
В переднюю крышку 9 вварена диафрагма 10 с отбуртовкой, разделяющая полость подшипников и полость упора и препятствующая смешиванию смазок. Для смазывания подшипников приме-
106
Рис. 2.26. Букса тепловоза 2ТЭ10Л:
а — букса крайних осей; б — осевой упор средних осей; 1 — планка; 2 — стопорное кольцо; 3 — войлочный фитиль; 4 — пластинчатая пружина; 5 — пружина осевого упора; 6 — фланец осевого упора; 7 — осевой упор; 8 — регулировочная прокладка; 9 — передняя крышка; 10 — диафрагма; 11 — корпус; 12,13 — дистанционные кольца; 14 — опоры балансиров; 15 — арка; 16 — задняя крышка; 17— лабиринтное кольцо; 18 — крышка; 19 — карманы; 20 — лобовый наличник; 21 — внутренний наличник; 22 — роликовый подшипник; 23 — пробка; 24 — спускная пробка
няются консистентные смазки, которые заправляются в полость подшипников при сборке буксы. Для пополнения смазки служит отверстие, закрываемое пробкой 23.
Фитиль 3 осевого упора, подающий осевую смазку в зону трения, укреплен на пластинчатой пружине 4 и постоянно прижат к торцу оси. За счет упругости пружины предотвращается уплотнение фитиля в процессе работы.
При сборке на колесной паре к корпусу 11 буксы болтами через планку 1 крепится задняя крышка 16. Устанавливаются в корпус два роликоподшипника 22 (без внутренних колец) и дистанционное кольцо 13 между ними.
На шейку оси последовательно в горячем состоянии с натягом (в упор друг к другу) насаживают: лабиринтное кольцо 17 и два внутренних кольца подшипников. Расстояние между ними устанавливается дистанционным кольцом 12, все эти детали крепятся на шейке стопорным кольцом 2. Затем на шейку ставят ранее собранный корпус буксы с подшипниками. На нем последовательно укрепляются передняя крышка 9 с регулировочной прокладкой 8, осевой упор 7 с пружиной 5 и фитиль 3, фланец осевого упора 6 с пружиной упора 5 для крайних колесных пар (предварительная затяжка пружины до 15 кН, поперечное перемещение упора 10—11 мм). Упругие упоры уменьшают рамные динамические усилия при движении тепловоза в кривой.
У средних осей упоры жесткие, и букса свободно перемещается по оси на ±14 мм от среднего положения. Это перемещение обеспечивается зазором между упором и торцом оси, а также между дном кольцевой выточки в задней крышке и лабиринтным кольцом. При этом ролики проскальзывают в осевом направлении по внутренним кольцам подшипников.
К боковым поверхностям корпуса буксы, передающим продольные силы, электрозаклепками приваривается наличник 20, 21 из марганцовистой стали 60Г. Для уменьшения трения в наличниках к ним подается смазка (осевое масло из двух карманов 19 фитилями, проходящими в корпусе буксы). В карманы, закрываемые крышками 18, заправляют осевое масло. При замене отработавшее масло сливается через отверстие, закрываемое пробкой 24.
Надежность эксплуатации экипажной части обеспечивается правильной установкой и регулировкой разбегов колесных пар
108
относительно рам тележек. Продольный разбег колесной пары относительно рамы ограничивается суммарной величиной зазоров В (рис. 2.27) между боковыми наличниками корпуса буксы и наличниками буксовых челюстей рамы тележки. Чертежный размер зазора 0,58—1,78 мм, в эксплуатации допускается до 5 мм во избежание значительных перекосов оси в тележке.
Суммарный поперечный разбег оси По, в значительной степени определяющий ходовые качества тепловоза и его воздействие на путь, складывается из свободного С и упругого У разбегов, т.е. По = С + У. Свободный разбег колесной пары С представляет сумму зазоров А (рис. 2.27) между лобовыми наличниками левой и правой букс и наличниками рамы тележки и зазоров Б между торцами осей и осевыми упорами обеих букс, т.е. С - Алев + Аправ + + БЛев + Бправ. Свободный разбег установлен для крайних колесных пар Скр = 3 + 1 мм; для средних — Сс =28 + 1 мм.
Величина свободного поперечного разбега устанавливается и регулируется за счет прокладок 8 (рис. 2.26) между передней крышкой 9 и фланцем осевого упора 7.
109
Упругий разбег крайних колесных пар представляет сумму допустимых прогибов Г (рис. 2.27) пружин осевых упоров, т.е. У = Г + Г лев прав-
Упругий разбег Г = 11 мм на сторону или У = 22 мм. Этот разбег в эксплуатации не регулируется. Таким образом, величина суммарного разбега для крайних колесных пар составляет По = С + У = 25—26 мм. Для средних колесных пар У = 0 и По - С - 28—29 мм.
Бесчелюстные буксы. Эти буксы связаны с рамой тележки буксовыми поводками. Буксовые узлы выполняют двух типов: одноповодковые (тепловозы ЧМЭ2, ЧМЭЗ, ТЭМ21) и двухповодковые (тепловозы 2ТЭ10В, 2ТЭ10М, 2ТЭ116, ТЭП60, ТЭП70 и др.). Поводки снабжены шарнирами с резинометаллическими элементами, допускающими упругие вертикальные и поперечные перемещения букс.
Буксы комплектуют с цилиндрическими и сферическими роликовыми подшипниками различных типов. Преимуществом таких букс являются: устранение возможности свободного продольного перемещения, что значительно снижает частоту колебаний виляния колесной пары; исключение поверхностей трения; облегчение условий обслуживания и ремонта; повышение долговечности буксового узла.
Конструкции бесчелюстных букс различных тепловозов отличаются друг от друга в основном формой корпуса и его посадочных гнезд для пружин. В отличие от челюстных в бесчелюстных буксах крайних осей колесных пар вместо скользящих осевых упоров применены упорные шариковые подшипники, воспринимающие осевые нагрузки. Применение упорного подшипника в качестве осевого упора сократило габариты буксы, исключило осевое трение и упоры скольжения; взамен двух видов смазки применяется только консистентная смазка.
Рассмотрим двухповодковые буксовые узлы. В первоначальной конструкции буксового узла тепловозов 2ТЭ1ОВ и 2ТЭ116 в передней крышке был предусмотрен упругий осевой упор в буксах крайних осей тележек, состоящий из резинового амортизатора с начальным сжатием силой 3 кН и упорного подшипника. Однако эффективность упругих упоров оказалась незначительной, они обеспечивали снижение рамных сил всего на 4—17 %, ускорения кузова при этом не уменьшались. Ввиду низкой эффективности упругие упоры были удалены при одновременном увеличении поперечной гибкости буксовых поводков. Устранение упоров снизило вес букс и упростило их конструкцию без ухудшения ходовых качеств тепловоза.
110
На основании проведенных испытаний была разработана усовершенствованная конструкция буксового узла для тепловозов 2ТЭ116 и 2ТЭ10В, 2ТЭ10М, ТЭМ18 с отличиями главным образом в форме корпуса и его посадочных гнезд для пружин у каждого локомотива.
Конструкция буксового узла тепловоза 2ТЭ116 показана на рис. 2.28. Корпус 9 буксы двумя кососимметрично расположенными поводками 2 соединен с рамой тележки. Валики поводков крепятся к корпусу буксы и раме тележки клиновыми соединени-
Рис. 2.28. Буксовый узел тепловоза 2ТЭ116:
1,21 — болты; 2 — поводок; 3 — лабиринтное кольцо; 4 — стопорный болт; .5 — шайба; б — задняя крышка; 7, 22 — шелковые шнуры; 8 — роликовые подшипники; 9 — корпус буксы; 10, И — дистанционные кольца; 12, 14 — стопорные кольца; 13 — кронштейн; 15 — упорный шариковый подшипник; 16 —амортизатор; 17 — передняя крышка; 18 — пружина; 19 — упор; 20 — контровочная проволока; 23 — коническая пробка
111
ями и болтами 1. Пружины рессорного подвешивания тележки устанавливаются на два боковых опорных кронштейна листового корпуса буксы. В цилиндрическую расточку корпуса буксы установлены по скользящей посадке до упора в заднюю крышку 6 два роликовых подшипника и между ними дистанционное кольцо 10. Для повышения срока службы подшипники устанавливают в одном буксовом узле с разностью радиальных зазоров не более 0,03 мм. Кроме того, потолок корпуса буксы выполнен в виде свода переменного сечения с увеличенной толщиной в верхней части, что приводит не только к более равномерному распределению нагрузки между роликами, но и к увеличению числа роликов, находящихся в рабочей зоне.
На предступичную часть оси до упора в галтель надето с натягом лабиринтное кольцо 3. Температура нагрева кольца перед посадкой 120—150 °C. Лабиринтное кольцо образует с задней крышкой 6 четырехкамерное лабиринтное уплотнение буксы. Внутренние кольца подшипников насаживают на шейку оси с натягом 0,035—0,065 мм вместе с дистанционным кольцом 11, нагретыми в индустриальном масле до температуры 100—120 °C. Сползание внутренних колец с шейки оси предотвращает стопорное кольцо 12.
В передней крышке 17 устанавливается осевой упор качения одностороннего действия, содержащий упорный шарикоподшипник, одно кольцо которого установлено на торцовой проточке оси, а другое — на упоре 19. Натяг колец 0,003—0,016 мм. Для предотвращения раскрытия упорного подшипника он постоянно прижат усилием около 2 кН к торцу оси колесной пары. Усилие создает пружина 18, действующая на подшипник через упор 19. При снятии крышки 7 7 осевой упор придерживается в ней стопорным кольцом 14. Между упором и крышкой установлен амортизатор 16, представляющий собой две металлические пластины толщиной 2 мм с привулканизированным к ним резиновым элементом. В буксах средних колесных пар амортизатор не ставится, что обеспечивает свободный осевой разбег ±14 мм этих колесных пар в буксах. К передней крышке приварен кронштейн 13 для присоединения гасителя колебаний.
Чтобы отличать буксы крайних колесных пар от средних колесных пар, на крышке букс наносят буквы соответственно КР и СР. На зад
112
ней крышке установлен стопорный болт 4, предотвращающий сползание буксы с шейки оси при снятой с тепловоза колесной пары.
При сборке буксы в лабиринтное уплотнение задней крышки, подшипники и осевой упор передней крышки закладывают консистентную смазку. В эксплуатации смазка в буксовый узел дозаправляется запрессовкой через отверстие с конической пробкой 23, расположенной в нижней части корпуса буксы.
У тепловозов ТЭП60 и ТЭП70 поводковая букса выполнена в виде цилиндрического корпуса 1, отлитого из стали 25Л с приливами для крепления поводков и буксового балансира. Диаметр расточки корпуса под подшипник 290+0,05 мм. Буксы в собранном виде (рис. 2.29) отличаются внутренними деталями, наружной
Рис. 2.29. Буксы колесных пар тележки тепловоза ТЭП70: а — крайних; б — средней; 1 — корпус; 2, 17 — лабиринтные кольца; 3, 7, 15 — крышки; 4, 5 — дистанционные кольца; 6, 18 — болты; 8 — гайка; 9 — стопорная шайба; 10 — шариковый подшипник; 11,21 — крученые шнуры; 12 — роликовый подшипник; 13 — металлокерамическая втулка; 14— проставочное полукольцо; 16, 19—упорные кольца роликового подшипника; 20 — проставка
113
крышкой и комплектом подшипников, потому что у средних колесных пар каждой тележки, в отличие от крайних, поперечный разбег оси равен ±14 мм, а к первой и шестой осям тепловоза присоединяют привод скоростемера. Для установки привода скоростемера в наружных крышках букс крайних осей тепловоза сделаны отверстия диаметром 115 мм.
Для восприятия радиальных нагрузок в буксах крайних осей установлено по два радиальных однорядных с короткими цилиндрическими роликами подшипника 12 без бортов на внутреннем кольце. Осевые усилия, возникающие при движении экипажа по рельсовому пути, воспринимают однорядные шариковые подшипники 10. В буксе установлено по одному подшипнику, разгруженному от радиальных сил. Для исключения осевого защемления подшипников колесной пары осевой разбег букс на крайних осях устанавливают 0,5—1,0 мм и ограничивают величиной осевого люфта шариковых подшипников.
В буксах средних осей установлено по два радиальных однорядных подшипника 12 с короткими цилиндрическими роликами без бортов на внутреннем кольце и плоскими упорными кольцами 16 и 19, воспринимающими периодически возникающие осевые усилия и ограничивающими поперечные перемещения ±14 мм относительно корпуса буксы.
Внутренние и наружные кольца роликовых подшипников разделены дистанционными кольцами 4 и 5. Наружные кольца подшипников вставляют в корпус буксы по скользящей посадке.
С внутреннего торца букса закрыта лабиринтными кольцами 2 и 17, насаженными на предподступичную часть оси, и крышками 3 и 75. Выточки в кольце и крышке образуют лабиринт, предохраняющий полость буксы от попадания инородных предметов и вытекания смазки. С наружной стороны букса закрыта крышкой 7, под которую установлены проставочные полукольца. Толщина полуколец определяется условием центрального положения буксы относительно середины роликовых подшипников средних осей при среднем положении колесной пары относительно тележки. Пространство в лабиринте задней крышки, а также между задней крышкой и подшипниками и со стороны передней крышки заполняются консистентной смазкой. В приливах корпуса буксы сделаны клиновые пазы для установки хвостовиков валиков поводков.
114
В одноповодковом буксовом узле тепловоза ЧМЭЗ применена букса с двухрядными сферическими подшипниками, установленными в корпусе, одновременно выполняющем роль балансира рессорного подвешивания. На рис. 2.30 представлена конструкция этой буксы. Применение опорно-упорного подшипника со сферическими роликами упрощает конструкцию буксы, так как нет необходимости в специальном осевом упоре. Такой подшипник одновременно является са-
моустанавливающимся, т.е. он обеспечивает нормальную работу буксового узла при небольших перекосах оси относительно корпуса буксы.
Роликовый подшипник состоит из внутреннего 10 и наружного 11 колец и двух рядов сферических роликов 2 в сепараторах 13. Собранный подшипник насаживается на шейку 9 оси колесной пары в горячем состоянии, чем обеспечивается необходимый натяг между шейкой оси и кольцом 10. Корпус 12 буксы плотно насаживается на наружную поверхность кольца 11 и закрывается двумя крышками би 8. Уплотнение между крышками и корпусом буксы осуществляется постановкой резиновых колец 7.
Задняя крышка 6 свободно надета на предподступичную часть оси. Предварительно в кольцевую канавку крышки ставят прожированное войлочное кольцо 5. Для защиты оси от износа из-за трения вой
Рис. 2.30. Роликовая букса тепловоза ЧМЭЗ:
7 — болт; 2 — ролик; 3 — отбойное кольцо; 4 — сменное кольцо; 5 — войлочное кольцо; 6, 8 — задняя и передняя крышки; 7 — резиновое кольцо; 9 — шейка оси; 10, 11 — внутреннее и наружное кольца роликового подшипника; 12 — корпус буксы;
13 — сепаратор
115
лочного кольца на нее с натягом надевают сменное стальное кольцо 4. Уплотнение камеры смазки буксового узла, кроме войлочного кольца 5, обеспечивает стальное отбойное кольцо 3, которое в нагретом состоянии насаживают на ось до упора в кольцо 4. Передняя 8 и задняя 6 крышки прикреплены к корпусу буксы восемью болтами 1, головки которых попарно зашплинтованы.
При сборке в буксу закладывают консистентную смазку, причем переднюю крышку заполняют на 1/3 объема, а остальная смазка распределяется между кольцами и роликами подшипника.
В современном зарубежном тяговом подвижном составе есть две основные тенденции в конструкции буксовых узлов:
- применение для легкого подвижного состава (дизель-поездов, электропоездов, вагонов метрополитена, автономных путевых машин) резинометаллических упругих элементов в связи корпуса буксы с рамой тележки, выполняющих одновременно роль рессорного подвешивания и работающих на деформации сдвига и сжатия;
- применение одно- или двухповодковых с упругими шарнирами букс с передачей продольных сил в плоскости осей колесных пар.
Одноповодковая конструкция буксовой связи получила распространение на тепловозах и электровозах, эксплуатирующихся в странах Западной Европы, а также в тележке тепловоза ТЭМ21 (см. рис. 2.12). В последней конструкции поводок расположен на 125 мм ниже плоскости осей колесных пар, что нежелательно, так как при действии продольных сил на корпус буксы возникает момент, стремящийся ее повернуть.
Методы расчета букс тепловозов. В эксплуатации буксы воспринимают все статические и динамические нагрузки от рамы тележки в вертикальном, поперечном и продольном направлениях и передают их к вращающимся осям. При этом предполагается, что буксы обеспечат нормируемую долговечность подшипников. Наряду с расчетом долговечности, элементы подшипников качения проверяются на контактную прочность и надежность работы в эксплуатации.
Важным условием надежной работы буксовых подшипников является благоприятное распределение усилий на ролики букс. Нагруженность роликов букс во многом определяется схемой приложения нагрузки к корпусу буксы и конструкцией самого корпуса. У современных тепловозов применяются в основном поводко
116
вые буксы. Конструкция поводковых букс определяется схемой рессорного подвешивания локомотива. При сбалансированном подвешивании (тепловоз 2ТЭ121) нагрузка на корпус буксы передается от рессоры или нижнего балансира вдоль его вертикальной оси симметрии. Благодаря такой схеме приложения усилий изгибающие моменты, действующие на корпус буксы снизу, оказываются незначительными, чем и обеспечивается его высокая прочность. При индивидуальном рессорном подвешивании (тепловозы 2ТЭ116, ТЭП70, ТЭМ7 и др.) нагрузка на буксы передается через кронштейны корпусов, на которые опираются буксовые пружины. Плечи приложения этих нагрузок относительно центра буксы равны 345—350 мм. Это приводит к возникновению больших изгибающих моментов и повышенных напряжений как в кронштейнах, так и в сводах корпусов.
Анализ характера сил, действующих на корпус буксы, показывает, что прочность корпусов определяется главным образом вертикальными нагрузками, а усталостная прочность прежде всего вертикальными динамическими нагрузками. Работоспособность буксового подшипника зависит от характера и деформации свода буксы. У корпусов букс с передачей нагрузки через кронштейны при большой податливости свода деформации могут превысить установленные зазоры между корпусом и подшипниками, а также в самих подшипниках, и тогда возможно заклинивание роликов между кольцами.
На рис. 2.31 приведены результаты измерения деформаций сводов корпусов букс тепловозов 2ТЭ116 и ТЭП70 под нагрузкой 150 кН, полученные при стендовых испытаниях во ВНИКТИ*. У корпусов букс обоих тепловозов определенно расположенные диаметры уменьшаются в размере. Так, диаметр корпуса буксы тепловоза 2ТЭ116, расположенный под углом 135° к вертикальной оси, от действия указанной нагрузки уменьшается на 95 мкм. У тепловоза ТЭП70 максимальное уменьшение диаметра, расположенного под углом 120°, равно 54 мкм.
* См.: Повышение надежности экипажной части тепловозов /А.И. Беляев, Б.Б. Бунин, С.М. Голубятников и др.; Подред. Л.К. Добрынина. — М.: Транспорт, 1984. — 248 с. (Надежность и качество).
117
Рис. 2.31. Деформация (в мкм) средних сечений корпусов букс тепловозов 2ТЭ116 (I) и ТЭП70 (II) под нагрузкой 150 кН
При выборе типа подшипника и гарантированного зазора между корпусом буксы и направляющим кольцом необходимо, кроме деформации корпуса под нагрузкой, учитывать и увеличение диаметра внутреннего кольца подшипника при тепловой посадке его на ось, которое может равняться 35—55 мкм.
Современные методы расчетов прочности с использованием конечных элементов (МКЭ) позволяют определять нагруженность роликов подшипников букс с учетом деформации корпуса буксы и наружного кольца подшипника. На рис. 2.32 в качестве примера показана конечно-элементная расчетная схема буксы тепловоза 2ТЭ121, а в табл. 2.2 относительные усилия, приходящиеся на ролики подшипника при действии вертикальной нагрузки на буксу Р = 110 кН и продольной силы Т~ ± 32 кН*.
Нумерация роликов (рис. 2.32) начинается с верхнего ролика и далее по часовой стрелке. Как видно, нижние ролики 7, 8, 9,
* Расчет выполнен в Брянском государственном техническом университете д-ром техн, наук В.И. Сакало и канд. техн, наук Г.В. Невмержицкой.
118
Рис. 2.32. Схема разбивки на конечные элементы буксового узла тепловоза 2ТЭ121:
1 — ось колесной пары; 2 — корпус буксы; 3 — наружное кольцо подшипника; 4 — ролик подшипника; 5 — внутреннее кольцо подшипника
Таблица 2 2
Относительные усилия, приходящиеся на ролики подшипника буксы тепловоза 2ТЭ121 (%)
Нагрузка Номер ролика
1 2 3 4 5 6 12 13 14 15 16
Р 10,2 16,5 17,5 21,2 20,5 20,08 0,32 19,5 21,3 16,9 15,8
Р, Т 7,8 20,3 20,1 22,6 14,7 - 3,2 24,8 29,0 22,8 20,6
Р, -Т 10,4 22,4 21,4 24,4 26,4 10,1 - 16,7 18,3 16,7 21,0
119
10, 11 оказываются практически ненагруженными. В целом распределение усилий благоприятное: воспринимают нагрузку одиннадцать роликов.
При проектировании буксы подбор роликоподшипников тепловозов, ввиду особых условий работы, не может быть выполнен по формулам, которые используются для подшипников стационарных машин и механизмов. После соответствующих поправок и преобразований формула для расчета долговечности роликоподшипников принимает вид:
6я£>к \ Qjc
10\р ](^ + mA)Ks
(2.37)
или S, = hv , (2.38)
1 ср ’ ’
где h и ,S'| — расчетная долговечность подшипника соответственно в ч и км; Z>K — диаметр колеса по кругу катания в мм; vcp — средняя расчетная скорость движения в км/ч; С — коэффициент работоспособности подшипника (по таблицам каталога подшипников); Кк — коэффициент вращения кольца: при вращении внутреннего кольца К = 1; при вращении наружного кольца Кк = 1,35; R — радиальная нагрузка на подшипник в Н (при одном подшипнике в буксе равна статической нагрузке, при двух — 55 % от статической); т — коэффициент, учитывающий неоднородность влияния радиальных и осевых нагрузок на долговечность подшипника; для открытых цилиндрических подшипников т = 0; для прочих принимается по каталогу или определяется по формуле
1
т ~:
2,6tgpK
(2.39)
Рк— угол контакта роликов с наружным кольцом; А — осевая нагрузка на подшипник в Н (при действии осевого усилия только на один подшипник А = 15—20 % от статической нагрузки; при переменном действии усилия на два подшипника А = 10—15 % от статической нагрузки); — коэффициент, учитывающий динамику нагрузки и принимаемый по аналогии с величинами для эксплуатирующихся подшипников; при отсутствии таких данных /<5 = 1,2—1,3.
Контактные напряжения для роликоподшипников достигают 2000—3000 МПа, поэтому подшипники изготавливают из высокопрочной хромистой стали марка ШХ15 или ШХ15СТ, ГОСТ 801-78
120
при твердости после термообработки по Роквеллу RC 62—65. Для цилиндрических роликов наиболее характерным повреждением является выкрашивание металла у кромок и на поверхности внутреннего кольца в наиболее нагруженной зоне.
Роликоподшипники для локомотивов рассчитывают на долговечность исходя из срока службы до появления усталостного износа (выкрашивания). Долговечность подшипника принимают от 20000 до 30000 часов. При отсутствии данных о коэффициенте работоспособности С его можно определить исходя из типа подшипника, диаметра ролика dp, мм, рабочей длины / мм, и количества Z роликов в одном ряду.
Для подшипника со сферическими роликами
С =85Z°’7^p/p, (2.40)
для подшипника с цилиндрическими роликами
С = 55ZQ;jd I (2.41)
ц р р ’
для подшипника с коническими роликами
CK=55Z^dplpCOS^, (2.42)
1 де Р [ — угол конусности наружного кольца подшипника (обычно 3 j = 12—18°).
Использование закрытых и полузакрытых подшипников с цилиндрическими роликами ограничено максимальной допускаемой осевой нагрузкой, которая допускается: для редко действующей Zpmax <0,043С, Н; часто действующей, но не постоянной А <0,022С, Н.
2.5. Рессорное подвешивание
2.5.1. Классификация систем рессорного подвешивания
Рессорное подвешивание является одним из важнейших элементов ходовых частей. Нагрузка от массы кузова и тележки передается колесным парам через систему упругих элементов, балансиров и элементов, поглощающих энергию колебаний, называемую рессор
121
ным подвешиванием. Рессорное подвешивание предназначено для уменьшения динамического воздействия колес на рельсы при движении по неровностям пути, динамических и ударных усилий, передаваемых от рельсов элементам тележки и кузова, для достижения необходимой плавности хода, определяемой по максимальным вертикальным или горизонтальным ускорениям в кабине и соответствующим частотам колебаний.
Следует различать обрессоренную и неподрессоренную части конструкции локомотивов. Обрессоренной частью называют ту часть конструкции локомотива, которая отделена от колесных пар рессорным подвешиванием, а неподрессоренной частью — колесные пары, буксы, частично рессорное подвешивание и другие элементы, не отделенные от рельсов упругими элементами. Когда колесная пара проходит неровности пути (стыки, стрелочные переводы и т. д.), неподрессоренные части получают ускорения до 25g. Возникновению динамических нагрузок способствуют также дефекты круга катания, эксцентричная посадка колеса на ось, неуравновешенность колесной пары и др. Рессорное подвешивание уменьшает ускорения обрессоренной части и вертикальные нагрузки на нее и путь, обеспечивает необходимую плавность хода локомотива, облегчает задачу правильного распределения нагрузки между колесными парами и обеспечивает также частичную передачу горизонтальных по
Рис. 2.33. Схема движения колеса по неровности
перечных сил со стороны колес на раму тележки и кузов.
Рассмотрим движение колеса через неровность пути со скоростью v (рис. 2.33). С момента встречи с неровностью в точке С и до подъема на высоту неровности /?0 колесо пройдет путь S и затратит на это время
t = ~- (2.43)
122
Угол АСО, как опирающийся на диаметр, — прямой, а линия ВС — высота прямоугольного треугольника А СО. Следовательно,
ОВ ВС ho s
или —— — — -— ВС BA--------------------S D-h’
к и
откуда
Но для наших условий h? составляет менее 1 % от -Ок^0, и можно считать
(2-44)
Подставляя выражение (2.44) в формулу (2.43), получим
Jb'hl t = X-AL-l' (2.45)
v
Для упрощения принимаем, что подъем колеса на неровность происходит с постоянным ускорением у = const. Фактический подъем, вследствие упругой осадки пути под действием дополнительной динамической нагрузки, равен < /?0. Тогда
J
(2.46)
Подставляя значение t из формулы (2.45), получим
Согласно законам механики, динамическая нагрузка равна произведению массы на ускорение, т.е.
Р = mnj (2 483
дин ()'к •
123
Подставляя выражение (2.47) в формулу (2.48), получим
2v2/?, Р = т„-------------- .
ди» 0 рд
(2.49)
У локомотива без рессорного подвешивания масса, получающая ускорение у , определяется статической нагрузкой П на колесо. Тогда динамическая нагрузка
2nv2^ ’дин = gD^
(2.50)
Если неподрессоренный вес Пн, приходящийся на колесо, составляет только часть (обычно на более 25 %) нагрузки на колесо, то при жесткости упругого элемента ж динамическая нагрузка составит
Р дин н
2ПнД "ЧЛ
+ ж/Tj .
(2.51)
Второй член уравнения (2.51) представляет собой дополнительную силу от сжатия упругого элемента на h j и по своей величине в сотни раз меньше первого члена, даже при небольших скоростях движения.
Наиболее часто встречаются симметричные неровности для обеих рельсовых ниток. Поэтому динамическая нагрузка от неровностей для колесной пары определяется уравнением
2Р =2 дин.н
2П v2/z.
—S-------- + ж/z
(2.52)
При жесткости пути жп динамическая нагрузка, прогибающая его дополнительно на величину (/?0 — h^), составит
Р =Ж (Л —/?,).
дин п п О 1
(2.53)
124
Очевидно, что величины динамической перегрузки, определяемые по формулам (2.52) и (2.53), равны между собой, т.е.
f 2П v\ 1 Н 1
-I- Ж/Zj
(2.54)
откуда
жп^Л2
4Пнт2 +££>к(2ж + жп)Л0
(2.55)
Выражение (2.55) показывает, что с ростом скорости у величина Л । резко убывает. Это вызывает быстрое прекращение интенсивного роста динамической нагрузки, которая затем практически стабилизируется.
При наезде колес на неровность действие упругого элемента (сила Р') на надрессорное строение с массой т' вызывает ускорение /, т.е. Р' = m'j', откуда
2ж/^
2П-2П
Н
(2.56)
Из выражения (2.56), получим
2ж"/?1
7 -2П-2Пн ' Принимаем / = const, тогда
(2.57)
(2.58)
Подставляя выражение (2.57) в формулу (2.58), получим
2П-2П t =-------
" V ж?
(2.59)
125
Из этого выражения следует, что время подъема надрессорного строения на высоту неровности не зависит ни от скорости движения, ни от величины неровности. Для данного надрессорного веса и определенной жесткости упругого элемента оно постоянно. Этим объясняется резкое смягчение силы удара, передающегося на надрессорное строение, значительное запаздывание и уменьшение его колебаний по сравнению с колебаниями неподрессоренных масс, особенно ускорений, что обеспечивает плавность хода.
Следовательно, главное назначение рессорного подвешивания — уменьшать воздействие на надрессорное строение толчков и ударов, воспринимаемых колесами от пути.
Расчет выполнен без учета сил трения и справедлив только для рессорного подвешивания на пружинах при бесчелюстных буксовых узлах.
Классификация систем рессорного подвешивания. Рессорное подвешивание тепловозов в целом и его узлы принято классифицировать по следующим признакам:
- по числу ступеней (ярусов) подвешивания (одно или двухступенчатое подвешивание);
- по числу групп (точек) подвешивания в составе экипажа или тележки (трехточечное или четырехточечное сбалансированное и индивидуальное подвешивание);
- по функциям, выполняемым элементами подвешивания (упругие элементы: спиральные пружины, тарельчатые пружины, тор-сионы; упругодемпфирующие элементы: листовые рессоры, резинометаллические элементы, пневмобаллоны; элементы, поглощающие энергию колебаний: фрикционные и гидравлические гасители колебаний; элементы, распределяющие усилия в системе: балансиры, подвески, валики и т.п.).
Для повышения плавности хода необходимо уменьшать общую жесткость подвешивания. Однако достичь этого снижением жесткости одного или группы упругих элементов не удается по условиям прочности или по конструктивным соображениям. В этом случае обрессоренную часть конструкции локомотива разделяют на несколько ступеней и соединяют одну с другой рессорным подвешиванием. Верхняя (вторая) ступень подвешивания распределяет
126
вес кузова по тележкам. Нижняя (первая) ступень подвешивания распределяет вес локомотива от рам тележек на колесные пары.
При независимом индивидуальном подвешивании упругие элементы соседних колесных пар не соединяются между собой, и они работают самостоятельно. Такое подвешивание достаточно простое, но не обеспечивает правильного распределения веса между колесными парами. При таком подвешивании нагрузка на колесо определяется только стрелой прогиба соответствующего упругого элемента.
Упругими элементами могут служить листовые рессоры, цилиндрические витые пружины, резиновые амортизаторы, пневмобаллоны. Группа упругих элементов, объединенных между собой балансирами, составляет точку подвешивания.
Если соединить концы смежных упругих элементов балансирами, то получится сбалансированное рессорное подвешивание. Связывание балансирами всех упругих элементов на каждой стороне тележки дает две точки подвешивания, т.е. статически определимую в отношении опорных реакций систему, однако тележка сама по себе как пространственная система с опорами в одной поперечной плоскости становится неустойчивой. При сбалансировании полностью всех упругих элементов на каждой стороне тележки для создания продольной устойчивости тележки применяют расположение опор кузова в двух поперечных плоскостях.
Если кузов через упругие элементы опирается на боковины, комплекты упругих элементов на каждой стороне расставляют на расстоянии, обеспечивающем необходимый восстанавливающий момент упругих опор кузова при наклоне рамы тележки в продольной плоскости (галопировании). При маятниковых опорах продольная устойчивость тележек обеспечивается расстоянием между опорами.
Следует иметь в виду, что сбалансированное рессорное подвешивание может только распределять между колесами и поддерживать переданную нагрузку. Для равенства нагрузок по колесным парам необходимо так располагать на тележке опоры кузова, чтобы их нагрузка вместе с обрессоренным весом тележки давала равнодействующую, совпадающую с равнодействующей реакции рельсов от заданной проектной нагрузки.
127
2.5.2. Устройство рессорного подвешивания
У отечественных тепловозов широкое распространение получило одноступенчатое сбалансированное (четырехточечное) рессорное подвешивание из листовых рессор и спиральных пружин (рис. 2.34).
Нагрузка на буксы передается через балансиры 6. Пружины 2, расположенные по обе стороны листовой рессоры 1, передают нагрузку от рамы тележки на хомут рессоры через подвеску 15 и валик 4. Концы листовой рессоры соединены с концами балансиров при помощи подвесок 5 и валиков 12 и 14. Нагрузка на пружины передается через резинометаллические прокладки. Стальные валики и втулки подвергнуты закалке и смазаны консистентной смазкой, запрессованной через клапаны на торцах валиков. Эти шарнирные соединения в эксплуатации подвержены большому износу, причиной которого являются значительные удельные давления между валиками и втулками, особенно возрастающие вследствие перекосов подвесок при поперечных перемещениях букс относительно рамы тележки. В связи с этим шарнирная система, соединяющая упругие элементы стороны тележки, недостаточно чувствительна из-за значительного трения в шарнирах. К тому же динамические нагрузки, имеющие небольшую продолжительность действия, не успевают перераспределяться между колесами вследствие значительной инерции балансиров и рессор, замедляющей их угловые перемещения.
На тепловозах со сбалансированным рессорным подвешиванием более поздних выпусков конструкция шарнирных узлов изменена. Валики 4,9,12 м 14 сделали несколько меньшего диаметра, при работе рессорного подвешивания в этом случае валики не скользят относительно втулок 13, а слегка перекатываются. Таким образом, трение скольжения заменено трением качения. Это значительно уменьшило износ пары валик—втулка, исчезла необходимость в смазывании шарнирных узлов рессорного подвешивания.
Для более подробного ознакомления с рессорным подвешиванием тепловоза 2ТЭ10Л можно обратиться к рис. 2.2 и 2.3, на которых представлена челюстная трехосная тележка этого локомотива.
Изложенное выше существенно снижает преимущества сбалансированной системы рессорного подвешивания в отношении выравнивания нагрузок на колеса и объясняет переход к инди-
128
Рис. 2.34. Сбалансированное рессорное подвешивание тепловоза 2ТЭ10Л:
1 — листовая рессора; 2, 8 — пружины; 3 — резиновый амортизатор; 4, 9, 12, 14 — валики; 5 — П-образная подвеска; 6— балансир; 7— опора балансира; 10 — клапан для смазки; 11 — подвеска пружины; 13 — втулка;
75 — подвеска
видуальному подвешиванию на тепловозах 2ТЭ10М, 2ТЭ116 (см. рис. 2.4, 2.5). Отказ от применения балансиров и многочисленных шарниров способствует снижению ремонтных расходов и затрат материалов на ремонт; расход металла на тепловоз в среднем уменьшается на 240 кг.
Вертикальная нагрузка через комплекты пружин передается на приливы бесчелюстных букс. На каждую колесную пару нагрузка передается от рамы тележки четырьмя комплектами пружин. Такое подвешивание называется индивидуальным. Но у индивидуального подвешивания есть и недостатки. Одним из них является большая чувствительность тележек к изменению статической нагрузки от колес на рельсы, от размеров и жесткости пружин, поставленных на тележку. Например, при разности в высоте под рабочей нагрузкой двух комплектов пружин на одну из букс 10 мм по сравнению с другими комплектами при номинальной жесткости пружин 750 Н/мм создается разница в статической нагрузке на эту буксу около 6-Ю3 Н.
На рис. 2.35, а представлен комплект пружин рессорного подвешивания тепловоза 2ТЭ116 (в разрезе), а для более подробного ознакомления с конструкцией подвешивания буксового узла на рис. 2.35, б приведено его пространственное изображение.
Комплект пружин (см. рис. 2.35) состоит из пружин 4,5 и 7, опор пружин 3 и 8, прокладок 2 (резиновых амортизаторов со стальной арматурой), предназначенных для регулирования нагрузок на каждую колесную пару. Для исключения касания витков внутренних пружин при их концентрическом расположении относительно наружной, зазор между ними устанавливается не менее 5 мм на сторону, применяются пружины, навитые в разные стороны. Пружины изготавливают из круглого калиброванного проката горячекатаной пружинной стали 60С2А ГОСТ 14959-79. Твердость пружин в термообработанном состоянии HRC 40—47. После термообработки пружины упрочняют наклепом дробью. Размеры пружин комплекта подобраны таким образом, что наружная пружина воспринимает 65 % всей нагрузки, средняя — 23 % и внутренняя — 12 %. Для фиксации положения пружины в верхнем листе рамы тележки служит фиксирующий штырь. Предусмотрена замена поврежденной пружины без выкатки колесной пары приспособлением с технологическим болтом 6.
130
a
б
Рис. 2.35. Комплект пружин рессорного подвешивания тепловоза 2ТЭ116: / — верхний лист рамы тележки; 2 —регулировочные прокладки; 3 — верхняя опора пружины; 4 — средняя пружина; 5 — наружная пружина; 6 — технологический болт; 7 — внутренняя пружина; <8 — нижняя опора пружины; 9 — прилив буксового узла; 10 — фрикционный гаситель колебаний
Для гашения колебаний надрессорного строения тепловоза параллельно с пружинами включены фрикционные гасители колебаний. На рис. 2.36 представлены общий вид (а) фрикционного гасителя колебаний и его пространственное изображение (б).
Корпус гасителя колебаний установлен на вертикальных листах боковин рамы тележки, над каждой буксой (см. рис. 2.4; 2.5). Шток 10 (см. рис. 2.36) одним концом упруго прикреплен к кронштейну крышки буксы амортизаторами 9, сухарями 8 и обоймами 7, другой его конец аналогично соединен со стальным поршнем 2, зажатым пружиной 5 между двумя вкладышами 4, 13. Накладки 6 вкладышей изготовлены из фрикционного материала
131
a
б
LU to
ftniurrmrJfi
Рис. 2.36. Фрикционный гаситель колебаний тепловоза 2ТЭ116:
1 — кожух; 2 — поршень; 3 — крышка; 4, 13 — вкладыши; 5 — пружина; б — накладка; 7 — обойма; 8 — сухарь; 9 — прокладка; 10 — шток; 11, 14, 19 — шайбы; 12, 20 — гайки; 15 — пружина; 16 — шплинт;
17, 18 — болт; 21 — хомут
(тормозная лента толщиной 6—8 мм с коэффициентом трения около 0,4). При колебаниях надрессорного строения происходит перемещение рамы тележки относительно колесной пары с буксами и соответственно перемещение поршня между вкладышами. Вкладыши пружиной 5 поджимаются к поршню и при их относи-1 сльном перемещении возникает сила трения, вызывающая демпфирование колебаний. Величина силы трения фрикционного гасителя равна 4,5—5,5 кН, что соответствует коэффициенту относительного трения ср = 5—5,5 % (отношение силы трения к подрессоренному весу, приходящемуся на буксу).
Для уменьшения воздействия на путь на современных пасса
жирских локомотивах применяют двухступенчатое рессорное
подвешивание.
Так, на тепловозах ТЭП75, ТЭП70, ТЭП70А применено мягкое двухступенчатое подвешивание, состоящее из индивидуального буксового (первая ступень) и четырех комплектов пружин типа «Флексикойл» (вторая ступень) (см. рис. 2.7).
Рессорное подвешивание буксовой ступени тепловозов ТЭП70 (рис. 2.37) состоит из цилиндрических пружин 4 и резиновых амортизаторов 2 над ними. Нижними витками пружины опираются на опорную поверхность стаканов 6, установленных на приливах корпуса буксы. Со стороны рамы тележки пружины с амортизаторами центрируют фиксатором 7, закрепленным в верхнем опорном стакане 3.
Пружины 3 второй ступени рессорного подвешивания типа «Флексикойл» (рис. 2.38) установлены в нишах кузова 1. Они центрируются верхними 2 и нижними 4 стаканами конической
Рис. 2.37. Комплект буксовой ступени рессорного подвешивания тепловоза ТЭП70:
1 — регулировочная прокладка; 2 — резиновый амортизатор; 3,6 — верхний и нижний опорные стаканы; 4 — пружина; 5 — технологический болт;
7 — фиксатор
133
Рис. 2.38. Установка пружины второй ступени рессорного подвешивания тепловоза ТЭП70:
7 — кузов; 2 — верхняя опора; 3 — пружина; 4 — нижняя опора; 5 — прокладка;
6 — рама тележки
формы, обеспечивающей работу пружин на сдвиг при действии поперечных сил.
Параллельно пружинам второй ступени рессорного подвешивания установлены четыре гидравлических гасителя колебаний.
Гидравлические гасители, применяемые на тележках локомотивов и вагонов, обычно телескопические поршневые. Такие гасители имеют незначительную массу, удобны в эксплуатации, требуемая характеристика демпфирования обеспечивается соответствующим выбором дроссельно-клапанной системы. Конструкции гасителей разнообразны. Однако принцип их действия практически
одинаков. Поглощение энергии гасителей осуществляется последовательным перемещением вязкой жидкости поршнем через узкие (дроссельные) каналы и всасыванием ее обратно через клапан одностороннего действия. При прохождении жидкости через дроссельные каналы возникает вязкое трение, в результате чего механическая энергия колебательного движения локомотива или вагона превращается в тепловую, которая затем рассеивается.
Такой гаситель колебаний (рис. 2.39) состоит из основных частей: рабочего цилиндра 4 диаметром <7Ц, поршня 6 со штоком 1 диаметром с1ш, верхнего 7 и нижнего 8 клапанов, корпуса 3 и направляющей втулки 2. Между цилиндром и корпусом образуется резервуар 5. Гаситель заполнен вязкой жидкостью. При дви
134
жении поршня вниз (ход сжатия) верхний клапан приподнимается и жидкость из-под поршневой полости цилиндра перетекает в надпоршневую. Однако вследствие движения штока давление в полости рабочего цилиндра повышается и часть жидкости с большим гидродинамическим сопротивлением перетекает через дроссельное отверстие нижнего клапана в резервуар. В это время давление жидкости в надпоршневой и подпоршневой полостях цилиндра одинаковое, так как полости соединены между собой через большие отверстия верхнего клапана и поршня.
При движении поршня вверх (ход растяжения) верхний клапан закрывается, давление жидкости в надпоршневой полости цилиндра повышается и жидкость с большим гидродинамическим сопротивлением перетекает через дроссельные каналы верхнего клапана в подпоршневую полость. Одновременно в этой полости наступает разрежение, так как объем перетекающей в нее из надпоршневой полости жидкости меньше объема подпоршневой полости. Вследствие этого нижний клапан поднимается и часть жидкости засасывается в подпоршневую полость из резервуара, заполняя освобожденное штоком пространство. Резервуар гасителя колебаний служит не только емкостью для жидкости, вытесняемой штоком из цилиндра, но и сборником жидкости, просачивающейся через кольцевой зазор между направляющей втулкой и штоком.
Рис. 2.39. Принципиальная схема гидравлического гасителя колебаний: 1 — шток; 2 — направляющая втулка; 3 — корпус; 4 — рабочий цилиндр; 5 — резервуар; б — поршень; 7 — верхний клапан; 8— нижний клапан
135
При ходе сжатия гидродинамическое давление со стороны дросселируемой жидкости испытывает лишь часть площади поршня, 1 7
равная площади поперечного сечения штока Рш = — nd^ , а при обратном ходе — часть площади, равная -- ~ ) (давление в
резервуаре принимаем равным атмосферному). Чтобы гаситель колебания развивал одинаковые усилия сопротивления Рг при ходах сжатия и растяжения, а также для взаимозаменяемости верхнего и нижнего клапанов, соотношение диаметров штока и цилиндра определяют из равенства
= ’ или d ~0,ld . (2.60)
ш ц ш ш ц
Рабочей жидкостью для гидравлических гасителей колебаний вагонных тележек служат веретенное, приборное или трансформаторное масла, а также другие специальные жидкости. На отечественных дорогах гидравлические гасители заливают приборным маслом МВП ГОСТ 1805-76 или маслом АМГ-10 ГОСТ 6794-75.
Величина коэффициента сопротивления Р| гидравлического гасителя колебания с силой сопротивления, пропорциональной первой степени скорости перемещения поршня, определяется по индикаторной диаграмме (рис. 2.40), записанной при испытании гасителя на специальном стенде, с использованием формулы
Р
1 2тсНп
(2.61)
Рис. 2.40. Индикаторная диаграмма работы сил сопротивления гидравлического гасителя колебаний
где А — длина индикаторной диаграммы, м; т — масштаб записывающего устройства, Н/м; Н— ширина индикаторной диаграммы, м; п — число двойных ходов поршня гасителя в секунду, 1/с.
Клапаны 7 и 8 (см. рис. 2.39) снаб
жены предохранительными шариковыми устройствами с пружиной (на схеме они не показаны) для ограничения сопротивления гасителя и дав
136
ления жидкости. При повышении давления жидкости сверх допустимого шариковое устройство срабатывает и пере-11ускает часть жидкости, минуя дроссельные каналы.
На рис. 2.41 приведены виды теоретической 1 и реальной 2 характеристик гидравлического гасителя с предохранительным устройством. Срабатывание предохранительного устройства происходит при скоростях движения поршня v > v0; Pj и р2 — коэффициенты сопротивления(демпфирования) гасителя. Для
Рис. 2 41. Характеристика силы сопротивления гидравлического гасителя: 1 — теоретическая; 2 — реальная с предохранительным устройством
I идравлических гасителей, устанавливаемых на отечественных локомотивах и вагонах = (0,6—1,2) • 105; Р2 = (0,15—0,3) • 105Нс/м, в зависимости от типа гасителя и его настройки.
В тележках пассажирских вагонов и некоторых локомотивах установлены преимущественно гасители колебаний производства Калининского (Тверского) вагоностроительного завода, разработанные совместно с ЛИИЖТ (ПГУПС) (типа КВЗ-ЛИИЖТ). Эксплуатируются также тележки, оборудованные гасителями поставки Германии (типа BBW) и Венгрии (типа «Raba»). Все эти гаси
тели принципиально мало отличаются один от другого. В последние годы серийное производство гасителей налажено на Первомайском заводе «Транспневматика». Коломенский завод для своих тепловозов устанавливает гасители собственного изготовления.
Двухступенчатое рессорное подвешивание четырехосной тележки тепловоза ТЭМ7, состоящей из двух двухосных тележек, соединенных промежуточной рамой, приведено в сборе на рис. 2.9 и на общем виде двухосной тележки (см. рис. 2.10).
Рессорное подвешивание первой ступени (рис. 2.42). Устанавливается на буксах колесных пар и является индивидуальным для каждого колеса. Статический прогиб первой ступени 56 мм, а эквива-
137
(До накатки тележек под тепловоз)
(До подкатки тележек под тепловоз)
Рис. 2.42. Комплект пружин рессорного подвешивания первой ступени тепловоза ТЭМ7:
1 — регулировочные прокладки; 2 — амортизатор; 3 — верхняя опора; 4 — наружная пружина; 5 — внутренняя пружина; б — технологический болт; 7 — нижняя опора
лентный (с учетом жесткости буксовых поводков) — 44 мм. На одной двухосной тележке установлено восемь комплектов двойных концентрических пружин. Комплекты пружин удерживаются от поперечных смещений верхней 3 и нижней 7 опорами. Между верхней опорой и рамой тележки установлены резиновые амортизаторы 2 и регулировочные прокладки 1. Резиновые амортизаторы уменьшают шум и вибрацию, идущие от колесных пар. Регулировочные прокладки 7 устанавливаются при выполнении развески тепловоза на локомотивных весах, поэтому при разборке и сборке тележек пружинные комплекты, амортизаторы и регулировочные прокладки нельзя менять местами. При работах, связанных с выемкой буксовых комплектов (подъемка тепловоза с разборкой двухосных тележек), необходимо все пружинные комплекты стянуть
138
технологическими болтами, иначе разборка тележки будет очень затруднена, а последующая сборка невозможна. Свободные пружины для установки болтов сжимаются на специальном прессе.
Рессорное подвешивание второй ступени (рис. 2.43). Основные элементы второй ступени: восемь комплектов пружин 3, состоящих каждый из трех концентрически расположенных пружин, восемь гидравлических гасителей вертикальных колебаний 2, нижние 4 и верхние 5 плиты для установки комплектов пружин, кронштейны 6 и 7 для крепления валиками гасителей колебаний, роликовые опоры 8, закрепленные болтами на верхних плитах. Кронштейны 6 и 7
Рис. 2.43. Рессорное подвешивание второй ступени тепловоза ТЭМ7:
/ — промежуточная рама; 2 — гаситель колебаний; 3 — комплект пружин; 4 — нижняя плита; 5 — верхняя плита; 6,7 — кронштейн; 8 — роликовая опора; 9 — верхняя плита роликовой опоры; 10 — фиксатор нижней плиты; 11 — рама тепловоза
139
приварены соответственно к нижним и верхним плитам. Нижние плиты от поперечных смещений удерживаются фиксаторами 10, которые входят в отверстия, выполненные в верхних листах промежуточной рамы.
При подъемке тепловоза верхние головки гасителей колебаний нужно отсоединять от кронштейнов 6 во избежание перекосов гасителей.
Одноступенчатое индивидуальное рессорное подвешивание бесчелюстной трехосной тележки тепловоза ЧМЭЗ представлено на общем виде тележки (см. рис. 2.11), а его подробная конструкция на рис. 2.44.
Вес на каждую ось передается через две группы пружин и два балансира. Комплект рессорного подвешивания дополняется гидравлическими гасителями колебаний. Статический прогиб рессорного подвешивания равен 102,5 мм.
Балансир 12 отлит из стали в виде двуплечего рычага двутаврового сечения. Он установлен на оси колесной пары, поэтому является корпусом буксы. На конце длинного плеча сделано отверстие под резинометаллическую втулку 13 (сайлентблок), которая запрессована в балансир усилием 100 кН. Втулка состоит из двух стальных втулок о и б, между которыми находится слой резины в. Во внутренней втулке а сделана канавка под шпонку, а наружная б разрезана для придания ей пружинящих свойств, что обеспечивает более надежное крепление резинометаллической втулки в балансире.
Балансир соединен с рамой тележки пальцем 17, который проходит через стальные сменные втулки 15, запрессованные в отверстия фартука 16, и резинометаллическую втулку 13. На наружной цилиндрической поверхности пальца сделана овальная канавка под шпонку 14, а к его торцу приварен фланец 18 с четырьмя отверстиями. Относительно втулки палец фиксируется шпонкой 14, а относительно фартука — двумя штифтами 19, запрессованными в отверстия фланца, и двумя болтами, ввернутыми в отверстия фартука. В пальце 17 просверлено глухое отверстие 2 (в эксплуатации оно заглушено пробкой). Резьбовая часть отверстия используется для крепления приспособления, с помощью которого при ремонте вынимают палец.
140
Рис. 2.44. Рессорное подвешивание тепловоза ЧМЭЗ:
1 — резинометаллический упор; 2 — продольная балка рамы тележки; 3 — тарелка; 4 — болт; 5 — резинометаллическая прокладка; 6 — шайба; 7— гидравлический гаситель колебаний; 8 — вилка; 9 — гайка; 10 — внутренняя пружина; 11 — наружная пружина; 12 — балансир; 13 — ре-зинометаллическая втулка; 14 — шпонка; 75 — сменная втулка; 16 — фартук; 17— палец; 18— фланец; 19— штифт; а, б— стальные втулки;
в — слой резины; г — глухое отверстие
Поворот балансира относительно рамы тележки происходит только благодаря смятию резины во втулке, что способствует гашению колебаний подрессоренных масс. Использование резинометаллических втулок в узлах соединения колесных пар с рамой тележки улучшает условия вписывания тепловоза в кривые участки пути, так как колесные пары не только перемещаются вдоль их оси, но и поворачиваются на некоторый угол. Осевой разбег колесной пары 3,0—3,5 мм обеспечивается зазором между торцами резинометаллической втулки 13 и втулки 15. При сборке буксы необходимо обеспечить одинаковые зазоры 1 мм по обоим торцам втулки 13.
141
Короткое плечо балансира является опорой для двух цилиндрических пружин: наружной 11 и внутренней 10 с разным направлением витков. Сверху пружины упираются в тарелку 3, приваренную к продольной балке 2 рамы тележки. Между тарелкой и верхним торцом пружин установлена резинометаллическая прокладка 5 и стальная шайба 6. Снизу пружины входят в гнездо короткого плеча, в центре которого сделано отверстие диаметром 80 мм. Внутри пружин проходит болт 4, вваренный в тарелку 3. При транспортировке тележки пружины 10 м. И сжимают гайкой 9, навернутой снизу на болт 4. Короткое плечо балансира заканчивается вилкой 8 для соединения с ушком гидравлического гасителя колебаний 7, установленного параллельно комплекту пружин.
2.5.3. Основные характеристики рессорного подвешивания
К основным характеристикам рессорного подвешивания относят жесткость ступеней, суммарную жесткость, степень демпфирования, распределение демпфирования по ступеням. Часто вместо жесткости указывают прогиб под статической нагрузкой, приходящийся на ступень (статический прогиб).
Статический прогиб ступени подвешивания
Зст=^-, (2.62)
СТ
где Р — нагрузка на ступень подвешивания; жст — жесткость ступени подвешивания.
При двухступенчатом подвешивании вводят характеристику суммарного статического прогиба:
5 v = 3 1+3 , стХ ст.1 ст 2 ’
где 8СТ j — статический прогиб первой (нижней) ступени подвешивания; 8СГ 2 — статический прогиб второй (верхней) ступени подвешивания.
Суммарный прогиб рессорного подвешивания для различных локомотивов рекомендуется в соответствии с «Нормами для расчета и оценки прочности несущих элементов, динамических качеств и воздействия на путь экипажной части локомотивов железных
142
дорог МПС РФ колеи 1520 мм» (далее «Нормами») принимать не менее значений, представленных в табл. 2.3.
Таблица 2 3
Рекомендуемый суммарный статический прогиб рессорного подвешивания
Тип локомотива Конструкционная скорость, км/ч Суммарный статический прогиб, мм
1 [ассажирский 160 170
Грузовой 120 130
Вывозной 120 120
Маневровый 80 90—100
Во второй ступени рессорного подвешивания рекомендуется размещать 70 % суммарного статического прогиба.
Статический прогиб и распределение его по ступеням уточняется при расчетах и экспериментах. Низкая собственная частота колебаний надрессорного строения устанавливается не менее 0,8— 1,0 Гц. При более низких частотах может происходить расстройство вестибулярного аппарата человека, вызывающее укачивание.
Допустимость принимаемого статического прогиба локомотива при двухступенчатом подвешивании проверяется на условие ограничения валкости (крена) кузова на рессорах по формуле
i
СТ
(2.63)
с
где 5СТ — расчетный статический прогиб подвешивания; 2Ь\ и 2Ь2 — поперечные расстояния между упругими элементами первой и второй ступеней, соответственно, /<с — высота центра масс кузова над осью колесной пары; % — отношение прогиба первой ступени подвешивания к общему прогибу <5СТ.
Гашение (диссипация) энергии колебаний осуществляется как в самих элементах подвешивания, так и в специально предназначенных для этого элементах — гасителях колебаний. В зависимости от физической природы диссипации силы гашения подразделяют на три основные группы.
Фрикционные силы гашения характеризуются постоянной силой трения FTp, знак которой зависит от скорости z относительной деформации соответствующего элемента:
143
F =F „sign 2, тр трО ° ’
(2-64)
где FTp0 — абсолютная величина силы трения; signz — нелинейная функция Кронекера, аналитическое выражение которой:
sign z -
-1 при z > О
+1 при z < О
(2.65)
График этой функции изображен на рис. 2.45.
Из выражения (2.65) и графика, видно, что постоянная сила трения F^ фрикционного гасителя, подключенного параллельно упругому элементу, меняет знак при перемене знака скорости. Это происходит в момент изменения направления движения кузова или тележки. Например, сила трения буксового фрикционного гасителя тепловоза 2ТЭ116 направлена вниз при движении рамы тележки относительно колесной пары вверх и наоборот.
Гидравлические силы гашения пропорциональны скорости относительных перемещений:
^тр=Р-Э (2-66)
где Р — коэффициент пропорциональности (коэффициент сопротивления гасителя колебаний).
Необходимую величину силы трения фрикционных гасителей колебаний ориентировочно можно определить при помощи так называемой зоны трения 8 , которую обычно берут равной 0,005 м. Для ступени подвешивания
sign z
0
I
Рис. 2.45. График нелинейной функции Кронекера
8 = -2-, (2.67)
ТР ж
где ж — жесткость упругих элементов подвешивания, параллельно с которыми работает фрикционный гаситель.
Если прогиб подвешивания при колебаниях надрессорного строения становится рав
144
ным или меньшим, чем зона трения, то рессорное подвешивание блокируется, т.е. не работает.
Необходимую величину демпфирования гидравлическими гасителями колебаний оценивают безразмерным коэффициентом демпфирования D.
Для одноступенчатого подвешивания
д= (2.68)
2>жст
где т — масса подрессоренной части локомотива; жст — жесткость рессорного подвешивания ступени; Рст — суммарный параметр гидравлических гасителей ступени.
В зависимости от величины статического прогиба безразмерный коэффициент демпфирования принимается равным D = 0,2—0,4.
Для двухступенчатого подвешивания
(2.69)
4 л/
где /П] и /«2 — массы подрессоренных частей кузова и тележек соответственно; Ж] и ж2 — жесткости первой и второй ступеней подвешивания соответственно; Р] и Р2 — параметры гасителей первой и второй ступеней подвешивания соответственно; 8ст1, 5ст2, 8 — статические прогибы первой, второй
ступеней подвешивания и суммарный соответственно;/— низшая собственная частота системы.
Собственные частоты системы:
2 = у- +d^~ - d(a - (2 *-7°)
2л V । 4
145
(ж, + ж, 1 ж,
где а = ; b = —L
т2 т2
т
1
Для тепловоза ТЭП70, у которого величины Ш] =36 300 кг, /772 = 75 970 кг, Ж| = 19,8-106 Н/м, ж2 = 7,136-Ю6 Н/м, собственные частоты подпрыгивания равны Д = 1,26 Гц,/2 = 4,58 Гц.
У локомотива без необходимого демпфирования в подвешивании при критической или близкой к ней скорости могут появиться высокие амплитуды колебаний, вызванные резонансом, что может привести к сходу с рельсов.
На стыковом пути у рельсов одинаковая длина Lp, поэтому у колесной пары период возмущающей силы (ударов на стыках) при скорости движения у постоянен и равен:
L
Т =-£ (2.71)
Р у
при резонансе Гр = Тс,
ргг
где Тс- ~ — период собственных (свободных) колебаний.
Откуда следует, что скорость, при которой наступает резонанс, равна:
у РР (2.72)
Р 2^8
X ст
Если взять длину рельса в м, ускорение свободного падения — в см/сек2, а статический прогиб — в см, то критическая скорость локомотива vKp , при которой наступает резонанс, можно определить по формуле:
(2.73)
18L
V = —— КМ/Ч кр /g ’
V ст
Отсутствие трения в подвешивании даже в зоне докритических скоростей приводит к продолжительным незатухающим колебаниям.
146
Жесткость сложной системы подвешивания. В системе подвешивания упругие элементы могут быть соединены параллельно, последовательно или сложным образом в отдельную точку подвешивания. Жесткость системы подвешивания определяется на основе приравнивания работы, необходимой для прогиба всей системы, сумме работ на прогиб отдельных упругих элементов, входящих в это подвешивание.
При нагружении упругих элементов предполагается, что прогибы прямо пропорциональны прилагаемым нагрузкам. Диаграмма изменения прогиба с увеличением нагрузки представлена на рис. 2.46. Работа, затраченная на прогиб упругого элемента 5', выражается площадью заштрихованного треугольника. Этому прогибу соответствует нагрузка Р'. Таким образом, работа деформации этого элемента равна:
А =
2
жА2 2
(2.74)
На рис. 2.47 представлен случай симметричного параллельного нагружения упругих элементов (пружин, рессор, резиновых амортизаторов и др.), у двух крайних жесткость ж1? а у средней — жест-
Рис. 2.46. Диаграмма изменения прогиба от нагрузки
Рис. 2.47. Параллельная схема соединения трех упругих элементов
147
Жесткость системы (эквивалентной) можно определить на основе равенства
так как прогиб 8' в данном случае одинаков для всех упругих элементов. Поэтому жесткость системы упругих элементов равна сумме жесткостей отдельных упругих элементов:
ж =2ж. + жл .
э 1 2
(2.76)
Рассмотрим последовательное соединение двух упругих элементов (рис. 2.48). Прогиб упругого элемента с жесткостью Жр соответствующий нагрузке Р, обозначим 5j и прогиб упругого элемента с жесткостью ж9 обозначим 31 .
Для определения жесткости системы используем равенство работы, необходимой на сжатие системы, сумме работ для первого и второго упругих элементов:
Р6 Р3( Р81
___э_ ____1_ ____2
2 2 2
(2.77)
7Т7777/7
Рис. 2.48. Последовательная схема соединения двух упругих элементов
Заменяя 8э
ж
э
ж2
получим выражение
из которого следует, что
Ж1 ж2
(2.78)
(2.79)
откуда
148
(2.80)
ж.ж? ж =—-А-Э Ж] + Ж2
Известно, что величина, обратная жесткости, называется гибкостью (Г), тогда Г = + Г2, т.е. при последовательном соедине-
нии упругих элементов эквивалентная гибкость системы равна сумме гибкостей отдельных упругих элементов.
Этим методом легко определить эквивалентную жесткость любой системы подвешивания, в том числе и сбалансированной.
Рассмотрим сбалансированное рессорное подвешивание тепловоза 2ТЭ10Л, состоящее из четырех точек (см. рис. 2.34). Определим жесткость одной точки рессорного подвешивания, состоящего из листовых рессор, спиральных пружин и резиновых амортизаторов. Обозначим через Ж], ж2, ж3 соответственно жесткости листовой рессоры, пружины и резинового амортизатора. Если условно принять нагрузку на точку подвешивания Р, тогда на листо-
Р Р
вую рессору приходится —, на пружину-, на резиновый аморти-
3 6
затор — —. Учитывая, что количество рессор в точке подвешивания 6
две, пружин шесть, резиновых амортизаторов шесть, эквивалентную жесткость точки подвешивания можно определить из равенства
-----= 2 + 6 + 6--, (2.81) 2 ж 2 9ж.------------------------------------2 36жэ 2 36ж,
э 1 2 5
откуда
18ж.жэж.
ж =-----------1 -2 -------. (2.82)
э 4ж2ж3 + Зж1ж3 + ЗЖ]Ж2
При Ж| = 173-Ю4 Н/м, ж2 = 107-Ю4 Н/м иж3 - Ю7 Н/м получаем жесткость точки подвешивания тепловоза 2ТЭЮЛ жэ = 332-Ю4 Н/м, жесткость рессорного подвешивания тележки жт = 2жэ = 664- Ю4 Н/м,
149
жесткость рессорного подвешивания секции тепловоза 2ТЭ10Л жс = 1328-Ю4 Н/м.
При расчете жесткости рессорного подвешивания тепловозов с индивидуальным рессорным подвешиванием 2ТЭ10В, 2ТЭ10М, 2ТЭ116, ТЭП70, ТЭМ7, ЧМЭЗ и др. используются в основном выражения, полученные в соответствии с расчетными схемами, представленными на рис. 2.47 и 2.48 (параллельное и последовательное соединения упругих элементов).
2.5.4. Конструкция и расчет упругих элементов
Листовые рессоры. Рессора (рис. 2.49) состоит из коренных 3 и наборных 2 листов, соединенных хомутом 1. Листы рессор изготавливают из рессорно-пружинных горячекатаных кремнистых сталей 55С2, 60С2, 65С2ВА ГОСТ 14959-79.
По форме поперечного сечения листы бывают гладкими и желобчатыми. В горячем состоянии листы изгибаются так, что у более коротких листов бблыпая кривизна, что обеспечивает их плотное прилегание при сборке рессоры. После гибки листы термически обрабатывают и подвергают дробеструйному поверхностному наклепу для повышения усталостной прочности.
Для повышения чувствительности рессоры к изменению нагрузки и уменьшения износа листов их поверхности смазыва-
150
ют смесью машинного масла (25 %), солидола (25 %) и графита (50 %). На пакет листов в средней части надевают хомут в горячем состоянии и обжимают его одновременно со всех сторон на прессе. Материал хомута: углеродистые стали марки 10 или СтЗ. Для снижения концентрации напряжений кромки листов у торцов закругляют. После изготовления или ремонта рессоры испытывают на изгиб нагрузкой, соответствующей расчетному напряжению 1000 МПа. Остаточные деформации после испытания рессоры не допускаются.
За длину рессоры (см. рис. 2.49) принимают расстояние L между центрами отверстий коренного листа. Так как оно изменяется в зависимости от нагрузки, то различают длину рессоры в свободном состоянии (без нагрузки) и расчетную длину (при расчетной нагрузке).
Стрелой прогиба рессоры называют расстояние от прямой, соединяющей центры отверстий в верхнем листе, до его поверхности в средней части рессоры. Для рессоры в свободном состоянии (не-нагруженной) это расстояние называют стрелой прогиба в свободном состоянии. Разность стрел прогиба без нагрузки и под нагрузкой равна прогибу рессоры. Статическим 8СТ называют прогиб рессоры под статической нагрузкой Рст.
Рессору можно рассматривать как балку длиной L, нагруженную по концам и опирающуюся посередине (рис. 2.50). Наименьший вес при наибольшем прогибе у балки равного сопротивления изгибу, т.е. такой, наибольшие напряжения в любом сечении которой одинаковы и равны допускаемому [ст]. Этому условию соответствует балка постоянной высоты h, ширина Ьх которой меняется по линейному закону. Если наибольшая ширина балки посередине равна bQ, то в сечении на расстоянии х от опоры Ьх - 2 bQxlL. В том же сечении изгибающий момент Му, момент инерции сечения J&) относительно горизонтальной поперечной центральной
оси у и момент сопротивления будут соответственно:
3
,, Р Лх) boh 2х
М = — х : J3 4 ' —---------
У 2 у 12 L
. 2х
°Т’
(2.83)
151
a
Рис. 2.50. Схема рессоры как бруса равного сопротивления
И/G') = 2х = ,2х
У 6 L 0 L
где Jq и Wq — момент инерции и момент сопротивления при х - LI2.
Наибольшее напряжение отах при изгибе в сечении с координатой х
_ му _PL-6_^max
max 4bnh2 %
у 0 v
(2.85)
т.е. omax не зависит от положения сечения и постоянно по длине балки.
Для определения прогиба среднего сечения используем формулу Мора
152
М М.
—L(7Vcix’
(2.86)
(2.87)
где —единичный изгибающий момент от силы Р= 1,т.е. = 0,5х;Е—
модуль упругости при растяжении.
Прогиб бруса равного сопротивления изгибу
Z./2 л
2 п г Рх2Ь , PL3 3PL? б, =2 ------ах =---------------
1 J 8EJox 32EJQ
Для бруса постоянного сечения прогиб среднего сечения
s - р1? ~1 р£3 2 " 48К/0 " 4 EbQh3 ’
Используя выражения (2.87) и (2.88), получим соответствующие величины жесткостей:
(2.88)
ж, = —
1 51
8EbQh3 31?
(2.89)
4Е60Л3 ~1Г
(2.90)
Р ж3 = — 2 52
Сравнение полученных величин показывает, что жесткость балки равного сопротивления изгибу в 1,5 раза меньше, чем балки постоянного поперечного сечения той же прочности, а вес в 2 раза меньше.
Если разрезать лист, изображенный на рис. 2.50, а, на полосы и соединить части, обозначенный одинаковыми цифрами 1—6, то получим теоретическую рессору (рис. 2.50, б) в виде набора отдельных полос с заостренными концами шириной b = Ь^/п®, где н0 — число листов. Из-за наличия перерезывающей силы Q = PI2 устанавливают несколько листов полной длины (коренных и подкоренных). Влияние хомута учитывают, вычитая треть его длины из длины рессоры. Жесткость рессоры, состоящей из т коренных и п на
153
борных листов, можно получить, складывая жесткости (2.89) и (2.90) каждой части:
8Ebh3 / \ ио..
ж =ж, +ж„ =-------------(п + 1,5т), (2-91)
р 3(L-a/3)3
где а — ширина хомута.
Наибольшие напряжения при изгибе рессоры при статической нагрузке
М рт а з рт
ст ~ - mg* = _ ________° .. = 2________ (2,92)
max jy, 4 2
Прочность рессоры оценивают коэффициентом запаса па = [су]/оП1ах. В качестве наименьшего допускаемого следует принимать = 1,6.
Рессору проверяют на динамическую нагрузку. Как показали эксперименты, наибольшие деформации рессор при движении локомотива по стрелкам и при его колебаниях не превышают 15—20 мм. При следовании в кривой из-за крена подрессоренной части нагрузка на колеса, движущиеся по внешнему рельсу, увеличивается. По «Нормам» наибольшее непогашенное ускорение равно 0,7 м/с2, поэтому дополнительная нагрузка на рессору достигнет не менее 10 кН.
Учитывая изложенное, динамическая нагрузка на рессору определяется по выражению
Р — ж 8 +8 1+Р ,
дин р \ ст дин / дп ’
(2.93)
где 8ДИН — наибольшая динамическая деформация рессоры, возникающая при колебаниях локомотива; — дополнительная нагрузка на рессору от крена надрессорного строения локомотива при движении в кривых.
Тогда динамическое напряжение определяется по формуле
□ Р L
-> дин
°дин -1 Kill у (2.94)
2bh \п + т)
Это напряжение не допускается более 700 МПа.
Динамическая жесткость листовой рессоры. При колебаниях локомотива на рессорном подвешивании фактическая (динамичес
154
кая) жесткость листовых рессор отличается от жесткости при ста-I ическом нагружении. Динамическая жесткость больше статической . Это наглядно видно из диаграммы, представленной на рис. 2.51. Статическая жесткость листовой рессоры определяется тангенсом угла наклона средней линии ОМ, в то время как динамическая — тангенсом угла наклона линии О'Б.
Специалистами ВНИИЖТа предложен простой способ определения динамической жесткости листовой рессоры и зависимости этой жесткости от амплитуды колебаний.
Точка Б определяет наибольшее усилие на рессору при нагрузке Р&, а точка А — наименьшее усилие на рессору при нагрузке Рд. Динамическая жесткость рессоры определяется по крайним точкам А и Б диаграммы.
155
Определяем нагрузки на рессору:
, Л+Р - приведенная Рг = ; е 2 (2-95)
- наибольшая р = Р’ + р' • К' = РД(1 + К' ); Б С Сд Ск д 7 (2-96)
- наименьшая Р =Р'-Р’ К' = X, (1 - К'); А С Сд Сv д 7 Динамическая жесткость рессоры (2.97)
р -Р ж Рд 5б-5а (2.98)
Определяем наибольшую и наименьшую нагрузки на рессору из других соотношений:
/ф =ж 5П(1 + ср ), Б р Б' 1тр’ ’ (2.99)
Р4=ж 8.(1-ф ) А р Av * тр 7 ’ (2.100)
где <ртр — коэффициент относительного трения рессоры, который определяется по выражению
Ф =2и (т + п}^- YTp ‘ тр \ 7 L ’ (2.101)
где цтр — коэффициент внутреннего трения между листами рессоры, зависящий от наличия смазки (и.тр = 0,2—0,4); т + п = — общее число листов
рессоры; h — толщина листа рессоры; L — длина рессоры.
Приравнивая формулы (2.96) и (2.99), (2.97) и (2.100), получаем:
ж 5 (1 + ф ) = Р'П + К') р Б чтр7 cv Д ’ (2.102)
ж8.(1-ф ) = Р'(1 + К') р Av жтр' с' д/. (2.103)
Из выражения (2.102) находим наибольший прогиб рессоры:
р'а+к') 5 -_£1 «I. жст(1 + Фтр)’ (2.104)
156
Из выражения (2.103) находим наименьший прогиб рессоры:
(2.105)
5д
А ж (1 - ср ) ст v ’гр7
Подставив значения РБ; Рд; 3Б и 3А в (2.98) и преобразовав, получаем выражения для динамической жесткости рессоры:
ж К' (1-ср2 ) _ р д'. 1тр7
РД К' -ср д ^тр
(2.106)
где К' — приведенный коэффициент динамики, который можно определить следующим образом:
(2.107)
§ _ ДИН Я 3 СТ
Где 8ДИН — наибольшая деформация рессор при движении по стрелкам, стыкам и при колебаниях локомотива.
Как видно из выражения (2.106), динамическая жесткость рессоры жрд больше статической жр.
Расчет рессор на усталостную прочность. При движении локомотивов рессоры, так же как и другие элементы, подвергаются длительному действию переменных напряжений. За время эксплуатации локомотива напряжения в рессорах изменяются десятки миллионов раз, в результате чего могут быть разрушения от усталости.
Рессоры надрессорного строения локомотивов работают в сложном напряженном состоянии, меняющемся по асимметрическому циклу, состоящему из сочетания статически действующих напряжений <зт от веса надрессорного строения и переменных напряжений од. Поскольку рессоры работают по асимметрическому циклу, характеризующемуся ст = const и переменным значением оа, запас прочности определяется по уравнению
V,
о - у
-^- + 1--^ о к
И =---
О
т
к
_А_____£
о + о т а
(2.108)
157
Учитывая, что om + оа = о , выражение (2.108) примет следующий вид:
(2.109)
где а [ — предел выносливости принимается в зависимости от состояния поверхности (табл. 2.4); один — динамическое напряжение (2.94); ст = отах — статически действующее напряжение от веса надрессорного строения (2.92);
У _ ---------— коэффициент, характеризующий диаграмму предельных
°о
напряжений; ко — эффективный коэффициент концентрации напряжений, учитывающий влияние состояния поверхности, желобчатость сечения рессорных листов и заделку их в хомуте.
Таблица 2.4
Зависимость предела выносливости от состояния поверхности
Состояние поверхности Предел выносливости у_|, МПа
Черная поверхность обезуглероженная 320—360
Наклепанная дробью 530—580
Шлифованная после термообработки 570
(2.100)
o_i = О,6сго,
При этом предел выносливости при пульсирующем цикле т0 определяется по формуле
тогда коэффициент
2 • 0,6оп - оп -------5----- = 0,2.
(2.Ш)
При определении запаса прочности при сложном переменном цикле напряжений значение принимается по состоянию поверхности согласно табл. 2.4.
Механические свойства рессорной пружинной стали приведены в табл. 2.5.
158
Рис. 2.52. Эффективный коэффициент концентрации напряжений изгиба
Рис. 2.53. Поправочный коэффициент, учитывающий влияние ов
Рис. 2.54. Поправочный коэффициент, учитывающий давление между листами в хомуте
Рис. 2.55. Поправочный коэффициент, учитывающий масштабный фактор
Таблица 2.5
Механические свойства рессорной пружинной стали
Марка стали Временное сопротивление в МПа Предел текучести в МПа Предел выносливости в МПа
Ув тв ут . т,„ У-1 Т-1
55С2 1300 900 1200 700 480 360
60С2 1300 850 1200 650 450 300
Концентрация напряжений от заделки в хомуте
опре-
деляется по толщине листа h в направлении изгиба при сгв = о_| (см. рис. 2.52), а для стали—ов(см. табл. 2.5) находим (см. рис. 2.53),
по давлению в посадке хомута Р < 30 МПа находим Е," (см. рис. 2.54).
159
При ов > 500 МПа ир < 30 МПа вводятся поправки по уравнению
(2.112)
По толщине листа h для кривой 3 (легированная сталь, ов = = 1000—1200 МПа) определяем е (см. рис. 2.55), получаем
(2.113)
Запас прочности находим по формуле (2.109), подставив все найденные числовые значения входящих параметров.
Учитывая запас прочности материала по, степень ответственности изделия (рессоры), принимая во внимание особые требования безопасности движения и тяжелые последствия излома рессоры = - (1,0—1,5), а также учитывая достоверность определения усилий и расчетных формул, принимаем п2 = 1,2. Тогда необходимый запас прочности рессоры можно определить по выражению
п = попрг2. (2.114)
Характеристики рессор буксового подвешивания некоторых тепловозов приведены в табл. 2.6.
Пружины. Для рессорного подвешивания локомотивов в качестве упругих элементов широко применяются цилиндрические пружины (рис. 2.56). По сравнению с листовыми рессорами они обеспечивают необходимые упругие характеристики при меньших габаритах и массах, а в сочетании с гасителями колебаний могут обеспечить оптимальные ходовые качества локомотивов. Кроме того, пружины проще и дешевле в изготовлении, чем листовые рессоры.
Цилиндрические пружины изготавливаются из прутков круглого, реже прямоугольного сечения, завивкой их по винтовой линии с одинаковыми расстояниями между витками. Материал прутков — горячекатаная кремнистая сталь марки 55С2 или 60С2, 60С2А, 60С2ВА. После соответствующей термической обработки (закалка в масле при температуре 870 °C и отпуск при 460 °C) достигается необходимый предел текучести от = 1200 МПа, а твердость по Бринеллю НВ 375—444 (ГОСТ 1452-86).
160
Таблица 2.6
Характеристики рессор буксового подвешивания
Локомотив Материал, сталь Число листов Толщина листа, мм Ширина листа, мм Длина рессоры, мм Прогиб под нагрузкой, мм Жесткость рессоры, Н/мм Напряжение изгиба, МПа
коренных наборных
ТЭЗ (1 вар.) 6002 4 15 10,0 130 1150 80,0 104,8 582,5
ТЭЗ (2 вар.) ТЭ10 тэпю 2ТЭ10Л 6002 2 6 16,0 120 1150 50,8 173,0 603,6
ТЭМ2 ТЭМ2У 5502 4 10 13,0 100 1100 51,8 157,8 567,7
ТЭП60 ТЭП70 (до № 7) 5502 2 6 16,0 120 1050 39,3 236,0 621,6
в
Рис. 2.56. Винтовая цилиндрическая пружина (а), схемы для расчета прогиба пружины под нагрузкой Р и жесткости (6, в)
161
Термически обработанные пружины упрочняются наклепом дробью или заневоливанием, которое производится либо нагружением пружины до создания в ней напряжений выше предела текучести и выдержкой при этих напряжениях в течение длительного времени (не менее 12 ч), либо многократным (не менее 10 раз) обжатием пружины с созданием в ней напряжений, соответствующих пределу текучести. При дробеструйном наклепе улучшаются механические характеристики материала и устраняются некоторые дефекты на поверхности. При заневоливании в результате пластических деформаций в наружном слое прутка образуются остаточные напряжения, по знаку противоположные напряжениям при нагрузке. Поэтому суммарные напряжения будут меньше, чем были бы без заневоливания.
В некоторых случаях для повышения предела выносливости пруток заготовки для пружин перед навивкой шлифуют как, например, для тепловоза ТЭП70. Опорные поверхности пружин необходимо делать плоскими и располагать перпендикулярно к оси пружины. Перед навивкой концы прутка оттягивают для образования опорного витка пружины на длине в 3/4 витка. Поэтому число рабочих витков, определяющих жесткость пружины, на полтора витка меньше общего числа рабочих витков.
Цилиндрическая пружина характеризуется параметрами: D — диаметр средней линии витка пружины; d — диаметр прутка; г — радиус средней линии витка пружины; /гсв — высота пружины в свободном состоянии; п — число рабочих витков пружины; аш —
D
шаг витков; тп = — — индекс пружины; — общее число витков пружины (включая 2x0,75 витка опорных поверхностей); а — угол подъема витков.
Рассмотрим пружину, нагруженную силой Р, действующей по ее оси. Условно разрежем пружину (см. рис. 2.56) любым сечением и заменим действие верхней ее части на нижнюю силой Р, приложенной к середине сечения. При этом сечение будет подвержено дей-
ствию крутящего момента М = Р— и перерезывающей силы Р.
162
Для определения угла закручивания ср представим пружину в виде прямого вала с длиной, равной развернутой длине ее рабочих витков:
L=mD.
(2.115)
В таком случае сечение А вала поворачивается относительно его сечения В на угол
(2.116)
(2.117)
(2.118)
(2.119)
ML* ср =---
GJp ltd4
где J -----полярный момент инерции сечения прутка; G = 8 • 104 МПа —
р 32
модуль упругости при сдвиге.
Точка О при приложении силы Р, образующей крутящий мо-
- D
мент М и расположенной на расстоянии — от оси вала, переместится вниз в точку на величину, равную прогибу пружины:
, D 5 = у<р.
Учитывая выражения (2.115), (2.116) и (2.117), получаем расчетную формулу для определения прогиба пружины:
, 8PD3n о ----—•,
Gd*
из которой находится жесткость пружины:
Р Gd* * = =-------з--
5 8PDn
Точное определение напряжений в пружине представляет сложную задачу. Поэтому пружины для рессорного подвешивания рассчитывают по приближенным формулам, не учитывающим наклон винтовой линии. Расчет пружин выполняют на кручение и сдвиг по схеме, представленной на рис. 2.57, а.
Действие отброшенной части пружины на сечение пружины А
заменяют крутящим моментом М -Р — и перерезывающей силой Р.
2
163
Рис. 2.57. Схема для расчета пружины на прочность
Для этого достаточно в центре сечения А пружины проложить две равные и противоположно направленные силы Р.
Напряжение сдвига при кручении под грузом Р равно:
где W„ =-------полярный момент сопротивления сечения.
и 16
Предполагается, что касательные напряжения от перерезывающей силы равномерно распределяются по сечению. Величина этих напряжений равна:
(2.121)
Суммарное касательное напряжение равно:
Более точные расчеты показывают, что напряжение во внутренних точках пружины возрастают вследствие кривизны витка по
164
сравнению с напряжениями в прямом стержне, закручиваемом моментом М. Наибольшее напряжение во внутренних точках витков (рис. 2.57, в) равно:
т =к (2.123)
шах к те/з
где кК — коэффициент концентрации напряжений, который равен:
, , 1,25 0,875 1
к =1 + -^—+ -- +—-
к т т? w3
(2.124)
где т = — — индекс пружины. d
При расчете пружин на прочность наибольшее касательное напряжение ттах от статического действия нагрузки не допускается больше касательного напряжения [т] = 750 МПа, деленного на ко-
, , к г < W
эффициент запаса к., т.е. rm„v —.
Х А I llldX !г
Т
Коэффициент кх рекомендуется принимать не менее 1,7—1,8 для первой ступени подвешивания и не менее 1,5—1,6 для второй ступени подвешивания.
Цилиндрические пружины, работающие на сжатие и сдвиг. Во второй ступени рессорного подвешивания локомотивов часто витые пружины используют в качестве упругого элемента, работающего не только в продольном, но и в поперечном (относительно оси пружины) направлении. К материалу таких пружин предъявляются повышенные требования. Для пружин рессорного подвешивания тепловоза ТЭП70 применяют сталь 60С2ХФА с более высокими прочностными качествами, чем сталь 60С2.
В этом случае горизонтальный прогиб при параллельном смещении опорных плоскостей (рис. 2.58) равен:
1 2 . 7]г
с ТТ 1 2 yh , h д-Н<— —tg--h ч—)
Р Т 2 S
н
(2.125)
[/’Lx 2
где Н — горизонтальная сила; жг — боковая жесткость пружины; h — высота пружины, сжатой под действием силы Р, которая определяется
165
Рис. 2.58. Схема для расчета пружины, работающей на вертикальную и горизонтальную нагрузки
по формуле 71 = Лсв-d-8cT, где
Асв = + + 5 max ’ 5max определяется по наибольшей нагрузке, при которой касательное напряжение достигает предельно допустимого значения; 8СТ определяется по формуле (2.118).
Коэффициенты х и S, входящие в формулу (2.125), определяются из выражений:
= PS x\b(s-p)’
(2.126)
„ _ 2 + pcos2 а
S ~ —~~ ; Jx — осевой момент инерции сечения прутка пружины;
sin ОС
а — угол подъема винтовой пружины, рассчитываемый из условия
tga =---; Ц — коэффициент Пуассона.
TtDn
Во избежание искривлений не рекомендуется принимать свободную высоту пружины больше 2D, т.е. h < 2D.
Под действием силы Н касательные напряжения определяются по выражению:
т =f-^-tg—11] , (2.127)
г 2 J
где т]г — коэффициент концентрации напряжений, который определяется по выражению
Л ‘г
0,63 0,35
---+ —Y-т т1
(2.128)
= 1 +
Напряжение тг (2.127) складывается с напряжением ттах от вертикальной нагрузки (2.123).
166
Суммарное напряжение будет равно:
, 8РД 5Н t уД т„=т +т = к —^- + ——tg— ri (2 1291 2 max г [Knd3 yd3 2 J ‘г-
Многорядные пружины. Уменьшить габаритные размеры однорядной пружины можно, заменив ее многорядной с меньшими диаметрами навивки прутков и пружин. В этом случае во внутренней полости наружной пружины концентрически располагаются вторая, а иногда еще и третья пружины. Чтобы предотвратить соприкосновение витков пружин и попадание витков одной пружины между витками другой, пружины навивают в разные стороны. Кроме того, между пружинами устанавливается зазор 3—5 мм.
Двойные пружины, например, используются в рессорном подвешивании тепловоза ЧМЭЗ, тройные — тепловозов 2ТЭ116, 2ТЭ10М, 2ТЭ10В. Характеристики пружин буксового подвешивания некоторых тепловозов приведены в табл. 2.7.
Таблица 2.7
Характеристики пружин буксового подвешивания
Серия локомотива Пружина Средний диаметр пружин, мм Диаметр прутка, мм Кол-во витков Стати-ческий прогиб, мм Жесткость пружины, Н/мм
рабочих общее
ТЭМ2У Одинарная 200 40 3,0 4,5 45 997
ТЭП60 Средняя 185 40 4,0 5,5 55,0 840
Концевая 205 36 5,0 6,5 94,0 490
Наружная 248 36 4,5 6,0 130,0 241,8
2ТЭ10Л Внутренняя 172 23 7,5 9,0 134,0 77,8
Наружная 225 40 4,0 5,75 56,4 551,8
ТЭМ7 Внутренняя 140 25 6,0 7,5 56,4 232,5
ЧМЭЗ Внутренняя 110 22 14,0 15,75 104,0 127,5
Наружная 182 38 8,5 10,25 104,0 414,8
ТЭП70 Одинарная 185 38 4,0 5,5 60,0 829,0
2ТЭ116 Наружная 230 36 4,0 5,5 101,0 338,5
(1 вар.) Внутренняя 155 23 6,5 8,0 101.0 112,8
Наружная 248 36 4,5 6,0 126,0 240,8
2ТЭ116 Средняя 170 23 6,5 8,0 126,0 85,4
(2 вар.) Внутренняя 120 16 8,5 10,0 126,0 44,2
167
В случае двух-, трех- и многорядных цилиндрических пружин диаметры витков и поперечные сечения подбираются так, чтобы напряжение у всех пружин было одинаковым. При несоблюдении этого требования возможны перенапряжение стали в какой-либо из пружин и ее поломка. Нагрузка, которая приходится на каждую пружину, при условии равенства напряжений в витках, определяется следующим образом. Если двухрядная пружина нагружена силой Р и на наружную пружину приходится сила Р1} а на внутреннюю сила Р2, то согласно формуле (2.123) из условия одинаковых напряжений
ndf K1 nd} к2’ откуда получаем отношение (2.130)
P2 = ^к1 ^2Д1 = 0 (2.131)
Используя сформулированное выше условие Р = Р} + Р7 и
выражение (2.131), определяем силы, приходящиеся ную и внутреннюю пружины: на наруж-
(2.132)
В случае трехрядной пружины:
Р2 = в . Л _ 0 . (2.133)
(2.134)
откуда
Р Р Р р = р =В р =0—. 1 1+р+е’ 2 1+р+0’ 3 1+Р+0’ (2.135)
Резиновые элементы рессорного подвешивания. Применение резины в рессорном подвешивании локомотивов целесообразно из-
168
за значительной энергоемкости и высокого внутреннего трения, которое способствует поглощению колебаний высокой частоты. Способность резиновых элементов гасить колебания зависит от марки резины. Основными недостатками резиновых элементов являются высокая жесткость, а также изменение физико-механических свойств от температуры окружающей среды.
В рессорном подвешивании локомотивов применяют резиновые элементы, работающие на сдвиг, сжатие, а также на сжатие и сдвиг одновременно. Так как резина допускает высокие допустимые относительные деформации сдвига, то можно создавать цилиндрические шарниры (сайлент-блоки), многослойные подвижные опоры и другие подвижные соединения, в которых не возникает поверхностное трение, а следовательно, не происходит изнашивание и нет необходимости в применении смазки.
Резинометаллические несущие детали, называемые амортизаторами, выполняют в виде прямоугольных пластин либо в виде круглых сплошных или кольцевых шайб (в маятниковой подвеске тяговых электродвигателей), в виде полых конусов (в центральных маятниковых опорах кузова тележки тепловоза ТЭП60) и втулок (в буксовых поводках бесчелюстных буксовых узлов тепловозов 2ТЭ10Л, 2ТЭ10В, 2ТЭ10М, 2ТЭ116, ТЭП60, ТЭП70 и др.). В таких амортизаторах резина испытывает деформации сжатия, сдвига, а также сложное нагружение. В качестве материала для указанных деталей применяют морозостойкие резины, физико-механические характеристики которых приведены в табл. 2.8. Твердость резины определяется твердомером Шора по глубине внедрения в резину конического наконечника, нагружаемого пружиной.
Таблица 2.8
Характеристики морозостойких резин
Физико-механические характеристики Значения показателей резины марки
7-1847 7-2959 7-2464
Твердость по Шору Модуль упругости, МПа Модуль упругости при сдвиге, МПа Коэффициент Пуассона Сопротивление разрыву, МПа Относительное удлинение при разрыве, % Температурный интервал работоспособности, °C 42,5 1,7 0,48 0,492 18,0 675 -50-Н-80 52,5 2,3 0,67 0,487 18,0 550 -50-Н-80 67,5 5,7 1,5 0,482 7,5 325 -504-+80
169
Опыты показывают, что при деформации резины объем ее практически не изменяется. При малых деформациях коэффициент Пуассона ц = 0,5, модули упругости первого и второго родов связаны зависимостью
/7 /7
(2Л36)
Модули упругости определяются твердостью резины. Статический модуль упругости при сдвиге в зависимости от твердости приближенно определяется по зависимости:
h2
G = ——, МПа, (2.137)
3800 v 7
где h — твердость по Шору.
При динамической нагрузке модули упругости ER и Сд выше, чем при статической, и равны:
Е =К Е; G =К G. (2.138)
Изменение частоты в диапазоне 10—200 Гц мало влияет на величину К^, но существенно зависит от твердости резины. Так, при твердости h, равной 50, 60 и 70, коэффициент KR соответственно равен 1,27; 1,60 и 2,20.
Допускаемое напряжение для резины с пределом прочности при разрыве 10—20 МПа и относительном удлинении 400—500 % рекомендуется при длительной динамической нагрузке на сжатие 1,0—1,5 МПа, на сдвиг 0,3—0,5 МПа.
Деформация резинового амортизатора существенно зависит от способа закрепления торцов и коэффициента формы Ф, представляющего собой отношение поверхности, допускающей выпучивание резины, к площади закрепленного торца. Основным показателем упругих свойств резины, работающей на сжатие, является модуль упругости на сжатие Е, который зависит не только от сорта резины, характеризуемого твердостью по Шору, но и от коэффициента формы Ф (рис. 2.59).
170
Зависимость между действительным напряжением и модулем упругости на сжатие выражается формулой
о = е£, (2.139)
которая может быть представлена также в виде
Р 5
~ = — Е, (2.140) г Н
где Р — действующая нагрузка; F— площадь поперечного сече-
Рис. 2.59. Зависимость расчетного статического модуля упругости от коэффициентов формы и твердости резины
ния элемента; 5 — деформация сжатия (прогиб); Н— первоначальная высо-
та элемента.
Отсюда прогиб элемента равен:
5=~. (2.141)
FE
Жесткость элемента равна:
Р FE , ...
ж = —• = —. (2.142)
8 Н
Для определения модуля упругости на сжатие Е необходимо определить коэффициент формы Ф.
Рассмотрим значения коэффициента формы Ф для различных вариантов цилиндрического резинометаллического элемента (рис. 2.60).
Рис. 2.60. Цилиндрические резинометаллические элементы, работающие на сжатие
171
a)
nD2
4 .
nDH 4H ’
(2.143)
б) Ф =
nDH + ndH
D-d
(2.144)
F ф = ШТ
F c
4H ’
в) Ф =
— D2 4___
nDh
D
4h ’
(2.145)
При прямоугольном основании co сторонами В и С коэффициент формы определяется аналогично:
2(В + С)Я
(2.146)
Определив коэффициент формы Ф и зная твердость по Шору для выбранного материала резины, по графику (см. рис. 2.59) находим значение модуля упругости на сжатие Е и проводим расчет резинового элемента по формулам (2.139—2.142).
В табл. 2.9 приведены характеристики резинометаллических элементов (рис. 2.60, б), используемых в рессорном подвешивании некоторых тепловозов.
Таблица 2.9
Характеристика кольцевых резинометаллических элементов________
Серия Локомотива Марка резины Твердость по Шо- РУ Наружный диаметр, мм Внутренний диаметр, мм Высота слоя резины, мм Число слоев резины Жесткость амортизатора, кН/м Прогиб под нагрузкой, мм
ТЭЗ, ТЭ10 7842 60 220 60 30 1 24,3 1,86
2ТЭ10Л 7842 60 230 60 30 1 27,9 1,54
ТЭМ7 7-В-14-1 80 230 80 30 1 30 1,5
2ТЭ10В 2462 67,5 230 60 25 1 33,73 0,92
2ТЭ116 7842 60 230 60 30 1 27,91 1,25
ТЭП60 ТЭП70 2959 52,5 185 55 42 3 15,85 2,9
172
В случае применения промежуточных пластин, с целью повышения жесткости резинометаллического элемента (рис. 2.60, в), формула для определения прогиба примет вид:
S = (n+1)^, (2.147)
FE
где п — количество промежуточных пластин.
Рассмотрим расчет цилиндрических резинометаллических шарниров (рис. 2.61), применяемых в буксовых поводках. При вертикальном перемещении буксы относительно рамы тележки в этих шарнирах возникает напряжение скручивания, в результате чего на буксу действует дополнительная нагрузка, увеличивающая жесткость рес-
12 3 4 5
Рис. 2.61. Буксовый поводок:
1, 5 — оси поводка; 2, 6 — амортизаторы; 3, 7 — резинометаллические сайлент-блоки; 4 — поводок
173
сорного подвешивания. Резинометаллические шарниры состоят из валиков и стальных втулок, между которыми при помощи специальных приспособлений запрессованы резиновые втулки с предварительной деформацией по толщине около 25 %, что значительно увеличивает их долговечность. На торцах между валиком и корпусом поводка размещены торцевые металлические шайбы. Угловая жесткость каждого валика при закручивании шарнира складывается из угловых жесткостей цилиндрической втулки и двух торцевых шайб. Эту жесткость можно определить по формуле
ж . ~ nG
<р/
D^Dh.
1 2 i । 4 3
D2-£>2 16И
2 1
(2.148)
где Z>j и Z>2 — соответственно внутренний и наружный диаметры резиновой втулки; li — длина втулки (1\ или /2); D3 и О4 — соответственно внутренний и наружный диаметры торцевой шайбы; Н — толщина шайбы.
При перемещении буксы вертикальная жесткость равна:
2(ЖФ1+ЖФ2) ж =-----------
в L2
(2.149)
где Жф] и Жф2 — угловые жесткости каждого из шарниров буксового поводка.
Пневматические рессоры. Значительный интерес представляет пневматическое рессорное подвешивание в связи с положительными качествами:
- возможность получения параметров подвешивания с большим значением статического прогиба;
- простое регулирование жесткости и величины демпфирования;
- возможность автоматического регулирования перекоса кузова при прохождении кривых участков пути, что имеет большое значение для скоростного движения;
- с помощью таких рессор можно поддерживать постоянную высоту пола кузова над головками рельсов измененем давления.
В отечественном локомотивостроении пневматическое подвешивание применялось на опытных тепловозах (ТЭ7, 2ТЭ10Л, ТГМЗ и ТЭМ7).
Баллонные пневморессоры (рис. 2.62, а) работают только в вертикальном направлении, диафрагменные (рис. 2.62, б) — в верти-
174
Рис. 2.62. Баллонная (а), диафрагменная (б), подушечная (s) и комбинированная (г) пневморессоры: 1 — резинокордная оболочка; 2 — поршень; 3 — основание рессоры; 4 — стяжка
калькой и горизонтальном, подушечные (рис. 2.62, в) — в вертикальном и продольном. Комбинированные пневморессоры (рис. 2.62, г) допускают повышенные вертикальные перемещения по сравнению с диафрагменными. Сопротивления диафрагменной рессоры поперечной деформации возникает вследствие изменения площади и формы поверхности контакта оболочки с поршнем пневморессоры и частично из-за жесткости оболочки.
Для снижения вертикальной жесткости пневморессоры соединяют с дополнительным резервуаром большого объема, в качестве которого используют обычно внутренние полости отдельных балок рамы тележки или специальные баллоны.
Пневморессоры с дополнительным резервуаром соединяют трубопроводами, которые используют в качестве дросселей, обеспечивающих требуемый демпфирующий эффект.
Основные параметры пневморессор приведены в табл. 2.10.
В первом приближении жесткость пневморессоры можно принять равной:
ж = 7------ЧЬг~’ (2.150)
1-5 — К Э у 0
I
где S3 — эффективная (несущая) площадь пневморессоры; р0 — давление в исходном положении статического равновесия; V®— объем воздуха в поло-
Таблица 2.10
________________ Основные параметры пневморессор____________________
Тип пневморессоры Нагрузка Р, кН Внутреннее рабочее давление, МПа Наибольший прогиб, мм Диаметр наружный, мм Высота, мм
Балонная 150 0,520 40 672 162
100 0,500 50 572 152
45 0,700 40 338 135
Диафрагменная 100 0,500 50 371 168
100 0,500 30 570 165
150 0,518 50 682 180
Подушечная 90 0,700 40 1100x244 ПО
176
жении статического равновесия; и — показатель политропы (при медленном статическом деформировании пневморессоры п = 1, а при динамическом п = 1,3—1,4); Д — деформация пневморессоры.
2.6. Опорно-возвращающие устройства
В экипажной части тягового подвижного состава и вагонов для передачи вертикальной нагрузки от кузова на тележки, создания возвращающих сил и моментов при поперечном относе кузова и повороте тележки вокруг вертикальной оси применяются опорно-возвращающие устройства различной конструкции.
Для возможности оценки влияния поперечных связей кузова и тележек на горизонтальную динамику локомотива рассмотрим схемы, приведенные на рис. 2.63.
При жесткой связи в поперечном направлении рамы тележки с кузовом траектория движения неподрессоренных частей ун(х) навязывается тележке и кузову, что приводит к увеличению сил взаимодействия с путем Квозм (рис. 2.63, а) и поперечных ускорений кузова ук .
При устранении жесткой связи и замене ее квазиупругой (рис. 2.63, б) силы поперечного взаимодействия с путем и ускорения кузова уменьшаются. Этот подход используется в отечественном локомо-тивостроении (тепловозы 2ТЭ116, ТЭП70).
Возможен и промежуточный вариант — снижение инерционной связи предоставлением кузову возможности поворота с упругой
Рис. 2.63 Схемы поперечной связи кузова и тележки: а — жесткая; б — квазиупругая; в — упругая поперечно-угловая
177
поперечной угловой связью кузова с рамой тележки (рис. 2.63, в). Такое устройство применено на тепловозе ТЭП60.
Рассмотрим более подробно опорно-возвращающие устройства локомотивов, передающие массу кузова с оборудованием на тележки и возвращающие ее в первоначальное положение при выходе из кривых участков пути. Движение по прямым участкам сопровождается интенсивным вилянием тележек, которое вызвано конусностью бандажей и зазорами между их гребнями и головками рельсов. Для уменьшения виляния экипажа кроме возвращающего момента, создаваемого опорами кузова, необходимо обеспечивать демпфирование перемещений.
На тепловозах применяются различные конструктивные схемы опор и возвращающих устройств: роликовые с постоянным возвращающим моментом и моментом трения (тепловозы ТЭК), 2ТЭ10Л и др.); комбинированные резино-роликовые опоры с упругим шкворневым устройством (2ТЭ10М, 2ТЭ10В, 2ТЭ116 и др.); маятниковые опоры с пружинными возвращающими устройствами (ТЭП60); пружинные, работающие на вертикальную и горизонтальную нагрузки (ТЭП70, ТЭП80, ТЭМ21); опоры на маятниковых подвесках (ТЭМ7, ЧМЭЗ).
Роликовые опорно-возвращающие устройства с постоянным возвращающим моментом и моментом трения. Устройства этого типа применены на тележках тепловозов ТЭЗ, ТЭК), 2ТЭ10Л и др. (рис. 2.64).
Нагрузка от кузова передается через четыре роликовые опоры, установленные на боковины рамы тележки по окружности, центр которой является центром поворота тележки (рис. 2.65). Внутри корпуса 1 (см. рис. 2.64) помещен подвижный механизм опоры, состоящий из сферического гнезда 4, верхней опорной плиты 5 и цилиндрических роликов 2. Хвостовики роликов с обеих сторон входят в отверстия обойм 5, что обеспечивает их параллельное перемещение при перекатывании. Рабочие поверхности верхней 3 и нижней 6 опорных плит представляют собой наклонные плоскости. Внутренняя плоскость корпуса заполнена осевым маслом Л в летний период и маслом 3 — в зимний. Уровень масла необходимо поддерживать между верхней и нижней отметками маслоука-зателя. От пыли и влаги опора защищена брезентовым чехлом 7.
При прохождении тепловозом кривых участков пути тележка поворачивается, и в результате наклона поверхностей опорных плит
178
Рис. 2.64. Роликовое опорно-возвращающее устройство тележки тепловоза 2ТЭ10Л
возникают горизонтальные усилия, стремящиеся вернуть тележку в первоначальное положение. Тележка поворачивается по окружнос-
ти вокруг центра шкворня, а ролики катятся по наклонным поверх-
ностям, перемещаясь по прямой. В результате сферическое гнездо 4 проскальзывает по верхней
опорной плите. Если оси опор повернуть относительно радиуса окружности, на которой они расположены, то перемещение сферического гнезда по опорной плите увеличится, и работа^ трения возрастет. Для получе-~ ния возвращающих сил и моментов трения, необходимых , для устойчивого положения те
Рис. 2.65. Схема расположения роликовых опор
лежки под тепловозом и плав
ного вписывания экипажа в кривую, после проведения ис
179
пытаний был установлен угол наклона опорных плит, равный 2°, и угол поворота в плане, равный 5°. При этом возвращающий момент получился 17,95, а момент трения — 13,8 кНм.
Опоры тепловозов обеспечивают только поворот тележек в плане относительно кузова. Продольные и поперечные горизонтальные силы от тележки к кузову передаются через шкворень.
Возвращающая сила опоры с наклонными плоскостями и роликами может быть определена по выражению
^op=eotga, (2.151)
где Qo — нагрузка главной рамы на одну опору; а — угол наклона плоскостей опорных плит.
Это выражение справедливо, если пренебречь трением между роликами и плоскостями. При неправильном выборе угла наклона плоскости и при плохой смазке возвращающая сила превышает допустимую величину, что вызывает увеличение боковых усилий на рельс при движении локомотива в кривых.
Для предупреждения виляния локомотива в конструкции возвращающего устройства предусматривается начальная возвращающая сила, равная в среднем 20 кН.
Опорно-возвращающее устройство тепловоза 2ТЭ116, создающее противоотносную силу. На базе испытанной в опытной эксплуатации опорно-возвращающей системы тепловоза ТЭ109 было создано опорно-возвращающее устройство, которое применялось на тепловозах 2ТЭ116 первых выпусков. Такое устройство состоит из четырех опор с роликовым возвращающим устройством и шкворневого узла, обеспечивающего максимальное поперечное перемещение кузова относительно тележек на ±40 мм. При первоначальном перемещении на ± 20 мм поперечная возвращающая (противоотносная) сила создается благодаря радиусной поверхности плит роликовых опор. Величина возвращающей силы пропорциональна отклонению тележки. При последующем перемещении на величину ±20 мм параллельно роликовым опорам вступают в работу пружины шкворневого устройства.
Роликовые опоры аналогичны по конструкции опорам тепловозов 2ТЭ10Л, но отличаются способом установки на раме тележки. Опоры расположены так, чтобы направление движения роликов было перпендикулярно продольной оси тепловоза (рис. 2.66).
180
Рис. 2.66. Опорно-возвращающее устройство тепловоза 2ТЭ116 первых выпусков:
1 — рама тележки; 2 — роликовая опора; 3 — шкворневой узел
Профиль поверхностей верхней и нижней плит со стороны роликов выполнен одним радиусом. На верхней опоре сверху есть ползун, который перемещается по опорной поверхности на кузове при повороте тележки в кривых участках пути. Момент трения, возникающий при повороте тележки, способствует уменьшению виляния. В качестве пары трения выбирается сталь 65Г и пластмасса или металлокерамика, у которых низкий коэффициент трения. Смазка поверхностей консистентная, поверхности предохранены защитным кожухом.
Такая конструкция опорно-возвращающего устройства компактна, технологична, что выгодно отличает ее от люлечных устройств. Недостаток в повышенном моменте сил трения, препятствующем повороту тележки в кривых.
Жесткость возвращающего устройства, отнесенная к одной тележке, на первой половине смещения кузова равна 756 Н/мм. На второй половине смещения, где вступают в работу и пружины шкворня, жесткость увеличивается так, что суммарная возвраща-
181
Рис. 2.67. Схема перемещения кузова на роликовых опорах относительно рамы тележки
Тогда
ющая сила при наибольшем смещении кузова (40 мм) становится равной 1/4 веса кузова. Такое качество возвращающего устройства ограничивает амплитуды боковых колебаний кузова и уменьшает силовое взаимодействие кузова с тележками при входе локомотива в кривые участки пути.
При перемещении кузова относительно рамы тележки (рис. 2.67) на величину у центр ролика из точки 0 переместится в точку О', точка А верхней опоры переместится в точку А'.
sin ос =
у.
2 _ У .
_d_ 2R-d’
2
cos а = Vl-sin2 а =, 1 - -—-—лг . (2.152)
V ^2R-dy
Вертикальное перемещение кузова
z = 2^7?-y^(l-cosa)=(27?-6?Xl-cosa), (2.153)
где R — радиус опор; d — диаметр ролика; у — поперечное перемещение кузова.
Заменив cos а в формуле (2.153), окончательно получаем
z - (2R -d)
У (2R-df
(2.154)
182
Потенциальная энергия кузова
Пк=ек*, (2.155)
где QK — вес кузова с оборудованием.
Возвращающая сила роликовых опор, приходящаяся на обе тележки и действующая в направлении поперечного смещения кузова,
ап
F =—*-
Р'к dy
(2.156)
Подставив значение z из формулы (2.154) в формулу (2.155) и взяв производную по у, получаем
F = Q р.к ^к
J2
(2R -df dy
QKy yl(2R-df-y2 '
(2.157)
На одну тележку действует вдвое меньшая сила:
(2.158)
где жэ — эквивалентная жесткость роликовых опор.
Если роликовые опоры установлены так, как показано на рис. 2.64, то кузов при движении совершает колебания относа. Частоте собственных колебаний относа кузова на роликах приблизительно / = 0,75—1 Гц. Из этого условия можно определить эквивалентную жесткость роликовых опор тележки:
ж
э
.2 г 2
—ек-
g к
(2.159)
В соответствии с исследованиями ВНИКТИ, характеристика поперечной связи кузова с тележками показана на рис. 2.68.
183
Рис. 2.68. Возвращающая характеристика упругой поперечной связи кузова с тележками
Возвращающая сила упругой связи кузова с тележкой (роликовых опор и упругого шкворня):
F = F +F =жу + -^~. (2.160)
Возвращающая сила, обеспечиваемая роликовыми опорами при перемещении кузова на величину у,
ГрК=2жэ-У- (2.16!)
Радиус опоры, определяемый из формулы (2.158), равен:
£- + 1+6? , (2.162)
R
где d — диаметр ролика, зависящий от величины допустимых контактных напряжений.
Как следует из формулы (2.160), на второй половине отклонения кузова возвращающая сил будет создаваться не только роликовыми опорами, но и пружинами упругого шкворневого узла. Рекомендуемая ВНИКТИ возвращающая сила при максимальном отклонении кузова
Fk =(0,23^0,25)2к. (2.163)
Подставив в уравнение (2.160) значение Fp т из уравнения (2.158), получаем
Жесткость пружины шкворневого устройства находим из уравнения (2.164).
184
Тогда
Работа роликовых возвращающих устройств подобна работе возвращающих устройств с подвесками. Определим величину эквивалентной длины вертикальной подвески люльки, которая обеспечивает такое же качество связи кузова с тележкой.
Возвращающая сила люльки
Q у
F ==^~, (2.166)
л 2ЬЛ
где — длина люлечных подвесок.
Приравнивая возвращающую силу люльки FB;I величине возвращающей силы роликовых опор Fp т (2.158), определим эквивалентную длину подвески люльки:
Q у
L3 =-=*-. (2.167)
л 2F
р.т
Резинороликовые опоры с пружинным возвращающим устройством тепловозов 2ТЭ116, 2ТЭ10В. У современных тепловозов тележки могут дополнительно смещаться относительно оси кузова из-за упругого шкворневого устройства. Применение упругой связи кузова с тележками значительно снижает боковые усилия на рельс, так как процесс их нарастания при входе в кривые участки пути растянут во времени. Наилучшие результаты дает нелинейная зависимость между усилием и перемещением.
В корпусе 19 комбинированной резинороликовой опоры (рис. 2.69) размещен роликовый механизм такой же, как в опорно-возвра-щающем устройстве тепловозов 2ТЭ10Л. Рабочие поверхности нижней 16 и верхней 1 опорных плит наклонены на 2°, а сопрягаются эти поверхности радиусом 65 мм. Ролики 17, объединенные обоймами, накатываются на наклонные поверхности опорных плит при угловых перемещениях тележки относительно кузова. На опорную пли-
185
Рис. 2.69. Комбинированная опора:
7,16 — верхняя и нижняя опорные плиты; 2 — крышка; 3 — болт; 4, 6 — опорные кольца; 5 — упругий элемент; 7 — регулировочные прокладки;
8 — конический стакан; 9, 10 — хомуты; 11 — чехол; 12 — пробка; 13 — сливная пробка; 14 — рама тележки; 75 — обойма; 17 — ролик; 18 — втулка; 79 — корпус роликовой опоры
ту установлена резиновая опора, состоящая из семи резинометаллических элементов 5, нижнего 4 и верхнего 6 опорных колец и регулировочных пластин 7. Резина толщиной 30 мм привулканизирована к металлическим пластинам толщиной 2 мм. У пластин сделаны кольцевые штампованные углубления для центрирования элементов по отношению друг к другу. Резиновая опора входит в углубление опорного стакана 8 кузова. Внутренняя полость корпуса 19 опоры заполнена осевым маслом до уровня верхней пробки. От попадания пыли и грязи опора защищена чехлом 77 из брезента, прикрепляемым к корпусу опоры и к обечайке рамы кузова хомутами.
Каждый комплект резинометаллических элементов опоры подвергается стендовой тарировке по высоте (размер К). Отличие комплектов одной тележки друг от друга по высоте не более чем на 1 мм (номинальная высота 200 мм). Соблюдение этого требования достигается установкой регулировочных прокладок 7. Вертикальная жесткость комплекта равна 5,5 кН/мм, а горизонтальная — 0,2 кН/мм.
186
Рис. 2.70. Шкворневое устройство тепловоза 2ТЭ116: 1 — стакан; 2 — пружина; 3 — упор; 4 — ползун; 5 — шкворень; 6 — сменные накладки; 7 — балка
Шкворневое устройство (рис. 2.70) состоит из прямоугольного ползуна 4, перемещающегося в направляющих шкворневой балки 7, двух стаканов 1 с возвращающими пружинами 2 и упорами 3. Стаканы с пружинами прикреплены к боковым стенкам шкворневой балки. В цилиндрическую расточку ползуна вварена сменная втулка, внутри которой перемещается шкворень 5 кузова. Гнездо шкворня закрыто уплотняющей крышкой, поверх которой скользит подвижная пластина, перемещаемая шкворнем при относе кузова. Между упорами пружин и подвижным ползуном устанавливается зазор по 20 мм на каждую сторону.
Опорно-возвращающее устройство работает следующим образом. При входе в кривую тележка поворачивается вокруг шкворня относительно продольной оси кузова, при этом ролики опор набегают на наклонные поверхности опорных плит. Наибольший угол поворота тележки ограничен 3°30'. При наличии центробежной силы кузов под ее действием смещается в поперечном направлении относительно тележек. Это смещение происходит из-за сдвига резинометаллических
187
элементов блоков. Перемещению кузова на 20 мм противодействует только сопротивление сдвигу резины блоков опор, на последующих 20 мм относа кузова к этому противодействию добавляется энергия сжатой пружины шкворневого устройства, жесткость которой равна 4000 кН/м. Таким образом, зависимость силы противодействия относу кузова от перемещения является нелинейной и состоит из двух прямолинейных участков: пологого и крутого (см. рис. 2.68). Момент сопротивления при вписывании в кривую равен 23—31 кНм.
Применение таких опор, как показывают испытания, проведенные ВНИКТИ, снизило динамические рамные усилия на 10—15 %.
Опорно-возвращающее устройство с пружинами типа «Флексикойл» тепловоза ТЭП70. Опорно-возвращающее устройство тележки тепловоза ТЭП70 (рис. 2.71), начиная с 8-го номера, включает группу из восьми пружин 3 типа «Флексикойл» (по четыре пружины на каждой боковине), упругое шкворневое устройство 7 с низким расположением шкворня 8, четыре вертикальных гидравлических гасителя 2 и два
Рис. 2.71. Схема работы опорно-возвращающего устройства тепловоза ТЭП70: I — рама тепловоза; 2 — гаситель вертикальных колебаний; 3 — пружины второй ступени подвешивания; 4 — гаситель горизонтальных колебаний; 5 — пружины первой ступени; 6 — рама тележки; 7— пружинное устройство; 8 — низкоопущенный шкворень рамы
188
горизонтальных гасителя колебаний 4. Пружины закреплены от смещения своими опорными витками на раме тележки и кузова. При смещении ук кузова под действием центробежной силы Ск относительно тележки возникают противодействующие силы упругости пружин Fn, а при выборе поперечного зазора в шкворневом узле сила упругости пружин 7 — Гш. Одновременно поперечному относу (колебаниям) кузова препятствуют диссипативные силы сопротивления Fr гасителей колебаний 4. При прекращении действия центробежной силы Ск пружины 3 и 7 возвращают кузов в первоначальное положение.
Возвращающая сила, возникающая при поперечном относе кузова, изменяется нелинейно (см. рис. 2.68).
При движении локомотива в прямых и кривых участках пути, кроме поперечных относительных перемещений кузова и тележек, возникают и угловые перемещения. При этом пружины 3 создают возвращающий момент. Величина этого момента определяется следующим образом (рис. 2.72).
9 8 7 6 5
Рис. 2.72. Схема для определения возвращающего момента, создаваемого пружинами типа «Флексикойл» тепловоза ТЭП70:
I—8 — пружины; 9 — рама тележки; 10 — шкворень
189
При повороте кузова относительно тележки на угол у в каждой пружине 3 возникает горизонтальная сила
Я=жгг8т\|/. (2.168)
Из-за малой величины угла поворота ig (до 3—4°) можно принять sin ig = ig, тогда
Н. =жгг.\|/. (2.169)
Возвращающий момент, действующий на тележку,
8
<2Л70>
1
В конструкциях опорно-возвращающих устройств отечественных и зарубежных локомотивов с двухступенчатым рессорным подвешиванием в качестве упругих элементов второй ступени чаще всего используются пружины типа «Флексикойл» или резинометаллические опоры, работающие на сжатие и сдвиг. Для уменьшения возвращающего момента, создаваемого пружинами типа «Флексикойл», их устанавливают на резиновые амортизаторы.
2.7. Тяговые устройства
2.7.1. Классификация тяговых устройств и их роль в реализации локомотивом силы тяги
Тяговые устройства локомотивов предназначены для передачи от тележки к кузову продольных (тяговых и тормозных) и поперечных сил.
По конструкции тяговые устройства разнообразны. На рис. 2.73 показана схема классификации основных типов тяговых устройств, применяемых в локомотивах.
При движении локомотива происходит перераспределение нагрузок между колесными парами, вызванное вертикальными реакциями от действия на тележку моментов сил тяги и торможения. Появление этих моментов связано с различной высотой приложения к тележке сил тяги (на уровне головки рельса) и сопротивления движению (уровень автосцепки и шкворневого шарнира).
В практике локомотивостроения в качестве критерия оценки тяговых свойств введено понятие «использование сцепного веса»,
190
Рис. 2.73. Классификация тяговых устройств локомотивов
определяемое величиной статического коэффициента использования сцепного веса Т|и. Наибольшая по сцеплению сила тяги локомотива находится в прямой зависимости от его сцепного веса G и коэффициента сцепления у. Однако расчеты и практика эксплуатации показывает, что не весь сцепной вес локомотива используется для создания силы тяги.
Сила тяги локомотива вычисляется по формуле
= GWn = &Р> (2.171)
где — расчетный коэффициент сцепления колес с рельсами, <р — коэффициент тяги.
Обычно считают, что на все колесные пары приходится одинаковая статическая нагрузка 2П, которая передается на рельсы, а поэтому колесные пары реализуют одинаковую силу тяги FK. Возможное уменьшение нагрузки колесной пары учитывается коэффициентом разгрузки Кр:
ДП = ХрГ. (2.172)
Тогда коэффициент использования сцепного веса равен:
Пн = (2П-ДП)/2П или ци =1/(1 + /Гру). (2.173)
Для локомотивов с индивидуальным электрическим приводом колесных пар наименьший коэффициент использования сцепного
191
веса определяется наиболее разгруженной колесной парой, так как именно она ограничивает силу тяги локомотива. В требованиях ОАО РЖД к новым локомотивам коэффициент использования сцепного веса должен быть т]и > 0,92.
Для тепловозов с гидропередачей и групповым приводом, объединяющим колесные пары в единую механическую систему, теоретически коэффициент использования сцепного веса г|и = 1. При достижении предельного тягового момента по сцеплению на наиболее разгруженной оси она не буксует из-за ее механической связи через карданы и редукторы с остальными колесными парами. Практически из-за наличия в эксплуатации некоторой разности диаметров колесных пар коэффициент использования сцепного веса тепловозов с гидропередачей (ТГМ4, ТГМ6, ТГ22) равен ри = 0,95—0,97.
Таким образом, для локомотивов с электрической передачей необходимо уменьшать разгрузку колесных пар при движении в тяговом режиме.
У локомотива с количеством п0 колесных пар наименьшее значение коэффициента разгрузки будет, если разгрузка распределена поровну между q = п0 - 1 передними колесными парами, а вся догрузка сосредоточена на последней колесной паре, т.е.
К . =п Н У(х -х.), (2.174)
ршш О [ ПО I'’ 47
где i— порядковый номер колесной пары; Н— высота оси автосцепки от уровня головок рельсов; х, — продольные координаты колесных пар, причем начало координат находится за пределами полной колесной базы локомотива, например в вертикальной плоскости, проходящей через головку автосцепки.
Реализация такой схемы воздействия колесных пар на рельсы не всегда возможна из-за существенной догрузки последней колесной пары, когда значение ее нагрузки выходит за допустимые пределы, особенно это касается шестиосных экипажей.
Рассмотрим задачу использования сцепного веса для локомотива с горизонтальными продольными связями тележек с кузовом, т.е. передачу тяговых сил в горизонтальной плоскости, например, шкворневым тяговым устройством. Для упрощения принимаем, что упругие опоры кузова на каждую тележку выполнены в одной по-
192
перечной плоскости, проходящей через шкворень. Учет статической неопределенности системы второй ступени рессорного подвешивания (в двух поперечных плоскостях на каждой тележке, например, при четырех опорах кузова) вносит сравнительно небольшую поправку в результаты расчета и не меняет качественную картину исследуемого явления.
Для определения изменения нагрузок рассмотрим расчетную схему двухтележечного экипажа (рис. 2.74).
Согласно выражению (2.174) минимальный коэффициент разгрузки будет равен:
3
Smm -Х,)‘2Н'к +2'т). <2-175’
1=1
где 2/к — база подвешивания кузова; 2/т — база тележки.
Для определения изменения нагрузок от колесных пар на рельсы рассмотрим внешние силы, действующие на тележки и кузов в режиме тяги. Сила тяги локомотива F , приложенная к автосцепке на высоте Н и равная сопротивлению движения состава W, создает опрокидывающий момент 4FR.(//—/гш), который разгружает переднюю и догружает заднюю тележку:
7\ = Т2 = 4£К(Я - Аш)/27к, (2.176)
Рис. 2.74. Расчетная схема четырехосного экипажа для определения изменения нагрузок по колесным парам (1—4 — номера колесных пар по ходу локомотива)
193
где й — высота от уровня головок рельсов до уровня передачи силы тяги в шкворневом устройстве.
На уровне головок рельсов на каждую колесную пару действует сила F . Реакция кузова 2FK = JP72 действует на шкворень в противоположную сторону. Внешние силы, действующие на тележку, вызывают изменение нагрузок ДГЦ—ДП4 колесных пар на рельсы (показаны на рис. 2.74 в виде реакций рельсов на нагрузку от колесных пар).
Уравнение равновесия передней тележки:
АП] -ДП2 -Tj =0;
2F h -ДП./ -ДЩ/ =0; к ш 1т 2 т ’
(2.177)
задней тележки:
Да -дп4 +т2 =0;
2F h -ДП / -ДП4/ =0. <2-178)
к ш 3 т 4 т
Решая уравнения (2.176), (2.177) и (2.178), получим
An2=2fKi-*»'2'r+(«-V4i; да =2F \h /21 -\H-h)/2l];
3 KL ш ту ш'\ KJ’ ДП =2F [-/г /21 -\H-h 1/2/1. | 4 KL Ш Т \ Ш ! KJ
(2.179)
Коэффициенты разгрузки колесных пар на рельсы равны для 1, 2, 3 и 4 пар соответственно:
К =2 h H-h — ш zp ш ; (2.180)
/21,3 21 21 Lt kJ
194
Таким образом, ограничивающим в данном случае является коэффициент разгрузки первой колесной пары:
~h H-h
гл _ о ш , ш
/>тах 21 21 ’ (2.182)
т к
Как следует из выражений (2.176) и (2.179), момент тяговых сил, действующих на кузов, разгружает на одинаковую величину колесные пары передней тележки и нагружает колесные пары задней тележки, а момент тяговых сил, приложенных к шкворню, перераспределяет нагрузки по колесным парам в тележках.
При передаче тяговых сил шкворнем через шкворневую балку, расположенную сверху на раме тележки, величина значительно влияет на изменение нагрузки колесных пар, а величина Н - /гш мало, так как 2/к >> 2/т и йш > Н - /гш. Определяющим в этом случае является момент тяговых сил, приложенный в шкворне.
Существует несколько конструктивных решений в экипажной части для уменьшения отрицательного влияния действия тяговых сил между кузовом и тележкой на изменение нагрузок колесных пар.
Наиболее распространенное решение, которое применялось на грузовых тепловозах и маневровых (2ТЭЗ, 2ТЭ10Л, ТЭМ2, ТГМ4, ТГМ6)—это жесткие опоры кузова (роликовые, плоские). При этом рама тележки не может поворачиваться в продольной вертикальной плоскости относительно кузова, и перераспределения нагрузки по колесным парам тележки от продольных сил, приложенных к шкворню, не происходит.
На магистральных локомотивах (тепловозы ТЭП70, ТЭП80, ТЭ136, электровозы типа ВЛ80 и др.) применяется двухступенчатое рессорное подвешивание, а низкоопущенный шкворень несколько повышает коэффициент использования сцепного веса. Так, на тепловозе ТЭП70 плоскость передачи продольных сил от тележки к кузову при низкоопущенном шкворне, расположенном между первой и второй колесными парами, перенесена на уровень осей колесных пар.
В некоторых локомотивах применяют специальные пневмо- или гидродогружатели, устанавливаемые между рамой тележки и кузова. С помощью догружателей создается противомомент, компенсирующий действие тягового момента в шкворневом узле. Однако
195
в этом случае необходимо применить систему автоматического регулирования давления воздуха или жидкости в цилиндрах в зависимости от величины силы тяги локомотива.
Существенно можно решить проблему применением одной или двух наклонных тяг, через которые передается сила тяги от тележек к кузову. В зависимости от схемы включения тяги могут работать только на растяжение или на растяжение и сжатие. В последнем случае, как правило, применяется одна наклонная тяга на тележку.
На рис. 2.75 показана схема четырехосного экипажа локомотива с наклонными тягами. В первоначальных конструкциях таких экипажей кузов с каждой тележкой соединялся двумя наклонными тягами, работающими только на растяжение. Конструктивно для этого применяются эллипсные отверстия в одном из шарниров наклонных тяг и возможность небольшого продольного смещения тележек относительно кузова. В режиме тяги тележки смещаются вперед, при этом передние тяги выключаются из работы, и передача тяговых сил от тележек на кузов осуществляется задними тягами, работающими на растяжение.
Рассмотрим схему передачи тяговых сил от первой тележки на кузов одной наклонной тягой (рис. 2.76). Горизонтальная составляющая 2FK усилия в наклонной тяге 2ГТ создает опрокидывающий момент на раме тележки 2Гк/гт и соответственно изменяет нагрузки по колесным парам:
h
АП' = ±F—. (2.183)
1,2 к /
т
Рис. 2.75. Схема четырехосного локомотива с наклонными тягами: 2/к — база кузова; 2/т — база тележки; 0 — угол наклона тяги
196
Рис. 2.76. Расчетная схема для определения изменения нагрузки от колесных пар на рельсы двухосной тележки с наклонной продольной связью (1,2 — номера колесных пар по ходу локомотива)
b.
Тяговому опрокидывающему моменту противодействует восстанавливающий момент 2FK tg (3 • bT = Fp • bT, который вызывает изменение нагрузок по колесным парам:
b
(2Л84)
т
Коэффициенты разгрузки колесных пар определяются:
к, =—(- дп;+дп;)= (а - л tg р);
1 с* \ 1 1/ / X Т Т °г'
К Т (2.185)
x2=-^(+in;-4n;)=.U-\isp). к т
Если перенести силу 2FT по направлению ее действия в центр тележки с высотой h, то получим
(2.186)
I I т т
что соответствует выражениям (2.185), поскольку h = hT - bT tg p.
Полагая ДП^ = ДП"2, или, что то же самое, К^-К2- 0, получим формулу
tgP = ~-> /2 = 0. (2.187)
Ьт
197
Смысл данной формулы состоит в следующем: наклонная продольная связь тележки с кузовом локомотива автоматически в любом тяговом режиме полностью компенсирует тяговые изменения нагрузки колесной пары на рельсы, если направление связи (тяги) проходит через середину продольной базы тележки на уровне головок рельсов,
Таким образом, с помощью наклонных тяг можно обеспечить одинаковые нагрузки по колесным парам в одной тележке и тем самым значительно уменьшить изменение нагрузок колесных пар локомотива. У современных локомотивов с мягким двухступенчатым рессорным подвешиванием при применении наклонных тяг удается получить значения коэффициента использования сцепного веса г|и > 0,92.
2.7.2. Конструкция тяговых устройств
В отечественном локомотивостроении наибольшее распространение получили шкворневые тяговые устройства.
Тяговое устройство с жестким шкворнем применялось на магистральных тепловозах 2ТЭЗ, 2ТЭ10Л, ТЭШО, а также на всех ма
невровых тележечных тепловозах.
Шкворень, кроме передачи продольных и поперечных сил, является еще и вертикальной осью вращения тележки относительно кузова. Относительный угол поворота может достигать 3—4°. Жесткий шкворень 1 (рис. 2.77) входит в гнездо литой шкворневой балки 3, соединяющей поперечные балки рамы тележки. В гнездо вставляется сменная втулка 2, приваренная к балке прерывистым швом. Для
предохранения шкворня от износа на него надето и приварено коль-
Рис. 2.77. Жесткий шкворень тепловозов 2ТЭ10Л, ТЭМ2У;
1 — шкворень; 2 -= сменная втулка; 3 — шкворневая балка; 4 = трубка; 5 — кольцо
цо 5. Втулка и кольцо выполнены из стали 45 или 60Г и термообработаны. Гнездо заполняется осевым маслом, которое пополняется через трубку 4. Для защиты трущихся поверхностей шкворня и гнезда от
попадания пыли на выступающую часть шкворня наносят валик из густой консистентной смазки.
19В
Тяговое устройство с плавающим шкворнем применяется на грузовых тепловозах 2ТЭ10В, 2ТЭ10М, 2ТЭ116. У тепловоза 2ТЭ116 при перемещении кузова на 40 мм (сжатие пружины шкворня 20 мм) возвращающее усилие пружины равно 80 кН. Применение плавающего шкворня вместе с упругороликовыми опорами обеспечило хорошие динамические качества этого тепловоза. Динамические испытания тепловоза показали, что наибольший коэффициент горизонтальной динамики равен 0,26 (допустимый — 0,4), а коэффициент вертикальной динамики — 0,3 (допустимый — 0,35).
Тяговое устройство с плавающим низкоопущенным шкворнем применяется на тепловозе ТЭП70 (рис. 2.78). Корпус 3 тягового
Рис. 2.78. Шкворневое устройство тепловоза ТЭП70:
1 — стакан; 2 — упор; 3 — корпус; 4 — шкворень; 5 — проставка; 6 = пружина; 7 — заливная горловина; 8 — рамка; 9 = шар; 10 — направляющие сегменты
199
(шкворневого устройства отлит заодно с кронштейном для подвешивания тягового двигателя и прикреплен болтами к нижнему листу шкворневой балки. Внутри корпуса расположен шкворень 4, соединенный с рамой кузова болтовым креплением. На цилиндрическую часть шкворня надета с натягом 0,04—0,12 мм сменная втулка. В корпус вставлены два упорных сегмента 10, служащих направляющими восьмигранной рамки 8 — гнезда шкворня. От поперечного смещения сегменты удерживаются стопорами. Снизу сегменты подпираются проставкой 5, уплотненной в корпусе резиновым кольцом. Для свободного перемещения рамки 8 в поперечном направлении между ним и упорными сегментами устанавливается зазор 0,2—0,6 мм, регулируемый прокладками. Между шкворнем и его гнездом (рамкой) установлена промежуточная плавающая втулка-шар 9. Соприкасающиеся поверхности втулки 9 и рамки гнезда 8 выполнены сферическими, что при наклонах кузова исключает концентрации напряжений в шкворневом устройстве. Снизу шкворневое устройство закрыто крышкой, уплотненной прокладкой. К боковым стенкам корпуса 3 на болтах прикреплены стаканы 1 с пружинами б и упорами 2. В стакан 1 запрессована металлокерамическая направляющая втулка. Между корпусом и стаканом, а также между его крышкой и пружиной установлены регулировочные прокладки для создания предварительного натяга пружин до 3,43 кН. Стаканы в корпусе уплотнены резиновыми кольцами. На одной из крышек стаканов установлена маслозаливная горловина 7, закрытая пробкой. В шкворневое устройство заливается 30 л осевого масла.
Тяговые устройства с наклонными стержнями (тягами). В отечественной практике локомотивостроения систему продольной связи с наклонными тягами впервые применили в экспортном электровозе Sri для Финляндии, а затем в переработанном виде она была использована в электровозах ВЛ85, ВЛ 15 и ВЛ65.
На рис. 2.79 показано тяговое устройство электровоза ВЛ85, работающее на растяжение и сжатие. Габариты тяговых электродвигателей постоянного тока, используемых на указанных электровозах, не позволяют соединение наклонной тяги 2 непосредственно с кронштейном, установленным на поперечной балке рамы тележки. Поэтому в данной конструкции применена промежуточная
200
Рис. 2.79. Тяговое устройство электровоза ВЛ85:
1 — вилка; 2 — наклонная тяга; 3 — рамка; 4 — триангель; 5 — шаровой подшипник; 6 — гайка; 7 — валик; 8 — регулировочная шайба; 9 — фланец; 10 — резиновый амортизатор; 11 — гайка; 12 — кронштейн
опора в виде V-образной рамки 3. Эту рамку с кронштейном рама тележки связывает триангель 4. Наклонная тяга сферическими шарнирами соединяется с рамкой и вилкой 7. Вилка крепится к кронштейну 12 кузова через резиновый амортизатор 70. Продольная жесткость амортизатора около 8,4 кН/мм.
У каждой тележки электровоза Sri есть две наклонные тяги, работающие только на растяжение.
В опытном электровозе двойного питания ЭП10 используются тяговые асинхронные электродвигатели меньших габаритов, чем двигатели постоянного тока такой же мощности, кроме того
201
Рис. 2.80. Система связей кузова электровоза ЭП10 с крайней тележкой: 1 — страховочный трос; 2 — тяга продольной связи кузова с тележкой; 3 — пружина второй ступени рессорного подвешивания; 4 — вертикальный упор; 5,7,8 — гидродемпферы; б — противоотносное устройство;
9 — горизонтальный упор
электродвигатели приподняты относительно горизонтальной плоскости осей колесных пар на 270 мм. Это значительно упростило тяговое устройство (рис. 2,80): применена одна наклонная тяга длиной 3030 мм, связывающая поперечную балку рамы тележки и кузов. Шарнирные соединения и амортизатор такой же конструкции, как в электровозе ВЛ85. Для исключения падения
202
Рис. 2.81. Узел наклонной тяги с торсионным упругим устройством тепловоза ТЭМ21:
1 — рычаг торсиона; 2 — наклонная тяга; 3 — узел крепления тяги к кузову; 4 — торсион; 5 — опора
торсионного узла на концевой балке рамы тележки
наклонной тяги на шпалы в аварийной ситуации предусмотрены страховочные тросы 2.
Две наклонные тяги на тележку используются в опытном маневровом тепловозе ТЭМ21. Относительно короткие тяги длинной 1200 мм упруго связаны с концевыми балками двухосной тележки (см. рис. 2.12). Конструкция одного тягового узла (рис. 2.81) состо
203
ит из наклонной тяги 2, выполненной из стальной трубы (сталь марки В20) с приваренными проушинами из стали 40Х, которые присоединены сферическими шарнирами к кузову (опора 5) жестко и упруго через рычаг 1, торсионы 4 и опору 5 к концевой балке тележки. Торсионы выполнены из стали 60С2АЗБ. Тяговое устройство реализует жесткость продольной связи тележки с кузовом 5,2 кН/мм. Тележка может перемещаться в продольном направлении на величину ±50 мм, при этом работают одновременно две тяги: одна тянет, другая толкает.
Угол установки наклонных тяг в 13° был выбран исходя из наибольшего коэффициента использования сцепного веса, который равен т|и = 0,921. Тяговые устройства рассчитаны на наибольшую продольную силу 330 кН, которая может возникнуть в аварийных случаях, при соударении локомотива с составом с ускорением 3g.
Исследование ходовой динамики макета экипажа тепловоза ТЭМ21 методами компьютерного моделирования и натурных испытаний не выявили значительного отрицательного влияния тяговых устройств на динамические качества локомотива.
В современных локомотивах с электрической передачей при двухступенчатом рессорном подвешивании для передачи продольных сил между тележками и кузовом применяются главным образом наклонные стержневые элементы (тяги). При одноступенчатом рессорном подвешивании и шкворневом устройстве для обеспечения требуемых тяговых качеств применяют сбалансированное рессорное подвешивание, пневмо- или гидрогасители, а в трехосных тележках тяговые электродвигатели располагают подвесками к середине тепловоза.
2.8. Тормозные устройства
Тормозные устройства тягового подвижного состава по способу образования тормозной силы можно разделить на четыре типа:
- механические, реализующие тормозную силу колодочным или дисковым тормозом;
- электрические, создающие тормозную силу при превращении кинетической энергии движущегося поезда в электрическую тяговыми электродвигателями, работающими в генераторном режиме;
204
- электромагнитные, в которых тормозная сила возникает при притягивании электромагнитным полем специальных башмаков к рельсам и их скольжению по рельсам;
- гидравлические, создающие тормозную силу преобразованием кинетической энергии поезда в энергию потока жидкости, циркулирующей в специальной гидромуфте.
Тормозное оборудование размещают в кузове и на тележках локомотива. На тележке устанавливают тормозные цилиндры, рычажную передачу и трубопровод питания тормозных цилиндров, остальное оборудование располагают в кузове локомотива. Число тормозных цилиндров локомотива зависит от принятой схемы рычажной передачи. Работа воздушных (пневматических) тормозов основана на использовании в тормозном цилиндре энергии сжатого воздуха.
Тормозная рычажная передача предназначена для равномерного распределения усилия между тормозными колодками и передачи его от поршня тормозного цилиндра на колеса локомотива. Тор-мозные передачи по принципу действия бывают с односторонним и двусторонним нажатием колодок на колеса локомотива.
При одностороннем нажатии обеспечивается тормозное усилие с одной стороны колеса, при двустороннем — с двух сторон. Односторонние передачи просты по конструкции, сравнительно небольшого веса и обеспечивают хороший доступ для осмотра и ремонта. Однако эти передачи обладают существенными недостатками: при торможении на ось действует дополнительный крутящий момент от нажатия тормозных колодок на колесо; большое давление на тормозные колодки приводит к снижению коэффициента трения между колодкой и колесом, а следовательно, и тормозной силы локомотива, вызывая значительный износ колодок и нагрев бандажей. Эти передачи применяют в тепловозах ТЭ10, 2ТЭ10Л, ТЭМ2У с челюстными тележками (рис. 2.82). Односторонние передачи целесообразнее применять с композиционными колодками с высоким коэффициентом трения при условии обеспечения допустимых давлений на колодку. У односторонней рычажной передачи есть недостатки: малая жесткость в поперечном направлении, препятствующая применению безгребневых секционных колодок, высокая трудоемкость и сложность регулировки; невозможность эффективно применять противогазные устройства,
205
Рис. 2.82. Схема рычажной передачи тормоза тележки тепловоза 2ТЭ10Л:
1 — регулировочная муфта; 2 — горизонтальный двуплечий рычаг с двумя отверстиями для положений I и II; а — точки приложения усилий от ручного тормоза
так как при юзе одного из колес необходимо обеспечить отпуск сразу шести тормозных колодок.
Двухсторонние рычажные передачи гораздо сложнее по конструкции и имеют большую массу, в эксплуатации затрудняют осмотр экипажной части, но обеспечивают увеличение тормозной силы локомотива.
Рычажные передачи изменяют передаточные отношения в зависимости от материала и типа тормозных колодок. В конструкциях вертикальных (или горизонтальных) рычагов предусмотрены отверстия для валиков, положение которых обусловливает изменение передаточного отношения, а следовательно, и коэффициента нажатия тормозных колодок. Так, например, у тепловоза ТЭП60 передаточные отношения при композиционных и чугунных колодках соответственно равны 2,38 и 5,77, а действительные коэффициенты нажатия 0,6 и 0,3.
В рычажной передаче тормоза предусматривается возможность регулирования зазоров между бандажами и тормозными колодками и применение автоматических устройств для изменения силы нажатия колодок, противогазных устройств. При проектировании стараются уменьшить массу тормозной системы и количество шарнирных соединений.
Двустороннее расположение колодок применяют в локомотивах 2ТЭ10В, 2ТЭ10М, ТЭП60, ТЭП70, 2ТЭ116 и др. На рис. 2.83 представлена схема рычажной передачи тормоза тепловозов ТЭП60 и ТЭП70 (№ 1—7). На каждой тележке тепловоза установлено по четыре тормозных цилиндра диаметром 254 мм. Каждый цилиндр приводит в действие три тормозные колодки. Характерной особенностью этой рычажной передачи является возможность изменения передаточного отношения в зависимости от типа применяемых тормозных колодок.
Рычажная передача тормоза тепловозов 2ТЭ116, ТЭП70, ТЭП80 отличается от передач тепловозов 2ТЭ10Л, ТЭП60 и др. тем, что в ней каждое колесо обслуживается одним тормозным цилиндром.
Схема рычажной передачи тормоза для колесной пары (в данном случае второй) тепловоза 2ТЭ116 показана на рис. 2.84; остальные колесные пары имеют аналогичную передачу. На каждое колесо работает один тормозной цилиндр № 553 с диаметром 203 мм
207
1
2
Рис. 2.83. Схема рычажной передачи тормоза тепловозов ТЭП60 и ТЭП70 (№ 1—7):
1 — тормозной цилиндр; 2 — балансир ручного тормоза; 3, 9, И, 19 — рычаги; 4 — подвеска; 5 — чека; 6 — башмак; 7 — тормозная колодка; 8,12, 18 — вилки; 10 — тяга; 13 — регулировочный винт; 14 —предохранительный трос; 15 — муфта; 16 — регулировочная тяга; 17 — контргайка
(8")- Общее передаточное число рычажной передачи 7,8. При подаче воздуха в тормозной цилиндр 7 шток его выдвигается и тормозные колодки 5 рычажной передачей прижимаются к колесу 6. Все тормозные цилиндры работают синхронно. Две колесные пары (вторая и третья) только передней тележки могут быть заторможены ручным тормозом. Он приводится в действие вращением штурвала 1, установленного на левой стороне задней стенки кабины машиниста. Вращение по часовой стрелке приводит к затормаживанию. Тормозное усилие на колодки при ручном тормозе передается через зубчатую пару 2 и винтовую передачу 3, соединенную цепью 8, которая проходит через направляющие ролики 4, с рычажной передачей второй и третьей колесных пар передачи тележки. Порядок и направление перемещения рычагов очевидны из схемы (цифры означают длину рычагов).
В тепловозах ТЭП70 и ТЭП80 применяют тормозные цилиндры типа ТЦР-10 с регулятором выхода штока диаметром 254 мм (10"). По мере износа тормозных колодок встроенный в цилиндр регулятор автоматически увеличивает выход штока, связанного с попе-
208
1 2 3 4 5 6 7
Рис. 2.84. Схема рычажной передачи тормоза второй колесной пары тепловоза 2ТЭ116:
1 — штурвал ручного тормоза; 2 — коническая зубчатая пара; 3 — винтовая передача; 4 — направляющий ролик; 5 — тормозная колодка; 6 — колесо; 7 — тормозной цилиндр; 8 — цепь; 9 — регулятор выхода штока тормозного цилиндра; 10 — продольная регулируемая тяга; А — подвод воздуха; Б — тяга к третьей оси
речным рычагом тормозной передачи. При этом величина выхода штока цилиндра остается неизменной и равной 60 мм до полного износа колодок. Также остается неизменным зазор между колодкой и бандажом колеса. Тормозной цилиндр установлен в цапфах, что позволяет ему поворачиваться вокруг вертикальной оси. Это исключает перекос (заклинивание) винта при торможении и при увеличении его выхода. В тормозных цилиндрах без регулятора выхода штока перекосы компенсируются сферическими шарнирами на штоке и поршне.
Расчет допускаемой силы нажатия тормозных колодок (накладок). Обеспечение наибольшей тормозной эффективности проектируемых тормозных передач при эксплуатации подвижного со
209
става — важнейшая задача безаварийного движения на транспорте. Для выполнения этого условия тормозная сила колесных пар не должна превышать наибольшую силу сцепления колес с рельсами, т.е. допускаемая сила нажатия (кН) колодок на колесо или на тормозной барабан дискового тормоза
^К = а2ПукЯк /<ркг, (2.188)
где а — коэффициент учета разгрузки колесной пары от действия вертикальных сил и сил инерции при торможении, для ориентировочных расчетов можно принять 0,9; 2П — нагрузка от колесной пары на рельсы; фк — коэффициент сцепления колес с рельсом; <рк — коэффициент трения тормозной колодки (накладки); Як — радиус колеса; г — расчетный радиус тормозного диска.
При ориентировочных расчетах для колодочного тормоза отношение RK/r = 1, а фк = 0,09—0,1.
Для упрощения расчетов допускаемой силы нажатия принимают, что коэффициент нажатия на тормозные колодки 5 = К /2П. Это вызвано тем, что коэффициент (рк, входящий в формулу для определения допускаемой силы нажатия, зависит от силы нажатия К.
ВНИИЖТ и ВНИКТИ рекомендуют использовать в расчетах тормозной силы локомотива коэффициенты нажатий тормозных колодок (накладок), приведенные в табл. 2.11, при применении скоростного регулятора 3 = 1,2—1,5 для чугунных колодок.
Таблица 2.11
Значение коэффициентов нажатия 8 тормозных колодок
Тип тормоза Фк Локомотив Удельная нагрузка, мН/м~
грузовой пассажирский
Колодочный чугунный 0,2—0,1 0,6—0,7 0,7—0,8 1,2
Колодочный композиционный 0,3—0,18 0,27—0,3 0,37—0,4 0,6
Дисковый КОМПОЗИЦИОННЫЙ 0,32—0,22 0,28 0,3 0,5
При определении удельных нагрузок на тормозные колодки (накладки) исходят из наибольшей силы нажатия, числа и размеров тормозных колодок (накладок). По окончательно выбранной силе нажатия тормозных колодок (накладок) проводят тормоз
210
ные расчеты и расчеты по определению теплового режима фрикционных пар колесо—колодка и тормозной диск—накладка. После выбора схемы рычажной передачи рекомендуется рассчитать диаметр тормозного цилиндра и передаточное число тормозной рычажной передачи.
Эффективность тормозов при равных прочих условиях зависит от материала тормозных колодок. До 2000 г. для подвижного состава железных дорог применялось два типа колодок: чугунные и композиционные. Многолетний опыт эксплуатации композиционных колодок выявил их преимущества и недостатки.
Композиционные колодки обеспечивают почти в два раза больший коэффициент трения в паре колодка—колесо, а износостойкость их в 4—5 раз выше, чем чугунных. Тормозная эффективность поездов, оснащенных композиционными колодками, в 1,25—3,0 раза выше, чем чугунными. Однако композиционные колодки обладают более низкими теплофизическими характеристиками, главным образом теплопроводностью. Поэтому при торможении более 95 % выделившейся теплоты поступает в колесо, в то время как при использовании чугунных только 60 %. Повышенная теплонапряжен-ность колес способствует появлению микротрещин на поверхности катания. При сильном перегреве, который может возникнуть, например при экстренном торможении, возможно ослабление посадки бандажа обандаженных колес. Кроме того, в состав композиционных колодок входят асбестосодержащие материалы.
В конце XX века отечественными учеными совместно с предприятиями, выпускавшими тормозные колодки, разработаны и предложены для вагонов колодки на полимерной основе без асбеста, типа ТИИР-308 и 2110. Продукты износа этих тормозных колодок менее загрязняют окружающую среду и удовлетворительны по экологическим показателям.
В начале XXI века в подвижном составе, в том числе и локомотивах, стали применяться тормозные колодки из спекаемых металлокерамических материалов на основе графита и бронзы. Металлокерамические колодки обеспечивают: высокий (> 0,3) коэффициент трения, малозависящий от силы нажатия, скорости, температуры (рис. 2.85); износостойкость, превышающую износостойкость чугунных колодок в 10 раз и полимерных композицион-
211
Рис. 2.85. Зависимость коэффициента трения от скорости движения для тормозных колодок (усилие нажатия 20 кН)-
1 — чугунные; 2 — композиционные, 3— металлокерамические
ных колодок в 3 раза. Теплопроводность металлокерамических материалов в 13 раз выше теплопроводности полимерных композиционных материалов и в 3 ---3,5 раза — чугунных.
Передаточное число рычажной передачи, как отношение произведения длин ведущих плеч рычагов к ведомым с учетом схемы ее, определяют из формулы
<2-189)
где Л'щ-р — усилие на штоке тормозного цилиндра; ^рП — передаточное число рычажной передачи; г]рп — КПД рычажной передачи
На основании экспериментальных данных в зависимости от схемы рычажной передачи рекомендуется принимать ПрП = 0,95 для индивидуальной передачи тормозного усилия на колесо, ИрП = 0,9 для двухосных тележек, Г|рп = 0,85 для трехосных тележек, при передаче тормозного усилия от одного цилиндра (см. рис. 2.82) Г|рп = 0,5 для тормоза с ручным приводом. Передаточное число (схема рычажной передачи) и усилие по штоку тормозного цилиндра (число тормозных цилиндров и их диаметр) выбирают с учетом их взаимосвязи следующим образом.
Передаточное число тормозной передачи для новых локомотивов проектируют наименьшим, но не более 10, чтобы обеспечить хорошее регулирование зазоров между тормозной колодкой и колесом в эксплуатации подвижного состава. Нужно соблюдать зазор 6—20 мм, а ход поршня тормозных цилиндров 50—150 мм. При большом передаточном числе рычажной передачи затрудняется ее регулировка и отход колодки от колеса при отпуске тормозов, хотя при этом и возможно применение тормозного цилиндра меньшего диаметра.
Задавшись передаточным числом в рекомендуемых пределах, определяют усилия по штоку тормозного цилиндра:
212
7Ш J*
N = p -Vy, (2.190)
шт ц л ц 4 1
где рц — давление в тормозном цилиндре; с/ц — диаметр тормозного цилиндра; т]ц — коэффициент потерь в тормозном цилиндре, равный 0,98—0,97;
3
У /V — суммарное усилие, состоящее из усилий наружной и внутренней от-1
пускных пружин тормозного цилиндра при торможении и усилия пружины автоматического регулятора. Диаметр тормозного цилиндра
Полученное значение диаметра тормозного цилиндра округляют до ближайшего стандартного и далее, варьируя двумя величинами нрп и с/1(, конструктивно оформляют схему рычажной передачи тормоза локомотива, подбирают плечи рычагов тормозной передачи, при которых возможны найденные диаметр тормозного цилиндра и передаточное число. Передаточное число тормозной передачи от одного тормозного цилиндра находят как сумму передаточных чисел на отдельные колеса или группу передач.
Проектирование рычажной передачи заключается в решении двух задач: конструктивной разработке схемы при определенном значении передаточного числа тормозной передачи и нахождении сил для расчета на прочность элементов рычажной передачи.
Проектировать следует для средних условий эксплуатации деталей рычажной передачи: тормозные колодки изношены на толщину 25 мм и прижаты к колесам, бандажи обточены по диаметру на 50 мм, ход поршня тормозного цилиндра принимают средним, регулировочные приспособления находятся в среднем положении. При взаимном расположении деталей в тормозном положении стремятся к тому, чтобы рычаги были перпендикулярны тягам, соединенным с ними. Тормозные колодки рекомендуют подвешивать на 40—50 мм ниже центра оси колесной пары, длину подвески брать не менее 0,8 радиуса колеса.
213
Необходимо учитывать возможные отклонения тормозных сил в процессе эксплуатации от расчетных в результате износа колодок и изменения первоначальных углов наклона тормозных колодок. Точку подвеса следует выбирать таким образом, чтобы угол подвешивания Р (угол между подвеской и линией, соединяющей центр колеса и шарнир башмака) был близким к прямому. Большое внимание при проектировании уделяют установке автоматического регулятора. Любой конструктивной схемой автоматического регулятора обеспечивают тормозным колодкам износ до наименьшей величины (10—15 мм) без дополнительных ручных регулировок.
Ручной привод тормоза действует на рычажную передачу. Тормозное усилие на колодки при ручном тормозе передается зубчатой винтовой передачей или устройством, в котором применены многократные (двух или четырех) полиспасты с барабанами для приема тросов (тепловоз ТЭМ7). При расчете ручного тормоза определяют основные параметры передачи и проверяют возможность удержания локомотива на уклоне 30 %о усилием на маховике ручного тормоза 300—500 Н. Вычисляют передаточное число ручного тормоза, действительную и расчетные силы нажатия тормозных колодок от ручного тормоза. Возможность удержания локомотива на уклоне проверяют, сопоставляя силы сопротивления локомотива при трогании с места с тормозными силами от нажатия тормозных колодок ручного тормоза с дополнительным сопротивлением локомотива на уклоне.
Усилия в каждом элементе рычажной передачи тормоза определяют последовательно, начиная с рычагов, непосредственно связанных с тормозным цилиндром. Силы находят исходя из передаточных чисел групп, узлов. При расчете деталей рычажной передачи на прочность давление воздуха в тормозном цилиндре принимаютрц = 0,42 МПа. Силы трения и действие отпускных пружин и пружин регулятора в расчете не учитывают. Расчетные напряжения в деталях рычажной передачи допускаются не выше предельных значений напряжений, принятых по ГОСТ для материала деталей тормозных систем. При расчете деталей ручного тормоза на прочность исходят из усилий, развиваемых автоматическим тормозом при КПД передачи, равном единице.
Рычажная передача дискового тормоза. Дисковые тормоза применяются преимущественно для скоростного подвижного состава.
214
Торможение поезда колодочными тормозами при высоких скоростях движения приводит к сильному нагреву обода (бандажа) колес и значительным термическим напряжениям. Торможение дисковыми тормозами исключает эти неблагоприятные явления. Впервые дисковые тормоза стали применяться на необмоторенных тележках (рис. 2.86). При использовании распределенной тяговой мощности по многим колесным парам (как это делается в электропод-вижном составе) мощность тяговых двигателей, а следовательно, и габариты тяговых электродвигателей не столь велики. Поэтому можно разместить дисковый тормоз и на тяговой оси. Перемещение рычагов клещевидного механизма 3, прижатие накладок 4 к тормозным дискам 5 осуществляется клиновым устройством 2, на которое действует усилие от штока тормозного цилиндра 1. Такая передача осуществлена в электропоезде ЭР200. Авторегулятор, встроенный в тормозной цилиндр, обеспечивает зазор 1—3 мм между накладками и диском. Вагоны дизель-поездов оборудованы ры-
Рис. 2,86, Рычажная передача дискового тормоза:
1 — тормозной цилиндр; 2 = клиновое устройство; 3 -= клещевидный механизм; 4 = накладка; 5 — тормозной диск; 6 — привод ручного тормоза
215
чажной передачей дискового тормоза с одним тормозным цилиндром на колесную пару. Применение дисковых тормозов в подвижном составе отечественных железных дорог повышает эффективность торможения. Они просты по устройству, обеспечивают плавность и надежность торможения. У локомотивов с электропередачей межколесное пространство обычно плотно занято тяговым двигателем и редуктором. Установка дисков тормоза на оси затруднена. В некоторых зарубежных локомотивах разъемные тормозные диски навешиваются с обеих сторон колесного центра. Клещевидный механизм для нажатия колодок в этом случае охватывает бандажи колес.
Электрический тормоз. В электровозах и тепловозах с электрической передачей мощности применяют электрическое торможение как эффективную дополнительную тормозную систему.
При электрическом торможении тяговые двигатели переводят в генераторный режим, при этом тормозной момент тягового двигателя в виде тормозной силы реализуется в точках касания колес с рельсами. Кинетическая энергия движущегося поезда превращается в электрическую, которая или поглощается тормозными сопротивлениями локомотивов (реостатное торможение), или возвращается в контактную сеть (рекуперативное торможение на электровозах).
Рельсовые электромагнитные тормоза развивают тормозные силы, не ограниченные силой сцепления колес с рельсами. Стальные тормозные башмаки магнитно-рельсового тормоза притягиваются к рельсам при возбуждении их катушек электрическим током. Тормозная сила В^ =1ООО^А’срк , где — сумма сил нажатий тормозных башмаков к рельсу, кН. Рельсовые электромагнитные тормоза действуют только при экстренном торможении, при замедлении <1,5 м/с2 их отключают. При изменении скорости движения от 25 до 160 км/ч коэффициенты трения срк изменяются от 0,15 до 0,04.
В современных конструкциях тормозных передач сила прижатия достигает 50 кН и более на 1 м длины башмака. При силе 100 кН потребляемая мощность составляет в среднем 1500 Вт на один башмак. Магнитно-рельсовые тормоза применяют в высокоскоростном подвижном составе и в трамваях. Тележки вагона скоростных поездов ЭР200 и «Сокол» оборудованы дисковым и магнитно-рельсо
216
вым тормозом. Совместное применение этих тормозных систем обеспечивает на площадке при скорости 200 км/ч и замедлении 1,2 м/с2 тормозной путь около 1200—1300 м.
Гидравлическое торможение применяют в маневровых и промышленных тепловозах с гидропередачей. Для этого гидравлическую передачу оборудуют специальной гидравлической муфтой, которая при необходимости торможения заполняется рабочей жидкостью. Насосное колесо гидромуфты связано с колесами локомотива, а турбинное неподвижно. В муфте при вращении насосного колеса возникает циркуляция жидкости с большой скоростью, для чего потребляется значительное количество энергии движения локомотива (поезда). У гидромуфты с неподвижным турбинным колесом большая энергоемкость, т.е. она работает как эффективный гидродинамический тормоз. Применение гидравлического торможения существенно снижает расход материала тормозных колодок.
Глава 3. ГЛАВНЫЕ РАМЫ И КУЗОВА
3.1. Типы рам и кузовов
Кузов и главная рама предназначены для размещения локомотивной бригады, силового и вспомогательного оборудования, устройств управления локомотивом. Конструкция главной рамы и кузова определяется родом службы локомотива, компоновкой оборудования, способом восприятия и передачи нагрузок, производственно-технологическими условиями изготовления и эксплуатации локомотива. Поэтому к кузовам и главным рамам предъявляются высокие требования по жесткости, прочности и надежности.
По способу восприятия и передачи нагрузок принято различать кузова двух типов — несущие (цельнонесущие) и ненесущие. К не-несущим относят кузова, которые не воспринимают основных внешних нагрузок. Эту функцию выполняет главная рама локомотива. Кузов несущего типа воспринимает и передает нагрузки совместно с главной рамой, которую изготавливают меньшего веса, чем у локомотива с ненесущим кузовом. При одинаковой несущей способности у локомотива с несущим кузовом меньшая масса металлоконструкций, чем у локомотива с ненесущим кузовом. Так, масса современных локомотивов, приходящаяся на 1 м длины ненесу-щего кузова с рамой, равна 1,1—1,4 т/м, а несущего с рамой — 0,86—1,0 т/м.
Для отечественных локомотивов применяют кузова вагонного (закрытого) и копотного типа. Кузова закрытого типа используют преимущественно на магистральных локомотивах, капотные кузова на маневровых. Закрытые кузова защищают обслуживающий персонал и оборудование от воздействия внешней среды при выполнении работ по обслуживанию агрегатов во время движения локомотива. Кроме того, кузова вагонного типа обладают
218
меньшим аэродинамическим сопротивлением. Их боковые стенки размещают с учетом наибольшего использования ширины подвижного состава. Кузова вагонного типа используют на тепловозах 2ТЭ10М, ТЭ116, М62, ТЭ109, ТЭП60, ТЭП70, ТЭП80 и др. При этом кузова тепловозов ТЭ109, ТЭП60, ТЭП70, ТЭП70БС, ТЭП80 являются несущими.
Несущие кузова можно условно классифицировать на два типа: кузова с несущей фермой (ТЭП60, ТЭП70, ТЭП80) и кузова с несущей оболочкой (ТЭ109, ТЭП70БС). У первых основную нагрузку воспринимают стержневые металлоконструкции, напоминающие ферму моста. У вторых основную нагрузку воспринимает обшивка кузова, впрочем, подкрепленная изнутри продольными и поперечными стержневыми элементами.
У маневровых локомотивов одна кабина машиниста, поэтому капотный кузов обеспечивает лучший обзор станционных путей из кабины. Он проще в изготовлении, чем кузов вагонного типа. Его легко снимать с рамы при необходимости демонтажа и ремонта агрегатов локомотива. Капотные кузова имеют тепловозы ТЭМ2У, ТЭМ18, ТЭМ21, ТГМ4, ТГМ6, ТЭМ7, ТГК1, ТГМ23 и др.
Характеристики рам и кузовов отечественных локомотивов приведены в табл. 3.1.
За рубежом применяются различные конструкции кузовов. У большинства выпущенных тепловозов США несущая главная рама и кузов капотного типа.
В Западной Европе капотные кузова не получили широкого распространения на магистральных тепловозах.
3.2. Конструкция главных несущих рам
Главные несущие рамы воспринимают и передают вертикальные тяговые, тормозные и инерционные силы на тележки (оси) и на ударно-тяговые приборы.
Основными элементами главных несущих рам являются две продольные балки и поперечные крепления. Если эти балки расположены вблизи продольной оси симметрии рамы, они носят название хребтовых балок. Элементы рамы соединяют сваркой или
219
Таблица 3.1
Характеристики главных рам и кузовов тепловозов
Наименование Серия тепловозов
ТЭМ2У ТЭМ7 ТЭМ21 2ТЭ10М 2ТЭ116 2ТЭ121 ТЭП60 ТЭП70 ТЭ109
Мощность, кВт 880 1500 1103 2200 2250 2941 2210 2940 2210
Служебная масса, т 120 180 90,6 130 138 150 130 131,6 120
Масса рамы с топливным баком, т 14,5 27,5 14,81 13,9 17,7 15,07 10,0 10,66 10,9
Масса кузова, т 7,7 9,5 8,11 7,1 10,95 11,115 9,1 8,7 6,5
Длина рамы, м 15,72 203 15,707 15,94 17,48 19,975 18,45 21,08 19,25
Отношение массы кузова с рамой к общей массе тепловоза 0,185 0,201 0,253 0,162 0,208 0,175 0,146 0,147 0,145
Отношение массы кузова и рамы к их длине, т/м 1,412 1,823 1,46 1,317 1,639 1,311 1,035 0,91 0,89
Шкворневая база, м 8,6 10,9 8,6 8,6 6,63 11,52 10,35 11,25 11,78
Максимальный прогиб рамы от вертикальной нагрузки, мм 6,5 6,5 2,0 5,0 2,5 4,5 3,0 5,5 6,5
Максимальный прогиб рамы от продольной сжимающей нагрузки 2500 кН, мм 36,0 30,5 17,6 16,0 13 26 19,5 25,5 24
клепкой. Расположение продольных балок и поперечных креплений обусловлено компоновкой оборудования локомотива на раме, способом передачи вертикальных и горизонтальных усилий на тележки и ударно-тяговые приборы.
При проектировании рамы стремятся обеспечить наибольшую надежность, прочность и жесткость при наименьшей металлоемкости. Важные требования к конструкции рамы: удобство компоновки оборудования, технологичность изготовления, обслуживания и ремонта. Практически сложно добиться полного удовлетворения одного из этих показателей, не ухудшив другие. Например, уменьшение металлоемкости конструкции связано с опасностью снижения ее несущей способности. Компромиссные решения следует искать на основе технико-экономического анализа. Наиболее приемлемым при этом будет считаться то конструктивное решение, которое может дать наибольший экономический эффект при эксплуатации тепловоза.
Несмотря на разнообразие конструкций главных несущих рам, можно выделить общие закономерности при их проектировании, которые могут способствовать выполнению перечисленных выше показателей. Так, при выборе положения двух продольных балок следует принимать во внимание то, что они являются основными несущими элементами рамы. Поэтому места приложения наибольших сил к раме должны быть расположены по возможности ближе к этим балкам. Наибольшие силы могут возникать в местах крепления дизель-i енератора и гидропередачи, опор рамы на тележки и домкраты, ударно-тяговых приборов и других узлов, передающих тяговые и тормозные силы.
У современных локомотивов (исключение составляют маломощные бестележечные локомотивы) линия действия продольных тяговых сил, передаваемых через ударно-тяговые приборы, проходит ниже плоскости главной рамы. Поэтому автосцепки устанавливают на главной раме в стяжных ящиках с некоторым эксцентриситетом относительно центра тяжести поперечного сечения рамы. Увеличение эксцентриситета отрицательно сказывается на прочности рамы, так как приводит к росту изгибающего момента в ее сечениях при действии продольных сил.
221
Расположение продольных балок главных несущих рам над
тележками ограничивает возможность их развития по высоте (до 500 мм), а следовательно, и несущую способность. Увеличение высоты балок в этом случае приводит, во-первых, к повышению центра масс оборудования, расположенного на раме, что ухудша
ет динамические качества локомотива и условия вписывания в габарит; во-вторых, к увеличению эксцентриситета приложения про
дольных сил, о котором речь шла выше.
Продольные балки главных несущих рам современных локомотивов выполняют из проката. Например, хребтовые балки рамы тепловоза ТЭМ2У (рис. 3.1) представляют собой двутавры, гори
зонтальные полки которых усилены приваренными к ним стальными полосами.
Главные рамы магистральных 2ТЭ10М, М62, 2ТЭ116, а также и маневровых тепловозов ТЭМ2У, ТЭМ7, ТГМ4, ТГМ6 как с электро-, так и с гидропередачей имеют подобную конструкцию. Исключение составляют локомотивы малой мощности типа ТГМ23, ТГК2 и ТГМ40, предназначенные для работы на про-
мышленных предприятиях.
У тепловоза ТГМ23 хребтовые балки представляют собой два вертикальных листа толщиной 23 мм с вырезами для установки букс
и отбойного вала спарникового механизма привода. Листы связа-
ны между собой корытообразными гнутыми профилями в районе
Рис. 3.1. Поперечное сечение хребтовой балки:
1 — двутавр; 2 — верхний пояс; 3 — нижний пояс
вырезов под буксы и горизонтальными листовыми креплениями в плоскости настила пола. Из-за особенностей тягового привода буксы расположены между колесами колесной пары.
У тепловоза ТГК2 вертикальные несущие листы рамы разнесены на большее расстояние в поперечном направлении, поскольку буксы колесных пар расположены на концах осей, как у большинства
тепловозов.
Несущую основу рамы тепловоза ТГМ40 составляют две хребтовые балки коробчатого сечения, каждая из ко
222
торых образованна тремя швеллерами № 26В. Хребтовые балки соединяются между собой шкворневыми балками из такого же швеллера и буферными брусьями толщиной 8—10 мм. К брусьям приварены стяжные ящики с размещенными в них автосцеп-ными устройствами.
Главная рама тепловоза 2ТЭ116 (рис. 3.2) сварена из стального проката. Хребтовые балки 18 и 22 выполнены из двутаврового проката, верхняя и нижняя полки которых усилены приваренными полосами и соединены между собой поперечными перегородками. Торцы хребтовых балок приварены к лобовым листам, а литые стяжные ящики 2 и 8 — к нижним усиливающим полосам и своими буртами упираются в лобовые листы. В стяжных ящиках размещены автосцепки 1.
Хребтовые балки связаны между собой также и горизонтальными листами настила, приваренными к усиливающим полосам сверху и снизу. Сверху настил 15 покрывает всю раму за исключением центральной части, где установлен поддон под дизель. Дизель-генератор устанавливается на хребтовых балках на специальные платики 12 и 14.
Для увеличения жесткости рамы в средней ее части (в месте приложения нагрузок от веса дизеля, топливного бака и аккумуляторных батарей) вварены две фермы 13 и 20. Фермы представляют собой коробчатую конструкцию, разделенную диафрагмами на отсеки с нишами для аккумуляторных батарей. Ниши закрываются крышками 5.
По двум боковым сторонам рамы к фермам и поперечным кронштейнам приварен обносной швеллер 16, а в передней части рамы — обтекатель 9.
Шкворни 4 и 6 приварены снизу к специальным коробчатым усилениям рамы. На шкворнях прерывистым швом закреплены сменные шкворневые кольца. Вокруг каждого шкворня снизу установлены по четыре стакана 10 м. 17 для размещения резинометаллических опор. В районе передних и задних резинометаллических опор к раме приварены четыре кронштейна 3 для подъема кузова с помощью домкратов.
В раме есть короба 11 и 19 сварной конструкции для подвода охлаждающего воздуха к тяговым электродвигателям и к высоко-
223
17481
Рис. 3.2. Главная рама тепловоза 2ТЭ116:
1 — автосцепка; 2,8 — стяжные ящики; 3, 7— кронштейны под домкраты; 4, 6 — шкворни; 5 — крышки аккумуляторных отсеков; 9 — обтекатель; 10, 17 — стаканы; 11, 19 — каналы для подвода охлаждающего воздуха к электродвигателям передней и задней тележек; 12, 14 — платики для установки дизель-генера-тора; 13, 20— фермы; 15 — настил рамы; 16 — обносной швеллер; 18, 22 — хребтовые балки; 21 — дроссель на выходе воздуха из генератора
вольтной камере. Электрические кабели из высоковольтной камеры к тяговым электродвигателям и электродвигателям вспомогательного оборудования проложены в штампованных желобах с крышками, установленных на специальных плитках на верхнем настиле с левой и правой стороны рамы. Для удаления влаги из желобов в их днищах выполнены отверстия.
В месте выхода охлаждающего воздуха из тягового генератора на раме установлен дроссель 21, который распределяет в зависимости от положения заслонки воздух либо в атмосферу, либо в кузов. Часть воздуха, нагнетаемого вентилятором охлаждения генератора, направляется по двум трубам в отсеки аккумуляторных батарей для их вентиляции.
Для получения требуемой массы тепловоза и улучшения развески в раме тепловоза установлен балласт из чугунных отливок.
Все литые детали тепловоза (стяжные ящики, шкворни, опоры для домкрата) изготовлены из стали 25Л. Сменные шкворневые кольца изготовлены из стали 50 и термообработаны до твердости НВ 225—305. Двутавровые балки и усиливающие полосы выполнены из стали СтЗсп, все остальные детали из стали СтЗкп.
Путеочистители. Для предохранения от повреждений элементов конструкции тележек и другого низко расположенного оборудования, а также для удаления с путей посторонних предметов на рамы передней и задней торцевых частей локомотива устанавливают путеочистители сложной формы. Их отливают или выполняют сварными и крепят к стяжному ящику. У путеочистителей есть кронштейны для крепления свободных концов шлангов тормозной магистрали и индуктивных катушек автоматической локомотивной сигнализации.
Ударно-тяговые приборы. Для сцепления локомотива с поездом, одиночными локомотивами или вагонами в стяжных ящиках рамы устанавливают ударно-тяговые приборы. Их основными элементами являются автосцепка и поглощающий аппарат (рис. 3.3). Локомотивы магистральных железных дорог России оборудуют типовой автоматической сцепкой СА-3. Поглощающий аппарат предназначен для защиты подвижного состава от чрезмерных нагрузок при ударах во время маневров и при пере-
225
Рис. 3.3. Расположение автосцепного устройства на раме тепловоза: 1 — автосцепка; 2 — поглощающий аппарат
ходных режимах движения поездов. Он снижает продольные динамические усилия, передаваемые на раму, и рассеивает кинетическую энергию.
Основные показатели поглощающего аппарата: полный ход поглощающего аппарата; энергоемкость (кинетическая энергия удара, воспринимаемая аппаратом при его полном сжатии).
Дополнительно используются такие показатели, как: номинальная нормативная сила — сила, возникающая в наиболее часто встречающихся условиях эксплуатации; наибольшая нормативная сила, возникающая при экстремальных условиях удара в автосцепку (ограничивается по условиям прочности величиной 3 МН); допустимая скорость соударения (5—9 км/ч) вагонов массой брутто 100 т при заданной наибольшей силе; коэффициент необратимого поглощения энергии — отношение энергии, поглощаемой аппаратом без возврата, к энергии, воспринимаемой аппаратом, и т.д.
По типу рабочего элемента поглощающие аппараты, применяемые в локомотивах, можно разделить на пружинно-фрикционные, гидравлические и полимерные (эластомерные). Во фрикционных
226
аппаратах энергия поглощается за счет сухого трения на рабочих поверхностях фрикционного узла. В гидравлических — энергия рассеивается дросселированием жидкости через калиброванные отверстия. В эластомерных — благодаря продавливанию эластомера, находящегося под высоким (до 400 МПа) давлением, через зазоры или отверстия.
По основным техническим показателям поглощающие аппараты в соответствии ОСТ 32.175—2001 делятся на четыре класса: ТО, Tl, Т2 и ТЗ. Их нормируемые показатели приведены в табл. 3.2. Статическая энергоемкость, т.е. энергоемкость при нагружении с малой (не более 0,05 м/с) скоростью, для фрикционных аппаратов не нормируется.
Наибольшее распространение в подвижном составе получили упруго-фрикционные поглощающие аппараты. Характеристики некоторых из них приведены в табл. 3.3.
Максимальная энергоемкость фрикционных поглощающих аппаратов достигается только после приработки трущихся поверх-
Таблица 3 2
Нормируемые показатели поглощающих аппаратов автосцепок
Наименование нормируемого показателя Нормативные значения для аппаратов класса
то Т1 Т2 ТЗ
Конструктивный ход, мм 70—110 90—120 90—120 120
Статическая энергоемкость, не менее, кДж 20 20 40 60
Номинальная энергоемкость, не менее, кДж 40 70 100 140
Максимальная энергоемкость, не менее, кДж 50 90 130 190
Таблица 3 3
Характеристики упруго-фрикционных поглощающих аппаратов
Наименование Рабочий ход, мм Максимальная энергоемкость, кДж
Ш-1-ТМ 70 50
Ш-2-В 90 60
Ш-2-Т 110 65
ПМК 110А НО 80
Ш6-ТО-4 120 85
227
ностей в течение 1—2 лет эксплуатации. В момент установки нового аппарата его энергоемкость, как правило, вдвое ниже той, которая достигается после приработки.
3.3. Кузова ненесущего типа
Ненесущие кузова могут быть капотного или вагонного (закрытого) типа. Кузова капотного типа применяются на всех отечественных маневровых тепловозов.
Кузов тепловоза ТЭМ2 У состоит из кузовов холодильной камеры, двигателя, высоковольтной камеры, аккумуляторного отсека и кабины машиниста (рис. 3.4). Кузов двигателя выполнен съемным. Для удобства обслуживания и доступа к агрегатам и узлам тепловоза в кузове сделаны боковые двери, а также съемные листы и люки на крыше.
Кузов аккумуляторного отсека представляет собой металлическую конструкцию из уголкового сортового проката, гнутых профилей и наружной обшивки. Внутри сделаны двухярусные полки для установки поддонов с аккумуляторами. С каждой стороны кузова предусмотрены двухстворчатые двери с просечками для вентиляции и люк для обслуживания и выемки аккумуляторных батарей. Вытяжной колпак люка предназначен для удаления образующихся в аккумуляторном помещении газов. На торцевой части кузова между бункерами песочницы есть дверь и ниша для установки прожектора.
Каркас кузовов двигателя и высоковольтной камеры выполнен из швеллеров, угольников, гнутых профилей и обшит снаружи ли-
Рис. 3.4. Основные части кузова тепловоза ТЭМ2У:
1 — кузов холодильной камеры; 2 — кузов двигателя; 3 — кузов высоковольтной камеры; 4 — кабина машиниста; 5 — кузов аккумуляторного отсека
228
стами. Кузов двигателя теплоизолирован матами из стекловолокна, обшит изнутри металлическими листами. В нем установлены кронштейны для крепления оборудования. Двери этого кузова располагают с обеих сторон тепловоза. Они представляют собой металлические листы с просечками в верхней и нижней частях, среднюю часть между просечками изолируют стекловолокном и закрывают металлическим коробом. В местах расположения просечек у двери установлены съемные щиты с изоляцией. По контуру дверной проем уплотнен профильной резиной. Люки на крыше кузовов обеспечивают доступ к цилиндровым крышкам дизеля, турбокомпрессору, воздухоохладителю и водяному баку. Люки выполнены из штампованных листов, оборудованных тепловой изоляцией из стекловолокна и резиновым уплотнением по контуру.
Каркас кузова холодильной камеры образован продольными нижними балками, задней стенкой, корпусом песочницы, опорой вентилятора и рамой под редуктор. Сваренные между собой, они образуют единую конструкцию, обшитую сверху и с боков по контурам жалюзийных проемов металлическими листами. К этому кузову приварены рамки, угольники и кронштейны для установки и крепления оборудования. Входная дверь в холодильную камеру расположена в корпусе песочницы. В задней стенке, отделяющей холодильную камеру от дизельного помещения, сделаны отверстия для труб и вала привода редуктора холодильника.
Кузова других маневровых тепловозов имеют подобную конструкцию. Однако у тепловозов ТГМ1, ТГМ23 отсутствует кузов аккумуляторного отсека. В этих тепловозах к обшивочным листам изнутри крепят деревянный брусковый переплет, обшитый жестью толщиной 0,5 мм. Образованную полость заполняют минеральным войлоком на битумной связке. У тепловоза ТГМЗ отсутствует кузов высоковольтной камеры. Кузов тепловоза ТУ7 устанавливают на раму тепловоза на резиновых амортизаторах, гасящих вибрации.
Кузова закрытого типа с несущей рамой применяют в нашей стране на магистральных тепловозах 2ТЭ10М, М62, 2ТЭ116.
Кузов тепловоза 2ТЭ116 (рис. 3.5) состоит из кабины машиниста 1, кузова над высоковольтной камерой 2, кузова над двигателем 9 и холодильной камеры 18.
229
18150
Рис. 3.5. Кузов тепловоза 2ТЭ116:
1 — кабина машиниста; 2 — кузов над высоковольтной камерой; 3 — жалюзи забора воздуха для охлаждения тормозных резисторов; 4 — крыша электродинамического тормоза; 5 — крыша над выпрямительной установкой; 6 — жалюзи забора воздуха для охлаждения тяговых электродвигателей передней тележки и выпрямительной установки; 7 — крыша над дизелем; 8 — жалюзи забора воздуха для охлаждения главного генератора; 9 — кузов над дизелем; 10 — крыша с глушителем; 11 — жалюзи забора воздуха для дизеля: 12 — крыша над компрессором; 13 — жалюзи забора воздуха для охлаждения тяговых электродвигателей задней тележки; 14, 17 — верхние и боковые жалюзи; 15 — крыша над охлаждающим устройством; 16 — переходной тамбур; 18 — холодильная камера; 19, 20 — жалюзи забора воздуха для вентиляции кузова; 21 — рама тепловоза; 22 — путеочиститель
Каркас кузова выполнен в виде прямоугольной решетки из гнутых стальных профилей. К каркасу приварена наружная обшивка из стальных листов толщиной 2,5 и 1,5 мм. Внутренняя обшивка за исключением кабины машиниста выполнена из стального листа. Для обшивки кабины машиниста изнутри используется перфорированные алюминиевые листы. Внутренняя поверхность листов наружной обшивки покрывается противошумной мастикой.
Все части кузова привариваются к обносному швеллеру главной рамы тепловоза и между собой. Кузов над высоковольтной камерой перед приваркой к обносному швеллеру и к кузову над дизелем сваривается с кабиной машиниста в единый блок.
В стенках кузова есть оконные проемы, а также проемы, где размещены жалюзи забора воздуха 6, 8, 11, 13, 14, 17, 19, 20 для различных потребителей внутри кузова.
Крыша над всеми частями кузова, кроме кабины машиниста, выполнена в виде отдельных съемных секций 4, 5, 7, 10, 12 и 13. Секции крепятся к кузову болтами. Такая конструкция обеспечивает доступ к оборудованию при проведении ремонтных работ. Стыки секций оснащены резиновыми уплотнениями для защиты от атмосферных осадков. По бокам крыши по всей ее длине установлено уплотнение по верхнему торцу стенки кузова.
По обеим сторонам секций крыши изнутри установлены специальные рамки для крепления кассет фильтрации воздуха, поступающего через воздухозаборники для охлаждения электрических машин и выпрямительной установки.
В крыше 4 над высоковольтной камерой смонтированы тормозные резисторы электродинамического тормоза, вентиляторы и жалюзи 3 забора воздуха для охлаждения резисторов. В крыше 10 изнутри закреплен глушитель шума выхлопа дизеля и смонтирован расширительный водяной бак. В крыше 75 над охлаждающим устройством установлены верхние жалюзи 14 мотор-вентиляторов.
3.4. Несущие кузова и особенности их работы
Повышение секционной мощности локомотивов приводит к увеличению массы агрегатов в условиях ограниченной нагрузки на оси. Поэтому следует уменьшать массу наиболее металлоемких узлов, которыми являются главная рама и кузов локомотива.
231
На их долю приходится до 15—20 % общей массы тепловоза. Применяя несущие кузова, удается существенно снизить суммарную массу главной рамы и кузова (см. табл. 3.1). Причем в зависимости от компоновки и массы размещаемых в кузове агрегатов хребтовые балки можно располагать на всей длине кузова или только по его концам.
На тепловозах ТЭП60, ТЭП70 и ТЭП75 применены кузова с несущими раскосными фермами. Толщина обшивки стен 1,5—2 мм. Обшивка воспринимает некоторую долю нагрузки.
У тепловозов ТЭ109, ТЭП70БС основным несущим элементом является обшивка (оболочка) боковых стен толщиной 2—2,5 мм. Она подкреплена каркасом в виде прямоугольной решетки (безрас-косная ферма). Безраскосные кузова потенциально обладают большей несущей способностью при одинаковой металлоемкости по сравнению с раскосными кузовами. Впрочем это определяется еще и удачностью конструкции.
Каркас можно значительно облегчить применением трехслойных оболочек, известных под названием «сэндвич». Они состоят из двух тонких внешних слоев из высокопрочного материала, связанных между собой слоем маложесткого и легкого заполнителя, который является шумо- и термоизоляцией. Такие конструкции, как показала практика их применения, обеспечивают высокую устойчивость, жесткость и надежность при малой массе. Кроме того, они снижают вибрации. Элементы крыши кузова и топливные баки включают в общую несущую систему кузова для максимального использования несущей способности (тепловозы ТЭ109, ТЭП60, ТЭП70,ТЭП70БС).
Кузов тепловоза ТЭП70 несущий, ферменно-раскосный со съемной крышей блочного типа (рис. 3.6, а). Конструкция кузова ТЭП70 является дальнейшим развитием хорошо зарекомендовавшего себя кузова тепловоза ТЭП60. Конструктивно кузов можно разделить на пять основных частей: рама, бак для топлива, боковые стенки с обшивными листами, блоки крыши и кабины машиниста.
Рама кузова охватывающего типа образована двумя продольными балками коробчатого сечения, двумя лобовыми поперечными балками, образующими короба для установки сцепных приборов, и четырьмя поперечными шкворневыми балками. В силовую
232
Рис. 3.6. Несущие системы кузовов тепловозов: я — ТЭП70; б — ТЭ109
схему рамы включены топливный бак и каналы централизованной системы воздухоснабжения.
Концевые секции рамы воспринимают продольные силы, для чего в них устанавливают автосцепки СА-3 с поглощающими аппаратами пассажирского типа ЦНИИ-Нб. К ним на болтах крепят путеочистители, нижняя часть которых регулируется по высоте.
Средняя секция рамы представляет собой основание для установки дизель-генератора. В нее входят также вварной топливный бак с нишами для размещения аккумуляторных батарей и два канала воздуховода системы охлаждения электрических машин. Промежуточные секции рамы устанавливают между концевыми и средней. В каждой промежуточной секции две поперечные шкворневые балки непосредственно воспринимают силу тяги от тележек и одновременно передают на них вес кузова.
Боковые стенки кузова состоят из каркаса раскосного типа из гнутых тонкостенных элементов, к которому крепят обшивку (у тепловозов первых выпусков из дуралюминия Д16А ГОСТ 21631-76 толщиной 3 мм). Нижний продольный силовой пояс рамы и верхний пояс боковых стенок соединяют раскосами. При таком решении лучше распределяются силы по элементам кузова, и конструкция лобовой части кабины машиниста становится более жесткой и прочной.
Крышу кузова используют для размещения узлов вспомогательного оборудования. Конструктивно крыша с встроенными узлами состоит из пяти отдельных съемных секций, установленных над машинным помещением, и двух секций — над кабинами машиниста.
В отличие от тепловоза ТЭП60, в котором рама и каркас боковых стенок выполнены из стали СтЗ или стали 20, в тепловозе ТЭП70 они изготовлены из низколегированной стали 09Г2 ГОСТ 19284-89, а слабонагруженные и некоторые силовые узлы — из алюминиевых сплавов.
Кузов тепловоза ТЭ109 несущий безраскосного типа (рис. 3.6, 6). Боковые стенки, рама, кабины, топливный бак и несъемные секции крыши образуют единую пространственную систему, все элементы которой участвуют в восприятии нагрузок. Крыша над холодильной и высоковольтной камерами, а также дизель-генератором состоит из съемных элементов. Главная рама кузова охватывающего типа образована двумя главными продольными балками замкнуто
234
го профиля сечением 320x210x5 мм, двумя шкворневыми балками, поперечными креплениями и топливным баком. Боковые стенки выполнены из тонкостенного набора продольных и вертикальных элементов и стальной гофрированной обшивки толщиной 2 мм.
В кузове широко использованы легкие алюминиево-магниевые сплавы АМГ-5, АМГ-б (ГОСТ 21631-76, ГОСТ 8617-81) и пластмассы, из которых изготовлены поперечные диафрагмы, двери, съемные секции крыши и другие слабонагруженные узлы.
3.5. Расчет рам и кузовов
Общие сведения. Методика расчета кузовов, главных рам и рам тележек включает несколько последовательно выполняемых этапов. На каждом из этапов учитывают часть свойств несущей системы. При этом последовательно уточняют данные о напряжениях и деформациях отдельных элементов. Необходимость в таком комбинированном расчете обусловлена большой сложностью пространственных конструкций. Эта сложность повышается вследствие наличия больших и малых вырезов разнообразной формы, расположенных в различных местах несущей системы кузова, а также сложностью сочленения несущих элементов рам. Наряду со стержневой основой (каркасом, фермой) в работе участвуют пластины внешней обшивки кузова. Характерной особенностью таких конструкций является возможность потери устойчивости стержней и пластин. Это обстоятельство учитывают в расчетах введением редукционных коэффициентов при определении геометрических характеристик поперечных сечений.
В процессе проектирования, во-первых, проводят расчеты прочности с оценкой устойчивости отдельных элементов и узлов конструкции. Во-вторых, выполняют расчет главной рамы и кузова в целом, а также рам тележек. Расчетные схемы, используемые при этом на разных этапах проектирования одного и того же объекта, могут быть разными. Начинают, как правило, с простых схем, например раму или кузов рассматривают как плоскую балку, а заканчивают сложными пространственными схемами метода конечных элементов (МКЭ).
При проектировании локомотивов, предназначенных для эксплуатации на железных дорогах России, необходимо использовать
235
порядок проектирования и расчетов, предусмотренный действующими на этот момент «Нормами».
Расчетам на прочность в процессе проектирования подвергаются: кузов, главная рама, шкворневой или иной узел для передачи силы тяги, рама тележки, колесная пара, буксовый узел, рессорное подвешивание, тяговый привод, тормозная передача и др.
Нормативная оценка несущей способности экипажной части локомотивов выполняется по допускаемым: а) напряжениям и коэффициентам запаса статической прочности; б) коэффициентам запаса сопротивления усталости; в) коэффициентам запаса устойчивости.
При оценке прочности по допускаемым напряжениям действующие напряжения сравниваются с допускаемыми. В случаях сложного напряженного состояния используются соответствующие теории прочности, предусматривающие расчет эквивалентных напряжений и сравнение их с допускаемыми. Нормы рекомендуют пользоваться следующими формулами для оценки эквивалентных напряжений.
Для пластинчатых материалов:
- при одноосном растяжении или сжатии (ог) и сдвиге (т) стэ=^ст2у+3т2; (3.1)
- при двухосном растяжении или сжатии (стЛ., <тр) и сдвиге (т)
о = /о2+сг2-ост +3т2 (3 2)
Для хрупких материалов:
- при одноосном растяжении или сжатии (ох) и сдвиге (т)
1-а 1 + а /"2 ГТ
%=—ал-+-уК+4т ; (з-з)
- при двухосном растяжении или сжатии (о%, сгр) и сдвиге (т)
1-ос, ч 1 + а Г 3 ГТ ,, ,,
о =-----(о +о ) +----,/(<5 +ст ) +4т ; а = —г-, (3.4)
э 2 Л' > 2 ч х У ° в
где <зв и <з' в — абсолютные значения пределов прочности при растяжении и сжатии соответственно.
236
3.5.1. Расчетные нагрузки и режимы нагружения
Расчетные нагрузки и схемы их приложения. В расчетах прочности экипажной части локомотивов, в соответствии с действующими нормами, учитываются следующие нагрузки:
- вес локомотива и вес его оборудования;
- инерционные, упругие и диссипативные силы, возникающие при движении;
- силы от работы тяговых двигателей и других механизмов на локомотиве;
- силы, связанные с тягой локомотива и торможением поезда;
- аэродинамические силы;
- силы, возникающие при вписывании локомотива в кривые участки пути;
- силы соударения;
- силы, прикладываемые к элементам локомотива при ремонтно-аварийных работах.
Все перечисленные силы приводят к основным схемам их приложения: вертикальные, боковые, продольные, кососимметричные. Рассмотрим их более подробно.
Вертикальные силы.
А. Вес экипажа локомотива (включает силу тяжести его частей и 2/3 запаса топлива и песка).
Б. Вес оборудования (включает нагружающие расчитываемый объект силу тяжести электрического, механического и другого оборудования, размещенного внутри и вне кузова, а также на тележках).
В. Вес локомотива (брутто; вес экипажа и оборудования).
Г. Динамические вертикальные нагрузки от колебаний экипажа. При этом от колебаний кузова динамические добавки к статической нагрузке определяются умножением веса кузова, включая 1/3 веса пружин второй ступени рессорного подвешивания, на коэффициент вертикальной динамики этой ступени. Динамическая сила от колебаний рамы тележки определяется умножением веса ее обрессоренных частей, включая 1/3 веса пружин обеих ступеней подвешивания, на коэффициент вертикальной динамики. Если отсутствуют экспериментальные данные о коэффициенте динамики, то следует принимать его расчетные значения по формуле
237
0,006
5 ст
(3.5)
где знак «-» для элементов кузова; знак «+» для обрессоренных частей тележки и надрессорных балок; 8СТ — общий статический прогиб рессорного подвешивания, м; V—скорость движения, м/с.
Д. Добавка к вертикальной нагрузке на кузов и тележки от действия продольной силы инерции кузова определяется по формуле
Р ~, ик 2L ’
(3.6)
где Рик — продольная сила инерции кузова брутто (см. ниже Продольные силы п. В); Лк — расстояние от центра тяжести кузова от плоскости его опор на тележке; 2L — шкворневая база кузова.
Боковые силы.
А. Центробежная сила. Определяется отдельно для кузова и тележек исходя из непогашенного ускорения 0,7м/с2. Равнодействующая этой силы прикладывается в центре тяжести.
Б. Сила давления ветра. Определяется из расчета удельного давления ветра на боковую проекцию кузова (тележки), равного 500 Н/м2. Равнодействующая силы прикладывается к центру площади боковой проекции кузова (тележки).
В. Поперечные (рамные) силы, действующие при вписывании экипажа в кривые, определяются из условия равновесия экипажа при движении в круговой кривой с непогашенным ускорением 0,7 м/с2. Коэффициент трения между колесом и рельсом принимается равным 0,25. Максимальные рамные силы не должны превышать 40 % от осевой нагрузки локомотива.
Продольные силы.
А. Продольные силы, действующие на кузов локомотива и учитываемые в расчетах, зависят от типа локомотива и от режимов нагружения (о режимах нагружения речь пойдет чуть ниже, табл. 3.4). Продольные силы, действующие на кузов пассажирского локомотива, принимаются равными 2—2,5 МН для первого и 550 кН для второго режимов нагружения. Для грузовых, маневровых и вывозных локомотивов эти силы принимаются равными 2,5—3 МН
238
Таблица 3.4
Расчетные режимы нагружения
Расчетные СИЛЫ Расчетные режимы
Кузов Тележка
I II Па Пб
Вертикальные А+Б+В А+Б+В+Г+Д А+Б+В+Г+Д А+Б+В+Д
Боковые — А+Б А+Б+В Б
Продольные А+Г А+В Б+В Б+В
Кососимметричные — — + +
для первого и 700 кН для второго режимов нагружения. При этом силы первого режима нагружения прикладываются по осям автосцепок (растяжение и сжатие). Сила для второго режима прикладывается к хвостовой автосцепке и уравновешивается силами инерции масс локомотива.
Б. Силы тяги и торможения. Эти силы определяются исходя из коэффициента сцепления 0,3. Они прикладываются к местам передачи сил тяги между колесными парами и рамами тележек, между рамами тележек и кузовом, к автосцепке.
В. Силы инерции, действующие на отдельные узлы и элементы локомотива. Они прикладываются в центрах тяжести и для второго режима определяются по формуле
где — продольное усилие от сил тяги или торможения для 2-го расчетного режима; т — масса z-ro элемента локомотива; тсл — служебная масса.
Инерцию вращающихся частей тележки следует учитывать с увеличением массы тележки на 40 %.
Г. Силы инерции для расчета элементов связи кузова с тележкой определяют исходя из ускорения массы тележки вдоль оси пути, равного 3g.
Кососимметричные силы. Это система взаимно уравновешенных относительно диагонали рамы тележки или кузова сил. Величину этих сил можно оценить по формуле
Рк = Дж8 ’ (3-8)
239
где ж5 — жесткость подвешивания (буксового или пружин второго яруса); А — разность прогибов. Для двухосных тележек рекомендуется А = 5 мм.
Расчетные режимы нагружения. Они формируются из перечисленных выше нагрузок, действующих в эксплуатации одновременно. Состав сил, учитываемых при статических расчетах для каждого расчетного режима, представлен в табл. 3.4.
В соответствии с «нормами» приведем краткое описание расчетных режимов нагружения:
- режим I — условный режим безопасности, учитывающий возможность возникновения значительных продольных сил при маневровой работе, транспортировке и аварийных соударениях',
- режим ГГ — эксплуатационный режим, учитывающий силы, действующие на кузов при разгоне поезда до конструкционной скорости, движении на выбеге или торможении с этой скорости при прохождении кривой;
- режим Па — эксплуатационный режим, учитывающий силы, действующие на тележку при разгоне поезда до конструкционной скорости или торможении с этой скорости при прохождении кривой;
- режим Пб — эксплуатационный режим, учитывающий силы, действующие на тележку при трогании поезда с места и торможении с малой скорости до остановки.
Как следует из табл. 3.4, режимы I и II используются для расчета кузова и главных рам, а режимы На и Пб для расчетов рам тележек.
3.5.2. Основные материалы для изготовления кузова и рам тележек
Для изготовления несущих элементов кузова, главной рамы и рам тележек рекомендуется использовать малоуглеродистые и низколегированные спокойные стали, не склонные к хрупкому разрушению при температурах воздуха до -60 °C. Для тонкостенной обшивки кузова допускается применение нержавеющей, малоуглеродистой кипящей и низколегированной сталей. Кроме этого возможно применение алюминиевых сплавов. Они, как правило, используются в слабонагруженных элементах конструкции (съемные элементы крыши, двери и т.п.). У тепловоза ТЭП60 алюминиевый сплав использован для наружной обшивки кузова.
240
При использовании низколегированных сталей (например, 09Г2, 09Г2С, 10Г2С1Д, 10ХСНД, 15ХСНД и т.д.) необходимо принимать во внимание их повышенную чувствительность к концентрации напряжений, особенно в зоне сварных швов. Поэтому узлы соединения элементов главной рамы, рам тележек и кузова должны тщательно конструктивно прорабатываться.
«Нормы» рекомендуют для сталей использовать в расчетах допускаемые напряжения, которые для основных элементов кузова, главной рамы и рам тележек приведены в табл. 3.5—3.7.
Обозначения в таблицах: от— предел текучести; [о] — допускаемые напряжения растяжения-сжатия и изгиба; [т] — допускаемые напряжения среза; [псм] — допускаемые напряжения смятия. Более полные сведения о допускаемых напряжениях, в том числе для других элементов кузова и тележек (детали тормоза, болты, заклепки), а также алюминиевых сплавов следует брать непосредственно из «Норм».
Таблица 3.5
Допускаемые напряжения в МПа для хребтовых и шкворневых балок рамы кузова
Марки материалов (стт) I режим II режим
[СТ] [г] I [осм] [ст] [т] [Осм]
Стальной прокат
О9Г2, 09Г2С (295) 0,9ат 0,55ат 1,2стт 190 ПО 265
09Г2С, 14Г2, 15 ГФ, 15ХСНД, 10Г2С1 (325) 0,9ат 0,55от 1,2ат 195 120 290
09Г2С, 15ГФ, 10ХНДП, 15ХСНД, 10Г2С1 (345) 0,9ат 0,55от 1,2ат 210 130 310
10Г2Б, 14Г2АФ, 15ГФ (375) 0,9от О,55ат 1,2ат 230 135 340
12Г2Б, 10ХСНД, 15Г2СФ (390) 0,9от 0,55от 1,2стт 240 140 345
16Г2АФ (440) 0,9от 0,55ат 1,2от 260 160 400
СтЗ, 20, 16Д* 0,9от 0,55ат 1,2стт 155 95 215
Металл шва при ручной дуговой сварке электродами марок Э42А, Э46А, Э50А, а также при автоматической и полуавтоматической сварке под слоем флюса или в среде защитного газа (СО2 и др.) сварочной проволокой 08Г2С и других проверенных марок
** 0,85от 0,55ат - 0,6о7 0,4от
* Предел текучести зависит от толщины проката.
** Предел текучести зависит от типа электрода (см. «Нормы»),
241
Таблица 3.6
Допускаемые напряжения в МПа для элементов кузова за исключением хребтовых и шкворневых балок
Марка материала (ат) I режим II режим
[о] | [т] [^см] [а] | [Т] [С^см]
Стальной прокат
09Г2, 09Г2С (295) 0,95а, 0,6ат 1,3а, 195 115 280
09Г2С, 14Г2, 15ГФ, 15ХСНД, 10Г2С1 (325) 0,95ат 0,6ат 1,3ат 205 125 305
О9Г2С, 15ГФ, 10ХНДП, 15ХСНД, 10Г2С1 (345) 0,95ат 0,6ат 1,3ат 220 135 325
10Г2Б, 14Г2АФ, 15ГФ(375) 0,95ат 0,6ат 1,3ат 240 140 355
12Г2Б, 10ХСНД, 15Г2СФ (390) 0,95ат 0,6ат 1,3ат 250 150 370
16Г2АФ (440) 0,95ат 0,6ат 1,3ат 270 165 400
СтЗ, 20, 16Д* 0,95ат 0,6ат 1,2ат 165 100 245
Ст5, 30 0,95ат 0,6ат 1,2ат 185 110 270
12Х18Н10Т, 10Х14Г14Н4Т 0,95ат 0,6ат 1,2ат 200 120 270
65, 65Г Закалка с отпуском 0,95ат 0,65ат — 500 350 —
55С2,55С2А,60С2 0,95а, 0,65ат — 700 550 —
60С2ХФА 0,95ат 0,65ат — 950 700 —
Стальные отливки
20ГЛ Нормализация 0,9ат 0,6ат 1,2ат 150 90 240
20ФЛ 0,9ат 0,6ат 1,2ат 155 95 245
20Г1ФЛ 0,9ат 0,6а, 1,2а, 165 100 250
20Г1ФЛ Закалка с отпуском 0,9ат 0,6ат 1,2аг 200 125 300
ЗОГСЛ, 32Х06Л 0,9ат 0,6ат 1,2ат 270 160 400
30ГХСФЛ 0,9ат 0,6ат 1,2аг 330 190 500
Металл шва при ручной дуговой сварке электродами марок Э42А, Э46А, Э50А, а также при автоматической и полуавтоматической сварке под слоем флюса или в среде защитного газа (СО? и др.) сварочной проволокой 08Г2С и других проверенных марок
** 0,9а, 0,6ат 0,55а, 0,4ат -
Металл шва при контактной и шовной сварке
Однорядное соединение — 0,55ст — — 0,4ат —
Многорядное соединение — 0,4ат — — 0,Зат —
* Предел текучести зависит от толщины проката.
** Предел текучести зависит от типа электрода (см. «Нормы»).
242
Таблица 3.7
Допускаемые напряжения в МПа для элементов тележки за исключением колесных пар и тягового привода
Марка материала, (ат) Па и Пб режимы
[а] [т] .fej
Стальной прокат
09Г2, 09Г2С, (295) 180 105 250
09Г2С, 15ГФ, 15ХСНД, (325) 190 115 275
О9Г2С, 15ГФ, 15ХСНД, (345) 205 125 300
СтЗ, 20, 16Д, * ** 150 90 200
Ст5, 30, * 170 100 230
55С2, 55С2А, 60С2, (1175) Закалка с отпуском 700 550 —
60С2ХФА (1470) 950 700 —
Стальные отливки
20Л(216), 25Л(235) Нормализация 120 75 160
20ГЛ(334) 140 85 220
20ФЛ(294) 145 85 230
20Г1ФЛ(314) 150 90 235
Металл шва при ручной дуговой сварке электродами марок Э42А, Э46А, Э50А, а также при автоматической и полуавтоматической сварке под слоем флюса или в среде защитного газа (СО2 и др.) сварочной проволокой 08Г2С и других проверенных марок
** 0,55ат 0,4ат
* Предел текучести зависит от толщины проката.
** Предел текучести зависит от типа электрода (см. «Нормы»).
3.5.3. Расчеты рам и кузовов на статическую нагрузку
Расчеты прочности конструкций экипажной части локомотивов в настоящее время в основном выполняются методом конечных элементов (МКЭ). Для этого используют соответствующие программные комплексы от небольших до весьма громоздких.
Благодаря возможностям современных программ расчетные схемы могут учитывать практически все конструктивные особенности объекта, технологические особенности его изготовления и эксплуатации, вплоть до сварных швов, начальной погиби обшивки кузова, вероятностных характеристик режимов нагружения и т.п. Однако искусство инженера-проектировщика предполагает понимание работы основных элементов конструкции для активного влияния на процесс формирования окончательного технического ре-
243
шения. Слишком перегруженная подробностями расчетная схема затрудняет процесс рассмотрения результатов расчета.
Любое материальное описание объекта проектирования, наделенного структурой, содержит четыре вида данных:
- топология (определяет, из каких элементов состоит объект и какие из них взаимодействуют);
- конфигурация (определяет геометрические параметры, влияющие на взаимное расположение элементов);
- размеры (определяет геометрическое описание каждого элемента);
- материал (определяет характеристики материала каждого элемента).
Эти данные подлежат уточнению в процессе расчетов. Данные разделены на четыре независимые группы, т.е. можно менять, например, конфигурацию, не меняя топологии, размеров и материала и т.д. Понятие уровней независимости данных играет важную роль в создании баз данных.
Другим важным свойством такого представления является то, что данные о топологии и материалах — это дискретные величины, в то время как конфигурация и размер — непрерывные. Эти свойства важны при решении задач оптимизации. Для выбора топологии и, возможно, материала нужно решать задачу структурной оптимизации, а для выбора конфигурации и размеров — параметрической.
В исходные данные для расчета прочности нужно включать эти атрибуты. Особенно наглядно сказанное иллюстрируется данными для стержневой расчетной схемы. Конечными элементами такой схемы является стержни, которые соединяются между собой в узлах. Топология конструкции может быть задана указанием для каждого элемента номеров узла начала и конца стержня; конфигурация может быть задана указанием координат узлов; размеры — указанием характеристик поперечных сечений стержней, а материал — указанием модуля упругости и, если необходимо, коэффициента Пуассона.
Для понимания работы конструкции, особенно на начальном этапе проектирования, обычно выполняются расчеты по простым расчетным схемам, чтобы без лишних подробностей за короткий срок получить представление об общей характеристике конструкции. Именно на этом этапе принимаются решения о струк
244
туре (топологии) объекта, т.е. о составе и взаимодействии основных элементов конструкции.
Так, для расчета рамы тележки на первом этапе целесообразно воспользоваться стержневой расчетной схемой, в которой все несущие элементы заменены стержнями, проходящими вдоль осей этих элементов. На рис. 3.7 изображена стержневая расчетная схема рамы тележки тепловоза ТЭМ21, которая содержит 92 узла и 101 стержневой элемент. Общие характеристики поперечных сечений стержней (площадь и моменты инерции) определяются по предварительным эскизам этих сечений и подлежат уточнению с помощью расчетов прочности.
При расчете главной несущей рамы тепловоза на первом этапе можно ограничиться даже плоской расчетной схемой, как это показано на рис. 3.8 с расчетной схемой главной рамы тепловоза ТЭМ2. На рисунке стрелками показаны сосредоточенные нагрузки, а зашт-
Рис. 3.7. Стержневая схема для расчета рамы тележки тепловоза ТЭМ21: 1 — колесные пары; 2 — рама; 3 — буксовые поводки; 4 — пружины;
5 — наклонные тяги
Pi Pi
Pi
I,, ъ
Ж1ЖШ^ННП11|ГП1111111111111111 lilllllllllllHIIMKABffiiiiiiiiiiiiiiiiuiiiiiiiiiitiiiiiHiiiiiii ШшшншпшитвЯ
Рис. 3.8. Расчетная схема главной рамы тепловоза ТЭМ2У:
— сосредоточенные нагрузки от веса оборудования и реакции опор; q/ — распределенные нагрузки от собственного веса рамы и оборудования
245
рихованные прямоугольники соответствуют распределенным нагрузкам интенсивностью q^. (собственный вес рамы, дизель-генера-тора, холодильной камеры, вспомогательного оборудования).
Стержневую пространственную расчетную схему целесообразно применять и на первом этапе расчета несущего кузова, особенно, если несущей конструкцией является ферма, как на тепловозе ТЭП70
Достоинством стержневых расчетных схем является простота С их помощью удается определить перемещения в узлах и усилия в стержнях схемы, а затем подсчитать и напряжения Полученные результаты позволяют в целом оценить прочность и жесткость конструкции, используя интегральные характеристики поперечных сечений стержней (площадь и моменты инерции) С помощью стержневой расчетной схемы можно просто варьировать данными, определяющими структуру (топологию), конфигурацию и частично размеры, подбирая наиболее рациональные
Недостатками стержневых расчетных схем являются их невысокая точность при расчетах таких конструкций, где несущими элементами являются пластины и где поперечные размеры стержней того же порядка, что и их длина, а также невозможность подробного учета особенностей напряженного состояния из-за концентрации напряжений в узлах сочленения конструктивных элементов, в сварочных швах, в зоне резких изменений толщины профиля поперечного сечения и т.д.
Для выявления этих особенностей можно выделить интересующую нас часть из полной конструкции и сформировать для нее более полную пространственную расчетную схему с объемными конечными элементами и выполнить для нее расчет, используя в качестве внешних кинематических и силовых условий в узлах разрыва результаты, полученные при расчете всей стержневой схемы
Более полную картину напряженно-деформированного состояния конструкции можно получить поверочным расчетом общей пространственной конечно-элементной модели На рис 3 9 представлен общий вид рамы тележки тепловоза ТЭМ21 и один из вариантов разбивки ее на конечные элементы при таком расчете (187 449 узлов и 192 137 конечных элемента) На рис 3 10 изображена рама тележки тепловоза ТЭП70 и ее конечно-элементное представление (9109 узлов, 10 389 конечных элементов) Модель, при грамотном ее формировании, дает полное представление о
246
Рис 3 9 Общий вид (а) и разбивка рамы тележки тепловоза ТЭМ21 на конечные элементы (б)
247
Рис. 3.10. Общий вид (а) и разбивка рамы тележки тепловоза ТЭП70 на конечные элементы (б)
механическом поведении всей конструкции с учетом особенностей напряженно-деформированного состояния в зонах концентрации.
Еще более сложную задачу представляет создание подробной конечно-элементной модели несущего кузова тепловоза. На рис. 3.11
248
249
изображена схема основных несущих элементов для половины кузова тепловоза ТЭП70БС. Конечно-элементное представление кузова содержит свыше 32 000 конечных элементов и 27 880 узлов.
Рассмотренные модели рам и кузовов, помимо расчета на статические нагрузки, используются для оценки первых наиболее опасных собственных форм колебаний. В соответствии с «Нормами» частоты собственных изгибных колебаний кузова не допускаются ниже 8 Гц.
3.5.4. Особенности работы обшивки и стержневых элементов конструкции на устойчивость
В расчетах надо предусматривать оценку коэффициента запаса устойчивости по формуле
о
п = (3.9)
о
где сткр — критическое напряжение, при котором происходит потеря устойчивости; ст — действующее напряжение.
Затем выполняется сравнение коэффициента запаса с допускаемым [и]. Рекомендуемые «Нормами» допускаемые значения коэффициентов запаса устойчивости приведены в табл. 3.8.
Таблица 3.8
Допускаемые значения коэффициентов запаса устойчивости элементов конструкции
Элементы конструкции [и]
1-й расчетный режим
Листы обшивки крыши 1,05
Листы пола и подоконного пояса 1,25
Стержневые элементы 1,1
Листы склонов крыши надоконного пояса 1,2
Листы средней части крыши 1,3
2-й расчетный режим
Все элементы конструкции 1,5
Работа обшивки несущего кузова. Тонкая несущая обшивка вместе с подкрепляющими стержнями образует единую систему, находящуюся под воздействием внешних нагрузок. Сжимающие напряжения могут вызвать потерю устойчивости обшивки и подкрепляющих стержней. Касательные напряжения, действующие в
250
срединной плоскости пластины, также могут стать причиной потери устойчивости. Это явление сопровождается выпучиванием соответствующих участков поверхности кузова. При этом происходит перераспределение внутренних усилий, и конструкция в целом не теряет работоспособность. Однако несущая способность кузова, как правило, ухудшается.
Критические напряжения окр и ткр, соответствующие потере устойчивости, для обшивки зависят от характера нагружения, закрепления и формы рассматриваемого листа. Например, для плоской прямоугольной пластинки
= л2Е р? п2Е pf
СТкр a12(l-p2)lZ’J ’ Ткр т 12(1-и2)<’
(3.10)
где Ка, — коэффициенты, зависящие от вида нагружения, отношения длины а пластинки к ее ширине (рис. 3.12); Е и ц— соответственно модуль упругости и коэффициент Пуассона; h и b — толщина и ширина пластинки.
Графики, приведенные на рис. 3.12, соответствуют шарнирному опиранию пластинок по контуру. Из рис. 3.12 видно, что Ка выбирают в зависимости от отношения Oj/cr, где Oj и о — напряжения сжатия соответственно в поперечном и продольном направлениях.
Устойчивость цилиндрических панелей обшивки зависит от безразмерного показателя кривизны b2/Rh, где R — радиус срединной поверхности.
Если на цилиндрическую панель обшивки действует равномерно распределенная нагрузка (рис. 3.13), а панель шарнирно опирается на все кромки, то можно выделить следующие два практически важных случая.
Если (b2/Rh) < 20, то критические напряжения в такой панели мало отличаются от напряжений в плоской панели. Поэтому для практических расчетов рекомендуют пользоваться формулами (3.9) и (3.10).
Если (b2/Rh) > 20 (панели большой кривизны), то деформация панели при потере устойчивости резко отличается от деформации пластины. На поверхности цилиндрической панели после потери устойчивости образуются глубокие местные впадины, которые приводят к пластическим деформациям. Резко снижается несущая способность панели, в то время как плоская пластина в подобных ус-
251
Рис. 3.12. Зависимость коэффициента К от соотношения alb размеров пластины:
а — схема действия касательных напряжений; б, в — схема действия нормальных напряжений; 1 — К.', 2—5 — Ка при соответственно равном 0; 0,2; 0,5; 1,0
ловиях не снижает своего сопротивления. Поэтому для таких панелей рекомендуют критические напряжения вычислять по следую
Рис. 3.13. Схема нагружения цилиндрической панели обшивки
щей формуле:
окр= 0,182Г (h/R). (3.11)
Приведенные выше рекомендации справедливы, когда рассматриваемые панели и пластины идеально правильной формы. В действительности этого никогда не бывает. У обшивки всегда есть некоторая погибь (отклонения от идеальной плоской либо цилинд
252
рической формы), вызванная конечной точностью технологических операций. Однако если эта погибь мала (не превышает 0,5/?), то условия работы обшивки во многом совпадают с расчетными. В противном случае оценка окр теряет смысл. Для цилиндрических панелей с начальной погибью, сравнимой с толщиной оболочки, вместо формулы (3.11) рекомендуют использовать следующую:
окр=0,12£(й/Я). (3.12)
Тонкостенная обшивка кузова локомотива всегда подкреплена жесткими ребрами или гофрами, увеличивающими ее сопротивление изгибу. Потеря устойчивости такой пластины не означает потери несущей способности кузова, так как после выпучивания пластина воспринимает нагрузку. Однако при этом напряжения по ширине подкрепленной пластины распределяются неравномерно. Эта неравномерность возрастает с увеличением сжимающей нагрузки. В пластине с двумя ребрами жесткости по краям с ростом сжимающей нагрузки напряжения увеличиваются главным образом в зоне ребер жесткости, а в средней части пластины мало отличаются от критических (рис. 3.14, а). Таким образом, пластина в закри-тической зоне, т.е. после потери устойчивости, снижает степень своего участия в работе конструкции.
Это снижение принято характеризовать редукционным коэффициентом <Рр, который равен отношению так называемой приведенной ширины пластины £>пр к полной b; <рр = b^lb. Приведенную
Рис. 3.14. Характерные виды распределения напряжений в поперечном сечении пластины обшивки с ребрами жесткости:
а — до потери устойчивости; б — после потери устойчивости; в — расчетное распределение напряжений
253
ширину />пр можно получить, если разделить площадь эпюры напряжений ст (рис. 3.14, а) на наибольшее напряжение вблизи ребра жесткости. Таким образом, можно полагать, что в работе конструкции участвует лишь часть ширины пластины, равная Ьпр, и соответствующие ей напряжения равны атах (рис. 3.14, б).
Редукционный коэффициент зависит от начальной погиби обшивки. Если погибь очень мала, то <р„ -- ,/о _ / . Расчет ведут
методом последовательных приближений. Первое приближение ф^ определяют по значению, подсчитанному вначале для полного сечения кузова. Затем полученное значение Фр^ используют для расчета уже редуцированного (по первому приближению) сечения кузова и т.д. Этот процесс продолжают до тех пор, пока последовательно получающиеся значения редукционного коэффициента станут мало отличаться один от другого, т.е. ф^ ~ Фр+1^, где i — номер итерации. Однако такой расчет справедлив лишь для идеально ровных пластин.
На практике используют рекомендации, основанные на опытных данных. Например, в локомотивостроении и вагоностроении, когда погибь обшивки не превышает половины толщины пластины, рекомендуется принимать />пр - 407г, что соответствует фр = 4Wb. Если же погибь обшивки велика, то пластины получают существенно меньшие напряжения, чем напряжения подкрепляющих элементов даже при нагрузках, меньших критических. Для определения редукционных коэффициентов в этих случаях необходимо опираться на результаты экспериментов.
Расчет стержневых элементов на сжатие. Стержни, составляющие обшивку кузова, а также элементы рам могут при сжатии терять устойчивость.
Напряженное состояние таких стержней проверяют по приведенным ниже формулам:
- при центральном сжатии о = N/(Fty^); (3.13)
254
- при изгибе о = Л//(И/фб); (3.14)
- при внецентренном сжатии с изгибом в плоскости наибольшей жесткости и действии момента в той же плоскости
ст = #/(Лрм) + М/^; (3.15)
- при внецентренном сжатии в плоскости, перпендикулярной действию момента,
а = У/(ФГ<рн). (3.16)
Здесь F — площадь поперечного сечения; <рн — коэффициент продольного изгиба в плоскости наименьшей жесткости; <рм — коэффициент продольного изгиба в плоскости действия изгибающего момента; <рб—коэффициент уменьшения несущей способности балки при изгибе; W — момент сопротивления сечения; ср — коэффициент влияния изгибающего момента на устойчивость сжато-изогнутых стержней в случае действия его не в плоскости наименьшей жесткости стержня.
Коэффициенты <рн и <рм определяют по табл. 3.9 в зависимости от гибкости стержня:
х = рп//777к,
где Рп — коэффициент приведения длины стержня (табл. 3.10); I — длина стержня; F— площадь сечения (брутто), м2; J— момент инерции сечения стержня, м4.
Таблица 3 9
Значения коэффициентов продольного изгиба (р„ и (рм для различных материалов в зависимости от гибкости стержня л
Л Сталь Алюминиевые сплавы ДСП марки Б Сосна водуш-но-сухая
Ст1—4 и 10—25 Ст5, 30 Низколегированная АМгб АМгбМ
0 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00
10 0,99 0,98 0,98 0,99 0,99 0,96 0,99
20 0,97 0,96 0,95 0,98 0,98 0,88 0,97
30 0,95 0,93 0,92 0,94 0,93 0,70 0,92
40 0,92 0,89 0,89 0,83 0,83 0,46 0,85
50 0,89 0,85 0,84 0,72 0,78 0,29 0,75
255
Продолжение табл. 3.9
Л Сталь Алюминиевые сплавы ДСП марки Б Сосна водуш-но-сухая
Ст1—4 и 10—25 Ст5, 30 Низколегированная АМгб АМгбМ
60 0,86 0,80 0,78 0,63 0,69 0,20 0,70
70 0,81 0,74 0,71 0,54 0,60 0,15 0,62
80 0,75 0,67 0,63 0,46 0,52 0,11 0,49
90 0,69 0,59 0,54 0,39 0,46 0,09 0,41
100 0,60 0,50 0,46 0,33 0,39 0,077 0,35
ПО 0,52 0,43 0,39 0,28 0,33 0,064 0,29
120 0,45 0,37 0,33 0,24 0,28 0,053 0,24
130 0,40 0,32 0,29 0,21 0,24 0,043 0,19
140 0,36 0,28 0,25 0,18 0,21 0,032 0,14
150 0,32 0,25 0,23 0,16 0,18 0,029 0,12
160 0,29 0,23 0,21 0,14 0,17 0,027 0,11
170 0,26 0,21 0,19 0,13 0,16 0,024 0,09
180 0,23 0,19 0,17 0,11 0,14 0,023 0,06
190 0,21 0,17 0,15 0,10 0,13 0,021 0,04
200 0,19 0,15 0,13 0,10 0,12 0,020 0,03
Таблица 3.10
Значения коэффициента приведения длины стержня рп
Схема закрепления стержня 4. n 4 77 77 77. 77 77 г" 77 1 4 1 1 77777
₽п 1,0 2,0 0,7 0,5 0,725 1,12
256
Значения X для определения срн подсчитывают, полагая момент инерции J наименьшим, а для определения срм момент инерции принимают соответствующим плоскости изгиба.
Для балок двутаврового сечения
<рб = уб(/у/г)(Лб//)2-Ю3, где J , Л— моменты инерции сечения относительно центральных осей, причем I. > Jv; /гб — расчетная высота сечения балки; — коэффициент, завися-
щий от материала и параметра аб.
Для прокатных стальных двутавров параметр
J
а = 1,54—S-
6 J
у
(3-17)
где /к — момент инерции сечения на кручение.
Для сварных стальных двутавров, а также двутавров прокатных и сварных из алюминиевых сплавов при отсутствии утолщений стенок
«б
/ /5i f
= 8 —L Z>/z, ( б
, У2 О3 I б
2Z>83
1 /
(3.18)
1 +
у
где 5 — толщина стенки; b и 5] — ширина и толщина пояса балки.
Последнюю формулу используют также для балок швеллерного сечения, но найденное значение (рб умножают на 0,5, если нагрузка действует в главной плоскости, параллельной стенке, и на 0,7, если нагрузка действует в плоскости стенки.
Для двутавровых балок, изготовленных из сталей СтЗ и Ст4, значения коэффициента приведены в табл. 3.11.
Для стали Ст5 табличные значения следует умножить на 0,83; для сталей 10Г2СД и 09Г2Д — на 0,71; для алюминиевого сплава АМг5М — на 0,57; для АМгбМ — на 0,355.
Таблица 3.11
Значения коэффициента для двутавра из сталей СтЗ и Ст4
Of, Ve ОСб Уб аб Уб Об Уб
0,1 2,17 8 2,90 48 5,23 128 8,07
0,4 2,20 16 3,50 64 5,91 160 8,95
1,0 2,27 24 4,00 80 6,51 240 10,86
4,0 2,56 32 4,45 96 7,07 320 12,48
257
Если при расчете окажется, что для конструкций из стали > 0,85, а из алюминиевых сплавов > 0,7, то вместо используют коэффициент уб1 по табл. 3.12.
Таблица 3 12
Значения коэффициента уб]
Для стальных конструкций Для конструкций из алюминиевых сплавов
Уб1 Уб Уб1 Уб Уб1 Уб Уб1 Уб У61 Уб Уб1 Уб
0,85 0,85 0,93 1,10 0,97 1,35 0,70 0,7 0,88 1,2 0,96 1,7
0,87 0,90 0,94 1,15 0,98 1,40 0,75 0,8 0,89 1,3 0,97 1,8
0,89 0,95 0,95 1,20 0,99 1,45 0,79 0,9 0,92 1,4 0,99 1,9
0.90 1,00 0,96 1,25 0,99 1,50 0,82 1,0 0,93 1,5 1,0 2,0
0,92 1,05 0,96 1,30 1,00 1,55 0,85 1,1 0,95 1,6
Коэффициент ф = 1/(1 + awA/x),
где a — параметр, который принимают равным для стальных двутавров 0,7, для алюминиевых — 0,8, для балок замкнутого профиля при наличии не менее двух промежуточных диафрагм по длине балки независимо от материала — 0,6 (при отсутствии диафрагм а принимают таким же, как для двутавров); Мх — расчетный момент принимают равным максимальному в пределах средней трети длины (но не менее половины наибольшего по длине стержня) для стержней с закрепленными концами и равным моменту в заделке для консольных стержней.
Устойчивость работающих на сжатие стержневых элементов проверяют сравнением напряжений, подсчитанных по приведенным выше формулам, с допускаемыми напряжениями для того материала, из которого они изготовлены.
Приведенная методика расчета может быть использована при выполнении поверочных расчетов кузова следующим образом. После редуцирования сечения с помощью коэффициентов фр, учитывающих неполноту работы обшивки кузова, поперечное сечение представляют в виде отдельных стержней, состоящих из стрингера и примыкающей к нему обшивки шириной />пр. Для таких стержней, работающих на сжатие, справедливо оценивать прочность и общую устойчивость по изложенной выше методике. Для участков сечения кузова, на которых стрингеры расположены часто на расстоянии не более />пр (т.е. сечение не редуцируется коэффициентом фр), можно вводить редукцию площади стрингеров, работающих на сжатие,
258
полагая их центрально сжатыми, т.е. при помощи коэффициента <рн, а участок рассматривать как ортотропную пластину. Общая устойчивость таких панелей может быть оценена с использованием формул для расчета критических напряжений, приведенных в справочной литературе.
3.5.5. Расчеты усталостной прочности
Расчетам на усталость подвергаются:
- рамы тележек, надрессорные балки, промежуточные рамы, корпуса букс;
- хребтовые, продольные боковые, основные поперечные и шкворневые балки, шкворни, стяжные ящики, топливные баки, включенные в несущую систему кузова, узлы крепления подкузовного оборудования;
- траверсы, подвески тяговых двигателей, тяговых приводов, карданных приводов, корпуса редукторов;
- элементы рессорного подвешивания и узлы крепления тормозного оборудования;
- элементы опор кузова на тележки.
Этот перечень может быть дополнен в зависимости от конструкции экипажной части локомотива. Например, у тепловоза ТЭМ21 вместо шкворней для передачи тяговых усилий используются наклонные тяги с торсионным механизмом. Очевидно, что и они должны рассчитываться на сопротивление усталости.
Если напряжения в детали не превышают предел выносливости детали с учетом асимметрии цикла, то, согласно «Нормам», расчет можно выполнять без учета параметров кривой усталости образца в зависимости от наличия данных одним из следующих способов:
- расчет при отсутствии данных о гистограмме распределения амплитуд напряжений нагрузки;
- расчет при наличии данных о гистограмме распределения амплитуд напряжений в эксплуатации.
Если напряжения в детали превышают предел выносливости детали с учетом асимметрии цикла, то помимо учета распределения амплитуд напряжений в эксплуатации при расчете нужно учитывать параметры кривой усталости стандартного образца.
259
Рассмотрим основные положения расчета при отсутствии данных о распределении нагрузок в эксплуатации.
Усталостную прочность элементов кузова, главных рам и рам тележек оценивают по коэффициенту запаса п, для вычисления которого используют следующую формулу:
К о + шо о v Y т
(3.19)
где a_j — предел выносливости образца при симметричном цикле; Ка — коэффициент, характеризующий понижение предела выносливости детали по отношению к пределу выносливости образца; у — коэффициент, характеризующий чувствительность материала к асимметрии цикла; ov и от — соответственно амплитуда и среднее значение напряжений в цикле нагружения. При многоосном напряженном состоянии в качестве и о;и принимаются главные напряжения. Амплитуду напряжений, если нет экспериментальных данных, можно определить через коэффициента динамики ov = Ка<зт. Коэффициент Кд определяют по формуле (3.5). Способ экспериментальной оценки ov регламентируется «Нормами». Средние напряжения в цикле от определяют как сумму напряжений от статических нагрузок (вес) и квазистатических (силы тяги и торможения, силы, действующие при движении в кривой).
Для элементов, работающих на растяжение (ст;я > 0), рекомендуют принимать у = 0,3. Для волокон, работающих на сжатие (о/я < 0), коэффициент у = 0. Коэффициент понижения предела выносливости Ка находят по формуле
где К] — коэффициент, учитывающий неоднородность материала (для кованого, прокатного и штампованного металла К\ — 1,1, для литого К] = 1,2 — 1,3); К2 — коэффициент, учитывающий внутренние напряжения (при увеличении поперечных размеров деталей от 250 до 1000 мм К2 меняется линейно от 1,0 до 1,2); у— коэффициент, учитывающий влияние абсолютных размеров детали; для его определения можно пользоваться графиком (рис. 3.15); т — коэффициент, учитывающий состояние поверхности детали (для полированной поверхности т = 1, для чистовой обработки на станке т = 0,9, для грубой обработки т = 0,8—0,85, для стального литья после пескоструйной обработки т = 0,8—0,75, для поверхности с окалиной т = 0,8—0,65); 0К — эффективный коэффициент концентрации напряжений. Его значения определяются геометрией узлов конструкции и лежат в пределах 1,0—3,0.
260
В «Нормах» приведены ориентировочные значения |3К для некоторых типовых узлов сварных соединений, применяемых в ло-комотивостроении из малоуглеродистой стали типа СтЗ. В остальных слу-
Рис. 3.15. Зависимость коэффициента у (при изгибе) от размера поперечного сечения d
чаях следует пользоваться справочной литературой по машиностроению.
Для определения Рк можно также применять формулу
Рк = 1+<7(сст-1), (3.21)
где q — коэффициент чувствительности материала к концентрации напряжений (для стали СтЗ q = 0,7, для малоуглеродистых низколегированных сталей q = 1); ат — теоретический коэффициент концентрации. Его значение определяют по справочным данным либо по результатам эксперимента.
Когда в распоряжении расчетчиков есть гистограммы распределения напряжений, определяющих нагруженность детали в эксплуатации, оценку сопротивления усталости выполняют не с помощью коэффициента запаса, а по условию
° а < crD’ (3.22)
где оа— наибольшее значение амплитуды динамических напряжений, взятое из гистограммы распределения напряжений; c>rD — предел выносливости детали с учетом асимметрии цикла. Методика определения arD изложена в «Нормах». Там же приведена методика оценки долговечности, когда напряжения в детали превышают предел выносливости материала детали с учетом асимметрии цикла. При этом используются параметры кривой усталости стандартного образца и гистограмма распределения амплитуд напряжений за назначенный срок службы детали.
Глава 4. ТЯГОВЫЕ ПРИВОДЫ
4.1. Назначение, классификация и общее устройство тяговых приводов
Механизмы, осуществляющие кинематическую и силовую связь между якорем тягового электродвигателя или выходным валом гидравлической передачи, с одной стороны, и ведущими колесными парами локомотива, с другой, называются тяговыми приводами. В простейшем виде — это одноступенчатый редуктор, в более сложных случаях — система валов, муфт, шарниров и редукторов. Назначение редукторов, входящих в такую систему, заключается в повышении крутящего момента, передаваемого колесным парам, а иногда в раздаче мощности, а также изменении направления движения локомотива.
Тяговые приводы локомотивов работают в тяжелых условиях: они подвергаются воздействию больших динамических нагрузок, возникающих при взаимодействии колес с рельсом, колебаниях надрессорного строения, боксовании. На них длительное время воздействуют пыль, сырость, снег. Габариты передаточных механизмов ограничены.
Все это выдвигает перед конструкторами при проектировании локомотива ряд особенных требований. Наиболее важные из них: обеспечить необходимую при движении локомотива свободу перемещения колесных пар относительно рамы тележки, а тележки — относительно рамы локомотива; обеспечить оптимальную частоту вращения якоря тягового электродвигателя или выходного вала гидропередачи и высокий КПД передачи; предусмотреть возможность демпфирования колебаний, возникающих в тяговом приводе. Привод должен быть прост по конструкции, иметь наименьшую массу неподрессоренных частей и малые габаритные размеры.
Конструкции приводов локомотивов разнообразны, что зависит от типа и назначения локомотива, выбранной передачи, условий работы и т.п.
262
Все приводы можно разделить на индивидуальные и групповые. В индивидуальном приводе крутящий момент от тягового электродвигателя передается на одну движущую колесную пару. Классификация наиболее распространенных индивидуальных электрических приводов современных локомотивов приведена на рис. 4.1.
Индивидуальные приводы отличаются один от другого способом подвешивания тягового двигателя: опорно-осевое, опорно-центровое и опорно-рамное, а также тягового редуктора (опорно-осевое, опорно-рамное).
При опорно-осевом подвешивании (рис. 4.1, а) корпус тягового двигателя одной стороной жестко опирается непосредственно на ось колесной пары, а другой — упруго подвешен к раме тележки, кожух тягового редуктора крепится к двигателю. При этом способе подвешивания сохраняется постоянное расстояние между осью колесной пары и осью якоря тягового двигателя. Однако при такой подвеске масса неподрессоренной части колесно-моторного блока значительна. Вследствие жесткого опирания двигателя на ось колесной пары увеличивается динамическая нагруженность самого двигателя и редуктора, возникает повышенная вибрация щеточного аппарата. Локомотивы с опорно-осевым подвешиванием двигателей оказывают при движении повышенное динамическое воздействие на путь. Поэтому опорно-осевое подвешивание тяговых двигателей и редуктора применяют, как правило, для локомотивов, конструкционная скорость которых не превышает 100—120 км/ч.
Для уменьшения вредного воздействия на путь и смягчения ударов, передаваемых на корпус тягового двигателя и зубчатую передачу, в ряде конструкций опорно-осевого подвешивания тяговый двигатель опирается на ось через упругие элементы (рис. 4.1, б). Такая конструкция подвешивания тягового двигателя получила название опорно-центровой. Привод этого типа получил некоторое распространение в 60-х гг. в локомотивостроении Западной Европы. Опытные отечественные конструкции такого привода были изготовлены и испытаны во ВНИКТИ. Испытания этих конструкций не подтвердили ожидавшийся эффект виброзащиты двигателя, вертикальные ускорения двигателя уменьшились не более, чем на 25 %, в то время как по зарубежным сообщениям эффект значительно больший.
263
a
б
Рис. 4.1. Классификация индивидуальных тяговых электрических приводов локомотивов.
а — привод I класса с опорно-осевым подвешиванием ТЭД; б — привод с опорно-центровым подвешиванием ТЭД; в, г — приводы II класса с опорно-рамным подвешиванием ТЭД и опорно-осевым подвешиванием редуктора; д, е — приводы III класса с опорно-рамным подвешиванием ТЭД и осевого редуктора
Наиболее полно удается решить проблему улучшения динамики колесно-моторного блока при опорно-рамном подвешивании тягового электродвигателя. Двигатель в этом случае закреплен на раме тележки, что позволяет уменьшить массу неподрес-соренной части до 50 %. Для передачи крутящего момента от вала якоря электродвигателя на колесную пару включают в привод подвижные и упругие элементы, обеспечивающие некоторую свободу перемещения колесной пары относительно тягового двигателя. Конструкции таких приводов разнообразны. Принципиальные схемы некоторых из них представлены на рис. 4.1: схемы в, г с кинематическим или упругим компенсирующим звеном на стороне меньшего крутящего момента и схемы д, е на стороне большего крутящего момента.
По классификации профессора И.В. Бирюкова, в основу которой положена степень динамического совершенства, все приводы с односторонней передачей мощности можно разделить на три класса: класс I — двигатель и редуктор с опорно-осевым подвешиванием; класс II — двигатели с рамным подвешиваем, редуктор с опорно-осевым; класс III—двигатель и редуктор с рамным подвешиванием. Наиболее совершенным по динамике является привод III класса.
Как видно из приведенных на рис. 4.1 схем, в приводах II класса упругие и компенсирующие элементы расположены на стороне меньшего крутящего момента, а III класса на стороне большего крутящего момента.
В схеме на рис. 4.1, в (II класса) для реализации смещений двигателя и редуктора используются две муфты и торсионный вал, расположенный в полом валу якоря. Одна из муфт выполнена в виде зубчатой, а другая — в виде пакета из двух резинокордных диафрагм.
В схеме на рис. 4.1, г якорь передает крутящий момент через муфту с упругими резиновыми элементами на торсионный вал, расположенный в полом валу якоря. Свободным концом торсионный вал входит в полый вал шестерни редуктора. Крутящий момент от торсионного вала на шестерню передается через шарнирное устройство.
Применение опорно-осевого редуктора в приводах II класса увеличивает неподрессоренную массу колесной пары и изменяет на
265
грузку на оси колесной пары в результате действия тяговых и реактивных сил при реализации движущего момента.
Среди приводов III класса широко распространены приводы с полым валом (рис. 4.1, д) или с карданным полым валом (рис. 4.1, е). В большинстве случаев при их использовании можно в одном комплекте с электродвигателем закреплять зубчатое колесо и полый вал, а также обеспечить большую свободу перемещения колесной-пары относительно тягового двигателя. Недостаток конструкции — значительная масса тягового двигателя вследствие развитой части корпуса, образующей опору его на полый вал (рис. 4.1, д), и мощные компенсирующие и упругие элементы, передающие большой крутящий момент.
В групповом приводе крутящий момент от одного электродвигателя или выходного вала коробки передач распределяется редукторами, карданными валами или спарниками по колесным парам одной тележки или экипажной части. Групповой привод с одним электродвигателем на тележку и редуктором применяется у некоторых магистральных тепловозов и электровозов Франции. Групповой привод с карданными валами применяется для маневровых и промышленных тепловозов. За рубежом (Германия, Австрия) он использовался и для магистральных тепловозов с гидропередачей.
Привод с карданными валами подразделяют на две группы. Приводы первой группы характеризуются тем, что все движущие оси локомотива связаны единой системой карданных валов (рис. 4.2). Ко второй группе относятся приводы, рассчитанные на независимое обслуживание каждой тележки. В этом случае гидравлическая коробка передач может быть расположена как на раме тележки (рис. 4.3, а), так и на раме локомотива (рис. 4.3, б, в).
Если коробку передач устанавливают на тележку, то привод к осям выполняют без раздаточных редукторов, а осевые редукторы делают одноступенчатыми. Это позволяет уменьшить массу неподрессоренной части. Однако масса тележки в целом значительно увеличивается. Кроме того, создаются тяжелые условия для работы карданного вала, связывающего первичный двигатель с коробкой передач, и возникает потребность в применении гибких трубопроводов, соединяющих коробку передач с системой охлаждения масла.
266
Рис. 4.2. Кинематические схемы передачи с единой системой карданных валов:
а — с одной силовой установкой; б — с двумя силовыми установками; в — с промежуточными редукторами; 7 — дизель; 2 — гидравлическая коробка передач; 3 — реверс-редуктор; 4— осевой редуктор; 5 — карданный вал; 6 — промежуточный редуктор
Рис. 4.3. Схемы карданного привода к тележке:
1 — дизель; 2 — коробка передач; 3 — карданный вал; 4 — осевой редуктор; 5 — раздаточный редуктор; 6 — промежуточный редуктор
267
Если коробку передач устанавливают на раму локомотива, то приводы могут быть выполнены с одним общим раздаточным редуктором или с одним раздаточным и одним промежуточным редукторами. В последнем случае неподрессоренная масса колесной пары снижается в результате применения одноступенчатых осевых редукторов. Однако количество карданных валов и редукторов в приводах такого рода на единицу больше, чем в приводах с общим раздаточным редуктором. В практике отечественного локомоти-востроения тяговый привод, выполненный по схеме рис. 4.3, в, был применен Коломенским тепловозостроительным заводом для пассажирского тепловоза ТГП50 мощностью 2940 кВт. Сравнивая карданные приводы двух групп, отметим, что по использованию сцепного веса локомотива приводы первой группы лучше.
Спарниковые приводы (рис. 4.4) с отбойным валом используют для промышленных и маневровых локомотивов небольшой мощности, например тепловозов ТГМ23 Муромского завода. Привод этого типа отличается простотой и надежностью в работе, однако применение его ограничено специфической конструкцией экипажной части и невозможностью использования унифицированных узлов и деталей.
Групповой привод с одним электродвигателем на тележку применяют в основном для французских локомотивов. Крутящий мо-
мент от одного тягового
Рис. 4.4. Схема спарникового привода с отбойным валом:
1 — коробка передач; 2 — карданный вал; 3 — реверс-режимный механизм; 4—дизель; 5 — движущая колесная пара;
6 — отбойный вал; 7 — спарник
двигателя передается на движущие оси через систему зубчатых колес, объединенных в редуктор, который может быть расположен как внутри, так и снаружи тележки. Во Франции с подобным приводом построены также локомотивы с трехосными тележками, например тепловоз СС72000. В СССР групповой привод был применен для опытных электровозов ВЛ40 и ВЛ83. Тележ
268
ки локомотивов с таким приводом получаются компактными, с малым моментом инерции относительно вертикальной оси, что важно для улучшения ходовых качеств локомотивов при высоких скоростях движения в кривых и прямых участках пути. К недостаткам подобных конструкций следует отнести сложность тягового редуктора. Кроме того, в эксплуатации наблюдается рост динамических нагрузок в приводе по мере износа бандажей и появления разницы в диаметрах кругов катания колесных пар тележки.
Комбинированный тип приводов находит ограниченное распространение. Карданный привод в комбинации со спарниковым механизмом (рис. 4.5, а) применяют в зарубежных тепловозах малой мощности; тяговый электродвигатель, подвешенный на раме кузова в комбинации с карданным механизмом (рис. 4.5, б), установлен в маневровом тепловозе ТЭМ12, тяговом модуле ТЭУ630 Людиновского завода. Последней конструкцией привода достигается полная унификация тележек тепловозов с гидравлической и электрической передачами. Применение электрической передачи увеличивает КПД тепловоза по сравнению с гидравлической.
Рис. 4.5. Схема комбинированного передаточного механизма: а — карданный привод со спарниковым механизмом; б — тяговый электродвигатель с карданным механизмом; 1 — осевой редуктор; 2 — карданный вал; 3 — тяговый электродвигатель; 4— суммирующий редуктор;
5 — дизель; 6 — коробка передач; 7 — спарник
269
Кроме того, тяговые двигатели локомотива работают в лучших условиях, чем при индивидуальном электрическом приводе колесных пар с опорно-осевым подвешиванием тяговых двигателей (снижаются динамические нагрузки, уменьшается воздействие атмосферных условий и т.п.).
4.2. Тяговые приводы локомотивов с электрической передачей
Конструкция опорно-осевого подвешивания. Большинство грузовых и маневровых локомотивов с электропередачей оборудованы индивидуальными приводами движущих колес с опорно-осевым подвешиванием тяговых двигателей. В тепловозах такую передачу выполняют обычно односторонней, и она состоит из пары прямозубых колес, закрытых кожухом. Двухстороннюю косозубую передачу чаще применяют в электровозах.
При опорно-осевом подвешивании тяговый двигатель 1 (рис. 4.6) опирается жестко одной стороной на ось колесной пары 3 моторно-осевыми подшипниками 7, другой стороной опорным приливом упруго через подвеску 2 — на раму тележки.
Подшипник со стороны зубчатой передачи прижат к ступице колесного центра, а в некоторых конструкциях к ступице зубчатого колеса; с противоположной стороны между ступицей колесного центра и подшипником установлено разъемное уплотнительное кольцо. Общее перемещение тягового двигателя относительно оси устанавливается 1 мм.
Моторно-осевые подшипники (рис. 4.7) оборудованы разъемными вкладышами 22 и 24, изготовленными из бронзы марки ОЦС 5-5-5 ГОСТ 613-79. Положение вкладышей в корпусе электродвигателя фиксируется шпонкой 23. Верхние вкладыши 24 установлены в остов двигателя, нижние 22, с вырезом 180x60 мм для подвода смазки, прижаты к верхним корпусами 75 подшипников, у которых есть камеры для размещения смазывающего польстерного устройства. Корпус подшипника крепится к остову электродвигателя четырьмя болтами 21. Во избежание повышенных давлений по краям вкладышей из-за прогиба оси колесной пары расточку внутренней поверхности вкладышей выполняют по гиперболе.
270
Полъстерное устройство (рис. 4.7) подает смазку к узлу трения с помощью польстерного пакета (фитиля) 16, собранного из трех пластин тонкошерстного каркасного войлока. Польстерный пакет закреплен в подвижной коробке 20 так, что рабочий торец пакета выступает на 16± 1 мм над кромкой коробки. Коробка для возможности перемещения без перекосов и заеданий в направляющих 2 корпуса подпружинена четырьмя пластинчатыми пружинами: по две снизу и сверху. Каждая пластинчатая пружина одним концом прикреплена к коробке и может свободно перемещаться в пазе корпуса коробки при ее деформации. Коробка с польстерным пакетом винтовыми пружинами постоянно поджимается усилием 40—60 Н через окно во вкладыше 22 к шейке оси колесной пары.
В нижней части масляной ванны корпуса подшипника есть отстойник для конденсата со сливной пробкой 14, а сверху она закрыта крыш-
Рис. 4.6. Колесно-моторный блок с опорно-осевым подвешиванием электродвигателя:
1 — тяговый электродвигатель; 2 — подвеска двигателя; 3 — колесная пара; 4 — тяговый редуктор; 5 — шестерня;
6 — зубчатое колесо
кой 10 с паронитовой прокладкой. Масляная ванна заполняется
через отверстие в боковой стенке корпуса подшипника осевым маслом марок Л, 3 или С в зависимости от времени года и места эксп-
271
1
2
Рис. 4.7. Польстер тягового двигателя:
1 — пластинчатые пружины; 2 — направляющая корпуса; 3 — корпус; 4 — стержень; 5 — трубка; 6 — ось; 7 — фиксатор; 8 — пружина; 9 — рычаг; 10 — крышка; 11, 18 — болты; 12 — прокладка; 13 — пробка-щуп; 14 — пробка; 15 — корпус подшипника; 16 — фитиль; 17 — проволока; 19 — прилив корпуса; 20— коробка; 21 — болт; 22 — нижний вкладыш; 23 — шпонка; 24— верхний вкладыш
луатации тепловоза. Кромка заправочного отверстия определяет наибольший уровень смазки, соответствующий объему масла в ванне 6 л. Наименьший допустимый уровень смазки отмечен риской на щупе пробки 13.
В целях повышения работоспособности осевых подшипников, особенно при эксплуатации в северных районах, тепловозы с конца 70-х гг. оборудуются электродвигателями ЭД-118Б с циркуляционной системой смазывания. В целом колесно-моторные блоки с электродвигателями ЭД-118А и ЭД-118Б взаимозаменяемы.
Циркуляционная система смазывания осевых подшипников обеспечивает циркуляцию масла по замкнутому кругу через
272
вкладыши осевых подшипников. На электродвигателе установлен единый осевой подшипник, который включает в себя две польстерные камеры и в нижней средней части маслосборник вместимостью 35 л, соединенные системой каналов. В маслосборнике установлен шестеренный насос, который приводится в действие от оси колесной пары через шестерню, выполненную разъемной для возможности монтажа и демонтажа без расформирования колесной пары, и зубчатое колесо, укрепленное на валу насоса.
В польстерных камерах вместимостью 5 л каждая размещены польстерные смазывающие устройства, полностью унифицированные с устройствами, применяемыми для электродвигателей ЭД-118А. Камеры левой и правой сторон сообщаются через канал на уровне нижних кромок окон вкладышей. При движении тепловоза масло, нагнетаемое насосом, по системе каналов в подшипнике поступает в польстерные камеры, оттуда самотеком через окна во вкладышах проникает в зазор между шейкой оси колесной пары и вкладышем, а затем по каналам сливается в маслосборник, замыкая круг циркуляции. В момент трогания и до скорости движения 25 км/ч, когда насос не обеспечивает подачу достаточного количества масла, смазывание подшипника в основном осуществляется польстерным устройством.
Материал вкладышей (бронза) очень дорогой. Всего для шестиосного тепловоза с учетом припуска на обработку заготовки необходимо 720 кг бронзы. Поэтому перспективными являются вкладыши со стальной основой и слоем бабита толщиной 4—5 мм.
Моторно-осевые подшипники скольжения обладают рядом существенных недостатков. Они требуют постоянного смазывания жидкой смазкой. В условиях повышенной вибрации трудно избежать утечек масла. Подшипники подвержены износу даже при высококачественной смазке. В эксплуатации необходимо следить за уровнем и качеством смазки.
Начиная с конца 90-х гг. XX века локомотивостроительные фирмы Западной Европы и США начали выпускать электровозы и тепловозы с моторно-осевыми подшипниками качения. В отечествен
273
ном локомотивостроении впервые подшипники качения были установлены в колесно-моторном блоке тепловоза ТЭРА1. Техническими требованиями, разработанными ВНИИЖТ и ВНИКТИ к новым магистральным локомотивам, предусмотрено применение моторно-осевых подшипников качения.
Специалистами ВНИКТИ разработан для грузовых тепловозов колесно-моторный блок с осевыми коническими подшипниками качения. Колесная пара тепловоза в этом случае (рис. 4.8) со-
Рис. 4.8. Колесная пара с моторно-осевыми подшипниками качения:
1 — ось колесной пары; 2 — обандаженное колесо; 3,5 — подшипники; 4 — корпус подшипников; 6 — упругое зубчатое колесо тягового привода; 7 — масленка; 8 — болт крепления корпуса подшипников; 9 — лабиринтное кольцо; 10, 15 — крышки подшипников; 11, 14 — болты крепления крышек подшипников; 12 — проставочное кольцо; 13 — стакан
274
стоит из оси 1, двух обандаженных колес 2, двух конических подшипников 3, 5, корпуса подшипника 4, упругого зубчатого колеса 6 тягового редуктора. Наружное кольцо подшипника 5 (со стороны тягового редуктора) устанавливается в корпусе 4, а наружное кольцо подшипника 3 сначала устанавливается в стакан 13, а затем вместе со стаканом в корпус 4. Свободные полости подшипниковых узлов и сами подшипники заправляются специальной консистентной смазкой. Внутренние кольца подшипников в сборе с роликами и сепараторами, нагретые до температуры 90—100 °C, устанавливаются на ось колесной пары. Подшипник 5 закрывается с одной стороны крышкой 15, а с другой корпусом 4, а подшипник 3 корпусом 4, крышкой 10 и лабиринтным кольцом 9. Крышки подшипников вместе с корпусом стягиваются болтами И и 14, а корпус крепится к тяговому электродвигателю болтами 8. Для дозаправки подшипников на корпусе устанавливаются масленки 7. Осевой зазор подшипников 0,2-0,3 мм регулируется проставочным кольцом 12. Такая конструкция моторно-осевых подшипников применена на тепловозе 2ТЭ25А.
Конструкция упругой опоры тягового двигателя на раму тележки представлена на рис. 4.9. Это подвешивание называют траверсным. Траверса состоит из нижней 5 и верхней 2 балок, между которыми расположены четыре пружины 3, предварительно затянутые усилием около 40 кН при помощи стяжных болтов 4. Через крайние пружины и кронштейны 1 поперечных балок рамы тележки пропущены направляющие стержни 9, которые снизу фиксируются от выпадания при помощи планок 8, закрепленных болтами 6 с гайками 7. Упругая подвеска двигателя к раме тележки смягчает удары, передаваемые на раму при колебаниях двигателя во время движения.
Как показал опыт эксплуатации локомотивов, траверсное подвешивание тяговых двигателей является не лучшим конструктивным решением. Пружины рассчитывают так, чтобы при развитии наибольшей силы тяги между витками оставался зазор. Однако при движении локомотива электродвигатель совершает колебания, которые могут быть особенно интенсивными при бок-
275
Рис. 4.9. Конструкция траверсного подвешивания тягового электродвигателя:
1 — кронштейн рамы тележки; 2 — верхняя балка; 3 — пружина; 4— стяжной болт; 5 — нижняя балка; 6 — болт; 7 — гайка; 8 — планка; 9 — стержень
совании, вплоть до полной осадки пружины. При этом возникают большие ударные нагрузки, которые передаются на раму тележки, корпус двигателя и зубчатую передачу. Они могут стать причинами дефектов кронштейнов подвески тяговых двигателей на раме тележки, проворота шестерни или дефектов зубьев, повышенной вибрации щеточного аппарата и др. Уменьшить нежелательные явления можно, если применить в подвешивании пружины с нелинейно нарастающей жесткостью или резинометаллические блоки.
В траверсном подвешивании прилив тягового двигателя, которым он опирается на верхнюю балку траверсы, перемещается при движении как в продольном, так и в поперечном направлениях. Кроме того, при колебаниях может произойти его отрыв от поверхности контакта. Все это вызывает интенсивный износ трущихся деталей. В этом отношении более совершенна конструкция маятникового подвешивания (рис. 4.10) тягового двигателя, которую применяют в электровозах ВЛ80, ВЛ80к и ВЛ 10. В этой конструкции кронштейн 6 коробчатого типа прикреплен болтами 7 к тяговому электродвигателю 77 и расположен между резиновыми шай-
276
Рис. 4.10. Маятниковая подвеска опорно-осевого тягового привода локомотива:
1 — резиновые шайбы; 2 — стальная шайба; 3 — гайка; 4 — подвеска; 5 — стальная шайба; 6 — кронштейн тягового двигателя; 7 — болты крепления кронштейна; 8 — втулка; 9 — валик; 10 — кронштейн рамы тележки; 11 — тяговый двигатель
бами 1, надетыми на подвеску 4. Головку подвески с запрессованной втулкой 8 из марганцовистой стали Г13Л валиком 9 крепят к кронштейнам 10 рамы тележки.
Крутящий момент двигателя передается парой зубчатых колес. Меньшее зубчатое колесо (шестерня) 5 (см. рис. 4.6), напрессованное с гарантированным натягом 1,3—1,45 мм на конический хвостовик вала якоря двигателя, находится в зацеплении с ведомым зубчатым колесом 6, напрессованным на ось колесной пары или ступицу колесного центра. Зубчатые колеса предохраняются от пыли и грязи кожухом 4, который крепится к тяговому двигателю. Кожух является также резервуаром для масла, необходимого для смазывания зубчатых колес.
Зубчатая передача при опорно-осевом подвешивании двигателя работает в тяжелых условиях переменных режимов работы и динамических нагрузок. Ухудшению условий работы способствует деформация оси и вала якоря при консольном креплении шестерни, а также перекос остова двигателя относительно оси колесной пары вследствие зазоров в моторно-осевых подшипниках, которые в эксплуатации могут достигать более 3 мм. Перекос зубчатых колес приводит к неравномерному распределению нагруз
277
ки по длине зуба и к чрезмерной концентрации напряжений в некоторых точках. Компенсировать влияние этого перекоса можно, если выполнить зуб по длине в виде трапеции. Например, у зубьев шестерни (рис. 4.11) тяговых электродвигателей тепловозов ТЭМ2У и 2ТЭ10В сделан скос 0,24 мм.
Вследствие тяжелых условий работы зубчатых колес их изготовляют из легированных сталей. Штампованные заготовки для шестерни выполняют из хромоникелевой стали 12Х2Н4А или 20Х2Н4А, а зубчатого колеса из стали 45ХН ГОСТ 4543-71. Зубья ведущей шестерни цементируют на глубину (после шлифования) 1,6—1,9 мм и подвергают поверхностной закалке до твердости HRC 60; твердость сердцевины зуба и обода должна быть HRC 30—45.
Рабочую поверхность зубьев ведомого колеса закаливают токами высокой частоты на глубину 1,5—3 мм, при этом твердость закаленного слоя доводится до HRC 55—65, а твердость сердцевины зуба и обода колеса HRC 26—32. После закалки и шлифования профиль зуба и впадину шестерни и колеса проверяют магнитным дефек-
Рис. 4.11. Шестерня тягового электродвигателя
278
тоскопом на наличие трещин. Для повышения усталостной прочности впадины зубьев упрочняют накаткой. Чтобы увеличить прилегание зубьев шестерни и колеса, зубчатую пару перед сборкой подвергают заводской прикатке на стенде под нагрузкой.
В конструкции кожуха тягового редуктора необходимо предусмотреть прочность и герметичность всех соединений. У кожуха редуктора тепловоза 2ТЭ116 (рис. 4.12) улучшена герметизация соединения горловины и сальникового уплотнения со стороны моторно-осевого подшипника. Верхняя 1 и нижняя 9 половины кожуха сварные. Изнутри и снаружи к верхней половине кожуха по всему периметру приварены накладки 3 и 4. В образованный этими накладками паз укладывается резиновая трубка для уплотнения разъема. Половины кожуха скрепляются четырьмя болтами 7.
Кожух центрируют горловиной по бурту вкладыша осевого подшипника и жестко крепят к остову тягового двигателя в трех точках болтами М42, ввернутыми в бонки 8, 15. Прокладками, уста
Рис. 4.12. Кожух тягового редуктора
1,9 — верхняя и нижняя половины кожуха; 2 — сапун; 3,4 — накладки; 5 — уплотнительная резиновая трубка; 6 — прокладка; 7 — болт; 8, 15 —• бонки; 10 — пробка заправочной горловины; И — войлочное полукольцо; 12 — полукольцо; 13 — отражательное полукольцо; 14 — расширительный короб; Б, В — отверстия для слива масла из уплотнений в кожух редуктора
279
навливаемыми под болт бонки 8, обеспечивается правильная установка кожуха относительно зубчатого колеса (торцевой зазор должен быть не менее 8 мм, а радиальный между ступицей колесного центра и горловиной кожуха не менее 1,5 мм).
Уплотнение кожуха с внешней стороны в месте соприкосновения горловины с буртом вкладыша осевого подшипника создается войлочными полукольцами JJ, уложенными в пазы горловины. Уплотнение кожуха относительно оси выполнено бесконтактным с дополнительным расширительным коробом 14 с отражательным полукольцом 13 и в нижней части отверстием Б для возврата в полость кожуха проникшей в короб смазки. В нижнюю половину кожуха заливают осерненную смазку СТП в количестве 5 кг. При этом зубья колеса погружаются в смазку не глубже окружности впадин. В эксплуатации контролируют уровень смазки, дозаправляют ее через горловину, закрытую пробкой 10.
Одним из эффективных направлений увеличения долговечности зубчатой передачи может быть применение упругих зубчатых колес.
Конструкции упругих зубчатых колес тяговых передач разнообразны. Одна из таких конструкций применяется в тяговом редукторе тепловозов 2ТЭ10В, 2ТЭ10М, 2ТЭ116 (рис. 4.13, а). Крутящий момент от ведущей шестерни передается через зубчатый венец 6, упругие резиновые элементы 4, 10 и диски 8, жестко связанные со ступицей 2 зубчатого колеса болтами 3, на ось колесной пары. У зубчатого колеса упругие элементы разной жесткости двух типов. При малом крутящем моменте работают восемь мягких элементов 4. С увеличением крутящего момента венец поворачивается, и при угле поворота примерно 1° вступают в работу восемь более жестких элементов 10. Упругие элементы закреплены стопорными кольцами и закрыты стопорными дисками 7. Бочкообразные ролики 9 центрируют венец относительно ступицы. Зубчатый венец изготовляют из стали 45ХН.
Упругие резиновые элементы применяют и в конструкциях самоус-танавливающихся зубчатых колес. Эти конструкции (рис. 4.13, б) отличаются одна от другой устройством резинометаллических блоков. Зубчатый венец центрируют по сферической поверхности ступицы.
В качестве упругих элементов кроме резины используют пружины, рессорные пакеты. В зубчатом колесе электровоза ВЛ8
280
Рис. 4.13. Упругие зубчатые колеса:
1 — палец; 2 — ступица; 3 — болт; 4,10 — упругие резиновые элементы; 5 — втулка; б — зубчатый венец; 7 — стопорный диск; 8 — диск; 9 — ролик
(рис. 4.13, в) упругими элементами являются девять комплектов двухрядных пружин. Шестерню выполнить упругой значительно сложнее вследствие ее ограниченных размеров.
Конструкция опорно-центрового подвешивания тягового двигателя. В этом случае (см. рис. 4.1, б) появляется необходимый элемент конструкции — полый вал.
На рис. 4.14 зубчатое колесо двухсторонней косозубой передачи состоит из двух частей: центра 6 и венца 8. Венец двенадцатью болтами 7 крепят к центру. Центры обоих зубчатых колес соединены полым валом 1, к которому их крепят при помощи болтов 2. На
281
Рис. 4.14. Опорно-центровое подвешивание тягового электродвигателя: 1 — полый вал; 2, 7, 10, 14 — болты; 3 — подшипник; 4 — лабиринтное уплотнение; 5 — фланец двигателя; 6 — центр зубчатого колеса; 8 — венец; 9 — поводок зубчатого колеса; 11,13 — сегменты; 12 — резиновый блок; 15 — колесный центр; 16 — трубка
полый вал фланцем 5 опирается двигатель через напрессованные роликовые подшипники 3 с лабиринтным кольцом 4. Подшипник на одной стороне вала упорный, а на другой допускает поперечные перемещения. Упругой связью между центром 15 колесной пары и зубчатым колесом служат шесть резиновых кольцевых блоков 12, связанных с одной стороны через привулканизированные сегменты И болтами 10 с поводками 9 центра зубчатого колеса, а с другой — через привулканизированные сегменты 13 болтами 14 с центром 15 движущего колеса. В центры зубчатых колес запрессовано по двенадцать трубок 16, через которые удаляется излишняя и старая смазка. Диаметр трубок подобран таким, что при нормальной температуре смазки образуется масляная пробка; при повышении
282
температуры подшипника вязкость масла уменьшается и ее излишек удаляется.
Резиновые блоки работают на сдвиг, передавая крутящий момент с зубчатого колеса на колесную пару, а также на сжатие от веса двигателя и динамического воздействия пути. Для того чтобы переменные нагрузки не вызывали растяжение резины, резиновые блоки устанавливают с предварительным сжатием до напряжения 2,5-105 Па. Резиновые блоки подбирают с одинаковой характеристикой на сжатие во избежание появления эксцентриситета между осью колесной пары и полым валом.
Описанное упругое подвешивание конструктивно сложнее обычного, однако эффективно снижает динамические нагрузки, действующие как на привод, так и на путь. Вертикальные ускорения двигателя в плоскости оси колесной пары при скорости 100 км/ч в 5 раз ниже, чем при жестком подвешивании, а горизонтальные ускорения меньше в 6 раз.
Конструкция опорно-рамного подвешивания тягового двигателя.
Приводы II класса с компенсирующими связями, расположенными на стороне меньшего крутящего момента. В приводах этой группы компенсирующий элемент — кардан, расположенный между валом якоря и шестерней редуктора. Конструкции могут быть в основном двух видов: с коротким жестким карданом, соединяющим хвостовик якоря двигателя с ведущей шестерней тягового редуктора, и с длинным карданным или торсионным валом, проходящим через полый вал якоря. Применение короткого кардана возможно при небольших размерах тягового двигателя, так как вал занимает много места между колесами движущей колесной пары. Для уменьшения размеров привода по ширине вместо карданов используют кулачковые зубчатые или эластичные резинокордные муфты. Такие муфты применяют в электроподвижном составе.
Тяговый привод с карданным валом, проходящим через полый вал якоря, применен на тепловозе 2ТЭ121 и электровозе ЭП10 (рис. 4.15). В этой передаче крутящий момент от полого вала 13 якоря передается через напрессованный на хвостовик якоря фланец 14 и зубчатую муфту 15. От зубчатой муфты крутящий момент через карданный вал 12 и фланец 11 передается на два резинокордных диска 9, которые с одной стороны крепят металли-
283
Рис. 4.15. Колесно-моторный блок тепловоза ТЭ121:
1 — кронштейн; 2 — тяговый редуктор; 3 — электродвигатель; 4— реактивная тяга; 5 — упругое зубчатое колесо; 6 — вал; 7 — шестерня; 8, 10 — кольцо; 9 — резиновый диск, 11 — фланец; 12 — карданный вал; 13 — вал якоря; 14 — фланец; 15 — зубчатая муфта; 16 — колесная пара
284
ческими кольцами 8 к фланцу кардана, а с другой — кольцами 10 к диску вала 6. На вал напрессована шестерня 7, которая двумя роликовыми подшипниками установлена в корпусе тягового редуктора 2. В зацепление с шестерней 7 входит упругое зубчатое колесо 5, напрессованное на ось колесной пары 16. По конструкции это колесо выполнено таким же, как и у тепловоза 2ТЭ116 (см. рис. 4.13, а). Передаточное число зацепления и = 4,32, модуль т = 10 мм.
Тяговый редуктор 2 — силовой. Он состоит из двух половин с разъемом по оси колесной пары. Нижняя половина образует картер редуктора. Одним концом редуктор через два роликовых и один шариковый подшипники опирается на ступицу зубчатого колеса, а другим упруго через реактивную тягу 4 — на раму тележки. Тяговый двигатель 3 крепят к раме тележки кронштейном 1 и приливом на корпусе.
Зубчатая муфта, карданный вал и резинокордные диски передачи компенсируют относительные вертикальные и продольные перемещения тягового двигателя и колесной пары. Однако у этих элементов повышенная жесткость на кручение, поэтому в приводе предусмотрено применение упругого зубчатого колеса. Привод колесной пары тепловоза 2ТЭ121 рассчитан на реализацию длительного усилия до 50 кН.
В схеме рис. 4.1, г торсионный вал, проходящий через полый якорь, с одной стороны связан упруго через резиновые элементы с якорем, а с другой стороны — через шарнирное устройство, размещенное внутри полой шестерни, с самой шестерней. Такая конструкция увеличивает пространство для размещения тягового двигателя.
Приводы III класса с компенсирующими элементами, расположенными на стороне большего крутящего момента. Опорно-рамный привод такой конструкции впервые применен на тепловозе ТЭП60 (см. рис. 4.1, д). Полый вал вращается в подшипниках скольжения, расположенных в корпусе тягового электродвигателя. Корпус двигателя опирается на раму тележки в трех точках. Перемещения рамы тележки относительно оси колесной пары обусловлены зазором между валом и осью, равным при статическом положении локомотива 35 мм. Корпус редуктора прикреплен к тяговому электродвигателю. Подрессоривание тягового редуктора создает дополнительные габаритные ограничения. Вследствие увеличения клиренса (вы
285
сота положения нижней точки редуктора над головкой рельса) до 180 мм необходимо уменьшать диаметр зубчатого колеса примерно на 30 мм по сравнению с его диаметром в приводах I и II классов. Это приводит к уменьшению передаточного числа редуктора, что весьма существенно для грузовых локомотивов.
Крутящий момент от полого вала колесной паре передается через шарнирно-поводковые эластичные муфты, расположенные с наружной стороны колесных центров. Такая конструкция шарнирно-рычажной муфты допускает вертикальные перемещения оси колесной пары относительно рамы тележки не более 35 мм.
Дальнейшим развитием опорно-рамного привода с шарнирнорычажными муфтами является конструкция, примененная на тепловозе ТЭП70 (см. рис. 4.1, в). Для такого колесно-моторного блока (рис. 4.16) характерна передача крутящего момента через полый карданный вал 3 с шарнирно-рычажными центрирующими муфтами 7, 8 и использование подшипников качения в опоре ведомого зубчатого колеса тягового редуктора.
Венец 6 ведомого зубчатого колеса шестнадцатью призонными болтами соединен со ступицей 7. Ступицу через подшипниковый узел устанавливают на опоре 5, которую шестью болтами М42 жестко крепят к остову двигателя. Ступица четырьмя звездообразно расположенными вилками соединяется с полым валом через поводки шарнирно-рычажной муфты. Поводки через резинометаллические шарниры и валики муфты 8 соединяются с четырьмя расположенными звездообразно кронштейнами полого вала 3. Вторая муфта 7, вынесенная за диск колеса, подобна по конструкции первой. Поводки этой муфты соединяются через резинометаллические шарниры с пальцами 2 кронштейнов полого вала и пальцы, запрессованные в колесные центры. Опора 5 — отливка ответственного назначения из стали марки 25Л, а ступица 7 — отливка особо ответственного назначения из той же стали. С целью снижения массы и упрощения конструкции подвешивания тягового двигателя опора выполнена заодно вместе с рычагом крепления корпуса двигателя к раме тележки.
Подшипниковый узел опоры состоит из двух роликоподшипников 2002872 с короткими цилиндрическими роликами размерами 360 х 440 х 48 и одного радиального шарикового подшипника раз-
286
оо
1601
Рис. 4.16. Колесно-моторный блок тепловоза ТЭП70:
1,8— шарнирно-рычажные муфты; 2 — палец; 3 — полый вал; 4 — тяговый электродвигатель; 5 — опора; б — венец; 7 — ступица; 9 — кожух тягового редуктора
01220
мером 360 х 440 х 38. Шариковый подшипник разгружен от радиальной и воспринимает только осевую нагрузку. Внутренний диаметр подшипника определен из условия обеспечения вертикального перемещения оси колесной пары 40 мм, наименьшего зазора между полым валом и опорой 10 мм и прочности этих элементов. Для защиты подшипникового узла от попадания осерненной смазки из кожуха тягового редуктора применено двухступенчатое лабиринтное уплотнение со стороны электродвигателя.
Масса конструкции колесно-моторного блока тепловоза ТЭП70 на 500 кг меньше массы такого же блока тепловоза ТЭП60. Это достигнуто использованием короткой опоры, выполненной как одно целое с рычагом крепления корпуса двигателя, и отсутствием в приводе плавающих рамок. В дальнейшем этот привод был применен как унифицированный для тепловоза ТЭП80.
4.3. Выбор основных параметров и расчет прочности элементов тягового привода с электродвигателем
Передаточное число тягового редуктора определяют после выбора тягового двигателя и диаметра движущих колес. Передаточное число и находят из условия обеспечения заданной скорости движения локомотива на расчетном подъеме:
M=l’8Z?K(®p/vp), (4-1)
где С0р — угловая скорость якоря тягового электродвигателя при расчетном режиме работы, рад/с; DK — диаметр колеса, м; vp — скорость движения, км/ч.
Выбранным передаточным числом обеспечивается достижение локомотивом скорости, не меньше конструкционной, при наибольшей угловой скорости якоря тягового двигателя 0Dmax, т.е. соответствие неравенству
т < 1,82) (со /и). (4.2)
Выбор параметров зубчатого зацепления тягового редуктора.
Здесь и далее ограничимся рассмотрением лишь прямозубых передач. Зубчатую передачу приходится вписывать в ограниченные габариты при заданном межцентровом расстоянии, что существенно
288
затрудняет выбор ее оптимальных параметров. Для повышения работоспособности зубчатой передачи применяют высококачественные стали, контурную закалку рабочих поверхностей и фланкирование зубьев, упругие зубчатые колеса и другие конструктивные и технологические мероприятия.
Коррекция зубьев наиболее эффективно обеспечивает компактность передачи без снижения надежности. У некоррегированной шестерни, нарезанной стандартным инструментом, наименьшее количество зубьев zmin = 17, а при положительной коррекции это количество можно довести до шести. Практика показала, что по условиям прочности соединения шестерни с валом якоря двигателя их должно быть не меньше 14. Суммарное число зубьев зубчатой передачи
zz=z1+z2=z1(u + l), (4.3)
где Zp z2 — числа зубьев соответственно ведущего и ведомого колес.
Для редуктора пассажирских локомотивов суммарное число зубьев может быть предварительно оценено по формуле
zz = (2ат -т)/т , (4.4)
где ош — межосевое расстояние; т — модуль зубьев.
Модуль т принимают равным 9—10 мм при крутящем моменте на колесной паре, не превышающем 20 кН-м; при большем крутящем моменте модуль увеличивают до 11—12 мм. Межосевое расстояние обычно выбирают из условий компоновки передачи. Параметры тяговых редукторов современных тепловозов приведены в табл. 4.1. Коэффициенты смещения (коррекции) и геометрические параметры шестерни и зубчатого колеса определяют по ГОСТ 16532-70. Предварительно для нормального исходного контура зубьев по
Таблица 4.1
Параметры тяговых редукторов локомотивов
Параметр Серия локомотива
2ТЭ116 2ТЭ10В ТЭМ18 2ТЭ121 ТЭП70 ЧМЭЗТ
и 4,412 4,53 4,32 3,12 5,06
Z1 17 15 22 25 15
Z2 75 68 95 78 76
пг, мм 10 10 10 10 10
Ощ, мм 468,8 468,8 595 520 —
289
Рис. 4.17. Схема для проверки вписывания тягового редуктора
ГОСТ 13755-81 выбирают: угол профиля а = 20°; коэффициент высоты головки h = 1: а коэффициент высоты ножки hj. = 1,25; коэффициент граничной высоты h* = 2; коэффициент радиального зазора с* = 0,25. Необходимо выдержать соотношения (рис. 4.17):
d » <D -25;
WVXT <4-5>
гдеб = 8) + 62 + 83; b = b\+bi + by 8] > 120 мм; 32 = 4—7 мм; 83 = 8—10 мм;
— расстояние между колесами ведущей колесной пары; В„ — длина корпуса тягового электродвигателя; Ь3 — расстояние между корпусом электродвигателя и колесом со стороны, противоположной тяговому редуктору; Ь\ и />2 — расстояния, показанные на рис. 4.17.
Расчет зубьев передачи на прочность. Нагрузка (крутящий момент), действующая на шестерню, Н-м,
^=^£/2^(1/^), (4.6)
где FK — касательная сила тяги локомотива, Н; кр — число тяговых редукторов; Г] — КПД редуктора.
При трогании с места
F = F = N ш (4 7)
к к шах сц т к ’ \ >
где ук — коэффициент сцепления колес с рельсами при трогании с места, равный для тепловозов с электропередачей постоянного тока 0,33, а для тепловозов с передачей переменного тока — 0,36; N — сцепной вес локомотива, Н.
Продолжительность действия FKmax не превышает 0,2—1 % времени работы передачи, если считать пробег локомотива не менее 1 млн км. Поэтому прочность локомотивных зубчатых колес обусловливают не наибольшие нагрузки, возникающие при трогании с места, а те усталостные явления, которые действуют при переменных нагрузках. В связи с этим зубья колес рассчитывают на усталостные контактную прочность и прочность при изгибе, а
290
затем проверяют статическую прочность колес на наибольшую нагрузку при трогании локомотива с места.
Расчет на усталостную прочность проводят по расчетной нагрузке и эквивалентному числу циклов. Для определения этих данных необходимы сведения о режимах работы тепловоза, для которого проектируют зубчатую передачу.
На основании многолетнего опыта эксплуатации тепловозов определены режимы работы тепловозов некоторых типов (табл. 4.2, 4.3, 4.4). По данным этих таблиц можно рассчитать циклограммы нагружения (спектры нагрузок) зубчатых колес передачи проектируемого тепловоза. Эти циклограммы, в данном случае ступенчатые, являются исходным материалом для расчета эквивалентного числа циклов перемены напряжений, которое определяют следующим образом.
Общее время работы зубчатой передачи Т (ч) за заданный период пробега
(4.8)
где L — пробег локомотива км; mv — число интервалов в распределении ре-
жимов работы тепловоза по скоростям; Т — относительное время работы
Таблица 4.2
Распределение относительного времени, %, работы грузовых тепловозов
Скорость тепловоза v„ % Vmax Касательная мощность Рк, % Суммарное время, %
0 25 50 75 100
1—10 1,0 2,1 1,3 0,6 0,15 5,15
11—20 1,05 1,25 1,2 0,65 0,8 4,95
21—30 1,15 0,7 1,1 0,85 1,8 5,6
31-^0 1,45 0,3 1,2 1,15 4,9 9,0
41—50 1,5 0,2 1,25 1,4 5,7 10,05
51—60 1,85 0,2 1,4 1,6 5,9 10,95
61—70 2,2 0,2 1,7 1,9 5,6 11,6
71—80 2,9 0,15 1,9 2,15 4,75 11,85
81—90 2,4 0,15 1,7 1,75 3,5 9,5
91—100 1,6 0,2 1,25 1,2 1,9 6,15
17,1 5,45 14 13,25 35 84,8
Примечание. Время работы тепловоза на холостом ходу 15,2 %.
291
Таблица 4.3
Расчетные режимы работы зубчатого колеса тепловоза типа ТЭМ2
Скорость движения тепловоза у, км/ч Сила тяги тепловоза FK, кН Время работы на данном режиме за весь срок, % Крутящий момент на зубчатом колесе Мт, кН-м Частота вращения зубчатого колеса П2, МИН1 Время работы на данном режиме за весь срок, ч
2,5 196,2 14,58 17,17 12,6 11224
7,5 122,6 13,72 10,73 37,9 10565
12,5 98,1 8,35 85,80 63,2 6430
17,5 73,6 4,04 6,44 88,4 3107
22,5 49,1 2,43 4,30 113,7 1867
27,5 49,1 1,22 4,30 139 939
32,5 49,1 0,7 4,30 164,2 539
37,5 49,1 0,21 4,30 189,5 163
42,5 24,5 0,08 2,14 214,7 62
46,5 24,5 0,01 2,14 232,9 7,7
Таблица 4.4
Расчетные режимы работы зубчатого колеса тепловоза типа ТЭП70
Скорость движения тепловоза v, км/ч Сила тяги тепловоза Гк, кН Время работы на данном режиме за весь срок, % Крутящий момент на зубчатом колесе Мк0, кН-м Частота вращения зубчатого колеса мин"1 Время работы на данном режиме за весь срок, ч
50 163,32 15 16,60 217,5 1156,8
70 120,66 35 12,27 304,5 4048,8
100 81,96 45 8,33 435 5205,6
160 51,06 0,05 5,19 696 57,8
тепловоза в i-м интервале скорости; v;- — средняя скорость движения в ;-м интервале, км/ч.
При вычислении общего времени Тпробег L, обусловливающий прочность шестерни, принимают равным 1,5-106 км для пассажирских и 1,2-106 км для грузовых тепловозов. Для маневровых локомотивов расчетное время работы зубчатых колес тягового редуктора назначают равным 77 000 ч, исходя из того, что срок службы редуктора 10 лет, а тепловоз работает в году 88 % времени. Учитывая челночный характер работы тепловоза, при расчете используют время движения тепловоза в одну сторону. Время работы (ч) зубчатой передачи на каждом режиме
292
Т.=0,5ТТ. (4.9)
Число циклов напряжений
Яш=318гЛ//?к- (4.10)
Крутящий момент на зубчатом колесе при скорости v;-
М-. =F .D 12к , (4.11)
2z kz к р ’ v ’
где F t — сила тяги локомотива при скорости V-.
Силу тяги FKi определяют по данным табл. 4.2, 4.3, 4.4. При заданной касательной мощности касательная сила тяги пересчиты-
вается по формуле F = 3600Р . / v.. х х * KZ KZ Z
Эквивалентное число циклов перемены напряжений для расчета на контактную выносливость зубчатого колеса и шестерни при условии, что коэффициент динамической добавки vH < 0,1, находят по выражениям
N НЕ2 =X(^2z 1М2н¥Пц2Л’ (4-12)
N HEX NHE2U-
(4.13)
Подобно определяют эквивалентное число циклов напряжений для расчета на усталостную прочность при изгибе
NFE2 (4.14)
(
N =N и
v FE\ FE2
(4-15)
Исходная расчетная нагрузка для Л/2Я и ^2FaJia зубчатого колеса будет равна крутящему моменту при расчетном режиме, т.е. М2Н = M2f = Л/2р, а Дня шестеРни ^\н ~ ^\F = ^2^иГ\-
Окружную скорость в зацеплении принимают равной средней по времени скорости за все время работы зубчатой передачи
^Оф^ср, (4,16)
где соСр — средняя по времени угловая скорость вращения колес, ®ср = 21 ! 4ш2 — начальный диаметр зубчатого колеса.
293
Например, при расчете на прочность тягового редуктора тепловоза ТЭП70 были использованы режимы, приведенные в табл. 4.4. За исходную расчетную нагрузку принят крутящий момент Л/2р = 17,9 кНм на I максимальном режиме, соответствующем расчетной скорости. Далее в соответствии с ГОСТ 21354-87 определяют расчетные и допускаемые напряжения на контактную прочность, а затем — контактные и изгибные напряжения, действующие на зубья передачи при наибольшей нагрузке.
При расчете тяговых редукторов пассажирских локомотивов были получены значения напряжений, МПа (в числителе — для шестерни, в знаменателе — для колеса):
ТЭП70 ТЭП80
При расчете на усталостную прочность Контактное напряжение:
расчетное 710/710 770/770
допускаемое Напряжение изгиба: 959/720 957/715
расчетное 192/199 210/218
допускаемое аРР 235/195 235/195
При расчете на статическую прочность при трогании с места Контактное напряжение:
наибольшее расчетное О;/ max 1147/1147 1240/1240
допускаемое предельное оНР тах Напряжение изгиба: 2320/2000 2320/2000
наибольшее оР тах 347/397 387/443
допускаемое тах 665/490 665/490
4.4. Карданные приводы
Карданные приводы состоят из карданных валов, раздаточных и осевых редукторов. При проектировании карданного привода стремятся обеспечить небольшие углы наклона карданных валов, минимальные моменты инерции вращающихся масс и хорошую их балансировку. Карданные приводы стремятся максимально унифицировать, применяя однотипную конструкцию карданных валов, раздаточных и осевых редукторов.
В карданном приводе крутящий момент от коробки передач к осевым редукторам передается через карданные валы, наличие которых вследствие шлицевых и шарнирных соединений обеспечива
294
ет осевые и угловые смещения одного связываемого агрегата относительно другого. Например, при вписывании тепловоза в кривую, колебаниях надрессорного строения.
Элементы карданного привода работают в тяжелых условиях. Так, осевой редуктор привода установлен на ось колесной пары, которая при движении локомотива испытывает удары на стыках и других неровностях пути. При этом ускорения оси и корпуса редуктора могут достигать 100 м/с2 и более. Передаваемый редукторами мощных локомотивов крутящий момент составляет 40 кН-м и более (при трогании с места).
В элементах привода вследствие фрикционных автоколебаний при боксовании возникают динамические нагрузки, в 2—3 раза превосходящие наибольшие статические нагрузки при трогании. Динамические нагрузки возникают также и в результате колебаний надрессорного строения, виляния тележек, наличия углов излома карданных валов, вибрации, источником которых являются главным образом зубчатые передачи. При таком сложном и тяжелом характере нагрузок масса, приходящаяся на единицу мощности локомотивного привода, обычно в 2—4 раза меньше стационарного привода такой же мощности.
Карданные валы. В тепловозах типов ТГМ4, ТГМ6 в тяговом приводе (см. рис. 4.2, а) применяются карданные валы двух видов: раздаточные и тележечные. Раздаточные карданные валы соединяют входной вал гидропередачи со средними осевыми редукторами, тележечные связывают осевые редукторы тележки. Раздаточный вал более длинный из-за приварки проставочной трубы к шлицевому хвостовику. Карданные шарниры раздаточных и тележечных валов унифицированы.
Раздаточный карданный вал (рис. 4.18) включает в себя два шарнира, каждый из которых состоит из фланца 1, скользящей 5 и сварной 7 вилок, крестовины в сборе 2, крышек 8 и роликовых подшипников. Фланцы и вилки выполнены из стали 45 и термообработаны до твердости НВ 255—302. Крестовины изготовлены из стали марки 12ХНЗА; твердость их рабочих поверхностей после цементации и закалки с низкотемпературным отпуском термообработки равна HRC 58—62. Шлицевая часть хвостовика сварной вилки 7 из стали 38ХС после окончательного изготовления закаливается токами высокой частоты до твердости HRC 45.
295
VO
Ov
1 2
Рис. 4.18. Раздаточный карданный вал тепловоза типа ТГМ6:
1 — фланец; 2 — крестовина; 3 — балансировочный груз; 4 — масленка; 5 — скользящая вилка; 6 — гайка; 7 — сварная вилка; 8 — крышка; 9 — ролик подшипника;
10 — стакан; 11 — капроновая шайба;
12 — обойма
Радиальные нагрузки от шипа крестовины воспринимаются роликовыми бессепараторными подшипниками 814712К4. У подшипника ролики разной длины (20 и 25 мм), расположенные в шахматном порядке, диаметр роликов 8 мм. В карданных валах, выпускаемых Людиновским заводом для тепловозов, до 1987 г. применялись игольчатые подшипники 814712К1 и 814715К1. Применение роликовых подшипников повысило долговечность карданных шарниров.
Осевые нагрузки от торца шипа крестовины через капроновую шайбу 77, стакан подшипника 10 и напрессованную на стакан обойму 12 воспринимает крышка 8, которая прикреплена к проушинам шестью болтами, застопоренными проволокой.
Вилки 5 и 7 соединены между собой эвольвентными шлицами с центрированием по наружному диаметру шлицев вала. Вилка 7 состоит из шлицевого хвостовика, трубы и собственно вилки, соединенных между собой сваркой.
Смазку в шлицевое соединение запрессовывают через одну из двух диаметрально расположенных масленок 4, откуда она поступает ко всем шлицам через кольцевую проточку в скользящей вилке. Масленки крестовин и шлицевого соединения расположены таким образом, что каждая точка смазки может получать масло от любой из двух диаметрально расположенных масленок. Смазываются подшипники и шлицевые соединения смазкой «Буксол».
Фланцы карданного вала статически балансируют с точностью до 30 Н-мм; вилки допускается не балансировать. Собранный карданный вал подвергают динамической балансировке с точностью до 90 Н-мм. Статическую балансировку обеспечивают сверлением отверстий в вилках, а динамическую — установкой двух пар балансировочных грузов 3 с каждой стороны вала в пазах типа ласточкиного хвоста.
Осевые редукторы бывают одноступенчатыми, двухступенчатыми, а в некоторых случаях и трехступенчатыми (рис. 4.19). Одноступенчатый редуктор (схема I) наиболее прост по конструкции. Он состоит из одной пары конических колес. Применение одноступенчатых редукторов уменьшает необрессоренную массу колесной пары. Однако для передачи крутящего момента необходимы еще раздаточные, а иногда и промежуточные редукторы, устанавливаемые на раме тележки (см. рис. 4.3), или один из осевых редукторов
297
Рис. 4.19. Кинематические схемы осевых редукторов тепловозов с гидропередачей:
I — одноступенчатый; II — двухступенчатый; III — двухступенчатый цилиндрическо-конический; IV — двухступенчатый раздаточный; V — трехступенчатый раздаточный
может быть раздаточным, выполненным, например, по схемам IV, V (см. рис. 4.19). Такие редукторы обычно устанавливаются на средней колесной паре трехосной тележки. Крайние колесные пары оснащены одноступенчатыми редукторами, на которые крутящий момент через короткие карданные валы передается от раздаточного редуктора.
Наибольшее распространение получили двухступенчатые осевые редукторы. В зависимости от последовательности расположения зубчатых колес двухступенчатые редукторы разделяют на коническо-цилиндрические (схема II) и цилиндрическо-конические (схема III). Применение двухступенчатых редукторов для привода колесных пар обеспечивает широкий диапазон передаточных чисел при унификации редукторов. Двухступенчатый редуктор легко преобразовать в промежуточный редуктор, передавая крутящий
298
момент через карданный вал и на другие колесные пары. Трехступенчатые редукторы применяют как раздаточные (схема V).
Основные характеристики отечественных осевых редукторов приведены в табл. 4.5.
Понижающий осевой редуктор тепловозов ТГМ6А, ТГМ6Д (рис. 4.20) предназначен для передачи вращающего момента от выходного вала унифицированной гидропередачи (УГП) к колесам тепловоза. У осевого редуктора две пары зубчатых колес: коническая и цилиндрическая. Коническая пара выполнена из конических колес с круговыми зубьями z = 26 и z = 31. Цилиндрическая прямозубая пара выполнена из зубчатых колес с модулем т = 10 и числом зубьев 18 и 64. Общее передаточное число редуктора I - 4,24.
Корпус в сборе осевого редуктора конструктивно выполнен из двух частей: верхней 1 и нижней 23. Правильная установка верхнего и нижнего корпусов друг относительно друга обеспечивается шпильками с конусностью 1:50. К верхнему корпусу приварен кронштейн для крепления реактивной тяги, предотвращающей поворот корпуса осевого редуктора при передаче вращающего момента.
В расточках верхнего корпуса расположены ведущий 3 и ведомый 16 валы, установленные на роликовых подшипниках 7 и 11.
Таблица 4.5
Основные характеристики осевых редукторов
Тепловоз Номинальный крутящий момент*, Нм Число ступеней Тип колес осевой ступени** Способ передачи смаз- Передаточное число (общее) Масса редуктора, кг
ТГ102 ТГМ5 ТГМ6 38000 2 ц р 3,0 4,25 1550
ТГ16, ДР1, ДР2 ТГМЗ, ТГМЗА 38000 2 к п 2,61 1000
ТГМ4 34000 2 ц п 4,23 880
Д1 23000 1 к р 1,86
ТГП50 38000 1 к п 2,61
* Передаваемый осью колесной пары при \|/к = 0,33. * * Ц — цилиндрический; К — конический. * ** Р — разбрызгиванием; П — принудительно.
299
о
A-A
Б-Б
А., । Б
5 6 7 8 9 10 1112 1314 15 16 1718 I 19 7 13 20 21 22
1 — верхний корпус; 2 — заправочная пробка; 3 — ведущий вал; 4, 14 — фланцы; 5, 10, 20 — стаканы; 6, 12, 21 — полукольца; 7— роликовый подшипник 70-32230М; 8,17 — конические шестерни; 9, 18 — крышки; 11 — роликовый подшипник 70-32228М; 13 — шариковый подшипник 176228Д; 15 — щуп; 16 — ведомый вал; 19 — пробка; 22 — роликовый подшипник 70-2324М; 23 — нижний корпус; 24 — сливная пробка;
25 — переливное устройство
Осевые силы на ведущем и ведомом валах воспринимаются шариковыми подшипниками 13 с радиальным зазором 0,14—0,18 мм. Ведущий вал 3 выполнен со съемными фланцами; в крайних осевых редукторах вместо фланцев применены съемные колпаки.
Конические зубчатые колеса и фланцы соединены с ведущим валом коническими посадками с гарантированным натягом. Зубчатые колеса и фланцы насаживают на вал тепловым способом. Распрессовку зубчатых колес и фланцев осуществляют давлением масла, подводимого между конусными поверхностями через отверстия в торцах валов. Боковой зазор в зацеплении конических зубчатых колес регулируют подшлифовкой полуколец 6, 12, 21.
Корпус осевого редуктора установлен на оси колесной пары на двух роликовых подшипниках. Осевые усилия воспринимаются шариковыми подшипниками с радиальным зазором 0,1—0,16 мм.
Редуктор оборудован двумя щупами 75 для контроля уровня смазки в верхней и нижней полостях редуктора. Заливают масло в нижнюю полость через отверстие, закрываемое пробкой 2. В верхнюю полость масло заливают через отверстие под щуп. Переливное устройство 25 служит для слива масла, перекачиваемого в процессе работы из нижней полости в верхнюю. Масло из редуктора сливается через три пробки 24 в нижнем и верхнем корпусах. Смазывание подшипников и зубчатых колес происходит разбрызгиванием масла при вращении колес. При переполнении маслом верхней полости корпуса лишнее масло через переливное устройство 25 сливается в нижнюю часть редуктора. Осевой редуктор заправляют трансмиссионным маслом ТСП-15К, при температуре ниже -25 °C необходимо применять масло ТСп-10 ГОСТ 23652-79.
4.5. Проектирование карданного привода
При проектировании карданного привода прежде всего выбирают кинематическую схему передачи. Основные агрегаты передачи располагают таким образом, чтобы угол взаимного отклонения осей двух валов, сопрягаемых карданным шарниром, был не более 10°. Для промышленных и маневровых локомотивов, работающих на кривых малого радиуса, допускают увеличение этого угла до 15°. При отсутствии взаимной подвижности сопрягаемых карданным валом узлов для нормальной работы подшипников качения угол в шарнирных соединениях принимают не менее 3°.
301
После выбора кинематической схемы рассчитывают тягово-экономические характеристики, в результате чего определяют общее передаточное число механической части (коробки передач, раздаточного и осевого редукторов). На основании технических и эксплуатационных требований, а также возможностей производства распределяют общее передаточное число между отдельными агрегатами. Затем рассчитывают основные элементы карданного привода.
Срок службы карданного вала по основным элементам (подшипники, шлицы) до капитального ремонта для магистральных тепловозов и дизель-поездов устанавливается не менее 0,9-106 км пробега, а для маневровых тепловозов не менее 9 лет при вероятности безотказной работы 0,9.
Срок службы подшипниковых узлов в осевых и раздаточных редукторах до замены составляет 106 км пробега локомотива. Выбрав тип подшипников и определив их коэффициенты работоспособности, по каталогу подбирают серию и размер подшипников в зависимости от посадочных диаметров валов.
Для повышения работоспособности зубчатых колес редукторов, изготовленных из легированных сталей 18ХГТ, 30ХГТ, 45ХН, 12Х2Н4А, зубья термообрабатывают и применяют пластическую деформацию поверхностного слоя специальными накатками. Нормальное зацепление зубчатых колес без перекоса обеспечивается определенной жесткостью валов редукторов. Схемы нагружения валов обусловлены выбранной схемой редуктора.
При расчете на прочность элементов карданного привода важным этапом является выбор расчетных режимов нагружения.
В результате испытаний локомотивов с карданным приводом было установлено, что при трогании с места и движении в режиме тяги с малыми скоростями возможно боксование колес. Во время боксования в приводе возникают динамические моменты, в 2—3 раза превосходящие наибольший момент по сцеплению колес с рельсами. Боксование не является рабочим режимом тепловоза, и действие его кратковременно, однако для обеспечения прочности элементов карданного привода необходимо эти нагрузки учитывать при расчете на прочность.
Кинематика карданного привода. Для работы карданных валов большое значение имеют установочные углы их наклона (рис. 4.21, а).
302
Рис. 4.21. Кинематические схемы:
а — карданного привода; б — карданного шарнира; 1 — ведущий вал; 2 — промежуточный вал; 3 — ведомый вал; 4—7 — вилки; I и II — шарниры
Особенность кинематики карданных валов заключается в том, что их передаточное число валов изменяется в пределах одного оборота вала. Для синхронного вращения ведущего 1 и ведомого 3 валов необходимо, чтобы вилки 5 и 6 лежали в одной плоскости, а углы перелома Yj и у2 были равны и тоже лежали в одной плоскости.
Рассмотрим кинематику шарнира I (рис. 4.21, б). За исходное положение ведущего вала 7 примем такое, при котором крестовина лежит в плоскости, перпендикулярной его оси. При вращении вала 7 точка А будет двигаться по окружности Оу, а точка В — по окружности О2- Плоскости этих окружностей наклонены одна относительно другой под углом ур При повороте вала 7 на угол 0j точка А займет положение Аа точка В положение By. При этом промежуточный вал 2, выполняющий роль ведомого, повернется на угол р. Рассматривая сферический треугольник АуВуВ, найдем следующее выражение, определяющее угол 3 в функции угла 0р
Р = arctgflgOj/cos yj). (4.17)
Дифференцируя по времени выражение (4.17), находим отношение угловых скоростей ш2 и сор
Xj - o)2/o)j = cosYj /(sin2 0j + cos2 OjCos2 Yj). (4.18)
Из графиков изменения отношения X] (рис. 4.22) следует, что при постоянной скорости вращения ведущего вала скорость вращения промежуточного вала в течение одного оборота претерпевает два цикла изменения.
Рассматривая кинематику шарнира II по аналогии с изложенным выше, получим
303
Рис. 4.22. График изме-ю нения отношения —— в
Ю1 функции угла 0t при трех значениях угла Yj
P = arctgtg03/cosy2,
(4.19)
Х2 = со2 /со3 =cosy2 /(sin2 03 +cos2 03 +cos2 у2), (4.20)
где 03 — угол поворота ведомого вала.
Сопоставляя выражения (4.17) и (4.18) с выражениями (4.19) и (4.20), найдем, что при равенстве углов Yj и у2 в любой момент времени 0] = 03 и cd j = ш3. При yj Ф у2 передаточное число изменяется от Xmin = = cos Yi /cos у2 до Xmax = cos y2/cos yj, в результате чего на вал и связанные с ним элементы действуют крутильные колебания. Если yj = у2, то X = 1. Такая установка валов возможна только при статическом положении всех элементов привода колесных пар. На самом деле углы наклона карданного привода зависят от условий движения по прямым и кривым участкам пути. При вписывании, например, в кривые этот угол в горизонтальной плоскости может достигать 10—15°. Угол наклона карданного вала также изменяется при вертикальных колебаниях надрессорного строения. Величина его во многом зависит от длины и расположения реактивной тяги. Для уменьшения изменения угла наклона целесообразно располагать реактивную тягу горизонтально и длину ее принимать по возможности наибольшей.
Определение моментов, действующих в карданном приводе. Крутящий момент, развиваемый колесной парой при трогании из условия сцепления колес с рельсами,
D
М =2Пш (4.21)
К.П Y к 2 v 7
304
Крутящий момент, реализуемый раздаточным карданным валом,
D z
Л/кв=2ПТ^- С4’22)
'пр
Здесь в выражениях (4.21) и (4.22): 2П — нагрузка от колесной пары на рельсы, кН; \|rK — наибольший коэффициент сцепления при трогании с места, принимаемый равным 0,33; DK — диаметр колес, м; z — число колесных пар, к которым передается крутящий момент через рассматриваемый элемент привода; и — передаточное число осевого редуктора; т]пр — КПД карданного привода, приближенно его можно рассматривать как произведение т)пр ~ - ^ц'^к’^кв’ Лц ~ 0,98 — КПД цилиндрической пары зубчатых колес осевого редуктора; т|к = 0,97 — КПД конической пары зубчатых колес; т|кв = 0,99 — КПД карданного вала.
Реальный с учетом динамики момент, действующий в элементах привода, может быть значительно большим, чем момент, определяемый выражением (4.22). В общем случае для раздаточного карданного вала такой момент можно определить как
М =М (1 + (с ) (4 23)
КВ KBV Д7’
где ка = клк-^ктк^ — коэффициент динамики, учитывающий динамические
нагрузки в приводе.
Коэффициент учитывает влияние статического излома в шарнирных соединениях карданного вала на динамику привода (рис. 4.23).
Коэффициент к2 учитывает динамические нагрузки при отклонениях углов излома кардана от статических величин, когда Yj * Y2- Эти нагрузки растут с увеличением скорости движения локомотива и с уменьшением радиуса кривых участков пути. Поскольку в кривых скорость движения локомотива мала, их влиянием можно пренебречь, тогда к2 = 1+(0,0—0,1)ак, где ак — угол излома кардана относи
Рис. 4.23. Зависимость коэффициента к2 от угла излома а в шарнирном соединении карданного вала
305
тельно входного вала осевого редуктора в горизонтальной плоскости, который может для раздаточного кардана достигать величины 10—13°.
Коэффициент к^ учитывает динамические нагрузки от колебаний подрессорного строения при движении экипажа по неровностям пути. Принимается равным при горизонтальном расположении реактивной тяги осевого редуктора 1,05—1,1, а при вертикальном расположении реактивной тяги — 2—3.
Коэффициент к^ учитывает нагрузки от виляния тележек. Он может быть принят 1,1—1,5. Большие значения соответствуют жесткой связи колесных пар с рамой тележки (челюстная букса без упругих осевых упоров). При упругой связи (поводковые буксы, упругие осевые упоры) значение к^ = 1,1. Величина к^ зависит и от скорости движения локомотива. При движении локомотива с малыми скоростями, особенно в крутых кривых, тележки практически не виляют и влиянием скорости можно пренебречь.
При выборе карданного вала и оценке его прочности кроме режимов работы привода, определяющих динамический момент по выражению (4.23), рассматривают еще один возможный тяжелый режим с точки зрения динамической нагруженности элементов привода — режим боксования. Во время боксования при неблагоприятном соотношении моментов инерции ведущих и ведомых частей привода и большой «жесткости» тяговой характеристики (крутопадающая зависимость FK=j[V), что характерно для маневровых тепловозов) могут возникать интенсивные автоколебания. При этом динамический момент в элементах привода может значительно превосходить момент, реализуемый колесной парой по сцеплению. Обычно это явление может происходить при трогании локомотивом состава или при движении с малыми скоростями V < Ир, когда резко меняются условия сцепления колес с рельсами.
Наибольший динамический момент при боксовании для раздаточного вала определяются по формуле
М& =М к6, (4.24)
К.В к.в д ’ 7
где к& —коэффициент динамики при боксовании, по рекомендациям ВНИТИ, следует брать равным 2—3.
306
Выбор типа карданного вала. Отечественной промышленностью в соответствии с ГОСТ 28300-89 для тягового привода тепловозов и дизель-поездов разработан и применяется стандартный ряд карданных валов (табл. 4.6). Карданные валы выпускаются двух типов, отличающихся друг от друга способом центрирования фланцев с центральной выточкой (рис. 4.24, а) и с центрирующим выступом (рис. 4.24, б). Для выбора карданного вала из типового ряда необходимо определить наибольший динамический момент из условий нормальной работы карданного привода тепловоза по выражению (4.23), а при режиме боксования — по выражению (4.24). По полученному большему значению динамического момента выбирают требуемый по условию прочности карданный вал из типового ряда.
Пример. Выберем карданный вал, соединяющий гидравлическую коробку передач с осевым редуктором, для тепловоза, схема передачи которого приведена на рис. 4.25.
Исходные данные, род службы — маневровый; полная (номинальная) мощность 550 кВт; осевая характеристика 20—20; служебная масса 80 т. Конструкционная скорость на маневровом режиме 27 км/ч, на поездном режиме 55 км/ч; диаметр колеса 1,05 м; минимальный радиус вписывания — 40 м; передаточное число осевого редуктора — 4,24.
1. Определяем угол излома а' в шарнирах карданного вала. Установочные углы наклона карданного привода даны на схеме рис. 4.25. Для рассматриваемого карданного вала наибольший угол излома в шарнирах появляется при вписывании в кривую наименьшего радиуса, когда тележки экипажной части устанавливаются в положении наибольшего перекоса. Схема такой установки показана на рис. 4.26, а.
а' = а' + а'2 ,
где а' = arcsinL/2A; сд = arcsin(A + §)//, где Д — наибольший зазор между гребнем колеса и головкой рельса, Д = 1546 - (1440 - 3) + 26-2 = 57 мм; 1546 — наибольшая ширина колеи в кривой расчетного радиуса, мм; 26 — наименьшая толщина изношенного гребня бандажа на уровне головки рельса, мм; L — шкворневая база экипажной части, мм; / — базы тележки, мм; R — радиус кривой, мм; 5 - 15 мм — упругое перемещение колесной пары за счет поводков;
а' = arcsin 6000 /2-40000 + arcsin(57 +15)/ 2100 = 6° 15' -
Найдем угол ак излома карданного вала в горизонтальной плоскости при отклонении тележки на угол а' (рис. 4.26, б). Угол излома карданного вала, соединенного с выходным валом гидропередачи,
307
80Е
jl У ^5 Наибольший кратковременный допускаемый момент, кН-м
00 О\ -U LJ Ф с LJ Крутящий момент по пределу текучести, кН-м
lj lj го го la »— оо la О LA LA О 2 2 Сз
LL LL LJ ГО -о *— О 00 Ln О О О Di (не более)
LJ го ГО ГО >— 00 >— Ф о СП СО CJ W
ГО •— н- 1— го -о -О 4L ф Ln Ln ф СЗ
го м ГО -ГО ГО ф СО Cl
00 <1 ~о о\ h (не менее)
го го го >— LA ГО ф 00
<1 LA К LJ О Ф О LA —
00 00 -^1 “ 'VI С good ^min
LA Ln 4^ 4L La ф la la ДА
g 00 00 00 Число болтов
700 1300 2000 9000 Допускаемый дисбаланс для каждого шарнира, г-мм
Типовой ряд карданных валов
Рис. 4.25. Схема карданного привода тепловоза'
1 — колесная пара; 2 — двухступенчатый осевой редуктор; 3 — тележечный карданный вал; 4 — гидрокоробка; 5 — раздаточный карданный вал
(р = arcsin / /2 sin а = arcsinl 360 /1370 • 0,091 = 6°15'.
Угол излома карданного вала, соединенного с осевым редуктором, ак = а' + (р = 12,5°.
309
Рис. 4.26. Расчетные схемы:
а — установки экипажной части в кривой при положении тележки в наибольшем перекосе; б — для определения максимального угла излома раздаточного карданного вала в шарнирах
Таким образом, определяющим в расчете карданного вала будет угол СХК излома в шарнире осевого редуктора.
2. Определяем расчетные параметры и выбираем карданный вал.
Крутящий момент, развиваемый колесной парой при трогании,
D - ,
М = 2Пм/ - = 2,0-105 -0,33 -0,525 = 34,65-103 Н = 34,7кН.
к.п т к 2
Момент, реализуемый раздаточным карданным валом,
310
z 2
Mvn = Mv n —— = 34,65-— --------= 17,37 kH-m.
кр K'nwr|np 4,24-0,941
Коэффициент динамики при движении локомотива в нормальном режиме без боксования kR = к^к^кук^; к\ = 1,18 (по рис. 4.23) при исходном статическом угле излома кардана у = 5°; &2= 1 + 0,025 ак= 1 + 0,025'12,5 = 1,30; А'З = 1,1 при горизонтальном расположении реактивной тяги; к4 = 1,05 при упругой поперечной связи колесной пары с рамой тележки (упругий осевой упор в буксе); Лд = 1,18-1,30' 1,1 -1,05 = 1,77.
Наибольший динамический момент на карданном валу
Мкр = МкрМя = 17’37 •1’77 = 30’74 КН-
Определяем динамический момент, действующий на раздаточный карданный вал при боксовании. Примем коэффициент динамики при боксовании к& = 2,5, тогда
М6 =М к5 =17,37-2 = 43,42 кН-м. к.в к.в д’ ’
Таким образом, прочность карданного вала определяется динамической нагрузкой, действующей при боксовании.
В соответствии с табл. 4.6 можно выбрать карданный вал первого типа диаметром D = 350 мм с допускаемым кратковременным действующим моментом 47 кН-м.
4.6. Спарниковые механизмы
Спарниковый механизм является наиболее простым по конструкции типом тягового привода. Его применяют главным образом для промышленных и маневровых локомотивов небольшой мощности. Тяговый привод тепловоза ТГМ23Б (рис. 4.27) передает вращение от отбойного вала реверс-режимного редуктора через спарники 2, 4 и 6 движущим колесным парам 7, 5 и 7. В головки (рис. 4.28, а) переднего 6 и среднего 1 спарников, насаженные на палец 4 отбойного вала, запрессованы втулки 2, 3 из стали Ст5. В эти втулки вставляют общую плавающую втулку 5 из сплава ЦАМ 9—1,5 ГОСТ 17232-99. На поверхности втулки сделаны
311
Рис. 4.27. Спарниковый механизм тепловоза ТГМ23:
1,5, 7 — первая, вторая и третья колесные пары; 2, 4, б — передний, средний и задний спарники;
3 — отбойный вал
б
7
Рис. 4.28. Головки спарников:
а — на отбойном валу; б — на колесной паре; 1 — средний спарник; 2, 3 — запрессованные втулки; 4 — палец отбойного вала; 5 — плавающая втулка; 6 — передний спарник; 7 — клапанная масленка; 8 — крышка;
9 — полый штифт; 10 — штуцер для смазки
шесть рядов отверстий для прохода смазки, которая поступает через отверстия в пальце кривошипа.
В головки, надеваемые на пальцы колесных пар (рис. 4.28, б), запрессовывают втулки 2 из стали Ст5, в которые вставляют плавающие втулки 6 из сплава ЦАМ 9—1,5. Смазку к этим втулкам подают сверху через головки спарника 7, в каждую из которых ввертывают переходный штуцер 10 и специальный полый штифт 9, являющийся стопором, предохраняющим запрессованную втулку от проворачивания. Наружные торцы пальцев, а также плавающие и
313
Рис. 4.29. Шарнирный узел хвостовика среднего спарника:
I — хвостовик среднего спарника; 2 — вилка заднего спарника; 3 —- валик; 4 — разрезная коническая втулка; 5 — гайка; 6 — плавающая втулка; 7 — стальная втулка
запрессованные втулки головок спарников для защиты от пыли закрыты штампованными крышками 8.
Средний и задний спарники соединены шарнирным узлом (рис. 4.29). Для этого в хвостовик 1 среднего спарника запрессована втулка 7, закрепленная от проворачивания штифтом-заклепкой. В запрессованную втулку вставляют плавающую втулку 6. В вилке 2 заднего спарника отверстия выполнены коническими. С внутренней стороны в это отверстие конической частью входит соединительный валик 3, а с наружной — коническая втулка 4. При затягивании гайки 5 хвостовика валика последний надежно центрируется в вилке спарника двумя коническими поверхностями. Наличие суммарных зазоров в узле палец—плавающая втулка—запрессованная втулка допускает свободное перемещение колесных пар в вертикальной плоскости независимо друг от друга (не создавая при этом растягивающих напряжений в спарниках), а также компенсирование допускаемых отклонений радиуса кривошипа и разницу в межцентровых расстояниях между отдельными буксовыми направляющими.
Глава 5. ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ЛОКОМОТИВА
Вспомогательное оборудование тепловозов разнообразно по номенклатуре, конструкции, функциональному назначению и техническим требованиям. Наряду с готовыми покупными изделиями, входящими в перечень вспомогательного оборудования (компрессор, тормозные краны, воздухораспределители и некоторое другое тормозное оборудование, фильтрующие элементы, клапаны, вентили, гидронасосы и гидромоторы, радиаторные секции и т.д.), многое оборудование проектируется и изготавливается на самих локомотивостроительных предприятиях. Для создания этого оборудования и поддержания его на требуемом уровне в эксплуатации тепловозов привлекаются высококвалифицированные специалисты. На локомотивостроительных предприятиях выполняется значительный объем работ, связанный именно с проектированием вспомогательного оборудования и систем, их компоновкой на локомотиве. Вспомогательное оборудование тепловоза предназначено обеспечить нормальную и экономичную работу энергетической установки, электрической или гидравлической силовой передачи, тормозных устройств, песочниц, необходимые климатические условия в кабине машиниста, дизельном отделении, пожаробезопасность. Вспомогательное оборудование включает вспомогательные системы дизеля (топливную, масляную, водяную, воздухоснабже-ния), охлаждающие устройства теплоносителей дизеля, тяговых электрических машин и аппаратов, системы пневмоавтоматики, торможения, пескоподачи, пожаротушения и т.д.
На приводы вспомогательных агрегатов тратится до 10 % мощности дизеля. Поэтому одна из основных задач проектирования тепловозов — это уменьшение затрат мощности на вспомогательные нужды. При проектировании локомотивов решается еще одна важная задача: оптимальное размещение вспомогательного оборудования и систем.
315
5.1. Вспомогательные системы и оборудование энергетической установки
5.1.1. Топливная система
Назначение системы. Топливная система предназначена для размещения запасов топлива, фильтрации, подогрева и подвода его к энергетическим установкам (дизелям, газотурбинным установкам). Принципиально топливные системы различных тепловозов идентичны, т.е. имеют одинаковые по назначению элементы: топливные баки, фильтры, топливоподогреватели, топливоподкачивающие насосы, регулирующие клапаны, топливопроводы и устройства контроля.
Для питания тепловозных дизелей используют дизельное топливо по ГОСТ 305-82 с содержанием серы до 0,5 %. Топливо для мотовозов и автодрезин с карбюраторным двигателем — бензин.
Топливная система предназначена обеспечивать бесперебойную подачу топлива для работы дизеля в любых возможных режимах его эксплуатации. Дизельное топливо при транспортировке и последующем хранении может загрязняться: в него могут попасть вредные для работы системы механические примеси (главным образом, мелкие частицы кремне- и глинозема). Для надежной эксплуатации дизеля необходима постоянная и тщательная очистка топлива, и поэтому в топливную систему дизеля обязательно включают топливные фильтры.
Вязкость дизельного топлива значительно возрастает при понижении температуры. Во избежание затруднений в подаче загустевшего топлива в зимних условиях (ведь топливный бак размещен снаружи тепловоза под его рамой) в топливные системы обязательно включают устройства для подогрева топлива (топливоподогреватели).
Схемы топливных систем. На тепловозах применяют топливные системы двух типов: с расходным баком и без него. Топливные системы большинства отечественных тепловозов выполнены без расходного бака с одинаковой номенклатурой и схемой расположения основных агрегатов.
Рассмотрим устройство топливной системы дизеля на примере тепловоза 2ТЭ116 (рис. 5.1). Основные элементы этой системы и принципы ее работы характерны и для топливных систем дизелей
316
8
Рис. 5.1. Схема топливной системы тепловоза 2ТЭ116:
1 — топливный бак; 2, 19 — заливные горловины; 3, 16 — фильтры грубой очистки; 4 — карман для ртутного термометра; 5 — топливоподкачивающий насос; 6 — фильтр тонкой очистки; 7 — топливный насос; 8 — форсунка; 9 — вентиль; 10 — перепускной клапан; 11, 13 — предохранительные клапаны; 12 — невозвратный клапан; 14 — дроссель; 15 — топливоподкачивающий агрегат; 17 — труба для слива топлива с полок дизеля и плиты топливоподкачивающего агрегата; 18 — топливоподогреватель;
20 — заборное устройство; 21 — клапан для слива отстоя
317
других тепловозов. Топливо хранится в топливном баке 1 емкостью 8200 л. Заливается оно через одну из двух заливных горловин 2 и 19, в которые вставлены предохранительные сетки.
Предпусковую прокачку системы и подачу топлива к топливным насосам дизеля во время пуска дизель-генератора осуществляет топливоподкачивающий агрегат 75. Во время предпусковой прокачки системы и пуска дизель-генератора топливоподкачивающий агрегат 14 засасывает топливо из бака 1 через всасывающую трубу заборного устройства 20 и фильтр грубой очистки 16 и по нагнетательной трубе через невозвратный клапан 12 и фильтр тонкой очистки 6 подаег его в трубу подвода к топливным насосам 7 дизеля. Избыток топлива через перепускной клапан 10 и подогреватель топлива 18 сливается в заборное устройство бака для топлива. Топливные насосы 7 дизеля подают топливо к форсункам 8 по форсуночным трубкам. Через форсунки происходит впрыск топлива в цилиндры дизеля. Топливо, просочившееся из полости высокого давления форсунок, сливается в топливный бак.
Для обеспечения давления топлива, необходимого для нормальной работы дизель-генератора, на нагнетательном трубопроводе после топливоподкачивающего насоса 5 установлен предохранительный клапан 11, отрегулированный на давление 0,30—0,35 МПа, а в конце трубы подвода топлива к топливным насосам дизеля стоит перепускной клапан 10, открывающийся при давлении 0,11—0,13 МПа. При подготовке к пуску дизель-генератора после длительной стоянки при работающем топливоподкачивающем агрегате из трубопровода удаляют воздух открытием (отворачиванием) болтов выпуска воздуха на фильтре тонкой очистки бив подогревателе топлива 18. Вентиль 9 открывают для слива топлива из трубопровода дизеля перед снятием топливной аппаратуры. Грязное топливо с полок дизель-генератора и плиты топливоподкачивающего агрегата сливается по трубе 17 наружу тепловоза. В некоторых тепловозах, например ТЭП70, грязное топливо собирается в специальном отсеке топливного бака и затем сливается через клапан.
После пуска дизеля топливоподкачивающий агрегат отключается, и подача топлива осуществляется топливоподкачивающим насосом 5, установленным на дизеле. Топливо проходит через
318
фильтр грубой очистки 3 и нагнетается к фильтру тонкой очистки 6. Трубопровод к топливоподкачивающему агрегату 15 перекрывается невозвратным клапаном 12. Давление топлива в нагнетательном трубопроводе регулируется предохранительным клапаном 13. При отказе топливоподкачивающего насоса дизеля топливоподкачивающий агрегат используется как аварийный. В случае отказа и топливоподкачивающего агрегата подача топлива к дизелю осуществляется благодаря разрежению, создаваемому плунжерными парами топливных насосов дизеля. Топливо при этом будет поступать к дизелю через трубу с дросселем 14, минуя фильтр грубой очистки и топливоподкачивающий агрегат.
Для контроля за работой системы подачи топлива в дизель на трубопроводе до и после фильтра тонкой очистки предусмотрены специальные штуцеры, к которым присоединены трубки, ведущие к манометрам. По этим манометрам контролируется давление топлива перед топливными насосами дизеля и перепад давления на фильтре тонкой очистки. Давление топлива после фильтра тонкой очистки поддерживается не менее 0,15 МПа. Когда перепад давления на фильтре достигает 0,15 МПа, необходимо промыть фильтр поворотом крана переключения, установленным в корпусе фильтра, без остановки дизель-генератора и без разборки фильтра. Если работоспособность фильтра тонкой очистки после промывки в тепловозе не восстанавливается, надо заменить фильтрующие элементы. Для предохранения манометров от пульсаций давления топлива, вызываемых работой топливных насосов высокого давления дизеля, перед манометрами устанавливаются демпферы, или гасители пульсаций давления топлива. Если возникает необходимость замера температуры топлива во время регулировочных испытаний дизель-генератора, а также при проверке эффективности работы подогревателя топлива в предусмотренные на трубопроводе карманы устанавливают ртутные термометры.
У тепловозов 2ТЭ10Л, 2ТЭ10В, ТЭМ2У, ТЭМ18 в системе есть только один топливоподкачивающий насос, работающий от электродвигателя. Так как производительность этого насоса постоянна, а потребление топлива дизелем меняется в зависимости от его мощности, то при малых нагрузках и соответственно малом потреблении топлива давление в коллекторе топливных насосов высоко
319
го давления может существенно возрастать. Для предохранения топливоподкачивающего агрегата от перегрузки, а трубопроводов от повышенного давления в системе предусмотрена возможность перепуска избытка топлива из напорного трубопровода в сливной через перепускной предохранительный клапан 13 (см. рис. 5.1), который открывается при давлении 300—350 кПа.
В некоторых тепловозах топливная система оборудована вторым (расходным) топливным баком, установленным под кузовом тепловоза, выше дизеля. В этом случае применяются также два топливоподкачивающих насоса: один подает топливо из основного бака в расходный, а другой — из расходного бака к дизелю.
Топливная система тепловоза ЧМЭЗ и дизель-поезда Д1 оснащена прокачивающим насосом с ручным приводом для заполнения системы после длительной стоянки и в аварийных случаях.
В тепловозе ТГМ23Б избыточное топливо из насоса высокого давления сливается в сливной бак, из которого электронасосом, включаемым с пульта машиниста, топливо перекачивается в основной бак. Кроме того, при помощи электронасоса можно прокачать топливную систему для удаления из нее воздуха, а также заправить топливный бак из внешней емкости.
Оборудование топливных систем (топливоподкачивающие насосы, фильтры, клапаны, баки и т.п.) у большинства серийных отечественных тепловозов однотипно.
Трубопроводы и оборудование топливной системы окрашиваются в коричневый цвет.
Топливные баки. Для хранения топлива служат специальные баки, расположенные на раме или под рамой локомотива. Емкость бака определяют, учитывая необходимую продолжительность работы локомотива без экипировки, расход топлива на 1 кВт-ч и мощность силовой установки. Время (ч) работы локомотива на участке обращения с условно заданным профилем
T = L/vcr, (5.1)
где L — длина участка обращения, км; vCT — среднетехническая скорость локомотива на данном участке, км/ч. Для грузовых магистральных локомо-
тивов L = 800—1000 км.
320
Запас топлива (кг) при работе энергетической установки на номинальном режиме
Е = k.Tg Р , (5.2)
ст 1 йе е’
где ge — удельный расход топлива, кг/(кВг-ч); Р — эффективная мощность силовой установки, кВт; к^ = 1,10—1,20 — коэффициент запаса (резерв емкости).
Если задан нормативный вес поезда Q (тс), с которым должен работать магистральный тепловоз, то количество топлива (кг), размещаемого в топливном баке, определяется по формуле
Е = ^-, (5-3)
т 104
где е— расход топлива, кг на 104 т-км брутто (единица перевозочной работы), равный 25—35 кг/104 т-км брутто.
Необходимый объем топливного бака, м3,
(5.4)
где рт — плотность топлива, кг/м3; для дизельного топлива рт = 830—880, для мазута рт = 890—990.
Запас топлива у маневровых локомотивов определяют исходя из периода времени между обслуживаниями (у тепловозов ТЭМ2У, ТЭМ18 емкость бака обеспечивает работу без захода для экипировки в течение 7—10 суток). При этом необходимо, чтобы уменьшение сцепного веса в процессе эксплуатации не превышало 5 %. Приближенно емкость топливных баков можно определить по значению коэффициента V удельной емкости, кг/кВт. Для маневрового локомотива V = 4—5, для грузового V = 2—3, для пассажирского V = 1,8—2,3. По емкости бака с учетом вписывания локомотива в габарит подвижного состава вычисляют основные размеры бака.
Обычно топливо находится в одном баке, располагаемом под главной рамой между тележками. У локомотивов с гидропередачей и карданными приводами колесных пар (типа ТГМ6) место вдоль продольной оси главной рамы занято карданными валами,
321
поэтому топливо размещают в двух, сообщающихся между собой баках емкостью по 2700 л каждый.
Существующие конструкции баков можно разделить на два типа: включенные в силовую схему рамы и кузова и не включенные в нее. Недостаток конструкции баков первого типа — ослабление их герметичности в процессе эксплуатации. Баки второго типа подвешиваются на болтах к кронштейнам главной рамы локомотива, и они не испытывают никаких нагрузок кроме веса топлива.
Баки тепловозов ТЭМ2У, ТЭМ18 (рис. 5.2) подвешены между тележками к раме тепловоза на поперечных кронштейнах 3. Корпус бака состоит из боковых, верхних, нижнего и торцевых листов толщиной 4 мм, соединенных сваркой с двумя вертикальными несущими листами. Для обеспечения жесткости бака и предотвращения вспенивания топлива устроены продольные и поперечные перегородки с отверстиями. Внутренняя поверхность бака фосфатирована для предохранения от коррозии. От поперечного перемещения бак дополнительно удерживается двумя кронштейнами 4. На верхнем листе бака с левой и правой стороны расположены заправочные горловины 2 (тепловоз можно заправлять с любой стороны), внутри которых установлены металлические фильтрующие сетки. Горловины плотно закрыты резьбовыми крышками. В верхние листы бака вварены вентиляционные трубы, через кото-
Рис. 5.2. Топливный бак тепловоза ТЭМ2:
1 — корпус бака; 2 — заправочная горловина; 3 — поперечный кронштейн; 4 — кронштейн; 5 — заборное устройство; б — отстойник
322
рые при заполнении бака топливом воздух удаляется, а при сливе — поступает. Избыточное давление в баке ограничено 0,01 МПа. Топливо поступает в систему через заборное устройство 5.
Бак снабжен отстойником 6, в котором оседают различные примеси и вода, выпадающие из топлива. Для сбора загрязненного топлива внутри баков мощных тепловозов установлен бачок, из которого при его переполнении топливо сливается в отстойник. Для спуска примесей внизу или сбоку отстойника размещают клапан. Для удобства промывки бака в каждой его секции и внизу предусмотрены люки, закрываемые пробками на мелкой резьбе.
На боковых стенках бака с двух сторон по диагонали устанавливают прозрачные указатели уровня топлива из небьющегося стекла. В тепловозах 2ТЭ116 и ТЭП70 около дизеля установлены дистанционные топливоуказатели для контроля уровня топлива не выходя из локомотива.
Дистанционный указатель уровня топлива в баке тепловоза ТЭП70 (рис. 5.3) работает следующим образом. При открытии кра-
Рис. 5.3. Принципиальная схема работы дистанционного указателя уровня топлива в баке:
1 — указатель уровня топлива; 2 — бачок топливомера;
3 — пробка; 4 — топливный бак; 5 — воздушный трубопровод; б — кран; 7 — дроссельная задвижка; 8 — клапан максимального давления
323
на б из тормозной магистрали через клапан 8 максимального давления, дроссель 7 и трубопровод 5 воздух попадает под давлением 0,14 МПа в бачок 2 топливомера. Одновременно воздух поступает в топливный бак 4 и из не заполненного топливом пространства уходит в атмосферу. Возникшее при этом в трубопроводах и бачке топливомера давление воздуха равно статическому давлению столба топлива в топливном баке. Это давление, воздействуя на поверхность топлива в бачке 2 топливомера, вытесняет топливо в стеклянную трубку указателя 1. Уровень топлива в трубке указателя при этом повышается. Шкала, нанесенная на стеклянной трубке, соответствует уровню топлива в баке 4.
На грузовых тепловозах 2ТЭ116,2ТЭ121 часть пространства под главной рамой между тележками занята ящиками-стеллажами для размещения аккумуляторных батарей, поэтому форма топливного бака отличается от параллелепипеда.
На тепловозах ТЭП70, ТЭП80 топливные баки вварены в несущую конструкцию кузова. Предусмотрены также специальные ниши, закрываемые навесными крышками, в которые устанавливаются аккумуляторные батареи.
При проектировании топливных баков заборное устройство выполняется обычно в виде отдельного сборочного узла (рис. 5.4). Заборное устройство топливного бака тепловоза 2ТЭ116 крепится к торцевой задней стенке бака для топлива фланцем 3. Оно предназначено для забора из бака топлива, подогретого в зимнее время подогревателем топлива. Топливо засасывается топливоподкачивающим агрегатом или установленным на дизель-генераторе топливоподкачивающим насосом соответственно через трубу 6 или 8. Избыток топлива после предохранительного и перепускного клапанов, пройдя подогреватель топлива, попадает в сливную трубу 5 и из нее отсасывается в одну из всасывающих труб устройства. Для обеспечения соосности выходного отверстия сливной трубы и входного отверстия заборной трубы в пределах 1 мм и расстояния между их торцами 13±2 мм к трубам приварена планка 4. Для стабилизации потока топлива на всасывании, защиты от попадания сторонних частиц непосредственно при всасывании, улучшения заполнения топливной системы при пуске дизель-генератора после кратковременной стоянки, уменьшения рассеивания тепла в зим-
324
Рис. 5.4. Заборное устройство:
1,2 — штуцеры; 3 — фланец; 4 — планка; 5 — сливная труба; 6, 8 — заборные трубы; 7— кожух
нее время и, следовательно, предотвращения процесса парафини-зации топлива во всасывающем трубопроводе установлен кожух 7.
Топливоподкачивающие насосы. Эти насосы предназначены для подачи топлива из бака к топливному насосу высокого давления. При этом преодолевается сопротивление трубопроводов и фильтров, а также разница между уровнями топлива в баке и подводящей полости топливного насоса.
В топливных системах с двумя топливоподкачивающими насосами (тепловозы 2ТЭ116, ТЭП70) один из насосов устанавливается на одном основании с приводным электродвигателем, образуя так называемый топливоподкачивающий агрегат (рис. 5.5).
Расход топлива в топливопроводе сравнительно невелик. Поэтому наибольшее распространение в топливоподкачйвающих аг-
325
Рис. 5.5. Топливоподкачивающий агрегат:
1 — электродвигатель; 2 — топливоподкачивающий насос; 3 — штуцер; 4 — плита; 5 — муфта; 6 — ось; 7 — шестерня; 8 — ведущая втулка; 9— крышка-пластинка; 10— крышка; 11 — корпус насоса; 12 — прокладка; 13 — пружина; 14 — трубка сильфона; 15 — уплотнительное кольцо; 16 — уплотнительная втулка; 17 — накидная гайка; 18,19 — втулки; В, Г— полости
регатах получили объемные насосы — роторные (шестеренные и коловратные). Для маневровых локомотивов подача топливоподкачивающих насосов составляет около 1,6 м3/ч, для магистральных тепловозов (ТЭП70 и ТЭ116) — 1,8 м3/ч. В локомотивах мощностью более 400 кВт чаще применяют шестеренные топливоподкачивающие насосы с внутренним зацеплением зубьев. Они отличаются простотой конструкции, малыми габаритами, небольшой массой, а также высокой надежностью в работе.
Шестеренный насос тепловозов ТЭМ2У, ТГМ18, ТГМ6Д, 2ТЭ10В, 2ТЭ116, ТЭП70 (см. рис. 5.5) состоит из корпуса 11, ведущей втулки 8 — шестерни с внутренним зубом, малой ведомой шестерни 7, крышки 10 с серповидным выступом и оси 6. У ведущей втулки 8 насоса, выполненной за одно целое с валом, зубья сдела
326
ны с внутренним зацеплением, причем впадины зубьев сквозные. Наружная поверхность втулки плотно прилегает к корпусу 11 насоса. С внутренней стороны зубья втулки также плотно прилегают к наружной поверхности серповидного выступа крышки 10. К внутренней поверхности этого выступа примыкают зубья шестерни 7, сидящей на оси 6, впрессованной в отверстие крышки и расположенной эксцентрично по отношению к оси вращения ведущей втулки. Прокладка 12 обеспечивает осевой зазор между шестернями и
корпусом насоса.
Топливо, засасываемое из бака, пройдя через фильтр грубой очистки, попадает в полость В насоса и заполняет промежутки между зубьями втулки и малой шестерни. Вращение втулки и шестерни приводит к выдавливанию топлива их зубьями в полость Г, а из нее через штуцер 3—в нагнетательную магистраль, идущую к фильтру тонкой очистки. Для предотвращения утечек топлива со стороны вала втулки 8 ставится уплотнение, состоящее из втулок 16, 18 и 19, уплотнительного кольца 15, трубки 14 и пружины 13. Латунная гофрированная трубка 14 припаяна одним концом к бронзовой втулке 18, которая под действием пружины 13 прижимается торцом к торцу втулки 19, напрессованной на вал втулки 8, препятствуя попаданию топлива внутрь трубки 14. Для устранения вытекания топлива, просочившегося внутрь трубки, установлено
дополнительное уплотнительное кольцо 15. Просочившееся между кольцом 15 и валом топливо попадает на плиту и удаляется под раму тепловоза по трубе, соединенной с трубой слива грязного топлива с полок дизель-генератора.
Шестеренные топливные насосы с внешним зацеплением зубьев применяются в качестве основных на тепловозах с дизелем типа Д49.
Коловратные топливоподкачивающие насосы (рис. 5.6) используют для дизелей мощностью до 400 кВт (тепловозы ТГМ61, ТГМ23В, ТУ4А,
Рис. 5.6. Коловратный насос: 1 — корпус; 2 — стакан; 3 — лопасть; 4 — ротор; 5 — стержень
327
ТУ7А, ТУ8). Они отличаются сравнительно небольшой высотой всасывания (до 0,5 м), поэтому их необходимо устанавливать как можно ближе к топливному баку. Кроме того, для них характерен повышенный износ деталей качающего узла.
Подача, м3/ч, топливоподкачивающего насоса
G =(k^g Р )/р , (5.5)
н v 2йе max7 'т’ v 7
где ge — удельный расход топлива на номинальном режиме, кг/(кВт-ч); />тах — максимальная мощность силовой установки, кВт; к2 — коэффициент избытка расхода прокачиваемой жидкости; рт — плотность топлива, кг/м3;
Для компенсации уменьшения подачи насоса в процессе изнашивания, а также для обеспечения эффективного подогрева топлива в холодное время года к2 принимают равным 2—3. По значению подачи выбирают ближайший из стандартных насосов. Мощность, Вт, затрачиваемая на привод насоса определяется по формуле
Рн = G Др /(3,6г| ) (5.6)
где (?н — подача насоса, м3/с; Дрт — перепад давления в топливной системе, МПа; т]н — КПД насоса: для нагнетательных насосов т]н = 0,7—0,85; для откачивающих насосов, работающих на вспененных, с большим содержанием воздуха жидкостях, т]н = 0,2—0,3.
В зависимости от мощности и типа силовой установки на привод топливоподкачивающего насоса локомотива затрачивается 0,1—2 кВт. У большинства локомотивов привод топливоподкачивающего насоса индивидуальный электрический. При этом на привод насоса, независимо от значения частоты вращения коленчатого вала дизеля или ротора турбины, затрачивается номинальная мощность.
В тепловозах 2ТЭ116, ТЭП70, ТГМ6, ТУ6А, ТУ7А второй топливный насос приводится непосредственно от энергетической установки. Это снижает подачу насоса при уменьшении угловой скорости коленчатого вала дизеля, а следовательно, приводит к увеличению его экономичности.
Фильтры для очистки топлива от механических примесей. Засоренность дизельного топлива механическими примесями в среднем равна 100—150 г на тонну. Для очистки топлива от механических частиц в топливной системе устанавливают фильтры. В соответ -
328
ствии с назначением их разделяют на фильтры предварительной, грубой и тонкой очистки. Фильтры предварительной очистки, располагаемые в горловинах топливных баков, обычно выполняются в виде стаканов из металлической сетки. Они задерживают лишь очень крупные частицы. Фильтры грубой очистки предназначены задерживать частицы размером 0,1—0,2 мм, а фильтры тонкой очистки — частицы более 0,005 мм.
Все топливные фильтры, применяемые в локомотивах, состоят из трех основных частей: корпуса (стакана), крышки и фильтрующего элемента. Фильтрующим элементам необходимы качества: небольшое гидравлическое сопротивление, компактность, простота конструкции, долговечность и удобство обслуживания.
Фильтрующие элементы грубой очистки могут быть сетчатые, сетчато-набивные, проволочно-щелевые и пластинчатые.
Фильтрующий элемент сетчатого фильтра грубой очистки состоит из двух вставленных одна в другую металлических сеток, закрытых сверху и снизу крышками. Топливо засасывается в фильтрующий элемент со стороны наружной сетки. У сетчатых фильтров степень фильтрации недостаточна. Для ее повышения полость между металлическими сетками заполняют хлопчатобумажной пряжей (путанкой). Такие фильтры называют сетчато-набивными. Они применялись в тепловозах ТЭЗ, а также в тепловозах ТЭМ1, ТЭМ2, ТЭП60 первых выпусков. Недостатком сетчато-набивных фильтров является их повышенное гидравлическое сопротивление.
В тепловозах ТЭМ2У, 2ТЭ1 ОВ используют проволочно-щелевые фильтры (рис. 5.7, а). Рабочие элементы 7, 9 фильтра представляют собой гофрированный каркас цилиндрической формы, на который плотно намотана латунная проволока трапециевидного сечения. Зазоры между витками размером 0,07—0,09 мм и являются собственно фильтрами. Фильтрующие элементы разных диаметров вставлены друг в друга и, укрепленные на шпильке 10, образуют секцию. Секция закрыта колпаком 8 и притянута к корпусу 5 болтом и шпилькой. Фильтрующие элементы поджаты пружиной 12. Главным недостатком проволочно-щелевых фильтров является сложность их очистки.
В тепловозе ТЭП70 применяются пластинчатые однокорпусные фильтры грубой очистки (рис. 5.7, б). Фильтр представляет собой
329
a
б
Рис. 5.7. Фильтры грубой очистки топлива тепловозов 2ТЭ10М(В) (а) и ТЭП70 (б):
1 — штуцеры; 2 — стержень; 3, 14 — пробки; 4 — пробковый кран; 5 — корпус; б, 13 — прокладки; 7, 9, 17— фильтрующие элементы; 8— колпак; 10 — шпилька; 11 — проставка; 12 — пружина; 15 — крышка; 16 — трехгранный стержень; 18 — нажимная гайка
набор чечевицеобразных сетчатых дисков (элементов) 17, насаженных на центральный трехгранный стержень 16 и закрепленных на конце гайкой 18. Стержень 16 ввертывается до упора в крышку 75. Крышка с фильтром укреплена в корпусе 5 шпильками и уплотнена резиновой прокладкой 6. Топливо поступает через нижнее отверстие в верхней части корпуса, проходит через квадратные ячейки фильтрующих элементов со стороной квадрата 0,045 мм и, очистившись, поднимается по каналам трехгранного стержня к выходному отверстию в крышке и далее в топливопровод. Пластинчатые фильтры трудоемки в изготовлении, у них сравнительно небольшая поверхность фильтрации, поэтому они не получили широкого распространения в практике локомотивостроения.
330
Рис. 5.8. Бумажный фильтрующий элемент тонкой очистки топлива
От мелких примесей топливо очищается в фильтрах тонкой очистки с большим гидравлическим сопротивлением, для снижения которого устанавливают параллельно несколько секций фильтров. По принципу действия рабочие элементы фильтров тонкой очистки разделяют на войлочные и бумажные.
В тепловозах типа ТЭМ2 применялись двухсекционные войлочные фильтры. Фильтрующий элемент каждой секции состоит из набора рабочих и промежуточных пластин, надетых на цилиндрическую трубку с отверстиями. Рабочие пластины изготавливаются из искусственного войлока, промежуточные—из более плотного войлока. Опыт эксплуатации показал, что войлочные фильтры не полностью отвечают современным требованиям: они надежно задерживают лишь частицы крупнее 20 мкм. Поэтому в тепловозах типа 2ТЭ10 и ТЭМ2У в настоящее время применяются более эффективные бумажные фильтры тонкой очистки, задерживающие частицы крупнее 4—6 мкм.
Фильтрующий элемент тонкой очистки (ФЭТО) предназначен для установки в корпус типового фильтра тонкой очистки. Элемент (рис. 5.8) представляет собой фильтрующую перегородку 3 («штору») из двухслойной фильтровальной бумаги (картона БФДТ), размещенную между наружной 4 и внутренней 2 перфорированными обечайками из картона, которые соединены торцевыми крышками 1 и 5. Фильтрующая поверхность перегородки 3 значительно увеличена благодаря приданию ей особой гофрированной формы. Фильтр уплотняется на центральном штуцере сальниками из маслобензостойкой резины. Бумажный фильтрующий элемент не подлежит очистке и после пробега 50 тыс. км заменяется новым. Применение дешевых сменных бумажных элементов вместо войлочных фильтров повышает качество очистки топлива и одновременно уменьшает расходы по обслуживанию топливной системы.
Четырехсекционные фильтры тонкой очистки топлива со сменными бумажными
331
элементами типа ФЭТО установлены на дизелях 10Д100 тепловоза 2ТЭ10В (М). В тепловозах с дизелями типа Д49 (2ТЭ116, ТЭП70) применяют по два двухсекционных фильтра тонкой очистки топлива, бумажных или тканевых.
Состояние фильтра в тепловозе (степень его загрязнения) контролируется по разности показателей манометров, установленных на подводящем и отводящем топливопроводах.
Расчет фильтров сводится к определению площади фильтрации (м2): 7ф=а1((?н/гф). (5-7)
где <7Н — расчетная подача насоса, м3/ч; Гф — скорость фильтрации (для фильтров тонкой очистки обычно Гф = 7—12 м/ч, для щелевых фильтров 1ф = 0,1— 0,15 м/с); <2] —доля жидкости, проходящей через фильтр (при наличии одного фильтра а\ = 1,0; при двух фильтрах, работающих параллельно, а\ — 0,5).
Топливоподогреватели. Все современные локомотивы с автономными энергетическими установками оборудованы топливоподог-ревателями. Топливоподогреватель (рис. 5.9) тепловозов ТЭМ2У, ТЭМ18 представляет собой цилиндрический корпус 9 с приваренными с обеих сторон трубными досками 2 и 10. В доски вварены стальные трубки 6, оребренные пластинами 8. Трубные доски
Рис. 5.9. Водяной топливоподогреватель:
/, 12 — крышки; 2 — верхняя трубная доска; 3,11 — прокладки; 4— кольцо;
5, 13, 14 — штуцеры; 6 — трубка; 7 — перегородка; 8 — охлаждающая пластина; 9 — обечайка; 10 — нижняя трубная доска
332
закрыты крышками 1 и 12 со штуцерами, предназначенными для присоединения водяных трубопроводов системы охлаждения двигателя. Крышки 1 и 12 прикреплены болтами к трубным доскам. В корпус топливоподогревателя вварены три штуцера, к двум штуцерам 13 к 14 подсоединены трубы, идущие от переключательного крана, а к третьему 5 — труба с краном для спуска воздуха и эмульсированного топлива из корпуса топливоподогревателя, Внутреннее пространство подогревателя разделено перегородками 7, которые заставляют топливо при движении лучше омывать водяные трубы.
Топливоподогреватель локомотива можно отключать от топливной системы трехходовым краном. При этом топливо сразу сливается в бак. Топливоподогреватели рассчитывают на основе общих принципов расчетов теплообменников. Проводя тепловой и гидравлический расчет, одновременно выбирают оптимальную форму и размеры поверхности теплообмена.
5.1.2. Масляная система
Назначение системы. Масляная система тепловоза предназначена для смазки трущихся частей энергетической установки, гидропередачи и вспомогательных агрегатов, отвода тепла от энергетической установки и гидропередачи, размещения запасов, фильтрации, охлаждения и подогрева масла (в холодное время года). К масляной системе относятся масляные насосы, масловоздушные радиаторы или водомасляные теплообменники, фильтры, регулирующие клапаны, трубопроводы, контрольно-измерительные приборы, масляные баки.
К маслам, применяемым для смазки дизеля и гидропередачи, предъявляют специальные требования. Для обеспечения нормальной работы двигателя требуются дизельные масла определенной вязкости, сохранение смазывающих свойств при высоких и низких температурах, высокая противоокислительная устойчивость. По наличию присадок и величине кинематической вязкости в зависимости от типа дизеля применяют масла, вязкость которых (12—22)-10~6 м2/с при температуре 100 °C. Для дизелей используются масла марок М14В2 и М14Г2 ГОСТ 12337-84.
Для гидропередачи требуется масло с малой вязкостью (повышение вязкости увеличивает потери на трение в лопастной системе),
333
высокими смазочными свойствами при температуре 100—150 °C и пониженной вспениваемостью при этой температуре. Таким требованиям отвечает масло турбинное Т22 ГОСТ 32-74. В современных тепловозах с гидропередачей масляную систему дизеля со вспомогательным оборудованием выполняют отдельно от масляной системы гидропередачи.
В пассажирских тепловозах ТЭП60, ТЭП70 и ТЭП80 вращение вентиляторов системы охлаждения дизеля осуществляется гидростатическим приводом, рабочей жидкостью которого также является масло. Масляная система этого привода состоит из самостоятельного контура, не связанного с масляной системой дизеля. Она рассмотрена при описании приводов вентиляторов охлаждающих устройств.
Для выполнения перечисленных выше функций масляную систему делают замкнутой, циркуляционной. Для энергетической установки она состоит из внутренней смазочной системы дизеля и внешней системы, которая обеспечивает циркуляцию, охлаждение и очистку масла. Условия работы масляной системы характеризуются несколькими особенностями. Масло отводит от дизеля значительные количества теплоты, эквивалентные примерно 20—25 % его эффективной мощности (табл. 5.1). В то же время температура масла не должна быть высокой (обычно 60—80°С, наибольшая до 88 °C).
Охлаждение нагретых деталей дизеля осуществляется благодаря теплообмену с циркулирующим в системе маслом. Поэтому подача масляного насоса, обеспечивающего нужную интенсивность
Таблица 5.1
Интенсивность отвода тепла тепловозных дизелей
Тип дизеля (мощ-ность, кВт) Интенсивность отвода тепла, кВт
в смазочное масло, Рм в охлаждающую воду, Рв от наддувочного воздуха, PBOja
ПД1М (882) 76 427 48
1 ОД 100 (2208) 605 960 395
14Д40 (1470) 395 698 —
Д21 1 (552) 51,7 302 41
ЗА-6Д49 (882) 145 424 116
2-2Д49(1470) 290,7 616 226,7
1А-5Д49 (2250) 423 915 407
2А-5Д49 (2940) 535 1070 581
1Д49 (4412) 605 1570 1023
334
циркуляции масла, определяется из уравнения теплового баланса: количество тепла Рм(кВт), выделяемого в масло в единицу времени, должно равняться количеству тепла, воспринимаемого маслом с учетом его теплоемкости:
Р = с р Q А/ , (5.8)
где см — теплоемкость масла кДж/(кг-К); рм — плотность масла, кг/м3; QM — объемный расход масла (теоретически необходимая подача насоса), м3/с; Л/м — разность температур масла на выходе из дизеля и на входе в него.
Для нормальной работы дизеля необходимо, чтобы разность температур Д/м была не больше 9—15 °C. Тогда, например, для дизеля 2А-5Д49 при см = 2,05 кДж/(кг-К), рм = 900 кг/м3 и Д/м = 10 °C, Рм = 535 кВт (см. табл. 5.1):
Р 535
е“ = ГЛГ = Д15-900-10 = °-029 “3fc = 104-4 "3/ч- <5-9’
мгм м ’
В действительности у насоса дизеля расход 110 м3/ч. Так как в масляную систему заливается примерно 1300 кг масла (1,44 м3), то весь объем масла за час перекачивается 110/1,44 = 76 раз. Таким образом, весь круг циркуляции в зоне высоких температур масло проходит менее чем за одну минуту. При такой интенсивности циркуляции в масле со временем протекают различные физико-химические процессы, ухудшающие его свойства.
В цилиндрах масло соприкасается с горячими газами (температура 1700—2000 °C), нагретыми поверхностями цилиндров и поршней (температура 300—400 °C). При этом масло частично сгорает и коксуется. Часть масла запекается в виде тонкой лаковой пленки на стенках цилиндров и днищах поршней, образуя нагар. При работе дизеля частицы нагара, кокса, сажи, золы под давлением газов из камеры сгорания через зазоры между гильзами, поршнями и поршневыми кольцами попадают в картер дизеля и накапливаются в нем. Масло, в процессе циркуляции стекающее из поршней в картер, разбрызгивается и, соприкасаясь с воздухом картера, окисляется. При окислении масла в нем образуются как твердые частицы, так и густые осадки, которые, отлагаясь на стенках маслопро
335
водов, уменьшают их сечения и затрудняют циркуляцию масла. Кроме того, в масло постоянно попадают мелкие металлические частицы, в результате исстирания поверхностей деталей дизеля и его агрегатов. Они из-за циркуляции масла увеличивают износ трущихся деталей. Неблагоприятной особенностью твердых частиц любого происхождения, накапливающихся в смазочном масле, является их высокая дисперсность (размеры частиц до 1—2 мкм).
В результате накопления твердых частиц, продуктов сгорания и окисления ухудшаются смазочные свойства масла. Так называемое «старение» масла в процессе работы требует периодической его замены, так как «состарившееся» масло не только не уменьшает износа деталей дизеля, но и может способствовать его увеличению из-за высокого содержания абразивных частиц. Для продления срока службы масла из него необходимо отделять накапливающиеся твердые частицы и осадки. При хорошей очистке срок службы масла можно продлить в два-три раза с одновременным уменьшением износа деталей дизеля. Очистка масла в системах смазки тепловозных дизелей осуществляется непрерывной его фильтрацией. Для надежности очистки система фильтрации масла состоит обычно из нескольких различных фильтров, включенных последовательно или параллельно.
Типы масляных систем дизеля. К масляной системе дизеля предъявляют требования в ряде случаев взаимоисключающие. Так, для улучшения работы подшипников необходимо повышать давление масла, но это приводит к резкому увеличению сопротивления в холодильнике, вызывает необходимость упрочнять его элементы (трубки, перегородки и т.д.). Для обеспечения этих требований контуры циркуляции масла разделяют. Каждый контур оборудуют собственным насосом.
Масляная система дизеля состоит из внутренней и внешней. Внутренняя система смазки дизелей представляет собой совокупность каналов и трубок в деталях, обеспечивающих подвод масла ко всем трущимся деталям. Внешние системы обеспечивают циркуляцию, очистку и охлаждение масла, забираемого из поддона (картера) дизеля и подводимого к масляному коллектору. Внешняя масляная система состоит из насосов, охладителей масла, фильтров, контрольных и защитных приборов. Пройдя внешнюю систему, очищенное и охлажденное масло подается в масляный коллектор ди
336
зеля, из которого оно по каналам попадает к коренным и шатунным подшипникам коленчатого вала. От шатунных шеек коленчатого вала масло по каналам в шатунах подается на смазку трущихся деталей цилиндро-подшипниковой группы и охлаждение поршней, а также для смазывания подшипников распределительного вала к рычагам толкателей механизма газораспределения, к подшипникам турбокомпрессора. После смазывания деталей и механизмов масло сливается в поддон дизеля. Для снижения давления масла во внешней системе можно применить два последовательно включенных насоса. Этим достигается поддержание более высокого давления масла в подшипниках дизеля без повышения его в охлаждающих устройствах и фильтрах.
Масляная система дизеля тепловоза ТЭМ2У. Циркуляция масла по основной замкнутой системе (первый контур) обеспечивается главным масляным насосом 10 (рис. 5.10), который забирает масло из маслосборника дизеля и подает его по трубе а к верхнему коллектору секций масловоздушных радиаторов 6. Из нижнего коллектора радиаторов основная часть масла по трубе б поступает в пластинчато-щелевые фильтры 11 грубой очистки, а из них — в масляный коллектор внутри картера дизеля. Часть масла, около 15—20 %, из радиатора 6 поступает в сетчато-набивные
Рис. 5.10. Схема масляной системы тепловоза ТЭМ2У:
1 — дизель; 2 — маслопрокачивающий агрегат; 3 — кран выпуска воздуха; 4, 9 — невозвратные клапаны; 5, 7, 14, 16 — вентили; 6 — масляный радиатор холодильной камеры; 8, 15 — перепускные предохранительные клапаны; 10— главный масляный насос; 11, 13 — фильтры грубой очистки; 12 — разгрузочный обратный клапан
337
фильтры 13 тонкой очистки, откуда по трубе в сливается в маслосборник картера.
Перед пуском дизеля масло забирается из картера маслопрокачивающим насосом 2 и по нагнетательной трубе г (второй контур) подается в основную магистраль а. Далее, как и при работе главного масляного насоса, через масловоздушный радиатор 6 и фильтр грубой очистки масло поступает к трущимся деталям дизеля. Невозвратный клапан 4 не пропускает масло в маслопрокачивающий насос 2 во время работы дизеля. Через кран 3 выпускается воздух при прокачивании масла перед пуском дизеля. Клапан 8 перепускает масло из подводящего трубопровода а в отводящий б, минуя секции охлаждающего устройства, если разница между давлениями в этих трубах будет больше 0,165 МПа. Такой перепад давления возможен при повышении вязкости масла, когда понижается температура или загрязнены секции охлаждающего устройства. Разгрузочный обратный клапан 12 выполняет две функции: пропускает некоторое количество масла через фильтр 13, если давление его выше 0,255 МПа, кроме того, клапан не позволяет стекать загрязненному маслу из фильтров в картер после остановки дизеля. Вентиль 14 используют, когда масло холодное и его не следует пропускать через секции охлаждающего устройства.
Для отключения масляных секций на поддонах и отводящих трубах установлены вентили 5 и 7. Для выпуска воздуха из секций масловоздушных радиаторов 6 служит пробка. В случае необходимости масло из картера сливается по трубе, на которой установлен вентиль 16. На конец этой трубы дополнительно навернута заглушка. Заливают масло через горловину центробежного очистителя масла, который на схеме не показан.
Масляная система дизеля тепловоза ТЭП70. Масляная система (рис. 5.11) содержит два масляных насоса 3, 9, расположенных на переднем торце дизеля, два масляных охладителя 2,10; фильтр грубой очистки 4; два полнопоточных фильтра тонкой очистки 8, маслопрокачивающий насос 5, трубопроводы, вентили и невозвратный клапан 6.
Основной поток масла, используемый для смазки дизеля (первый контур), организуется следующим образом. Масло из картера поступает во всасывающую полость правого масляного насоса 9 и
338
Рис. 5.11. Схема масляной системы тепловоза ТЭП70:
1 — дизель; 2, 10 — маслоохладители; 3, 9— масляные насосы; 4 — фильтр грубой очистки; 5 — маслопрокачивающий агрегат; 6 — невозвратный клапан; 7 — перепускной клапан; 8 — полнопоточный фильтр тонкой очистки; 11 — центробежный очиститель; 12 — заправочная горловина;
13 — вентиль
далее по трубопроводу а к полнопоточным фильтрам тонкой очистки 8, из которых по трубопроводу б — в правый охладитель 10. Пройдя последовательно оба охладителя 10, 2, масло поступает в полость левого насоса 3 и оттуда под давлением в фильтр грубой очистки 4 и затем во внутреннюю систему смазки дизеля. Установка фильтра грубой очистки 4 после левого насоса 3 вызвана тем, что при загрязнении фильтров тонкой очистки и росте их сопротивления часть масла может обходить фильтр через перепускной клапан 7, встроенный в фильтр. Часть масла после охладителей 10, 2 поступает к двум центробежным очистителям 11, из которых после очистки сливается непосредственно в масляную ванну дизеля.
Маслопрокачивающий насос 6 шестеренного типа с приводом от электродвигателя по нагнетательной трубе в с обратным клапаном 6
339
подает масло в основную магистраль перед фильтром тонкой очистки 8. Насосом с момента включения дизеля в течение 60 с нужно создать давление не менее 0,02 МПа в самой отдаленной от него точке системы. После пуска дизеля и прекращения работы маслопрокачивающего насоса шарик обратного клапана 6 садится в свое седло, отсоединяя тем самым трубопровод в от основного трубопровода. После остановки дизеля маслопрокачивающий насос 5 автоматически включается и прокачивает систему в течение 60 с.
На трубопроводе а перед фильтром тонкой очистки 8 устанавливается терморегулятор, который в зависимости от температуры масла изменяет его расход в системе подачи масла к гидродвигателю вентилятора охлаждающего устройства. Этим обеспечивается необходимая частота вращения вентилятора для поддержания заданной температуры масла. По манометрам, установленным до и после фильтров грубой очистки 4, контролируется гидравлическое сопротивление фильтров. Для этой же цели и устанавливаются манометры до и после фильтров тонкой очистки. Перепад давлений по манометрам более 0,15 МПа свидетельствует о загрязнении фильтров. Фильтры необходимо заменить.
Система дизеля заправляется маслом через сливные трубопроводы с вентилями 13 с любой стороны тепловоза или через заливочную горловину поддизельной рамы. После заправки системы открывают краны на охладителях 2,10 и фильтрах 4, 8 и включают маслопрокачивающий насос 5. При появлении масла в кранах их закрывают.
Большая часть оборудования масляных систем дизелей типа Д49 (насосы, фильтры, центрифуги и теплообменники) размещается непосредственно на дизеле. Поэтому внешняя часть этих систем состоит только из контура для прокачивания масла и трубопроводов для ее заправки, а также контура тонкой очистки масла в полнопоточных фильтрах. Такое расположение системы значительно уменьшило ее массу и необходимые запасы масла, снизило затраты мощности на перемещение масла по трубопроводам. Подобные масляные системы применяются на всех тепловозах с дизелями типа Д49.
Масляная система тепловоза ТЭРА1 несколько отличается от вышеописанных (рис. 5.12). В основном (первом) контуре масляной системы установлены три шестеренных насоса с приводом от
340
6
7 8 9
10
Рис. 5.12. Схема масляной системы тепловоза ТЭРА1:
1 — маслоохладитель; 2, 8, 10, 22 — невозвратные клапаны; 3 — сдвоенный масляный насос; 4 — термостатический клапан; 5 — манометр; 6 — устройство аварийной остановки регулятора дизеля; 7, 11, 17, 20, 24 — фильтры очистки масла; 9 — турбокомпрессор; 12 — дизель; 13, 18 — маслопрокачивающие агрегаты; 14, 19 — предохранительные клапаны; 15 — заправочная горловина; 16 — вентиль; 21 — сдвоенный сетчатый фильтр; 23 — масляный насос
дизеля. Первый масляный насос 23 забирает масло из картера через первую секцию сетчатого фильтра 21, установленного на дизеле, и прокачивает через внешний фильтр 24, маслоохладитель 1 во вторую секцию масляного фильтра 21, откуда сдвоенным насосом 3 поток масла разделяется: одна часть масла подается в систему смазки узлов дизеля, а вторая — в поршни для их охлаждения. Второй контур своим маслопрокачивающим агрегатом 18 подает масло в дизель перед пуском. В этом контуре есть два фильтра 17,20 (перед
341
агрегатом и за ним), а также невозвратные клапаны 2, 22. Третий контур со своим масляным насосом 13 предназначен для предварительной прокачки маслом турбокомпрессора 9 и отвода тепла от турбинной части после остановки дизеля.
На выходном трубопроводе главного масляного насоса установлен термостатический клапан 4, пропускающий масло к регулятору дизеля. При повышении температуры масла сверх допустимой (124 °C) клапан открывает сливной канал и сбрасывает давление на устройстве аварийной остановки 6 регулятора, которое и останавливает дизель.
Трубопроводы и оборудование масляной системы окрашиваются в оранжево-желтый цвет. Технические данные масляных систем некоторых тепловозов приведены в табл. 5.2.
Масляные системы гидропередач обычно состоят из двух систем. Первая включает питательный центробежный насос и трубопроводы, по которым масло из картера гидропередачи подается к золотниковой коробке и гидроаппаратам, далее масло самотеком вновь возвращается в картер. Одновременно питательный насос подает масло во внешний контур, включающий щелевой фильтр и водомасляный теплообменник. Очищенное и охлажденное масло сливается в картер. Вторая система состоит из шестеренного насоса и набора трубопроводов и трубок, подводящих масло из картера к подшипниковым узлам и зубчатым колесам гидропередачи.
Защитные и измерительные устройства в масляной системе. Для защиты дизеля от нештатных режимов работы масляной системы в напорной магистрали устанавливаются несколько реле давлений и температуры. Они выполняют, например, для дизеля типа Д49 следующие функции:
- при понижении давления масла в напорной магистрали менее 0,3±0,025 МПа на 12-й и больших позициях контроллера автоматически сбрасывают нагрузку дизеля;
- при падении давления масла в напорной магистрали до 0,07±0,025 МПа и температуре масла на входе в дизель 87±1,5 °C автоматически останавливают дизель;
- при отсутствии предпусковой прокачки дизеля маслом в течение 90 с (давление масла не доведено до 0,01—0,03 МПа) блокируют пуск дизеля.
342
см
см
Таблица 5.2
Технические характеристики масляных систем дизеля тепловозов
Параметр Серия тепловозов
2ТЭ10В 2ТЭ116 ТЭП70 ТЭМ18 ТЭМ7А ТГМ6Д ТГМ23Д
Подача масляного насоса, м3/ч 120 ПО ПО 28 95 50 2,2
Подача маслопрокачивающего насоса, м3/ч 12 12 12 1,6 10 6
Масса масла в системе, кг 1500 1250 1300 430 970 520 155
Тип фильтра грубой очистки пластинчатощелевой сетчатый сетчатый пластинчатощелевой сетчатый сетчатый сетчатый
Тип фильтра тонкой очистки БФЭ полнопоточный полнопоточный БФЭ полнопоточный полнопоточный
Количество центробежных устройств 1 2 2 1 2 1
Расчет основных параметров масляной системы. Основные параметры масляной системы обусловлены типом дизеля и гидропередачи. Часовой расход масла (м3/ч) через смазываемый агрегат
G = кЛ) /р с Д/ , (5.10)
м З^аг гм м м’ v '
где <2аг — количество теплоты, отводимое от данного агрегата маслом, Дж/ч; рм — плотность масла, 850—900 кг/м3; сы — удельная теплоемкость масла 1,8—2,1 Дж/кг; Л/м — перепад температуры в масляном теплообменнике (10—15 °C); ку — коэффициент запаса, учитывающий увеличение расхода масла при износе подшипников и возможные утечки, равный 1,5—2.
Количество теплоты, отводимое от дизеля маслом,
Q -а-Р g q , (5-11)
rtr 2 е°е^аг’ ' '
где а2 — доля тепла, отводимая маслом от дизеля и равная для дизелей с охлаждаемыми поршнями 0,12—0,15, а с неохлаждаемыми — 0,04—0,06; с/аг — удельное количество теплоты, Дж/кг.
При расчетах масляной системы вычисляют гидравлическое сопротивление и, исходя из условий обеспечения заданного расхода масла при определенном давлении в системе, подбирают параметры элементов трубопровода. Выбирают необходимую площадь охладителя масла для обеспечения заданного диапазона изменения температуры.
Масляный резервуар (маслосборник). Для тепловозов, имеющих дизель с «мокрым» картером, маслосборник выполняют в раме дизеля. Масляный резервуар обязательно разделяют перегородками и сетками для предотвращения вспенивания масла. Внизу резервуара устанавливают вентиль для слива масла. Резервуар оборудуют щупом для замера уровня масла, на котором обозначают его верхний и нижний допустимые пределы. Дизель с «сухим» картером оборудуется масляным баком, который размещают выше уровня масляного насоса дизеля для обеспечения поступления к насосу масла самотеком. У бака есть маслоуказательное стекло.
Объем масляного бака определяют исходя из необходимого количества дизельного масла, причем в баке находится лишь часть его. Так, для одной секции тепловоза 2ТЭ10В необходимо 1500, 2ТЭ116 — 1250, ТЭП70 — 1000, ТЭМ2У — 430, ТГМ6А — 470, ЧМЭЗ — 650, ТЭМ7 — 970, ТГМ23Б — 90 кг масла.
344
Масляным баком гидравлической коробки передач является ее картер. Запас масла у тепловозов ТГМ4А, ТГМ6А равен 270, ТГ21, ТГ22 — 280, ТГМ23Б — 220 кг.
Насосы. Масляные системы локомотивов оборудуют как минимум двумя насосами — главным и вспомогательным (маслопрокачивающим). Главный насос приводится от дизеля, для смазки которого он предназначен, а вспомогательный — с индивидуальным электроприводом.
В масляных системах дизелей для главных и вспомогательных насосов используют в основном шестеренные насосы, обеспечивающие высокую надежность и равномерность подачи масла при достаточно большом рабочем давлении. В масляных системах гидропередач применяют как шестеренные, так и центробежные масляные насосы.
В зависимости от потребной подачи применяют главные масляные насосы шестеренного типа с прямыми, косыми и шевронными зубьями колес. Дизели типа Д49 оборудуют двумя насосами с косыми зубьями колес и приводом от коленчатого вала.
Давление масла, нагнетаемого насосом в систему смазки, ограничивается предохранительным клапаном, установленным на насосе. Клапан отрегулирован на давление 0,55 МПа.
Конструкция вспомогательных маслопрокачивающих насосов принципиально такая же, как и главных. Эти насосы небольшой производительности выполняются отдельными агрегатами с индивидуальными электродвигателями.
Основные параметры насоса определяют по количеству масла, которое необходимо подавать в двигатель. Подачу насоса вычисляют по выражению (5.5). В этом случае необходимо принимать Л 2 ~ 1,2—1,3. Мощность, необходимую для привода насоса, определяют по выражению (5.6).
Масляные фильтры. В масляной системе дизеля большинства локомотивов применяют фильтры грубой и тонкой очистки. Учитывая состав частиц, их размеры и влияние на износ деталей дизеля, считают, что через фильтр грубой очистки за каждый круг циркуляции проходит 85—90 % масла, а через фильтр тонкой очистки 4—5 %. На тепловозах ТЭП70, 2ТЭ116 используют полнопоточную фильтрацию масла, все масло приходит через фильтр тонкой очистки.
345
Рис. 5.13. Щелевой фильтр грубой очистки масла:
I — окна для выхода отфильтрованного масла; 2 — рабочая пластина; 3 — промежуточная пластина; 4 — щетки; 5 — стержень;
6 — рукоятка
В тепловозах 2ТЭ10В и ТЭМ2У применены щелевые фильтры грубой очистки (рис. 5.13). Их фильтрующие элементы представляют собой набранные на стержень 5 рабочие пластины 2 и расположенные между рабочими пластинами промежуточные пластины 3. Через зазоры (0,15 мм) между рабочими пластинами проходит загрязненное масло. Между рабочими пластинами вставлены щетки 4, надетые на неподвижный квадратный стержень. Для очистки зазоров необходимо рукояткой 6 повернуть стержень 5 с пластинами.
Щелевые фильтры сложны в изготовлении, поэтому в тепловозах более поздних выпусков (ТЭП70, 2ТЭ116, М62, ТГМ6А) в качестве фильтров грубой очистки используют менее трудоемкие в изготовлении сетчатые фильтры с размером ячеек 0,14 мм. Секция фильтра (рис. 5.14, а) представляет набор сетчатых дисковых элементов 7, установленных на центральном трехгранном стержне 2. Масло, поступив снаружи элементов, поднимается очищенным вдоль стержня 2. Сетчатый элемент (рис. 5.14,0 состоит из гофрированной диафрагмы 3 с отверстиями для прохода масла, и двух
двойных сеток: внешней 4 (фильтрующей) и внутренней 6 (более редкой несущей), завальцованных во внутренние 7 и наружные 5 ободки. У таких фильтров большая поверхность очистки на единицу его объема.
В качестве фильтрующих элементов тонкой очистки применяют бумажные, сетчато-набивные, сетчатые, войлочные и щелевые. В фильтрах тонкой очистки тепловозов 2ТЭ10В фильтрующим элементом служит фильтровальная бумага. За время работы бумаж-
346
Рис. 5.14. Фильтр грубой очистки масла с дисковыми элементами:
I — дисковый элемент; 2 — труба; 3 — гофрированная диафрагма; 4 — внешний фильтрующий элемент; 5 — наружный ободок; б — внутренний фильтрующий элемент; 7 — внутренний ободок
ного фильтрующего элемента (БФЭ) тонкой очистки при 25 000 км пробега в нем скапливается 1—7 кг отложений. При этом гидравлическое сопротивление повышается в 3—3,5 раза. Сопротивление фильтра с новыми бумажными фильтрующими элементами не превышает 20 кПа.
Набивной фильтр применялся в тепловозах типа ТЭМ2. Он состоит их двух сетчатых латунных цилиндров, между которыми расположена хлопчатобумажная пряжа. В тепловозах более поздних выпусков набивные фильтрующие элементы заменены на БФЭ.
Применение в тепловозах с дизелями типа Д49 полнопоточной фильтрации масла является необходимой мерой, способствующей повышению моторесурса дизелей. Фильтрующий элемент 5 (ФЭ) полнопоточного фильтра (рис. 5.15) типа «Нарва 6-4-04» состоит из наружной перфорированной обечайки, изготовленной из специального картона, звездообразно расположенных фильтрующих штор, внутренней перфорированной трубы и двух уплотняющих резиновых колец; наружная обечайка с внутренней трубой и фильтрующими шторами объединяется торцевыми крышками. Фильтрующие шторы изготовлены из специального нетканого материала. Грязное масло поступает в каждый ФЭ
347
Рис. 5.15. Полнопоточный фильтр тонкой очистки масла:
1 — основание; 2, 4, 10 — фланцы; 3 — стакан; 5 — фильтрующий элемент; б — опора; 7 — газоотводная трубка; 8 — штуцер с гайкой; 9, 12 — шпильки; 11 — заглушка
через отверстие обечайки, проходит через отверстие внутрь трубы, а по ней в отсек чистого масла фильтра. Пропускная способность такого ФЭ в 3—4 раза выше, чем у фильтра из фильтровальной бумаги. Конструкция элемента неразборная; отработавшие элементы подлежат замене новыми.
Основание 1, отлитое из алюминиевого сплава, предназначено для подвода неочищенного масла через трубопровод с фланцем 10 и отвода от фильтрующих элементов очищенного масла через трубопровод с фланцем 2. Контроль наличия масла в фильтре перед
348
разборкой осуществляется через пробку, ввернутую в бонку фланца 4. Нижние ФЭ установлены на стаканах 3; между ними и верхними ФЭ расположена опора 6. Фильтрующие элементы поджаты пружиной, установленной под крышкой стакана верхнего ФЭ. При заполнении фильтра маслом воздух отводится через газоотводную трубку 7. Стакан верхних ФЭ крепится к основанию 7 корпуса четырьмя шпильками. Заглушка 77 используется при промывке и очистке внутренних полостей основания фильтра.
Основным поставщиком фильтрующих элементов «Нарва» была Эстония. С целью замены импорта этих элементов в России разработан аналог — фильтрующий элемент АНП-6П. В качестве фильтрующего материала для АНП-6П выбран также отечественный объемный синтетический иглопробивной нетканый материал ИФПДМ-500. По своим качествам новый фильтрующий элемент не уступает элементу типа «Нарва».
Зарубежными фирмами разработаны оригинальные конструкции компактных самоочищающихся полнопоточных фильтров, с устанавкой их непосредственно на дизель. Этим значительно упрощается внешняя масляная система тепловоза.
Одна из таких конструкций фильтра фирмы «Боль и Кирх» (Германия) показана на рис. 5.16. Она состоит из литого стального корпуса 2 с двумя патрубками для подвода и отвода масла и крышки 7. Внутри корпуса помещен фильтровальный блок, состоящий из нижней 3 и верхней 6 панелей с отверстиями, в которые вставляются фильтрующие элементы 5 (свечи) в виде прямоугольных трубок и труба-перегородка 8, разделяющая зоны загрязненного и чистого масла. В утолщенной части трубы вставлены перепускные клапаны 10. По наружному периметру фильтровального блока установлена дополнительная фильтрующая обечайка 4. Внизу корпуса располагается вращающийся полый рычаг 77 и его привод: турбинное колесо 7, червячный редуктор 13 и пара зубчатых колес 12. Внутренний канал полого рычага 77 через втулку 14 и сопловую вставку 15 сообщается с атмосферой.
При работе фильтра в нем одновременно реализуется два процесса: фильтрация масла (рис. 5.16, а) и промывка отдельных фильтрующих свечей (рис. 5.16, б). Масло под давлением проходит входной патрубок, турбинное колесо 7, попадает в нижнюю часть
349
<_л О
Рис. 5.16. Схема работы полнопоточного самоочищающегося фильтра фирмы «Боль и Кирх»: а — схема фильтрации; б — схема промывки фильтрующих элементов; 1 — турбинное колесо; 2 — корпус; 3 — нижняя пластина; 4 — дополнительная фильтрующая обечайка; 5 — фильтрующий элемент (свеча); 6 — верхняя пластина; 7 — крышка; 8 — труба-перегородка; 9 — указатель перепада давления; 10 — перепускной клапан; 11 — полый рычаг; 12 — пара зубчатых колес; 13 — червячный редуктор; 14 — втулка; 15 — сопловая вставка
корпуса, а примерно 50 % по трубе-перегородке 8 — в верхнюю часть корпуса. Таким образом, масло поступает в фильтрующие свечи с двух концов, проходит изнутри свечей наружу, при этом большая часть частиц грязи остается на внутренней стенке фильтрующих свечей. Отфильтрованная таким образом жидкость проходит далее через дополнительную фильтрующую обечайку 4 и подается в дизель.
Процесс промывки (см. рис. 5.16, б) проходит следующим образом. Под действием энергии потока масла вращается турбинное колесо 1, которое через червячный редуктор 13 и пару зубчатых колес 12 передает вращение рычагу промывки 11. Медленно вращаясь, рычаг последовательно одну за другой соединяет фильтрующие свечи 5 с атмосферой. Под действием значительного перепада давления нефильтрованное масло из верхней полости фильтра протекает с большой скоростью вдоль фильтрующих свечей. Одновременно окружающее снаружи эти свечи масло проходит через стенки (поперечный поток) и смешивается с маслом, идущим внутри свечей вдоль стенок. Возникшее при этом интенсивное турбулентное течение жидкости эффективно промывает стенки свечей. Грязное масло через сопловую вставку 15 и подсоединительную трубу сливается или в картер дизеля или в специальный бак, из которого она дополнительным насосом подается в сепаратор (центрифугу), а затем в картер двигателя.
Степень загрязнения фильтрующего блока контролируется указателем перепада давления 9. При техническом обслуживании фильтровальный блок извлекается из корпуса, фильтрующие свечи осматриваются и промываются специальной жидкостью вручную. Фильтрующие свечи рекомендуется заменять через два года эксплуатации.
Фильтр фирмы «Боль и Кирх» устанавливается на дизелях типа Д49, поставляемых в Германию для модернизации тепловозов V300, а начиная с 2003 г. на дизеле тепловозов ТЭП70 и ТЭП70БС. В качестве утилизаторов загрязнений используются фильтр грубой очистки и центробежный очиститель.
Смазывая и охлаждая трущиеся поверхности, масло захватывает металлические частицы (продукты абразивного износа). Эти частицы из-за малых размеров свободно проходят через фильтры тонкой очистки. В масляных системах тепловозов устанав
351
ливают центробежные очистители для эффективного удаления
металлических частиц.
Центробежный очиститель (рис. 5.17) представляет собой центрифугу, в которой масло проходит через вращающийся с большой скоростью (более 6000 об/мин на дизелях типа Д100) ротор. Взвешенные в масле частицы под действием центробежных сил, в тыся
Рис. 5.17. Центробежный очиститель масла (центрифуга) дизеля 1 ОД 100:
1 — сопло; 2 — корпус ротора; 3 — трубка; 4 — неподвижный стержень; 5 — подшипник; 6— крышка; 7— входной штуцер; 8 — фланец
чи раз превышающих их силы тяжести, выделяются плотным слоем на внутренней поверхности ротора.
Масло нагнетается во входной штуцер 7 фильтра. Вокруг неподвижного стержня 4 на двух подшипниках 5 вращается ротор. Ротор состоит из корпуса 2, крышки 6 и двух трубок 3, в нижней части которых применены сопла 1, выступающие наружу ротора на его днище. Нижняя часть стержня 4 выполнена пустотелой с тремя отверстиями Б. Масло под давлением 0,8—1,0 МПа проходит в полость стержня 4 и по отверстиям Б поступает в полость ротора, заполняя ее. При движении масла вверх во вращающемся роторе проходит процесс выделения частиц к внутренней поверхности ротора. Затем масло попадает в трубки ротора и проходит к двум соплам 1. При истечении масла из сопел создается реактивный момент, под дей-
352
ствием которого и вращается ротор. Очищенное масло стекает из корпуса центрифуги через фланец 8 корпуса в поддон дизеля.
Устройства для охлаждения масла. Для отвода тепла от масла к воздуху в масляных системах используются водомасляные теплообменники, а также масловоздушные радиаторы, применяемые в некоторых тепловозах. Принцип действия и особенности конструкции этих узлов рассмотрены ниже (см. п. 5.2).
5.1.3. Водяная система
Назначение системы. Водяная система предназначена для отвода и рассеивания тепла от гильз и крышек цилиндров, а также от выпускных коллекторов дизеля во избежание их перегрева. Вода охлаждает эти детали и узлы дизеля во внутренней системе охлаждения и переносит теплоту в охлаждающие устройства (радиаторы), где она передается в атмосферу. Охлажденная воздухом вода возвращается в систему дизеля. С учетом габаритов и автономности установки дизеля водяная система в локомотиве может быть только замкнутой. Циркуляцию воды в ней обеспечивает водяной насос. Теплоотдача дизеля в воду весьма велика (см. табл. 5.1). Поэтому на современных дизелях для магистральных тепловозов устанавливаются центробежные водяные насосы с производительностью 100—150 м3/ч, обеспечивающие интенсивную циркуляцию охлаждающей воды.
На некоторых тепловозах (ТЭП70, ТЭП80, 2ТЭ116, ТЭМ7, ТГМ6А и др.) водяная система используется для отвода тепла от водомасляного теплообменника и охладителя наддувочного воздуха. Кроме того, на многих тепловозах небольшая часть горячей воды подается в холодное время года в топливоподогреватель и в калорифер кабины машиниста для ее обогрева.
Типы водяных систем. Водяные системы классифицируют по следующим признакам: по количеству контуров циркуляции воды — одно-, двух- и трехконтурные; по температуре воды, если она ниже точки кипения — среднетемпературные, если выше — высокотемпературные', по способу сообщения воды с атмосферой — открытые и закрытые.
В общем случае на тепловозе (рис. 5.18) вода может использоваться для отвода тепла от трех его источников: дизеля 2, водомас-
353
a
б
Рис. 5.18. Схемы водяных систем тепловозных дизелей: а — трехконтурная; б — двухконтурная; в — одноконтурная; I — воздухоохладитель; 2 — дизель; 3, 4, 7 — водяные насосы; 5 — водовоздушный радиатор; 6— водомасляный теплообменник
ляного теплообменника 6 и воздухоохладителя I. Источники тепла могут быть включены в водяную систему по-разному.
В связи с этим водяная система может быть трехконтурной, когда для каждого источника тепла создается независимый контур циркуляции воды соответственно с насосами 3, 4 и 7 и блоками водовоздушного радиатора 5 (рис. 5.18, а). Такая система удобна для раздельного регулирования температур охлаждающих жидкостей и, в особенности, наддувочного воздуха, однако наличие трех насосов и необходимость их привода делают ее слишком сложной. Кроме того, так как все насосы обычно размещают на дизеле, в этой системе наибольшие общие длина и вес трубопроводов. Трехконтурная система применялась на тепловозах ТЭ10 и ТЭП60 первых выпусков.
В двухконтурной схеме (рис. 5.18, б) разделены контур охлаждения дизеля 2 с насосом 3 и контур охлаждения масла в водомасля-
354
ном теплообменнике 6 и воздуха в воздухоохладителе 7 с насосом 4. Такая схема применена на многих магистральных и маневровых тепловозах для раздельного регулирования температур воды и масла.
Возможна и одноконтурная система, в которой все источники тепла включены в общий контур циркуляции воды с одним насосом. Эта схема (рис. 5.18, в) наиболее проста по устройству, однако в ней трудно обеспечить оптимальные условия охлаждения агрегатов. На тепловозах с масловоздушными радиаторами (ТЭЗ, ТЭМ1), без охлаждения наддувочного воздуха, применялась водяная система из одного контура охлаждения дизеля. Такая схема применялась на некоторых опытных и экспортных (V300) тепловозах, а также на тепловозе ТЭ109 с дизелем 1А-5Д49.
В открытых системах свободная поверхность воды в одной из точек системы (расширительном баке) соприкасается с атмосферным воздухом. Максимальная температура воды в таких системах ограничивается 95—96 °C, так как при 100 °C в нормальных атмосферных условиях вода кипит. Открытые системы применяются на многих отечественных тепловозах.
Закрытые системы герметичны, они могут работать при температуре воды выше 100°С, если в них поддерживается давление выше атмосферного. Избыточное давление около 0,03 МПа может создаваться испарением воды в замкнутом объеме. Ббльшее давление нужно обеспечивать искусственно. Высокотемпературное охлаждение (при температурах воды выше 100 °C) показало некоторые преимущества: уменьшаются потери тепла в воду, требуется меньшая поверхность охлаждения радиаторов. Высокотемпературное охлаждение водяных систем применено на тепловозах 2ТЭ116 и ТЭП70.
С созданием на Людиновском заводе тепловоза ТЭРА1 появилась еще одна разновидность водяной системы охлаждения — одноконтурная система с осушаемым радиатором. В ней вода из секций радиатора сливается в расширительный теплоизолированный бак при остановке дизеля, чем предотвращается замораживание секций радиатора при низких температурах.
В тепловозах 2ТЭ10Л, ТЭМ2, ТЭМ2У применялись масловоздушные радиаторы (секции), а в тепловозах более поздних выпусков 2ТЭ10В(М) и модернизированном после заводского капитального ремонта тепловозе ТЭМ2УМ — водомасляные теплообменни
355
ки. При установке теплообменника непосредственно на дизеле ПД4М уменьшается длина водяных труб и общее число радиаторных секций. В первом контуре тепловозов 2ТЭ10В и ТЭМ2УМ охлаждается вода дизеля, а во втором — воздух турбокомпрессора и масло в теплообменниках.
Схема водяной системы тепловоза ТЭП70. Система водяного охлаждения дизеля выполнена двухконтурной (рис. 5.19).
В первом контуре (горячем) вода, циркулируя между дизелем 15 и водовоздушными радиаторами 7, 26 под действием лопастного насоса 21, охлаждает втулку цилиндров, турбокомпрессор и газовыпускные коллекторы. В холодное время года горячая вода дизе-
7 8 9 10 11 12
27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17
Рис. 5.19. Схема водяной системы тепловоза ТЭП70:
1,6 — водовоздушные радиаторы второго контура; 2, 4, 9, 13, 17, 18, 23, 25, 27— вентили; 3, 16 — калориферы обогрева кабин; 5 — ручной насос для дозаправки системы; 7, 26 — водовоздушные радиаторы первого контура; 8 — топливоподогреватель; 10 — расширительный бак; 11 — паровоздушный предохранительный клапан; 12, 24 — соединительные головки; 14, 19 — водомасляные теплообменники; 15 — дизель; 20 — охладитель наддувочного воздуха; 21, 22 — водяные центробежные насосы
356
ля используется для обогрева кабин машиниста, в которых установлены калориферы 3 и 16, а также для подогрева топлива в топ-ливоподогревателе 8.
Во втором контуре охлажденная вода в водовоздушных радиаторах 1, 6 засасывается водяным насосом 22 и направляется в два последовательно включенных водомасляных теплообменника 14, 19, а затем в трубчатый холодильник наддувочного воздуха 20. Нагретая вода вновь поступает в охлаждающее устройство. Оба контура имеют общий расширительный бак 10 с выносным «водомерным стеклом». Водяная система — закрытая с избыточным давлением 0,05—0,075 МПа. Давление возникает в результате выделения пара из воды при повышении ее температуры. Чтобы в системе не создавалось давление выше назначенного, на расширительном баке 10 установлен предохранительный паровоздушный клапан И, выпускающий часть паровоздушной смеси в атмосферу при давлении выше 0,075 МПа. В предохранительный клапан встроен обратный клапан, открывающийся при образовании в системе вакуума до 0,004—0,007 МПа.
Система заполняется водой через заливочную горловину расширительного бака 10 или через соединительные головки 12.
В современных локомотивах с двухконтурной системой охлаждения устанавливают трубопровод с регулирующим клапаном, соединяющий оба контура. Регулирующий клапан работает синхронно с механизмом управления жалюзи второго контура. При закрытии жалюзи клапан обеспечивает перепуск воды из первого («горячего») контура во второй, а при открытии жалюзи подача воды во второй контур прекращается. Внесенные в систему охлаждения дизеля изменения ускорили прогрев масла в 1,5 раза и подготовку дизеля для работы под нагрузкой, что особенно важно в зимних условиях. Уменьшается охлаждение наддувочного воздуха в воздухоохладителе, что благоприятно влияет на расход топлива дизелем.
Схема водяной системы тепловоза ТЭРА1. Система охлаждения дизеля — одноконтурная закрытого типа с избыточным давлением (рис. 5.20) и состоит из насосов, водовоздушных радиаторов, водомасляного теплообменника, расширительного бака и трубопровода.
357
Рис. 5.20. Схема водяной системы тепловоза ТЭРА1:
1,2 — водяные центробежные насосы; 3 — дизель; 4 — паровоздушный клапан; 5 — расширительный бак; 6, 13 — вентили; 7,8 — водовоздушные радиаторы; 9— водомасляный теплообменник; 10— компрессор; 11 — топливоподогреватель; 12 — соединительная головка; 14 — автоматический сливной клапан
Схема охлаждения тепловоза предусматривает возможность охлаждения компрессора, подогрев топлива, а также слив охлаждающей жидкости из секций радиатора при остановке дизеля. Применение одноконтурной системы упрощает слив воды из радиаторов и их заполнение в холодный период эксплуатации тепловоза. Подогрев топлива и масла перед запуском дизеля при низких температурах возможен прокачкой топлива и масла через топливоподогреватель и водомасляный теплообменник, после предварительного заполнения водяной системы водой.
Центробежными насосами 7 и 2 охлаждающая жидкость забирается из расширительного бака 5 и водомасляного теплообменника 9
358
и нагнетается в дизель 3. Охладив дизель, наддувочный воздух, турбокомпрессор, охлаждающая жидкость поступает в водомасляный теплообменник 9 и далее к насосам 1, 2. При остановке дизеля охлаждающая жидкость из радиаторов 7, 8 автоматически сливается в расширительный бак 5, расположенный ниже их уровня.
Для уменьшения скорости потока в трубках радиатора часть охлаждающей жидкости, минуя охлаждающее устройство, поступает в трубопровод а перед охладителем масла дизеля 9 и сливается в расширительный бак 5. Часть охлаждающей жидкости из насосов 1, 4 по вспомогательному трубопроводу б идет на топливо-подогреватель 11 и охлаждение компрессора 10, затем, соединяясь в трубопроводе перед водомасляным теплообменником 9, поступает к насосам 1, 2.
Пар и воздух с некоторым количеством воды из радиаторов и водомасляного теплообменника отводится паровоздушными трубками в расширительный бак 5.
Давление и температура охлаждающей жидкости контролируется по датчику давления, установленному на выходе из левого насоса 2, и по дистанционному термометру на линии всасывания правого насоса 1. Датчики термореле управляют работой жалюзи и контролируют допустимую температуру.
При давлении в расширительном баке более 0,14 МПа срабатывает паровоздушный клапан 4, предохраняя систему от дальнейшего повышения давления. Охлаждающая жидкость сливается и заправляется через соединительную головку 12 и вентиль 13. При достижении температуры окружающего воздуха ниже +4 °C срабатывает автоматический клапан слива 14 и охлаждающая жидкость из системы автоматически сливается в теплоизолированный бак, предохраняя ее от замораживания.
Трубопроводы водяной системы в тепловозах окрашиваются в светло-зеленый цвет.
Приборы контроля температуры и защиты дизеля от перегрева. Для контроля температуры предусмотрены электротермометры в кабинах машиниста. Датчики этих термометров установлены на выходном трубопроводе первого контура системы охлаждения. В дизельном отделении тепловоза размещаются ртутные термометры для периодического контроля соответственно температуры пер
359
вого и второго контуров циркуляции на входе и выходе из дизеля. На выходном трубопроводе установлены датчики температуры, которые связаны с термореле, управляющими соответственно открытием жалюзи и сбросом нагрузки дизеля.
В тепловозе ТЭП70 к выходному трубопроводу подсоединен трубопровод терморегулятора, управляющего работой гидромотора вентилятора, который при увеличении температуры воды в горячем контуре пропускает в гидромотор большее количество масла, при этом увеличивается частота вращения гидромотора и тем самым снижается температура воды.
Водяной (расширительный) бак предназначен для размещения части увеличивающегося объема воды при повышении температуры в системе охлаждения агрегатов локомотива, обеспечения необходимого давления, а также пополнения системы при утечках воды. Наличие расширительного бака устраняет образование воздушных и паровых пробок и создает возможность термосифонного охлаждения двигателей после остановки, когда горячая вода поднимается от двигателя в бак, а холодная поступает в двигатель. Расширительный бак устанавливают в самой верхней точке водяной системы. Емкость водяной системы современных тепловозов составляет 900—-1500 л. При нагревании воды от 20 до 90 °C объем увеличивается на 30—60 л. Емкость расширительного бака 100—300 л.
Корпус бака оборудуют водомерными стеклами, трубкой для отвода пара в атмосферу, заливной горловиной, перегородками для создания жесткости бака. Площадь сечения трубы, соединяющей бак с водяной системой, значительно меньше, чем площадь сечения труб основной магистрали, при этом вода проходит в основном по кругам циркуляции. На локомотивах с двумя кругами циркуляции бак разделен перегородкой с отверстием для выравнивания уровня воды в разных частях бака, причем каждый отсек бака обслуживает свой круг. У тепловоза ЧМЭЗТ два расширительных бака, сообщающихся трубопроводом.
Форма бака обусловлена пространством для его установки. Баки тепловозов ТЭМ2, ТГМ4, ТГМ6, 2ТЭ10М и ТЭП70 выполнены в виде прямоугольного параллелепипеда, а тепловозов ТЭ109, М62, ТЭ121 и 2ТЭ116 — цилиндра.
360
Водяные насосы. При термосифонной циркуляции вода от горячих элементов к холодным перемещается вследствие перепада плотности холодной и горячей воды. Такие системы для локомотивов не применяют из-за малых скоростей перемещения воды, хотя эффект термосифонной циркуляции есть. Для обеспечения принудительной циркуляции в водяных системах охлаждения дизелей тепловозов устанавливают водяные насосы центробежного типа с механическим приводом.
Устройство водяных насосов тепловозных дизелей одинаково. Они отличаются размерами рабочего колеса и, следовательно, производительностью, а также устройствами уплотнения со стороны привода.
Необходимую подачу насоса GB (м3/с), обеспечивающую отвод теплоты от поверхностей дизеля и передачу ее в окружающую среду, определяют из выражения (5.8):
В
G =----------,
вн с р Д/ вг в в
(5-12)
где Р3 — количество теплоты, выделяемое в воду дизелем, кВт (см. табл. 5.1); св = 4,187 кДж/(кг К) — удельная теплоемкость воды; рв = 1000 кг/м3 — плотность воды; Д/в = 6—10°С — перепад температур воды на выходе из дизеля и на входе.
Количество теплоты, отводимой из дизеля охлаждающей водой, можно ориентировочно определить по выражению (5.11), приняв для дизелей средней быстроходности а2 = 0,15—0,20, а для быстроходных а2 = 0,1—0,15.
Мощность, потребляемую насосом, определяют по выражению (5.6). Гидравлическое сопротивление водяной системы принимают по экспериментальным данным или рассчитывают.
Из выражения (5.12) следует, что необходимая подача водяного насоса зависит от разности Д/ температур. Для уменьшения размеров водяного насоса и потребляемой мощности необходимо снизить подачу насоса, что возможно при увеличении Д/. Наибольшая температура воды, выходящей из дизеля, обусловлена типом системы охлаждения. Разность температур воды на входе в дизель и выходе определяют исходя из предотвращения возникновения в двигателе недопустимых температурных деформаций.
361
5.1.4. Системы воздухоснабжения
Назначение и условия работы системы подачи воздуха. Локомотив является мощным потребителем воздуха. Во-первых, воздух используется как компонент рабочей смеси в силовых установках тепловозов и газотурбовозов, во-вторых, для охлаждения тяговых электрических машин и аппаратов. Современные тепловозные дизели требуют для своей работы большой расход воздуха (15—17 тыс. м3/ч — дизели 10Д100 и 11Д45 и 14—15 тыс. м3/ч — дизель 1А—5Д49). Для подачи воздуха в системах тепловозов используются нагнетатели (компрессоры) различных типов. Воздух забирается извне тепловоза через воздухоприемные устройства.
Воздух, окружающий тепловоз во время движения, содержит во взвешенном состоянии большое количество разнообразных по природе и различных по размерам твердых частиц — пылинок. Движение локомотива с поездом, особенно с большей скоростью, вызывает завихрение окружающего железнодорожный путь воздуха и способствует отрыву от земли и подъему более крупных и тяжелых частиц, главным образом кремнезема SiO2, а также металлической пыли от истирания тормозных колодок. Запыленность воздуха вокруг тепловоза во время движения зависит от многих условий и в среднем равна 2—4 мг пыли на 1 м3 воздуха. В особо неблагоприятных условиях она может достигать 50 и даже 100 мг/м3.
Железнодорожная пыль характерна своей высокой раздробленностью или, как говорят, дисперсностью. В ней преобладают очень мелкие частицы. В средних условиях 65—70 % частиц пыли имеют размеры менее 5 мкм (0,005 мм). Наличие пыли в воздухе ускоряет абразивный износ деталей двигателей, так как твердость некоторых частиц, особенно кремнезема, выше твердости материалов деталей шатунно-поршневой группы. Поэтому все тепловозные дизели обязательно снабжаются воздухоочистителями.
Количество влаги в воздухе, поступающего к дизелю, обусловлено интенсивностью дождя, предельное значение которой принимают 3 мм/мин. Такая интенсивность принимается до 5 мин 1—2 раза в год. Кроме этого, в расчетах можно принимать интенсивность дождя 1,5 мм/мин в течение 1 ч и 0,5 мм/мин — за 5 ч. Загрязненность воздуха в помещении машинного отделения масляным туманом может быть до 0,3 мг/м3.
362
Система воздухоснабжения дизеля предназначена для забора воздуха, его очистки, охлаждения (подогрева) и нагнетания в дизель, К показателям работы системы воздухоснабжения прежде всего относят эффективность очистки воздуха от пыли, влаги и других примесей, гидравлическое сопротивление и пылеемкость воздухоочистителя. В систему воздухоснабжения входят устройство для очистки воздуха (воздухоочистители), агрегаты наддува (воз-духонагнетатели), воздухоохладители, воздуховоды и воздухозаборные устройства.
Применяют систему воздухоснабжения с одной (рис. 5.21, а) и двумя (рис. 5.21, б) ступенями сжатия, с воздухоохладителями и без них. Охлаждение наддувочного воздуха для тепловозных дизелей применяют преимущественно при его давлении выше 0,13—0,2 МПа и осуществляют либо охлаждающим воздухом, либо водой. Такое охлаждение уменьшает удельный объем воздуха, нагнетаемого в цилиндры дизеля, увеличивая этим массу воздушного заряда.
Охлаждение наддувочного воздуха атмосферным воздухом применено на опытном тепловозе ТЭП75. Для двухтактных дизелей, требующих большего количества воздуха при одинаковой мощности по сравнению с четырехтактными из-за необходимости продув-
*>. выпускные газы о*> охлаждающая вода
-*> атмосферный воздух
»* рабочий воздух для дизеля
Рис. 5.21. Схемы систем подачи воздуха и выпуска газов тепловозных дизелей:
а — 10Д100; б — ПД1М, Д49; 1 — воздухоохладитель; 2 — приводной нагнетатель; 3 — промежуточный воздуховод; 4 — впускной коллектор; 5 — газовая турбина; 6 — компрессор; 7— воздухоочиститель; 8 — воздухоприемное устройство; 9— выпускной коллектор
363
ки цилиндров применяется двухступенчатый наддув. Как правило, в первой ступени используется турбокомпрессор, а во второй — приводимые от коленчатого вала дизеля нагнетатели: центробежные (дизель 10Д100) или объемные роторного типа (дизель Д40). При этом воздухоохладитель может стоять после первой (Д40) или после второй (1 ОД 100) ступени. Приводной нагнетатель облегчает пуск дизеля и обеспечивает подачу необходимого количества воздуха при малых нагрузках дизеля, когда энергия выхлопных газов недостаточна для выхода турбокомпрессора на устойчивый режим работы.
При работе локомотива в условиях низких зимних температур (наличие переохлажденного воздуха) ухудшаются условия полного сгорания топлива и увеличивается время прогрева дизеля. Поэтому необходимо проводить подогрев наддувочного воздуха, например, введением дросселирования его до или после агрегата наддува. В этом случае увеличивается коэффициент остаточных газов в ресивере. Более эффективен подогрев воздуха перепуском воды из контура охлаждения дизеля в контур охлаждения наддувочного воздуха (тепловозы 2ТЭ116, ТЭП70, ТЭП70БС), так как на холостом ходу и малых нагрузках температура воды контура охлаждения дизеля намного превышает температуру воды в контуре охлаждения воздуха.
Система воздухоснабжения забирает воздух из атмосферы и подводит его к дизелю по трубе, от которой к каждому всасывающему каналу в крышке цилиндра ответвляется патрубок. Диаметр трубы выбирают в зависимости от числа цилиндров и их диаметра, а также угловой скорости вращения вала двигателя. Для шести- и восьмицилиндровых двигателей при угловой скорости вала двигателя 60—160 рад/с он равен 0,6—0,7 диаметра цилиндра, а при наличии наддува — 0,7—1,0. Конструкция воздуховодов и воздухозаборных устройств обусловлена компоновкой локомотива, типом и числом дизелей.
Агрегаты наддува и воздухоохладители являются узлами дизеля. Конструкция и основные параметры воздуховодов, воздухозаборных устройств и воздухоочистителей определяются в процессе проектирования тепловозов.
5.1.5. Воздухоочистители
Воздухоочистители предназначены для улавливания пыли из воздуха, подаваемого в энергетическую установку и систему вен
364
тиляции тяговых электрических машин и аппаратов. Качество воздухоочистителей оценивают по коэффициенту очистки (%):
rf - (т} /)100, (5.13)
где т3 — масса пыли, задержанной воздухоочистителем, мг; тв — масса пыли в воздухе, поступившем в фильтр, мг. Часто критерием оценки очистки воздуха служит коэффициент пропуска пыли е' = (1 — ф)100, %.
В соответствии с ГОСТ 11729-78 для тепловозных дизелей, работающих при среднегодовой запыленности воздуха 4 мг/м3 и менее, е' допускается не более 1,5 %. Для систем вентиляции тяговых электрических машин и аппаратов коэффициент очистки г,' равен 75—85 % (е' = 15—25 %). Важным фактором оценки воздухоочистителей является гидравлическое сопротивление проходу воздуха. Начальное сопротивление воздухоочистителей при номинальном расходе воздуха допускается не более 3 кПа, предельное сопротивление — не более 7 кПа.
Типы воздухоочистителей, применяемых в локомотивах. В зависимости от требуемой степени очистки пыли в локомотивах применяют воздухоочистители инерционные и фильтрующего действия. По способу удаления уловленных частиц пыли различают воздухоочистители с периодической очисткой, самоочищающиеся и с постоянным отсосом пыли.
В инерционных воздухоочистителях пыль отделяется под действием сил инерции в результате изменения направления струи воздуха при обтекании препятствия или в криволинейном канале. При изменении направления движения потока воздуха частицы пыли вследствие сил инерции некоторое время двигаются в первоначальном направлении, что используется для отделения твердых частиц. В зависимости от способа удержания частиц пыли, достигающих поверхностей осаждения, воздухоочистители разделяют на сухие и мокрые.
При сухой инерционной очистке часть частиц при изменении направления воздушного потока достигает изгиба стенки корпуса или отражателя. При этом скорость их движения снижается, и они выпадают из потока в специальный пылесборный бункер. Сухие инерционные воздухоочистители просты по конструкции, однако
365
эффективность очистки их недостаточна. Если пыль состоит из тя
желых частиц крупных размеров, то появляется упругий удар и
отскок частиц, подхватываемых воздушным потоком вновь, что
снижает коэффициент очистки. В целях устранения этого явления разработаны мокрые воздухоочистители, в которых поверхностью,
воспринимающей удар частиц, является жидкость (чаще всего масло). В воздухоочистителях, использующих принцип мокрой очист
ки, процесс улавливания пыли зависит от скорости, массы и формы частиц. Мокрые воздухоочистители предназначены для первой
ступени очистки. Во второй ступени дополнительно удерживают-
Очищенный воздух
Пыль
Рис. 5.22. Схема циклона
ся частицы жидкости. Такие воздухоочистители широко применяют в практике ло-комотивостроения.
К инерционным относят также центробежные воздухоочистители, фильтры с различными набивками (контактные воздухоочистители) и т.п. Принцип центробежной очистки основан на использовании центробежных сил, которые отбрасывают частицы пыли к стенкам. Под действием этих сил, наряду с движением вместе с потоком, возникает относительное движение частиц внутри потока, направленное по радиусу от центра к периферии. Из устройств очистки воздуха, действующих по этому принципу, наиболее типичны циклоны (рис. 5.22).
Собранные на специальной панели и установленные в корпусе циклоны образуют мультициклонный блок (рис. 5.23). Испытания такого блока, выполненные во ВНИИЖТе, показали, что один блок с размерами 400x400x175 мм, состоящий из 52 воздухоочистителей, достигает эффективности очистки 85 % при аэродинамическом сопротивлении 500 Па. Номинальный расход воздуха через блок равнялся 4420 м3/ч.
366
А--А
Рис 5.23. Мультициклонный блок воздухоочистителя-
1 — крепежные элементы; 2 — разделитель мультициклона, 3 — корпус; 4 — завихритель мультициклона
367
Мультициклоны состоят из завихрителя 4 и разделителя 2. Завихритель раскручивает поток воздуха, при этом пыль отбрасывается к цилиндрической стенке разделителя и через кольцевой зазор попадает в пылесборник, из которого она отсасывается специальным вентилятором. Чистый воздух по центральной трубе мультициклона попадает в камеру, из которой, проходя вторую ступень очистки, поступает к турбокомпрессору.
Контактная очистка воздуха происходит при столкновении частиц пыли с препятствиями, образованными фильтровальным материалом, покрытым вязкой жидкостью (обычно маслом). Такие воздухоочистители выполняют иногда двухступенчатыми, причем первой ступенью служит масляная ванна, а второй — кассета с набивкой из путанки (проволока, различные волокна, проволочные сетки, перфорированные листы). Набивка из сеток создает меньшее гидравлическое сопротивление, чем из перфорированных листов, а по сравнению с набивками из волокон более высокую механическую прочность. Воздух при своем движении поднимает слой масла на некоторую высоту и смачивает кассету. Струя запыленного воздуха, ударяясь о кассету, разбивается на мелкие струи, которые резко и многократно изменяют направление. Вследствие своей инерции струи ударяются о мелкие волокна фильтрующей кассеты, и на них осаждается пыль. Скорость тч частицы в кассете зависит от размера и формы частицы пыли, турбулентности потока, площади поверхности и материала кассеты.
Фильтрацию запыленного потока воздуха осуществляют через пористые среды различных видов, поры которых меньше частиц пыли. Такие воздухоочистители легки и просты в обслуживании. Фетровый фильтр обеспечивает 100%-е улавливание всех частиц размером до 1 мкм. Из других материалов следует отметить двустороннюю байку в шелковой оболочке, применяемую при скорости воздуха через ткань до 0,10 м/с. Пылеемкость ткани при подводе воздуха снизу достигает 3 кг/м2. Применение тканевых фильтров в тепловозах затруднено, так как такие фильтры чувствительны к попаданию влаги и масла на фильтрующие поверхности. При использовании особых тканей из синтетического волокна эти трудности можно преодолеть. Пористой средой может быть также бумага или картон специальных сортов, пропитанные синтетически
368
ми смолами и гидрофобными веществами. Однако у таких фильтров сравнительно небольшая пылеемкость (около 0,6 кг/м2). Срок службы этих фильтров определяется в основном максимально допустимым сопротивлением, поскольку они не выдерживают более одного-двух циклов регенерации и не восстанавливают полностью свои первоначальные характеристики.
Воздухоочистители двигателей внутреннего сгорания. На отечественных тепловозах для обеспечения дизелей чистым воздухом устанавливают воздухоочистители различных типов и конструкций, у которых значительные габариты и масса. Так, масса воздухоочистителя дизеля мощностью 2200 кВт равна 600—700 кг.
В маслопленочных воздухоочистителях (МВ) применен контактный способ очистки с подачей масла на рабочую поверхность кассет энергией воздушного потока. Конструкции маслопленочных воздухоочистителей разнообразны и отличаются одна от другой траекторией движения воздушного потока, формой и расположением резервуара масляной ванны, а также фильтрующего устройства. Запыленный воздух в воздухоочиститель тепловозов типа 2М62У, ТЭП60, М62, 2М62У (рис. 5.24) поступает через воздухоприемное окно во входной патрубок 1 с криволинейным участком. Проходя через поддон 5, поток воздуха перемещается над поверхностью масла. Крупные частицы пыли выделяются из потока центробежными силами и задерживаются в масле. Воздух и мелкие частицы пыли увлекают слой масла и направляются к фильтрующим кассетам 2. Излишки масла стекают с рабочих поверхностей кассет под действием сил тяжести, смывая уловленную пыль, и через трубки 4 поступают в поддон 5. Для работы воздухоочистителей с масляной ванной характерен унос масла с постепенным уменьшением его уровня. Унос равен 1,5—4 г/ч на 700—800 кВт мощности. Снижение уровня масла отрицательно сказывается на работе воздухоочистителя. Одной из причин повышенного уноса масла является изменение нагрузочного режима двигателя. Поэтому в современных конструкциях воздухоочистителей с масляной ванной предусматривают устройства для регулирования уровня в ванне в зависимости от расхода воздуха.
Унифицированный тепловозный воздухоочиститель (УТВ) (рис. 5.25). Воздух очищается в кассете 2 с капроновой путанкой,
369
изо
Рис. 5.24. Маслопленочный воздухоочиститель:
1 — входной патрубок; 2 — кассета; 3 — корпус; 4 — сливная трубка;
5 — масляная ванна
помещенной в корпусе 1. Для подачи масла на кассету используется энергия сравнительно небольшой части воздушного потока, поступающего в воздухоочиститель. Этот воздух проходит через маслоподающие циклоны и уносит из поддона 4 капли масла, которые смачивают набивку кассеты. Заслонка 7, устанавливающаяся под действием силы тяжести и аэродинамических сил, создаваемых потоком воздуха, автоматически регулирует количество воздуха, проходящего через маслоподающие циклоны, благодаря чему подача масла на кассету осуществляется на всех режимах работы дизеля. Масло, приникающее сквозь набивку, задерживается пакетом маслоулавливающих сеток 10 и по желобам стекает в масляную ванну поддона 4. Стеканию масла с улавливающей сетки способствуют наклонное (~10°) расположение воздухоочистителя и вертикальная стенка съемного листа 3, отделяющая полость стекания от полости подачи воздуха и масла на кассету.
370
Рис. 5.25. Унифицированный тепловозный воздухоочиститель:
1 — корпус кассеты; 2 — набивка; 3 — съемный лист; 4 — поддон; 5 — дозирующая трубка; 6 — пробка; 7 — заслонка; 8 — маслоподающий циклон; 9 — желоб; 10 — маслоулавливающие сетки; 11 — болт
Самоочищающиеся воздухоочистители (воздухоочистители непрерывного действия) в последнее время применяются все более широко. Фильтрующий элемент в большинстве случаев — сетка, смоченная в масле. При движении сетки через масляную ванну происходит непрерывная и автоматическая регенерация фильтрующих поверхностей.
371
Воздухоочиститель непрерывного действия (рис. 5.26) типа ФНД1 установлен в тепловозах 2ТЭ10В, 2ТЭ116, ТЭП70, ТЭМ18, ТЭМ2У. В корпусе 1 воздухоочистителя расположены два фильтрующих элемента, через которые последовательно проходит воздух, причем первый элемент 2 вращается, а второй 3 установлен неподвижно. Фильтрующая кассета вращающегося элемента выполнена
Рис. 5.26. Воздухоочиститель непрерывного действия:
7 — корпус; 2 — подвижная кассета; 3 — съемная кассета; 4 — жалюзи бокового люка; 5 — пневмоцилиндр привода; 6 — заливная горловина
372
в виде диска с четырьмя секторообразными секциями, набраными из гофрированных сеток квадратного плетения. На ободе колеса укреплена зубчатая храповая лента. Кассета вращается при помощи пневматического сервомотора 5, установленного в корпусе воздухоочистителя. Нижняя часть кассеты погружена в масло, которое заливают в ванну, образованную нижней частью корпуса воздухоочистителя. Запыленный воздух проходит через верхнюю часть кассеты; средняя ее часть образует самостоятельную зону, в которую стекает излишнее количество масла и где проводится продувка воздухом с небольшой скоростью. Неподвижный фильтрующий элемент 3 улавливает капли масла, присутствующие в потоке воздуха, прошедшем первую ступень очистки, и дополнительно очищает его от пыли. В холодное время года жалюзи воздухозаборника закрыты, а боковые жалюзи 4 открыты. При этом воздух забирается из машинного отделения, проходя только вторую ступень очистки через кассету 3.
Тип воздухоочистителя выбирают в зависимости от условий работы локомотива. При малой (менее 2 мг/м3) запыленности предпочтительнее воздухоочистители контактного действия. При повышенной запыленности воздуха наличие сухой первой ступени снижает количество пыли перед входом во вторую ступень до пределов, обуславливающих допустимые сроки ее регенерации. Пылеемкость воздухоочистителя рассчитывается для обеспечения его работы в течение времени, соответствующего периодичности проведения одного из видов планового обслуживания тепловоза.
Двухступенчатый воздухоочиститель (рис. 5.27) дизеля тепловоза ТЭП70БС, разработанный конструкторами Коломенского завода, устанавливается в крыше тепловоза над дизелем. Первая ступень инерционного действия состоит из двух блоков мультицикло-нов 5. Здесь воздух проходит предварительную очистку с эффективностью до 80 %. При этом пыль и другие загрязнения с частью воздуха (до 10 %) удаляются наружу с помощью мотор-вен-тиляторов 8. Вторую ступень образуют 24 картонных фильтрующих элемента 6 марки ФЭК 740.110.9560-10 ТУ 37.104.022—83, которые используются в автомобилях «КАМАЗ». Они обеспечивают эффективность очистки до 99,5 %. Наружный воздух поступает через жалюзи, проходит первую и вторую ступени очистки и через
373
Рис. 5.27. Установка двухступенчатого воздухоочистителя дизеля тепловоза ТЭП70БС:
1 — дизель; 2 — патрубки; 3 — жалюзи; 4, 7 — люки; 5 — мультицик-лонный фильтр; 6 — картонный фильтрующий элемент; 8 — мотор-вентилятор; 9 — индикатор
374
патрубки 2 подвода воздуха попадает в компрессорную часть турбокомпрессора наддува дизель-генератора 1. Мультициклонные блоки не требуют обслуживания, обслуживание ФЭК заключается в продувке и, при необходимости, промывке в специальном растворе. Засоренность ФЭК контролируется индикаторами 9.
Основные характеристики воздухоочистителей приведены в табл. 5.3.
Таблица 5 3
Основные характеристики воздухоочистителей
Воздухоочиститель Коэффициент очистки воздуха Гидравлическое сопротивление кПа Минимальный размер задержанных частиц пыли, мкм
Циклонно-сетчатый Маслопленочный Непрерывного действия Мультициклонный Двухступенчатый мультициклонный + ФЭК 0,97—0,98 0,98 0,98 0,8—0,85 0,995 5,8—6 0,22—2,4 1,5—2,2 0,5 3 5—10 2,5—3,0 1—3 1—2
5.1.6. Система выхлопа дизеля, глушители шума
Устройство для отвода отработавших газов состоит из коллекторов и глушителя шума, на маневровых тепловозах их иногда называют искрогасителями.
Выпускные коллекторы. Отработавшие газы от рабочих цилиндров дизеля отводятся по выпускным коллекторам в турбокомпрессоры. При этом для магистральных локомотивов у дизеля устанавливается один коллектор на все цилиндры, в котором давление газов выравнивается, и турбокомпрессор работает при постоянном давлении. На маневровых локомотивах у дизеля может быть два и более коллекторов, создающих так называемую эжекционно-им-пульсную систему подвода газа к турбине турбокомпрессора.
Выпускные коллекторы охлаждаются водой. Конструкция коллектора с водяным охлаждением (дизеля типа Д49) показана на рис. 5.28. Коллектор состоит из двух секций lvi4. Между секциями установлена прокладка из асбостального листа. Каждая секция представляет собой сваренные из листовой стали двухстенные трубы, внутрь которых вставлены трубы из жаропрочной стали. Меж-
375
Рис. 5.28. Коллектор выпуска газов дизеля типа Д49:
1,4 — секции коллектора; 2 — трубки для отвода пара; 3 — рукав;
5, 8, 9 — патрубки для перетока воды; 6 — фланец для отвода воды;
7 — компенсатор; 10 — сливная труба
ду наружной и промежуточной трубами образуется полость для перетока воды, охлаждающей коллектор. Вода поступает из крышек цилиндров через отверстия во фланцах коллектора. Соединение крышки с коллектором уплотнено резиновыми кольцами.
Коллектор к крышкам крепится болтами. Стыки между крышками цилиндров и фланцами уплотняются прокладками из ас-бостального листа. Для отвода воздуха и образовавшегося во время работы дизеля пара на патрубки каждого цилиндра установлены трубки 2. Вода от коллектора отводится в верхней части газовыпускных труб через фланец 6. На газовыпускных трубах установлены съемные компенсаторы 7, закрытые изоляцией из асбестовой ткани и стеклоткани. Наличие жаровых труб в коллекторах позволяет значительно снизить отвод тепла от выпускных газов в
376
воду. Особенности водоохлаждаемых коллекторов: наименьшее количество компенсаторов (2 шт. на дизель), отсутствие поверхностей с температурой выше 60 °C, что обеспечивает необходимую пожаробезопасность в случае попадания на коллектор топлива или масла, уменьшение выделения тепла в машинное помещение.
В тепловозах ТЭМ2У и ЧМЭЗТ и других коллекторы дизелей — не охлаждаемые. Обычно такие коллекторы хорошо изолируют и закрывают металлическими ограждениями.
Охлаждение коллекторов, несмотря на установку жаровых труб, приводит к снижению температуры выхлопных газов и, следовательно, к уменьшению тепловой (потенциальной) энергии, преобразуемой в механическую энергию турбинным колесом турбокомпрессора. В целом это ухудшает экономические показатели дизеля, поэтому Коломенский завод работает над созданием неохлаждае-мых коллекторов для мощных дизелей магистральных тепловозов. Как промежуточный вариант разработан охлаждаемый коллектор, у которого жаровая труба покрыта изоляцией. Это уменьшает тепловой поток, выделяемый в воду жаровой трубой.
Глушители шума. Требования к конструкции глушителей шума: гидравлическое сопротивление прохождению через него газа не более 500 мм вод. ст. (4900 Па), эффективное уменьшение шума на низких частотах в диапазоне 63—500 Гц.
В тепловозах устанавливаются глушители различных конструкций. По принципу гашения энергии выхлопных газов они делятся на два основных типа: реактивные и диффузорные. На рис. 5.29 показан глушитель реактивного типа тепловозов ТЭП70 и ТЭП80, а на рис. 5.30 — диффузорного типа тепловоза 2ТЭ116.
Глушитель шума тепловоза ТЭП80 (см. рис. 5.29) представляет собой цельносварную конструкцию овальной формы. Корпус 1 и обшивка 2 выполнены из листовой стали марки 20 толщиной соответственно 3 и 1,4 мм. Между корпусом 1 и обшивкой 2 находится теплоизоляционный материал 3 из супертонкого базальтового волокна (БСТВ-СП). Выхлопные газы входят в глушитель через один диффузор 4 в тепловозе ТЭП70 и через два одинаковых диффузора в тепловозе ТЭП80, а выходят через два прямоугольных патрубка 5. Расширение потока газов в диффузоре и затем дальнейшее внезапное расширение и поворот потока в большом объеме глушителя
377
00
Рис. 5 29. Глушитель шума реактивного типа дизеля тепловоза ТЭП80:
1 — корпус, 2 — обшивка; 3 — холст теплоизоляционный; 4 — диффузор; 5 — патрубок
Рис 5 30 Глушитель шума дизеля тепловоза 2ТЭ116 1,7 — кронштейны, 2 — обечайка, 3 — выпускной патрубок, 4 — корпус, 5 — перегородка, 6 — диффузор, 8 — впускной патрубок
приводит к резкому уменьшению скорости газов и к завихрению струй газов при повороте. При этом происходит значительная потеря энергии газов и как следствие снижение шума.
Глушитель шума тепловоза 2ТЭ116 (рис. 5.30), сваренный из жаропрочной стали, состоит из корпуса 4, перепускных каналов 6, закрепленных в перегородке 5, разделяющей корпус на впускную и выпускную расширительные камеры, впускного 8 и выпускного 3 патрубков. Перепускные каналы и выпускной патрубок выполнены диффузорными. У впускного патрубка (инжектора) также есть диффузор. Между входным патрубком и фланцем выходного патрубка турбокомпрессора устанавливается специальный компенсатор сильфонного типа.
Снижение шума происходит в расширительных камерах, диффузорах перепускных каналов и выпускного патрубка, на косом срезе выпускного патрубка и в диффузоре инжектора из-за эффекта поглощения звука при расширении газового потока, интерференции звуковых волн, разделения ядра струи исходного газового потока на элементарные струи с последующим смешением их, прохождения звуковых волн через звукопоглощающие материалы. Примененный в тепловозе глушитель снижает уровень шума на 10—20 дБ в широком диапазоне частот и при этом увеличивает
379
сопротивление на выпуске газов не более чем на 2940 Па (300 мм вод. ст.). Попадаемые в глушитель вместе с газами продукты неполного сгорания топлива и масла собираются в поддоне глушителя и отводятся по трубопроводу под раму тепловоза. Глушитель шума тепловоза ТЭ116 значительно сложнее по конструкции, однако у него меньшие габариты и вес.
5.2. Охлаждающие устройства
5.2.1. Назначение, типы и компоновочные решения
Охлаждающее устройство предназначено для отвода теплоты и обеспечения заданного температурного режима дизеля. В тепловозных дизелях только около 40 % теплоты, выделяемой при сгорании топлива, превращается в полезную работу, остальная часть теряется с отработавшими газами или отводится в охлаждающее устройство.
Теплота работающего дизеля отводится от стенок цилиндров, поршней и других деталей, нагревающихся в результате контакта с горячими газами или трения. Чтобы поддерживать температуру этих деталей в допустимых пределах, их охлаждают водой и маслом. Нагретые вода и масло отдают полученную теплоту в окружающую среду в охлаждающем устройстве тепловоза.
В тепловозных дизелях с наддувом с целью повышения их цилиндровой мощности необходимо, кроме того, отводить теплоту от наддувочного воздуха, который обычно охлаждается водой.
На тепловозах с гидропередачей охлаждающие устройства предназначаются и для охлаждения рабочей жидкости (масла) гидропередачи.
Охлаждающее устройство включает в себя теплообменники для охлаждения воды, масла и наддувочного воздуха, вентиляторы, воздушные каналы для подвода и отвода атмосферного воздуха, трубопроводы и насосы для циркуляции воды и масла, приборы и устройства для контроля и регулирования работы системы охлаждения.
Теплообменники для охлаждения воды и масла атмосферным воздухом собирают из соответствующих стандартных секций. Секции, объединенные коллекторами, образуют радиаторы. Радиаторы, воздушные каналы и вентиляторы компонуют в части тепловоза, называемой холодильной камерой (холодильником).
380
Основные требования к охлаждающим устройствам тепловозов: - обеспечивать теплорассеивающую способность, при которой возможна реализация номинальной мощности дизеля без ограничений при любых условиях эксплуатации;
- быть надежными в работе;
- отличаться наименьшими затратами мощности для функционирования в ограниченных габаритах и массе;
- быть изготовлеными из недефицитных цветных металлов с наименьшей стоимостью изготовления;
- быть удобными в обслуживании и при ремонте;
- автоматизированно управлять режимами работы.
На тепловозах применяются следующие основные схемы охлаждающих устройств, представленные на рис. 5.31;
1 ) охлаждение воды в водовоздушных радиаторах 1, масла в масловоздушных радиаторах 2 (рис. 5.31, а). По такой схеме выполнены охлаждающие устройства тепловозов с электропередачей ТЭЗ, ТЭМ1 и ТЭМ2. Данная схема оказывается малоэффективной при охлаждении форсированных дизелей с большой долей тепла, отводимого в смазочное масло, так как коэффициент теплопередачи у масловоздушных радиаторов значительно ниже, чем у водовоздушных;
2 ) охлаждение воды в водовоздушных радиаторах 1, масла в водомасляном теплообменнике 5 (рис. 5.31, б). Вода, охлаждающая масло, затем охлаждается воздухом так же, как и вода охлаждения
Рис. 5.31. Схемы охлаждающих устройств:
1 — водовоздушные радиаторы; 2 — масловоздушные радиаторы; 3 — масляный насос; 4, 6 — водяные насосы; 5 — водомасляный теплообменник; 7— охладитель наддувочного воздуха
381
двигателя. Такая схема применена на тепловозах 2ТЭ10В(Л), 2ТЭ116, ТЭП60, ТЭП70, ТЭМ7, ТГМ6.
Охлаждение масла промежуточным теплоносителем (водой) уменьшает общие размеры радиатора у тепловоза и способствует более устойчивой температуре масла, что важно при переменных режимах работы дизеля. Обе схемы включают масляный 3 и водяной 4 насосы в первой схеме и соответственно 3 и 4, 6 — во второй. Наддувочный воздух обычно охлаждается в воздухоохладителе 7 (см. рис. 5.31, б) водой в качестве промежуточного теплоносителя. На опытных тепловозах ТЭП75 и ТЭ136 применено охлаждение воздуха в воздуховоздушном теплообменнике.
Размещение основных частей охлаждающих устройств. Охлаждающие устройства тепловозных дизелей (радиаторы, вентилятор и его привод) занимают обычно часть кузова тепловоза, называемую шахтой холодильника (рис. 5.32, а), в боковых стенках кото-
Рис. 5.32. Схемы размещения радиаторов на тепловозах:
а — 2ТЭ1ОВ; б — ТЭП70; в — 2ТЭ116; г — ТЭ109; д — ТГ16; е — ТЭРА1;
1 — боковые поворотные жалюзи; 2 — водяная секция радиаторов; 3 — масляная секция радиаторов; 4 — осевой вентилятор; 5 — диффузор; б — верхние поворотные жалюзи; 7 — горизонтальный лист; 8 — наклонные стенки; 9 — коллектор; 10 — карданный вал; 11 — редуктор; 12 — индивидуальный гидростатический привод; 13 — электрический привод;
/</ — термоизолированный водяной бак
382
рой размещаются воздухоприемники — поворотные жалюзи 1 и секции радиаторов — водяные 2 и масляные 3 (у тепловозов 2ТЭ1ОЛ первых выпусков). У тепловозов 2ТЭ10В и 2ТЭ10Л с водомасля-ным охлаждением секции 3 также водяные. Охлаждающие жидкости собираются в коллекторах 9. В центре камеры размещается осевой вентилятор 4. Внутренняя часть камеры ограничена наклонными стенками 8, которые, смыкаясь с горизонтальным листом 7, образуют арку («шахту») для прохода к торцевым дверям секции.
У тепловозов ТЭП70 и 2ТЭ116 радиаторные секции слегка наклонены (рис. 5.32, б, в) для уменьшения сопротивления движению воздуха через секции в пространстве от секций до вентиляторов.
На магистральных тепловозах Людиновского завода ТГ16, ТГ22, ТЭРА1 применяются укороченные секции радиаторов, устанавливаемые в съемных крышевых блоках (рис. 5.32, д, ё).
Радиаторы в торце кузова устанавливают на некоторых маневровых и промышленных тепловозах небольшой мощности (ТГМ1, ТГК2, ТГК11, ТГМ40), а также на тепловозах узкой колеи (ТК6А, ТУ7А, ТУ8).
Воздух засасывается вентилятором через боковые жалюзи 1 и секции радиаторов 2 и 3, охлаждая их, проходит через диффузор 5 вентилятора и выбрасывается наружу. Открытием боковых жалюзи 7, а также верхних б регулируется подача воздуха, а следовательно, температура воды и масла.
Вентилятор 4 приводится либо механически через редуктор 77 и карданный вал 10 от вала дизеля (см. рис. 5.32, а), либо индивидуальным гидростатическим приводом 72 (см. рис. 5.32, б, д), либо электрическим 13 (см. рис. 5.32, в, г, ё). Количество вентиляторов зависит от длины фронта радиаторов и схемы компоновки холодильной камеры. При центральном размещении вентиляторов может быть один (тепловозы ТЭЗ, 2ТЭ10В), два (ТЭП60) или три (ТЭ109, ТЕРА1). При двухрядном расположении (см. рис. 5.32, в) на тепловозе 2ТЭ116 установлены четыре вентилятора.
Водомасляные теплообменники обычно размещаются непосредственно на дизеле (дизель Д49) либо вблизи него в машинном помещении тепловоза (2ТЭ10В, ТЭП60). Воздухоохладители размещаются непосредственно на дизелях.
На тепловозах с гидропередачей водомасляный теплообменник масла гидропередачи размещается рядом с дизелем на вертикаль
383
ной перегородке холодильной камеры (тепловозы типа ТГМ6) или рядом с гидропередачей на вертикальной стенке, отделяющей кабину от машинного помещения (тепловоз типа ТГМ4).
Основные технические данные охлаждающих устройств тепловозных дизелей приведены в табл. 5.4.
Охлаждающее устройство пассажирского тепловоза ТЭП70 (рис. 5.33) шахтного типа размещается по боковой стенке кузова в виде четырех блоков водяных секций ВС 12 с рабочей длиной трубок 1206 мм. Секции 4, 12 первого контура циркуляции (17 шт.) располагаются в передней части шахты, а секции 3,13 второго контура — в задней (24 шт.) и в передней (6 шт.) ее частях. В передней части шахты (левая сторона) установлена одна масляная секция 5 типа МВ 12 для охлаждения масла гидропривода вентилятора. Каждый контур циркуляции оборудован водяными насосами 6,11. В первом контуре циркуляции охлаждается вода дизеля, во втором — вода, охлаждающая масло в теплообменнике 7, 9 и воздух в охладителе наддувочного воздуха 10. Вверху шахты располагаются два осевых вентилятора 1 типа УК-2М. Через жалюзи боковых стенок вентиляторы закачивают воздух, который приходит через секции радиаторов и выбрасывается вверх через жалюзи,«расположенные на крыше.
На тепловозе предусмотрено автоматическое управление открытием и закрытием жалюзи для защиты радиаторных секций от переохлаждения. Зимой, чтобы избежать размораживания секций, воздух через специальные люки засасывается из машинного отделения. При этом боковые жалюзи закрываются, а верхние можно приоткрыть.
5.2.2. Конструкции, параметры и расчет водо- и масловоздушных секций радиаторов
Радиаторы тепловоза предназначены для отвода теплоты от воды и масла в атмосферу. Их собирают из отдельных стандартных секций, объединенных подводящими и отводящими коллекторами. Применение стандартных водовоздушных и масловоздушных секций для изготовления радиаторов тепловозов различной мощности снижает себестоимость их производства и упрощает тепловой расчет радиатора, так как можно использовать эксперимен-
384
Таблица 5 4
Характеристика охлаждающих устройств тепловозов
Наименование ТЭП70* 2ТЭ121 2ТЭ116 2ТЭ10М М62 ТЭМ7 ТЭМ2У ТГМ6А ТГМ23 ТУ7А ТГМ61
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Типы и количество теплообменных аппаратов: первого контура ВС12-17 ВС12-16 ВС12-15 ВС12-14 ВС12-15 ВС12-11 ВП12-16 ВП12-13 ВП12-10 ВС12-5 ВС5-7
второго контура ВС12-30 ВС 12-30 ВС12-25 ВС5-14 ВС 12-24 ВС12-15 ВП12-6 ВП12-9
масла дизеля МОд-2 МОд-2 МОд-1 ВС5-24 МОд-1 МОд-1 МОд-2 МВ 12-6 МОд-1 МОд-1 МВ 5-2 МВ12-1
масла гидропередачи — — — — — — — МОп-1 М0п-1 МВ5-6 МВ 12-2
наддувочного воздуха ВО-1 ВО-1 ВО-2 ВО-1 ВО-1 ВО-1 ВО-11 ВО-1 — — —
Теплоотвод, кВт: суммарный 2185 2185 1615 1955 1095 1132 550 638 250 272 191
от воды дизеля 1070 1070 780 955 700 615 427 302 157 180 134
от масла дизеля 535 535 425 605 395 290 75 93 13 20 13
от наддувочного воз- 580 580 410 395 — 227 48 128 — — —
духа от масла гидропере- — — — — — — — 115 80 72 44
дачи
00
LU oo Ox
Окончание табл. 5.4
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Номинальные расходы, м3/ч: воды первого (второ- 80(80) 80(80) 150(100) 75(75) 80(80) 90(20) 40(40) 12—15 12,7
го) контуров масла дизеля 2x100** 120— 56 95 24 55 1,8—2,3 2,4
масла гидропередачи — 130** — — 30 12 25
Максимально допустимые температуры теплоносителей, °C воды дизеля 105 96; 106 90; 106 92 90 96 88 95 105 95 105
масла дизеля 87 88 88 86 73*з 85 80 85 НО ПО 105
воды при выходе из 68 69 70 65 — 68 35 (40)*4 65 — — —
2-го контура — — — — — — — 115 110 110 но
масла гидропередачи 40 40; 45 40; 45 40 40 40 40(55) 40 55 40 40
окружающего воздуха
* В холодильнике дополнительно установлена одна масловоздушная се кция МВ12 для охлаждения масла гидропр и-вода вентиляторов.
** Масляные насосы в системе включены последовательно.
*3 Температура масла на входе в дизель.
** Температура воды соответствует окружающей температуре воздуха 20 °C.
Рис. 5.33. Схема охлаждающего устройства тепловоза ТЭП70:
1 — осевой вентилятор; 2 — нижние коллекторы; 3, 13 — секции радиаторов второго контура; 4, 12 — секции радиаторов первого контура; 5 — секция охлаждения масла гидроприводов вентилятора; 6, 11 — водяные насосы второго и первого контуров; 7,9— водомасляные теплообменники; 8— дизель; 10 — охладитель наддувочного воздуха
тальные зависимости, полученные при испытаниях ограниченного числа типов секций.
Водовоздушную секцию радиатора (рис. 5.34) выполняют из плоскоовальных бесшовных трубок 6, изготовленных из латуни марки Л96 ГОСТ 15527-70. Плоскоовальным трубкам придают сечение обтекаемой формы, поэтому их аэродинамическое сопротивление потоку воздуха значительно меньше, чем у круглых. Трубки с внешними размерами 19,5x2,2 мм и толщиной стенки 0,55 мм расположены в шахматном порядке по направлению потока воздуха, так как при шахматном расположении коэффициенты теплоотдачи от поверхности трубок к воздуху выше, чем при коридорном.
Количественной характеристикой процесса передачи теплоты в теплообменниках является коэффициент теплопередачи. Для секций радиаторов с оребренными поверхностями коэффициент теп-
387
(«О О 0 o»o о о о»1 О О О°О О О°О о о «ООО 0»0 ООО» о о о«о о о»о о о «ООО 0»0 ООО» о о о»о о о»о о о »о о о о»о о о о» о о о»о о о»о о о
У___________Z
Рис. 5.34. Водовоздушная секция радиатора:
1 — боковой щиток; 2 — охлаждающая пластина; 3 — усилительная пластина; 4 — решетка; 5 — корпус; 6 — плоская трубка; В — отверстие для протока воды; 8— отверстие для крепежной шпильки
лопередачи, Вт/(м2-К), отнесенный к наружной поверхности, омываемой воздухом,
К = у--------J------------, (5.14)
^/al+5/X)F2/Fl +1/а2
где а1 — коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности трубок к жидкости, Вт/(м2К); а2 — коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности трубок к воздуху, Вт/(м2К); 5 — толщина трубки секции, м; Л — коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м-К); F] и F2 — площадь поверхности, омываемая соответственно жидкостью и воздухом, м2.
Применяемая в качестве теплоносителя вода характеризуется высоким значением коэффициента теплоотдачи [ос2 =4650—6400 Вт/(м2-К)] по сравнению с охлаждающим теплоносителем — воздухом [а2 = = 58—175 Вт/(м2-К)]. Поэтому у всех водовоздушных теплообменников со стороны, омываемой воздухом, дополнительно оребря
388
ются поверхности охлаждения, что снижает термическое сопротивление «воздушной» стороны.
В водовоздушных секциях радиаторов роль коллективного оребрения выполняют медные охлаждающие пластины 2 (см. рис. 5.34) толщиной 0,1 мм, припаянные к трубкам. Толщина концевых пластин 0,6 мм, что способствует более точному взаимному расположению трубок. Концы трубок вставляют в отверстия в медных трубных решетках 4, развальцовывают и припаивают. Трубные решетки, соединенные пайкой или сваркой со стальными корпусами 5, образуют коллекторы секций радиатора (коробки). Для соединения с коллектором радиатора в каждой коробке делаются отверстия 7 для прохода воды и 8 для крепежных шпилек. Изготовленную секцию испытывают гидравлически давлением 0,3 МПа.
На тепловозах применяют водовоздушные секции с шагом оребрения (расстоянием между охлаждающими пластинами) 2,3 мм. Применение более прогрессивной технологии соединения элементов (пайка способом спекания вместо окунания в расплавленный припой), изменение конструкции боковых щитков 1 (прямые вместо загнутых) и уменьшение шага оребрения (по сравнению с шагом оребрения секций 2,83 мм) увеличивает поверхность охлаждения секций воздухом, живое сечение для прохода воздуха и одновременно уменьшает массу секций при одинаковых размерах.
Коэффициент теплопередачи серийных водяных секций зависит главным образом от величины коэффициента теплоотдачи авз поверхности секции к омывающему ее воздуху. При обычно применяемых скоростях воздуха 7—12 м/с коэффициент К = 58—81 Вт/(м2-К).
Серийные масловоздушные секции по конструкции незначительно отличаются от водовоздушных. В масловоздушных секциях применяют трубки с увеличенным живым сечением для прохода жидкости, что обусловлено значительно большей вязкостью масла. Трубки расположены в коридорном порядке по направлению потока воздуха, и шаг оребрения пластин увеличен до 3,28 мм. Такое расположение трубок вызвано стремлением снизить аэродинамическое сопротивление секций при увеличении поперечного сечения трубок. Увеличение расстояния между пластинами оребрения и уменьшение их числа тоже снижают аэродинамическое сопротивление. Для масловоздушных секций это вполне оправданно, так как
389
теплопередача в них ограничена вследствие низкого коэффициента теплоотдачи со стороны масла, а не со стороны воздуха. Для масловоздушных секций коэффициент теплопередачи равен 21—25 Вт/(м2-К), что объясняется низким значением коэффициента теплоотдачи от масла к внутренней поверхности трубок, так как течение жидкости в них ламинарное.
Во ВНИКТИ разработана конструкция масловоздушных секций, в трубках которых установлены турбулизаторы. Применение этой конструкции повысило коэффициент теплопередачи секций в 2—2,5 раза. При ламинарном движении жидкости интенсивность теплопередачи невелика, при переходе же в область турбулентного режима она значительно возрастает. Для масел, обладающих большой вязкостью, осуществление турбулентного режима увеличением скорости потока невыполнимо. Критические скорости для них настолько велики, что практически их нельзя осуществить вследствие больших гидравлических сопротивлений. Поэтому в масловоздушных секциях используют искусственную турбулизацию потока масла зигзагообразными пластинами, вставляемыми внутрь трубок.
Основные характеристики водо- и масловоздушных секций приведены в табл. 5.5.
В эксплуатации происходил большой выход из строя масловоздушных радиаторов. При заводских ремонтах число дефектных масловоздушных секций было более 50 %. Причина в том, что при работе тепловозов в номинальном режиме в результате значительной вязкости масла и существенной ее зависимости от температуры давление в секциях достигало 0,4—1 МПа, а при пуске 1,2—1,4 МПа. Кроме того, разность температур первого и последнего по потоку воздуха рядов трубок в зимних условиях равнялась 50 °C. Поэтому возникали сложные циклические деформации, приводившие в конечном итоге к появлению трещин и течи масла.
Вследствие низкой надежности масловоздушных секций в современных тепловозах для охлаждения масла дизеля их не устанавливают, а применяют системы охлаждения с промежуточными водо-масляными теплообменниками. У этих систем более высокая надежность, так как исключается воздействие низких температур окружающего воздуха непосредственно на масло, и, следовательно, ниже затраты на их эксплуатацию и ремонт.
390
Таблица 5.5
Характеристики водо- и масловоздушных секций радиаторов
Параметр Водяная секция Масляная секция
ВП12 ВС12 ВС7 ВС5 МВ12 МВ5'
Расстояние между центрами отверстий крепления, мм 1356 860 686 1356 686
Поверхность теплообмена, мм: высота 1206 710 535 1206 535
ширина глубина Размеры трубок, мм Толщина стенки, мм Шаг расположения трубок, мм: по фронту по глубине Расположение трубок в пучке Число рядов трубок по глубине Число трубок в секции, шт Пластины оребрения: шаг, мм толщина, мм число в секции 152,5 187 19,5x2,2 0,55 16 22 Шахматное 8 68 2,83 | 2,3 0,1 422 х2|525 х2|302 х2|232 х2 15 197 13,5x2,9 0,55 1 24 Корид 8 80 3, 0 364x2 2,5 200 25,4x3,5 0,50 4 31 орное 6 58 28 1 159x2
Живое сечение для прохода, м2: воздуха 0,1361 0,149 0,0786 0,0662 0,1135 0,04884
жидкости Поверхность теплообмена, омываемая воздухом, м2 21,0 0,00132 29,60 16,9 0,00132 13,1 о,ос 19,3 336 8,66
Поверхность теплообмена омываемая жидкостью, м" 3,04 1,77 1,35 3,76 —
Масса секции, кг 45,65 | 42,25 27,8 24,55 48,0 30,7
* Секция с турбулизаторами внутри трубок.
Тепловой расчет радиатора. Целью проектировочного расчета радиатора является определение необходимого числа секций для обеспечения заданной теплорассеивающей способности, а также температур охлаждаемой жидкости и воздуха на выходе из радиатора. Расчет ведут с использованием уравнений теплопередачи
Q = KF^t (5.15)
391
и теплового баланса
Q ZJ~^2C р2^2 12^’ (5.16)
где Q — количество теплоты, передающейся в одной секции радиатора от охлаждаемой жидкости (воды, масла) к охлаждающему воздуху, Вт; К — коэффициент теплопередачи секции, Вт/(м2-К); Fc — расчетная поверхность теплообмена одной секции, м2; А? — средний температурный напор в пределах секции между жидкостью и воздухом, °C; G, и б2 — расход соответственно жидкости и воздуха через секцию радиатора, кг/с; и ср^ — средние в пределах секции удельные теплоемкости (при постоянном давлении) соответственно жидкости и воздуха, Дж/(кг-К); /j и — температура соответственно жидкости и воздуха на входе в секцию, °C; t" и /* — температура соответственно жидкости и воздуха на выходе из секции, °C.
Используя уравнения (5.15) и (5.16), вычисляют только два неизвестных, тогда как при проектировании нового радиатора их значительно больше. Поэтому для определения всех искомых величин приходится привлекать дополнительные данные и использовать метод последовательных приближений.
При тепловом расчете тепловозного радиатора, собираемого из серийно выпускаемых секций, основой расчета являются значения коэффициента теплопередачи, полученные в результате экспериментальных исследований соответствующих секций и обобщенные в виде критериальных уравнений. После обработки многочисленных экспериментальных данных по теплопередаче водовоздушных секций получено обобщенное критериальное уравнение:
Ki = JRe” Re"1 07’, (5.17)
вз вд '
где Ki = Кс1уГ/-ю — критерий Кирпичева; dr — гидравлический диаметр воздушной стороны секции, м; Лвз — коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м-К); ReB3 = ивз г//рвз — критерий Рейнольдса для воздушного потока; ивз — массовая скорость воздуха в наиболее узком сечении секции, кг/(м2 с); цвз — коэффициент динамической вязкости воздуха, Па-с; Кевд = пвд<4вдФвд — критерий Рейнольдса для потока воды в трубках секции; ивд — массовая скорость воды в трубках, кг/(м2-с); с/гвд — гидравлический диаметр трубки, м; цвд—коэффициент динамической вязкости воды, Па с;0 = [(7^-Т'^1 Т* ] 102 —
температурный фактор; Твд, Т'вз — абсолютная температура соответствен-
392
Таблица 5.6
Значения экспериментальных постоянных для серийных секций (при ReM > 3800)
Шаг оребрения секции, мм ReS3 для потока воздуха А п П[ Р
2,83 1100—2300 0,007797 0,646 0,095 0,178
Свыше 2300 0,022 0,646 0,095 0,178
2,3 1100—2300 0,008727 0,78 0,095 0,08
Свыше 2300 0,02464 0,646 0,095 0,08
но воды и воздуха на входе в секцию, К; А, п, Пр р — постоянные, определяемые экспериментально (табл. 5.6).
Для водовоздушных секций с шагом оребрения 2,83 мм гидравлический диаметр воздушной стороны dr = 4,56-10"3 м, а для секций с шагом оребрения 2,3 мм dr = 3,8-10-3 м. Для всех стандартных водовоздушных секций гидравлический диаметр трубок <7ГВД = 2,098-10~3 м. Чтобы упростить методику теплового расчета радиатора, физические параметры воздуха и воды принимают при их температуре на входе в секцию, а коэффициент теплопередачи относят к среднеарифметическому значению температурного напора.
Значения экспериментальных постоянных (см. табл. 5.6), входящих в уравнение (5.17), зависят от режимов движения теплоносителей в секциях, обусловленных критериями Рейнольдса для потоков воды и воздуха. В результате проведенных исследований теплопередачи серийных секций установлено, что при уменьшении критерия Рейнольдса для потока воды ниже Кевд = 3800 значительно уменьшается интенсивность передачи теплоты. Поэтому массовые скорости воды в трубках секций необходимо принимать такими, чтобы Кевд > 3800, что соответствует нвд > 600 кг/(м2-с) (при = 90 °C).
Температура теплоносителей в пределах тепловозных радиаторов изменяется незначительно, поэтому средний температурный напор
Д1 = (г' + t' + t' )/2, (5.18)
что значительно упрощает методику расчета, так как в этом случае из совместного решения уравнений (5.15) и (5.17) определяется необходимое число секций в явном виде:
393
п
с
^М—+—-—
t -t KF 2u с co вд вз вд рвд. вд
2w c co
вз рвз вз
(5.19)
где 7^ , —температура соответственно воды и воздуха на входе в секцию, °C; Q — количество теплоты, которое необходимо передать в радиаторе от охлаждаемой жидкости к охлаждающему воздуху, Вт; срвя, с — средние удельные теплоемкости соответственно воды и воздуха, Дж/(кг К); со , свю — живое сечение секции соответственно для прохода воды и воздуха, м\
Количество секций радиатора при заданной теплорассеивающей способности Q можно уменьшить, увеличивая разность температур теплоносителей на входе в секции повышая массо-
вые скорости теплоносителей ивд и нвз в каналах секций.
Для увеличения разности температур теплоносителей необходимо температуру охлаждаемой жидкости дизелей принимать максимально допустимой. Поэтому для современных дизелей используют высокотемпературные закрытые системы охлаждения с t' =110—120 °C, что уменьшает массу, размеры и расход цвет-вд
ных металлов при изготовлении радиаторов примерно в 2 раза (по сравнению с системами, в которых / = 90—95 °C).
Для повышения эффективности теплообмена в секциях рекомендуется принимать массовую скорость воды в пределах 900—1500 кг/(м2-с), а массовую скорость воздуха — в диапазоне 8—14 кг/(м2-с). Повышение скоростей теплоносителей ограничивает увеличение гидравлического сопротивления радиатора потоку жидкости и его аэродинамического сопротивления воздушному потоку, что может привести к значительному перерасходу мощности на привод насосов и вентиляторов.
Для теплового расчета радиатора необходимы следующие исходные данные: количество теплоты, отводимое в воду и масло дизеля; количество теплоты, отводимое от наддувочного воздуха; подача насосов, обслуживающих систему охлаждения; температура воды и масла на выходе из дизеля; расчетная температура окружающего воздуха.
394
Количество теплоты, отводимое в воду, масло дизеля и от наддувочного воздуха, определяется экспериментально при теплобалансовых испытаниях на номинальных режимах работы дизелей. Подачу насосов, температуру воды и масла на выходе из дизеля устанавливают при проектировании дизелей, учитывая допустимый нагрев воды и масла в двигателях. При проектировании радиатора тепловоза эти данные берут из технической характеристики соответствующего дизеля, при этом за расчетную принимают температуру наружного воздуха 40 °C, а для тепловозов, эксплуатируемых в районах с жарким климатом, их холодильники рассчитывают на температуру окружающего воздуха 45 °C.
Перед расчетом выбирают число основных контуров циркуляции воды и принимают последовательность включения секций радиатора в каждом контуре циркуляции. В большинстве отечественных тепловозов применяют параллельное включение секций в поток охлаждаемой воды. При таком включении режимы работы всех секций практически одинаковы и температурные напоры между теплоносителями являются наибольшими.
Тепловой расчет радиатора выполняют раздельно для каждого из основных контуров циркуляции.
Пример. Выполним тепловой расчет радиатора при исходных данных: количество теплоты, отводимое в секциях, 2 = 616 390 Вт; подача водяного насоса = 0,0222 м3/с; температура воды на входе в радиатор t' = 92 °C;
п ВД
температура наружного воздуха /' = 40 °C.
1. Выбираем по табл. 5.5 геометрические параметры секций: шаг оребрения 2,3 мм; рабочую длину трубок 1206 мм; живое сечение для прохода воздуха Швз = 0,149 м2, для прохода воды ивд = 0,00132 м2; площадь охлаждающей поверхности F = 29,6 м2.
2. Массовую скорость воды нвд берем в пределе 900—1500 кг/(м2 с). В данном случае принимаем 1/вд = 1350 кг/(м2 с).
3. Определяем по справочным данным физические параметры воды при температуре /' = 92 °C: плотность рвд = 963 кг/м3; коэффициент динамической вязкости цвд = 0,308-10-3 Па-с; удельную теплоемкость, срвд = 4,21-103 Дж/(кг-К).
4. Находим ориентировочное число секций в контуре:
395
Г/ и X 0,0222-963
п = V р Ku и ) =----------------= 12 шт.
к вд ВД вд 1350-0,00132
5. Массовую скорость воздуха берем в пределах 8—14 кг/(м2-с). Принимаем ивз = 9 кг/(м2-с).
6. Определяем физические параметры воздуха при температуре /'вз= 40 °C по справочным данным: коэффициент динамической вязкости цвз= = 0,0191-Ю*3 Па-с; коэффициент теплопроводности Лвз = 2,76-Ю-2 Вт/(м-К); средняя удельная теплоемкость с^вз — 1,005-103 Дж/(кг-К).
7. Рассчитываем критерий Рейнольдса
для потока воды
Re — u d /ц =1350-2,098-10-3/0,308 10~3 =92401 вд вд гвд ^вд
для потока воздуха
Re = и d/ц =9-3,8-Ю-3/0,0191-Ю-3 =1790, вз вз г ВЗ ’
где d =2,098-10 3 м; d =3,8-10 3 м. гвд г
8. Определяем температурный фактор 0 = [(7’вд ~^вз)/^вд]’Ю2 = = [(92-40)/92]-102 =56,52.
9. Рассчитываем по формуле (5.8) критерий Кирпичева. Получаем
Ki = /4Re" Re"1 0Р = 0,22-17900,646 -924O0,095 -56,520’08 = 8,85.
10. Находим коэффициент теплопередачи секции
К' = KiXB3 ldr = 8,85 -2,76-Ю-2 /3,8-Ю-3 = 64,27 Вт/(м2-К).
И. Определяем расчетное значение коэффициента теплопередачи с учетом нестабильности технологического процесса изготовления секций
К = 0,9К' = 0,9 • 64,27 = 57,84 Вт/(м2-К).
12. Рассчитываем температуру воды на выходе из секций
. , Q 616390
t =t------------------= 92------------ч--------75---= 85,2 °C
ВД “вд^вд^к 1350-4,21-103 • 1,32-10 3-12
396
и температуру воздуха на выходе из секций
t’ =t' +Ql(u can )=40 +---------61.6390----=78>1 °C.
вз ВЗ ^\взрвзвзк/ 9-1,005-103 . 0,149-12
13. Определяем по формуле (5.19) количество секций nc, необходимое для обеспечения заданной теплорассеивающей способности
с
_L+-------!----+-----!----
/ -t KF 2и с со 2г/ с со вд вз ( с вд рвд вд вз рвз вз ,
616390 ------X
92-40
х
57,84-29,6 2-1350-4,21-Ю3-1,32-10 3 2-9 1,005-103 • 0,149
= 12,08.
Расчет считают законченным, если пк ~ пс. Если пк * пс, расчет повторяют при ином уточненном значении массовой скорости воды ивд.
После теплового проводят гидроаэродинамический расчет секций, который сводится к определению потерь напора (Па) воздуха и охлаждаемой жидкости в пределах секций по уравнению
и2
4=^’ (5-20)
2р
где С — определяемый экспериментально приведенный коэффициент сопротивления секции при неизотермическом течении воздуха или жидкости; и — массовая скорость теплоносителя в наиболее узком сечении секции, кг/(м2-с); р — плотность теплоносителя при средней температуре потока, в пределах секции, кг/м3.
Для водовоздушных секций радиаторов тепловозов при расчете аэродинамического сопротивления
(5-21)
Re?
вз
где В, т, q — константы, определяемые по результатам обработки экспериментальных данных; 0 — температурный фактор. Для стандартных холодильных секций константы, входящие в уравнение (5.21), приведены в табл. 5.7.
Ориентировочно гидравлическое сопротивление (Па) водовоздушных секций (рабочая длина трубок 1,206 м)
Дрвз =0,392^, (5.22)
где ивд — массовая скорость течения воды в трубках секции, кг/(м2-с).
397
Таблица 5.7
Значения констант
Шаг оребрения секции, мм Критерий Рейнольдса ReBJ для потока воздуха В т Ц
2,83 Меньше 2300 344,62 0,0002 0,55
2300-4660 79,28 0,0002 0,3
2,3 Меньше 1400 544,4 0,00339 0,35
1400—3382 77,0 0,00339 0,35
5.2.3. Конструкция, параметры и расчет еодомасляных теплообменников
Водомасляные теплообменники предназначены для охлаждения водой масла дизеля или гидравлической передачи. В современных тепловозах в большинстве случаев применяют двухконтурную систему охлаждения с водомасляным теплообменником в контуре охлаждения наддувочного воздуха.
Используемые в тепловозах водомасляные теплообменники различают по схемам движения воды и масла и по конструкции теплопередающей поверхности (охлаждающего элемента). Для максимального теплосъема в заданных размерах в теплообменниках применяют противоточное или противоточно-перекрестное течение жидкостей.
Наиболее простыми (по конструкции и технологии изготовления) и надежными в эксплуатации являются гладкотрубные теплообменники с внешним омыванием трубок маслом, которые широко применяют на тепловозах. Наличие прямых трубок не создает трудностей при очистке внутренних поверхностей и замене поврежденных трубок. Кроме того, трубчатая конструкция позволяет работать при сравнительно высоких давлениях теплоносителей.
Для повышения интенсивности передачи теплоты в теплообменниках необходимо максимально уравнивать термические сопротивления теплоотдачи от масла к поверхности охлаждения и от нее к охлаждающей воде. Выравнивание термических сопротивлений достигается оребрением трубок. В последнее время в отечественных тепловозах применяют охлаждающие элементы из труб с накатанным оребрением (рис. 5.35).
398
Водомасляный теплообменник дизеля тепловоза 2ТЭ116 состоит из корпуса 2, передней 11 и задней 1 крышек, охлаждающего элемента 9, кронштейнов 7 и 15. Перегородка 4 крышки И разделяет водяную полость теплообменника пополам для обеспечения двух ходов воды для повышения ее скорости в трубках. Охлаждающий элемент 9 состоит из передней 3 и задней 16 трубных досок, в отверстиях которых закреплены оребренные трубки 6 с сегментными перегородками 13, создающими поперечное омывание маслом трубного пучка, что способствует лучшим условиям теплообмена. Заполнители 8 уменьшают зазоры между корпусом и трубным пучком, сокращая переток неохлажденного масла. С этой же целью стык сегментных перегородок и корпуса уплотняют резиновым шнуром 14.
Рис. 5.35. Водомасляный теплообменник;
1,11 — крышки; 2 — корпус; 3, 16 — трубные доски; 4, 13 — перегородки; 5, 10 — патрубки; 6 — охлаждающая трубка; 7, 75 — кронштейны; 8 — заполнитель; 9 — охлаждающий элемент; 12 — труба; 14 — шнур; 17 — промежуточное кольцо; 18 — уплотнительное кольцо
399
Вода в теплообменник поступает по патрубку 5 передней крышки, проходит по трубкам 6 одной половины охлаждающего элемента (секции), а затем по трубкам другой половины элемента выходит из патрубка 10. Масло в теплообменник входит через отверстие в кронштейне 15, проходит в межтрубном пространстве и выходит через отверстие в кронштейне 7.
Температурные удлинения трубок охлаждающего элемента компенсируются перемещением задней трубной доски 16, которая уплотнена в корпусе 2 и крышке 1 двумя резиновыми кольцами 18. Между кольцами 18 установлено промежуточное кольцо 17 с отверстиями, через которое в случае просачивания будут вытекать вода или масло.
Основные характеристики водомасляных теплообменников приведены в табл. 5.8.
Тепловой расчет водомасляных теплообменников проводят для того, чтобы вычислить поверхности теплообмена элементов, определяющие их основные параметры, а также выбрать оптимальные режимы течения теплоносителей. Расчет базируется на уравнениях теплопередачи (5.15) и теплового баланса (5.16) с использованием экспериментальных критериальных зависимостей для гладкотрубных теплообменников с поперечными сегментными или кольцевыми перегородками. Коэффициент теплопередачи от масла к охлаждающей воде, Вт/(м2-К),
К = а а /(а +а d Id ), (5.23)
вд м \ ВД МНВ/’ v '
где авд — коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности трубок к охлаждающей воде; ам — коэффициент теплоотдачи от масла к наружной поверхности трубок; da, dB — соответственно наружный и внутренний диаметры трубок охлаждающего элемента.
Коэффициент теплоотдачи авд (Вт/(м2-К) определяют из критериального уравнения
Nu = 0,23Re°’8Pr°’4, (5.24)
вд ’ вд вд ’ v '
где Ыивд = <7вавд/лвд — критерий Нуссельта для воды; 7ВД — коэффициент теплопроводности воды, Вт/(м-К); Кевд = vBadBalvBa— критерий Рейнольдса
400
Таблица 5.8
Характеристики водомасляных теплообменников дизелей и гидропередач тепловозов
Наименование Дизели тепловозов Гидропередачи тепловозов
ТЭП70 2ТЭ121 2ТЭ116 М62 ТЭМ7' ТЭМ2М ТГМ6А ТГМ23В2 ТГМ6А ТГМ23В"
Количество охладителей на секцию Рабочая длина трубок, мм Диаметр трубки внутренний (наружный), мм Количество трубок в пучке Шаг расположения трубок: по фронту по глубине Диаметр (длина) охлаждающего элемента, мм Живое сечение для теплоносителей, м2. снаружи труб внутри труб Расстояние между перегородками, мм Поверхность охлаждения наружная (внутренняя), м2 Число ходов снаружи (внутри) труб Диаметр (длина) охладителя, мм Объем, м2: охлаждающего элемента охладителя Теплоотвод номинальный, кВт Номинальный расход масла (воды), м /ч Максимально допустимые температуры масла (воды) при входе, °C: Масса трубок (охладителя), кг 2 2 1 1 1548 8(8) 955 13 11,25 460 (1535) 0,0131 0,016 147 44(35,2) 10(3) 472(1712) 0,255 0,290 295 56(75) 73(60) 342(596) 2 1188 10(15) 148 27 23,4 375 (1238) 0,0184 0,0158 141,5 44(5,5) 8(2) 387(1438) 0,138 0,169 290 95(80) 85(68) 285(490) 1 1 1 533 1 900 1 600
1548 10(15) 148 27 23,4 375(1592) 0,0193 0,0058 147,5 55(6,7) 10(2) 387(1798) 0,178 0,211 2x730 10(15) 55 29 25,1 245(2x790) 0,00884 0,00432 102 22,9(2,52) 2x6(1) 257(1810) 0,0735 0,094
7,2(10) 400 13 11,25
295(593) 0,00139 0,00816 22 6,7(4,8) 17(2) 307(700) 0,040 0,052 12,8 2,2(15) 110(98) 72(107) 295 (1050) 0,0049 0,00816 68,5 11,3(8,3) 12(2) 307(1380; 0,072 0,0102 30(40) 115(78) 108(251) 295(666) 0,00392 0,00816 54 7,5(5,4) 8(2) 307(780) 0,045 0,058 80 12(15) 110(79,5) 80(110)
535 425 86 44(40) 93 55(40)
100(80)
87(68) 88(68) 88(70) 85(65) 127(258)
324(610)
* Между двумя маслоохладителями по потоку воды включен охладитель наддувочного воздуха. " Охладитель масла дизеля и гидропередачи соединены между собой.
для потока воды; твд — скорость охлаждающей воды в трубках, значение которой выбирают равным 1,3—2,5 м/с из-за ограничения наименьшей скорости по условию обеспечения турбулентного режима движения теплоносителя и наибольшей — по условиям прочности трубок и затрат мощности на прокачивание воды; увд — коэффициент кинематической вязкости воды, м2/с; Ргвд = \'вдбвдрвд/лвд — критерий Прандтля для воды; свд — удельная теплоемкость воды, кДж/(кг-К); рвд — плотность воды, кг/м3. Физические характеристики воды определяют при средней температуре ?вд ср.
Коэффициент теплоотдачи ам находят из критериального уравнения
Nu = В Re°’5Pr°’33 (Рг /Рг f’14, (5.25)
где NuM - — критерий Нуссельта для масла; — коэффициент теп-
лопроводности масла, Вт/(м К); ReM, Ргм — критерии соответственно Рейнольдса и Прандтля, отнесенные к средней температуре масла; Ргст — критерий Прандтля для масла, отнесенный к температуре стенки трубки; Вк — безразмерный коэффициент, зависящий от наружного диаметра трубок с/н, минимального расстояния 8 между поверхностями соседних трубок и отношения внутреннего диаметра кожуха D к расстоянию между перегородками / (для dn - 10 мм и 8 - 3 мм Вк определяют по кривой на рис. 5.36).
Площадь сечения (м2) для прохода масла в пространстве между трубками охлаждающего элемента
Рис. 5.36. Зависимость коэффициентов Вк и С от отношений Dll при dH = 10 мм и 8 = 3 мм: 1,2 — коэффициент Вк для теплообменника соответственно с кольцевыми и сегментными перегородками; 3 — коэффициент С для теплообменника с сегментными перегородками
f =G /(р v ), (5.26)
J M М vrM M' ’
где GM — расход масла через теплообменник, кг/с; рм — плотность масла при средней температуре, кг/м3; vM — средняя скорость масла в межтрубном пространстве, которую принимают в диапазоне 1,2—2 м/с, ограниченном сверху по условиям резкого увеличения гидравлических сопротивлений масляного тракта.
Из условия равенства сечений для прохода масла в межтрубном пространстве между перегородками и над ними (рис. 5.37) площадь сегмента перегородки
402
5’
Рис. 5.37. Расчетная схема среднего проходного сечения теплообменников с сегментными перегородками:
D — внутренний диаметр кожуха; 5 — хорда сегмента; b — ширина среднего сечения для прохода масла; А — усредненное расстояние между центрами f потока масла в плоскости перегородки; I — расстояние между перегородками; Zp — шаг разбивки трубок
4
1 - 0,905(< /1, У ’ ' Н I '
(5-27)
где Г] = dH + 8 — шаг разбивки трубок.
Значения центрального угла (р сегмента перегородки в зависимости от отношения f/D2\
<р° f/D2 <Р° f/D2
0 0 100 0,094950
10 0,0001 но 0,122325
20 0,00857 120 0,153410
30 0,002915 130 0,187710
40 0,006871 140 0,224920
50 0,013263 150 0,264570
60 0,022580 160 0,306130
70 0,035175 170 0,348980
80 0,051340 180 0,392490
90 0,071245
403
Расчетный температурный напор между маслом и водой
(t -t )-(t -t )
д, = __2?___вд7 м_____ВД-СР , (5.28)
2,3 W ~t" )Kj' ~t )
’ м вд' v м вд.ср'
где t' , t* —температура масла соответственно на входе в теплообменник и м м
на выходе из него; t ,t Л — соответственно воды на входе и выходе вд’ вд’ вд.ср
из теплообменника и средняя.
Расчетную величину поверхности охлаждения теплообменника определяют из уравнения теплопередачи
F’ = Ql(kbt), (5.29)
где Q — количество теплоты, отводимое маслом.
При тепловом расчете необходимы исходные данные: количество теплоты, отводимое маслом, Вт; значения расходов масла и воды через теплообменник (соответственно GM и 6ВД), кг/с, известные из технической характеристики насосов дизеля; температуры масла на входе t' и выходе t" теплообменника, также известные из технической характеристики дизеля; температура воды на входе теплообменника принимается в соответствии с выбранной ранее схемой движения воды через теплообменники в контуре. Перед расчетом выбирают наружный dK и внутренний dB диаметры трубок охлаждающего элемента, разбивку трубок в трубной доске, которая обусловлена наименьшим расстоянием между соседними трубками 5; а также число ходов охлаждающей воды двд.
После теплового выполняют гидродинамический расчет теплообменника, который заключается в определении гидравлических сопротивлений масляного и водяного трактов. Полное гидравлическое сопротивление (Па) масляного тракта теплообменника
(5.30)
404
где тт — количество рядов трубок, перпендикулярных к потоку масла; С, р — экспериментальные константы. Для теплообменников с сегментными перегородками при с/н = 10 мм и 5 = 3 мм в диапазоне ReM = 10—250 константа р = = 0,65. Значение С принимают по графику (рис. 5.36).
Гидравлическое сопротивление водяного тракта теплообменника (Па)
Рис. 5.38. Зависимость коэффициента Ртр от средней температуры Г и скорости Гвд воды в трубках
Д/> =z [в,31— 0 +1,4 Х2о )/2, у вд вд 'тр ’ \ вдгвд/ ’
В
(5.31)
где L—полная длина трубок, м; 0 — коэффициент, зависящий от средней температуры гвд и скорости 1>вд воды (рис. 5.38).
Расходы мощности (Вт) на прокачивание воды и масла через теплообменники:
G Др G
_ вд 'вд р _ ^м7м р П ’ м р П ’ гвд 'вд гм 'м
(5.32)
где т]вд, г]м — КПД соответственно водяного и масляного насосов.
Тепловозные водомасляные теплообменники включают в водяной контур последовательно с радиатором, поэтому их показатели зависят от соотношений реализуемых температурных напоров.
5.2.4. Конструкция охладителей наддувочного воздуха
Охладители (теплообменники) наддувочного воздуха. Температура наддувочного воздуха дизеля оказывает большое влияние на его экономичность и надежность. Охлаждение наддувочного воздуха применяют для повышения мощности дизелей на единицу объема рабочего цилиндра, увеличения массы воздуха, подаваемого за рабочий цикл, и снижения средней температуры цикла.
Проведенные экспериментальные и теоретические исследования выявили, что для дизеля каждого типа и заданного режима работы существует оптимальная по удельному расходу топлива темпера
405
тура наддувочного воздуха перед впускными органами. Поэтому тепловозные дизели оборудуются устройствами для получения оптимальных значений температур наддувочного воздуха. При номинальном и близких к нему режимах работы дизеля наддувочный воздух необходимо охлаждать, а при режимах холостого хода и малых нагрузок — подогревать.
На серийных тепловозах наддувочный воздух охлаждается в водовоздушных теплообменниках, включенных в самостоятельный контур циркуляции охлаждающей воды или в контур воды, охлаждающей масло дизеля. Воздухоохладители, располагаемые обычно на дизеле, отличаются небольшими размерами и массой.
На некоторых тепловозах применяют системы с охлаждением наддувочного воздуха атмосферным. Охлаждение атмосферным воздухом проще. В системе вместо двух теплообменников (для охлаждения воздуха водой и для охлаждения воды атмосферным воздухом) устанавливают один воздуховоздушный теплообменник, в котором реализуется весь температурный напор между наддувочным и атмосферным воздухом. Однако воздуховоздушные теплообменники, вследствие значительных размеров, не нашли широкого применения в тепловозах большой мощности. Такая система охлаждения была применена на опытном тепловозе ТЭП75.
Применяемые на тепловозах системы спроектированы и рассчитаны для охлаждения наддувочного воздуха при работе дизеля в номинальном режиме и не удовлетворяют условию получения оптимальных температур воздуха при всех режимах его работы. Оптимизацию температур наддувочного воздуха в зависимости от режима работы дизеля можно осуществить при помощи систем, регулирующих поступление воды в теплообменник из различных водяных контуров, а также использующих теплоту выпускных газов дизеля для подогрева воздуха в теплообменниках.
По типу оребрения поверхности, омываемой воздухом, теплообменники бывают пластинчатыми, круглотрубными с накатанным или с проволочным оребрением и плоскотрубными с коллективным оребрением. Предпочтительнее круглотрубные поверхности с накатанным или проволочным оребрением, так как они обладают высокой надежностью и удобны в эксплуатации и при ремонте.
406
Водовоздушный теплообменник для охлаждения наддувочного воздуха дизеля 2А-5Д49 тепловозов ТЭП70 и 2ТЭ116 (рис. 5.39) установлен на торце дизеля на кронштейне. Состоит из сварного корпуса 12, патрубка 13, верхней 2 и нижней 6 крышек и охлаждающей секции. У последней есть верхняя 4 и нижняя 11 трубные доски, в отверстия которых установлены оребренные трубки 3. Внутри трубок образуется водяная, а между ними — воздушная полость.
Вода поступает в теплообменник по патрубку Е нижней крышки, обходит перегородку 5, которая делит водяную полость секции пополам, проходит по трубкам одной, а затем второй половины секции и выходит через патрубок С. Пар из водяной полости отводится через трубку 1, установленную в верхней крышке.
Наддувочный воздух поступает к теплообменнику по патрубку 13, охлаждается в межтрубном пространстве и по каналу Ж в кронштейне поступает в ресивер блока цилиндров.
Рис. 5.39. Охладитель наддувочного воздуха:
1 — трубка для отвода пара; 2 — верхняя крышка; 3 — трубка; 4, 11 — трубные доски; 5 — перегородка; 6 — нижняя крышка; 7 — шпилька;
8 — кронштейн; 9 — болт; 10 — резиновое кольцо; 12 — корпус; 13 — патрубок; Б — фланец; Е, С — патрубки; Ж, И — каналы
407
Оценку эффективности охлаждающих устройств тепловозов выполняют по натуральным и удельным показателям, а также на основе технико-экономических расчетов.
К числу натуральных показателей относят: количество теплоты, рассеиваемой системой охлаждения; мощность для функционирования системы; общую массу устройств; расход цветных металлов; величину теплопередающей поверхности; объем, занимаемый радиаторами; величину фронтальной поверхности радиаторов и т. п.
При сопоставлении систем охлаждения в целом и отдельных теплообменников получили распространение удельные показатели — энергетический, объемный и массовый.
Энергетический показатель
Кп = Ql(NAt)=(KF)l Р, (5.33)
где Q— количество теплоты, передаваемой в теплообменнике, Вт; Р— мощность для функционирования теплообменника, Вт; Д/ — средняя разность температур между теплоносителями в пределах теплообменника, °C; F— расчет-ная поверхность теплопередачи, м .
Объемный показатель
Kv=Ql{V\t}=(KF)lVy, (5.34)
где Ит— объем, занимаемый теплообменником, м3.
Массовый показатель
К =m/(GAt)=(KF)/m, (5.35)
где т — масса теплообменника, кг.
Для сравнения радиаторов используют также показатель тепловой напряженности площади фронта
Kf=(KF)lF^, (5.36)
где У-фр — фронтальная поверхность радиатора, м3.
Удельные показатели являются более общими по сравнению с натуральными, так как позволяют проводить сопоставление отдельных теплообменников с различными формами поверхностей, разными значениями передаваемой теплоты и т.д. В то же время оптимальный теплообменник или оптимальная система охлаждения не могут быть выбраны на основании только удельных технических
408
показателей, так как они не отражают многих эксплуатационных и экономических факторов. В качестве основного технико-экономического показателя, характеризующего систему охлаждения, принимают сумму годовых приведенных расходов, отнесенных к теплорассеивающей способности системы. Удельные приведенные годовые расходы, руб/кДж,
Эп=(£Лз+СЖ (5-37)
где Еи = 0,1 — нормативный коэффициент эффективности для железнодорожного транспорта; К3 — капитальные затраты изготовления охлаждающего устройства, руб.; С— годовые эксплуатационные затраты, зависящие от системы охлаждения тепловоза, руб.; Q— количество теплоты, рассеиваемое в течение года, кДж.
Капитальные затраты изготовления систем охлаадения
К3 = K.i} + Кз2, (5.38)
где ALj] — капитальные затраты на теплообменники (секции радиатора, водо-масляные теплообменники, водовоздушные теплообменники наддувочного воздуха), вентиляторы и насосы, входящие в систему охлаждения; — капитальные затраты на трубопроводы, задвижки, вентили, систему автоматического регулирования и т.д.
Эксплуатационные расходы на систему охлаждения
С ~ ^тс + Срто + ^ам + Сдпт + Q’ (5.39)
где Стс — расходы на топливо и смазку, потребляемые двигателем тепловоза для получения мощности на функционирование системы охлаждения; — расходы на ремонты и технические осмотры охлаждающего устройства; Сам — амортизационные расходы на систему охлаждения; Сдпт — расходы на содержание дополнительного парка тепловозов, необходимого при уменьшении полезной мощности двигателя, используемой для целей тяги и для работы системы охлаждения; Ст — затраты на транспортировку системы охлаждения на тепловозе.
5.2.5. Системы охлаждения тяговых электрических машин и аппаратов тепловозов
Назначение систем охлаждения. При работе тяговых электрических машин часть подведенной к ним энергии преобразуется в активных элементах (в обмотках и в магнитной системе) в тепловую, что ведет к нагреванию машин и повышению температуры изоляции их обмоток.
409
Тепловое состояние электрической машины характеризуется превышениями т;- температур ее обмоток над температурой to окружающего воздуха, т.е. т;- = /z- - /0.
Увеличение температур обмоток ускоряет старение электроизоляционных материалов. Для каждого класса этих материалов существует определенный температурный уровень, превышение которого на 5—10 °C приводит к сокращению срока службы изоляции в 2 раза. Предельные допустимые превышения /; тах температур обмоток строго ограничены стандартами в соответствии с классами изоляции значениями, соответствующими длительному режиму и температуре охлаждающего воздуха 25 °C:
Класс изоляции
В F Н
ттах для обмотки якоря, °C 120 140 160
Ттах для обмотки возбуждения, °C 130 155 180
Чтобы поддерживать необходимые температурные условия работы электрического оборудования при любых возможных в эксплуатации режимах, на тепловозах установлены системы охлаждения тяговых электрических машин и аппаратов.
Интенсивность выделения теплоты А (ккал/ч) в электрических машинах можно оценить по их коэффициентам полезного действия: для тяговых и вспомогательных электродвигателей
А =860Р(1-п ); (5.40)
д д4 ‘д'
для тяговых и вспомогательных генераторов
А = ШР г г
(5.41)
где Рд и Рг — мощности соответственно двигателя и генератора, кВт; т]д и т|г — КПД соответственно электродвигателя и генератора.
У современных однотипных тяговых электрических машин уровень КПД одинаков и стабилен: для тяговых электродвигателей Т]д = 0,90—0,92; для тяговых генераторов Т]г = 0,93—0,95.
В тепловозах с электрической передачей переменно-постоянного тока не менее важным, чем электрические машины, объектом
410
систем охлаждения является полупроводниковая выпрямительная установка. Интенсивность выделения тепла Аву в этой установке можно определить по формуле (5.41) с подстановкой в нее расчетной мощности Рву и расчетного КПД Г|ву ~ 0,985.
В тепловозах с электрической передачей переменного тока дополнительно выделяется тепло в преобразователе частоты. Интенсивность выделения тепла А пч в этой установке можно принимать также по формуле (5.41), при этом расчетный КПД следует взять Ппч = 0,98.
Во всех без исключения системах охлаждения тяговых электрических машин и аппаратов тепловозов охлаждающим рабочим телом является предварительно очищенный атмосферный воздух.
Технические требования к системам охлаждения. Основные требования к системам охлаждения сводятся к следующим:
- обеспечение работы тяговых электрических машин и аппаратов при температурах наружного воздуха от -50 до +40 °C (среднегодовая температура не выше 25 °C);
- гарантия защиты тяговых электрических машин и аппаратов от попадания в них загрязнений, существенно влияющих на надежность машин, т.е. обеспечение очистки охлаждающего воздуха;
- коэффициент очистки воздуха от пыли, проверенный на кварцевой пыли с удельной поверхностью 2800 см2/г, не менее 75—85 % при всех режимах работы системы;
- коэффициент очистки воздуха от капельной влаги и снега при номинальном режиме не менее 70 %;
- затраты мощности на работу системы не более 4—5 % эффективной мощности дизелей тепловоза.
Классификация систем охлаждения. Устанавливаемые в тепловозах системы охлаждения тяговых электрических машин классифицируют по многим признакам.
По размещению вентиляторов тяговые машины делят на само-вентилируемые (вентилятор встроен в машину и находится на ее валу) и с независимой вентиляцией (вентилятор установлен отдельно). Любая система охлаждения может быть вытяжной, если вентилятор размещен за машиной (по ходу воздуха) и нагнетательной, если вентилятор перед машиной.
411
По месту забора вентилирующего воздуха системы охлаадения делят на системы с внутренним (из кузова тепловоза) и с наружным забором воздуха. Наружное устройство для забора воздуха можно размещать на крыше тепловоза (забор воздуха сверху) или на боковых стенках кузова (забор воздуха сбоку). В последнем случае забор воздуха может быть с одной стороны локомотива или с обеих боковых сторон. Как правило, при наружном заборе воздуха предусматривают возможность временного перехода (например, при неблагоприятных атмосферных условиях) на внутренний забор воздуха.
По степени очистки воздуха системы могут быть без специальных устройств для очистки воздуха, с простейшими воздухоприемными устройствами (жалюзийные решетки) и более совершенными устройствами для очистки воздуха.
По степени централизации подачи воздуха различают системы индивидуальные, групповые и централизованные.
По степени регулирования расхода охлаждающего воздуха системы могут быть нерегулируемые, со ступенчатым (сезонным) и непрерывным (автоматическим) регулированием.
По способу регулирования расхода охлаждающего воздуха различают системы с дроссельным регулированием (воздухоприемные жалюзи, заслонки в воздуховодах) и с регулированием производительности вентилятора. Последний способ можно осуществлять регулированием частоты вращения ротора вентилятора (с помощью коробки передач, гидро- или электроприводы) или изменением аэродинамических характеристик вентилятора (поворотные лопатки и т.п.).
По характеру обслуживания воздухоочистительных устройств системы могут быть с периодическим и непрерывным удалением пыли.
Схемы систем охлаждения тяговых электрических машин. В тепловозостроении наиболее распространена смешанная схема (рис. 5.40, б), в которую входят индивидуальная для тягового генератора и две групповых для тяговых электродвигателей. Такая схема связана с компоновкой оборудования в современных тепловозах и раздачей мощности на привод вспомогательных механизмов карданными валами и распределительными редукторами. От последних энергия передается вентиляторам тяговых двигателей передней и задней тележек. Вентилятор тягового генератора приводит-
412
Рис. 5.40. Схемы систем охлаждения тяговых электрических машин тепловозов:
а — индивидуальная; б — смешанная; в — централизованная; В — вентилятор; ЦВ — центральный вентилятор; Г — тяговый генератор; ТД — тяговый двигатель; ВУ — выпрямительная установка
ся в действие непосредственно от дизеля. Такой тип системы охлаждения у многих отечественных тепловозов и, в частности, у тепловозов 2ТЭ10М, ТЭМ18, М62, ТЭП60, ТЭМ2У.
На грузовых тепловозах с электрической передачей переменнопостоянного тока (ТЭ109, ТЭ116) привод вентиляторов тяговых двигателей электрический, в систему охлаждения также входит индивидуальная система охлаждения полупроводниковых выпрямителей.
Групповые системы охлаждения тяговых электродвигателей на всех тепловозах в принципе одинаковы. Наружный воздух через воздушный фильтр в стенке кузова тепловоза и короткий всасывающий канал попадает в вентилятор, откуда через нагнетательные каналы распределяется по тяговым электродвигателям, после которых выбрасывается в атмосферу.
Некоторые тепловозы (ТЭП70, ТЭП80, ТЭ121, ТЭМ7, ТЭРА1) имеют централизованную систему охлаждения (рис. 5.40, в, 5.41), в которой все тяговые электрические машины и аппараты снабжаются воздухом от одной вентиляторной установки. Достоинства
413
5
Рис. 5.41. Система централизованного воздушного охлаждения тепловоза ТЭП70:
1 — осевой вентилятор; 2 — воздуховод к главному генератору; 3, 4, 5, 12, 13 — воздуховоды к тяговым электродвигателям; 6 — рама тепловоза; 7 — воздуховод к тяговым электродвигателям задней тележки; 8 — тяговый генератор; 9 — крышевой блок фильтров; 10 — выпрямительная установка; И — воздухопровод к выпрямительной установке; 14 — центральный воздуховод; 15 — воздуховод к высоковольтной камере централизованных систем заключаются в сосредоточении в одном месте всего вентиляционного оборудования тепловоза. Это упрощает конструкцию привода вентиляторов от вала дизеля, очистку воздуха, значительно снижает вес привода и объем машинного отделения тепловоза, занятый этими устройствами. К достоинствам этих систем относится также возможность применения более совершенных в технико-экономическом отношении высокопроизводительных вентиляторов, например осевых, с более высоким КПД, чем у центробежных. Недостатками централизованных систем являются наличие дополнительных воздуховодов большой протяженности, увеличивающих вес и размеры системы, и повышение затрат мощности на преодоление аэродинамического сопротивления течению воздуха в воздуховодах.
Расчет и проектирование систем охлаждения. Расчет систем охлаждения сводится к определению производительности G и давле
414
ния (напора) Н' вентилятора (вентиляторов), подбору его типа для спроектированной системы.
Определение необходимого количества воздуха. На основании сравнительного рассмотрения соответствующих технических данных общее количество воздуха, охлаждающего тяговые электрические машины, для тепловозов равно 11—12,2 м3/ч на каадый киловатт мощности (с учетом охлаждения выпрямительной установки тепловоза с передачей переменно-постоянного тока 12,4—12,7 м3/ч), для электровозов с передачей переменного тока 5,8—9 м3/ч. В целом для охлаждения тяговых электрических машин тепловоза затрачивается количество воздуха, более чем в 2 раза превышающее по требность дизеля в воздухе.
Интенсивность охлаждения тяговых электрических машин оценивают удельными величинами. Ниже приведены удельные расходы воздуха GIP для тяговых электрических машин некоторых локомотивов.
GIP,
з
Тяговый электродвигатель Р, кВт м
(мин кВт)
ЭД-118А (ТЭМ2У, ТЭМ18) 105 0,333
ЭД-118А, Б (М62, 2М62У, 2ТЭ10М) 192; 305 0,269; 0,246
ЭД-121АУ (ТЭП70) 413 0,236
ЭД-120А (ТЭМ7) 136 0,33
ЭД-126А (2ТЭ121) 445 0,232
ЭД-121ВУ (ТЭП80) 445 0,158
ЭДУ-133* 414 0,188
ДАТ 305**(ТЭМ21) 305 0,197
ДАТ 505 305 0,153
Тяговый генератор
ГП-300Б (ТЭМ2У, ТЭМ2М) 780 0,092
ГС-515 (ТЭМ7) 1400 0,119
ГП-312(М62, 2М62У) 1270 0,130
ГП-311Б (2ТЭ10М) 2000 0,125
ГС-501 А (2ТЭ116) 2190 0,123
ГС-519У2 (ТЭП80) 4000 0,108
ГС-501АУ2 (ТЭП70) 2800 0,11
ГС-515У2 (ТЭМ21) 1400 0,12
* Унифицированный электродвигатель постоянного тока производства ОАО «Привод» (г. Лысьва) для магистральных и маневровых тепловозов.
** Асинхронный тяговый электродвигатель.
415
Расход воздуха (м3/ч), необходимого для охлаждения электрических машин, определяют по следующим выражениям:
для двигателей
= ]4 3^3______±2—
’ р с Д/ гвз /?вз эд
(5-42)
для генераторов
Р с г вз рвз ’
(5.43)
для выпрямительных установок
= 14,3-----------
РвзСрвз^ву
(5.44)
где сръ,3 — удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг-°С); рвз — плотность воздуха, кг/м3; А/ — температура нагревания воздуха в электрических машинах и аппаратах. Экспериментально получено Д/эд = 20—25 °C; Д/г = 22—28 °C (большее значение для самовентилируемых генераторов); Д/ву = 10—12 °C.
Расчет сопротивления воздуховодов. Аэродинамическое сопротивление воздуховода образуется из сопротивления на входе до вентилятора (сопротивления защитных решеток и жалюзи, начальное сопротивление чистых воздухоочистительных устройств, предельное сопротивление воздухоочистителей) и сопротивления после вентилятора (сопротивления воздуховодов, отводов, дросселей, сопротивления тяговых электрических машин, потерь динамического давления на выходе из машин). Сопротивления, перечисленные выше, кроме сопротивления тяговых электрических машин, определяют из выражения
Ч'=^РвзУвз’ <5-45)
где — коэффициент аэродинамического сопротивления элемента; vB3—скорость воздуха на выходе, м/с.
416
Для элементов воздуховодов коэффициент £;. может быть выбран по справочным данным. Аэродинамическое сопротивление тяговых машин
Н' G2 , (5.46)
тм ’тм тм
где (7ТМ — расход воздуха, идущего на вентиляцию тяговой машины; ^тм — коэффициент аэродинамического сопротивления.
Значение коэффициента ^тм для генератора ГП-300Б равно 21, для ГП-311Б и ГП-312 — 12, для ГС-501 А — 5,5.
Потери динамического давления Н' на выходе из машины оп-
ределяют по выражению (5.45). При этом принимают = 1, а скорость vB3 (в данном случае на выходе) может достигать 15—17 м/с при Н' = 140—170 Па. Полное сопротивление системы равно сумме всех аэродинамических сопротивлений. При этом полное давление, создаваемое вентилятором,
<5-47>
где кп — коэффициент запаса по давлению, равный 1,0—1,05; Н'. — сумма аэродинамических сопротивлений элементов воздуховода.
При проектировании воздуховодов определяют их протяженность и сечения. Протяженность системы зависит от размещения оборудования локомотива и схемы системы охлаждения. Поперечные сечения воздуховодов выбирают с учетом расхода воздуха в данном сечении. Стремятся снизить скорость воздуха в воздуховодах, так как при этом снижаются потери давления. Установлено, что оптимальная скорость воздуха в воздуховодах 8 м/с. Однако она непостоянна на всем протяжении воздуховода: наибольшая скорость воздуха на выходе уменьшается по мере раздачи воздуха. В головных участках нагнетательных каналов тяговых двигателей скорость воздуха 20—30 м/с, а на ответвленных 4—12 м/с.
Воздухоочистители системы охлаждения электрических машин и аппаратов. В качестве первой ступени очистки воздуха для электрических машин применяют жалюзийные решетки (инерционные
417
воздухоочистители), которые служат для предотвращения попадания в воздушную систему посторонних предметов и для отделения атмосферной влаги и пыли из воздушного потока. В некоторых случаях жалюзийные решетки (жалюзи) используют для выравнивания поля скоростей воздуха на входе. Во всех отечественных тепловозах применяют жалюзи с горизонтальным расположением створок и наклоном 45°. В зарубежной практике получили распространение жалюзи с вертикальным расположением створок.
Коэффициент очистки воздуха жалюзи с горизонтальным расположением створок составляет 25—35 %, а с вертикальным — 40—45 %.
Для дальнейшей очистки воздуха применяются фильтрующие элементы различного типа. На отечественных тепловозах применяют главным образом унифицированные многослойные проволочные кассеты с полиуретановой набивкой. На рис. 5.42 показан блок воздухоочистителя ЦВС тепловоза ТЭП70.
Рис. 5.42. Блок воздухоочистителя:
а — схема установки кассет; б — устройство кассеты; 1,6 — люки; 2 — дифференциальный манометр; 3 — кассеты; 4 — винт; 5 — всасывающий патрубок осевого вентилятора; 7 — пенополиуретановая набивка;
8, 9 — сетки; 10, 12 — корпусы; 11 — уплотнение; 13 — ручка
418
Воздухоочиститель представляет собой часть крыши кузова, в которой расположены двадцать две кассеты 3. Кассеты устанавливаются внутри каркаса крыши и в поперечном сечении тепловоза образуют собой арку, внутри которой находится всасывающий патрубок 5 вентилятора и люк 6, служащий для проведения работ по обдувке кассет сжатым воздухом для очистки при их загрязнении в процессе эксплуатации. Для постановки и выемки кассет предназначены специальные люки. Кассеты вставляются в пазы их каркаса и прижимаются от руки винтами 4. Загрязнение кассет контролируется дифференциальным манометром 2, закрепленным на наружной стенке воздухоочистителя.
Кассета воздухоочистителя (рис. 5.42, б) состоит из наружного 12 и внутреннего 10 корпусов, сеток 8, 9, набивки 7 и уплотнения 11. К наружному корпусу кассеты прикреплена сетка 9, которая вместе с сеткой 8 представляет полиуретановую набивку от выдувания и повреждения.
На тепловозе ТЭП70БС вместо кассет установлены мультицик-лонные блоки.
5.2.6. Вентиляторы охлаждающих устройств и систем, выбор основных параметров вентиляторов
Назначение вентиляторов — нагнетание или засасывание воздуха в системы вентиляции и охлаждения тяговых электрических машин и аппаратов, тормозных резисторов электрического тормоза, а также через радиаторные секции холодильной камеры.
Наибольший объем воздуха в тепловозе потребляется для электрических машин и аппаратов, а также для охлаждения радиаторных секций.
В системах охлаждения тяговых электрических машин используют центробежные и осевые вентиляторы. Необходимую производительность вентилятора можно определить, используя следующие выражения:
для индивидуальной системы
G -kG ; (5.48)
для групповой системы
G = kiG (5.49)
вг тм ’ ' 7
419
для централизованной системы
G =k£G.; (5.50)
ВЦ I
где GTM, Gj — необходимый расход воздуха для вентиляции соответственно тяговой и у'-й машины (аппарата или установки), определяем по формулам (5.42; 5.43; 5.44); к = 1,05—1,10 — коэффициент запаса по расходу воздуха; i — число однородных тяговых машин в группе, обслуживаемой одним вентилятором.
Расходы воздуха для некоторых серий тяговых электродвигателей, генераторов приведены в п. 5.2.5. Для выпрямительных установок требуется расход воздуха 1,4—1,5 м3/с.
Для охлаждения тяговых электрических машин, выпрямительных установок, преобразователей частоты при индивидуальной и групповой системах применяются центробежные (табл. 5.9), а при ЦВС преимущественно осевые вентиляторы. Исключение в отечественной практике локомотивостроения — тепловоз ТЭРА1, где в ЦВС использован сдвоенный центробежный вентилятор.
Центробежные вентиляторы оборудованы рабочими колесами барабанного типа с лопатками, загнутыми вперед. Их аэродинамическая схема соответствует трем схемам общепромышленных вентиляторов: «Сирокко», Ц15-45 и Ц9-45. На рис. 5.43 приведены аэродинамические схемы вентиляторов Ц15-45 и Ц9-45.
Схема «Сирокко», примененная для вентиляторов тепловозов серий ТЭМ2, 2ТЭ116, наиболее проста в конструктивном отношении. Ротор типа «беличья клетка» состоит из 60 штампованных из листового дюралюминия лопаток небольшой относительной вы-
Таблица 5.9
Основные параметры центробежных вентиляторов
Тепловоз Вентилятор Система охлаждения тягового агрегата м3/с Я», кПа Ze’’ Р, кВт D, м
2ТЭ10В Ц15-45 Г енератора Двигателя 4,16 4,16 2,80 3,20 30 34 19 21 0,46 0,46
М62 Ц9-55 Г енератора Двигателя 2,67 2,45 2,15 2,30 47,3 47,3 8,8 11 0,365 0,404
ТЭМ2У «Сирокко» Двигателя 1,75 1,76 37,3 5,7 0,35
2ТЭ116 «Сирокко» Двигателя 4,25 3,17 32,8 22,7 24,6 0,46
420
Рис, 5.43. Аэродинамические схемы вентиляторов: а — Ц15-45; б— Ц9-55 (все размеры относительные — в процентах от диаметра)
соты: /г=0,0675£>. Вентиляторы типа Ц9-55 отличаются меньшей относительной длиной лопаток, их профилем и переменной по длине лопатки высотой.
На тепловозах 2ТЭ10Л(В) применены вентиляторы типа Ц15-45, а на тепловозах ТЭП60, М62 типа Ц9-55. На базе вентилятора Ц9-44 разработан типовой ряд вентиляторов с диаметром рабочих колес 0,35; 0,42; 0,45 и 0,60 м.
Недостатком центробежных вентиляторов является относительно низкий КПД — 0,65—0,70.
Тип вентилятора выбирают, учитывая компоновку оборудования на локомотиве, размещение электрических машин и т.д. (по безразмерным характеристикам, рис. 5.44).
Осевые вентиляторы. Эти вентиляторы нашли применение в системах охлаждения воды и масла дизеля (табл. 5.10). При значительном расходовании воздуха и небольших сопротивлениях воздушных трактов холодильной камеры осевые вентиляторы экономичнее, компактнее и легче, чем центробежные. При применении ЦВС на магистральных тепловозах необходимо использование высокопроизводительных насосов для создания давления около 0,5 МПа.
421
Рис. 5.44. Характеристики центробежных вентиляторов: а — Ц15-45 (D = 0,48 м; п = 800 об/мин; wmax = 40 м/с); б — Ц9-55 (D = 0,5 м; п = 1000 об/мин; = 55-60 м/с) ' ’ Шал '
р
1,2
I
0,8
0,6
0,4
0,2
0
На тепловозе ТЭП70 (рис. 5.45) установлен осевой вентилятор с проточной частью, состоящей из трех колес, через которые последовательно проходит воздух: направляющий аппарат 4, рабочее колесо 3, спрямляющий аппарат 2. Число оборотов рабочего колеса на номинальном режиме равно пв = 2890 об/м. Основные параметры новых вентиляторов ЦВС приведены в табл. 5.10. КПД вентилятора 0,87—0,90.
Для охлаждения воды и масла дизеля, а также масла гидропередачи на отечественных тепловозах (см. табл. 5.10) применяют осевые вентиляторы с закрученными лопастями УК-2 и УК-2М, а также с прямыми незакрученными лопастями серии У. Максимальный КПД вентиляторов серии У равен 0,6—0,72. Применение закрученных лопаток у лопастей вентиляторов УК-2 и УК-2М повышает КПД до 0,8—0,83. У вентиляторов УК-2М (рис. 5.46) равномерная закрутка лопаток по длине, а у УК-2 — неравномерная. Указанные максимальные значения КПД были получены в ходе испытаний моделей вентиляторов с входным круглым коллектором на больших углах установки лопастей 0Л = 30°—35°. Однако в тепловозных условиях при наличии жалюзи за колесом и Вп =18°—25° эффективность вентиляторных установок значительно ниже, КПД не превышает величины 0,6.
422
Основные параметры осевых вентиляторов
Таблица 5.10
Наименование Тип вентилятора или область применения
УК-2М КТЗ-1 ЦВС Электрический тормоз
2ТЭ10В(Л) 2ИЭ116 ТЭП70 ТЭМ7 ТЭМ2У ТГМ6А 1 ТЭП80 ТЭП70БС ТЭП70 ТЭП80 2ТЭ121 ТЭП70, ТЭР70БС, ТЭП80
Наружный диаметр колеса, мм 2000 1100 1600 1600 1600 1400 1800 780 900 780
Диаметр втулки колеса, мм 900 500 720 700 630 900 470 470
Число лопастей 8 8 8 6 6 8 14 16 20 12 16
Угол установки лопастей, ° 22 18 21,5 27 26 25 23 40 47 —
Номинальная частота вращения, об/мин 1160 1960 1330 1300 1055 1350 840 760 2890 2450 3000
Номинальная окружная скорость, м/с 121 113 111,4 109 88 99 79 72 118 115 120
Число вентиляторов в секции тепловоза 1 4 2 1 1 1 2 1 1 2
Мощность для привода вентилятора, кВт 127 26,5 59 56,6 50 39 88 125 130 45
0891
Рис. 5.45. Осевой вентилятор.
1 — рабочее колесо, 2 — направляющий аппарат; 3 — поворотное устройство, 4 — спрямляющий аппарат; 5 — ведущий вал; 6 — щуп, 7 — масляный насос, 8 — угловой редуктор, 9 — каналы смазки подшипников, 10 — ведомый вал с шестерней; 11 — коллектор
424
Рис. 5.46. Колесо вентилятора типа УК-2М холодильника тепловоза 2ТЭ10В:
1 — воротник жесткости; 2 — лопасть; 3 — обтекатель; 4 — барабан;
5 — ребро жесткости
КПД вентиляторов растет с увеличением диаметра вентиляторного колеса, поэтому при конструировании необходимо его увеличивать. С другой стороны, при применении ступенчатого регулирования приходится устанавливать несколько вентиляторных колес (на тепловозе 2ТЭ116 — четыре).
С целью снижения расхода мощности на вспомогательные нужды на Коломенском заводе для охлаждающих устройств тепловозов ТЭП70, ТЭП70БС и ТЭП80 разработан новый экономичный вентилятор типа КТЗ-1 (рис. 5.47). У вентилятора диаметром DB = 1,8 м 14 пластмассовых лопастей с переменными по длине шириной и углом закрутки. На выходе из вентилятора установлен спрямляющий аппарат, являющийся одновременно и верхними жалюзи.
425
Рис. 5.47. Колесо вентиляторов типа КТЗ-1 холодильников тепловозов ТЭП70БС и ТЭП80:
1 — лопатка; 2, 4 — обечайки; 3 — диск
Во ВНИКТИ были проведены сравнительные испытания в натурных условиях вентиляторных установок с вентиляторами типов УК-2М и КТЗ-1. При одинаковой производительности QB = 38 м3/с потребляемая мощность вентиляторной установки с вентилятором КТЗ-1 оказалась на 42 % меньше, чем с УК-2М, КПД достиг 0,85.
Расчет вентилятора. Исходными данными для расчета вентилятора являются расход воздуха и давление, соответствующие расчетному режиму холодильника. Расчет ведут в нижеприведенной последовательности.
426
1. Определяют среднюю температуру воздуха в шахте холодильника:
(5.51)
SvcVb3
t = —1----------
взш i
1 где пс — число секций, входящих в шахту холодильника, обслуживаемого вентилятором; i — число групп секций, характеризующихся одинаковыми параметрами; Fc —поверхность теплообмена секции, м2; ивз — расчетная массовая скорость в узком сечении секции, кг/м2с; t'B3 — температура воздуха на выходе из секций /-Й группы, °C.
2. Определяют необходимый расход (м3/ч) воздуха вентилятором:
S"cFB3CMB3
1
где FB3C — живое сечение секций для прохода воздуха, м2; рвзх — плотность воздуха перед входом в вентилятор, кг/м3. Снижение давления в
шахте не учитывают.
3. Определяют скорость воздуха (м/с) в сечении, ометаемом лопастями вентилятора
, _ вх _________вх
ом FOM KD2(\-d2)’
(5.53)
где F0M — площадь, сметаемая лопастями вентилятора, м2; D — диаметр вентиляторного колеса, м; d = d/D — относительный диаметр втулки вентилятора; d — диаметр втулки вентилятора, м.
4. Определяют степень поджатия потока
^фр 8А'В
п FOM nD2(l-d2)’
(5-54)
427
где — общая площадь фронта радиатора, обслуживаемая вентилятором, м2; А — ширина радиатора (с одной стороны тепловоза), м; В'— высота шахты с радиаторами, м.
5. Определяют коэффициент аэродинамического сопротивления шахты:
= [1,84 + (1,1 /пп)- (0,76£»/лф"0’24 -1. (5.55)
6. Полное давление, создаваемое вентилятором,
Н' = кр + Ап + Дп +Др +0,5р v2 , (5.56)
'бж 'с ш ' вж ’ гвзх ом 4 ’
где Дрбж, Д₽с’ А₽ш> 4?вж — аэродинамическое сопротивление соответственно боковых жалюзи, секций шахты холодильника и сетки или жалюзи на выходе из вентилятора, Па; v0M — средняя скорость воздуха в сечении, ометаемом лопастями вентилятора, м/с.
Аэродинамическое сопротивление боковых жалюзи
Др- =0,5С Р v2 , (5.57)
^бж ’ ’жнвз бж ’ V '
где —коэффициент сопротивления полностью открытых жалюзи, £ж = 0,24; рвз — плотность наружного воздуха перед фронтом боковых жалюзи при расчетной температуре, кг/м3; гбж — скорость воздуха перед фронтом боковых жалюзи:
"бж^КзЧзКЛфрс! (5-58)
где — фронтальная поверхность секции, м2.
Аэродинамическое сопротивление секции Дрс подсчитывают в зависимости от конструкции секции и числа Рейнольдса (определенного при тепловом расчете):
и2
(5.59)
с с 2р гвз
где Q — приведенный коэффициент сопротивления секции, рассчитывается по формуле (5.21).
428
Аэродинамическое сопротивление шахты при однорядном расположении секций
Ар = 0,5£ р v2 . (5.60)
’ ’шгвз ом 4 '
Аэродинамическое сопротивление жалюзи можно ориентировочно принять равным
АРВж = "^^Рбж (5-61)
7. Задавая несколько произвольно выбранных значений угловой скорости вращения сок-1 рабочего колеса вентилятора, подсчитывают для каждой из них окружную скорость внешних кромок лопаток рабочего колеса:
со = 7г£)сок . (5.62)
По условиям прочности со < 120 м/с.
8. Площадь рабочего колеса вентилятора по внешнему диаметру
FBK=7tZ>2/4. (5.63)
9. Относительный расход, соответствующий различным системам охлаждения, рассчитывают по выражению
G=G/Fco- (5.64)
10. Относительное давление рассчитывают по выражению
Н'=Н'1р со2. (5.65)
И. По полученным парным значениям G и Я' на планшете безразмерной характеристики вентилятора (рис. 5.48) определяют несколько точек и соединяют их плавной линией. Эта линия является безразмерной характеристикой сети. Точки пересечения безразмерной характеристики сети с безразмерными характеристиками вентилятора Н' = /(g) при различных углах наклона лопаток являются рабочими точками вентилятора.
429
Рис. 5.48. Безразмерные аэродинамические характеристики вентилятора УК-2М
12. Для полученных рабочих точек находят по планшету характеристик вентилятора значения его КПД Т]в и выбирают угол наклона лопаток, соответствующий наибольшему т]в-Рабочим участком аэродинамической характеристики вентилятора надо принимать ту ее часть, на которой Т]п > 0,8т]п m,,Y при заданном угле наклона лопаток.
13. Мощность, потребляемую вентилятором, вычисляют по формуле (5.6). Мощность, отбираемая от дизеля на все вентиляторы холодильника,
(5-“)
где т]п — КПД привода вентилятора.
В реальных условиях работы тепловоза воздушный поток на входе в вентилятор неравномерный, поэтому фактический напор, развиваемый вентилятором, на 20—25 % меньше расчетного, что необходимо учитывать в расчете.
Пример расчета вентилятора тепловоза. Выбираем вентилятор типа УК-2М, DK = 1600 мм; dB - 720 мм; пс- 12; шаг оребрения 2,3 мм; длина секции 1,206 м; 0 = 56,52; и = 9 кг/(м2-с); t" = 78,1 °C; F = 29,6 м2; F= = 0,149 м2; ReB3 = 1790; рвзх = 1,22 кг/м3.
1. Среднюю температуру воздуха в шахте холодильника принимаем
t =t" = 78,1 °C. взш вз ’
430
2. Необходимая производительность вентилятора (подача)
12-0,1361-9 =-----4т----= 12 м
1,22
3. Скорость воздуха в сечении, ометаемом лопастями вентилятора,
Уп F с взс
I
V ом
G 4G 4'12
-22- = , вх . =---------z------z- = 7,49 м/с,
KD2(\~d2) 3,14-1,62 (1-0,45 2)
7 d 720 где d = — =-------0,45.
D 1600
4. Степень поджатия потока
_ гфр _ 8А'В' = 8-2,624-1,9
"п ~ ^ом " 7tZ>2(l-</2)~ ЗД4-1,62(1-0,452) = 6’22’
где А' = 2,624 м; В' = 1,9 м.
5. Коэффициент аэродинамического сопротивления шахты
£ = 184 + -У--^£Ь-0’24 п А
п
и -v,24 _ J = (J 84 + _Ц_ _ °’761’6 b,45-°’24 _ 1 = 0,881.
6,22 2,624 I
6. Полное давление, создаваемое вентилятором,
Н' = ДРбж + ДРс + ДРш + ДРвж + °>Vom = 5’2 + 285’5 + 30’2 +
+ 7 + 0,5-1,22-7,492 = 362 Па.
В этой формуле слагаемые определяют следующим образом: сопротивление боковых жалюзи
Др, = 0,5С р v2 = 0,5-0,24-1,22-5,942 = 5,2 Па, гбж ’ ^жгвз бж ’ ’ ’ ’
где скорость воздуха перед фронтом боковых жалюзи
и
v = —ВЗ
бж р квз
^взс 9 0,149
F. ~ 1,22 0,185 фрс
5,94 м/с;
431
Гфрс= 1,206-0,153 = 0,185 м2;
аэродинамическое сопротивление секции
w2 81
= 8,6-^- = 285,5 Па, с 2р 2 • 1,22 гвз
где £— приведенный коэффициент сопротивления секций, определяемый как
5-10т9 _ 77-ЮО0’0339'56’52 _
Re2 17900,35 ~8,6’
вз
аэродинамическое сопротивление шахты
Др,„ = 0,5C„pH,v2 = 0,5 0,881-1,22-7,492 = 30,2 Па;
аэродинамическое сопротивление верхних жалюзи
Дрвж = 1,35Дрбж = 1,35-5,2 = 7 Па.
7. Задаем несколько значений угловой скорости вращения рабочего колеса вентилятора:
сов1 = 22 с-1; сов2 = 20 с-1; сов3 =18 с-1; сов4 = 16 с*1.
Соответствующие окружные скорости верхних кромок лопаток рабочего колеса вентилятора vB/- =
vB1 = 3,14-1,6-22 = 110,5 м/с; vb2 = 3,14-1,6-20 = 100,5 м/с;
vb3 = 3,14-1,6-18 = 90,4 м/с; vb4 = 3,14-1,6-16 = 80,4 м/с.
8. Площадь рабочего колеса вентилятора по внешнему диаметру
F =Дд2 =2И162 =2,01 м2.
ВК 4 4 ’
9, 10. Вычисляют относительные расходы и давление по формулам (5.64, 5.65), см. табл. 5.11.
11, 12. Полученные рабочие точки и соответствующие им КПД приведены в табл. 5.12.
Выбираем угол установки лопаток 0 = 20°, так как он соответствует Пв max _ 0>66.
432
Таблица 5.11
Значения G и Н'
vB, м/с 110,5 100,5 90,4 80,4
G 0,054 0,0594 0,066 0,0743
0,0428 0,0518 0,064 0,081
Н'
Таблица 5.12
Значения Т]в
0 15° 20° 25° 30° 35°
G 0,089 0,092 0,12 0,1 0,1
Н' 0,081 0,099 0,125 0,12 0,12
Ив 0,478 0,365 0,365 0,333 0,333
5.3. Пневматическая система
На тепловозах сжатым воздухом приводят в действие тормоза, песочницы, некоторые электрические аппараты, жалюзи охлаждающих устройств, системы пожаротушения и подачи звуковых сигналов.
Пневматическая система состоит из тормозной системы, систем автоматики, подачи песка и пожаротушения.
5.3.1. Тормозная система
Назначение системы. Тормозная система предназначена для приведения в действие тормозов тепловоза и поезда. Для независимого управления торможением локомотива применен вспомогательный пневматический тормоз. Источником сжатого воздуха для тормозной системы локомотива и поезда служит локомотивный компрессор. В отечественных локомотивах применяются обычно компрессоры поршневого типа с приводом от дизеля или электродвигателя.
Воздухопроводы тормозных систем отечественных локомотивов принципиально одинаковые. Отличительными особенностями их являются лишь примененные тормозные приборы, выбор которых зависит от рода службы и наличия электродинамического тормоза. В настоящее время электродинамическим тормозом оборудуются все магистральные и маневровые локомотивы с элек-
433
тропередачей. На тепловозах с гидропередачей применяют гидродинамическое торможение, которое осуществляется специальной гидромуфтой, встроенной в гидропередачу и работающей только в режиме торможения локомотива.
Для удержания одиночного локомотива на стоянках служит ручной тормоз, который предназначен удерживать локомотив на спусках с уклонами до i - 30 %о. В качестве примера рассмотрим пневматическую тормозную систему тепловоза 2ТЭ116.
Пневматическая тормозная система тепловоза 2ТЭ116. Воздухопровод тормозной системы (рис. 5.49), как и другие пневматические системы тепловоза, снабжается сжатым воздухом от тормозного компрессора 19 с электрическим приводом. Пуск и отключение электродвигателя привода компрессора происходят автоматически при работающем дизель-генераторе. Сигнал на включение электродвигателя поступает от датчика-реле давления 29 (реле давления компрессора) при давлении воздуха в питательной магистрали (ПМ) менее 0,75±0,02 МПа.
При включении электродвигателя срабатывает электропневма-тический вентиль облегчения пуска компрессора, установленный на воздухопроводе приборов управления. Находясь во включенном положении, этот вентиль перепускает воздух из воздухопровода приборов управления через отвод В в разгрузочные устройства тормозного компрессора, который в момент пуска работает в режиме холостого хода. После выхода электродвигателя на номинальный режим вентиль облегчения пуска компрессора отключается, разгрузочные устройства сообщаются с атмосферой через вентиль, и тормозной компрессор начинает работать на зарядку главных резервуаров и питательной магистрали.
При достижении давления в питательной магистрали (0,9 ± 0,02) МПа датчик-реле давления 29 подает сигнал на отключение электродвигателя компрессора. Кран 71 отключает реле 29 на одной из секций тепловоза. На случай отказа устройств отключения тормозного компрессора на нагнетательном трубопроводе установлены предохранительные клапаны 20 и 21, отрегулированные на срабатывание при давлении 0,93—1,02 МПа. Предельное давление в питательной магистрали при открытых клапанах устанавливается не более 1,02 МПа.
434
Рис. 5.49. Принципиальная схема воздухопровода тормозной системы тепловоза 2ТЭ116:
1, 17, 18, 20, 21, 25, 40—43 — клапаны; 2, 29, 45, 46 — датчики-реле давления; 3, 13, 22—24, 26, 28, 47 — резервуары; 4, 5, 30—34, 37, 52 -— рукава; 6, 7, 12 — манометры; 8 — кран вспомогательного тормоза; 9, 16 — фильтры; 10 — устройство блокировки тормоза; 11 — стоп-кран; 14 — кран машиниста; 15 — электропневматический клапан автостопа; 19 — тормозной компрессор; 27 — маслоотделитель; 35, 50 — реле давления; 36, 51 — тормозные цилиндры; 38 — редуктор; 39, 44 — электропневма-тические вентили; 48 — пневмоэлектрический датчик; 49— воздухораспределитель; 61, 62, 66—74, 76, 77, 82—85 — разобщительные краны; 63 — комбинированный крен; 64 — ручка эксцентрикового вала устройства блокировки тормоза; 65, 78—81, 86, 87 — концевые краны; 88, 89 — сливные краны; А, Б, В, Г, Д — отводы; МВТ, ПМ, ТМ — магистрали: вспомогательного тормоза, питательная и тормозная. Номера кранов в кружках соответствуют номерам на бирках, прикрепленных к кранам
Подаваемый компрессором воздух поступает в главные резервуары 22, 24 и 26, проходит маслоотделитель 27 и попадает в питательную магистраль, в конце которой установлен резервуар 3 водоотделителя. Из питательной магистрали через обратный клапан 25 сжатый воздух поступает в питательный резервуар 23. Благодаря
435
клапану 18 резервуар 23 работает в качестве главного при нормальном зарядном давлении в питательной магистрали. От питательного резервуара через разобщительные краны 72 и 73 воздух подводится к питательным камерам реле давления 35 и 50.
Питательный и главные резервуары накапливают сжатый воздух, который охлаждается в трубах и резервуарах в результате теплообмена с окружающей средой. Выделяющаяся при охлаждении воздуха влага скапливается в резервуарах, маслоотделителе и водоотделителе. Поэтому питательный и главные резервуары, а также водоотделитель и резервуар 28 маслоотделителя снабжены кранами 88 и 89 для периодического слива скопившегося конденсата. Уравнительный 13 и запасный 47 резервуары оборудованы пробками.
Управление пневматическими тормозами ведется из кабины локомотива с помощью крана машиниста 14 и крана вспомогательного тормоза 8. Экстренное торможение можно выполнить комбинированным краном 63. С тормозной (ТМ) и питательной (ПМ) магистралями через разобщительные краны 69 и 70 связан электропневматический клапан автостопа 75, который совместно с устройствами автоматической локомотивной сигнализации предназначен для предотвращения проезда запрещающих сигналов, а также для контроля бдительности машиниста. Электропневматический клапан автостопа при срабатывании на торможение снимает нагрузку дизель-генератора и сообщает тормозную магистраль с атмосферой, т.е. вызывает экстренное торможение.
К крану машиниста 14 подсоединен уравнительный резервуар 13, давление в котором контролируют по манометру 12. Через размещенное в кабине устройство блокировки тормозов 10 кран машиниста сообщается с тормозной и питательной магистралями, а кран вспомогательного тормоза — с магистралью вспомогательного тормоза (МВТ). Устройство блокировки тормозов предназначено для обеспечения правильного отключения и включения тормозного оборудования в кабинах при смене постов управления тепловозом. Давление в тормозных цилиндрах передней и задней тележек контролируется двухстрелочным манометром 6, в питательной (ПМ) и тормозной (ТМ) магистралях двухстрелочным манометром 7.
436
От питательной магистрали предусмотрены отводы к воздуховоду системы автоматики Б и В, системе пожаротушения Г, песочной системе Д. От тормозной магистрали к скоростемеру сделан отвод А, перекрываемый краном 61.
Компрессоры предназначены для получения сжатого воздуха, необходимого для управления и приведения в действие автоматических тормозов поезда, а также пневмоэлектрических приборов и механизмов тепловоза. Особенность работы локомотивного компрессора заключается в том, что нагнетание воздуха происходит в ограниченный объем. Поэтому необходимо при достижении рабочего давления в системе либо отключить компрессор, либо перепустить воздух в атмосферу. Первый способ предпочтительнее, так как он более экономичен, но требуется усложнение конструкции привода.
Подачу компрессорной установки локомотива выбирают в соответствии с нормами ОАО «РЖД». Наименьший расход установки при противодавлении 0,9 МПа и номинальном режиме работы дизеля для магистральных локомотивов равен 4 м3/мин, для маневровых локомотивов целесообразно применять компрессоры с тем же расходом, что и для магистральных.
Компрессор локомотива выбирают по номинальной подаче, определяемой наибольшим расходом воздуха в системах локомотива и поезда. Общий расход воздуха (л/ч) в поезде
Соб = бут + бтор + бдр, (5.67)
где G^ — расход воздуха на утечки, л/ч, G^ = 60 Др Итс; 6тор — расход воздуха на торможение, л/ч, <7тор = Дрм (Гм + Гм + /рр) »т; 6др — прочий расход, для современных локомотивов (7др = 12 000 л/ч; Др^т — допускаемое снижение давления в магистральном воздухопроводе через неплотности при отсутствии питания за 1 мин, ДруГ = 20 кПа; Дрм — снижение давления в магистрали при служебном или регулировочных торможениях, Дрм = 80 кПа; Итс, Км, Кзр, Ирр — объемы соответственно тормозной сети (магистрального воздухопровода с отводами, запасных резервуаров и рабочих камер), магистрального воздухопровода, запасных резервуаров и рабочих резервуаров, л; »т — число регулировочных торможений в час, ит = 6—10.
По основным характеристикам из каталогов выбирают необходимый компрессор (табл. 5.13).
437
иэ 00
Таблица 5 13
Характеристики компрессоров, эксплуатируемых на локомотивах ОАО «РЖД»
Наименование характеристики Марка компрессора, страна изготовления
Украина Россия Чехия
КТ6, КТ7 ПК-5,25 ВШ 6,0/10- 1000 ВУ 3,5/10-1450 ВВ 0,8/8- 720 К2 КЗ
Номинальная производительность, м3/мин 5,3 4,0 6,0 3,6 0,8 3,9 4,16
Давление нагнетания, МПа 0,9 0,9 1,0 1,0 0.8 0,9 0,9
Номинальная частота вращения, с^'/мии'1 14,17/850 18,33/1100 16,67/1000 24,17/1450 12/720 18,33/1100 20,83/1250
Потребляемая мощность, кВт 44,1 29,5 48,6 29,5 6,3 31,6 37
Число ступеней сжатия 2 2 2 2 1 2 2
Число цилиндров 3 6 3 2 2 3 3
Схема расположения цилиндров W V W V рядное W W
Диаметры цилиндров I ступени II ступени 2х 198 155 3 х 140 3x80 2х 198 155 198 ПО 112 2х 155 125 2х 155 110
Ход поршней, мм 144/153/146 98 144 НО 92 120 120
Масса (без смазки), кг 610 330 580 310 100 270 390
На конец XX в. практически все эксплуатировавшиеся в системе МПС России локомотивы были оборудованы поршневыми компрессорами, изготавливаемыми на Украине и в Чехословакии.
Поршневые компрессоры классифицируют по следующим признакам: - по числу цилиндров — на цилиндровые и многоцилиндровые; - по расположению цилиндров — на горизонтальные, вертикальные, V-образные и W-образные;
- по направлению движения воздуха в цилиндре — на прямоточные и непрямоточные;
- по числу рабочих сторон поршня — на одинарного и двойного действия.
Ограничения по массе и габаритным размерам обусловили первоочередное развитие W- и V- образных компрессоров. Из-за ббль-шей уравновешенности V-образных компрессоров для них принимается более высокая частота вращения коленчатого вала, чем для W-образных. Это приводит при одинаковой производительности к снижению массы V-образных компрессоров. Для привода этих компрессоров применяются электродвигатели постоянного тока. Для W-образных компрессоров используют обычно механический привод непосредственно от дизеля.
Наибольшее распространение в отечественных локомотивах получили компрессоры КТ6 и КТ7. В зависимости от частоты вращения вала дизеля и типа привода частоты их вращения в тепловозах составляют 300—850 мин-1. Компрессоры типа КТ6 характеризуются низкими динамическими качествами, недостаточно эффективным охлаждением и высоким расходом смазки.
Второй по численности группой импортных компрессоров являются компрессоры К2 и КЗ, установленные на чешских тепловозах ЧМЭЗ и электровозах типа ЧС. Частота вращения вала компрессора К2 в тепловозах ЧМЭЗ равна 1070 мин-1 при частоте вращения коленчатого вала дизеля 750 мин-1. Характерной особенностью компрессоров К2 является применение выносных межступенчатых холодильников и отсутствие вентиляторов, что существенно ухудшает массогабаритные показатели компрессорной установки.
Третью, относительно небольшую группу составляют компрессоры ПК-5,25 тепловозов ТЭП70, ТЭМ7 и ТГМ6. Применение этих
439
компрессоров на маневровых локомотивах с большими расходами воздуха выявило их неудовлетворительную надежность.
Отечественной промышленностью совместно с ВНИИЖТом и ВНИКТИ был разработан ряд новых поршневых компрессоров (табл. 5.13). Компрессоры ВШ 6,0/10-1000 (рис. 5.50) созданы для замены компрессоров КТ6, КТ7 и применения на эксплуатируемых и проектируемых тепловозах с механическим приводом от дизеля. Их частота вращения соответствует частоте вращения современных дизелей, устанавливаемых на тепловозах. Поэтому можно осуществить их безредукторную связь в новых или модернизируемых тепловозах. У компрессора ВШ 6,0/10-1000 одинаковые с КТ6, КТ7 установочные и присоединительные размеры, что облегчает их замену.
Компрессоры ВШ 6,0/10-1000, ВУ 3,5/10-1450 при механическом, электрическом или другом регулируемом приводе по своим параметрам способны заменить все представленные в табл. 5.13 импортные компрессоры на магистральных тепловозах, электровозах и тяжелых путевых машинах.
5.3.2. Воздушная система автоматики
Назначение системы. Воздушная система автоматики предназначена для преобразования электрического сигнала в исполнительное действие, осуществляемое воздушными цилиндрами, а также приведение в работу сжатым воздухом специальных устройств: тифона, свистка, стеклоочистителей, песочниц и т.д. Необходимость применения пневмопривода вызвана тем, что для создания больших сил и значительных перемещений электромагниты, широко используемые в цепях локомотивов, непригодны, так как развиваемая ими сила резко изменяется даже при относительно небольшом их перемещении. Мощные электромагниты дороги и потребляют много электроэнергии. Пневматический привод позволяет получить ббльшие силы, не изменяющиеся в зависимости от времени и перемещений при малой затрате цветных металлов и небольшом расходе электроэнергии. Системы воздухопроводов автоматики отечественных тепловозов в принципе одинаковые.
В воздушной системе автоматики секции тепловоза 2ТЭ116 (рис. 5.51) воздух из питательной магистрали 1 воздухопровода тор-
440
1080
1280±3
Рис. 5.50. Компрессор ВШ 6,0/10-1000:
1 — подогреватель масла; 2 — сапун; 3 — воздушный фильтр; 4 — предохранительный клапан; 5 — холодильник межступенчатый; б — корпус; 7 — маслоуказатель; 8 — цилиндр низкого давления; 9 — коробка клапанов низкого давления; 10 — вентилятор; 11 — коробка клапанов высокого давления; 12 — цилиндр высокого давления; 13 — система охлаждения самодействующих клапанов
Рис. 5.51. Структурная схема воздушной системы автоматики тепловоза 2ТЭ116:
1 — питательная магистраль; 2 — разобщительные краны; 3 — фильтры; 4 — клапан максимального давления; 5 — запорно-регулировочные краны; 6 — стеклоочистители; 7 — распределительные коробки тифона и свистка; 8 — тифон; 9 — свисток; 10 — манометр; 11 — патрубок обдува высоковольтной камеры; 12 — электропневматические вентили; 13 — песочницы; 14 — групповой контактор; 75 — реверсор; 16 — поездной контактор; 17 — патрубок обдува холодильной камеры; 18 — пневмоцилиндр жалюзи; 19— пневмоцилиндр привода фильтров дизеля
мозной системы со стороны кабины поступает через разобщительный кран 2, фильтр 3 к приборам (стеклоочиститель, тифон 8, свисток 9), а со стороны холодильной камеры также через разобщительный кран 2 и фильтр 3 к цилиндрам привода жалюзи 18 и к патрубку 17 для обдува воздухом радиаторных секций. Эти устройства могут работать при давлении воздуха 0,7—0,9 МПа и для них нет необходимости точно выдерживать давление в воздушной магистрали. Для приведения в действие электропневматических вентилей 12, песочниц 13, поездных контакторов 16, реверсора 15, пневмоцилиндров 19 необходимо поддерживать строго определенное давление воздуха. Эти приборы питаются через клапан максимального давления 4, которое контролируется манометром 10.
442
К заключительному участку магистрали подключен через разобщительный кран 2 патрубок 11 для обдува главного генератора и высоковольтной камеры.
Оборудование воздушной системы автоматики. Основным элементом большинства пневматических приводов является закрытый с одной стороны цилиндр с поршнем. Между дном цилиндра и поршнем образована небольшая полость, в которую подается сжатый воздух, а с другой стороны поршень поджат возвратной пружиной. Впуском и выпуском сжатого воздуха в пневмоцилиндры управляют электропневматические вентили. Вентили устанавливаются на приводах реверсора, поездных контакторов, на механизмах управления регулятором дизеля, приводе жалюзи холодильника, муфте включения вентилятора и клапане песочниц. На отдельных участках воздушной магистрали системы автоматики вмонтированы краны, которыми можно перекрывать подачу воздуха к устройствам и приборам. На входных участках магистрали устанавливаются фильтры для дополнительной очистки воздуха.
5.3.3. Песочная система
Назначение системы. Песочная система служит для хранения и подачи песка под колеса с целью повышения сцепления движущихся колес с рельсами. Необходимость в этом возникает при трогании локомотива с места (для уменьшения опасности буксования), при следовании с составом в кривых, по подъему или при резком торможении (во избежание юза), особенно если поверхности рельсов замаслены или влажны. В современных локомотивах наибольшее распространение получила песочная система с дистанционным электропневматическим управлением. В песочную систему входят: бункеры для хранения песка, электропневматические клапаны, воздухораспределители, форсунки, трубопроводы, электрическая система управления.
Действие песочной системы локомотива. Песок подсыпают под крайние колесные пары каждой тележки. При движении локомотива песок подают на рельсы только под две колесные пары (передние по направлению движения каждой тележки). Управляют песочной системой педалью или кнопкой подачи песка, расположенной в кабине машиниста.
443
Рис. 5.52. Схема песочной системы:
1,8— воздухораспределители песочницы; 2, 7 — разобщительные краны; 3, 4, 5, 6 — электропневматические вентили; 9, 12 — передние бункеры; 10, 11,13,14,17, 18, 23, 24 — форсунки песочницы; 15, 16,21,22— шланги; 19, 25 — задние бункеры; 20 — наконечник; А — воздухопровод приборов управления; Б — питательная магистраль
Если рукоятка реверсора находится в положении «Вперед», то при нажатии педали (кнопки) песочницы срабатывают электропневматические вентили 5 и 3 (рис. 5.52), открывая доступ воздуху из воздухопровода приборов управления А к воздухораспределителям 8 и 1 песочниц. Воздухораспределители подводят воздух из питательной магистрали Б к форсункам 10, 13 и 17, 23. В эти форсунки из бункеров 9, 12, 19, 25 самотеком попадает песок, который подведенным воздухом уносится по соответствующим трубопроводам под первую и четвертую колесные пары. В случае, когда рукоятка реверсора установлена в положение «Назад», при нажатии педали песочницы срабатывают электропневматические вентили 6 и 4, и песок подает
444
ся из форсунок 11, 14 и 18, 24 под третью и шестую колесные пары. После отпуска педали песочницы или кнопки подачи песка катушки электропневматических вентилей обесточиваются, подача воздуха из воздухопровода приборов управления к воздухораспределителю песочниц прекращается, и трубопровод между воздухораспределителем и электропневматическим вентилем сообщается с атмосферой через атмосферное отверстие электропневматического вентиля. При отсутствии управляющего давления воздухораспределитель песочниц разобщает питательную магистраль с форсунками, и подача песка под колесные пары прекращается.
Для предотвращения образования пробок из слежавшегося песка в трех местах горизонтальных участков труб дополнительно подводится воздух под углом 30° к оси трубы. Выходной диаметр металлического наконечника, подающего песок под колеса, равен 20 мм. Трубопровод песочной системы, размещенный на раме тепловоза, соединяют с трубопроводами, установленными на рамах тележек, гибкими резинотканевыми рукавами, так как рамы тележек перемещаются относительно рамы тепловоза. Разобщительными кранами 2 и 7 отключаются трубопроводы песочной системы передней или задней тележки в случае возникновения такой необходимости.
Наибольше количество песка, подаваемого в контакт колеса с рельсом для эффективного сцепления, равно 0,6—1 кг/мин (меньшая цифра для тепловозов, большая для электровозов). При повышении скорости движения локомотива от 6 до 20 км/ч количество песка следует увеличивать на 20—30 %. Наибольший эффект в повышении тягового усилия достигается при применении песка с размером зерен 0,1—0,3 мм.
Воздухораспределитель песочниц (рис. 5.53) сдвоенного типа состоит из чугунного корпуса 7, внутри которого перемещается шток 2 с манжетой 1. В центре корпуса имеется отверстие для крепления воздухораспределителя болтом. Пространство между поршнем и крышкой 15 сообщается с воздухопроводом приборов управления при включенном электропневматическом вентиле. При отключенном вентиле эта полость сообщается с атмосферой. Под действием пружины 9 к втулке 16 прижимается клапан, состоящий из направляющей 6, шайб 5 и 11, уплотнения 4 и винта 3. При поступлении воздуха от электропневматического вентиля поршень поднимает-
445
Рис. 5.53. Воздухораспределитель песочниц сдвоенного типа:
1 — манжета; 2 — шток; 3 — винт; 4 — уплотнение; 5, 11 — шайбы; 6 — направляющая; 7 — корпус; 8 — заглушка; 9 — пружина; 10, 12 — прокладки; 13, 14 — штуцеры, 15 — крышка; 16 — втулка; А — подвод воздуха от электропневматического вентиля; Б — подвод воздуха от питательной магистрали; В— отвод воздуха к форсунке песочницы; Г — отверстие для выхода воздуха в атмосферу
ся вверх вместе с клапаном, преодолевая усилие пружины 9 и давление воздуха в питательной магистрали. При отжатии клапана от втулки воздух устремляется из питательной магистрали к форсунке песочницы. В корпусе предусмотрены отверстия Г, через которые уходит воздух, вытесняемый при перемещении штока вверх, а также воздух, проникающий из питательной магистрали и воздухопровода приборов управления из-за неплотного прилегания уплотнения 4 к втулке 16 и манжеты штока к цилиндрической поверхности корпуса, служащей направляющей для манжеты.
Форсунка песочницы (рис. 5.54) является одним из основных элементов песочной системы. Песок попадает в корпус 8 форсунки са-
446
Рис. 5.54. Форсунка песочницы:
1, 7 — сопла; 2 — регулировочный винт; 3 — гайка; 4 — штуцер; 5 — уплотнение; 6 — пробка; 8 — корпус; 9 — крышка; А, Б, Д — каналы;
В, Г— полости
мотеком из бункера, а воздух от воздухораспределителя подводится через штуцер 4. Воздух, подведенный в полость Г, через канал Д попадает в полость В. Отсюда основная часть воздуха выходит через канал Б сопла 7, а оставшаяся часть, пройдя через канал Л, попадает в камеру смешения песка с воздухом и разрыхляет песок, поступающий из бункера. Поток воздуха, выходящий из канала Б, засасывает песковоздушную смесь из камеры смешения форсунки и подает ее по трубопроводу к колесным парам. Из полости Г воздух проходит через сверления сопла 1 и далее через кольцевой зазор между наружной поверхностью сопла 7 и корпусом форсунки в трубопровод подачи песковоздушной смеси. Воздух, подводимый через сопло 1, уменьшает явление дросселирования в головке форсунки, сопровождающееся интенсивным охлаждением воздуха и выпадением влаги, увеличивает давление воздуха в трубопроводе подачи песка под ко
447
лесные пары, снижая вероятность слеживания песка и образования песочных пробок в этом трубопроводе. Пробку 6 выворачивают при замене износившегося сопла 7. Крышку 9 снимают при очистке внутренних полостей и канала корпуса форсунки.
От правильного регулирования форсунки зависит эффективность использования песка. Пескоподача под каждое колесо регулируется вращением винта 2. Для удобства регулирования у винта удлинена коническая часть. После окончания регулирования подачи песка винт фиксируют гайкой 3. Между корпусом форсунки и накидными гайками патрубка, подводящего песок к форсунке, и трубы, отводящей песковоздушную смесь от форсунки, для уплотнения установлены прокладки 5 из прокладочного картона. Место соединения корпуса форсунки с фланцевой частью штуцера подвода воздуха к форсунке уплотняется асбестовым шнуром.
Песочные бункеры предназначены для размещения песка. Их располагают по концам локомотива. Обычно для каждой стороны тележки устанавливается свой бункер, и, таким образом, их на локомотиве четыре. В нижней части бункеров располагают отверстия для отвода песка к форсункам, а также люки для их очистки. Для задержания крупных примесей в песке в засыпную горловину ставят сетку. Емкость бункеров выбирают в зависимости от рода службы и типа локомотива (у маневровых локомотивов с индивидуальным приводом осей наибольшая емкость, у пассажирских локомотивов с групповым приводом осей — наименьшая), для обеспечения локомотива песком на межэкипировочный срок (табл. 5.14). Обычно песочные бункеры устанавливают на главной раме тепловоза, однако легкие песочницы иногда располагают на рамах тележек.
Трубопроводы. При проектировании необходимо предусмотреть, чтобы гидравлическое сопротивление трубопроводов от воздухораспределителя до каждой форсунки было одинаковым. Если это не удается, то следует питать форсунки сжатым воздухом раздельно. Это необходимо для быстродействия песочной системы и одновременного срабатывания форсунок. Трубы песочницы располагают так, чтобы концы их находились на расстоянии 59—65 мм от головки рельса с наклоном 13—15° к оси рельса. Их изготавливают из стальных бесшовных или холоднотянутых труб с внутренним диаметром не менее 25—27 мм.
448
Таблица 5.14
Технические характеристики песочных систем тепловозов
Параметр Узкоколейных Маневровых Грузовых Пассажирских
ТУ7А ТГ22 ТГМ6А ТЭМ2У 2М62У 2ТЭ10В 2ТЭ116 ТЭП60 ТЭП70
Число движущих осей Число осей, под которые подается песок Общий запас песка Расход песка под колесные пары, кг/мин: крайние средние L 1 420 0,4—0,5 2 800 1,5—2,0 0,7—1,5 4 1100 1,5—2,0 0,7—1,5 6 2000 2,0—2,5 0,6—1,5 700 2,4—5,0 1,0—2,0 6 2 11 0,75 0,75 60 1,0 1,0 ( 600 2,4—5,0 1,0—2,0 600 2,4—5,0 1,0—2,0
При расходе песка 1—1,5 кг/мин выходная скорость гп (по воздуху) должна в 3—3,5 раза превышать скорость ветра (при расчетной скорости поперечного ветра 10—12 м/с принимают гп = 30—42 м/с). Чтобы обеспечить необходимую скорость песка на выходе, а также долговечность работы концевых труб, на их концы насаживают резиновые наконечники с выходным диаметром 18—20 мм. Форма выходного отверстия насадки практически не влияет на скорость и кучность струи, и поэтому можно применять любую, наиболее приемлемую технологически. Необходимо избегать поворотов труб и делать их по возможности более плавными, так как износ трубопровода в месте изгиба в 500—2000 раз больше износа его прямых участков.
5.3.4. Система пожаротушения
Для обеспечения пожарной безопасности на локомотивах применяют противопожарные системы, состоящие из средств пожарной сигнализации, автоматического и ручного пожаротушения.
Средства пожарной сигнализации. Основными элементами системы автоматической сигнализации являются извещатели. Они должны обладать малой инерционностью и быть устойчивыми к переменным температурам и загазованности.
Этим требованиям соответствуют извещатели, реагирующие на ультрафиолетовое излучение открытого пламени, на дым, на повышение температуры в месте установки.
Извещатели первого типа применяют в помещениях с температурой от -10 до +40 °C и относительной влажностью воздуха до 80 %. Основные недостатки — чувствительность к парам кислот и щелочей и малая эффективность в загроможденных помещениях.
Чувствительным элементом извещателя, реагирующего на продукты горения (дым), является ионизированная камера. Такой извещатель применяют в закрытых помещениях с температурой от -30 до +60 °C и относительной влажностью воздуха до 80 %.
Чувствительным элементом извещателя третьего типа служит полупроводниковое термосопротивление, надежно срабатывающее при температуре окружающей среды от -50 до +120 °C и относительной влажности до 98 %. В настоящее время эти термоизвещатели получили наибольшее распространение на локомотивах.
450
Кроме указанных выше извещателей, применяют термоизвещатели с проводником из плавких сплавов. Достоинства таких извещателей: простота конструкции, эксплуатационная надежность, возможность размещения их практически в любом месте локомотива, в том числе в картере дизеля. На тепловозах термоизвещатели обычно устанавливаются в дизельном помещении и высоковольтной камере.
В систему сигнализации, кроме извещателей, входит приемная станция, принимающая и подающая сигналы о пожаре и приводящая в действие средства пожаротушения, световую и звуковую сигнализацию для оповещения бригады о возникновении огня и его местонахождении. На тепловозах используют приемные станции, рассчитанные на подключение двух каналов, в один из которых собираются сигналы от извещателей дизельного помещения (ДП), в другой — из высоковольтной камеры (ВК). При срабатывании извещателя приемная станция включает соответствующую сигнальную лампу «Пожар ДП» или «Пожар ВК» и подает звуковой сигнал.
Средства пожаротушения. Ввиду хорошей проветриваемости внутреннего помещения, наличия большого числа вероятных очагов пожара и быстрого распространения пламени на локомотивах наибольшее распространение получило объемное тушение пожара. Этот способ тушения характеризуется тем, что огнетушащий состав вводят в весь объем контролируемого помещения.
В качестве средств пожаротушения на тепловозах устанавливается специальное пожарное оборудование, которое может включать: установку воздухопенного пожаротушения; установку газового пожаротушения; углекислотные огнетушители типа ОВП-10; специальные огнетушительные гранаты. Кроме того, тепловозы комплектуют ведром для воды и совком для песка.
После поступления сигнала о возникновении очага пожара приемная станция автоматически останавливает дизель, включает автостоп, выключает вентилятор машинного отделения.
На локомотивах широкое распространение получила система пенного тушения. Она является наиболее предпочтительной из рассмотренных, так как пена, подаваемая к поверхностям горения и прекращающая доступ кислорода в зону горения, не оказывает разрушительного действия на оборудование локомотива. Рабочей жид
451
костью системы является водный 6 %-й раствор пенообразователя, который обеспечивает 25—80-кратный выход пены. Система пенного тушения пригодна для борьбы с огнем не только в самом локомотиве, но и на объектах вне его. Ее применяют на магистральных тепловозах ТЭП70, 2ТЭ10В, 2ТЭ116 и на некоторых маневровых тепловозах.
Противопожарная пенная установка тепловоза ТЭП70 (рис. 5.55) состоит из резервуара 9 для огнегасящей жидкости емкостью 290 л (270 л занимает вода и 11,6 л пенообразователь ПО-6ТС ГОСТ 6948-70) и двух генераторов 7 пены (смесителей). Резервуар расположен под шахтой холодильника, а генераторы вместе со шлангами, уложенные в специальном ящике, установлены в переднем и заднем тамбурах. Установка включается в действие одним из разобщительных кранов 2. Открыв один из двух кранов, тушат огонь с одного или двух постов. При открытии разобщительного крана воздух из главных воздушных резервуаров тормозной системы по питательной магистрали 10 поступает в резервуар 9 и генераторы 7 пены.
Рис. 5.55. Схема системы пенного пожаротушения:
7 — генератор (смеситель); 2 — разобщительный кран; 3 — шланг; 4 — трубопровод; 5 — бонка для прохода воздуха; 6 — кран для продувки; 7 — горловина; 8 — спускной кран; 9 — резервуар; 10 — питательная магистраль
452
Под давлением воздуха 0,85 МПа раствор поступает по трубопроводам 4 в генератор, в котором образуется пена, и ее струя направляется на горящие предметы. Для удобства гашения огня генераторы 1 пены соединены с трубопроводом 4 гибкими резинотканевыми рукавами 3 длиной 8 м. Установка действует при использовании одного смесителя в течение 8—10 мин, двух — в 2 раза меньше по времени. Длина струи пены достигает 4—5 м.
Установка газового пожаротушения на тепловозе ТЭП70 предназначена для тушения пожара в районе высоковольтной камеры и выпрямительной установки (рис. 5.56). В комплект установки входят: огнетушитель 7 типа ОС-8МД1, заправленный огнегасящим составом «хладон» 114В2 или составом «3,5», распылительный трубопровод б с 31 отверстием диаметром 2 мм каждое, ручное (тросовое) пусковое устройство 1, 5, рычаг затвора 2, выключатель в блоке со специальным ключом.
Установка действует следующим образом: при натяжении вручную одного из тросов 1, 5 усилие передается на рычаг затвора 2, который вскрывается, и огнегасящий состав из огнетушителя поступает через отверстие трубопровода 6 в высоковольтную камеру и выпрямительную установку. Одновременно усилие троса передается на специальный ключ, который втягивается и освобождает шток выключателя, при этом его контакт, вклю-
Рис. 5.56. Схема установки газового пожаротушения тепловоза ТЭП70: 1,5 — ручное (тросовое) пусковое устройство; 2 — рычаг затвора; 3 — выпрямительная установка; 4 — высоковольтная камера; 6 — распылительный трубопровод; 7—огнетушитель; 8 — выключатель в блоке со специальным ключом
453
ченный в электрическую цепь управления дизеля, размыкается, и дизель останавливается.
В дизельном помещении и высоковольтной камере тепловоза 2ТЭ116 размещены установки порошкового газового пожаротушения. Принцип действия этих установок такой же, как и установки пожаротушения высоковольтной камеры тепловоза ТЭП70. Однако вместо огнетушителей применены резервуары соответствующей емкости, из которых порошковый реагент вытесняется сжатым воздухом из питательной магистрали. Масса заряда порошка в резервуарах установки пожаротушения дизельного помещения равна 30 кг, а высоковольтной камеры — 10,5 кг. Приводиться в действие установки могут как автоматически, так и вручную.
В установке пожаротушения дизельного помещения на трубе, по которой подается порошок к контуру его распиливания, вставлен кран для переключения подачи порошка по резинотканевому рукаву длиной 20 м к пожарному стволу. Длина струи порошка, формируемая стволом, может достигать 8 м. Порошок, попадая в зону горения, разлагается, образуя газообразные негорючие продукты разложения. Зона горения интенсивно охлаждается в результате затрат тепла на нагрев распыленных частиц порошка, их испарение и разложение в пламени.
Кроме пожарных установок на локомотивах применяются огнетушители (табл. 5.15). На тепловозе ТЭРА1 в качестве средства пожаротушения используются специальные огнетушительные гранаты типа МАГ по ТУ84-7509009 (8 штук).
Таблица 5.15
Противопожарное оборудование для секции тепловоза
га чо о г*» < о §
Наименование S с S с £
н СП о
сч сч н н н
Установка для тушения пожара (воздухопенная) Огнетушитель: 1 1 1 — 1 —
пенный 1 1 1 1 1 1
углекислый 2 3 2 2 2 2
Автоматическая система пожарной сигнализации 1 1 1 — 1 —
454
5.4. Обеспечение санитарных норм и эргономических требований в кабине машиниста
К кабинам машиниста предъявляются жесткие требования для обеспечения санитарных норм (СН) и эргономических требований (ЭТ). Всероссийским научно-исследовательским институтом железнодорожной гигиены (ВНИИЖГ) разработаны СН и ЭТ к проектированию кабин тягового подвижного состава (ТПС). Локомотивную бригаду нужно надежно защитить от воздействия внешней среды, шума и вибрации, создаваемых оборудованием и экипажной частью локомотива. В кабине необходимо создать микроклимат для комфортной продолжительной работы бригады.
Рабочее место машиниста должно обеспечивать удобное управление тяговым подвижным составом в свободной позе сидя или стоя, а в маневровых тепловозах — возможность управления локомотивом в обоих направлениях через соответствующее боковое окно.
Внутренние габариты кабины, просветы окон, основные размеры пульта и кресла устанавливаются из расчета создания оптимальных условий управления сидя и стоя для лиц ростом от 165 до 190 см (рис. 5.57) при фиксированной подножке под пультом управления и разной высоте сидений.
Интерьер кабины должен представлять эстетически единое целое, оказывающее на машиниста успокаивающее воздействие и иметь минимальное число выступающих граней и углов для исключения травм.
Объем незаполненного оборудованием пространства устанавливается не менее 10 м3. Этот объем можно уменьшить при оборудовании кабины принудительной вентиляцией с подачей подогретого наружного воздуха не менее 30 м3/ч на одного человека, а также системой кондиционирования.
Кабина при проектировании локомотива рассчитывается на прочность с учетом возможных соударений при аварии в эксплуатации и, как конструктивный элемент кузова, должна обладать такой жесткостью, чтобы при аварии деформации происходили вне ее внутреннего пространства. Закрепленное внутри кабины оборудование должно выдерживать без смешения удары с ускорением не менее 4 g.
455
Рис. 5.57. Организация рабочего места машиниста: а = 150—250 мм; b = 110—150 мм; а = 15—25°; ₽ = 10°; у = 60—70°
Оборудование кабины машиниста. В кабине машиниста располагаются оборудование и приборы, необходимые для управления тепловозом.
Кабина машиниста тепловоза ТЭ116 (рис. 5.58) имеет жесткий сварной каркас, обшитый снаружи стальными, а внутри — алюминиевыми перфорированными листами. В каркасе сделаны проемы для окон и двери. Крыша кабины, боковые стенки, задняя стенка (включая дверь) и полы оборудованы шумоизоляцией. Шумоизоляционными элементами являются пакеты 30 стеклоплит различных размеров и маты из волокон капроновых отходов. Маты и пакеты уложены в каркасе кабины. На внутреннюю поверхность наружной обшивки кабины нанесен слой противошумной мастики. На перфорированные листы внутренней обшивки (со стороны каркаса) наклеена стеклоткань. Кабина отделена от машинного отде-
456
Рис. 5.58. Кабина машиниста тепловоза 2ТЭ116:
1 — пол; 2 — микрофон; 3 — скоростемер; 4 — графикодержатель; 5 — локомотивный светофор; 6 — вентиляционный лючок; 7 — кондиционер; 8 — панель сигнальных ламп; 9 — боковое окно; 10 — подлокотник; 11 — клапан тифона и свистка; 12 — кнопка маневровой работы; 13 — привод ручного тормоза; 14 — откидное сиденье; 75 — дверь; 16 — термосы; 17 — панель приборов; 18 — пульт радиостанции; 19 — прижим для путевых документов; 20— штурвал контроллера; 21 — бункер песочниц; 22 — пульт управления; 23 — буферный фонарь; 24 — лампа освещения скоростемера; 25 — кран машиниста; 26 — кран вспомогательного тормоза; 27 — сиденье машиниста; 28 — штурвал привода ручного тормоза; 29 — огнетушитель; 30 — шумоизоляционный пакет
ления высоковольтной камерой. Благодаря этим мероприятиям уровень шума в кабине удовлетворяет современным санитарно-гигиеническим требованиям.
Кабина машиниста тепловоза установлена на раму без амортизаторов и приварена сплошным швом к обносному швеллеру рамы тепловоза. Пол 1 кабины выполнен с шумоизоляцией со съемными щитами в свободной части кабины. Под полом установлены: блок радиостанции, оборудование и труба тормозной системы и пневмосистема приборов управления и обслуживания.
В лобовой части кабины установлены бункеры 21 песочниц, которые заправляются песком через горловины, закрытые крышками. Под лобовыми окнами, посередине тепловоза, сделана
457
ниша, закрытая стеклом, в которой расположен прожектор для освещения пути. Расположение окон и их конструкция обеспечивают хороший обзор пути. Для уменьшения воздействия прямых солнечных лучей и бликов лобовые окна выполнены с отрицательным углом установки и оборудуются шторами, регулируемыми по высоте. Раздвижные боковые окна оборудованы поворотными предохранительными щитками. Для остекления всех окон и предохранительных щитков применены безосколоч-ные стекла. Для вентиляции кабины предусмотрен лючок 6 вверху лобовой части, а также два лючка в задней части крыши. Кроме того, в средней части кабины под пультом управления установлены отопительно-вентиляционный агрегат и установка для обмыва водой лобовых стекол. От отопительно-вентиляционного агрегата теплый воздух поступает на обдув лобовых окон. При просасывании вентилятором через калорифер, в котором циркулирует горячая вода дизеля, воздух нагревается. Для кондиционирования воздуха в кабине машиниста на крыше установлены кондиционеры 7.
В кабине расположены два кресла 27 для машиниста и помощника, сиденья которых регулируются по высоте. Для удобства управления тепловозом при подходе его к составу предусмотрена кнопка маневровой работы 12. На задней стенке кабины установлен штурвал 28 привода ручного тормоза 13. Между пультом управления 22 и правой стенкой кабины расположены кран машиниста 25 и кран вспомогательного тормоза 26. Скоростемер 3 находится в правом углу кабины над пультом. Локомотивный светодиод 5, дублирующий сигналы путевых светофоров, устанавливается в простенке между лобовыми окнами.
Пульт управления машиниста. В кабине машиниста (в основном на пультах, созданных в последней четверти прошлого века) расположено большое количество органов индикации и управления, что накладывает значительную нагрузку на машиниста. Так, например, в кабине тепловоза ТЭП70 есть 85 органов управления и индикации (контроллер, кран машиниста, кран вспомогательного тормоза, педаль песочницы, скоростемер, различные тумблеры и кнопки, измерительные приборы, сигнальные лампы и индикаторы и т.п.). На рис. 5.59 показан пульт управления в кабине маши-
458
Рис. 5.59. Пульт управления в кабине машиниста тепловоза ТЭП70: 1 — панель тумблеров освещения кнопок «Свисток» и «Тифон»; 2 — вольтметры генератора и цепей управления, амперметр заряда батарей; 3 — обогреватель смотровых окон; 4 — сигнальные световые табло; 5 — тумблер аварийной остановки дизеля; 6 — бытовая розетка; 7 — бытовой холодильник; 8 — отсек реек с зажимами; 9 — панель тумблеров радиостанции со световыми табло; 10 — светофор локомотивной сигнализации; 11 — рукоятка переключателя тормоза; 12 — рукоятка контроллера электрического тормоза; 13 — кнопка аварийной остановки тепловоза; 14 — световые сигнальные табло; 75 — панель выключателей, тумблеров и кнопок для пуска и управления работой дизеля и его систем; 16 — электротермометры и электроманометры; 17 — панель амперметров генератора и электрического тормоза, указателя скорости и воздушных манометров; 18 — реверсивная рукоятка; 19 — штурвал контроллера; 20 — сигнальные лампы тормоза; 21 — освещение скоростемера и кнопок «Маневр» и «Свисток»; 22 — скоростемер; 23 — кран вспомогательного тормоза; 24 — тормозной кран машиниста; 25 — блокировочное устройство пневматического тормоза; 26 — педаль песочницы;
27— пульт радиостанции
459
ниста тепловоза ТЭП70, на котором обозначены основные органы управления. С внедрением на локомотивах бортовой диагностики количество приборов в кабине увеличивается.
Отраслевым центром внедрения новой техники и технологии ОАО «РЖД» создана унифицированная кабина машиниста как базовый модуль для нового тягового подвижного состава и прошедшего капитальный ремонт. В конструкции кабины и пульта управления объединены общей информационной шиной все современные приборы и системы, обеспечивающие безопасность движения поезда, экономию энергоресурсов, диагностику технического состояния тяговой единицы, регистрацию показателей движения и технического состояния. Такое решение уменьшает количество органов индикации и управления, снижает психологическую нагрузку на машиниста и, таким образом, повышает комфортные условия для локомотивной бригады и безопасность движения.
Пульт (рис. 5.60) отвечает требованиям эргономики, т.е. обеспечивает необходимые углы обзора сигналов и пути, контактного провода и полосы отвода, удобство управления в положении сидя и стоя, естественные посадку и расположение рук и ног машиниста, свободное, при необходимости, покидание рабочего места. В пульте исключены сильноточные коммутирующие устройства, что повышает помехозащищенность электронной аппаратуры, надежность системы управления. Тягой и торможением управляют встроенной в пульт унифицированной системой автоматизированного ведения поезда и электронных приборов безопасности движения. В рабочем режиме машинисту предоставляется минимальная информация с возможностью вывода на пульт дополнительных данных по запросу или автоматически при возникновении нештатных ситуаций.
Все необходимые органы управления (ОУ) и средства отображения информации (СОИ) вписаны непосредственно в пульт управления. Их расположение и характеристика отвечают следующим требованиям:
- соблюдаются принципы функционального назначения;
- СОИ дают достоверное и комфортное считывание информации в темное и светлое время суток при различных направлениях и уровнях засветки кабины;
460
к
Н Зона диагностики и вспомогательной информации
Экстренное торможение
вк
F Зона автоведения
Е Зона сигнализации и пневмосистем
G Зона вспомогательных переключений
D
Зона автоведения и систем безопасности
Кран машиниста
РБ
Реверс
(МОЗОВ
'i Панель i!‘ директивных документов
Микрофон Контроллер-машиниста “ /
Тифон
Радиостанция
^-Токоприемник опущен
—Токоприемник поднят
1--Возврат защиты
Двери левые
._! открыты । " । X Двери правые!— [ | открыты Тифон
прицепных Аварийныг Э1_1Г — | А2 ПА|'
ь;
ППТ ВУ I
4^ Ох
Рис. 5.60. Схема расположения приборных панелей на унифицированном пульте машиниста
- современные СОИ (графические дисплеи, цифровые и линейчатые индикаторы и т.п.) скомбинированы с традиционно применяемыми в ТПС для обеспечения лучшей различаемости информации и быстрой приспособляемости машиниста к новой кабине;
- органы управления легкодоступны и распознаваемы.
Органы управления поезда сосредоточены в левой части пульта. Зона управления тягой «С» (см. рис. 5.60) включает в себя контроллер машиниста ползункового типа в блоке с реверсивной рукояткой тоже ползункового типа. Рукоятка реверса съемная для предотвращения случайного движения локомотива.
Зона отображения параметров движения поезда «F» включает в себя графический дисплей, отображающий маршрутную информацию от систем автоведения и безопасности (тяги, торможения, состояние и режимы цепей информационного обеспечения и др.). Клавиатурой управления системы оперативно вводятся команды и параметры по маршруту, координатам и режимам ведения поезда, а также условно-постоянные характеристики локомотива и поезда.
Зона вспомогательных переключателей «G» включает в себя: органы управления отоплением и вентиляцией, освещением кабины и пульта управления, внешними световыми приборами, обогревом стекол, стеклоочистителями и стеклоомывателями, климатической установкой кабины, включением радиосвязи и др.
Органы управления торможением и индикации параметров тормозной системы сосредоточены в правой части пульта. В ней расположены: рукоятки управления краном машиниста и краном вспомогательного тормоза, органы управления электрическим и элек-тропневматическим тормозами, рукоятка бдительности.
В зоне контроля тормозного оборудования «Е» смонтированы манометры для измерения давлений в элементах тормозной системы, вольтметр и амперметр электропневматического тормоза.
В средней части пульта, в зоне наилучшего обзора и оптимального доступа, расположены панели «D», «В», «В1». В зоне «D» сосредоточены приборы и индикаторы систем безопасности движения:
- совмещенный локомотивный индикатор скорости, отображающий практическую, предельно допустимую и расчетную скорости;
- локомотивный светофор;
462
- индикатор «Уровень бодрствования» и контрольные светодиоды системы.
На панели «D» может быть расположен блок сигнальных светодиодов, показывающих состояние цепей и аппаратов локомотива и аппаратов защиты.
Зона «В», расположенная непосредственно перед машинистом, предназначена для размещения листа предупреждений и других маршрутных документов. В ней расположены органы управления, приоритетные по частоте использования и доступности, такие как переключатели яркости прожектора и режимов стеклоочистки, кнопки (педали) управления звуковыми сигналами и песочницей.
Зона «В1» предназначена для органов управления высоковольтным оборудованием локомотивов (токоприемниками, мотор-вен-тиляторами, компрессорами, преобразователями).
Средства контроля параметров технического состояния ТПС сосредоточены в правой верхней части пульта управления (панели «Е», «Н», частично «D»). В зоне «Н» расположен дисплей диагностики и клавиатура управления к нему. На дисплее в основном режиме отображаются состояние всех входящих в систему управления электронных систем и устройств и уровень заполнения кассеты регистрации параметров движения. В штатном режиме работы локомотива количество информации, выводимой на дисплей, минимально. При получении от системы диагностики сигнала о неисправном состоянии цепей и аппаратов локомотива эта информация автоматически выводится на дисплей.
Зона «Ь» — включение управления (на задней стенке кабины). В ней находятся выключатель управления, автоматы защиты цепей управления, аппарат отключения аварийных двигателей. В зоне связи и оповещения (средняя тумба пульта) смонтирован пульт управления радиостанцией и микротелефонная трубка радиостанции, микрофон радиооповещения и служебной связи.
В зоне «К» помощника машиниста расположены дублирующий локомотивный светофор и органы управления звуковыми сигналами, шкаф с аптечкой, приборы для обеспечения локомотивной бригады горячим питанием и мини-холодильник.
Новая унифицированная кабина оборудуется современной системой кондиционирования. Отделка кабины и пульта выполнена
463
современными пожаробезопасными и экологически чистыми материалами. Ее конструкция обеспечивает необходимый комфорт и безопасность локомотивной бригаде.
5.5. Приводы вспомогательного оборудования локомотивов
Расход мощности на привод вспомогательных агрегатов и механизмов локомотива (вентиляторы, компрессор, вспомогательный генератор, насосы и т. д.) составляет 9—12 % и более общей мощности локомотива (табл. 5.16).
Снижение затрат мощности на вспомогательные нужды является одним из резервов повышения экономичности локомотива и увеличения мощности для тяги. Это можно получить, если повысить экономичность вспомогательных агрегатов или снизить потери в системе приводов, чтобы обеспечивать наиболее экономичный режим работы вспомогательных систем в зависимости от условий работы тяговых агрегатов локомотива.
Мощность, затрачиваемая на привод вспомогательного оборудования локомотива, существенно зависит от его назначения, типа передачи (электрическая, механическая или гидропередача), наличия на нем некоторых вспомогательных агрегатов (например, генератора для электрического отопления поезда).
Системы охлаждения энергетической установки и тяговых электрических машин локомотива рассчитывают на критический режим, при котором энергетическая установка и передача работают с полной отдачей мощности, а температура наружного воздуха 50 °C. Однако такие режимы в процессе эксплуатации локомотива встречаются крайне редко, поэтому для повышения экономичности работы охлаждающих устройств на промежуточных режимах их оборудуют системами автоматического регулирования температуры (САРТ). Эти системы обеспечивают управление частотой вращения рабочего колеса вентилятора, изменяя величину мощности, потребляемой им, и (в системах охлаждения энергетической установки) открытием-закрытием жалюзи холодильной камеры.
Характерной особенностью работы вентиляторов является их малая экономичность при периодическом включении. Это вызвано резким увеличением потребляемой мощности при росте часто-
464
Таблица 5 16
Мощность, потребляемая вспомогательным оборудованием тепловозов
Мощность, кВт 2ТЭ10В 2ТЭ116 2ТЭ121 ТЭП70 ТЭП70А ТЭМ7 ТЭМ2У; ТЭМ18 ТГМ6Д ТГ21
Для привода вентиляторов холодильника 121,4 74,12 74,4 100 70 56,6 38,3 50 55,8
Для привода вентиляторов охлаждения электрических машин 40,4 94,7 131,3 96,2 96,2 71,3 10,5 — —
Для привода компрессора* 44,2 14,7 35,5 8,9 44,7 29,8 43,5 9,56 43,5 9,56 34,56 8,64 42,6 14,2 36,6 9,15 44 11
Для прочего оборудования (стартер-генератор, возбудитель, привод насосов гидропередачи и т.п.) 32,7 4,78 14,78 23,5 23,5 30,5 11,7 17,5 33,2
Суммарная вспомогательная потребляемая мощность * 261,1 231,6 227,6 185 257,2 242,3 263,2 229,3 233,2 199,3 193 167 103,1 74,7 104,1 76,65 133 100
Доля затрат на вспомогательное оборудование**, % 11,8 10,5 10,1 8,22 8,75 8,24 8,95 7,8 7,93 6,78 13,1 11,4 11,7 8,0 11,8 5,0 8,6 6,5
* В числителе — мощность при работе компрессора на полной мощности, в знаменателе — усредненная мощность
при продолжительности включения компрессора 25 %.
** В числителе — доля затрат при работе на полной мощности, в знаменателе — усредненная доля затрат.
4^ оч CZ1
ты вращения рабочего колеса, так как мощность, потребляемая вентилятором, зависит от частоты вращения его рабочего колеса в третьей степени, в то время как производительность пропорциональна угловой скорости вращения рабочего колеса вентилятора. Поэтому расход энергии вентилятором в единицу времени при регулировании периодическим включением всегда выше расхода мощности за тот же промежуток времени, но при непрерывной работе вентилятора с уменьшенной угловой скоростью. При снижении температуры окружающего воздуха потребные затраты мощности на привод вентилятора резко уменьшаются (пропорционально кубу снижения температуры).
Компрессор локомотива предназначен обеспечивать наибольшую подачу воздуха после торможения или на стоянке локомотива, когда энергетическая установка его работает при наименьшей частоте вращения рабочего колеса. В то же время при работе энергетической установки с наибольшей мощностью не требуется наибольшей подачи от компрессора. Поэтому с целью обеспечения экономичной работы компрессора необходимо регулировать его подачу на всех режимах работы энергетической установки.
Выход из строя вспомогательного оборудования приводит к отказам локомотива. Поэтому при конструировании предъявляют повышенные требования как к вспомогательному оборудованию, так и к его приводу, особенно к их надежности.
Особенности эксплуатации основных потребителей мощности в локомотивах предъявляют к приводам требования: надежность в эксплуатации; возможность регулирования режима работы приводимого вспомогательного агрегата, желательно плавного; высокий коэффициент полезного действия; малые эксплуатационные затраты, в том числе для осмотров; минимальная масса; возможность компактной компоновки; низкая стоимость; неизменность характеристик в течение всего периода эксплуатации; наименьшая передача динамических нагрузок от энергетической установки к вспомогательному оборудованию и от вспомогательного оборудования к энергетической установке.
По способу регулирования частоты вращения валов вспомогательных установок и механизмов различают приводы с постоянной частотой вращения вала, с ограниченным (ступенчатым)
466
регулированием, с плавным регулированием. По конструкции приводы вспомогательного оборудования разделяют на механические, гидромеханические, гидрообъемные (гидростатические) и электрические.
В механических приводах частоту вращения вала регулируют ступенчатым изменением передаточного отношения редуктора или клиноременной передачи, включением-выключением фрикционной или электромагнитной порошковой муфты.
Механический привод с гидродинамической муфтой называется гидромеханическим. Применяют муфты постоянного или переменного наполнения. Последние осуществляют ступенчатое или плавное изменение частоты вращения вала приводимого агрегата.
В гидрообъемном приводе гидронасос с приводом от энергетической установки локомотива обеспечивает работу гидродвигателей, которые воздействуют на вспомогательные механизмы. Изменением расхода жидкости через гидродвигатель можно плавно регулировать угловую скорость его вращения.
При наличии электрического привода постоянного или переменного тока работа вспомогательных механизмов обеспечивается соответствующими электродвигателями. Электроэнергию в этом случае получают от следующих источников: вспомогательного генератора локомотива, непосредственно от главного генератора, вспомогательных обмоток, установленных в главном генераторе, автономных инверторов, аккумуляторных батарей (если энергетическая установка локомотива не работает). Угловая скорость вращения вентилятора может изменяться плавно или ступенчато в зависимости от выбранной системы регулирования.
Механический и гидромеханический приводы широко используют на отечественных тепловозах. Применяют как индивидуальный, так и групповой привод. Передача крутящего момента в последнем случае осуществляется системой валов и одного или нескольких распределительных редукторов.
На тепловозе 2ТЭ10В отбор мощности от дизеля для привода механических машин и механизмов производится как со стороны генератора, так и со стороны холодильной камеры (рис. 5.61). На тепловозе установлены три распределительных редуктора 6,8,12.
467
12 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Рис. 5.61. Схема приводов вспомогательных машин и механизмов тепловоза 2ТЭ10В:
1 — двухмашинный агрегат; 2, 10, 16 — карданные валы; 3 — промежуточная опора; 4 — тормозной компрессор; 5, 13 — вентиляторы охлаждения тяговых электродвигателей; 6 — передний распределительный редуктор с гидромуфтой; 7 — вентилятор охлаждения тягового генератора; 8 — редуктор вентилятора охлаждения тягового генератора; 9 — тяговый генератор; И — дизель; 12 — задний распределительный редуктор; 14 — однокорпусный агрегат; 75 — редуктор привода однокорпусного агрегата; 17 — вентилятор холодильника; 18 — гидроредуктор вентилятора холодильника
Через редуктор 6, расположенный со стороны главного генератора, приводится в действие тормозной компрессор 4, вентилятор 5 охлаждения тяговых двигателей передней тележки и двухмашинный агрегат 1. От редуктора 12 приводится вентилятор 13 охлаждения тяговых электродвигателей задней тележки и вентилятор 16 холодильной камеры. От редуктора 8 приводится вентилятор 7 охлаждения главного генератора. Редуктор 15 привода подвозбудителя является одновременно и промежуточной опорой при передаче крутящего момента от заднего распределительного редуктора к редуктору 7 7 гидродинамического привода вентилятора холодильной камеры. На тепловозах с электропередачей компрессор всегда приводится со стороны главного генератора, так как последний в силу своей инерционности защищает валопровод дизеля от возбуждения крутильных колебаний.
Механический привод сравнительно прост и надежен в эксплуатации, он имеет высокий КПД. Механическим приводом при наличии двухступенчатых редукторов в зависимости от температуры окружающей среды можно изменять режимы работы вентилятора (летний и зимний режимы), резко уменьшая потребляемую мощность при зимнем режиме. Такую конструкцию привода вентиля
468
тора холодильной камеры имели тепловозы ТЭЗ, ТЭМ2. Передачи переключались вручную перестановкой рычага подвижной шестерни редуктора привода.
Недостатком механического привода является сравнительно большая масса, а главное, усложнение компоновки локомотива, особенно при наличии нескольких вентиляторов холодильной камеры. К тому же большое количество вращающихся элементов создает дополнительные вибрации и шум. Серьезную опасность для привода этого типа представляют крутильные колебания, причиной которых являются значительная протяженность валопроводов и большие инерционные массы приводимых вспомогательных механизмов и машин, а также изменение частоты вращения вала энергетической установки локомотива и наличие переходных режимов при включении регулирующих муфт.
Для снижения крутильных колебаний в конструкцию привода вводят упругие элементы. Широко используют клиноременные передачи как для привода отдельных агрегатов, так и для привода их групп. У этих передач хорошие демпфирующие свойства. Так, на тепловозах ТЭМ2 и ТЭП10 применяли групповую клиноременную передачу к двухмашинному агрегату и вентиляторам охлаждения электродвигателей. На тепловозе ТГМ4 клиноременная передача приводит в движение двухмашинный агрегат и компрессор, на тепловозе ТГМ40 — вентилятор холодильной камеры и два тормозных компрессора, на тепловозах типа ТГМ23 — компрессор.
Клиноременные передачи недостаточно надежны в эксплуатации, необходима их периодическая регулировка. Их можно применять лишь для вспомогательных агрегатов небольшой мощности. Более перспективны как элементы гидромехнического привода гидродинамические муфты. На тепловозе 2ТЭ10В гидродинамическими муфтами приводятся вентиляторы тяговых двигателей и холодильной камеры. На тепловозах Людиновского завода более поздних выпусков (ТГМ6А, ТГМ12, ТГМ14) для привода вентилятора и компрессора применяются гидродинамические муфты.
Гидромеханический привод дает возможность плавно регулировать угловую скорость валов агрегатов и их отключать. Для обеспечения этих функций в обычный механический привод вводят дополнительный элемент: гидромуфту переменного наполнения. Не
469
смотря на значительное снижения КПД при изменении частоты вращения вала, у приводов такого типа есть существенные преимущества: при приводе компрессора осуществляется его периодическое отключение от энергетической установки; уменьшается передача крутильных колебаний на энергетическую установку; сохраняется постоянная угловая скорость вала на рабочем режиме независимо от угловой скорости вала энергетической установки. Последнее обстоятельство дает возможность применять быстроходные компрессоры меньшей подачи.
Из оценки эксплуатации различных конструкций приводов следует, что в диапазоне наиболее возможной работы компрессоров локомотивов затраты энергии для гидродинамического привода компрессора существенно меньше, чем для механического. При этом у высокооборотного компрессора ПК-3,5 значительно меньшая масса, чем у компрессоров КТ6, КТ7.
Гидравлические муфты переменного наполнения применяют и для изменения частоты вращения рабочего колеса вентилятора. Такая муфта, заполненная маслом, передает наибольший крутящий момент с наименьшим скольжением. При уменьшении количества масла в муфте передаваемый крутящий момент уменьшается, скольжение увеличивается, частота вращения турбинного колеса муфты, а следовательно, и рабочего колеса вентилятора уменьшается. Гидромуфты переменного наполнения установлены в гидроредукторах приводов вентилятора холодильной камеры и компрессора многих тепловозов Людиновского завода. Ниже рассмотрена конструкция гидроредуктора привода вентилятора и принцип изменения частоты вентиляторного колеса гидромуфтой.
Привод вентилятора тепловоза ТГМ6А. Ведущий вал гидроредуктора (рис. 5.62) воспринимает вращающий момент от вала дополнительного отбора мощности дизеля и передает его через цилиндрические зубчатые колеса, гидромуфту и конические зубчатые колеса вентилятору. Все детали гидроредуктора рассчитаны на длительную работу, изнашиваются только зубчатые колеса и подшипники. Соединения зубчатых колес, турбинного колеса и фланцев с валами выполнены коническими с гарантированным натягом.
Для обеспечения долговечности зубчатые колеса изготовлены из высококачественной стали марки 12ХНЗА. Зубья колес цемен-
470
2
10
Ручное механическое включение золотника
Масло от дизеля на питание
Слив масла
Масло на смазку
Рис. 5.62. Гидроредуктор привода вентилятора:
/ — входной вал; 2 — золотник наполнения; 3 — корпус в сборе; 4 — насосное колесо; 5 — колокол; 6 — турбинное колесо; 7 — фланец; 8 — выходной вал; 9— турбинный вал; 10 — болт
тированы на глубину 0,8—1,2 мм, твердость цементируемого слоя HRC 56, сердцевины зубьев — HRC 25. Валы и фланец 9 изготовлены из стали 38ХС, детали для подшипниковых узлов из стали 40. Рабочие колеса 5 и 8 гидромуфты и колокол 7 выполнены из алюминиевого сплава АЛ7 для снижения массы вращающихся деталей, что существенно уменьшает динамические нагрузки в редукторе и повышает его долговечность.
Чугунный корпус 4 редуктора составной. В передней части его с двумя параллельными расточками размещена повышающая цилиндрическая зубчатая пара, а в средней — гидромуфта, в задней, с двумя взаимно перпендикулярными расточками, находится конический редуктор.
Ведущий вал 1 редуктора установлен в нижней расточке передней части корпуса и опирается на два шариковых подшипника. На вал напрессованы фланец и шестерня. В торцах этого вала (так же, как и в торцах валов 10 и 77) выполнены резьбовые отверстия и каналы, предназначенные для подвода масла при спрессовке фланца и шестерни.
Полый насосный вал 72 опирается на два шариковых подшипника. Второй подшипник удерживает вал от осевого смещения. Между подшипниками напрессована шестерня. К правому утолщенному концу вала призонными болтами прикреплено насосное колесо 5. Сквозное осевое отверстие диаметром 18 мм внутри вала предназначено для подвода масла к насосному колесу. Турбинный вал 77 установлен на двух подшипниках: шариковом и роликовом. На вал насажены коническая шестерня и турбинное колесо 8.
Насосное 5 и турбинное 8 колеса с соответственно 40 и 42 радиальными лопатками вместе с колоколом 7 образуют гидромуфту. Активный диаметр гидромуфты 390 мм. Колеса устанавливают с осевым зазором, равным 2*q5 мм. Гидромуфта передает вращающий момент без изменения его по величине и знаку. В рабочем состоянии она заполнена маслом из системы дизеля. Часть его непрерывно сливается из гидромуфты через два отверстия диаметром 3,2 мм в колоколе 7.
Подшипниковый узел вертикального вала 10 состоит из двух роликовых и одного шарикового подшипника. На нижний конец
472
вала напрессована коническая шестерня. Масло для питания гидромуфты подводится через золотник наполнения 2. Золотник приводится в действие воздушным цилиндром 3 с двумя последовательно расположенными поршнями. Сжатый воздух от электропнев-матических вентилей 50 и 100 %-го наполнения гидромуфты подается соответственно к верхнему и нижнему поршням цилиндра. Под действием воздуха поршни перемещаются и, преодолевая сопротивление пружины, сдвигают золотник вниз. Ход верхнего поршня ограничен для частичного открытия золотником подводящего отверстия. При этом количества масла, поступающего в гидромуфту, недостаточно для 100 %-го заполнения ее рабочего объема, так как часть масла постоянно выбрасывается наружу через отверстия в колоколе гидромуфты под действием центробежной силы. В этом случае частота вращения вала вентилятора составляет примерно одну треть от номинальной частоты. У нижнего поршня ограничения хода нет. Он перемещает золотник до полного открытия подводящего отверстия. Полностью заполненная гидромуфта обеспечивает номинальную частоту вращения вала вентилятора.
Для изменения частоты вращения в широких пределах в некоторых зарубежных локомотивах в механическом приводе вентилятора использованы электромагнитные муфты скольжения, которые изменяют частоту вращения рабочего колеса вентилятора от нуля до максимума. Для повышения компактности привода в некоторых локомотивах электромагнитная муфта размещена во втулке вентилятора.
Гидрообъемный (гидростатический) привод обеспечивает свободу компоновки вспомогательных агрегатов, так как элементы гидропривода связаны лишь трубопроводами, и их можно устанавливать в удобных для обслуживания местах. У этого привода меньшая масса, чем у приводов других типов. Привод позволяет плавно регулировать частоту вращения элементов вспомогательных механизмов и машин, обладает большой перегрузочной способностью по мощности и крутящему моменту.
В отечественном локомотивостроении гидрообъемный привод с использованием аксиально-поршневых машин применяют для привода вентиляторов холодильной камеры тепловозов ТЭП60, ТЭП70, ТЭП80, ТГ16, ТГ21, ТГ22 и дизельного поезда ДР1А.
473
Гидронасос 1 системы охлаждения воды приводится через редуктор от вала дизеля (рис. 5.63). Масло от насоса 1 поступает к терморегулятору 3. В зависимости от температуры терморегулятор может направить часть масла мимо гидромотора 7. Причем за терморегулятором масло разделяется на два потока, один из которых проходит через фильтр 5, а второй через холодильник 4. Из фильтра и холодильника масло сливается в бак 6 и из него вновь поступает к гидронасосу. Масло сливается через клапан 2.
Особенность гидрообъемного привода: гидроагрегаты полностью унифицированы (гидродвигатели и насосы взаимозаменяемы).
Гидрообъемный привод компрессора примерно эквивалентен механическому приводу с регулируемой гидродинамической муфтой. В эксплуатации гидрообъемный привод способствует экономному расходу мощности, потребляемой вспомогательными агрегатами, особенно при частичных нагрузках энергетической установки. Недостатки гидрообъемного привода: наличие трубопроводов высокого давления (давление масла в нагнетательном трубопроводе между насосом и гидравлическим двигателем достигает 8—10 МПа) и радиатора для охлаждения масла, циркулирующего в системе привода; необходимость применения высококачественного масла.
Рис. 5.63. Схема гидрообъемного привода вентилятора холодильника тепловоза ТЭП70:
1 — гидронасос; 2 — сливной клапан; 3 — терморегулятор; 4 — холодильник; 5 — фильтр; 6 — масляный бак; 7 — гидромотор; 8 — вентилятор
474
Электрический привод, так же как и гидрообъемный, ликвидирует сложную систему карданных валов, раздаточных редукторов, улучшает компоновку локомотива. Удобство компоновки, надежность работы, большой срок службы, простота обслуживания являются достоинствами этого привода. Однако более сложно, по сравнению с гидрообъемным приводом, плавно регулировать угловую скорость валопроводов вспомогательных агрегатов. Кроме того, специфические условия работы электрических машин в тепловозах (повышенные температурные режимы и вибрация) обусловливают применение специальных конструкций вместо общепромышленных двигателей.
В качестве привода компрессора применяют главным образом электродвигатели постоянного тока с повышенными крутящими моментами при пуске. В связи с этим такой тип привода более приемлем для локомотивов с главными генераторами переменного тока с питанием от стартер-генератора (при этом используется избыточная мощность последнего), например тепловозы ТЭМ7, 2ТЭ116, ТЭП70.
Применение электродвигателей постоянного тока для привода вентиляторов на тепловозах ТГМ4, ТГМ4А оказалось неудачным из-за большой массы электродвигателей. Конструкция электропривода переменного тока проще, дешевле и надежнее конструкции электропривода постоянного тока. Впервые такой привод был применен на тепловозах ТЭ109, 2ТЭ116. Для уменьшения размеров и массы привод вентиляторов холодильной камеры выполнен в виде мотор-вентилятора. Он представляет собой обращенный короткозамкнутый электродвигатель, встроенный в вентилятор (рис. 5.64). Неподвижная часть мотор-вентилятора состоит из втулки с насаженным на нее сердечником статора с обмоткой, вращающаяся часть — из массивного ротора с приваренными к нему лопастями вентилятора. Мощность мотор-вентилятора тепловоза 2ТЭ116 равна 24 кВт, номинальное напряжение 394 В, номинальная скорость вращения 32,7 с1, масса 257 кг. Регулирование режима работы мотор-вентилятора релейное, что снижает затраты мощности. Поэтому рациональным является регулирование производительности мотор-вентилятора изменением наклона его лопастей.
На тепловозе 2ТЭ116 электродвигатели, встроенные во втулки вентиляторных колес, получают питание от тягового синхронно-
475
Рис. 5.64. Мотор-вентилятор холодильной камеры тепловоза ТЭ109: 1 — кожух; 2 — неподвижная часть — статор с обмоткой; 3 — вращающаяся часть — ротор с приваренными лопастями вентилятора; 4 — решетка; 5 — коллектор
го генератора. Это дает выигрыш в массе привода около 1200— 1300 кг по сравнению с системой, получающей питание от вспомогательного синхронного генератора. Недостаток системы с питанием от тягового генератора в том, что из-за изменения напряжения генератора в широком диапазоне снижается экономичность привода вентиляторов во всем диапазоне регулирования. Кроме того, достаточно сложны конструктивные мероприятия для защиты асинхронных двигателей от опасного понижения питающего напряжения.
Упругие и компенсирующие элементы валопроводов. В приводах вспомогательных агрегатов, особенно механическом и гидромеханическом, основные агрегаты связаны механически различными упругими и компенсирующими элементами. Например, в весьма разветвленной системе привода вспомогательных агрегатов тепловозов 2ТЭ10В, 2ТЭ10М (см. рис. 5.61) применяются различные валы, в том числе валы с фланцами и упругими элементами.
476
Агрегаты, между которыми есть механическая связь, устанавливаются на раме тепловоза с определенным допуском, так что между выходными валами всегда имеется определенная несоос-ность и перекос осей. Для устранения этих отклонений выполняется центровка, которая требует высококвалифицированных специалистов, затрат времени, специальных приспособлений и приборов. Чем дальше находятся друг от друга агрегаты, между которыми устанавливается связь, тем сложнее выполнять операцию центровки.
Применение карданных валов не требует центровки, а в случае установки кардана между гидроредуктором 18 (см. рис. 5.61) и вентилятором 16, эти агрегаты специально располагают с определенным смещением так, что карданный вал 17 стоит не вертикально, а под некоторым углом. Такая установка карданного вала необходима для нормальной работы игольчатых подшипников цапф крестовин. Карданный вал 17 выполнен по классической схеме (см. рис. 4.21), с двумя шарнирами Гука. Недостатком такой конструкции вала является его большая крутильная жесткость. Для уменьшения в валопроводах динамических нагрузок, вызываемых крутильными колебаниями, резким нарастанием инерционных нагрузок при включении и выключении агрегатов желательно в системе валопроводов устанавливать упругие элементы.
В приводе вентилятора холодильной установки камеры тепловозов ТЭМ2У, ТЭМ18 у горизонтального карданного вала одна головка упругая с резиновыми втулками (рис. 5.65).
В качестве компенсирующих и упругих элементов в системах валопроводов используются муфты различной конструкции. На тепловозах 2ТЭ20В, 2ТЭ10М, 2ТЭ116, ТЭМ2У применяются пластинчатые муфты. Так, на тепловозе 2ТЭ10М для соединения вала дизеля с передним распределительным редуктором применена двойная пластинчатая муфта (рис. 5.66, а). Она состоит из траверсы 3 с тремя лапами по концам, к которым крепятся пластинчатые муфты 2, набранные из стальных дисков (по 22 шт.) толщиной 0,5 мм. Одна муфта присоединена болтами 7 со сферическими шайбами 6 к лапам фланцев редуктора, смещенным на 60° относительно лап траверсы, другая — к лапам фланца ге-
477
Рис. 5 65. Карданный горизонтальный вал привода вентилятора тепловоза ТЭМ2:
1 — головка; 2 — вал шлицевой; 3 — чехол; 4 — шлицевая вилка; 5 — крышка; 6 — игольчатый подшипник; 7 — пресс-масленка; 8 — крестовина; 9 — фланец
нератора. Фланцы 1, 4 редуктора и вала генератора посажены на конусные хвостовики валов посадкой с натягом. Сферические шайбы 6, подкладываемые под гайки 5, допускают изгиб дисков муфты при неточном центрировании валов. Пластинчатые муфты упругой деформацией стальных дисков обеспечивают относительный поворот соединяемых валов при их несоос-ности. Такая же муфта применяется для соединения вала редуктора с валом компрессора.
Вал привода подвозбудителя, который получает вращение от промежуточного редуктора, состоит из двух фланцев 8 (рис. 5.66, б) с трубчатыми хвостовиками, на которые навита стальная проволока диаметром 6 мм, образующая спиральную пружину 9. Пружина концами закреплена во фланцах 8. Фланцы 1 валов редуктора и подвозбудителя надеты на их конусные хвостовики тепловой сборкой. В пружинном приводе исключены быстроизнашивающиеся упругие резиновые элементы.
Недостатком пластинчатых муфт является большая их жесткость на кручение. Поэтому на некоторых тепловозах применяют распространенные в промышленности упругие втулочнопальцевые муфты. Такие муфты, например, установлены в приводе вспомогательных электрических машин и компрессора тепловоза ТЭМ7. Конструкция втулочно-пальцевой муфты при-
478
a
Рис. 5.66. Соединительные муфта и вал привода вспомогательных агрегатов тепловоза 2ТЭ10М:
а — пластинчатая муфта; б — приводной валопровод подвозбудителя, 1,4,8 — фланцы; 2 — муфта из пластин; 3 — траверса; 5 — обжимная гайка; б — сферическая шайба; 7 — болт; 9 — пружина
вода возбудителя приведена на рис. 5.67. Фланец 1 муфты посажен на входной вал раздаточного редуктора по конической посадке (конусность 1:50) с гарантированным натягом. Упругими элементами муфты являются восемь втулок, каждая из которых состоит из четырех резиновых колец 2. Восемь ведущих пальцев 4 соединяются с фланцем 5 конической поверхно-
479
Рис. 5.67. Упругая втулочно-пальцевая муфта привода вспомогательных электрических машин тепловоза ТЭМ7:
7,5 — фланцы; 2 — резиновое кольцо; 3,6 — гайки; 4 — палец;
7 — болт
стью (конусность 1:10). Комплект пальцев и упругих втулок, собранных с фланцем 5, свободно входит в отверстия фланца 1 при их различном взаимном положении. При ремонте в случае замены резиновых элементов комплекты пальцев с резиновыми втулками легко демонтируются.
ВНИИЖТом предложена оригинальная конструкция эластичной муфты (рис. 5.68), которая используется для замены пластинчатых муфт, а также в конструкции бесшлицевых валов для замены карданных валов. Эти муфты устанавливаются при проведении капитального ремонта тепловозов типа ТЭ10, ТЭМ2. Испытания
480
2
3
Рис. 5.68. Эластичная муфта привода заднего редуктора тепловозов типа ТЭ10 и М62:
1 — муфта; 2 — ведущая полумуфта; 3 — ведомая полумуфта; 4 — сменная (опорная) втулка; 5 — амортизатор; 6 — сменное опорное кольцо
показали, что уровень крутильных колебаний при установке этой муфты в приводе заднего редуктора тепловоза 2ТЭ10М уменьшается от 2 до 5 раз.
Еще один тип упругих муфт, которые получают достаточно широкое распространение в приводе вспомогательных агрегатов локомотивов — это резинокордная оболочковая муфта (рис. 5.69). Такая муфта, например, стоит между главным генератором и входным валом конического редуктора систем ЦВС тепловозов
481
Рис. 5.69. Оболочковая муфта:
1 — фланец, 2 — разрезной фланец;
3 — резинокордная оболочка; 4 — штифт; 5 — балансировочный груз;
6 — болт; 7 — проставочное кольцо
ТЭП70, ТЭ121, ТЭМ7. Однако при установке резинокордной муфты необходимо проводить центровку соединяемых агрегатов с соблюдением весьма жестких требований. Так, несоосность валов дизель-генератора и выходного вала системы ЦВС устанавливается не более 0,03 мм, перекос осей не более 0,03 на диаметре 230 мм.
Глава 6. СОВРЕМЕННЫЙ ДИЗЕЛЬНЫЙ ПОДВИЖНОЙ СОСТАВ, ЭКСПЛУАТИРУЮЩИЙСЯ НА ЖЕЛЕЗНЫХ
ДОРОГАХ РОССИИ И ЗА РУБЕЖОМ
6.1. Грузовые тепловозы
Основными грузовыми тепловозами, выполнявшими значительную часть перевозочной работы на железных дорогах СССР и России в последней четверти XX века, являлись 2М62,2ТЭ10Л, 2ТЭ10В, 2ТЭ10М, 2ТЭ116). Эти локомотивы построены Луганским (Воро-шиловградским) тепловозостроительным заводом.
В начале XXI века Коломенским и Брянским заводами созданы тепловозы 2ТЭ70, 2ТЭ25К и 2ТЭ25А, которые постепенно должны заменить на железных дорогах России устаревающие тепловозы Луганского завода.
Тепловоз 2ТЭ10Л, созданный в 1961 г., был значительным шагом вперед в повышении мощности (в 1,5 раза) и силы тяги по сравнению с серийно выпускавшимся тепловозом ТЭЗ. Применение более мощного дизеля 1 ОД 100 привело к значительному изменению системы воздухоснабжения дизеля, охлаждающего устройства, системы приводов вспомогательного оборудования. Экипажная часть осталась такой же, как на тепловозе ТЭЗ. На последующих тепловозах 2ТЭ10В и 2ТЭ10М проводились только некоторые усовершенствования и модернизация без увеличения основных показателей — мощности и силы тяги. Тепловоз 2ТЭ10В, выпуск которого начался в 1975 г., имел унифицированную с тепловозом 2ТЭ116 тележку. На базе тепловоза 2ТЭ10В в 1978 г. был построен модернизированный вариант — 2ТЭ10М, ставший основной модификацией тепловозов этого типа. Оба тепловоза по механическому оборудованию практически не отличаются друг от друга. Некоторые отличия есть в электрической схеме, в системе автоматического регулирования темпе
483
ратуры теплоносителей, в объединенном регуляторе частоты вращения и мощности дизеля.
Тепловоз 2ТЭ10М(В). По мере усовершенствования тепловоза 2ТЭ10Л установкой бесчелюстных тележек и некоторых новых элементов главной рамы и кабины локомотив получал обозначение 2ТЭ10В, а затем 2ТЭ10М (рис. 6.1). В средней части тепловоза на общей раме смонтированы дизель 7 и генератор 6 постоянного тока.
Дизель электрически запускается от аккумуляторной батареи 32, расположенной в четырех ящиках под полом по обеим сторонам дизеля. Ток от аккумуляторной батареи поступает в пусковую обмотку, расположенную на главных полюсах тягового генератора, который начинает работать в режиме электродвигателя. После запуска дизеля электрическая энергия, вырабатываемая тяговым генератором, по кабелям поступает к тяговым электродвигателям 14. Вращение якоря передается через тяговую зубчатую передачу колесной паре тепловоза.
Воздух из атмосферы через два (по одному с каждой стороны дизеля) воздухоочистителя типа ФНД1 поступает в два автономных, параллельно работающих, турбокомпрессора 8 типа ТК34, где давление воздуха повышается до 0,17 МПа. Из турбокомпрессоров сжатый воздух идет в нагнетатель 4 центробежного типа, где он дополнительно сжимается до давления 0,22 МПа и при этом температура его повышается до 130 °C. Для снижения температуры воздух из нагнетателя направляется в два параллельно работающих водяных воздухоохладителя 5, расположенных с обеих сторон дизеля. Воздух охлаждается до 65 °C, затем поступает в воздушный коллектор, а дальше в цилиндры дизеля. Турбокомпрессоры приводятся в действие энергией отработавших газов, а нагнетатель второй ступени — от верхнего вала дизеля через механический редуктор.
Для питания тормозной сети и электро пневматических аппаратов сжатым воздухом на тепловозе установлен двухступенчатый воздушный компрессор 36 типа КТ7, приводимый в действие от вала тягового генератора через передний распределительный редуктор 35 и пластинчатую муфту. От этого редуктора через карданные валы и промежуточную опору приводится двухмашинный агрегат 37, а через гидромуфту, установленную в корпусе переднего редуктора 35, — вентилятор 20 охлаждения тяговых электродвигателей передней тележки.
484
Рис. 6.1. Тепловоз 2ТЭ10М:
1 — пульт управления в кабине машиниста; 2 — вентилятор кузова; 3 — вентилятор охлаждения тягового генератора; 4 — нагнетатель второй ступени; 5 — воздухоохладитель; 6 — тяговый генератор; 7 — дизель; 8 — турбокомпрессор; 9 — резервуар противопожарной установки; 10 — водяной бак; И — вентиляторное колесо; 12 — охлаждающие секции; 13 — гидропривод вентилятора; 14 — тяговый электродвигатель; 15 — рама тепловоза; 16 — топливный бак; 17 — тележка; 18 — аппаратные камеры; 19, 21 — каналы забора воздуха для охлаждения тяговых электродвигателей и генератора; 20 — вентиляторы охлаждения электродвигателей передней и задней тележек; 22 — маслопрокачивающий агрегат; 23 — воздухоочиститель; 24 — задний распределительный редуктор; 25 — фильтр грубой очистки масла; 26— синхронный подвозбудитель; 27 — теплообменник; 28 — редуктор привода синхронного подвозбудителя; 29 — гидроредуктор; 30 — фильтр тонкой очистки масла; 31 — топливоподогреватель; 32 — аккумуляторная батарея; 33 — топливоподкачивающий насос; 34 — выпускной канал охлаждения тягового генератора; 35 — передний распределительный редуктор; 36 — компрессор; 37 — двухмашинный агрегат
485
Задний распределительный одноступенчатый редуктор 24 связан с валом дизеля через пластинчатую муфту. От редуктора 24 вращение передается вентилятору 20 охлаждения тяговых двигателей задней тележки, масляному насосу центробежного фильтра, а через карданные валы — гидроприводу 13 вентиляторного колеса 11. Редуктор 28 через упругую муфту передает вращение валу синхронного подвозбудителя 26.
Для циркуляции воды в системах охлаждения на переднем торце дизеля смонтированы два водяных насоса с приводом от вала дизеля. Из водяного бака 10 пополняется водяная система по мере утечки воды во время работы дизеля.
Смазывание трущихся деталей дизеля принудительное от шестеренного масляного насоса, установленного на дизеле. При этом масло циркулирует между дизелем и водомасляным теплообменником 27. Для прокачки масла через дизель перед его пуском на раме тепловоза около дизеля установлен маслопрокачивающий агрегат 22. Из картеров распределительных редукторов масло откачивается насосами в поддизельную раму. Масло, поступающее в дизель, очищается фильтрами трех типов: грубой очистки 25, тонкой очистки 30 и центробежным. Для хранения масла на тепловозе нет специальных баков, оно находится в масляной системе и в картере дизеля.
Топливо к плунжерным топливным насосам подается из топливного бака 16 топливоподкачивающим насосом 33. Перед поступлением в плунжерный топливный насос топливо очищается фильтрами грубой и тонкой очистки. В зимнее время топливо подогревается в топливоподогревателе 31.
В задней части кузова тепловоза расположено охлаждающее устройство, состоящее из водяных секций 12 и вентилятора 11. Температуру воды и масла в системах охлаждения в зависимости от режима работы дизеля и температуры окружающего воздуха регулируют автоматическим бесступенчатым изменением частоты вращения вентиляторного колеса, что обеспечивается гидромуфтой переменного наполнения гидропривода 13, а также открытием и закрытием жалюзи секций радиаторов. В зимнее время на жалюзи навешивают утеплительные чехлы.
В головной (передней) части кузова расположена кабина машиниста с пультом управления 1. В кабине установлены приборы для
486
контроля за работой агрегатов, радиостанция, автоматическая локомотивная сигнализация с автостопом непрерывного действия (АЛСН), локомотивный светофор, скоростемер. На пульте управления каждой секции тепловоза смонтированы некоторые приборы для контроля за работой агрегатов, расположенных на второй секции. За задней стенкой кабины справа и слева расположены аппаратные (высоковольтные) камеры 18, в которых размещены электрические аппараты.
Секции тепловоза соединены между собой серийной автосцепкой СА-3. Для перехода из одной секции в другую применена переходная площадка-суфле вагонного типа. При необходимости секции могут работать как самостоятельный локомотив. Каждая секция тепловоза оборудована автоматической пожарной сигнализацией и противопожарной воздухо-пенной установкой. Дизельное помещение вентилируется двумя мотор-вентиляторами 2, установленными на крыше тепловоза.
Каждая секция тепловоза оборудована четырьмя бункерами песочниц (по два на каждую тележку). Бункеры расположены в переднем и заднем торцах кузова с левой и с правой его сторон. Кузов и рама тепловоза опираются на две трехосные бесчелюстные тележки с эластичной тяговой передачей. На тележках все тяговые электродвигатели расположены подвесками (носиками) к середине тепловоза, что обеспечило повышение силы тяги почти на 10 %. Нагрузка от рамы тепловоза на каждую тележку передается через четыре резинороликовые опоры, которые одновременно являются возвращающими устройствами, обеспечивающими плавное движение тепловоза.
Автоматические тормоза поезда управляются краном машиниста. Кран вспомогательного тормоза применяется для управления прямодействующим тормозом тепловоза. Предусмотрено также и ручное торможение.
Тепловоз 2ТЭ116. В конструкции этой машины нашли отражение прогрессивные в то время (1971 г.) технические направления в тепловозостроении: экономичный четырехтактный дизель, электрическая передача переменно-постоянного тока с тиристорным регулированием возбуждения генератора, электрический привод вспомогательных агрегатов, бесчелюстная тележка с уменьшенным количеством изнашивающихся элементов и упругим приводом колесных пар.
487
Тепловоз 2ТЭ116 (рис. 6.2) по конструкции тележки, рамы тепловоза и кабины унифицирован с тепловозом 2ТЭ10В. В средней части рамы тепловоза на общей поддизельной раме расположена дизель-генераторная установка с 16-цилиндровым четырехтактным V-образным дизелем 1А-5Д49 и синхронным тяговым генератором ГС-501 А. Дизель 39 мощностью 2200 кВт с газотурбинным наддувом и охлаждением наддувочного воздуха. Синхронный генератор 19 представляет собой 12-полюсную электрическую машину с зависимым возбуждением. Генератор возбуждается однофазным возбудителем 26 переменного тока ВС-650В с частотой 220 Гц с приводом от заднего распределительного редуктора.
Для пуска дизеля применен стартер-генератор 40 типа СТГ-7, который в момент пуска приводит во вращение вал дизеля через задний редуктор. После пуска дизеля стартер-генератор работает в генераторном режиме и питает цепи управления, освещения, электродвигатель 32 тормозного компрессора 30 типа КТ7, зарядное устройство кислотных аккумуляторных батарей 15, расположенных в нишах ферм главной рамы тепловоза по обеим сторонам топливного бака 16.
Воздухоснабжение дизеля обеспечивается газотурбинным компрессором, установленным на газовом тракте дизеля. Воздух в дизель поступает через двухступенчатые воздухоочистители 27 типа ФНД1, обеспечивающие степень очистки воздуха 98 %.
Вода дизеля и вода, охлаждающая воздух в воздухоохладителе и масло в теплообменнике, охлаждаются в холодильной камере, расположенной в задней части тепловоза и имеющей 38 секций радиаторов типа ВС 12 и четыре мотор-вентилятора. Температура воды и масла может поддерживаться как автоматически, так и вручную включением в определенной комбинации мотор-вентиляторов и открытием и закрытием боковых и верхних жалюзи.
Переменный ток синхронного генератора выпрямляется выпрямительной установкой 3 типа УВКТ-5. Тяговые двигатели ЭД 118А или ЭД118Б подключены к установке шестью параллельными цепями. Необходимый диапазон использования мощности дизеля по скорости тепловоза осуществляется за счет двух ступеней ослабления возбуждения — 36 и 60 %.
Генератор, выпрямительная установка и тяговые электродвигатели охлаждаются мотор-вентиляторами 6, 24, 29, забирающими
488
Рис. 6.2. Тепловоз 2ТЭ116:
I — кондиционер; 2 — вентилятор охлаждения тормозных резисторов; 3 — выпрямительная установка; 4 — блок выпрямителей управления возбуждением; 5 — вентилятор кузова; 6— вентилятор охлаждения тягового генератора; 7 — фильтр очистки воздуха, охлаждающего тяговый генератор; 8 — глушитель; 9 — бак для воды; 10 — фильтр очистки воздуха, охлаждающего тяговые электродвигатели задней тележки; 11 — верхние жалюзи; 12 — вентиляторы холодильной камеры; 13 — тяговый электродвигатель; 14 — тележки; 15 — аккумуляторная батарея; 16 — топливный бак; 17 — маслопрокачивающий агрегат; 18 — рама тепловоза; 19 — тяговый генератор; 20 — главный резервуар; 21 — передние бункеры для песка; 22 — высоковольтная камера; 23 — вентилятор охлаждения выпрямительной установки; 24, 29 — вентиляторы охлаждения тяговых электродвигателей; 25 — установка порошкового пожаротушения; 26 — возбудитель; 27 — воздухоочиститель дизеля; 28 — фильтр тонкой очистки масла; 30 — тормозной компрессор; 31 — редуктор; 32 — электродвигатель привода компрессора; 33 — радиаторные секции; 34 — задние бункеры для песка; 35 — боковые жалюзи; 36 — санузел; 37 — топливоподкачивающий агрегат; 38 — подогреватель топлива; 39 — дизель; 40 — стартер-генератор
489
воздух через проемы на боковых наклонных поверхностях крыши и кузова в сетчатые промасленные фильтры-кассеты, установленные в коробках крыши. Воздух по каналам поступает в вентиляторы и далее подводится к электрическим машинам. Степень очистки воздуха — 80 %.
Для снижения уровня шума в кабине машинное помещение от кабины отделено тамбуром, в котором размещены три аппаратные камеры 22 с электрической аппаратурой. Кабина машиниста обеспечивает хорошие условия для работы локомотивных бригад в соответствии с требованиями промышленной санитарии и эргономики.
Тепловоз оборудован автоматической пожарной сигнализацией и системой аварийной остановки тепловоза. В электрической схеме тепловоза использована полупроводниковая техника в блочном и индивидуальном исполнении, что уменьшило количество реле и повысило надежность работы схемы.
С 1988 г. на тепловозе применены: электрический реостатный тормоз; более совершенные комплексные устройства автоматики; более надежный дизель типа 1А-5Д49 (второе исполнение).
Тепловоз 2М62 по экипажной части и мощности одинаков с тепловозом ТЭЗ и предназначен для вождения грузовых и пассажирских поездов на относительно легком строении пути. Нагрузка от оси на рельсы 190,5 кН. На тепловозе применен двухтактный дизель марки 14Д40. Передача мощности — электрическая постоянного тока. Вода охлаждается в воздушных радиаторах, а масло — в теплообменниках. Тепловоз вписан в габарит 02-ВМ. Строился с 1964 г.
Тепловоз 2ТЭ121 (рис. 6.3) предназначен для вождения тяжелых составов по путям с усиленным верхним строением. По тяговым качествам этот локомотив равноценен электровозам типа ВЛ80, ВЛ 10. Мощность одной секции этого тепловоза увеличена до 2940 кВт за счет применения форсированного 16-цилиндрового дизеля 2В-5Д49. При трогании с места тепловоз может развивать до 80 тс тяги благодаря повышенной нагрузке от оси на рельсы до 245 кН. На тепловозе установлен тяговый агрегат А-714У2, состоящий из тягового и вспомогательного генераторов, роторы которых смонтированы на одном валу. Сверху на агрегате размещена выпрямительная установка, у которой общая с тяговым агрегатом система прину-
490
Рис. 6.3. Тепловоз 2ТЭ121:
1 — отопительно-вентиляционный агрегат; 2 — пульт управления; 3 — ручной тормоз; 4 — камера для электрических аппаратов; 5 — тормозные резисторы и их вентиляторы; 6— фильтры очистки воздуха, охлаждающего электрические машины; 7 — вентилятор централизованной системы охлаждения; 8 — топливный бак; 9 — дизель-генератор; 10 — искрогаситель; 11 — бак для воды; 12 — стартер-генератор; 13 — вентилятор кузова; 14 — блок тормозных аппаратов; 15 — секции охлаждающего устройства; 16 — мотор-вентилятор; 17 — бункер песочницы;
18 — переходной тамбур; 19 — ящик для аккумуляторной батареи
дительного воздушного охлаждения. В системе регулирования электропередачи и вспомогательного оборудования использованы бесконтактные устройства автоматики.
Тепловоз оборудован электрическим тормозом. Блоки тормозных сопротивлений с мотор-вентиляторами установлены в крыше кузова за кабиной.
Система охлаждения дизеля — двухконтурная. Охлаждающее устройство дизеля шахтного типа с радиаторными секциями ВС12 и двумя мотор-вентиляторами с поворотными лопатками, обеспечивающими плавное регулирование производительности. Тяговое электрическое оборудование охлаждается системой ЦВС. Охлаждающий воздух системы очищается в фильтрах кассетного типа, расположенных в крышевой части кузова над тяговым агрегатом.
Тормозной компрессор типа КТ-7 приводится механически от дизеля через распределительный редуктор, от которого приводится и стартер-генератор. Аккумуляторная батарея размещается в четырех боковых нишах главной рамы, расположенных по ее концам.
491
Кузов тепловоза — несущего типа, безраскосный, с одной кабиной машиниста, установленной на амортизаторах. Трехосные тележки — бесчелюстные с двухступенчатым рессорным подвешиванием; первая ступень — сбалансированная с листовыми рессорами и пружинами. Тяговые двигатели типа ЭД-126У1 с опорно-рамным подвешиванием II класса. Колеса диаметром 1250 мм — спицевой конструкции с бандажами.
Начало выпуска опытной партии — 1980 г., всего было выпущено 37 тепловозов.
Тепловоз ТЭ136 — опытный мощностью 4412 кВт с электрической передачей переменно-постоянного тока, предназначен для вождения грузовых поездов по путям с усиленным верхним строением. На тепловозе установлен дизель-генераторный агрегат 1-20ДГ с 20-цилиндровым дизелем 1Д49. По примененным на тепловозе агрегатам, приводам и их компоновке он аналогичен секции тепловоза 2ТЭ121. Отличие заключается в применении двухкабинного варианта, трехконтурной системы охлаждения (выделен контур охлаждения наддувочного воздуха) и четырехосных тележек.
Четырехосная тележка состоит из двух двухосных, объединенных ниже осей колесных пар продольной тяговой балкой. Низко опущенные шкворни размещаются между двухосными тележками. Такая конструкция тягового устройства обеспечивает высокие тяговые качества тепловоза. Рессорное подвешивание двухступенчатое. Первая ступень индивидуальная с пружинными упругими элементами. Вторая выполнена в виде 8 комплектов винтовых пружин, установленных на двухъярусных роликовых опорах.
Тепловоз 2ТЭ126 — двухсекционный мощностью 2x4412 кВт с электрической передачей переменно-постоянного тока, предназначен для вождения тяжелых грузовых поездов. На тепловозе установлен дизель 16ЧН2А32/32, работающий с тяговым агрегатом. Тепловоз так же, как и все мощные тепловозы Луганского завода, имеет одни и те же принципиальные решения: ЦВС, электродинамический тормоз, холодильная камера шахтного типа с мотор-вентиляторами. Кузов несущей конструкции с одной кабиной.
Экипажная часть состоит из двух четырехосных тележек конструкции, как у тепловоза ТЭ136, и двух бегунковых колесных пар с
492
колесами меньшего диаметра, расположенными над концами главной рамы кузова. Колесные пары специальным водилом связаны с крайними двухосными тележками. Необходимость в бегунковых колесных парах возникла из-за невозможности обеспечить максимально допустимую нагрузку от оси на рельсы 245 кН. Дизель-ге-нераторный агрегат этого тепловоза оказался очень тяжелым, и общий вес секции тепловоза достиг 230 тс. При трогании тепловоза с места и разгоне нагрузка от кузова с бегунковых колесных пар снимается пневморессорами, через которые она передается при движении со скоростями, меньшими расчетной. Тем самым увеличивается сила тяги тепловоза по сцеплению.
Тепловоз ТЭ127 — магистральный, односекционный мощностью 1765 кВт, предназначен для вождения грузовых и пассажирских поездов на участках пути с ограниченными осевыми нагрузками. На тепловозе установлен быстроходный дизель типа Д251 (12ЧН2А21/21), работающий с тяговым агрегатом А-715У2. Тепловоз оборудован электрическим тормозом. Система охлаждения электрических машин смешанная, привод вентиляторов и компрессора электрический. Кузов несущий, установлен на двух трехосных тележках. Тележки с двухступенчатым рессорным подвешиванием, во второй ступени применены пружины типа «флексикойл». Колесно-моторный блок с опорно-рамным подвешиванием электродвигателя с приводом II класса.
Тепловоз ТЭРА1. В конструкции этого тепловоза (рис. 6.4) применены: восьмиосная экипажная часть тепловоза ТЭМ7 с кузовом вагонного типа, две кабины машиниста. Энергетическое и основное вспомогательное оборудование корпорации «Дже-нерал моторе» (США). Силовая установка 6 включает 16-цилиндровый двухтактный дизель 710G3B мощностью 3063 кВт и соединенный с ним через упругую муфту тяговый генератор ARIIWBA, синхронный генератор собственных нужд СА6АЗ мощностью 200 кВт и выпрямительную установку. Синхронный генератор собственных нужд тепловоза вырабатывает электроэнергию для возбуждения тягового генератора, питания электродвигателей вентиляторов охлаждающего устройства резисторов электрического тормоза и вентиляторов удаления пыли из инерционных воздушных фильтров.
493
МЭ 4*
Рис. 6.4. Тепловоз ТЭРА1;
1 — кабина; 2 — отопительно-вентиляционная установка; 3 — инерционные фильтры; 4 — глушитель шума; 5 — блок электродинамического тормоза; б — дизель-генератор; 7 — стеллаж со вспомогательным оборудованием; 8 — блок охлаждающего устройства; 9 — песочный бункер; 10 — автосцепка; 11 — аккумуляторная батарея; 12 — рама тепловоза; 13 — компрессор; 14 — топливный бак; 15 — воздушный фильтр дизеля; 16 — центробежный вентилятор охлаждения тягового агрегата и тяговых двигателей;
17 — отсек чистого воздуха; 18 — тележка; 19 — пульт управления; 20 — путеочиститель
Электрическая передача тепловоза переменно-постоянного тока включает в себя синхронный тяговый генератор, выпрямительную установку, восемь тяговых электродвигателей D87BTR мощностью 308 кВт с моторно-осевыми подшипниками качения, блоки управления с микропроцессорами.
Кузов тепловоза приварен к главной раме и составляет с ней единую силовую конструкцию. В верхней части кузова размещены блоки охлаждающего устройства 8 и электротормоза 5, а также инерционные фильтры первой ступени очистки воздуха 3. Охлаждающее устройство блочного типа выполнено по схеме с «осушаемыми» радиаторами. Управление работой охлаждающего устройства автоматическое и осуществляется бортовым компьютером.
Вспомогательное оборудование тепловоза компактно размещено за дизелем на специальном стеллаже 7. На нем установлены бак для охлаждающей жидкости, маслоохладитель дизеля, масляный фильтр дизеля, топливо- и маслопрокачивающие агрегаты, топливные фильтры, панель с электроаппаратами и некоторые приборы. Такое решение позволяет сократить длину трубопроводов систем дизеля.
За стеллажом вспомогательного оборудования установлен воздушный компрессор 13 — трехцилиндровый двухступенчатого сжатия с водяным охлаждением. Привод компрессора механический от вала дизеля через валопровод с упругими компенсирующими муфтами.
Тепловозы 2ТЭ25К и 2ТЭ25А — опытные локомотивы, созданные специалистами Брянского машиностроительного завода и ВНИКТИ в 2005—2006 гг., предназначены для замены устаревшего парка грузовых тепловозов.
Тепловоз 2ТЭ25К (Пересвет) имеет передачу переменно-постоянного тока с коллекторными тяговыми электродвигателями, а тепловоз 2ТЭ25А (Витязь) передачу переменного тока с асинхронными электродвигателями.
Они максимально унифицированы по вспомогательному оборудованию, располагаемому в кузове. На тепловозе 2ТЭ25К применен новый высокоэкономичный 12-цилиндровый дизель 12ЧН26/26 Коломенского завода с увеличенной цилиндровой мощностью, а на тепловозе 2ТЭ25А модернизированный вариант этого дизеля. В нем
495
впервые реализованы электронная подача топлива и система перепуска надувочного воздуха, которая позволяет повысить экономичность дизеля при работе на частичных режимах.
На тепловозах установлен тяговый агрегат типа АСТГ2 2800, состоящий из тягового и вспомогательного генераторов. Тепловоз 2ТЭ25А имеет тяговый статический преобразователь частоты.
Все приводы вентиляторов систем охлаждения воды, тяговых электрических машин и агрегатов индивидуальные, электрические с асинхронными двигателями, питаемыми электроэнергией от соответствующих преобразователей частоты. Это позволяет плавно регулировать скорость вращения вентиляторов. На тепловозах применена модульная компрессорная установка с электрическим приводом винтового компрессора и блоком осушки воздуха. Тепловозы оборудованы электрическим реостатным тормозом, системой поосного регулирования силы тяги, микропроцессорными системами управления, диагностики и комплексным локомотивным устройством безопасности (КЛУБ), телеметрической системой контроля бодрствования машиниста (ТСКБМ). Конструкция кабины машиниста отвечает всем современным санитарно-гигиеническим требованиям и требованиям безопасности, в ней установлен новый пульт машиниста. Органы управления в кабине расположены таким образом, чтобы машинист мог управлять локомотивом без помощника (в одно лицо).
Холодильная камера крышевого типа с двухрядным расположением укороченных водовоздушных секций и двумя мотор-вен-тиляторами. Температура всех теплоносителей (воды, масла воздуха) регулируется автоматически соответствующими микропроцессорными системами.
Тепловозы отличаются друг от друга конструкцией трехосных тележек. На тепловозе 2ТЭ25К применена усовершенствованная тележка типа 2ТЭ116, а на тепловозе 2ТЭ25А новая тележка конструкции ВНИКТИ с двухступенчатым рессорным подвешиванием, низкоопущенным шкворнем, механизмом радиальной установки колесных пар (см. рис. 7.2) и моторно-осевыми подшипниками качения (см. рис. 4.8).
Основные технические показатели некоторых грузовых тепловозов приведены в табл. 6.1.
496
Таблица 6.1
Технические характеристики магистральных тепловозов
Основные показатели Значения показателей для тепловозов
2ТЭ10М 2ТЭ116 2М62У 2ТЭ121 2ТЭ25К 2ТЭ25А ТЭП70 ТЭП70БС
Начало выпуска 1981 1972 1986 1980 2005 2006 1981 2002
Осевая характеристика 2(30-30) 2(3(у-30) 2(30-30) 2(30-30) Зо_Зо Зо-Зо ЗсгЗо Зо-Зо
Мощность дизеля, кВт 2x2206 2x2250 2x1471 2942 2500 2500 2942 2942
Служебная масса, т 2x138 2x138 2x126 2x150 2x144 2x144 135 135
Нагрузка от оси на рельсы, кН 226 226 206 245 244,6 244,6 220,6 220,6
Сила тяги длительного режима, кН 2x245 2x245 2x146 2x294 2x300 2x390 167 167/167*
Скорость длительного режима, км/ч 24,6 24 20,9 27 24 18,5 48 48/35*
Конструкционная скорость, км/ч 100 100 100 100 120 120 160 160
Параметры указаны при работе системы электроснабжения поезда.
6.2. Пассажирские тепловозы
История отечественного пассажирского тепловозостроения начинается с создания в 1956 г. на Харьковском заводе транспортного машиностроения двухсекционного тепловоза ТЭ7, отличавшегося от тепловоза ТЭЗ только осевыми редукторами с разным передаточным числом. У тепловоза ТЭ7 оно уменьшено с 4,53 до 3,24, чтобы локомотив мог развить скорость 140 км/ч. Недостатком тепловоза ТЭ7 как пассажирского локомотива является его большой вес (252 тс), равный около 25 % веса состава, при скоростях движения свыше 90 км/ч он оказывал повышенное воздействие на путь.
В последующие годы одновременно с грузовым тепловозом ТЭ10 мощностью по дизелю 2206 кВт на Харьковском заводе был построен и его пассажирский вариант ТЭП10 в двухкабинном исполнении. На этих тепловозах впервые в практике отечественного тепловозостроения применен сварной несущий кузов безраскосной конструкции. Трехосные тележки этого тепловоза не отличались от тележек тепловоза ТЭ7, поэтому динамические качества локомотива при повышенных скоростях движения были неудовлетворительными.
В соответствии с принятой в конце 50-х гг. прошлого века специализацией в дальнейшем пассажирское тепловозостроение стало развиваться на Коломенском заводе.
Тепловоз ТЭП60. Опытный образец был построен в 1960 г. По своим технико-экономическим показателям и ряду оригинальных конструктивных решений он значительно превосходил подобные тепловозы как в СССР, так и за рубежом.
На тепловозе установлен двухтактный дизель 11Д45 (16ДН23/30) мощностью 2206 кВт, применена электрическая передача постоянного тока. Вода охлаждается в холодильнике шахтного типа с регулируемым гидрообъемным приводом вентиляторов. Кузов тепловоза несущий с боковыми стенками ферменного типа. Трехосная бесчелюстная тележка с поводковыми буксами, двумя центральными маятниковыми опорами и четырьмя пружинными боковыми опорами обеспечила этому тепловозу хорошие динамические качества вплоть до конструкционной скорости 160 км/ч. Впервые в отечественном тепловозостроении в этом тепловозе было применено опорно-рамное подвешивание тяговых электродвигате
498
лей и осевых редукторов. Тепловоз ТЭП60 выпускался серийно Коломенским заводом до 1985 г.
Тепловозы ТЭП70, ТЭП70БС. Для обеспечения пассажирских перевозок с увеличенной массой поездов был изготовлен в 1973 г. более мощный тепловоз ТЭП70. На этом тепловозе установлен экономичный 16-цилиндровый четырехтактный дизель 2А-5Д49 мощностью 2940 кВт, применена передача переменно-постоянного тока. Экипажная часть первых семи тепловозов выполнена такой же, как у тепловоза ТЭП60. Начиная с восьмого номера в конструкцию тепловоза были внесены существенные изменения. Применена новая тележка с индивидуальным буксовым рессорным подвешиванием. Тележка отличается ббльшим статическим прогибом рессорного подвешивания, во второй ступени установлены пружины типа «флексикоил» и гидравлические гасители колебаний. Изменена конструкция тягового привода: вместо обычного полого вала использован полый карданный вал. В связи с подкаткой других тележек соответствующим образом изменились рама и кузов тепловоза — он стал длиннее на 1230 мм.
На первых семи тепловозах охлаждающее устройство было скомпоновано в трех крышевых блоках с укороченными водяными секциями длиной 710 мм. На последующих тепловозах применено шахтное расположение охлаждающего устройства с радиаторными секциями длиной 1206 мм. Тепловоз оборудован просторными и удобными кабинами, электродинамическим тормозом, более эффективным глушителем шума выпускных газов дизеля.
Тепловоз ТЭП70БС* (первоначальное обозначение ТЭП70А) является дальнейшим развитием тепловоза ТЭП70. В связи с налаженным в 90-х гг. на Тверском вагоностроительном заводе серийным производством пассажирских вагонов с системой центрального электроснабжения возникла необходимость в создании тепловозов для вождения поездов с такими вагонами. С этой целью на тепловозе ТЭП70БС был установлен новый однокорпусный тяговый агрегат типа АСТМ 2800/600-1000 с вспомогательным генератором для питания системы энергоснабжения поезда. Максимальная потребляемая мощность системы равна 600 кВт. Такой мощности достаточно
* В 2003 г. тепловозу ТЭП70А присвоено имя Бориса Саламбекова — выдающегося деятеля железнодорожного транспорта России (1907—1978).
499
для энергоснабжения пятнадцативагонного пассажирского поезда в зимних условиях при температуре минус 30 °C.
В результате усовершенствования дизеля снизился удельный расход топлива с 0,208 до 0,198 кг/(кВт-ч) и расход масла на полной мощности с 1,22 до 0,92 г/(кВт-ч), уменьшена также токсичность выхлопных газов.
На тепловозе (рис. 6.5) использован блочный принцип изготовления и компоновки узлов и агрегатов, чем значительно упрощен процесс сборки и ремонта. В средней части тепловоза размещен дизель-генератор 4 типа 2А-9ДГ-01, отличающийся от дизель-генератора серийного тепловоза ТЭП70 усовершенствованной конструкцией узлов.
Компоновка оборудования тепловозов ТЭП70 и ТЭП70БС практически одинакова. От вала генератора через эластичную оболочковую муфту и угловой редуктор приводится во вращение осевой вентилятор 6 ЦВС для охлаждения тяговых электродвигателей, генератора, выпрямительной установки и обдува аппаратной камеры, куда воздух подводится по специальным каналам в раме тепловоза. Очистка воздуха происходит в блоке фильтров 5. При необходимости забор воздуха предусмотрен из дизельного помещения. Рядом с осевым вентилятором расположена выпрямительная установка 26 УВКТ-5 и высоковольтная камера 27. Центральное расположение высоковольтной камеры на раме обеспечивает удобный доступ к любому аппарату при техническом обслуживании и настройке. Блок электрического тормоза 7расположен в крыше над высоковольтной камерой. Со стороны переднего торца дизеля установлены два гидронасоса приводов вентиляторов. Гидронасосы приводятся в действие от вала дизеля через мультипликатор (повышающий редуктор). Сбоку у левой стенки расположен подогреватель топлива 27, а у правой—санитарный узел. Над турбокомпрессором дизеля установлен глушитель 3, а в боковых стенках кузова вверху — блок двухступенчатого воздухоочистителя 2 системы воздухоснабжения дизеля.
Система охлаждения воды двухконтурная. Охлаждающее устройство 7 размещено в шахте, в которой имеется 48 секций, закрытых снаружи жалюзи. Вверху в крышевом блоке установлено два экономичных вентиляторных колеса типа КТ31, приводимых во вращение гидродвигателями. Температура охлаждающей жидкости регулируется автоматической системой, которая действует в
500
Рис. 6.5. Тепловоз ТЭП70БС:
I — охлаждающее устройство; 2 — воздухоочиститель дизеля; 3 — глушитель шума; 4 — дизель-генератор; 5 — блок фильтров централизованного воздухоснабжения электрических машин; 6 — вентилятор системы централизованного воздухоснабжения; 7— реостатный электрический тормоз; 8— песочница; 9 — кондиционер; 10 — пуль управления; 11 — тележка; 12 — блок тормозных приборов; 13 — тормозной компрессор; 14 — оборудование системы подготовки сжатого воздуха; 75 — главные резервуары; 16 — аккумуляторная батарея; 17 — топливный бак; 18 — установка воздухопенного пожаротушения; 19 — гидроциклоны; 20 — маслопрокачивающий насос; 21 — топливоподогреватель; 22 — топливоподкачивающий агрегат; 23 — выпрямительная установка электроснабжения; 24 — блок фильтров системы электроснабжения; 25 — блоки возбуждения тягового генератора; 26 — выпрямительная установка тяговой передачи; 27 — высоковольтная камера; 28 — блоки системы безопасности движения; 29 — стойка микропроцессорной системы управления; 30 — установка газового пожаротушения
функции двух параметров: температуры жидкости и мощности дизеля. Применение новых вентиляторов и системы регулирования уменьшило на 30 % затраты мощности для привода.
Под шахтой охлаждающего устройства установлены: тормозной компрессор 13 с электроприводом, резервуар противопожарной установки 18, маслопрокачивающий 20 и топливоподкачивающий 22 агрегаты. Аккумуляторная батарея 16 тепловоза расположена в нишах топливного бака 17, что обеспечивает удобное ее обслуживание. Главные воздушные резервуары 15 укреплены на торцах топливного бака. Прожектор тепловоза располагается выше лобовых стекол кабины, что улучшает освещение пути и меньше утомляет зрение локомотивной бригады.
На тепловозе ТЭП70БС изменена конструкция кузова, он сделан без-раскосным. Хотя в этом случае не удалось достигнуть снижения веса кузова, однако он стал значительно технологичнее в производстве.
Тепловоз оборудован многими установками и приборами, которые обеспечивают современный уровень эксплуатационной надежности ведения поезда, в частности: автоматической локомотивной сигнализацией с автостопом, электропневматическим и электрическим тормозами, противопожарной установкой с автоматической системой сигнализации, радиостанцией и др.
Локомотив оборудован усовершенствованной микропроцессорной системой управления и диагностики силового и вспомогательного оборудования (МСУ-Т), комбинированной системой автоматического регулирования температур теплоносителей, более просторной кабиной, новым пультом управления, снабженным монитором для контроля и диагностики оборудования. Несколько изменен внешний вид тепловоза.
Тепловоз ТЭП75 — опытный локомотив, на котором впервые был установлен дизель-генератор 1-20ДГ с 20-цилиндровым дизелем 20ЧН2А26/26 мощностью 4412 кВт. По компоновке и основному оборудованию тепловоз подобен первым семи тепловозам ТЭП70. Отличается применением воздуховоздушного охладителя наддувочного воздуха, тележкой с мягким двухступенчатым рессорным подвешиванием (вторая ступень — пружина типа «флексикоил») и новой конструкцией тягового привода с карданным полым валом, повышенной нагрузкой от колесной пары на рельсы до 230 кН, что по требованиям
502
МПС того времени было недопустимым для пассажирских тепловозов. Попытка конструкторов снизить массу тепловоза не увенчалась успехом. Единственным выходом из положения при заданной мощности локомотива 4412 кВт стал переход на восьмиосную конструкцию экипажной части, что и было реализовано в тепловозе ТЭП80.
Тепловоз ТЭП80 предназначен для вождения скорых пассажирских поездов массой до 1600 т и количеством вагонов до 24. На тепловозе (рис. 6.6) установлен так же, как и на тепловозе ТЭП75, дизель-генератор 1-20ДГ с однокорпусным генератором, состоящим из тягового и вспомогательного агрегатов. От вспомогательного генератора обеспечивается питание собственных нужд тепловоза. По компоновке и номенклатуре вспомогательных агрегатов этот тепловоз отличается от тепловоза ТЭП70 применением в холодильной камере экономичных вентиляторов типа КТЗ и установкой тормозного компрессора между системой ЦВС и высоковольтной камерой, а не в шахте холодильной камеры, как на тепловозе ТЭП70.
На тепловозе ТЭП80 применена новая четырехосная тележка с попарным горизонтальным балансированием колесных пар и мягким двухступенчатым рессорным подвешиванием. Такая конструкция обеспечивает при общей базе тележки 6,2 м нормальное вписывание всего экипажа в крутые кривые и хорошие динамические качества локомотива в пологих кривых и прямых при высоких скоростях движения. Экипажная часть тепловоза ТЭП80 с некоторыми изменениями была в последующем применена для скоростного восьмиосного электровоза ЭП200.
Основные показатели некоторых пассажирских тепловозов приведены в табл. 6.1.
6.3. Маневровые и промышленные тепловозы
Маневровые тепловозы, эксплуатирующиеся на железнодорожных путях общего пользования, оборудованы электрической передачей (ТЭМ2У, ТЭМ18, ЧМЭЗ, ЧМЭЗТ, ТЭМ7). На промышленных предприятиях, кроме тепловозов типа ТЭМ2 и ТЭМ7, используются тепловозы с гидропередачей (ТГМ4А, ТГМ6А, ТГМ23Б и их модификации).
Технические характеристики маневровых и промышленных тепловозов приведены в табл. 6.2.
503
Рис. 6.6. Тепловоз ТЭП80:
1 — охлаждающее устройство дизеля; 2 — расширительный бак; 3 — глушитель; 4 — водяной охладитель наддувочного воздуха; 5 — дизель-генератор; 6 — блок фильтров воздуха; 7 — осевой вентилятор; 8 — блок электрического тормоза; 9— песочница; 10— кузов; 11 — тележка; 12 — водяной насос; 13 — котел-подогреватель; 14 — сепаратор-осушитель; 75 — охладитель масла гидропривода; 16 — воздухоочиститель дизеля; 17 — топливный бак; 18 — аккумуляторная батарей; 19 — тормозной резервуар; 20 — стартер-генератор; 21 — возбудитель; 22 — выпрямительная установка; 23 — тормозной компрессор; 24 — высоковольтная камера; 25 — кабина машиниста; 26 — резервуар пожаротушения; 27— топливоподкачивающий агрегат; 28 — топливоподогреватель; 29 — блок управления; 30 — установка автоматики комплектного устройства
Таблица 6.2
Технические характеристики маневровых и промышленных тепловозов
Основные показатели Значение показателей для тепловозов
ТЭМ2У, ТЭМ18 ЧМЭЗ, ЧМЭЗТ ТЭМ7, ТЭМ7А ТЭМ21 ТГМ4А, ТГМ14 ТГМ6А, ТГМ6Д ТГМ23В ТГМ40
Г од начала выпуска 1984 1963 1988 1981 2001 1971 1988 1970 1982 1982
Осевая характеристика 3(г-3о 3(г-3о 2о+2о- -2о+2о 2<^2о 2-2 2-2 0-3-0 2-2
Мощность дизеля, кВт 882 993 1470 1103 550 882 294 294
Служебная масса, т 123,6 123 180 92 68 72 90 44 34
Нагрузка от оси на рельсы, кН 206 205 220 225,5 165 177 220 143,9 98
Сила тяги длительного режима, кН 200 230 343 300 191 157 246 107,9 95,1
Скорость длительного режима, км/ч 11,1 11,4 20,5 9,15 7 8,4 8,5 5,5 6,4
Конструкционная скорость, км/ч 100 95 200 100 80 80 60 40
О
Тепловозы ТЭМ2У, ТЭМ18 — маневровые с электрической передачей мощностью 682 кВт. Начало серийного выпуска тепловоза ТЭМ2У - 1984 г., ТЭМ18 — 1993 г. Внутреннее оборудование кузова тепловоза ТЭМ18 и его компоновка одинаковы с тепловозом ТЭМ2У. Отличие состоит в применении унифицированной бесчелюстной тележки по типу тепловоза 2ТЭ116 (с плоскими опорами кузова и уменьшенным до четырех количеством резиновых амортизаторов в опоре, жестким, а не плавающим шкворнем).
На тепловозе ТЭМ2У (рис. 6.7) установлен дизель-генератор-ный агрегат 11, состоящий из четырехтактного 6-цилиндрового рядного дизеля ПД1М и прифланцованного к нему тягового генератора ГП300Б. Дизель жестко закреплен на раме тепловоза. Привод колесных пар — индивидуальный с опорно-осевым подвешиванием тяговых двигателей 24 типа ЭД 118А. В кабине машиниста 17 установлены пульт управления с дублирующими приборами управления тепловозом машинистом без помощника.
В передней части тепловоза располагается холодильная камера 6, в которой установлен механический редуктор привода вентилятора 2, осевой вентилятор 8 типа УК-2М, восемнадцать водяных и шесть масляных секций с боковыми 3 и верхними 7 жалюзи с дистанционным пневмоприводом. Приводы остальных агрегатов (вентиляторов охлаждения тяговых электродвигателей 26,33, компрессора типа КТ-6 и вспомогательного генератора-возбудителя) также механические.
Перед кабиной располагается аппаратная камера 14. Кузов над дизелем съемный для доступа к агрегатам и узлам тепловоза, для монтажных работ в кузове устроены несколько боковых дверей и люки в крыше. Отсек аккумуляторных батарей 22 находится сзади кабины. Посередине тепловоза под главной рамой подвешен топливный бак 28.
На тепловозе применен искрогаситель 12 для уменьшения количества искр, вылетающих с отработавшими газами, а также для уменьшения шума. Тепловоз оборудован автоматическим и ручным тормозами, радиостанцией и автоматической локомотивной сигнализацией (АЛСН).
Тепловозы ЧМЭЗ и ЧМЭЗТ предназначены для выполнения маневровой и вывозной работы. На тепловозах установлен дизель-генератор, состоящий из четырехтактного 6-цилиндрового дизеля
506
Рис. 6.7. Тепловоз ТЭМ2У:
1 — буферный фонарь; 2 — редуктор вентилятора холодильной камеры; 3 — боковые жалюзи; 4 — прожектор; 5 — передние песочницы; 6 — холодильная камера; 7 — верхние жалюзи; 8 — вентилятор охлаждающего устройства; 9 — бак для воды; 10 — умывальник; 11 — дизель-генератор; 12 — искрогаситель; 13 — компрессор; 14 — аппаратная камера; 15 — двухмашинный агрегат; 16 — тифон; 17 — пульт управления; 18 — кабина машиниста; 19 — антенна; 20 — ручной тормоз; 21 — задние песочницы; 22 — аккумуляторная батарея; 23 — калорифер; 24 — тяговый электродвигатель; 25 — кран машиниста; 26 — вентилятор охлаждения тяговых электродвигателей задней тележки; 27 — кожух редуктора; 28 — топливный бак; 29 — воздухоочиститель дизеля; 30 — главная рама тепловоза; 31 — главный резервуар; 32 — тележка; 33 — вентилятор охлаждения тяговых электродвигателей передней тележки; 34 — масло- и топливоподкачивающие насосы; 35 — топливоподогре-ватель; 36 — масляные фильтры; 37 — охлаждающие секции масла дизеля; 38 — водяной насос контура охлаждения наддувочного воздуха; 39 — водяные секции охлаждения наддувочного воздуха; 40 — водяные секции охлаждения воды дизеля; 41 — путеочиститель; 42 — автосцепка
K6S310DR мощностью 993 кВт и тягового генератора постоянного тока мощностью 885 кВт.
Тепловозы типа ЧМЭЗ изготавливались в Чехословакии на предприятиях производственного объединения ЧКД-Прага. Первая партия тепловозов ЧМЭЗ была поставлена в Советский Союз в 1963 г., а в
507
1986 г. — тепловозы ЧМЭЗТ с электрическим тормозом и устройством для подогрева дизеля при длительной стоянке в зимних условиях. Дизель оборудован электронным регулятором. По сравнению с тепловозом ЧМЭЗ при эксплуатации тепловоза ЧМЭЗТ снижен расход топлива на 8—10 %, песка на 45—50 % и тормозных колодок на 95 %. Компоновка тепловозов ЧМЭЗ и ЧМЭЗТ подобна тепловозу ТЭМ2У. Отличие состоит в расположении компрессора в отсеке перед холодильной камерой и аппаратной камеры со стороны короткого капота с доступом из кабины машиниста.
Главный вентилятор холодильной камеры и компрессор приводятся через гидромеханический редуктор, причем в корпусе редуктора установлены две гидромуфты: одна работает на вентилятор, другая на компрессор. Приводы остальных агрегатов (вентиляторов охлаждения тяговых электродвигателей, двухмашинного агрегата) — механические с использованием клиноременной передачи.
Тепловоз ТЭМ7 предназначен для выполнения маневровой и горочной работы на крупных железнодорожных станциях с составами массой до 6000 т, а также для работы в карьерах.
У этого тепловоза меньшая склонность к боксованию, а благодаря двухосным тележкам с небольшим моментом сопротивления повороту тепловоз хорошо вписывается в кривые участки пути.
В качестве силовой установки тепловоза (рис. 6.8) применен дизель-генератор, состоящий из дизеля 2-2Д49 мощностью 1470 кВт и синхронного генератора ГС-515У2, установленных на общей раме. Для пуска дизеля используется стартер-генератор 25 типа М2ПСГ-02, который связан с коленчатым валом дизеля через раздаточный редуктор 27 и карданный вал. При работе дизеля стартер-генератор работает в генераторном режиме, обеспечивая питание электродвигателей привода компрессоров 13 типа ВУ 3,5/9-1450, а также цепей управления, освещения и зарядку аккумуляторных батарей 17. У дизеля двухконтурная система охлаждения. В холодильной камере 2 расположены 11 радиаторных секций первого контура и 19 — второго. Для просасывания воздуха через секции используются шестилопастное вентиляторное колесо серии УК-2М диаметром 1600 мм с приводом от дизеля через гидромеханический редуктор 1. Воздух для дизеля поступает через четыре блока унифицированных воздухоочистителей типа УТВ.
508
Рис. 6.8. Тепловоз ТЭМ7:
1 — гидроредуктор привода вентилятора; 2 — охлаждающее устройство тепловоза; 3 — водяной бак; 4 — фильтры тонкой очистки масла дизеля; 5 — воздушный фильтр дизеля; 6 — выхлопная система дизеля; 7 — дизель-генератор; 8 — главный воздушный резервуар; 9 — кузов машинного помещения; 10 — блок фильтров системы централизованного воздухоснабжения; 11 — вентиляторная установка централизованного воздухоснабжения; 12 — топливный бак; 13 — мотор-компрессор; 14 — выпрямительная установка;
15 — высоковольтная камера; 16 — кабина машиниста; 17 — кузов аккумуляторного помещения; 18 — бункер задней песочницы; 19 — аккумуляторная батарея; 20 — выносной пульт управления; 21 — основной пульт управления; 22 — установка пожаротушения; 23 — топливоподкачивающий агрегат; 24 — топ-о ливоподогреватель; 25 — стартер-генератор; 26— возбудитель; 27 — раздаточный редуктор; 28— бункер передней песочницы; 29— маслопрокачивающий агрегат
Тяговый генератор ГС-515У2 — это 12-полюсная синхронная электромашина переменного тока. Ток выпрямляется в выпрямительной установке 14 типа УКТВ-8. Электрическая передача тепловоза совместно с объединенным регулятором дизеля реализует использование полной мощности дизеля до скорости не менее 85 км/ч, а также силы тяги по сцеплению, начиная с 4-й позиции контроллера. Система управления электрической передачей обеспечивает ограничение наибольшего тока, обнаружение и прекращение боксования, работу тепловоза с одним отключенным тяговым двигателем. Для охлаждения тяговых электрических машин, выпрямительной установки, управляемого выпрямителя возбуждения и наддува высоковольтной камеры применено ЦВС, как и на тепловозе ТЭП70.
Кузов тепловоза капотного типа, он состоит из таких же основных частей, что и на тепловозе ТЭМ2У. Кабина машиниста 16 съемная, установлена на резинометаллических амортизаторах и отделена резиновыми уплотнителями от других частей кузова. Главная рама тепловоза через роликовые опоры и винтовые пружины опирается на промежуточные рамы четырехосных тележек.
Конструкция тепловоза постоянно совершенствовалась. На тепловозе ТЭМ7А возбудитель и стартер-генератор установлены на тяговом генераторе с приводом непосредственно от дизеля. Таким образом, отпала необходимость в тяжелом и недостаточно надежном раздаточном редукторе. Введены также некоторые изменения в электрической схеме тепловоза и в электрооборудовании.
Четырехосный тепловоз ТЭМ21 оснащен электрической передачей переменного тока. Создан в 2001 г. совместно специалистами Брянского машиностроительного завода и ВНИКТИ. Предназначен для маневровой, вывозной и диспетчерской работы. Не уступая тепловозу ТЭМ18 по тяговым качествам, ТЭМ21 принципиально отличается по оборудованию и компоновке от ранее выпускавшихся Брянским заводом тепловозов с электрической передачей (рис. 6.9).
В дизельном помещении размещен дизель 2-6Д49 производства Пензенского дизельного завода мощностью 1103 кВт с неохлаж-даемыми коллекторами, обеспечивающий низкий расход топлива. На одной поддизельной раме установлены дизель и синхронный тяговый генератор ГСТ 1050-1000, особенность которого в
510
Рис. 6.9. Тепловоз ТЭМ21.
1 — охлаждающее устройство; 2 — мотор-вентилятор холодильной камеры; 3 — водяной бак; 4, 18 — воздухоочиститель; 5 — искрогаситель; 6 — дизель-генератор; 7 — мотор-вентилятор; 8 — капот; 9 — тяговый преобразователь; 10 — кондиционер; 11 — кабина машиниста; 12 — отсек контрольных приборов; 13 — электрический тормоз; 14 — главная рама; 15 — аппаратная камера; 16 — тележка; 17 — мотор-вентилятор охлаждения тяговых электрических машин; 19 — стартер-генератор; 20 — топливный бак с аккумуляторными батареями; 21 — воздушный резервуар; 22 — топливоподкачивающий агрегат; 23 — — мотор-компрессор; 24 — механизм передачи силы тяги; 25 — песочный бункер; 26 — переходная площадка
трех трехфазных обмотоках (две тяговые, третья — для питания электроприводов вспомогательных агрегатов) с единой магнитной системой. На тяговом генераторе расположен стартер-генератор 19. В машинном отделении установлен компрессор 24 типа ВУ 3,5/10-1450 с электроприводом и инерционные воздухоочистители дизеля типа УТВ. Снизу к главной раме подвешен топливный бак 20 с аккумуляторами в специальных нишах.
В помещении преобразователей располагаются: два статических преобразователя 9 для питания электродвигателей передней и задней тележек, мотор-вентилятор 17 охлаждения тяговых двигателей, блоки тормозных тиристоров, регулятор напряжения и оборудование, обеспечивающие функционирование микрокомпрессоров системы управления, контроля и диагностики узлов локомотива.
В передней части тепловоза установлены холодильная камера 1 с секциями радиатора, осевым мотор-вентилятором 2, с питанием от индивидуального преобразователя частоты, полнопоточный масляный фильтр, топливоподогреватель. Сзади кабины располагаются в специальном отсеке кузова электрический реостатный тормоз и аппаратная камера. Электрический тормоз используется для остановочного торможения при маневровых работах, а также для подтормаживания состава на спуске без применения автотормозов.
Локомотив оснащен аппаратурой для управления по системе двух единиц, комплексным устройством безопасности (КЛУБ), системой сбора параметров движения, двухдиапазонной радиостанцией. Предусмотрена возможность управления локомотивом машинистом без помощника. Комфортные условия в кабине обеспечиваются отопительно-вентиляторной установкой и транспортным кондиционером, есть холодильник и электроплитка для подогрева пищи.
Тепловоз ТГМ6Д предназначен для маневровой и вывозной работы на железных дорогах металлургических, химических и других промышленных предприятий с колеей 1520 мм, а также на железных дорогах с колеей 1435 мм габарита подвижного состава, близкого к габариту 02-ВМ.
Наличие гидропередачи с приводом колес через карданные валы и осевые редукторы обеспечивает надежную работу тепловоза в запыленных и загазованных условиях.
512
Рис. 6.10. Тепловоз ТГМ6Д:
1 — рама тепловоза; 2 — аккумуляторная батарея; 3 — кабина машиниста; 4 — компрессор; 5 — масляный бак; 6 — вспомогательный генератор; 7 — резервуар пожаротушения; 8— дизель; 9— выхлопная система дизеля; 10 — воздухоочиститель дизеля; 11 — водяной бак; 12 — холодильная камера; 13 — гидроредуктор привода вентилятора; 14, 20 — бункеры для песка с песочницами; 15 — осевой редуктор; 16 — главный воздушный резервуар; 17—топливный бак; 18— раздаточный карданный вал; 19 — тележка; 21 — путеочиститель; 22 — умывальник; 23 — гидропередача; 24 — топ-ливоподогреватель; 25 — маслопрокачивающий агрегат; 26 — маслоохладитель; 27— полнопоточный фильтр масла; 28 — масляный фильтр гидропередачи; 29 — топливоподкачивающий агрегат; 30— аппаратная камера
Тепловоз ТГМ6Д (рис. 6.10) создан на базе тепловоза ТГМ6А. Накопленный опыт эксплуатации и технического обслуживания тепловоза ТГМ6А позволил усовершенствовать конструкцию тепловоза ТГМ6Д. Так, для улучшения обзора при движении вперед кабина 3 была передвинута к центру тепловоза, а аккумуляторы 2 размещены в аккумуляторной камере, расположенной, как и на тепловозах ТЭМ2У и ТЭМ7, за кабиной. Аппаратная камера 30 вынесена из кабины и установлена в дизельном отсеке перед каби
513
ной. Применен более экономичный восьмицилиндровый дизель типа 7-6Д49 с газотурбинным наддувом и промежуточным охлаждением наддувочного воздуха. Номинальная мощность дизеля 880 кВт при частоте вращения коленчатого вала 950 мин-1. Система охлаждения дизеля двухконтурная.
На тепловозе применена унифицированная гидропередача УГП 1200/202М 23 с двумя трансформаторами. Использование на локомотиве ТГМ6А третьего гидроаппарата (гидромуфты), предназначенного для работы на повышенных скоростях движения, оказалось неоправданным. Тепловоз практически не эксплуатируется в том диапазоне скоростей, в котором должна работать гидромуфта. При движении тепловоза на гидротрансформаторах насосное и турбинное колесо гидромуфты вращаются вхолостую, при этом из-за вентиляционных потерь КПД гидропередачи уменьшается. В гидропередачу тепловоза ТГМ6Д встроена гидромуфта переменного наполнения, от которой приводится компрессор. На тепловозе ТГМ6А для этого применен гидромеханический редуктор.
Вспомогательный генератор 6 установлен сверху на гидропередаче и приводится во вращение через механический редуктор от верхнего вала гидропередачи.
В передней части тепловоза расположена холодильная камера 12, состоящая из водяных радиаторных секций, вентилятора, гидромеханического редуктора 13 с карданными валами. Система охлаждения тепловоза двухконтурная. Автоматика обеспечивает совместное открытие жалюзи, включение и отключение вентилятора. Тепловоз оборудован двумя топливными баками (левый и правый), подвешенными в средней части. Топливо забирается из левого бака. В раме тепловоза расположены четыре бункера для песка. Трансмиссия включает два раздаточных карданных вала, четыре двухступенчатых осевых редуктора и два тележечных кардана.
Тепловоз оборудован автоматическим и ручным тормозами, пожарной сигнализацией, установкой пожаротушения, пневматическими стеклоочистителями, приводом для расцепки автосцепки из кабины машиниста, воздушной системой для разгрузки само-разгружающихся вагонов (думпкаров), системой бдительности и другими устройствами, облегчающими его эксплуатацию и повышающими безопасность движения.
514
Тепловоз ТГМ23В предназначен для использования на промышленных предприятиях. На тепловозе (рис. 6.11) установлены четырехтактный дизель 4 типа 1Д12-400 мощностью 294 кВт и гидравлическая передача ГМ23В с гидротрансформатором и двумя гидромуфтами или ГП400/20-2 с двумя гидротрансформаторами. У тепловоза, в отличие от других, однорамный безтележечный экипаж. Для привода колес используется простой и надежный спар-никовый механизм. На раме тепловоза за кабиной установлен компрессор типа ПК-35М с клиноременным приводом от гидропередачи 7, которая находится под кабиной. От гидропередачи крутящий момент передается на реверс-редуктор 6, расположенный между первой и второй колесными парами. В редукторе выходным элементом является отбойный вал, на концы которого насажены повернутые относительно друг друга на 90° кривошипы, на пальцы которых надеты спарники, приводящие в движение колесные пары. Спарниковый механизм не допускает размещение букс и рессорного подвешивания снаружи рамы, поэтому они расположены внутри рамы. Доступ к этим элементам в эксплуатации затруднен.
Рис. 6.11. Тепловоз ТГМ23В:
7 — компрессор; 2 — кабина; 3 — топливный бак; 4 — дизель; 5 — холодильная камера; 6 — реверс-редуктор; 7— гидропередача
515
Впереди на раме тепловоза находится холодильная камера 5 с водовоздушными радиаторами и осевым вентилятором, приводимым во вращение от дизеля через редуктор с гидромуфтой. Масло дизеля и гидропередачи охлаждается в сдвоенном теплообменнике.
6.4. Дизель-поезда и автомотрисы
Предназначены для пассажирских перевозок в пригородном сообщении на неэлектрифицированных линиях. Кроме того, некоторые типы автомотрис используются в служебных целях, главным образом для доставки бригад по ремонту пути к месту работы.
Дизель-поезда и пассажирские автомотрисы. Местные и пригородные перевозки на тепловозной тяге составляют примерно 25 % от общего объема таких перевозок. На 2000 г. парк дизельного моторвагонного подвижного состава (МВПС) был представлен венгерскими дизель-поездами Д1, латвийскими — ДР1А и японскими — Д2 (на Сахалине). Он распределен по 10 магистралям. Основу парка (42,2 %) составляют дизель-поезда Д1, более половины которых с просроченным сроком службы, и автомотрисы АЧ2 (40,5 %). Потребность в МВПС на 2000 г. была удовлетворена на 40 %. Поэтому значительная часть перевозок в местном и пригородном сообщении обеспечивалась тепловозами. Технические характеристики эксплуатирующихся ди-зель-поездов и автомотрисы АЧ2 приведены в табл. 6.3.
В соответствии с требованиями к подвижному составу, предназначенному для массовых перевозок пассажиров на короткие расстояния, дизель-поезда необходимо строить с малой массой в расчете на одного пассажира, высокой удельной мощностью, хорошей маневренностью (может работать «челноком» в обоих направлениях), возможностью работы двумя секциями с управлением от первого моторного вагона, обеспечивать удобства для пассажиров. В дизель-поездах применяется пневматическое управление дверьми с поста машиниста. На указанных в табл. 6.3 дизель-поездах в моторных вагонах часть пространства кузова занята силовой установкой и системами ее обслуживания (машинное отделение) (рис. 6.12). Поэтому пассажировместимость моторного вагона меньше. В моторных вагонах одна тележка, обычно первая, движущая, а вторая — поддерживающая. У дизель-поезда ДР1А
516
Таблица 6 3
Технические характеристики дизель-поездов и пассажирских автомотрис
Показатель Серия
Д1 ДР1А АЧ2
Год начала выпуска Мощность по дизелю, кВт Тип дизеля Количество моторных вагонов Количество прицепных вагонов Скорость конструкционная, км/ч Максимальное ускорение при разгоне, м/с2 Длина моторного вагона, мм Длина прицепного вагона, мм Масса моторного вагона, т Масса прицепного вагона, т Количество мест для сидения; в моторном вагоне в прицепном вагоне Тип передачи 1964 2x735 12У 2 2 120 0,30 25500 25040 68,5 36,5 77 128 Гидромеханическая 1976 2x735 М756Б 2 2-4 120 0,54* 26512 26082 55,6 35,5 68 124 Гидравлическая 1984 2x735 М756Б 2 2-4 120 25000 25000 59 37 67 123 Гидравлическая
* При четырехвагонной составности.
движущая тележка двухосная, у Д1 — трехосная, средняя ось поддерживающая. Дизель и гидропередача дизель-поезда ДР1А установлены на раме кузова, у Д1 гидропередача — на раме тележки. Тележка дизель-поезда Д1 значительно сложнее по конструкции, имеет большую колесную базу — 4170 мм (дизель-поезд ДР1 — 2700 мм), а следовательно,и массу.
В 1984 г. чехословацкий завод «Вагонка-Студенка» изготовил для железных дорог Советского Союза 4-осную автомотрису АЧ2 (рис. 6.13). На автомотрисе установлены двухтактный дизель М756Б мощностью 750 кВт и гидравлическая передача типа ГПД 10004. От гидропередачи тяговый момент карданными валами и осевыми редукторами передается на колесные пары передней ведущей тележки. Конструкционная скорость 120 км/ч. В автомотрисе 67 мест для сидения; к ней можно прицепить один-два вагона по 123 места для сидения. Так же, как и у дизель-поезда, входные двери автомотрисы оборудованы пневматикой. Таким образом, автомотриса АЧ2 с прицепными вагонами является дизель-поездом.
517
Рис. 6.12. Моторный вагон дизель-поезда ДР1А:
1 — гидропередача; 2 — компрессор; 3 — блок холодильника; 4 — дизель; 5 — выхлопная труба; 6 — стартер-генератор; 7—главный воздушный резервуар; 8 — вентиляционно-отопительная установка;
9— аккумуляторная батарея; 10 — топливный бак
Рис. 6.13. Автомотриса АЧ2:
1 — моторная тележка; 2 — поддерживающая тележка; 3 — передняя кабина; 4 — шкафы с электрической аппаратурой; 5 — моторный отсек; 6 — передний пассажирский салон; 7 — тамбур; 8 — санузел; 9 — задний пассажирский салон; 10 — служебное купе; 11 — служебный тамбур; 12 — задняя кабина
В перспективном дизель-поезде ДП1 с электрической передачей переменного тока предполагается использовать отечественное оборудование. Его вагоны, электрический привод, ходовую часть предполагается унифицировать с электропоездами. Основная модель дизель-поезда представляет собой головной вагон с подвагонным дизель-генератором мощностью 550 кВт и моторный вагон с двумя тяговыми асинхронными двигателями, инверторами, коммутирующей аппаратурой. При распределении оборудования в двух вагонах можно использовать без больших переделок вагоны электропоездов и обеспечить низкую нагрузку от оси на рельсы. Подвагонное расположение силового оборудования значительно увеличит пассажировместимость дизель-поезда. Возможны модификации поезда в четырех- и шестивагонном исполнении.
В дальнейшем предполагается создание дизель-поезда ДП2. Он будет формироваться из специальных облегченных вагонов из алюминиевых сплавов. Его экипажная часть будет состоять из одноосных моторных и безмоторных тележек с радиальной установкой колесных пар. Тяговая передача — переменного тока будет унифицирована с пригородным электроподвижным составом. Силовая установка — газотурбинный двигатель мощностью 2000 кВт, теплообменник — регенератор и генератор переменного тока.
Силовое оборудование данного поезда также распределяется по составу. Рассматривается возможность применения в качестве топлива пропан-бутановых смесей, природного газа или альтернативных жидких топлив, синтезированных из природного газа. Предусматривается кондиционирование салонов. Прорабатывается вариант поперечного наклона кузова для поездов, предназначенных для эксплуатации в горной местности с кривыми участками пути малого радиуса.
В 2010—2020 гг. поезда ДП2 будут основным типом МВПС и заменят поезда Д1, ДР1А, ДП1, автомотрису АЧ2, а также пригородные поезда с тепловозной тягой. Они будут существенно превосходить существующие дизель-поезда и автомотрисы по технико-экономическим показателям:
- удельная масса 0,4 т/пас. вместо 0,7—0,8;
- удельная мощность 30 кВт/т вместо 6—7;
- удельный эксплуатационный расход топлива 0,2 кг/(кВт-ч) место 0,24;
520
- стоимость пассажиро-км меньше в 1,5 раза;
- срок окупаемости 2—2,5 г.
Автомотриса, названная рельсовым автобусом РА1, была построена Мытищинским заводом в 1998 г. (рис. 6.14). Она состоит из кузова длиной 22850 мм, включающего две кабины управления, пассажирский салон на 78 мест для сидения, двух тележек (ведущей и поддерживающей), дизеля, гидропередачи и трансмиссии.
Кузов представляет собой несущую конструкцию каркасно-панельного типа, выполненную из нержавеющей и углеродистой сталей. Для уменьшения шума и вибрации на обивку кузова, перегородки, пол нанесены шумопоглащающие и теплоизолирующие покрытия. Внутренняя отделка салона и кабины выполнена из трудногорючих пластиковых материалов. Между кабинами и пассажирским салоном имеются тамбуры с открывающимися автоматическими четырьмя дверями для входа-выхода пассажиров. Выход из кабин через тамбуры.
Силовая передача состоит из четырехтактного дизеля MTU6R183TD13H (Германия) с горизонтальным расположением цилиндров (шесть) мощностью 315 кВт при 2100 мин-1, гидропередачи VOITH Т21 Ire с гидротрансформатором и гидромуфтой, карданных валов и осевых редукторов движущей тележки. Силовой блок, включающий двигатель с системами, гидропередачу и охлаждающее устройство, смонтирован на общей раме и подвешен под полом кузова на четырех амортизаторах.
Двухосные тележки рамной сварной конструкции имеют двухступенчатое рессорное подвешивание с винтовыми пружинами в первой и пневморессорами во второй ступенях. Тележки отличаются друг от друга наличием элементов тягового привода и формой поперечных балок рамы.
Служебные автомотрисы предназначены для выполнения инспекторских поездок, перевозки ремонтных рабочих и специализированных единиц подвижного состава.
Наиболее распространенная двухосная автомотриса АС 1А выпускалась в 60—80 гг. прошлого века Великолукским тепловозоремонтным заводом. У нее есть две кабины управления, в одной из которых установлен силовой агрегат и салон на 24 посадочных места. Автомотриса оснащена бензиновым двигателем типа ГАЗ-51
521
1040
12600
23500
Рис. 6.14. Рельсовый автобус РА1
мощностью 50 кВт, механической передачей с приводом на заднюю ось; конструкционная скорость — 80 км/ч. К автомотрисе можно прицепить подвижной состав массой до Ют,
На модернизированной автомотрисе AC 1М установлен двигатель автомобиля ЗИЛ-130 мощностью 110 кВт с механическим приводом на две колесные пары. В кузове два поста управления и отделение для пассажиров и инструмента. Автомотриса оборудована колодочным тормозом с пневматическим и ручным приводом, потолочной вентиляцией, звуковыми сигналами, отоплением, песочницами. Она может использоваться как тяговая единица при транспортировке грузовых платформ массой 170 т при маневровых работах и 34 т при следовании по перегону. Конструкционная скорость — 90 км/ч.
Двухосная автомотриса АС4 Людиновского завода состоит из двух кабин управления, моторного отсека и пассажирского салона на 28 посадочных мест. Конструкционная скорость — 100 км/ч. В моторном отсеке установлены четырехтактный дизель типа ЯМЗ-240Д мощностью 235 кВт и оборудование, необходимое для его обслуживания, компрессор и вспомогательный генератор. Под пассажирским салоном на раме кузова подвешены гидропередача ГП320, а также синхронный генератор мощностью 20 кВт для производства сварочных работ и питания различного электроинструмента. Привод одной движущей колесной пары осуществляется от гидропередачи через карданный вал и осевой редуктор.
Начиная с 2000 г. Людиновский завод стал выпускать более совершенную автомотрису АС4МУ.
Автомотриса АС4МУ (рис. 6.15) изготовлена с более длинным кузовом (расстояние между автосцепками 20320 мм, у автомотрисы АС4 — 14530 мм), опирающимся на две двухосные бесчелюстные тележки, одна из которых тяговая. На раме кузова установлены две кабины управления 1,14, два пассажирских салона 4, 6, разделенных тамбуром 5 с общим количеством посадочных мест 48, моторный отсек и два служебных тамбура 3,13 за кабинами. В тамбуре 3 сделан вход в туалет. Силовое и вспомогательное оборудование, а также его расположение аналогично автомотрисе АС4.
Кроме описанных служебных автомотрис, в путейском хозяйстве железных дорог и промышленных предприятий эксплуатируются автомотрисы, предназначенные, кроме перевозки ремонтных
523
Рис. 6.15. Автомотриса АС4МУ:
1,14 — кабины; 2, 5, 13 — тамбуры; 3 — санузел; 4, 6 — помещения для бригад; 7 — генератор синхронный; 8—воздухоочиститель; 9—выхлопная система; 10—охлаждающее устройство; 11 —дизель;/2 — компрессор; 15 — песочница; 16 — приводная тележка; 17 — кардан; 18 — воздушный резервуар; 19 — топливный бак; 20 — гидропередача; 21 — ящик для инструмента; 22 — рама автомотрисы; 23 — поддерживающая тележка
бригад в количестве от 5 до 12 человек, для выполнения различных работ: транспортировки ремонтных материалов, погрузочно-разгрузочных, сварочных, монтажных, ремонта контактной сети, подключения внешних электропотребителей, дефектоскопии рельсов, уборки мусора и снега с железнодорожного полотна и др. Это автомотрисы типа АДМ, АДМС производства ПО «Тихорецкпуть-маш»; АГД-1 А, АГС-1, АРВ-1 производства АО «Муромтепловоз»; АГД-1М, AC-IM, АС-1А, АСД-1М производства калужского завода «Ремпутьмаш»; дефектоскопная автомотриса АДЭ-1 производства ОАО «Калугапутьмаш» и др.
Большинство из них оборудовано дизельной энергетической установкой, гидравлической передачей, гидрообъемным приводом рабочих органов, генератором для питания внешних электропотребителей; экипажная часть — двухосная, за исключением четырехосных автомотрис типа АС, АСД, АДЭ.
6.5. Газотурбовозы и турбопоезда
Газотурбовозы. Газовая турбина применяется во многих тепловозах. Однако о ней можно говорить как о вспомогательном агрегате тепловозных дизельных установок, входящем в систему газотурбинного наддува. С повышением давления наддува растет мощность газовой турбины, и в ряде случаев оказывается возможным отбор избыточной мощности на вал дизеля.
По своей сущности газотурбинный двигатель (ГТД) привлекателен как транспортная силовая установка тягового подвижного состава: высокая удельная агрегатная мощность и надежность, низкая металлоемкость, широкий выбор применяемого топлива, большой моторесурс, низкие затраты на уход и ремонт и другие качества — достоинства ГТД. Применение газовых турбин для локомотивов в своей начальной стадии почти совпало с их широким внедрением в авиацию. В Советском Союзе первый газотурбовоз Г1 был построен на Коломенском тепловозостроительном заводе в 1959 г. В авиации решающими для применения в тот период оказались высокие удельные мощностные показатели турбин. В условиях железнодорожного транспорта проблема использования ГТД натолкнулась на низкую тепловую экономичность — один из определяющих эксплуатационных факторов.
525
Конкурировать с более экономичным тепловозным дизелем газовые турбины не могли. Этим объясняется то, что газотурбинная тяга тогда в СССР и за рубежом не вышла за рамки экспериментальных конструкций или небольших промышленных партий.
В первых отечественных газотурбовозах Г1 (грузовой) и ГП1 (пассажирский) применены одновальные газотурбинные двигатели ГТ-3,5 мощностью 2574 кВт, приводившие через редуктор два генератора постоянного тока (рис. 6.16). Для выполнения маневровых передвижений в газотурбовозах использовался вспомогательный дизель-генератор мощностью 220 кВт. Для ГТД применялось тяжелое жидкое топливо — дистиллят, образующийся при замедленном коксовании топлива в процессе получения электродного кокса. Одновальный ГТД, как и дизель, не создает гиперболическую внешнюю характеристику, необходимую для локомотивной тяги, и требует введения передачи мощности. Дальнейшим развитием ГТД стало создание универсальных агрегатов со свободной силовой турбиной для осуществления жесткой (прозрачной) связи выходного турбинного вала с движущимися колесными парами. Такая связь может быть реализована в виде механической передачи или электрической, в том числе переменного тока. Частотное регулирование тяговых машин в последнем случае осуществляется изменением частоты вращения свободной тяговой турбины. Коломенским заводом был разработан проект газотурбовоза с двухвальной ГТУ — ГТ-6 мощностью 4400 кВт, более экономичного, чем тепловоз ТЭП60.
Прекращение газотурбовозостроения не было обосновано техникоэкономически. Оно было силовым, так как Коломенскому заводу потребовались производственные мощности для производства дизелей.
Эксплуатация газотурбовозов Г1 с судовой турбиной показала, что расход топлива на измеритель поездной работы был в 1,8—2,2 раза выше, чем расход топлива тепловозов ТЭЗ, работающих на тех же участках. Максимальный КПД составил 20,8 %. Повышения топливной экономичности можно достигнуть применением регенератора, в котором сжатый воздух после компрессора нагревается отводимыми от турбины газами до температур 250—300 °C и поступает в камеру сгорания, температура газов перед турбиной может быть равной 1000—1300 °К. При этом в камере сгорания необходимо меньше сжигать топлива, чтобы получить такой же темпера-
526
16000
Рис. 6.16. Газотурбовоз Г1-01:
1 — охлаждающее устройство; 2 — компрессор; 3 — камера сгорания; 4 — газовая турбина; 5 — редуктор;
6 — тяговые генераторы; 7 — вспомогательный генератор; 8 — возбудитель; 9 — высоковольтная камера;
10— тормозной компрессор; II — маневровый генератор; 12 — вспомогательный дизель; 13 — бак дизельного топлива; 14 — котел-подогреватель; 15 — бак тяжелого топлива
турный напор в газовой турбине, что и без регенератора. Существуют и другие способы повышения КПД ГТУ.
ВНИИЖТом и ВНИКТИ ведутся проектно-исследовательские работы по созданию газотурбинного тягового подвижного состава на основе достижений отечественного двигателестроения. Развитие авиационных ГТД характеризуется увеличением температуры газа перед турбиной (7"г) на 100—150 °C и степени повышения давления воздуха в компрессоре (лк), применением новых передовых конструктивных решений и технологий. Освоенные авиационные двигатели характеризуются величинами Тг = 1600—1750 К, лк = 25—35 при КПД т]е = 25—34 %. Основные технические характеристики некоторых отечественных ГТД, которые рассматриваются для разработки в локомотивостроении, приведены в табл. 6.4.
ВНИИЖТом установлена возможность создания для железнодорожного транспорта на базе двигателя ТВЗ-117 газотурбинной установки с регенерацией тепла за силовой турбиной. При температуре газа перед охлаждаемой турбиной T*r = 1500 °К возможно достижение максимальной мощности 2900 кВт и КПД до 42 %, а при применении керамической неохлаждаемой турбины — газогенератора получить мощность 3200 кВт и КПД до 45 % с моторесурсом более 60 000 часов. Ориентировочные массогабаритные показатели ГТД различной мощности для локомотивов представлены в табл. 6.5. В качестве топлива для локомотивных ГТД могут использоваться пропан-бутан, сжатый или сжиженный газ.
Таблица 6.4
Основные характеристики ГТД
Марка ГТД Т’е, МВт Пе, % GB, кг/с тг, К 7tK Г абариты ГТД, м Масса ГТД, т Состояние разработки
РД-1700 3,77 34,1 15,9 1350 12,8 3,5 х 2x2 2,0 ОКР
Д049 2,85 28,5 14,9 1223 12 3 х 1,2 х 2 1,5 Серийное пр-во
ГТД-1,5 1,5 26,2 7,5 1340 13 2,14 х 0,94 X х 0,88 0,52 Опытное пр-во
ТВЗ-117 1,77 25,3 9,3 1180 9,73 2,06 х 0,66 х х 0,73 0,285 Опытное пр-во
ГТД-1250 0,81 26,7 4,48 1212 10,2 1,48 х 1,04 х х 0,93 1,05 Серийное пр-во
НК-361 8,3 28,2 53,4 1128 11,63 1,48 х 1,04 х х0,13 9,48 Опытное пр-во
528
Таблица 6.5
Массогабаритные показатели газотурбинных двигателей (ГТД)
Мощность, кВт Частота вращения выходного вала, мин'1 Длина, мм Ширина, мм Высота, мм Масса, кг
1000 1500 1500 1600 1800 1000
2500 1500 2000 1600 1800 1500
3500 1500 2500 1600 1800 2000
4500 1500 4200 1800 2400 4000
Специалистами ВНИИЖТа совместно с Людиновским заводом и Центральным институтом авиамоторостроения выполнена эскизная проработка маневровых и магистральных газотурбовозов на базе шестиосного экипажа при применении различных видов топлива. На рис. 6.17 показана компоновка магистрального газотурбовоза на пропан-бутане. Локомотив с передачей переменно-постоянного тока выполнен с несущим кузовом, длина по осям автосцепок 21,5 м. В качестве прототипа использована тележка тепловоза ТЭП70. По концам кузова расположены кабины машиниста 1, за передней кабиной располагается аппаратная камера 2. В машинном помещении установлены: ГТД 4 мощностью 2500—3500 кВт, синхронный генератор 6, вентилятор ЦВС тягового электрооборудования 3, блок тормозного оборудования с компрессором 5 и баллоны с запасом газа 7. В трех блоках баллонов (всего их 60) хранится запас топлива 7000 кг. Снизу между тележками вместо топливного бака располагается емкостной накопитель энергии 8. Накопители энергии представляют из себя набор конденсаторов, которые заряжаются при электродинамическом торможении локомотива и накапливают энергию, а затем она используется для питания, совместно с генератором тяговых электродвигателей.
В США, начиная с 1998 г., компанией «Bombardier transportation» ведется работа по созданию газотурбовозов. В 2002 г. для скоростного поезда «Jet train» изготовлен шестиосный газотурбовоз с газовой турбиной PW150 мощностью 3750 кВт на дизельном топливе. Длина газотурбовоза 21 200 мм, служебная масса 90 750 кг. Он рассчитан на вождение пассажирских поездов со скоростями до 250 км/ч. В тяговом приводе применены асинхронные двигатели с питанием от преобразователей на ЮВТ-транзисторах.
529
Рис. 6.17. Проект газотурбовоза на пропан-бутане:
1 — кабина машиниста; 2 — аппаратная камера; 3 — вентилятор централизованного воздухоснабжения; 4 — газовая турбина; 5 — компрессор; 6 — генератор; 7 — баллоны с газом; 8 — накопители энергии;
9 — электрический тормоз
Турбопоезда. В 60—70 гг. XX века в Советском Союзе и за рубежом было создано несколько опытных конструкций турбовагонов и турбопоездов на основе авиационных газотурбинных двигателей.
Приоритет в создании газотурбинных поездов принадлежит СССР: в 1963 г. отделением энергетики ВНИИЖТа под руководством Л.А. Шевченко и С.А. Гринева был построен первый турбопоезд на базе экипажа и кузова двухвагонного дизель-поезда.
Небольшие размеры ГТД и высокооборотного генератора сделали возможным размещение силовой установки в крыше моторных вагонов. За рубежом турбопоезда строились и успешно эксплуатировались в США, Канаде, Франции, Германии и Великобритании, а также эксплуатировались в Иране. Опыт строительства и эксплуатации турбопоездов показал, что преимущества газотурбинной тяги особенно проявляются для скоростного подвижного состава, движущегося со скоростями 200—300 км/ч. Опытный пятивагонный французский турбопоезд TGV достиг наибольшей скорости 318 км/ч. В моторных вагонах этого турбопоезда установлены два двухвальных ГТД, работавших на общий генератор переменного тока мощностью 2250 кВт, выпрямитель, глушители шума на всасывании воздуха и на выпуске газов, электрический реостатный тормоз, электро- и пневмоаппаратура. В дальнейшем на французские железные дороги стали поступать серийные турбопоезда ETG и RTG фирмы «Turboliner».
Моторный вагон турбопоезда имел обтекаемую форму, все вагоны были оборудованы устройствами для принудительного наклона кузова в кривых, тележки оборудованы мягким двухступенчатым подвешиванием, на одну тележку опирались концы двух соседних вагонов, включая и моторные, в салонах вагонов созданы комфортные условия для пассажиров: мягкие кресла, кондиционирование, телефонная связь, телетрансляция и т.д. Однако эксплуатация поездов TGV с газотурбинной тягой оказалась недолгой. Во Франции уже в 70-х гг. все основные железнодорожные магистрали были электрифицированы. Поэтому параллельно с газотурбинной тягой на некоторых построенных скоростных линиях стала внедряться и электрическая тяга: были созданы высокоскоростные электропоезда с распределенной тягой по всей длине поезда. Выявились преимущества электропоездов: при одинаковой состав-
531
ности (длине) поезда бблыпая пассажировместимость за счет головных вагонов, все основное силовое оборудование располагалось под вагонами; уменьшилась нагрузка от оси на рельсы у головных вагонов; исчезла проблема борьбы с шумом энергетических установок, улучшилась экология вблизи железной дороги, связанная с выбросом турбопоездами отработавших газов; ббльшее ускорение при разгоне. Поэтому турбопоезда были постепенно вытеснены скоростными электропоездами.
Более долговечной оказалась жизнь турбопоездов на железных дорогах США, Канады и Великобритании, где в основном используется тепловозная тяга. Приобретенные в 1973—1976 гг. у французской фирмы «Turboliner» тринадцать турбопоездов типа RTG и RTL эксплуатировались в штате Нью-Йорк в 90-х гг. прошлого века. Поскольку более чем за 20-летний период эксплуатации изготовители ГТД разработали более совершенные силовые агрегаты, внедрили новые системы управления и диагностики, железнодорожными компаниями Amtrak (США) VIA Rail (Канада) была осуществлена программа модернизации турбопоездов типа RTG и RTL.
Для Российских железных дорог применение турбопоездов привлекательно тем, что этот вид подвижного состава с нагрузкой от оси на рельсы до 14 т можно эксплуатировать повсеместно с высокими скоростями на существующем верхнем строении пути.
6.6. Тяговый подвижной состав с использованием альтернативных видов топлива
Конец XX века ознаменовался интенсивными поисками альтернативных видов топлива для двигателей внутреннего сгорания. Велись работы по применению в качестве топлива спирта, водорода, природного газа. Наиболее перспективен в качестве моторного топлива природный газ. Использование природного газа для различных видов транспортных машин является долговременной мировой тенденцией. Осуществляется перевод на газ автомобильного транспорта, силовых установок танкеров-газовозов, дизельных стационарных электростанций, сельскохозяйственной и другой транспортной техники.
532
Эффективность применения природного газа в двигателях внутреннего сгорания определяется такими положительными свойствами газа, как повышенная (примерно на 10 %) теплота сгорания, детонационная стойкость, возможность работы на более бедных смесях, а главное — значительное уменьшение вредных выбросов с отработавшими газами. При эксплуатации газовых двигателей повышаются ресурс и межремонтный пробег в 1,5—2 раза, увеличивается срок службы моторного масла, что дает возможность снизить его расход на 30—40 %. Благодаря энергетическим преимуществам газового топлива создаются газовые и газодизельные двигатели с более высокими, чем у дизельных двигателей, топливно-экономическими, ресурсными и экологическими показателями.
Брянский машиностроительный завод совместно с ВНИИЖТом, ВНИКТИ, а также с Пензенским дизельным заводом занимались решением проблем по созданию маневрового газотепловоза с учетом требования потенциальных покупателей к использованию на тепловозах конвертируемых двигателей (работающих на дизельном и газомоторном топливе). В качестве силовой установки тепловоза применили надежный, хорошо зарекомендовавший себя в эксплуатации серийный дизель типа Д50, работающий по газодизельному циклу.
При работе двигателя на комбинированном топливе в цилиндры вместо воздуха подается смесь воздуха с газовым топливом и впрыскивается дизельное топливо в количестве 15 % от потребного при работе только на дизельном топливе. Этого достаточно для развития температуры, при которой происходит воспламенение воздушно-газовой смеси. Как показали испытания, работа газоди-зеля на всех нагрузочных режимах, включая переходные процессы и конвертирование на дизельное топливо, при подаче газа, начиная с третьей-четвертой позиций контроллера, была устойчивой, реализовалась паспортная мощность, в том числе номинальная — 882 кВт. На двигателе использовалась серийная топливная аппаратура, которая обеспечивала запальную порцию топлива в пределах 15—17 % от необходимой при работе на дизельном топливе. Сохранялись и экономические показатели газодизельного процесса на уровне работы прототипа по дизельному циклу.
533
В 1997 г. Брянским машиностроительным заводом изготовлен маневровый газотепловоз ТЭМ18Г, разработанный на базе серийного тепловоза ТЭМ18. Газотепловоз предназначен для выполнения вывозной, тяжелой маневровой и легкой магистральной работы на железных дорогах и на промышленных предприятиях в районах с умеренным климатом при температуре окружающей среды от плюс 40 до минус 50 °C. Особенностью газотепловоза является его способность работать на сжатом природном газе с добавлением запальной порции дизельного топлива, начиная с четвертой позиции контроллера машиниста по восьмую. В режиме работы на дизельном топливе газотепловоз действует как обычный тепловоз. Запуск газотепловоза производится на дизельном топливе.
Запас сжатого природного газа хранится под давлением 20 МПа в газовых баллонах, объединенных в блок и закрепленных в средней части под главной рамой газотепловоза между тележками. Часть газового оборудования размещена под рамой, другая часть, смонтированная в одном блоке, — в отсеке холодильной камеры. Запас дизельного топлива хранится в четырех топливных баках, расположенных под боковыми переходными площадками в средней части главной рамы локомотива. Запас сжатого природного газа обеспечивает работу газотепловоза в течение трех суток, а с учетом дополнительного запаса дизельного топлива продолжительность работы между экипировками — шесть суток.
Схема размещения оборудования газотепловоза представлена на рис. 6.18. Основные технические показатели газотепловоза соответствует тепловозам ТЭМ2У и ТЭМ18 (см. табл. 6.2).
При разработке конструкции газотепловоза предусмотрены меры по выполнению ГОСТ 12.1.010-76 «Взрывобезопасность. Общие требования». В соответствии с принятыми конструктивными решениями вероятность возникновения взрыва (пожара) на газо-тепловозе определена равной 3-10 8, что значительно меньше регламентируемой указанным стандартом (Г10“6). Безопасность работы газотепловоза обеспечивается системами: контроля и сигнализации концентрации газа; вентиляции; пожарной сигнализации; защит, предусмотренных в газовой системе.
Для предотвращения попадания газа в высоковольтную камеру передняя стенка ее уплотнена по периметру, уплотнены также валы
534
Рис. 6.18. Газотепловоз ТЭМ18Г:
1 — блок газового оборудования; 2 — охлаждающее устройство; 3 — газодизельное помещение; 4 — газодизель; 5 — кожух над газодизелем; б — осевой вентилятор над газодизелем; 7 — тяговый генератор; 8 — перегородка; 9 — жалюзи; 10 — осевой вентилятор над тормозным компрессором; 11 — воздуховод; 12 — высоковольтная камера; 13 — датчики сигнализации концентрации газа; 14 — блок питания и сигнализации концентрации газа; 15 — кабина машиниста; 16 — вентилятор охлаждения преобразователя и наддув кабины; 17 — аккумуляторная батарея; 18 — инвертор; 19 — тяговые электродвигатели задней тележки; 20 — нагнетательные воздуховоды в раме для подвода охлаждающего воздуха к тяговым электродвигателям задней тележки; 21 — воздуховод для наддува высоковольтной камеры; 22 — вентилятор охлаждения тяговых электродвигателей задней тележки; 23 — тормозной компрессор; 24 — баллоны для сжатого природного газа со встроенными отсечными (разрывными) клапанами; 25 — вентилятор охлаждения тяговых электродвигателей передней тележки; 26— нагнетательные воздуховоды в раме для подвода охлаждающего воздуха к тяговым электродвигателям передней тележки; 27 — тяговые электродвигатели передней тележки;
28 — воздуховод для наддува блока газового оборудования
535
приводов двухмашинного агрегата и вентилятора охлаждения тяговых электродвигателей задней тележки, проходящие через эту стенку. Генератор для предотвращения попадания в него газа отделен от газодизеля перегородкой. Над газодизелем установлен кожух, который закрывает трубопровод подачи сжатого природного газа к газодизелю и расположенную на нем газорасходную арматуру. Кожух соединен трубопроводом с атмосферой. Для предотвращения образования взрывоопасной концентрации газа в воздухе под капотом газотепловоз оборудован принудительной вентиляцией блока газового оборудования, высоковольтной камеры, кожуха над газодизелем, помещения над генератором и компрессором, кабины машиниста. Для вентиляции отсека с блоком газового оборудования, размещенного в холодильной камере, в глав-ной раме газотепловоза проложен воздухопровод от нагнетательных воздуховодов системы вентиляции тяговых электродвигателей передней тележки. Для вентиляции кожуха над газодизелем, помещения над генератором и компрессором, кабины машиниста применены электровентиляторы взрывозащищенного исполнения переменного трехфазного тока.
Электродвигатели вентиляторов питаются переменным трехфазным током от размещенного в отсеке над аккумуляторной батареей инвертора; последний преобразует постоянный ток (напряжением 75 В) вспомогательного генератора или аккумуляторной батареи (64 В) в переменный трехфазный ток напряжением 220 В.
Для контроля довзрывоопасных концентраций природного газа в воздухе подкапотного пространства газотепловоза в отсеке холодильной камеры, дизельном помещении, высоковольтной камере размещены восемь датчиков-сигнализаторов концентрации природного газа, а в кабине машиниста установлены восемь показывающих приборов-сигнализаторов, которые управляют системой вентиляции и работой газодизеля в аварийной ситуации.
Тепловоз оборудован: автоматической локомотивной сигнализацией непрерывного действия; устройствами управления тепловозом по системе двух единиц; устройствами системы управления одним лицом; установкой искрогасителя на выхлопе дизеля и экранным глушителем шума на всасывании воздуха в дизель; подогревом наддувочного воздуха дизеля; второй ступенью очистки
536
воздуха, поступающего в дизель; более энергоемким поглощающим аппаратом автосцепки.
Внедрение в народное хозяйство маневровых газотепловозов обеспечивает не только экономию дефицитного дизельного топлива, примерно 70 т/г, на локомотив, но и значительное улучшение экологической ситуации в районе эксплуатации газотепловоза из-за снижения вредных выбросов отработавшими газами. Выбросы токсичных веществ при применении природного газа уменьшаются по оксидам углерода в 1,4 раза, по оксидам азота -— в 2,5 раза.
6.7. Особенности конструкции локомотивов для различных климатических зон
Локомотивостроительными заводами СССР был накоплен большой опыт создания тепловозов для отечественных железных дорог и многих стран мира с самыми разнообразными климатическими условиями: от тропических с жарким влажным климатом (Куба, Гвинея), с сухим жарким климатом (Сирия, Египет, республики Средней Азии Советского Союза) до очень холодных (северные регионы европейской части и Сибири России).
Опыт локомотивостроителей СССР показал, что в деле создания тепловозов для различных климатических зон можно идти двумя путями:
- создавать локомотивы, наиболее приспособленные к конкретным климатическим условиям;
- создавать типовые конструкции локомотивов с высоким уровнем унификации основных узлов, агрегатов и модификацией (модернизацией) их к определенным климатическим зонам.
Второй путь оказался более рациональным для отечественной локомотивостроительной промышленности.
В России значительные территории лежат в зоне холодного климата. Перспективы дальнейшего развития страны во многом связаны с освоением несметных богатств севера европейской части и Сибири. Эта задача немыслима без строительства новых железных дорог с тепловозной тягой. Например, в первом десятилетии XXI века достроится железная дорога к Якутску. Естественно, что локомотивы для таких дорог нужно строить с учетом жестких условий холодного климата регионов с низкими температурами до минус 60 °C.
537
Во время строительства Байкало-Амурской магистрали (БАМ) Брянскому машиностроительному и Луганскому тепловозостроительному заводам правительством СССР было поручено поставить на эту дорогу маневровые и грузовые тепловозы, необходимые для работы во время строительства дороги, а затем в регулярной эксплуатации.
Брянский машиностроительный завод разработал модернизированный вариант тепловоза ТЭМ2, а Луганский завод — специальный четырехсекционный тепловоз 4ТЭ10 мощностью 4x2206 кВт (на базе тепловоза 2ТЭ10М), который можно эксплуатировать в двух- и трехсекционном исполнении. Четырехсекционный тепловоз состоял из двух крайних секций с кабинами управления и двух средних безкабинных. Необходимость в таком тепловозе была связана с особенностями профиля пути БАМа. Тепловозы предназначались для эксплуатации на высоте до 1300 м, на перевалах с затяжными подъемами и спусками до 42 %о, в условиях пониженного содержания кислорода в воздухе. Первые модернизированные тепловозы ТЭМ2 начали эксплуатироваться на БАМе с 1977 г., а тепловозы 4ТЭ10 — с 1983 г.
На основании опыта эксплуатации локомотивов на БАМе, а также на других железных дорогах, в частности на Норильской дороге, обобщены и сформулированы дополнительные требования к проектированию и модернизации тепловозов для условий работы при температуре окружающей среды от минус 60 до плюс 70 °C. Эти требования направлены на обеспечение надежной работы агрегатов и узлов и нормальных санитарно-ги-гиени-ческих условий для локомотивной бригады. Отметим наиболее важные из них.
Материалы и комплектующие изделия для локомотивов подбираются в исполнении «ХЛ» по ГОСТ 15150 с соответствием техническим требованиям и рекомендациям руководящего документа РД 24.048.33-89 «Методические указания: Выбор материалов и комплектующих изделий для тепловозов исполнения «ХЛ».
Для ответственных (несущих) сварных конструкций тепловозов (рам тележек и кузовов) необходимо применять низколегированные стали марок 09Г2, 09Г2Д, 09Г2С; для менее ответственных (не несущих) сварных конструкций допускается применение угле
538
родистых сталей марок СтЗсп, 16Д. Ответственные литые детали рамы тепловоза и тележки необходимо изготавливать из низколегированной хладостойкой стали марок 20ГЛ, 20ФТЛ, ЗОГЛ, ЗОХЛ. Резинотехнические изделия изготавливаются в исполнении «ХЛ», при необходимости они должны быть и маслостойкими.
Для агрегатов и узлов тепловозов, находящихся снаружи (тяговые редукторы, буксы, шкворневые узлы, гасители колебаний и т.д.) нужно использовать специальные смазочные материалы и масла для нормальной работы при температуре минус 60 °C. В зимнее время для дизеля нужно применять зимнее «3» или арктическое «А» топливо.
По агрегатам и системам предусматривается выполнение следующих требований:
- подогрев масла и воды дизеля в масло- и водоподогревате-лях при отстое тепловозов, перед запуском дизеля и при его работе на I и II позициях контроллера;
- применение осушаемого холодильника, обеспечивающего быстрый слив воды в термоизолированный бак и электрический ее подогрев при неработающем дизеле;
- подогрев наддувочного воздуха перепуском воды из «горячего» контура в «холодный»;
- утепление и обогрев аккумуляторных батарей;
- увеличение теплоизоляции крыши и кабины машиниста;
- оборудование лобовых окон и окон входных дверей кабины машиниста стеклами с электропленочным подогревом;
- дополнительная установка в зимний период на боковые стекла кабины машиниста маневровых тепловозов специальных стеклянных ниш — эркеров, обеспечивающих машинисту увеличение обзора без открытия окон;
- применение полнопоточных фильтров масла на дизеле;
- увеличение тепловой изоляции труб подвода воды к калориферам кабины машиниста и обогревателям аккумуляторных батарей;
- применение высокоэффективных систем осушки воздуха воздушной системы тормоза тепловоза.
Для тепловозов, эксплуатирующихся в условиях жаркого или тропического влажного климата, есть свои требования.
539
6.8. Тепловозостроение за рубежом
Тепловозная тяга выполняет около 50 % общего объема мировых перевозок грузов. В инвентарном парке локомотивов наиболее крупных железнодорожных стран мира тепловозы составляют около 64 %. Наиболее распространена тепловозная тяга в США, Канаде, Китае, Индии, России, а также в Южной Америке, Австралии, Африке и в некоторых европейских странах.
Тепловозной тягой в США (сеть 270 тыс. км) и Канаде (сеть 65 тыс. км) выполняется почти 100 % грузооборота железных дорог. Для этих двух стран характерны массовые перевозки грузов на большие расстояния. В 1998 г. эксплуатируемый парк грузовых тепловозов на железных дорогах США первого класса насчитывал более 20 тысяч единиц. В том же году на указанные дороги было поставлено 889 новых и 172 модернизированных тепловоза. Согласно опубликованному американскими специалистами исследованию, железнодорожный транспорт получит предпочтение в освоении новых перевозочных потоков. Считается, что для развития провозной и пропускной способностей железных дорог требуются меньшие затраты, чем для автомобильного транспорта.
Тепловозы в сравнении с автомобильным транспортом расходуют меньше топлива на измеритель перевозочной работы и в 3 раза меньше загрязняют воздушную среду. Преимущества железных дорог еще более убедительны по мере увеличения объема экспортных перевозок на дальность, в среднем до 2400 км.
В США на развитие стальных магистралей расходуются значительные средства. Ежегодные расходы на новый подвижной состав достигают 6 млрд долларов (24 %), техническое обслуживание эксплуатируемого парка 9 млрд (36 %), новый путь и искусственные сооружения 4 млрд (16 %) и текущее содержание инфраструктуры 6 млрд долларов (24 %). В тепловозостроении США наблюдается рост технического уровня и мощности выпускаемых локомотивов. В эксплуатации находится около 4 тыс. новых грузовых тепловозов мощностью 4475 кВт. Такие локомотивы в составе трех секций водят поезда массой до 16 000 т.
Таким образом, преимущество электрической тяги, заключающееся в возможности обеспечения высокой мощности электровозов по сравнению с тепловозной, становится менее существен
540
ным. Использованию тепловозов способствуют и низкие цены на дизельное топливо.
Затраты на ремонт новых тепловозов снижаются благодаря повышению их надежности, что увеличивает межремонтные пробеги. Сервисное обслуживание и использование технических средств диагностики повышают устойчивую работу эксплуатируемого парка тепловозов.
Из литературных источников известно, что в 2000 г. общее количество заказанных и строящихся во всем мире локомотивов было около 5 тыс. единиц (70 % тепловозов и 30 % электровозов).
С 1977 г. компанией «General Electric» было создано 5 типов шестиосных грузовых тепловозов (табл. 6.6), организовано их серийное производство для внутреннего рынка и поставок на экспорт. Электрическая передача тепловозов АС4400 и АС6000 — переменного тока с использованием асинхронных тяговых двигателей на напряжение 1400 В, при нормировании пробега до их капитального ремонта 1600 тыс. км. Предусмотрена установка одного инвертора для каждого двигателя (в отличие от группового) с использованием японских IGBT-транзисторов.
Тележка выполнена с опорно-осевыми подшипниками качения тяговых двигателей и пониженным уровнем передачи тягового уси-
Таблица 6.6
Технические характеристики тепловозов (по данным компании «General Electric»)
Основные показатели Тепловозы Превышение пара-метров тепловоза АС6000 по сравнению с DASH7, %
DASH7 DASH8 DASH9 , АС4400 АС6000
Мощность, кВт 2940 3040 3260 4595 50
Сила тяги длительного режима, кН 360 483 525 738 102
Коэффициент сцепления 0,25 0,28 0,30 0,35 0,37 51
Нагрузка от оси на рельсы, кН 270 270—320 290—320 320 180
Максимальная конструкционная скорость, км/ч 112 120 7
541
лия на кузов. Для привода вспомогательного оборудования используются асинхронные двигатели. Охлаждающее устройство — секционированного типа.
В новых локомотивах задействованы многофункциональные микропроцессорные системы управления передачей мощности, бортовыми средствами диагностики электрических цепей и механического оборудования, электронной системы подачи топлива. Все тепловозы оборудованы электрическим тормозом.
На рис. 6.19 показана конструктивная схема и компоновка самого мощного тепловоза компании «General Electric» АС6000 ка-потного типа с одной кабиной управления 4. Посередине тепловоза установлен дизель 5 типа 7FDH с синхронным тяговым генератором 2. Дизель опирается на раму через упругие прокладки, что уменьшает передачу вибраций на раму локомотива. Снизу к раме между тележками прикреплен сваренный из стального листа толщиной 16 мм топливный бак, образующий с рамой одну несущую конструкцию для уменьшения общей массы кузова. Холодильная камера 6 блочного типа с двумя осевыми вентиляторами, приводимыми асинхронными двигателями. В шахте холодильной камеры установлен вентилятор охлаждения тяговых двигателей 7 и компрессор 3. Шесть модулей инверторных преобразователей 1, а также инверторы электрических приводов вспомогательного оборудования размещены в одном блоке между кабиной и дизель-генератором.
Совместно с европейской промышленной группой «ADtranz» компанией «General Electric» был создан универсальный тепловоз под названием «Blue Tiger». В типаже этого локомотива предусмотрены три модели грузового тепловоза мощностью 1620,2420 и 3235 кВт, один пассажирский и один маневровый тепловоз мощностью соответственно 2420 и 1620 кВт. Универсальные машины могут быть изготовлены с нагрузкой от оси на рельсы от 120 до 250 кН.
Тепловозы создавались на основе модульного принципа для ускорения проектирования и освоения изготовления в различных вариантах, например в кузовном или капотном, а также упрощения технического обслуживания и ремонта. Предусмотрена возможность выпуска как шестиосных тепловозов для вождения грузовых и пассажирских поездов, так и четырехосных для легкой поездной
542
4620
4
5
6 7
Рис. 6.19. Тепловоз АС6000:
1 — модули инверторных преобразователей; 2 — тяговый генератор; 3 — компрессор; 4 — кабина управления; 5 — дизель; 6 — холодильная шахта и вентиляторы; 7 — вентилятор охлаждения тяговых электродвигателей
и маневровой работы. Мощность дизеля выбирается изменением числа цилиндров (8, 12 или 16), весовая характеристика — изменением наибольшей частоты вращения коленчатого вала от 1050 до 1800 мин-1. Основные технические характеристики тепловозов типа «Blue Tiger» приведены в табл. 6.7.
На рис. 6.20 показана общая компоновка базового шестиосного тепловоза «Blue Tiger» мощностью 2420 кВт. В тепловозе установлен 12-цилиндровый дизель 7 типа FDL12 с номинальной частотой вращения коленчатого вала 1050 мин'1. Дизель оснащен микропроцессорной системой управления. Генератор переменного тока 15 прифланцован к дизелю и состоит из двух генераторов: тягового и для питания вспомогательных потребителей и зарядки аккумуляторной батареи. Значительную часть объема и длины кузова занимает блок инверторных модулей 4 на базе GTO-тиристоров, блок электродинамического тормоза 3 и аппаратура микропроцессорной системы управления 2. Приводы всех вспомогательных агрегатов — электрические, регулируемые.
Кузов тепловоза оборудован двумя расположенными по концам локомотива звуко- и виброзащищенными кабинами с эргономическим пультом 1 и блоком 10 кондиционирования, отопления и венти-
Таблица 6.7
Технические характеристики тепловозов типа «Blue Tiger»
Основные Модель
показатели А1 А2 АЗ А4 -
Назначение Грузовой Пассажирский Маневровый
Осевая формула Со~Со Во~В(/С0-С0 Вд-Вд
Ширина колеи, мм 1435 1067 1435 1067 1000 1435 1676 1435
Масса, т 108—132 72—108 132—150 72—80 80—88
Нагрузка от оси на рельсы, кН 180—220 120—180 220—250 180—200 (В0-Во 180 (Сд—Сд) 200—220
Конструкционная скорость, км/ч 120 240 (Во-Вд) 200 (Сд-Со) 120
Мощность дизеля, кВт 2430 1620 3235 2430 1620
Мощность электродинамического тормоза, кВт 1720 1860 1720 1860
544
Рис. 6.20. Тепловоз «Blue Tiger»:
1 — пульт управления с дисплеями; 2 — аппаратура микропроцессорной системы управления; 3 — блок динамического торможения; 4 — блок инверторных модулей; 5, 13 — вентиляторы охлаждения тяговых двигателей; 6 — вентилятор охлаждения генератора и инверторных модулей; 7 — дизель; 8 — холодильная шахта с вентилятором; 9 — блок тормозной аппаратуры; 10 — кондиционер, отопитель и вентилятор; 11 — мотор-компрессор; 12 — тяговый двигатель; 14 — топливные резервуары; 15 — тяговый генератор;
16 — тормозной блок; 17 — тележка
ляции. У кабины две боковые и одна задняя дверь для выхода на смотровую площадку вдоль копотной средней части. В раме кузова встроен несущий топливный бак 14 емкостью 5000 л. Длина тепловоза по буферным брусьям равна 22 000 мм, наибольшая ширина 2800 мм, высота 3710 мм. Тепловоз при массе 132 т развивает силу тяги при трогании с места 517 кН, а в длительном режиме при скорости 16,5 км/ч — 452 кН. На базовом тепловозе установлены асинхронные тяговые двигатели 12. Подвешивание тяговых двигателей опорно-осевое с коническими роликовыми моторно-осевыми подшипниками.
У тепловоза две безшкворневые тележки с «рядным» расположением двигателей и двухступенчатым рессорным подвешиванием. В первой ступени применены винтовые пружины и гидравлические гасители, во второй — пружины типа «флексикойл». Для передачи тягового усилия используются специальные наклонные штанги, закрепленные на концевых внутренних балках тележек на уровне осей колесных пар для наибольшего использования сцепного веса. Тележки обеспечивают тепловозу хорошие динамические качества.
С 1970 г. компанией «General Motors» были созданы и запущены в производство грузовые тепловозы: SD40-2, SD50, SD60, SD70M, SD70MAC, SD80MAC, SD90MAC. С локомотива последней модификации компания перешла на применение четырехтактного дизеля 16V265H (16ЧН265/300) собственной конструкции. Во всех тепловозах более раннего выпуска использовались двухтактные дизели моделей 645 и 710. Электрическая передача на тепловозах SD70MAC, SD80M AC, SD90MAC переменного тока с асинхронными тяговыми двигателями и одним инвертором на тяговые двигатели каждой тележки фирмы «Siemens». На этом же локомотиве применена оригинальная конструкция трехосной тележки с радиальной установкой колесных пар при прохождении кривых участков пути.
Основные характеристики грузовых тепловозов компании «General Motors» приведены в табл. 6.8. Во всех локомотивах используется электрический тормоз.
На рис. 6.21 приведен общий вид тепловоза SD70MAC. На тепловозе в кузове над каждой тележкой установлены инверторы 7 для питания трех асинхронных электродвигателей. Приводы вентилятора охлаждения асинхронных двигателей 9 и трех вентиляторов блока охлаждающего устройства 2 — электрические переменного тока,
546
Таблица 6 8
Технические характеристики грузовых тепловозов компании «General Motors»
Основные показатели Тепловозы Превышение параметров тепловоза SD90MAC по сравнению с SD40-2, %
SD40-2 SD50 SD60 SD70M SD70MAC SD80MAC SD90MAC
Мощность, кВт 2460 2833 2945 3400 3400 3730 4600 86
Сила тяги длительного режима, кН 368 428 445 485 610 654 730 100
Коэффициент сцепления 0,22 0,26 0,28 0,33 0,35 0,39 77
Нагрузка от оси на рельсы, кН 280 300 310 320 14
Конструкционная скорость, км/ч 105 113 128 22
питаемые от автономных инверторов. Привод компрессора 12 — механический отключаемый. Все тепловозы с передачей переменного тока оборудованы электрическим тормозом, электронной микропроцессорной системой с противобоксовочной и противогазной защитой, бортовой диагностикой основных систем и агрегатов.
Специалисты локомотивостроительных компаний США работают над применением природного газа в качестве моторного топлива для тепловозов.
С 1996 г. компания «Alstom» приступила к выпуску магистральных и маневровых локомотивов конструкции, основаннной на применении типовых модулей, из которых компонуются тепловозы и электровозы с различными параметрами и характеристиками.
Так как большинство железных дорог Франции электрифицировано, то внутренняя потребность национальных железных дорог в тепловозах мала, поэтому в последние годы фирма «Alstom» изготавливает тепловозы в основном по заказам различных стран. Технические характеристики тепловозов фирмы Alstom приведены в табл. 6.9.
Для этих тепловозов предусмотрены два варианта электрической передачи: традиционная переменно-постоянного тока с микропроцессорной системой управления и передача переменного тока с преобразователями на базе запираемых тиристоров GTO с воз-
547
Рис. 6.21. Тепловоз SD70MAC:
1 — тормозные резисторы; 2 — блок охлаждающего устройства; 3 — колесно-моторный блок; 4 — рама тележки; 5 — топливный бак; б — кабина; 7 — инвертор; 8 — конденсатор промежуточного контура; 9 — мотор-вентилятор системы охлаждения тяговых электрических машин; 10 — тяговый агрегат; 11 — дизель;
12 — компрессор
Таблица 6.9
Технические характеристики тепловозов компании «Alstom»
Показатель Магистральные тепловозы Маневровый тепловоз
Осевая формула Во-Во 1 Со-Со Во-Во Со-Со Во-Во
Тяговая передача Переменно-постояннного тока Переменно-переменного тока
Мощность по дизелю, кВт 2386 2400 3207 2370 920
Мощность на тягу, кВт 2237 2192 2920 1870 870
Продолжительная сила тяги, кН 158 306 92 350 412 268 215
Конструкционная скорость, км/ч 140 110 200 140 ПО 80
Масса, т 90 114 88 120 100 72
душным охлаждением или биполярных транзисторов типа IGBT с
водяным охлаждением.
Ввиду того что новые локомотивы могут быть четырех- или шестиосными, для них разработаны конструкции унифицированных двух-или трехосных тележек. В двухосных тележках скоростных пассажирских локомотивов с нагрузкой от оси на рельсы не более 210 кН применено опорно-рамное подвешивание тяговых двигателей третьего класса. Трехосные тележки для более тяжелых грузовых локомотивов оборудуются опорно-осевым подвешиванием тягового электродвигателя с моторно-осевыми подшипниками скольжения или качения. Нагрузка от оси на рельсы грузовых локомотивов может варьироваться от 130 до 250 кН в зависимости от требований заказчика. Тепловозы изготавливаются в одно- и двухкабинном вариантах.
Являясь наследником ранее известной локомотивостроительной фирмы МаК (г. Киль, Германия), компания «Vossloh Schienenfahrzeugtechnik» (VSFT) в конце 90-х гг. XX века выпускает тепловозы с гидравлической передачей:
- двухосные или трехосные маневровые G400B/G600C мощностью до 650 кВт;
- четырехосные с кабиной машиниста посередине для выполнения тяжелой маневровой или легкой поездной работы G800BB/ G1000BB мощностью от 740 до 1110 кВт;
- четырехосные для тяжелой маневровой и средней поездной работы G1206/G1000BB мощностью от 1500 до 1700 кВт;
549
- четырехосный для тяжелой поездной работы G2000BB мощностью 2240 кВт.
В качестве силовых установок используются легкие быстроходные дизели фирм «Caterpillar» или MTU и гидравлические передачи фирмы «Voith» различных модификаций.
В маневровом локомотивном парке западно-европейских железных дорог и промышленных предприятий тепловозы с гидравлической передачей все еще занимают значительную нишу.
При разработке тепловозов использованы следующие технические решения:
- модульный принцип конструкции локомотива (8 основных модулей, рис. 6.22) для снижения стоимости локомотивов различных модификаций и выпуска машин с учетом специфических потребностей заказчиков, а также предварительного изготовления или закупки комплектующих узлов;
- двухосная тележка, рассчитанная на наибольшую скорость движения 140 км/ч и нагрузки от оси на рельсы до 225 кН, оборудованная дисковым тормозом с дисками на колесном центре;
- система защиты от боксования с использованием специальных датчиков;
- конструкция кабины с соблюдением эргономических и санитарно-гигиенических требований;
- дизель с устройством электрического управления впрыском топлива и отдельной системой охлаждения наддувочного воздуха.
Гидравлическая передача фирмы «Voith» типа L620reU2 с двумя гидротрансформаторами оборудована электронным управлением задания и корректировки скорости движения и системой технической диагностики.
Все оборудование тепловоза G2000BB размещено в пяти секциях капотного кузова, по концам главной рамы установлены две модульные кабины. Для защиты персонала в случае столкновения двух локомотивов на главной раме между буферами и главной рамой расположены энергопоглощающие элементы из алюминиевых пакетов.
Основные технические характеристики тепловозов фирмы VSFT приведены в табл. 6.10.
Созданием и строительством локомотивов и вагонов в Китае занимается национальная локомотивовагоностроительная корпорация (LORIC), объединившая предприятия, научно-исследовательские и проектно-конструкторские организации. Самостоятель-
550
Рис. 6.22. Тепловоз G2000BB:
7 — модуль электрооборудования; 2 — охлаждающее устройство; 3 — топливный бак; 4 — гидропередача; 5 — воздухозаборная система; 6 — глушитель; 7 — дизель; 8 — компрессорная установка
Таблица 6.10
Технические характеристики тепловозов фирмы VSFT
Показатели Серии тепловозов
G400B G400BB G1000BB G1206 G1700BB G2000BB
Осевая формула 2 2-2 2-2 2-2 2-2 2-2
Мощность, кВт 390 738 1100 1500 1700 2240
Служебная масса, т 40 72 80 87,3 80 87,3
Нагрузка от оси на рельсы, кН 196 176,4 196 218 196 218
Сила тяги при тр о-гании, кН 130 233 259 273 259 282
Конструкцио иная скорость, км/ч 40 100 100 100 100 120
Год выпуска 2001 2002 1999 2002 2000
Таблица 6.11
Технические характеристики магистральных тепловозов Китая
Серия Мощность, кВт Колесная формула Масса, т Нагрузка, от оси на рельсы, т Конструкционная скорость, км/ч Год выпуска
DF4B 2430 Зо-Зо 138 23 120, 100 1984
DF4C 2650 Зо-Зо 138 23 120,100 1985
DF4E 2x2430 2(30-30) 2x138 23 100 1994
DF6 2940 Зо-Зо 138 23 118 1989
DF8 3310 Зо-Зо 138 23 100 1990
DF9 3610 Зо-Зо 138 23 140 1996
DF10 2x2130 2(2о-2о) 2x92 23 100 1992
DF11 3610 Зо-Зо 138 23 170 1992
DF10F 2x2200 2(3о-30) 2x120 20 160 1996
DF4D 2940 Зсг-Зо 138 23 132 1996
ная разработка оригинального подвижного состава этой корпорацией начата в 1983 г. Начало строительства магистральных тепловозов отечественной разработки следует отнести к 1984 г., когда был построен тепловоз DF4B мощностью 2430 кВт.
Некоторые тепловозы строились совместно с зарубежными фирмами. Основной парк магистральных тепловозов — шестиосные с электрической передачей постоянного или переменно-постоянного тока. Пассажирские тепловозы имеют опорно-рамное подвешивание тяговых двигателей и тяговую передачу с полым валом по типу тепловоза ТЭП60.
Технические характеристики магистральных тепловозов Китая представлены в табл. 6.11.
552
Глава 7. СОВРЕМЕННЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ЛОКОМОТИВОСТРОЕНИЯ
7.1. Типы и основные параметры локомотивов
Распоряжением МПС России № 747 ст. 27.11.2002 г. утвержден типаж новых локомотивов, который установил основные нормативные показатели, габариты и требования к унификации оборудования, безопасности движения, системам жизнеобеспечения и другие параметры. В основу «Типажа» положен принцип специализации локомотивов по роду службы.
При создании новых локомотивов НИИ, проектно-конструкторские и промышленные предприятия должны руководствоваться основными принципами научно-технического прогресса в транспортном машиностроении:
- повышение технико-экономической эффективности пассажирских и грузовых перевозок, безопасности движения, улучшение условий и увеличение производительности труда обслуживающего персонала применением в конструкции локомотивов передовых технических решений;
- унификация оборудования и модульных составных частей локомотивов;
- обеспечение возможности передислокации парка локомотивов по сети железных дорог;
- увеличение нормативного срока эксплуатации основных несущих конструкций до 45 лет для электровозов и 40 лет для тепловозов за счет решения комплекса задач, включающих расчеты долговечности и предельно-деформированных состояний, применение технической диагностики средствами неразрушающего контроля в сочетании с методами механики разрушения, исследование структурно-механических свойств металла;
553
- уменьшение удельного расхода топлива тепловозами на 8—10 % совершенствованием конструкции дизелей, применением регулируемого наддува, электронным впрыском топлива, осушаемыми секциями радиатора, поосным регулированием тяги, снижением расхода мощности на вспомогательные нужды;
- снижение расходов на техническое обслуживание и ремонт повышением показателей надежности и ремонтопригодности, уменьшением трудоемкости и продолжительности простоя в плановых ремонтах, применением интеллектуальных систем диагностики;
- использование альтернативных видов топлива в тепловозах, снижение выбросов вредных веществ, уменьшение загрязнения окружающей среды, применение противоизносных присадок и препаратов в дизельном масле;
- улучшение в сравнении с существующими локомотивами показателей воздействия на путь.
Типаж охватывает все типы локомотивов: пассажирские и грузовые электровозы и тепловозы, маневровые и маневрово-вывозные тепловозы, грузопассажирские тепловозы.
В табл. 7.1 приведены типы и основные параметры отечественных тепловозов. В типаже для электровозов принято условное обозначение типов Л1-Л5, они в таблице не указаны.
Шестиосные пассажирские тепловозы (Л6) мощностью 3500 и 2500 кВт с двумя кабинами управления предназначены для вождения пассажирских поездов дальнего следования, а также ускоренных грузовых поездов, обращающихся со скоростью до 140 км/ч. Двухсекционные тепловозы мощностью 2x2500 кВт с одной кабиной управления в секции — для пассажирских и ускоренных грузовых поездов (контейнерных, рефрижераторных), обращающихся со скоростями до 140 км/ч.
На тепловозах предусматривается возможность работы по системе многих единиц с обслуживанием локомотива одним машинистом. Тепловозы оборудуются системой электроснабжения пассажирского поезда.
Тепловозы грузовые (Л7) и грузо-пассажирские (ЛЮ). Односекционный шестиосный грузовой тепловоз мощностью 2500 кВт является базовой моделью, на основе которой создаются грузовые тепловозы секционной мощностью 3500 кВт для вождения
554
Типы и основные параметры тепловозов
Таблица 7.1
Параметр Тип, серия, заменяемая серия тепловоза
Л6 Л7 Л8 Л9 ЛЮ
ТЭП35 ТЭП25 ТЭ35 ТЭ25 ТЭ15 ТЭМ10 ТДК10 ТЭ17
ТЭП70, 2ТЭ10УТ ТЭП60 2ТЭ116, ЗТЭ10М 2ТЭ10М, 2ТЭ116 М62 ТЭМ2, ЧМЭЗ — М62, ТЭП60
Мощность одной секции (по дизелю), кВт 3500 2500 (2x2500) 3500 (2x3500) 2500 (2x2500) 1500 (2x1500) 800—1000 1000 16500
Род службы пассажирский грузовой маневрововывозной маневровый маневрововывозной с питанием от контактной сети грузо-пассажи рский
Габарит по ГОСТ 9238 1Т
Климатическое исполнение, диапазон рабочих температур У(УХЛ)‘ от -50 до +40 °C (от -60 до +40 °C)1
Номинальная нагрузка от колесной пары на рельсы, кН 211—221 226—245 226 221
км км км
L/i СЛ Ch
Продолжение табл. 7.1
Параметр Тип, серия, заменяемая серия тепловоза
Л6 Л7 Л8 Л9 ЛЮ
ТЭП35 ТЭП25 ТЭ35 ТЭ25 ТЭ15 ТЭМ10 ТДК10 ТЭ17
ТЭП70, 2ТЭ10УТ ТЭП60 2ТЭ116, ЗТЭ10М 2ТЭ10М, 2ТЭ116 М62 ТЭМ2, ЧМЭЗ — М62, ТЭП60
Служебная масса, т 129—135 138—150 2х(138—150) 2x138 135(90) 90 2x90
Осевая формула Зо-Зо Зо-Зо (2«-2о) 2q-2q 2(2q-2q)
Номинальный диаметр бандажа кол. пары, мм 1220—1250 1050 1220- 1250
Конструкционная скорость, км/ч 140 120 100 120
Тип электрической передачи Переменного тока с асинхронными тяговыми двигателями или переменно-постоянного тока1 Переменнопостоянного тока
Тип тягового привода Ш класса (с опорно-рамным подвешиванием тягового двигателя и тягового редуктора) I класса (с опорно-осевым подвешиванием тягового двигателя)' III класса2
Коэффициент использования мощности силовой установки при расчетном режиме работы >0,8
Продолжение табл 7.1
Параметр Тип, серия, заменяемая серия тепловоза
Л6 Л7 Л8 Л9 ЛЮ
ТЭП35 ТЭП25 ТЭ35 ТЭ25 ТЭ15 ТЭМ10 ТДК10 ТЭ17
ТЭП70, 2ТЭ10УТ ТЭП60 2ТЭ116, ЗТЭ10М 2ТЭ10М, 2ТЭ116 М62 ТЭМ2, ЧМЭЗ — М62, ТЭП60
Сила тяги расчетного режима, кН 210 170 390-^130’ (2x390— 430) 300—390J (2x300— 390) 300 (2x300) 250 205
Наибольшая сила тяги при трогании, не менее, кН 300 510 (2x510) 430 (2x430) 360 (240) 280 (2x280)
Скорость расчетного режима, км/ч 48 (35,б)4 42,3 (32,2)4 23,4 24—18,5 14,4 9,2—11,5 11,5 23,0
Сила тяги при конструкционной скорости, не менее, кН 72 51,4 84 (2x84) 60 (2x60) 36 (2x36) 23—28,8 28,8 39,3
Параметры системы электроснабжения пассажирского поезда: мощность, не менее, кВт номинальное напряжение, В 900 3000 600 3000 Не предусматривается 700 3000
Окончание табл 7 1
Параметр Тип, серия, заменяемая серия тепловоза
Л6 Л7 Л8 Л9 ЛЮ
ТЭП35 ТЭП25 ТЭ35 ТЭ25 ТЭ15 ТЭМ10 ТДК10 ТЭ17
ТЭП70, 2ТЭ10УТ ТЭП60 2ТЭ116, ЗТЭ10М 2ТЭ10М, 2ТЭ116 М62 ТЭМ2, ЧМЭЗ — М62, ТЭП60
Мощность электрического тормоза на валах тяговых двигателей, не менее, кВт 3200 2800 3200 2800 1400
Тип вспомогательного привода Электрический с асинхронным двигателем плавного регулирования
Система управления Электронная, микропроцессорная
Безопасность движения Обеспечивается комплексным локомотивным устройством с цифровым радиоканалом
Безопасность жизни и здоровья машинистов Обеспечение современных санитарно-гигиенических требований
1 По требованию заказчика
2 Допускается применение привода II класса
3 Большее значение соответствует применению асинхронных тяговых двигателей
4 В скобках указана скорость при отборе мощности для электроснабжения вагонов поезда
тяжелых грузовых поездов по системе многих единиц, в том числе и с распределенной тягой (Л7). Для специализированных линий могут производиться грузовые тепловозы мощностью 3500 и 2500 кВт с нагрузкой от колесной пары на рельсы, увеличенной до 294 кН (30 тс).
Четырехосный грузопассажирский тепловоз (Л 10) мощностью 1650 кВт предназначен для обслуживания местных короткосоставных пассажирских поездов, а при двухсекционном исполнении — ускоренных грузовых, почтово-багажных и контейнерных поездов. Сила тяги в расчетном режиме для пассажирских поездов при скорости 37,5 км/ч устанавливается 78 кН, а при наибольшей скорости — 22,3 кН (см. табл. 7.1).
Маневрово-вывозные и маневровые тепловозы Л8 и Л9. Тепловозы мощностью 1500 кВт предназначены для хозяйственной (вывозной) работы, а мощностью 800—1000 кВт — для маневровой. Типом Л9 предусмотрена возможность создания маневрово-вывозных тепловозов с питанием от контактной сети. Все маневровые тепловозы нужно выпускать с обслуживанием их одним машинистом.
7.2. Перспективные направления по совершенствованию и развитию силовых установок, основных агрегатов и узлов локомотивов
Силовые установки тепловозов. В тепловозах надо применять высокоэкономичные силовые установки, унифицированные для пассажирских и грузовых локомотивов, в том числе допускающие работу на природном газе. Удельный эффективный расход топлива на режимах от 0,6 до 1,0 номинальной мощности не более 191 г/(кВт-ч).
В конструкции силовых установок следует предусматривать применение регулируемого наддува, топливной аппаратуры повышенного давления, электронной системы регулирования частоты вращения и мощности двигателя, электронного регулирования подачи топлива; использование неохлаждаемых коллекторов, полнопоточных самоочищаемых фильтров, устанавливаемых на дизеле; устройств для эффективного искрогашения и снижения шума, нейтрализации вредных веществ в отработавших газах.
559
Применять систему амортизации дизеля (дизель-генератора) с эффективной защитой рамы кузова и расположенного на ней оборудования от вибраций дизеля.
Тяговое оборудование. Тяговые электродвигатели с принудительной вентиляцией нужно выбирать из унифицированного типоразмерного ряда. До освоения промышленностью производства тяговых преобразователей для питания бесколлекторных тяговых двигателей возможно изготовление локомотивов с коллекторными тяговыми двигателями. Класс изоляции силовых обмоток двигателей не ниже Н.
Тяговые электрооборудование и система управления рассчитываются для обеспечения поосного регулирования силы тяги локомотива. Элементная база тяговых преобразователей — прогрессивные полупроводниковые приборы. В конструкции преобразователей нужно обеспечить блочную унификацию. Система охлаждения воздушная или жидкостная.
Применять микропроцессорную систему управления тяговыми и вспомогательными преобразователями, блочно унифицированную и функционально интегрированную в комплексную бортовую микропроцессорную систему управления. Силовые электрические аппараты (выключатели, разъединители) выбирать для цепей постоянного и переменного тока из унифицированного ряда по номинальным напряжениям и токам. В конструкции коммутирующих аппаратов использовать вакуумные контактные устройства. Применять системы контроля для реализации комплекса диагностических функций. Электрическое оборудование должно соответствовать нормативной документации и требованиям безопасности.
Негативное влияние работы тягового и вспомогательного электрооборудования на устройства СЦБ, связи, радиосвязи и радиовещания недопустимо.
Кузов локомотива. Кузова магистральных электровозов и тепловозов необходимо максимально унифицировать между собой. Погонная масса несущей конструкции вагонного типа должна быть не более 1,1 т/м. На маневровых тепловозах применять кузов капот-ного типа с несущей рамой и погонной массой не более 1,4 т/м. Несущая способность конструкций кузова должна обеспечивать работоспособность экипажной части и безопасность локомотивной
560
бригады при столкновении с подвижным составом и наезде на препятствие при скоростях до 20 км/ч.
Материал кузова и его габариты определяются на этапе конструкторской проработки. Срок службы кузова и рамы устанавливается не менее 40—45 лет, в конструкции кузова и узлов предусматривается возможность агрегатной замены комплектующего оборудования, в т.ч. на новые комплектующие узлы, в течение срока эксплуатации локомотива.
На новых локомотивах использовать автосцепку с поглощающим аппаратом повышенной энергоемкости, унифицированную с автосцепкой грузовых и пассажирских вагонов.
Экипажная часть. На пассажирских тепловозах применять двухступенчатое рессорное подвешивание кузова и тяговый привод движущих осей III или II классов.
На грузовых тепловозах применять трехосные тележки с опорно-осевым подвешиванием тяговых электродвигателей и моторноосевыми подшипниками качения. Допускается в конструкции экипажной части электровозов и тепловозов применение тягового привода II класса.
Применять двухступенчатое рессорное подвешивание с общим статическим прогибом не менее 130 мм для грузовых и не менее 150—170 мм для пассажирских локомотивов с раздельной системой демпфирования в каждой ступени или только в одной. Динамические характеристики и показатели воздействия на железнодорожный путь новых локомотивов определяются соответствующими нормативными документами. Применять буксы с упругой связью с рамой тележки и обеспечением пробега без разборки и добавления смазки в подшипнике не менее 1 млн км. Применять подшипники качения букс с расчетным ресурсом не менее 3 млн км, а бандажи колесных пар — не менее 1 млн км пробега. Магистральные локомотивы оборудовать гребнесмазывателями.
Для магистральных локомотивов, предназначенных для эксплуатации на железных дорогах с горным профилем, целесообразно применение тележек с радиальной установкой колесных пар.
Существуют различные способы реализации принципа радиальной установки колесных пар (РУКП) тележек при движении железнодорожного экипажа в кривой. Среди тележек с РУКП различа
561
ют две основные конструкции: с принудительно- и самоустанавли-вающимися колесными парами.
Принудительный поворот колесных пар осуществляется механизмом, связывающим кузов с колесными парами через рычаги с одной из шарнирных опор на раме тележки или на буксе средней колесной пары для трехосной тележки. При повороте тележки относительно кузова при входе в кривую шарнирно-рычажный механизм поворачивает колесные пары в нужном направлении.
Принцип самоустанавливающейся (пассивной) радиальной установки колесных пар в тележке и роль такой установки в уменьшении износа гребней колес при движении в кривой поясняется на рис. 7.1. При жесткой связи колесных пар с рамой тележки (рис. 7.1, а) угол а набегания первой колесной пары на наружный рельс равен углу ат набегания на этот рельс самой тележки. Угол набегания зависит от радиуса кривой и базы тележки и растет с увеличением последней (при движении тележки в хордовой установке).
Процесс изнашивания набегающего колеса на рельс в кривой зависит в основном от произведения двух величин: направляющей силы У действующей в точке контакта гребня с рельсом и угла набегания а, т.е. так называемого фактора износа гребней колес Ф = Унсх. Таким образом, если конструктивно удается при движении в кривой уменьшить угол набегания а, то уменьшается и фактор износа. Идеальным является случай, когда колесные пары в тележке устанавливаются радиально, т.е. их оси направлены к центру кривой. В этом случае угол а = 0 и теоретически фактор износа Ф = 0.
Рис. 7.1. Схемы, поясняющие принцип пассивной радиальной установки колесных пар тележки в кривой при жесткой (а) и упругой (б) их связи с рамой тележки
562
Для осуществления пассивной установки необходимо, чтобы колесные пары были упруго связаны с рамой тележки при достаточно малой продольной жесткости. В точках контакта колес с рельсами из-за возможной разности радиусов колес одной колесной пары и наличия угла набегания возникают продольные и поперечные проскальзывания колес и соответствующие им касательные силы Fx, F , которые называются силами крипа. Эти силы вызывают поворот колесных пар таким образом, как показано на рис. 7.1, б, при этом угол набегания а первой колесной пары уменьшается. Для более эффективной радиальной установки колесных пар их буксы соединяют одной или двумя диагональными связями (жесткими или упругими). Образуется так называемый антипараллелограмм: поворот по каким-то причинам одной колесной пары вызывает поворот в противоположном направлении другой.
Этот принцип положен ВНИКТИ в опытно-конструкторские разработки по созданию трехосных тележек с РУКП для тепловозов. В середине 90-х гг. прошлого века на базе унифицированной бесчелюстной тележки для тепловозов 2ТЭ116, 2ТЭ10В была создана опытная конструкция тележки с радиальной установкой крайних колесных пар при движении в кривых. Эксплуатация тепловоза 2ТЭ116, оборудованного этими тележками, при вождении грузовых поездов на участке от Петрозаводска до Суоярви Октябрьской железной дороги подтвердила эффект значительного уменьшения износа гребней направляющих колесных пар. Этот эффект проявился в подобных трехосных тележках у тепловозов SD70MAC, SD90MAC и АС6000.
Специалистами ВНИКТИ была разработана трехосная тележка с механизмом РУКП для перспективных тепловозов типа Л7, принципиальная схема которой показана на рис. 7.2. У тележки мягкое двухступенчатое рессорное подвешивание, четыре гидравлических гасителя вертикальных колебаний и два гасителя горизонтальных колебаний. Тяговые двигатели, расположенные подвесками к середине тепловоза, установлены с опорно-осевым подвешиванием. Сила тяги от букс колесных пар на раму тележки передается поводком 5 средней колесной пары, который упруго связан через сайлент-блок с кронштейном рамы, поводками 3, 8 крайних колесных пар, связанных жестко с поперечными балансирами 4, 9 механизма РУКП.
563
Рис. 7.2. Трехосная тепловозная тележка с радиальной установкой колесных пар для грузовых тепловозов типа Л7:
1 — гидравлический гаситель механизма РУКП; 2,7— тяги механизма РУКП; 3, 8 — тяговые поводки; 4, 9 — поперечные балансиры; 5 — тяговый поводок средней колесной пары; 6 — вертикальный рычаг механизма РУКП
Балансиры могут поворачиваться в горизонтальной плоскости вокруг вертикальных цапф, закрепленных посередине поперечных балок рамы тележки. К концам балансиров с двух сторон тележки присоединены тяги 2 и 7, которые связаны с вертикальными равноплечими рычагами 6. Продольные силы от тележки к кузову передаются наклонной тягой, которая на рисунке не показана.
Механизмы РУКП различной конструкции, обеспечивая уменьшение износа гребней колес при движении в кривых, ухудшают динамические качества локомотива в прямых участках пути из-за возможной потери устойчивости движения, обусловленной связанностью колесных пар механизмом РУКП и малой продольной жесткостью связи колесных пар с рамой тележки. Поэтому в механизме РУКП предусматривается установка специальных гасителей колебаний. В тележке конструкции ВНИКТИ такие гасители (см. позицию 1 рис. 7.2) расположены продольно с обеих сторон рамы тележки и одним концом крепятся к боковине рамы, а другим — к верхним удлиненным концам вертикальных рычагов 6.
Теоретические исследования движения в кривых грузового тепловоза с описанными выше тележками (рис. 7.2), выполненные совместно Брянским государственным техническим университетом и ВНИКТИ методом компьютерного моделирования, выявили существенное уменьшение углов набегания первых по ходу движения колесных пар (рис. 7.3, а), значительно уменьшилась и работа сил трения на гребнях этих колесных пар (рис. 7.3, б).
Рис. 7.3. Углы набегания (а) и работа сил трения на гребне (б) первой колесной пары экипажа грузового тепловоза в трехосных тележках конструкции ВНИКТИ при движении в кривой R = 300 м: ---------без механизма РУКП;-----------с механизмом РУКП
565
Тормозное и пневматическое оборудование. Пневматическое оборудование тормозной системы и цепей управления выбирается унифицированным со всеми видами подвижного состава; предусматривается автоматическое управление, комплекс диагностических устройств для автоматического контроля их работоспособности, интеграция в бортовую микропроцессорную систему управления. Все локомотивы оборудуются пневматическим торможением. Пассажирские и скоростные локомотивы оснащаются электропневма-тическим тормозом. Система электропневматического торможения на грузовых локомотивах устанавливается по требованию заказчика. Тепловозы оборудуются электрическим реостатным тормозом с возможностью электродинамического торможения во всем рабочем диапазоне скоростей.
Пассажирские, скоростные и маневровые локомотивы оборудуются пневматической напорной магистралью для снабжения предварительно очищенным от механических примесей и влаги воздухом пассажирских вагонов. Этот воздух используется в системе управления автоматическими дверями и в туалетах замкнутого типа.
Система управления и обеспечения безопасности движения выбирается унифицированной для всех видов локомотивов и моторвагонного подвижного состава, многоуровневой и обеспечивающей управление всеми устройствами локомотива, автоведение, бортовую диагностику, регистрацию параметров движения и режимов работы оборудования локомотива. Локомотивы оборудуются комплексными локомотивными устройствами безопасности (КЛУБ) с цифровым радиоканалом, обеспечивающим возможность дистанционного управления локомотивом по радиоканалу в аварийных ситуациях, а также средствами технологической радиосвязи для ведения переговоров и обмена дискретной информацией с напольными устройствами.
Автоматизированное энергооптимальное и безопасное ведение поезда дополняется автоматическим управлением служебным торможением при отказе предыдущей подсистемы и экстренным торможением при отказе двух предыдущих подсистем.
Система управления тяговыми и вспомогательными преобразователями должна быть микропроцессорной и блочно унифициро
566
ванной, функционально интегрированной в комплексную бортовую микропроцессорную систему управления.
Вышеперечисленные совершенствования основных агрегатов и узлов существенно повысят безопасность движения, качество пассажирских и грузовых перевозок, производительность труда, сократят эксплуатационные расходы, улучшат условия труда локомотивных и ремонтных бригад.
Для высокой степени унификации пассажирских и грузовых тепловозов, снижения строительных и эксплуатационных расходов предполагается использовать модульный и блочный принципы создания локомотивов. На рис. 7.4 приведен вариант конструкции пассажирского тепловоза с передачей переменного тока, состоящего из 18 основных модулей.
В практике зарубежного локомотивостроения также используется модульный принцип конструирования электровозов и тепловозов.
7.3. Средства микропроцессорной техники и технической диагностики в локомотивостроении
С последнего десятилетия XX века отечественные и зарубежные локомотивы оснащались средствами микропроцессорной техники и технической диагностики, поскольку эти средства принципиально меняют подход к построению системы регулирования силового и вспомогательного оборудования, к условиям работы машиниста, техническому обслуживанию и ремонту тепловозов.
В построенных до этого времени отечественных тепловозах, особенно с электрической передачей, применялась морально устаревшая электроаппаратура. Требуемые характеристики электрической передачи обеспечивались обязательной регулировкой и настройкой параметров при проведении всех видов ремонтов или профилактических работ.
Практика эксплуатации показала, что настройка тепловозной характеристики этих локомотивов даже с объединенным регулятором частоты вращении и мощности не всегда осуществлялась полностью из-за ее сложности и несоблюдения правил обслуживания топливной аппаратуры и самого дизеля. К тому же для гра-
567
Рис 7 4 Основные модули конструкции перспективного пассажирского тепловоза с передачей переменного тока
1 — модуль охлаждающего устройства, 2 — модуль электродинамического тормоза, 3 — искрогаситель-глушитель, 4— блок воздухоснабжения дизеля и системы обдува электрических машин и аппаратов, 5 — кабина унифицированная с пультом, б— блок системы кондиционирования, вентиляции и обогрева, 7— блок аккумуляторных батарей, 8—резервуары сжатого воздуха воздушной системы, 9— блок тиристорных преобразователей для собственных нужд, 10 — тележка унифицированная, II — кузов, 12 — блок санитарно-гигиенический, 13 — модульная компрессорная установка, 14—дизель-электрический агрегат, 15 — установка пожаротушения, 16— модуль устройства воздухоснабжения ТЭД, 17 — камера аппаратная, 18 — модуль унифицированных тяговых преобразователей
мотного обслуживания и ремонта аппаратуры в условиях депо и локомотиворемонтных заводов требовалась большая номенклатура средств оснащения ремонта, нужны были также квалифицированные специалисты.
Коренным отличием программной реализации алгоритмов управления и регулирования с использованием микропроцессоров от применявшейся аппаратной является то, что все логические связи между состоянием входов и выходов новых систем организуются на уровне управляющей программы. При этом любое дополнение к выполняемым функциям не требует никаких изменений в схеме управления тепловозом, что в случае аппаратного управления обязательно потребовало бы включения в схему дополнительных аппаратов, проводов и соответствующей корректировки электрической схемы.
Специалистами ВНИКТИ в 90-х гг. прошедшего века создана цифровая система регулирования тягового генератора, микропроцессорная система контроля, управления и диагностики тепловозов, автоматизированная система управления и безопасности локомотивов.
На базе указанных разработок и приобретенного опыта специалисты ВНИКТИ разработали унифицированную микропроцессорную систему управления электропередачей тепловозов (УСТА).
Конструктивно УСТА состоит из микропроцессорного блока регулирования и комплекта измерительных преобразователей. Блок регулирования включает в себя платы процессора и питания, а также набор модулей связи с внешним устройством: платы аналого-цифрового преобразователя, гальванических развязок, дискретных выходов и две платы силовых широкоимпульсных регуляторов (ШИМ).
В соответствии с управляющей программой опрашиваются все входные каналы (дискретные и аналоговые), связанные с параметрами электрической передачи тепловоза: положением контроллера машиниста и контроллера возбуждения, реек топливного насоса, напряжением и током генератора. Затем в плате процессора вырабатываются сигналы для управления током возбуждения электрических машин (плата ШИМ), дискретными выходами в соответствии с алгоритмом управления и регулирования. Хранение всех
569
таблиц и коэффициентов в памяти УСТА создает условия для стабильности характеристик электропередачи. Подключение обычного персонального компьютера к имеющемуся каналу связи УСТА обеспечивает оперативную регистрацию и обработку всех необходимых параметров электропередачи без использования дополнительных измерительных средств.
Одновременно с заменой устаревшей электроаппаратуры применение УСТА улучшает противобоксовочные свойства тепловоза и обеспечивает плавное трогание с составами любых масс и длины. Плавным нагружением дизель-генератора и опережающим сбросом нагрузки при снижении частоты вращения коленчатого вала улучшаются режимы работы турбокомпрессора, исключается помпаж, уменьшается нагарообразование в выхлопном тракте дизеля.
Использование в системе регулирования датчика положения реек топливного насоса высокого давления (ТНВД) формирует требуемые законы регулирования. На рис. 7.5 приведена структурная схема регулирования мощности тягового генератора в зависимости от положения контроллера машиниста (положения рейки ТНВД).
Регулятор напряжения генератора
Напряжение на выходе выпрямительной установки Uj
Обратная связь по рейке
Регулятор мощности генератора
Обратная связь по мощности генератора
Регулятор d dlJ положения реек ТНВД
Ток на выходе выпрямительной установки
Рис. 7.5. Структурная схема регулирования мощности тягового генератора в зависимости от положения контроллера
570
При установке контроллера на тяговую позицию (выше 3-й) в блок регулирования поступает информация о положении контроллера (Nkm), информация с датчиков тока (Jrf) и напряжения на выходе выпрямительной установки, сигнал о положении реек ТНВД (Lp) с соответствующего датчика, и, в зависимости от рассогласования заданного для данной позиции контроллера (Lpz) и измеренного (Lp) положения реек ТНВД, микропроцессором корректируется мощность тягового генератора (Р&)-
Если сигнал о положении реек ТНВД меньше заданного, то мощность тягового генератора увеличивается, и наоборот. Далее вычисленное значение заданной мощности тягового генератора (Р^) сравнивается с фактической мощностью генератора (точнее: на выходе выпрямительной установки P(j=определяются величина и знак рассогласования по мощности, и по этим параметрам производится корректировка задания для программного контура регулирования напряжения выпрямительной установки U^. В контуре регулирования напряжения выпрямительной установки по величине рассогласования заданного и измеренного значений U = Udz - Uj вычисляется модулирующий импульс, который усиливается ШИМ блока и подается на обмотку возбуждения возбудителя.
Перенос контура регулирования мощности тягового генератора из гидромеханического объединенного регулятора в микропроцессорную систему регулирования уменьшает влияние на работу генератора различных эксплуатационных факторов, повышает стабильность его характеристик, существенно упрощает регулировку при реостатных испытаниях и исключает какие-либо настройки в процессе эксплуатации. Штатный регулятор дизеля при этом выполняет только функцию регулирования частоты вращения коленчатого вала.
Теми же программно-защитными средствами регулируется напряжение бортовой сети тепловоза (регулятор напряжения), управляются контакторы ослабления возбуждения тяговых двигателей (реле перехода), собираются тяговая и тормозная схемы, защищаются тяговые электрические машины и др. Штатный регулятор напряжения при этом в схеме тепловоза остается в качестве резервного.
Системой УСТА были оборудованы многие тепловозы типа 2ТЭ116, 2ТЭ10М, ЧМЭЗ. На тепловозах с реостатным электричес
571
ким тормозом, в частности ТЭП70, функции УСТА были расширены. Здесь УСТА поддерживает заданные с контроллера машиниста скорости движения поезда, регулирует силу тока возбуждения тяговых электродвигателей в режимах служебного и экстренного торможения, защищает тяговые электродвигатели по минимальному тормозному току.
Дальнейшим развитием системы УСТА стала микропроцессорная система управления и диагностики МСУ-Т с большими функциональными возможностями. Она применена на тепловозе ТЭП70БС. Эта система дополнительно выполняет самодиагностику и переходит на резервный комплект МСУ-Т при отказе основного.
Достижения в области микропроцессорной техники и технической диагностики к началу 2000 г. были использованы при создании тепловоза ТЭМ21. Всем оборудованием тепловоза управляет многофункциональная микропроцессорная система, ядром которой является устройство обработки информации (УОИ). Бортовой микропроцессор управления, контроля и диагностики автоматически задает режимы работы локомотива по команде машиниста, а также оперативно ведет диагностику состояния узлов и агрегатов тепловоза с выдачей информации на дисплей. Микропроцессорная система представляет собой агрегатированный программно-аппаратный комплекс, созданный на основе новейших компьютерных технологий. Многофункциональный микропроцессор контролирует основные параметры силовой установки и вспомогательных систем тепловоза, выводит по требованию текущую информацию, а также аварийно-предельные значения контролируемых параметров на экран дисплея.
Встроенная диагностика организует работу машиниста с системой в диалоговом режиме. При нормальном режиме эксплуатации локомотива команды от органов управления выполняются автоматически, а при возникновении нештатной ситуации на дисплей выводится диагностическое сообщение. По полученной информации машинист оперативно принимает меры для выхода из создавшейся ситуации. В результате: экономится время, облегчается управление тепловозом, значительно снижается количество ошибок и стрессовых ситуаций. Полностью исключаются, например, такие случаи, когда тепловоз не приходит в движение, а причина неизвестна.
572
Бортовая микропроцессорная система управления тепловоза наряду с функциями описанной выше системы УСТА дополнительно осуществляет:
- управление сборкой, работой электрической схемы тепловоза с обеспечением всех необходимых защит и блокировок;
- автоматическое регулирование температуры воды и масла дизеля (САРТ), температурного режима работы тяговых электродвигателей, давления воздуха в главных резервуарах, подогревом и кондиционированием воздуха;
- подачу песка при экстренном торможении, при срабатывании комплексной системы безопасности движения тепловоза (КЛУБ);
- контроль уровня воды в расширительном водяном баке;
- автоматический прогрев дизеля в холодное время года.
Многофункциональная микропроцессорная система, установленная на тепловозе ТЭМ21, обрабатывает большой поток информации, поступающей с его борта по 80 дискретным, 47 аналоговым, 5 частотным и 27 температурным каналам. При этом полностью исключены датчики, требующие регулировок и настроек. Поэтому достаточно лишь установить датчик и подключить его к микропроцессорной системе, контроль же и регулировку параметров система берет на себя. Это одно из основных преимуществ цифровых систем управления.
Вся полученная информация выводится на дисплей машиниста в удобном для восприятия виде. Аналоговые и частотные сигналы, полученные с борта тепловоза, анализируются системой допуско-вого контроля. Результатом анализа является расчет отклонения измеренной величины от значения, оговоренного в технических условиях для данного параметра. На панель выводится соответствующий комментарий (норма, меньше нормы, больше нормы). Одновременно с демонстрацией параметров работы тепловоза на диагностических панелях ведется постоянный автоматический контроль контактно-релейной аппаратуры тепловоза, тягового преобразователя частоты, сопротивления изоляции бортовой сети, заряда аккумуляторной батареи, частоты вращения коленчатого вала дизеля и настройки его регулятора, преобразователей частоты питания мотор-вентиляторов холодильника и тяговых двигателей, а также управляемого выпрямителя возбуждения. При обнаружении
573
Справка
Основная панель
| Управление Авто прогрев
Пуск дизеля
ДИАГНОСТИКА
Тормоз
Движение
I ЭВМ
Параметры дизеля
Моторесурс Цилиндры Масляная система
Топливная система
Водяная система
Дизель
Компрессор
С APT дизеля
САРТ ТЭД
Рис. 7.6. Схема переключения виртуальных панелей дисплея машиниста
отклонений в работе тех или иных агрегатов тепловоза выводится аварийное сообщение на дисплей, которое машинист снимает кнопкой квитирования.
Значительный объем данных, выдаваемых на дисплее, поставил перед разработчиками сложную задачу создания удобной и понятной для пользователя системы отображения и контроля информации. По этой причине все сигналы разделены по принадлежности к системам тепловоза и представлены на соответствующих виртуальных панелях, доступ к которым возможен посредством переключений на клавиатуре дисплея. Схема переключения виртуальных панелей дисплея представлена на рис. 7.6.
7.4. Продление срока службы тепловозов
На железных дорогах России к 1995 г. в связи со значительным сокращением перевозок сложилась ситуация, когда часть парка грузовых электровозов и тепловозов, а также маневровых тепловозов оказалась невостребованной и была выведена из эксплуата
574
ции. Избыток грузовых локомотивов сохранялся до 1999 г., но вместе с ним происходило его естественное сокращение из-за выбытия по сроку службы.
В 2002 г. тепловозами было выполнено 24,4 % эксплуатационного грузооборота железных дорог. В грузовом движении использовалось 14 типов тепловозов мощностью от 1440 до 6618 кВт, в том числеТЭ10 (всех модификаций)-— 58,6; 2ТЭ116 — 18,3; М62 — 36,1 %. В пассажирском движении был дефицит локомотивов, поэтому, кроме тепловозов ТЭП60, ТЭП70, 2ТЭ10УТ, к перевозкам пассажиров привлекались и грузовые тепловозы. Парк маневровых локомотивов в основном составляли тепловозы типов ЧМЭЗ и ТЭМ2.
Пополнение парка тягового подвижного состава закупками новых локомотивов было сведено к минимуму, а по некоторым сериям вообще прекращено. С 1993 г. была прекращена покупка железными дорогами России всех тепловозов кроме ТЭП70. Срок эксплуатации самых массовых на сети железных дорог тепловозов 2ТЭ10М достиг к концу 2002 г. 12—21 год, а к этому времени более 39 % тепловозов грузового парка превысило нормативный срок службы. Всего в период до 2010 г. подлежит списанию по сроку службы 12 087 (82,7 % наличного парка) тепловозов. Все это потребовало решения важнейшей проблемы обновления парка тепловозов, которую выполняют как закупкой новых тепловозов, так и проведением на части эксплуатируемого парка тепловозов типа 2ТЭ10, 2ТЭ116, ЧМЭЗ и ТЭМ2 модернизации с продлением срока службы на 20 лет с улучшением технико-экономических показателей.
Проведенные ВНИИЖТом исследования показали, что на модернизацию тепловозы целесообразно направлять после второго заводского ремонта или пробега 1,5—1,7 млн км, что соответствует 18 годам работы тепловоза (при сроке службы 20 лет). Так как к этому времени затраты на техническое обслуживание, ремонт дизеля и другого оборудования становятся значительными и число отказов возрастает в 2,5—3,5 раза по сравнению с новыми машинами, проведение модернизации в этот период не только продлевает срок службы тепловоза еще на 20 лет, но и снижает эксплуатационные затраты. После модернизации ремонта общий вид локомотива не меняется.
575
Мировой опыт показывает, что обновление парка локомотивов во многих странах осуществляется не только за счет новых поставок, но и модернизацией. Так, в Германии осуществляется модернизация поставленных в свое время из СССР тепловозов типа V300, в основу которой положена замена коломенских дизелей прежнего выпуска (Д40) новыми дизелями типа Д49, победившего в конкурсе с западноевропейскими.
В США в период с 1975 по 1995 г. соотношение модернизированных и новых тепловозов колебалось от 15 до 60 %.
Специалистами ВНИКТИ совместно с Коломенским заводом и ВНИИЖТом разработаны проекты модернизации тепловозов серий 2ТЭ10, 2М62, 2ТЭ116 и ЧМЭЗ, ТЭМ2, предусматривающие возможность при капитальном ремонте второго объема проводить комплексную модернизацию локомотивов установкой усовершенствованных силового агрегата, вспомогательного тягового оборудования, элементов электрической схемы, автоматики на основе новой элементной базы и других усовершенствованных узлов и агрегатов. В основу проектов была положена замена двухтактных дизелей конструкции типов 1 ОД 100 дизелями типа Д49 с продлением срока службы тепловоза еще на 20 лет.
Возможность модернизации тепловозов с продлением срока службы обусловливается надежной работой основных несущих конструкций и узлов экипажной части локомотивов при дальнейшем увеличении ресурса их работы. Все вновь устанавливаемые на модернизированные тепловозы узлы с более высокими технико-экономическими показателями отработаны на стендах и проверены в длительной эксплуатации в грузовых и пассажирских перевозках.
Объем проводимой модернизации тепловозов типа 2ТЭ10 представлен на рис. 7.7. При модернизации выполняются основные работы:
- устанавливается новый более экономичный дизель 1А-5Д49 мощностью 2206 кВт с самоочищающимся полнопоточным фильтром тонкой очистки масла с тонкостью фильтрации 35 мкм, что снижает износ основных трущихся деталей дизеля в 2 раза и повышает срок службы масла;
- устанавливается микропроцессорная система автоматического управления, которая обеспечивает более совершенное регулирование электропередачи;
576
1
2
3
4
5
Рис. 7.7. Схема, демонстрирующая объем модернизации тепловозов типа 2ТЭ10М:
7 — кабина машиниста увеличенного объема; 2 — комплексное устройство локомотивной безопасности; 3 — микропроцессорная система управления; 4 — дизель-генератор 1А-9ДГ; 5 — система автоматического регулирования теплоносителей дизеля; 6 — секции радиаторов типа 9717.200; 7 — валопровод с упругими муфтами; 8 — колесная пара с упругим зубчатым колесом
- устанавливается комплексное локомотивное устройство безопасности (КЛУБ-У);
- для улучшения условий труда локомотивных бригад увеличивается объем кабины на 20 % благодаря сдвигу задней стенки на 275 мм, кабины оборудуются современными тепло- и шумоизолирующими материалами и ударопрочными лобовыми стеклами с электроподогревом;
- в кабине машиниста устанавливается новый унифицированный пульт управления, отвечающий требованиям санитарно-гигиенических и эргономических норм, оборудованный электронным контроллером частоты вращения вала дизеля, системой диагностики и средствами отображения информации; предусматривается также установка кондиционера, холодильника и электроплитки;
- в охлаждающем устройстве применена новая система автоматического регулирования теплоносителей дизеля (САРТ);
- в приводах вспомогательного оборудования устанавливаются бесшлицевые валы с упругими муфтами;
- применен новый тип водяных секций радиаторов;
- используются колесные пары нового формирования с упругими зубчатыми колесами.
Результаты эксплуатации модернизированных локомотивов показали существенные преимущества их перед серийными тепловозами в уменьшении эксплуатационного расхода горюче-смазочных материалов. Экономия топлива на тепловозах 2ТЭ10К составила 9—14 %, дизельного масла — в 2 раза, а удельные затраты на техническое обслуживание и текущий ремонт снизились в 2—3 раза по сравнению с серийными машинами.
Рекомендуемая литература
1. Большая энциклопедия транспорта. Том 4. Железнодорожный транспорт. — М.: Большая Российская энциклопедия, 2003. — 559 с.
2. Кузьмич В.Д., Руднев В. С., Френкель С.Я. Теория локомотивной тяги: Учебник для вузов ж.-д. транспорта / Под ред. В.Д. Кузьмича. — М.: Маршрут, 2005. — 448 с.
3. Локомотивные энергетические установки / Под ред. А.И. Володина. — М.: ИПК «Желдориздат», 2002. — 718 с.
4. Механическая часть тягового подвижного состава / Под ред. И.В. Бирюкова. — М.: Транспорт, 1992. — 440 с.
5. Нормы для расчета и оценки прочности несущих элементов, динамических качеств и воздействия на путь экипажной части локомотивов железных дорог МПС РФ колеи 1520 мм. — М., 1998.— 145 с.
6. Стрекопытов В. В., Грищенко А. В., Кру чек В. А. Электрические передачи локомотивов: Учебник для вузов ж.-д. транспорта / Под ред. В.В. Стрекопытова. — М.: Маршрут, 2003. — 310 с.
7. Тепловозы. Назначение и устройство: Учебник для образовательных учреждений ж.-д. транспорта, осуществляющих профессиональную подготовку / О.Г. Куприенко, Э.Н. Нестеров, С.Н. Ким, А.С. Евстратов; Под ред. О.Г. Куприенко. — М.: Маршрут, 2006. — 280 с.
8. Тепловоз ТЭМ7 / Под ред. Г.С. Меликджанова. — М.: Транспорт, 1989. — 295 с.
9. Тепловоз 2ТЭ116 / С.П. Филонов, А.И. Гибалов, Е.Н. Никитин и др. 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Транспорт, 1996. — 334 с.
10. Тепловозы СССР: Каталог / НИИИНФОРМТЯЖМАШ. — М„ 1988. — 167 с.
11. Тепловозы зарубежных стран: Каталог-справочник / ВНИТИ. — Коломна, 1992. — 376 с.
12. Четвергов В.А., Пузанков А.Д. Надежность локомотивов: Учебник для вузов ж.-д. транспорта / Под ред. д-ра техн, наук, проф. В.А. Четвергова. — М.: Маршрут, 2003. — 415 с.
579
Оглавление
От авторов................................................3
Введение..................................................6
Глава 1. История развития тепловозостроения. Общее устройство и основные параметры автономного тягового подвижного состава.... 10
1.1. Исторический очерк отечественного тепловозостроения..10
1.2. Компоновочные схемы автономного тягового подвижного состава...................................................18
1.3. Выбор основных параметров тепловозов.................37
Глава 2. Тележки..........................................46
2.1. Общее устройство и типы тележек......................46
2.2. Рамы тележек.........................................71
2.3. Колесные пары........................................85
2.4. Буксовые узлы.......................................104
2.5. Рессорное подвешивание............................. 121
2.5.1. Классификация систем рессорного подвешивания.. 121
2.5.2. Устройство рессорного подвешивания............ 128
2.5.3. Основные характеристики рессорного подвешивания. 142
2.5.4. Конструкция и расчет упругих элементов........ 150
2.6. Опорно-возвращающие устройства......................177
2.7. Тяговые устройства..................................190
2.7.1. Классификация тяговых устройств и их роль в реализации локомотивом силы тяги................................ 190
2.7.2. Конструкция тяговых устройств................. 198
2.8. Тормозные устройства................................204
Глава 3. Главные рамы и кузова...........................218
3.1. Типы рам и кузовов..................................218
3.2. Конструкция главных несущих рам.....................219
3.3. Кузова ненесущего типа..............................228
3.4. Несущие кузова и особенности их работы..............231
3.5. Расчет рам и кузовов................................235
3.5.1. Расчетные нагрузки и режимы нагружения.........237
3.5.2. Основные материалы для изготовления кузова и рам тележек.........................................240
3.5.3. Расчеты рам и кузовов на статическую нагрузку...243
580
3.5.4. Особенности работы обшивки и стержневых элементов конструкции на устойчивость................250
3.5.5. Расчеты усталостной прочности.................259
Глава 4. Тяговые приводы................................262
4.1. Назначение, классификация и общее устройство тяговых приводов................................................262
4.2. Тяговые приводы локомотивов с электрической передачей................................................270
4.3. Выбор основных параметров и расчет прочности элементов тягового привода с электродвигателем.....................288
4.4. Карданные приводы..................................294
4.5. Проектирование карданного привода..................301
4.6. Спарниковые механизмы..............................311
Глава 5. Вспомагательное оборудование локомотива........315
5.1. Вспомогательные системы и оборудование энергетической установки...............................................316
5.1.1. Топливная система............................ 316
5.1.2. Масляная система............................. 333
5.1.3. Водяная система.............................. 353
5.1.4. Системы воздухоснабжения..................... 362
5.1.5. Воздухоочистители............................ 364
5.1.6. Система выхлопа дизеля, глушители шума....... 375
5.2. Охлаждающие устройства.............................380
5.2.1. Назначение, типы и компоновочные решения..... 380
5.2.2. Конструкции, параметры и расчет водо- и масловоздушных секций радиаторов................................... 384
5.2.3. Конструкция, параметры и расчет водомасляных теплообменников..................................... 398
5.2.4. Конструкция охладителей наддувочного воздуха..405
5.2.5. Системы охлаждения тяговых электрических машин и аппаратов тепловозов...............................409
5.2.6. Вентиляторы охлаждающих устройств и систем, выбор основных параметров вентиляторов.............. 419
5.3. Пневматическая система.............................433
5.3.1. Тормозная система.............................433
5.3.2. Воздушная система автоматики..................440
5.3.3. Песочная система..............................443
5.3.4. Система пожаротушения.........................450
581
5.4. Обеспечение санитарных норм и эргономических требований в кабине машиниста........................................455
5.5. Приводы вспомогательного оборудования локомотивов....464
Глава 6. Современный дизельный подвижной состав, эксплуатирующийся на железных дорогах России и за рубежом.483
6.1. Грузовые тепловозы...................................483
6.2. Пассажирские тепловозы...............................498
6.3. Маневровые и промышленные тепловозы..................503
6.4. Дизель-поезда и автомотрисы..........................516
6.5. Газотурбовозы и турбопоезда..........................525
6.6. Тяговый подвижной состав с использованием альтернативных видов топлива..............................532
6.7. Особенности конструкции локомотивов для различных климатических зон.........................................537
6.8. Тепловозостроение за рубежом.........................540
Глава 7. Современные направления развития локомотивостроения........................................553
7.1. Типы и основные параметры локомотивов................553
7.2. Перспективные направления по совершенствованию и развитию силовых установок, основных агрегатов и узлов локомотивов.559
7.3. Средства микропроцессорной техники и технической диагностики в локомотивостроении..........................567
7.4. Продление срока службы тепловозов....................574
Рекомендуемая литература..................................579
Учебное издание
Георгий Сергеевич Михальченко Владимир Николаевич Кашников Валерий Семенович Коссов Виталий Анатольевич Симонов
Теория и конструкция локомотивов
Под редакцией профессора Г.С. Михальченко
Учебник для вузов железнодорожного транспорта
Редактор О. Г. Куприенко Корректоры Т.С. Матвеева, Н.В. Лепендина, И.Ф. Солодкова Компьютерная верстка ТВ. Демина
Подписано в печать 22.11.2006 г.
Формат 60 х 84 1/16. Печ. л. 36,5. Тираж 5000 экз. Заказ № 2117.
ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте»
Издательство «Маршрут»
107078 Москва, Басманный пер., д. 6
Тел.: +7 (495) 262-12-47,
e-mail: marketing@umczdt.ru; marshrut@umczdt.ru, www.umczdt.ru
Отпечатано в ОАО «Московская типография № 2» 129085 Москва, пр. Мира, 105.
Тел.: (495) 682-24-91