Лекция №2 Главные составные части, агрегаты и узлы тепловоза.

В 2007 г. на Брянском машиностроительном заводе был построен тепловоз серии 2ТЭ25А, имеющий следующие технико-экономические характеристики: род службы – грузовой, дизель 12ЧН26/26; мощностью N_е = 2´2500 кВт (2´3400 л.с.); конструкционная скорость V_K = 110 км/ч, расчетная скорость V_P = 24 км/час; касательная сила тяги F_К = 390 кН; осевая нагрузка 2П = 235 кН; передача – электрическая переменно-переменного тока; колесная формула – 2 (3₀–3₀) (рис. 2.3).

Этот локомотив можно отнести к тепловозам третьего поколения, имеющего существенные различия перед существующими сериями. Так, на тепловозе впервые установлена электрическая передача переменно-переменного тока, которая ни только упрощает конструкцию, но и существенно увеличивает тяговые свойства локомотива. В 2006 г. был построен тепловоз 2ТЭ25К такой же мощностью, но с электрической передачей переменно-постоянного тока. Касательная сила тяги этого тепловоза равняется 300 кН, т. е. на 23 % меньше, чем у тепловоза 2ТЭ25А.

Рис. 2.3. Компоновочная схема тепловоза 2ТЭ25А: 1 – дизель; 2 – однокорпусный агрегат; 3 – стартер-генератор;

4 – тяговый статический преобразователь; 5 – вентилятор централизованного воздухоснабжения;

6 – кассеты воздушных фильтров; 7 – реостатный тормоз; 8 – вентилятор централизованного воздухоснабжения;

9 – вспомогательный статический преобразователь; 10 – радиаторы охлаждающего устройства;

11 – мотор-вентилятор с асинхронным электродвигателем; 12 – компрессор; 13 – электродвигатель компрессора

Дизель 4-тактный, с наддувом, V-образный, 12-цилиндровый, с диаметром и ходом поршня 260´260 мм, с удельным расходом топлива 198 г/кВт×ч.

Система охлаждения двухконтурная, с осушаемыми радиаторами. Привод вентиляторов охлаждающего устройства – асинхронный с плавным регулированием оборотов. Система охлаждения электрических машин и аппаратов имеет крышевой вентиляторный блок с мультициклонами сухого типа.

Управление, регулирование и диагностика осуществляются бортовыми микропроцессорами. Тепловоз имеет 2-типовую систему торможения: воздушную и реостатную.

Для снижения износа гребней колесных пар и сопротивления при движении тележка тепловоза оборудована устройствами для радиальной установки крайних колесных пар при движении в кривых участках пути. Для повышения надежности моторно-осевых подшипников вместо традиционных подшипников скольжения установлены конические роликовые подшипники. Для надежной защиты локомотивной бригады при столкновении кабина имеет защитное устройство высокой энергоемкости.

Тепловоз создан на базе тепловоза ТЭП70 и имеет одинаковые технико-экономические характеристики. Подробно его изучают на практических занятиях по данной дисциплине.

Буквы БС обозначают имя и фамилию: Борис Саламбеков, который в годы Великой отечественной войны руководил Октябрьской ж.д., снабжавшей Ленинград во время блокады. За доблестный труд в годы войны он был удостоен звания Героя Социалистического труда.

По сравнению с базовым тепловозом ТЭП70БС имеет следующие различия. Кузов несущий, но безраскосный, что снижает его вес. Локомотив оборудован микропроцессорной системой управления и диагностики силового и вспомогательного оборудования (МСУ-Т). В охлаждающем устройстве применена комбинированная система регулирования температур теплоносителей, что с применением нового вентилятора типа КТЗ-1 позволило на 30 % снизить затраты мощности на его привод. На тепловозе установлен однокорпусный агрегат АСТМ 2800/600 – 100 со вспомогательным генератором для питания системы электроснабжения поезда с напряжением 1000 В и мощностью 600 кВт, что позволяет отапливать 15 пассажирских вагонов при температуре наружного воздуха – 30 °С.

На базе тепловоза ТЭП70 создан грузовой тепловоз 2ТЭ70 мощностью N_е = 2´3000 кВт или 2´4000 л.с. На нем стоит дизель-генератор типа 2А-9ДГ-02 с удельным расходом топлива 198 г/кВт×ч. Касательная сила тяги тепловоза F_К = 2´304 кН, нагрузка на ось 2П = 230 кН. Особенностью тепловоза является наличие микропроцессорной системы управления, регулирования и диагностики с поосным регулированием касательной силы. Эксплуатационные испытания тепловоза зафиксировали высокое значение кпд в пределах 32 %.

Тепловоз был создан на Людиновском тепловозостроительном заводе в 1977 г. и имеет следующие технико-экономические характеристики: род службы – маневровый; дизель 2-2Д49 (12ЧН26/26); мощность N_е = 1470 кВт (2000 л.с.); V_K = 100 км/ч; V_P = 10,3 км/ч; F_К = 350 кН; 2П = 225 кН; длина по концам автосцепок L_АС = 21500 мм; передача – электрическая переменно-постоянного тока; колесная формула 2₀ + 2₀ – 2₀ + 2₀; диаметр колеса Д_К = 1050 мм; минимальный радиус прохождения кривых R_min = 80 м; кпд = 29 %. Компоновочная схема тепловоза приведена на рис. 2.4.

Конструктивными особенностями тепловоза являются: водяная система закрытого типа с высокотемпературным охлаждением; охлаждение всех электрических машин, выпрямительной установки и аппаратной камеры производится с помощью вентилятора централизованного воздухоснабжения; наличие двух мотор-компрессоров для вождения составов повышенной длины.

Рис. 2.4. Компоновочная схема тепловоза ТЭМ7: 1 – ДВС; 2 – синхронный тяговый генератор;

3 – вентилятор централизованного воздухоснабжения; 4 – кассеты воздушных фильтров;

5 – мотор-компрессор (2 шт.); 6 – резервуар пенного пожаротушения; 7 – выпрямительная установка;

8 – аппаратная камера; 9 – аккумуляторная батарея; 10 – возбудитель; 11 – стартер-генератор;

12 – редуктор; 13 – редуктор вентилятора охлаждающего устройства; 14 – радиаторы;

15 – вентилятор охлаждающего устройства; 16 – кабина машиниста; 17 – догружатель тележки

Для лучшего использования веса при трогании с места и движения с низкими скоростями тепловоз оборудован двумя пневматическими догружателями, установленными над крайними тележками. Коэффициент использования сцепного веса составляет 0,92, а коэффициент тяги длительного режима (отношение силы тяги длительного режима к служебной массе) равен 0,192, что находится на уровне лучших образцов отечественного и зарубежного тепловозостроения.

На тепловозе впервые в отечественной практике применены сопряженные двухосные тележки, связанные с рамой промежуточной балкой. Проведенные испытания по оценке воздействия тепловоза на путь показали, что максимальная горизонтальная нагрузка от колеса на рельс при движении в кривом участке пути на 30 % ниже, чем у тепловоза ТЭМ2. В связи с этим тепловоз отнесен к высшей категории качества, а конструкция экипажной части рекомендована в качестве прототипа для магистральных тепловозов.

Тепловоз ТЭМ7А отличается наличием модернизированного дизеля 12ЧНА 26/26 и реостатного тормоза.

В 2001 г. Брянским машиностроительным заводом был создан новый маневровый тепловоз ТЭМ21. Его мощность 1100 кВт (1500 л.с.), передача переменно-переменного тока, сила тяги 300 кН, расчетная скорость 9,1 км/ч, конструкционная скорость 100 км/ч, нагрузка от колеса на рельс 225 кН, колесная формула 2₀–2₀. Дизель тепловоза 12ЧН26/26 с неохлаждаемыми коллекторами, обеспечивает низкий расход топлива и высокую преемственность, необходимую при маневровой работе. Синхронный тяговый генератор ГСТ 1050–1000 имеет трехфазную обмотку (две тяговые, для питания ТЭД, а одна для питания электродвигателей собственных нужд: мотор-компрессора, мотор-вентилятора охлаждающего устройства и мотор-вентилятора для охлаждения ТЭД). Тепловоз оборудован микропроцессорной системой управления, регулирования и диагностики всего оборудования.

В последние годы для работы на станциях приходят новые маневровые тепловозы серии ТЭМ18Д, которые по своей мощности равны существующим ТЭМ2. На этих локомотивах используется новый экономичный дизель, электрическая передача постоянного тока, бесчелюстные тележки, охлаждение масла в водомасляном теплообменнике. На тепловозе ТЭМ18ДМ установлена новая кабина машиниста, микропроцессорная система управления и реостатный тормоз.

Тепловоз был создан на Людиновском тепловозостроительном заводе в 1995 г. и имеет следующие технико-экономические показатели: род службы – пассажирский; дизель 2-6Д49 (12ЧН26/26); мощность N_е = 2´772 кВт (2´1000 л.с.); V_K = 90 км/ч; V_P = 20 км/ч; F_К = 182 кН; 2П = 220 кН; длина по концам автосцепок L_АС = 17750 мм; передача – гидравлическая; колесная формула 2–2; диаметр колеса Д_К = 950 мм; кпд при работе на гидротрансформаторе 27 %, при работе на гидромуфте – 31 %; ширина колеи 1067 мм; тепловоз предназначен для работы на Сахалинской ж.д. Компоновочная схема тепловоза приведена на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Компоновочная схема тепловоза ТГ22: 1 – ДВС; 2 – универсальная гидропередача;

3 – стартер-генератор; 4 – редуктор и гидромуфта переменного наполнения включения вентилятора

охлаждающего устройства; 5 – вспомогательный генератор; 6 – вентилятор охлаждающего устройства;

7 – радиаторы; 8 – водяной бак; 9 – кассеты воздушного фильтра ДВС; 10 – турбокомпрессор;

11 – компрессор; 12 – аппаратная камера; 13 – аккумуляторная батарея;

14 – осевой редуктор; 15 – противопожарная установка; 16 – карданный вал

Конструктивными особенностями тепловоза являются наличие двух силовых установок, состоящих из дизеля и гидропередачи, каждая из которых передает крутящий момент на колесные пары одной тележки. Две силовые установки повышают надежность тепловоза, с другой стороны усложняют компоновку и требуют больших расходов на обслуживание и ремонт. Крутящий момент от гидропередачи через карданный вал передается на осевые редуктора, а от них – на колесные пары. Для повышения силы тяги обе гидропередачи могут соединяться общим карданным валом. Гидропередача состоит из двух гидротрансформаторов и одной гидромуфты, которая включается при скорости движения 40 км/ч.

Преимуществом тепловозов с гидропередачей по сравнению с тепловозами с электропередачей является меньший удельный вес, отсутствие электрических машин, что снижает стоимость локомотива и повышает его надежность, особенно во влажные периоды года. Недостатком тепловоза является низкий кпд, особенно при работе на гидротрансформаторе.

Газотурбовозбыл создан на Воронежском тепловозоремонтном заводе в 2007 г. и имеет следующие технико-экономические показатели: род службы – грузовой; газотурбинный двигатель типа НК-361, мощностью 8300 кВт (11 200 л.с.); V_K = 120 км/ч; V_P = 31 км/ч; F_К = 630 кН; 2П = 250 кН; передача – переменно-постоянного тока; колесная формула 2 (2₀–2₀–2₀), запас газа 17 т, что позволяет иметь пробег между экипировками в пределах 800–1000 км, уровень шума при максимальной мощности не более 80 дб (рис. 2.6).

Конструктивными особенностями газотурбовоза является наличие на двух секционном локомотиве одной газотурбинной установки производства СНТК им. Н.Д. Кузнецова, работающей на сжиженном газе. Кпд установки около 30 %. Емкость газа расположена на второй секции, которая опирается как и первая на три двухосные тележки с приводом к колесным паром от ТЭД постоянного тока. На тяговой секции также расположены тяговый и вспомогательный генераторы, система подготовки газа, мотор-компрессоры, система вентиляции тягового и вспомогательного электрооборудования, аппаратные камеры. На ведомой секции находится криогенная емкость, вспомогательный дизель-генератор, винтовой компрессор, система вентиляции тягового и вспомогательного электрооборудования, аппаратные камеры. Вспомогательный дизель-генератор применяется для запуска газотурбинного двигателя и для проведения маневровой работы.

Так, 4 июля 2008 г. газотурбовоз совершил опытную поездку с грузовым поездом массой 3200 т на Куйбышевской ж.д.; 25 ноября 2008 г. на участке Вековка – Бекасово Мск. ж.-д он провел поезд массой 8300 т, а 20 декабря этого же года на участке Рыбное – Перово он вел поезд массой 10 000 т, что считается рекордом для автономного локомотива.

Рис. 2.6. Компоновочная схема газотурбовоза ГТ-1: 1 – газотурбинный двигатель;
2 – тяговый генератор; 3 – аппаратная камера; 4 – реостатный тормоз;

5 – кассеты воздушных фильтров; 6 – вентилятор централизованного воздухоснабжения;

7 – мотор-компрессор; 8 – радиаторы охлаждающего устройства вспомогательного ДВС;

9 – вен­тилятор охлаждающего устройства; 10 – вспомогательный дизель-генератор;

11 – криогенная емкость для хранения сжиженного газа

Газотурбовоз, имея мощность на уровне электровоза, обладает неоспоримыми преимуществами: газотурбинный двигатель значительно проще дизеля, что повышает его надежность и благоприятно отражается на стоимости локомотива. В связи с этим газотурбовоз может эксплуатироваться на грузонапряженных участках и при этом позволит существенно повысить, по сравнению с тепловозной тягой, эффективность эксплуатации, а именно: так расход топлива снижается на 5-8 %, стоимость проведения обслуживания и ремонта уменьшается на 30-40 %, загрязненность окружающей среды снижается в 10 раз.

Предполагается внедрить газотурбинную тягу на 12 железных дорогах с парком 1500 магистральных и 2000 маневровых локомотивов.

Лекция №3Тяговая характеристика тепловоза.

Тяговой характеристикой тепловоза называется графическая зависимость касательной силы тяги и скорости движения при заданной мощности силовой установки.

Дизельные локомотивы проектируют таким образом, чтобы при движении с расчетной скоростью по подъему с руководящим уклоном часовая касательная сила тяги F_К равнялась предельному значению силы тяги по сцеплению F_СЦ, при котором обеспечивается устойчивое сцепление колес с рельсами. В этом случае скорость движения называют скоростью порога V_П.

Для получения максимального кпд тепловоза целесообразно мощ­ность, соответствующую скорости порога, сохранять постоянной при всех скоростях движения поезда. При этом условии сила тяги F_К в диапазоне скоростей от V_П до V_МАК будет изменяться по кривой, имеющей форму гиперболы (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Тяговая характеристика тепловоза с электрической передачей:

т.1 – переход работы ТЭД с полного поля на ослабленное первое;

т.2 – переход работы ТЭД с ослабленного первого на ослабленное второе;

т.3 – переход работы ТЭД с ослабленного второго поля на ослабленное первое;

т.4 – переход работы ТЭД с ослабленного первого поля на полное поле;

F_СЦ – графическая зависимость касательной силы тяги по сцеплению от скорости;

I_ДЛ – ограничение по длительному току

Касательная мощность, кВт, определяется

N_K = . (3.1)

Тогда силу тяги можно определить по формуле

F_K = . (3.2)

Для обеспечения устойчивого сцепления колес с рельсами необходимо, чтобы F_K £ F_СЦ, в свою очередь

F_СЦ = Р_СЦ y_К, (3.3)

где Р_СЦ – сцепной вес локомотива, кН; y_К – коэффициент сцепления колеса с рельсами.

для тепловозов серии ТЭ10

y_К = 0,118 + ; (3.4)

для остальных тепловозов

y_К = 0,118 + . (3.5)

Тяговая характеристика строится по электротяговым характеристикам колесо­моторного блока (КМБ), которые в свою очередь рассчитываются по электромеханическим характеристикам ТЭД М_Д = f(i) и n_Д = f(I) (рис. 4.2).

Рис. 3.2. Электромеханические характеристики ТЭД

Порядок расчета электротяговых характеристик следующий: по мощности ДВС и тягового генератора (ТГ) выбирают тип ТЭД, для которого уже построены электромеханические характеристики. Задаваясь значениями I_i, по зависимости М_Д = f (I) определяют значение М_Дi и по зависимости n_Д = f(I) определяют значение n_Дi. Затем рассчитывают значения F_Дi и V_Дi по формулам:

F_Дi = h_зп; (3.6)

V_Дii = n_Di p, (3.7)

где D_К – диметр колесной пары, м; i – передаточное число тягового редуктора; h_зп – кпд зубчатой передачи

i = , (3.8)

где m_K и m_Ш – число зубьев колеса и шестерни, установленной на валу якоря ТЭД.

Учитывая наличие трех кривых (полное поле (ПП), ослабленное первое (ОП1) и ослабленное второе (ОП2), рассчитывают значения F_Дi и V_Дii для всех режимов работы ТЭД и строят электротяговые характеристики КМБ (рис. 4.3).

Рис. 3.3. Электротяговые характеристики
колесомоторного блока

Затем для каждого значения тока графическим путем определяют значения F_Дi и, умножив его на число ТЭД в секции, рассчитывают значение F_Ki. По найденным значениям F_Ki и V_i строят тяговую характеристику тепловоза.

Для построения ограничения по длительному току находят на электротяговых характеристиках при полном возбуждении ТЭД значение F_Д и, умножив ее на число ТЭД, получают ограничение по длительному току.

Чтобы нанести на тяговую характеристику ограничение по сцеплению, поступают следующим образом. Задаются значениями скорости 0,5, 10, 15 и т. д. км/ч, рассчитывают для каждого его значения коэффициент сцепления по формулам (4.4) и (4.5). Затем по осевой нагрузке 2П определяют сцепной вес секции тепловоза и по формуле (4.3) рассчитывают значения F_СЦi.

Отличительной особенностью тяговых характеристик электровозов (рис. 3.4, 3.5) от тяговой характеристики тепловозов является ее форма – параболическая, а не гиперболическая.

Рис. 3.4. Тяговая характеристика эпс постоянного тока: С – сериесное соединение ТЭД; СП – сериес-параллельное соединение ТЭД; п – параллельное соединение ТЭД	Рис. 3.5. Тяговая характеристика эпс переменного тока: 5, 9, 13 и т. д. ходовые позиции контроллера машиниста

Основными технико-экономическими характеристиками тепловозов являются графические зависимости эффективной мощности ДВС N_e, касательной мощности тепловоза N_К, кпд тяговой передачи h_П, часового расхода топлива В_Ч и кпд тепловоза h_т. от скорости движения.

Эти характеристики определяются по следующим формулам:

N_e = , (3.9)

где p_e – эффективная мощность ДВС, МПа; V_h – рабочий объем цилиндра, л; n_D – частота вращения коленчатого вала ДВС, об/мин; z – число цилиндров; i – тактность ДВС.

Касательную мощность можно определить как по тяговой характеристики, так и по значению эффективной мощности, кВт. В первом случае

N_K = . (3.10)

Во втором

N_K = N_e h_П b_ВСП, (3.11)

где h_П – кпд тяговой передачи; b_ВСП – коэффициент, учитывающий затраты мощности на вспомогательные нужды

b_ВСП = , (3.12)

где SN_ВСП – суммарная мощность на вспомогательные нужды тепловоза, кВт.

Коэффициент полезного действия также может быть рассчитан по тяговой характеристике тепловоза (через касательную мощность) и исходя из кпд составных ее частей. В первом случае

h_П = . (3.13)

Во втором – при передаче на постоянном токе

h_П = h_ТГ h_ТЭД h_ТР, (4.14)

где h – кпд тягового генератора; h_ТЭД – кпд тягового электродвигателя; h_ТР – кпд тягового редуктора колесомоторного блока.

При передаче на переменно-постоянном токе

h_П = h_ТГ h_ВУ h_ТЭД h_ТР, (3.15)

где h_ВУ – кпд выпрямительной установки, при передаче переменно-переменного тока это кпд статического преобразователя

Часовой расход топлива, кг/ч:

В_Ч = b_е N_е, (3.16)

где b_е – удельный расход топлива, г/кВт×ч.

Коэффициент полезного действия тепловоза

h_Т = , (3.17)

Например, ниже определим кпд тепловоза серии 3ТЭ10М, имеющий следующие характеристики: N_е = 2206 кВТ; h_П = 0,87; b_ВСП = 0,88; В_Ч = 504 кг/ч; N_K = 2206´0,87´0,88 = 1688 кВт.

Тогда h_Т = (3600´1688) / 504´42500 = 0,28.

Что же нужно предпринять при проектировании тепловоза, чтобы его кпд достиг максимального значения? Анализируя вышеприведенные формулы, эту задачу можно решить путем использования дизеля с минимальным расходом топлива (вместо двухтактного применять четырехтактный, с электронным впрыском топлива); использования тяговой передачи с максимальным кпд и применения приводов к вспомогательному оборудованию с минимальными затратами мощности.

Рис. 3.6. Технико-экономические характеристики тепловоза

Графическое изображение технико-экономических характеристик тепловоза показано на рис. 3.6.