И выбор оборудования передачи

 

 

Величина касательной силы тяги локомотива может ограничиваться сцеплением движущих колес локомотива с рельсом и мощностью силовой установки. Для предупреждения боксования локомотива сила тяги на ободе движущих колес не должна превосходить величины, при которой обеспечивается устойчивое сцепление.

Локомотивы стремятся проектировать таким образом, чтобы при заданной скорости на руководящем подъеме часовая касательная сила тяги равнялась предельному значению , при котором обеспечивается устойчивое сцепление колес с рельсом (точка А на рисунке 53).В этом случае расчетную скорость называют скоростью порога. Для магистральных локомотивов целесообразно мощность, соответствующую скорости порога, сохранять постоянной при всех скоростях движения поезда, что обеспечивает минимальный удельный вес локомотива и максимальные технические скорости. При этом условии сила тяги (линия А-Б) в диапазоне изменения скоростей будет изменяться по кривой, имеющей форму гиперболы.

Если сила тяги изменяется по гиперболическому закону, то ее значения при скорости порога в несколько раз больше, чем при максимальной скорости на площадке.

 

Для обеспечения изменения силы тяги локомотива по гиперболе двигатель, передающий энергию на движущие колеса непосредственно или при помощи кинематической передачи с постоянным передаточным отношением, должен характеризоваться постоянством мощности в диапазоне частоты вращения коленчатого вала, соответствующей диапазону скоростей движения тепловоза. При этом крутящий момент будет изменяться в зависимости от скорости вращения коленчатого вала по гиперболическому закону. Однако у современных дизелей мощность изменяется примерно пропорционально частоте вращения коленчатого вала (рисунок 54). Номинальная мощность достигает только при номинальной частоте вращения, а крутящий момент на валу двигателя по внешней характеристики изменяется незначительно.

Кроме того, дизели обычного исполнения не поддаются реверсированию, т.е. не допускают изменения направления вращения вала. Для пуска дизеля необходим дополнительный источник энергии. В рабочем диапазоне частот вращения коленчатого вала и нагрузок дизель работает неодинаково экономично. Наименьший удельный расход топлива обычно соответствует нагрузкам и частотам вращения, близким к номинальным.

Чтобы приспособить дизель к тяговой службе, на тепловозах между валом дизеля и ведущими осями предусматривают специальное промежуточное устройство, называемое тяговой передаче тепловоза. Передачей мощности называется устройство или система устройств, образующих цепь, по которой мощность первичного двигателя передается к движущим осям локомотива.

В передаче механическая работа вращения коленчатого вала дизеля (она характеризуется постоянством мощности, вращающего момента и частоты вращения) преобразуется в механическую работу вращения ведущих колес тепловоза, которая характеризуется переменными вращающим моментом и частотой вращения осей колесных пар (при постоянной мощности). Основная роль передачи мощности состоит в преобразовании заданных постоянных крутящего момента и угловой скорости вала первичного двигателя в переменный момент вращения и угловую скорость движущих колесных пар локомотива. Чем больше мощность, развиваемая дизелем и соответственно локомотивом в эксплуатации, тем выше его производительность и тем меньше потребуется локомотивов для выполнения одного и того же объема работы.

 

 

Рисунок 54. Внешняя характеристика дизеля:

М_д – вращающий момент на валу; N_е - эффективная мощность; η _е – эффективный к.п.д.; g_e – удельный расход топлива_.

Для получения реальной тяговой характеристики тепловоза, максимально приближенной к гиперболической, с учетом ряда других требований, предъявляемых к локомотивам, тяговые передачи должны обеспечивать:

- гиперболический характер изменения сил тяги при работе дизеля в узком диапазоне изменения частоты вращения коленчатого вала с бесступенчатым и непрерывным ее изменением скорости движения локомотива (от нулевой до конструкционной);

- возможность длительной реализации максимальных значений силы тяги, близких к ограничению по сцеплению;

- реверсивность локомотива при нереверсивном двигателе и идентичность тяговых характеристик при переднем или заднем ходе;

- предотвращения боксования ведущих колес;

- пуск дизеля на холостом ходу при помощи соответствующих вспомогательных средств, разъединение двигателя и движущих осей, как на стоянке, так и при движении;

- высокой значение КПД тепловоза на всех режимах его работы и возможно большее использование мощности дизеля на различных скоростных режимах;

- управление по системе многих единиц с одного поста;

- возможность полной автоматизации работы передачи и дизеля;

- возможность работы в режиме торможения;

- отсутствие воздействия динамических нагрузок на вал дизеля;

- минимальный вес и габариты, низкая строительная стоимость, небольшие затраты дефицитных материалов при высокой эксплуатационной надежности, удобство обслуживания локомотивов и минимальные эксплуатационные затраты.

В зависимости от способа преобразования, средств передачи энергии от дизеля к движущим осям и конструктивного исполнения на тепловозах теоретически можно применять следующие типы тяговых передач: механическую, гидравлическую, гидромеханическую, электрическую, электрогидравлическую, электромеханическую и газовую (воздушную). Однако практическое применение на тепловозах получили три основных типа передачи: электрическая, гидравлическая и механическая.

Механическая передача по устройству является наиболее простой. Она представляет собой редуктор, расположенный кинематически между коленчатым валом дизеля и ведущими осями тепловоза. Для возможности изменения передаточного отношения, что необходимо для регулирования силы тяги, коробка скоростей должна иметь несколько переключаемых ступеней, а также возможность реверсирования.

Для пуска дизеля без нагрузки и изменения направления движения тепловоза механическая передача должна иметь устройство, позволяющее отсоединять вал дизеля от движущих колес.

Достоинства механической передачи заключается в простоте конструкции, компактности, сравнительно малом весе, низкой стоимости изготовления, высокий КПД. Но механическая передача имеет серьезные недостатки. Из-за ограниченности числа ступеней передачи тяговая характеристика тепловоза имеет вид ступенчатой ломаной линии, значительно отличающейся от гиперболы (рисунок 55).

Ступенчатость характеристики не обеспечивает полного использования мощности дизеля в скоростных диапазонах каждой ступени скорости.

Другим недостатком является полная потеря силы при переключении ступеней передачи. Поэтому переключения скоростей в процессе движения неизбежно вызывают динамические перегрузки деталей передачи. Механические передачи в настоящее время применяются на автомотрисах и мотовозах, а также на маневровых тепловозах малой мощности.

На тепловозах с гидравлической передачей мощность дизеля передается движущим колесным парам через жидкость, циркулирующую в замкнутом объеме. Дизель передает энергию гидравлическому насосу, который сообщает ее жидкости, подавая ее под давлением к гидравлическим двигателям, связанным с колесными парами тепловоза. От двигателей жидкость возвращается к насосу. Жесткая механическая связь между дизелем и колесами отсутствует. В качестве гидравлической передачи используют гидравлические машины, которые частично или полностью трансформируют и передают крутящий момент с коленчатого вала на движущие оси тепловоза.

 

Рисунок 55. Тяговая характеристика тепловоза с трехступенчатой механической передачей

 

Гидравлические машины передач состоят из насоса (ротационного, поршневого или центробежного), преобразующего механическую энергию рабочего органа (ротора, поршня, центробежного колеса), кинематически связанного с коленчатым валом дизеля, в потенциальную и кинетическую энергии рабочей жидкости, и гидравлического двигателя (ротационного, поршневого, турбинного), преобразующего энергию рабочей жидкости в механическую энергию рабочего органа (ротора, поршня, рабочего колеса турбины), кинематически соединенного с движущими осями тепловоза.

Мощность, передаваемая гидропередачей, определяется произведением давления рабочей жидкости на величину ее расхода (скорости). В зависимости от соотношения давления и расхода рабочей жидкости гидропередачи делятся на гидростатические (объемные) – высокого давления, в которых используются преимущественно аксиально-поршневые агрегаты (насосы и гидродвигатели), и гидродинамические – низкого давления, в которых используют лопастные агрегаты.

В гидростатических передачах работа передается за счет высоких давлений жидкости при незначительных ее расходах. Гидростатические передачи не нашли применения в качестве силовых передач из-за различных технических трудностей (большие потери на трение, наличие утечек при высоких давлениях). Однако такие передачи небольшой мощности используются для привода вспомогательных агрегатов.

На тепловозах почти исключительно применяются гидродинамические передачи, в которых используется кинетическая энергия жидкости, циркулирующая в замкнутом постоянном объеме. Эти передачи состоят из центробежного насоса и турбины, в которых имеет место не изменение объемов, а изменение скоростей движения.

Гидравлические передачи имеют ряд преимуществ по сравнению с электрической передачей: меньшие габаритные размеры, вес и стоимость на единицу мощности, а также малый расход цветных металлов. В то же время преобразование энергии в гидропередачах происходит с несколько большими потерями, что приводит к повышенному расходу топлива тепловозом.

В гидродинамических передачах (рисунок 56, а) центробежный насос Н, получая энергию от двигателя через вал 1, засасывает жидкость из трубопровода 4 и нагнетает ее по трубопроводу 5 в радиальную турбину Т, из которой жидкость возвращается в трубопровод 4. При течении жидкости в замкнутом контуре 4-Н-5-Т-4 возникают потери ее энергии из-за трения и вихреобразования. Поэтому для уменьшения потерь на трение в трубопроводах 4 и 5 приходится увеличивать их поперечные сечения, чтобы снизить скорость течения. Для уменьшения вихревых потерь при выходе их насоса и постепенного снижения скорости служит направляющий аппарат (диффузор) НА1. Однако перед турбиной в направляющей аппарате НА2 скорость течения должна быть снова повышена для увеличения кинетической энергии жидкости.

В современных гидродинамических передачах насосное и турбинное колеса, а также направляющий аппарат объединены в одном агрегате, называемом гидротрансформатором. Ведущий вал гидротрансформатора, на котором жестко сидит насосное колесо, соединен с валом дизеля. Если внутренние полости гидротрансформатора не заполнены рабочей жидкостью, то ведомый вал и жестко сидящее на нем турбинное колесо разобщены с ведущим валом. При заполненном рабочей жидкостью корпусе гидротрансформатора вращающееся насосное колесо подает под давлением рабочую жидкость на лопатки турбинного колеса, передавая, таким образом, крутящий момент. Из турбинного колеса жидкость поступает в направляющий аппарат, где изменяет направление движения, и снова подводится к насосному колесу, совершая замкнутое движение. Крутящий момент с ведомого вала через систему зубчатых колес и карданных валов передается на движущие оси тепловоза. Гидротрансформаторы способны в зависимости от соотношения частоты вращения ведомого и ведущего валов плавно изменять величину крутящего момента.

 

Рисунок 56. Схема гидроаппаратов:

а – схема работы гидроаппарата; б – конструктивная схема гидротрансформатора; в – конструктивная схема гидромуфты

Если насосное и турбинное колеса объединяются в агрегате, не имеющем направляющего аппарата, то он называется гидромуфтой. Гидромуфта только передает крутящий момент, не трансформируя его.

В качестве рабочей жидкости в гидропередачах используют минеральное масло, но может применяться и дизельное топливо.

Для получения необходимой тяговой характеристики и высокого КПД гидродинамические передачи выполняются в виде различных комбинаций гидротрансформаторов и гидромуфт.

На тепловозах с электрической передачей генератор преобразует механическую энергию дизеля в электрическую, которая при помощи тяговых электродвигателей трансформируется опять в механическую и через механические устройства передается на движущие оси тепловоза.

Изменения крутящего момента и частоты вращения коленчатого вала дизеля, обеспечивающие постоянство мощности в диапазоне рабочих скоростей, достигается подбором характеристик генератора и тяговых электродвигателей.

По роду электрического тока, используемого для передачи энергии от генератора к тяговым электродвигателям, передачи могут быть: постоянного тока, переменно-постоянного тока и переменного тока. Весьма широкое применение на тепловозах нашли передачи постоянного тока.

Современные электрические передачи постоянного тока компонуются из следующих электрических машин: главного генератора Г; возбудителей – специальных генераторов небольшой мощности, вырабатывающих ток возбуждения главных генераторов; тяговых электродвигателей ЭД; вспомогательных генераторов, питающих обмотку возбудителей и цепи управления; аккумуляторных батарей и дополнительных устройств малой мощности, предназначенных для улучшения характеристик главного генератора. Вспомогательный генератор и возбудитель обычно конструктивно объединяются в одном корпусе, образуя двухмашинный агрегат, приводимый в движение от вала главного генератора.

Для наиболее полного использования мощности дизеля при заданном режиме его работы мощность главного генератора, равная произведению силы тока на напряжение на его зажимах, должна оставаться постоянной, т.е. напряжение на зажимах главного генератора в зависимости от силы тока должна изменяться по гиперболическому закону. Приближение внешней характеристики генератора (характеристика, соответствующая максимальной свободной мощности дизеля) к гиперболической достигается специальным подбором электрических машин и различных корректирующих устройств. Это обеспечивает приближение тяговой характеристики тепловоза к гиперболической во всем диапазоне рабочих скоростей тепловоза.

Частота вращения валов ТЭД, а, следовательно, и скорость движения тепловоза, определяется величиной напряжения на зажимах ТЭД и магнитного потока его полюсов. Изменение скорости движения тепловоза может достигаться изменением частоты вращения якоря главного генератора (при изменении позиции главной рукоятки контроллера, с помощью автоматического регулятора изменяется частота вращения коленчатого вала дизеля и при необходимости - величина цикловой подачи топлива), изменением схемы включения тяговых электродвигателей в силовую цепь и изменением магнитного потока путем его ослабления (параллельно обмотке возбуждения двигателя включаются резисторы).

Электрические передачи постоянного тока выполняются:

1) с последовательно-параллельным соединением ТЭД, допускающим их переключением на последовательное;

2) с постоянным последовательно-параллельным соединением ТЭД;

3) с постоянным параллельным соединением ТЭД.

При заданных параметрах тока на зажимах главного генератора последовательное соединение ТЭД характеризуется минимальным значением напряжения и максимальной силой тока на их зажимах; при параллельном соединении ТЭД напряжения достигает максимума (максимальная скорость), а сила тока минимума. При постоянных параметрах тока частоту вращения якоря ТЭД можно также увеличить за счет параллельного подключения к обмотке возбуждения резистора с постоянным сопротивлением. На тепловозах применяют дну или две ступени ослабления магнитного поля.

 

 

 

Рисунок 57. Схема передачи постоянного тока

 

Применение электрической передачи на тепловозах исключает жесткую связь между коленчатым валом дизеля и колесными парами. При постоянной частоте вращения коленчатого вала дизеля и установившейся скорости тепловоза частота вращения n якоря ТЭД постоянного тока определяется напряжением U, подведенным к нему, и магнитным потоком Ф и не зависит от частоты вращения вала дизеля:

 

, (3.14)

 

где - ток и сопротивление в цепи якоря;

- постоянный коэффициент.

Передачи постоянного тока наиболее просты в исполнении, не имеют промежуточных звеньев, обладают высоким КПД и регулировочными качествами.

Однако при росте секционной мощности тепловозов снижается надежность тяговых генераторов. Поэтому на более мощных тепловозах применяются передачи переменно-постоянного и переменного тока.

В передаче переменно-постоянного тока (рисунок 58) тяговый генератор Г выполнен в виде синхронного генератора переменного тока, а тяговые электродвигатель ЭД – постоянного тока. Для преобразования переменного тока в постоянный между генераторов и двигателями включена выпрямительная установку ВУ, в связи с чем, несколько снижается общий КПД передачи.

Наиболее мощными являются передачи переменного тока (рисунок 59), которые применяются на тепловозах мощностью 4400 кВт и более. Для нормальной работы ТЭД переменного тока требуется одновременное регулирование напряжения и частоты переменного тока. Поэтому между генератором и двигателями включается преобразователь частоты ПЧ.

Преимуществами машин переменного тока по сравнению с машинами постоянного тока являются:

1) уменьшение массы машины при увеличении ее надежности из-за отсутствия коллектора и щеточного аппарата;

2) понижение эксплуатационных расходов вследствие уменьшения расходов на уход за машинами и их ремонт;

3) сокращение расхода дорогостоящих материалов – меди и электротехнической стали и соответственно уменьшение стоимости машины.

 

Рисунок 58. Схема передачи переменно- постоянного тока

Рисунок 59. Схема передачи переменного тока

 

 

⇐ Предыдущая6789101112131415Следующая ⇒

Поделиться: