Тяговые характеристики тепловозов с гидравлической передачей мощности.

В гидравлической передаче мощности механическая энергия в начале преобразуется в энергию движения жидкости, а затем обратно в механическую энергию вращения колесных пар.

Гидравлическая передача мощности представляет собой пару гидравлических аппаратов, из которых один (гидронасос) соединен с валом первичного двигателя, а другой (гидродвигатель) работает за счет энергии жидкости, нагнетаемой насосом. Выходной вал гидродвигателя соединяется с ведущими колесами локомотива. Практически все виды гидравлических передач относятся к «непрозрачным» передачам.

Если крутящий момент от входного вала к выходному передается главным образом за счет использования давления рабочей жидкости (доходящее до 350 кг/см²) при незначительной скорости ее движения (2–3 м/с), то передача называется гидростатической. В гидростатических передачах применяют объемные (поршневые или чаще ротационные) насосы и двигатели. На рисунке 8 приведена схема гидростатической передачи мощности с аксиально-поршневым насосом и аксиально-поршневым двигателем.

Рисунок 8. Схема гидростатической передачи мощности:

1 – дизель; 2 – аксиально-поршневой гидронасос; 3 – трубопровод; 4 – аксиально-поршневой гидродвигатель; 5 – осевой редуктор; 6 – колесная пара.

Насос и гидродвигатель гидростатической передачи можно установить на тепловозе практически на любом расстоянии друг от друга, что дает возможность располагать вспомогательное оборудование в любом удобном месте.

Изменение силы тяги и скорости движения локомотива с гидростатической передачей достигается изменением скорости движения жидкости в передаче. При этом можно получить большие значения кратности изменения силы тяги и скорости движения при высоких значениях к.п.д. передачи.

Гидростатической передаче мощности присуши следующие достоинства:

• бесступенчатое регулирование скоростей вращения;

• возможность получения больших тяговых усилий;

• автоматическое предохранение от перегрузок;

• малый вес и удобство компоновки при дистанционном размещении ведомого и ведущего звеньев;

• отсутствие шума и вибрации.

Однако стоит отметить и существенные недостатки присущие данному типу передач:

• конструктивные и технологические трудности в обеспечении больших давлений в длительной эксплуатации;

• трудность в изготовлении и эксплуатации гибких соединений рассчитанных на большое давление.

Указанные недостатки обусловили существенную ограниченность в применении данного типа привода. Гидростатическая передача поршневого типа нашла применение преимущественно в качестве привода вспомогательных машин, в частности, для вентиляторов шахты холодильной установки тепловозов ТЭП60, ТЭП70.

Если крутящий момент передается в основном за счет кинетической энергии жидкости при незначительном использовании давления, передача называется гидродинамической. В этих передачах применяются центробежные насосы, связанные с валом дизеля и центростремительные гидравлические турбины, связанные с колесными парами. Принципиальная схема такой передачи показана на рисунке 9.

Рисунок 9. Схема гидродинамической передачи мощности:

1 – дизель; 2 – гидродинамический насос; 3 – трубопровод; 4 – турбина; 5 – осевой редуктор; 6 – колесная пара; 7 –бак.

Однако расположение на значительном удалении гидродинамического насоса и гидродвигателя приводит к необоснованно большим потерям при движении жидкости по трубопроводу, поэтому насос и двигатель стараются максимально сблизить. Для этого гидродинамическая передача, как правило, выполняется таким образом, чтобы насосное и турбинное колесо были максимально сближены друг с другом и располагались в одном корпусе. Это позволяет потоку жидкости, сходящему с лопастей насоса, поступать непосредственно на лопасти турбины и далее через реактор снова возвращаться на лопасти насосного колеса. В результате передача получается легкой, компактной и минимальными потерями. Основными аппаратами гидравлических передач являются гидротрансформаторы и гидромуфты.

Гидромашина, в одном корпусе которой расположен насос, турбина и реактор, называется гидротрансформатором.

Гидромашина, состоящая только из насоса и турбины, называется гидромуфтой. В гидромуфте (рисунок 10) вал 7, на котором насажено насосное колесо 1, соединен с ведущим валом двигателя. С насосным колесом 1 соединен кожух 4. Между насосным и турбинным 3 колесами имеется зазор. В рабочую полость гидромуфты масло подается вспомогательным насосом через центральное сверление 6 выходного вала 5. Насосное колесо 1, вращаясь, направляет масло в турбинное колесо 3, которое также начинает вращаться и при этом передает нагрузку турбинному валу 5 с которым оно жестко соединено. Энергия от ведущего вала к ведомому передается только посредством жидкости, циркулирующей по колесам. Для поддержания температуры масла в допустимых пределах производится обмен масла через отверстие 2 в кожухе 4.

Рисунок 10. Схема гидромуфты:

1 – насосное колесо; 2 – выпускной канал; 3 – турбинное колесо; 4 – кожух; 5 – выходной (ведомый) вал; 6 – впускной канал; 7 – входной (ведущий) вал.

Особенностью работы гидромуфты является равенство моментов на насосном и турбинном колесах.

При снижении скорости входного вала снижаются скорости жидкости в насосе и турбине, поэтому моменты насоса М_н и турбины М_т уменьшаются. На рисунке 11 показаны относительные характеристики гидромуфты, где М_{н ном} номинальное значение момента на валу насоса при номинальном частоте его вращения n_{н ном}.

Максимальное значение к.п.д. гидромуфты без учета механических потерь в подшипниках составляет 0,94 ÷ 0,97.

Рисунок 11. Универсальная характеристика гидромуфты.

Сохранение постоянных значений мощности и момента на входном валу передачи способен обеспечить гидротрансформатор, конструкция которого представлена на рисунке 12.

Насосное колесо 2 приводится во вращение от вала 3, соединенного с валом дизеля. Если в гидротрансформаторе нет масла, то ведомый вал 8 турбинного колеса 7 разобщен с ведущим валом 3. Для наполнения гидротрансформатора маслом имеется вспомогательный насос, который нагнетает масло через отверстие 4. Насосное колесо 2 вращаясь, подает под давлением масло на реактор (неподвижный направляющий аппарат) 5, а с него на турбинное колесо 7 и возвращается в насосное колесо. Создается замкнутое движение жидкости в колесах гидротрансформатора. Внутреннее кольцо называется тором, а наружное – чашей.

Мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления движению жидкости в корпусе, преобразуется в тепло, нагревающее масло гидротрансформатора. Для охлаждения часть масла из гидротрансформатора через сливное отверстие 4 в кожухе 1 отводят в холодильник.

Рисунок 12. Схема гидротрансформатора:

1 – кожух; 2 – насосное колесо; 3 – ведущий (входной) вал; 4 – заливное отверстие; 5 – реактор; 6 – сливное отверстие; 7 – турбинное колесо; 8 – ведомый (выходной) вал.

В зависимости от числа турбинных колес гидротрансформаторы делят на одноступенчатые и многоступенчатые.

Из рисунка 13 видно, что с уменьшением передаточного отношения или с уменьшением частоты вращения турбинного колеса его момент М_Т увеличивается, превосходя момент на насосном колесе.

Рисунок 13. Универсальная характеристика гидротрансформатора.

Коэффициент полезного действия η_ГТ гидротрансформаторов с увеличением передаточного отношения n_Т / n_Н сначала увеличивается от нуля до наивысшего значения (η _ГТ = 0,83 ÷ 0,92), а затем снова уменьшается до нуля.

Чтобы обеспечить работу гидропередачи с высоким к.п.д. в большом диапазоне, как правило, используется несколько гидравлических машин настроенных на включение при различных скоростях движения. В качестве примера на рисунке 14 показана схема гидропередачи состоящей из двух гидротрансформаторов (ГТР1 и ГТР2) и гидромуфты (ГМ). Тяговая характеристика тепловоза с данной передачей показана на рисунке 15.

Рисунок 14. Схема гидродинамической передачи мощности:

ГТР1 – гидротрансформатор первой ступени; ГТР2 – гидротрансформатор второй ступени; ГМ – гидромуфта; Т – турбинное колесо; Н – насосное колесо; НА – неподвижный направляющий аппарат.

В данной передаче при трогании тепловоза с места заполняется маслом гидротрансформатор ГТР1 и вся мощность дизеля будет передаваться через него на колесные пары. Работа на гидротрансформаторе ГТР1 осуществляется до определенной скорости движения. Для дальнейшего разгона поезда происходит переключение с первого гидротрансформатора (ГТР1) на второй (ГТР2) гидротрансформатор, настроенный на работу с высоким к.п.д. при больших скоростях движения. При этом масло из гидротрансформатора ГТР1 полностью сливается, а гидротрансформатор ГТР2 наоборот заполняется маслом. При дальнейшем повышении скорости и снижении к.п.д. гидротрансформатора ГТР2 происходит переключение на гидромуфту (ГМ). Для этого из гидротрансформатора ГТР2 полностью сливается масло и им заполняется гидромуфта ГМ. На гидромуфте осуществляется разгон до максимальной скорости движения.

Рисунок 15. Тяговая характеристика гидродинамической передачи мощности.

К основным достоинствам гидродинамических передач мощности следует отнести:

• невысокую стоимость;

• высокие массогабаритные показатели при мощности до 1000кВт;

• непрозрачность передачи;

• высокий к.п.д. передачи;

• автоматическое изменение силы тяги при изменении скорости движения;

• простота управления передачей;

• отсутствие провалов силы тяги;

• работа дизеля на режимах близких к оптимальному.

В то же время гидродинамическим передачам присущи следующие недостатки:

• отсутствие свободы компоновки дизеля и колесных пар тепловоза из-за необходимости размещения насосного и турбинного колеса в одном корпусе;

• ухудшение массогабаритных показателей и к.п.д. передачи при мощностях более 1000кВт;

• чувствительность передачи к качеству ремонта и технического обслуживания;

• механическая связь между движущими колесными парами (групповой привод) приводит к дополнительным потерям энергии;

• длительное время реверсирования и некоторое снижение к.п.д. передачи при переключении с одного гидравлического аппарата на другой.

В нашей стране на сегодняшний день гидродинамические передачи мощности с успехом применяются на тепловозах маневрового и промышленного транспорта, рельсовых автобусах, дизельпоездах мощностью до 1000кВт. Стоит отметить, что за рубежом, например в Германии гидродинамическими передачами мощности оборудовано около 40% тепловозов и тепловоз мощностью до 2000кВт с гидродинамической передачей не является редкостью.

В качестве примера, на рисунке 16 показана тяговая характеристика тепловоза ТГМ3А в поездном режиме, в передаче которого используется два и гидротрансформатора и гидромуфта. Переключение с маневрового на поездной режим и обратно у данного тепловоза осуществляется благодаря наличию реверс – режимного механизма изменяющего передаточное число в шестернях соединяющих турбинное колесо с колесными парами.

Рисунок 16. Тяговая характеристика тепловоза ТГМ3А.

На рисунке 17 представлена тяговая характеристика шестивагонного дизельпоезда ДР1 с двумя моторными вагонами, передача которого состоит из двух гидротрансформаторов.

Рисунок 17. Тяговая характеристика шестивагонного дизельпоезда ДР1 с двумя моторными вагонами.

Гидромеханические передачи мощности представляют собой механизмы, в которых мощность от дизеля к колесным парам может передаваться на одном режиме (как правило, при трогании с места), а на другом через механическую коробку передач. Такие типы гидромеханических передач названы однопоточными. К другому типу гидромеханических передач относятся двухпоточные передачи, в которых энергия передается от дизеля к колесным парам одновременно двумя путями через гидравлический аппарат и через механическую связь одновременно.

Из-за сложностей выполнения и ряда конструктивных недостатков на современных локомотивах гидромеханические передачи практически не используются. Пример использования данного типа передач может служить тепловоз ТГМ3, имеющий комплексный гидротрансформатор и механическую коробку передач.