Оптимальная компоновка оборудования в кузове тепловозов и электровозов

Обеспечение оптимального размещения оборудования в кузове локомотива представляет собой одну из наиболее сложных и ответственных задач проектирования, поскольку именно от компоновочного решения зависят ключевые эксплуатационные параметры: масса и мощность силовой установки, коэффициент полезного действия, показатели надежности и долговечности, а также ремонтопригодность. Номенклатура оборудования, подлежащего размещению в кузове, и его пространственное расположение определяются множеством факторов, среди которых первостепенное значение имеют тип локомотива (магистральный или маневровый), вид применяемого источника энергии и способ ее преобразования. Существенные различия наблюдаются между тепловозами (с электрической или гидравлической передачей) и электровозами, получающими электроэнергию от контактной сети.

В свою очередь, для электровозов номенклатура и размещение оборудования дополнительно зависят от рода тока в контактной сети — постоянного или переменного, что влияет на состав тяговых электрических машин, преобразователей и аппаратуры защиты. Магистральные локомотивы, предназначенные для грузовых и пассажирских перевозок, традиционно имеют кузов вагонного типа, внутри которого сосредоточено основное оборудование с организованными проходами, необходимыми для его технического осмотра, обслуживания и текущего ремонта. Маневровые и промышленные локомотивы, напротив, оснащаются кузовом капотного типа, где агрегаты размещаются открыто на раме, а наружная ее часть по периметру капота, исключая кабину машиниста, формирует смотровые площадки, обеспечивающие доступ к оборудованию.

Оптимальное размещение оборудования на локомотиве должно обеспечивать комплекс взаимосвязанных требований, направленных на повышение эффективности эксплуатации. Прежде всего, необходимо наиболее полное и рациональное использование внутреннего объема и площади кузова при одновременном соблюдении правильной развески локомотива относительно его продольной и поперечной осей, что гарантирует распределение нагрузок между колесными парами в строго установленных допусках. Важнейшим аспектом является создание условий для удобного и безопасного обслуживания, включая наблюдение за работой механизмов, их ремонт и оперативную замену с неукоснительным соблюдением требований техники безопасности.

Конструкция должна предусматривать возможность организации эффективной системы воздуховодов, обеспечивающей подачу охлаждающего воздуха непосредственно к вентилируемым узлам и теплообменникам при минимальной протяженности трасс и наименьшем аэродинамическом сопротивлении. Одновременно требуется добиваться минимальной длины трубопроводов всех бортовых систем: водяной, топливной, масляной, пневматической, а также кабельных трасс и шин электрического монтажа. Современные требования к технологичности производства диктуют необходимость компоновки максимального количества оборудования в укрупненные блоки и агрегаты с законченным циклом изготовления, что сокращает объем сборочных работ на конечной стадии и облегчает демонтаж при ремонте.

Конструкторы стремятся к максимальному использованию несущих элементов кузова в качестве оснований для крепления агрегатов, что повышает жесткость конструкции и снижает металлоемкость. При этом обязательно наличие необходимых проходов для персонала, а для силового электрического оборудования — соблюдение требуемых изоляционных расстояний между токоведущими частями и заземленными конструкциями. Учитывая значительные отличия в применяемом оборудовании тепловозов и электровозов, принципы их компоновки требуют раздельного рассмотрения для каждого типа тягового подвижного состава.

Особенности компоновки оборудования пассажирских и грузовых тепловозов. Пассажирские тепловозы обычно выполняются в двухкабинном исполнении, тогда как грузовые тепловозы чаще состоят из двух однокабинных секций, что позволяет адаптировать мощность под состав поезда. При равной мощности секции грузового и пассажирского тепловозов кузов последнего, как правило, оказывается длиннее из-за наличия второй кабины и тамбуров, хотя принципиальных отличий в размещении основного силового оборудования между ними не наблюдается. Рассмотрим принцип компоновки на примере пассажирского тепловоза ТЭП70, где в центре кузова традиционно размещен наиболее тяжелый агрегат — дизель-генераторная установка. Под ней в главную раму вварен топливный бак емкостью 6000 кг дизельного топлива, который имеет боковые ниши для размещения аккумуляторных батарей.

Над дизелем обычно располагаются глушитель шума и блок фильтров для очистки воздуха, поступающего в цилиндры дизеля. Вспомогательные электрические машины, такие как стартер-генератор и возбудитель, устанавливаются непосредственно на корпусе генератора, что позволяет значительно сократить длину валопровода и упростить кинематику приводов. Две кабины машиниста, расположенные по концам рамы, отделены от машинного отделения специальными тамбурами, которые выполняют функцию шумоизоляции, препятствуя проникновению шума работающего дизеля в кабину.

Рис. 2.1.1. Компоновка оборудования в кузове пассажирского тепловоза ТЭП70: 1 - кабина; 2 - тамбур; 3 - вентиляторное колесо охлаждающего устройства; 4 - глушитель шума; 5 - блок фильтров воздуха дизеля; 6 - дизель-генераторная установка; 7 - блок фильтров системы воздухоснабжения тяговых электрических машин; 8 - вентилятор централизованного воздухоснабжения; 9 - блок электрического тормоза; 10 - высоковольтная камера; 11 - бункер песочницы; 12 - тележка; 13 - топливный бак с нишами для аккумуляторов; 14 - холодильная камера; 15 - компрессор

За тамбуром передней кабины располагается относительно малошумное оборудование: высоковольтная камера (или аппаратная камера) и преобразователь частоты (инвертор) для тепловозов с передачей переменно-переменного тока. Между генератором и высоковольтной камерой на тепловозе ТЭП70 установлен осевой вентилятор с крышевым блоком фильтров, образующие централизованную систему снабжения очищенным воздухом тягового генератора, выпрямительной установки и тяговых электродвигателей (ТЭД). Раздача очищенного воздуха к потребителям осуществляется по специальным воздуховодам, уложенным в полостях главной рамы кузова, что обеспечивает равномерное охлаждение.

На ряде магистральных тепловозов охлаждение электрических машин может выполняться двумя центробежными вентиляторами, смонтированными на раме спереди и сзади дизеля. Привод этих вентиляторов чаще всего механический, осуществляемый непосредственно от вала дизеля, однако в современных проектах все чаще применяют асинхронные электродвигатели с регулированием частоты вращения, что позволяет оптимизировать расход энергии на собственные нужды.

Между тамбуром задней кабины и дизельным помещением располагается холодильная камера (блок охлаждающего устройства), предназначенная для охлаждения воды и масла дизеля. Этот отсек имеет значительную протяженность по фронту кузова, и в нем на полу рамы устанавливают компрессор с приводом от электродвигателя. На отечественных локомотивах долгое время применялись поршневые компрессоры, которые при работе создают высокий уровень шума и вибраций, что, в совокупности с вентиляторами холодильной камеры, создает сложную инженерную проблему достижения допустимых уровней шума в задней кабине.

У грузовых двухсекционных тепловозов, где кабина расположена лишь с одной стороны, подобная проблема отсутствует или выражена слабее. Внедрение на отечественных локомотивах винтовых компрессоров вместо поршневых позволяет существенно снизить остроту проблемы шума и вибрации, повышая комфорт работы локомотивной бригады. Все оборудование в кузове монтируется таким образом, чтобы в дизельном отделении обеспечивался свободный проход обслуживающего персонала вдоль боковых стенок, а в блоке охлаждающего устройства (холодильной камере) — проход по продольной оси тепловоза для удобства очистки радиаторов.

Компоновка маневровых тепловозов и отличия электровозов. У маневровых отечественных тепловозов кабина машиниста, как правило, смещена относительно продольной оси симметрии, поскольку центральная часть главной рамы занята наиболее тяжелыми агрегатами. Для тепловозов с электрической передачей это дизель-генератор, а для машин с гидравлической передачей — дизель и гидропередача. На переднем конце главной рамы устанавливается блок охлаждающего устройства с механическим приводом вентилятора, а впереди и сзади дизеля под капотом машинного отделения располагаются вентиляторы охлаждения ТЭД, компрессор, стартер-генератор, возбудитель и прочее вспомогательное оборудование.

Рис. 2.1.2. Компоновка оборудования в кузове маневрового тепловоза с электрической передачей: 1 - главная рама; 2 - редуктор привода вентилятора; 3 - блок охлаждающего устройства; 4 - вентилятор охлаждения ТЭД передней тележки; 5 - дизель-генератор; 6 - компрессор; 7 - высоковольтная камера; 8 - стартер-генератор; 9 - кабина; 10 - аккумуляторная камера; 11 - бункер задней песочницы; 12 - тележка; 13 - топливный бак

Привод этих агрегатов на классических маневровых тепловозах обычно механический, от вала дизеля, однако на современных машинах с передачей переменно-переменного тока для привода вентилятора охлаждающего устройства и компрессора все чаще применяют асинхронные электродвигатели с индивидуальным приводом. Сзади кабины машиниста обычно располагается аккумуляторный отсек или отсек реостатного тормоза; в последнем случае аккумуляторные батареи выносятся в ниши топливного бака, аналогично схеме, применяемой на магистральных локомотивах.

При компоновке оборудования электровозов ключевым отличием является отсутствие дизеля и наличие мощного электрического оборудования высокого напряжения. Вместо дизель-генератора в кузове устанавливаются тяговые трансформаторы (на электровозах переменного тока), выпрямительно-инверторные преобразователи, сглаживающие реакторы, быстродействующие выключатели и другое коммутационное оборудование. Компоновка должна учитывать необходимость обеспечения надежной изоляции токоведущих частей и эффективного охлаждения сильноточных элементов, для чего часто применяется принудительная вентиляция с системой воздуховодов.

Размещение оборудования в кузове любого современного локомотива подчиняется строгим законам эргономики и технической эстетики, обеспечивая не только работоспособность, но и безопасность локомотивной бригады. Учет динамических нагрузок, вибраций и тепловых полей при компоновке агрегатов позволяет добиться высокой надежности и долговечности всех систем, что в конечном итоге определяет экономическую эффективность эксплуатации локомотивного парка.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Анисимов П.С., Винокуров В.А., Воробьев В. И., и др.

Источник: Подвижной состав железных дорог

Данные публикации будут полезны студентам железнодорожных специальностей (эксплуатация железных дорог, подвижной состав), начинающим специалистам в области локомотивостроения и эксплуатации тягового подвижного состава, а также всем, кто интересуется устройством, классификацией и современными тенденциями развития железнодорожной техники.