Принцип действия и основные узлы тепловоза.

Важнейшей частью любого тепловоза является его первичный двигатель - дизель. Дизель преобразует внутреннюю химическую энергию топлива в механическую энергию вращения коленчатого вала. Свойства дизеля как двигателя не в полной мере соответствуют требованиям поездной работы локомотива, его переменным режимам работы. Мощность дизельного двигателя прямо пропорциональна частоте вращения его коленчатого вала (при неизменной подаче топлива). Для локомотива более полезной является работа двигателя на постоянном режиме - обычно при максимальной (номинальной) частоте вращения коленчатого вала, когда дизель развивает наибольшую мощность. Чтобы обеспечить возможность работы дизеля с постоянной частотой вращения вала при любых режимах движения поезда, энергия от вала двигателя передается колесным парам, скорость вращения которых при движении должна меняться не непосредственно, а через специальные промежуточные устройства, называемые передачей. Передача приспосабливает дизель к условиям работы на локомотиве. На тепловозах применяются главным образом электрические или гидравлические передачи.

При электрической передаче (рис. 1.1, а) механическая энергия вращения коленчатого вала дизеля 1 сообщается электрическому тяговому генератору 2, который преобразует ее в электрическую. Электрическая энергия от генератора поступает в тяговые электрические двигатели 3, которые кинематически связаны с движущими колесными парами 4 и приводят их во вращение.

На тепловозах с гидравлической передачей (рис. 1.1, б) энергия дизеля 1 затрачивается на привод гидравлического насоса 2, сообщающего энергию жидкости, которая циркулирует в замкнутом контуре. Поступая в гидравлическую турбину 3, поток жидкости передает на ее лопатки свою кинетическую энер­гию и вращает вал ротора турбины, а вместе с ним и колесные пары 4 тепловоза.

Рис. 1.1. Схемы размещения основного оборудования и преобразования энергии на тепловозах: а - с электрической передачей; б - с гидравлической передачей

К основным частям тепловоза, помимо дизеля и передачи, можно отнести вспомогательное оборудование и экипажную часть.

Экипажная часть тепловоза состоит из кузова, главной рамы с ударно-сцепными устройствами (автосцепками) и тележек с колесными парами и упругим рессорным подвешиванием.

Главная рама тепловоза служит основанием для размещения силовой установки и вспомогательного оборудования. Она передает их вес через колеса на рельсы. Кроме того, рама передает продольные тяговые усилия от ведущих осей к составу. Кузов размещается также на раме и защищает оборудование тепловоза от внешних воздействий. Кузова тепловозов бывают двух типов (рис. 1.2): вагонного или закрытого (обычно у магистральных тепловозов) и капотного (у маневровых тепловозов). В первом случае кузов образует 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 на тепловозе с капотным кузовом устраивают продольные (с обеих сторон) и поперечные (по концам рамы) площадки.

Колесные пары большинства современных тепловозов размещены в тележках, двух- или трехосных¹, которые могут поворачиваться относительно опирающейся на них главной рамы. Такое устройство экипажной части облегчает прохождение тепловозом кривых участков пути. У некоторых промышленных тепловозов малой мощности движущие колесные пары соединяются непосредственно с главной рамой (экипаж в жесткой раме).-

¹ Термин «ось» в транспортной технике употребляется в двух значениях. Буквально «ось* — это одна из деталей колесной пары, объединяющая два колеса в одно целое и воспринимающая вес локомотива или вагона.

Однако часто это слово используется в более общем переносном смысле. Под «осью» подразумевается колесная пара, единичная точка опоры подвижного состава на рельсы. Именно в этом смысле говорят «шестиосный локомотив», «восьмиосный вагон», «трехос­ная тележка», «нагрузка на ось (или от оси на рельсы)» и т. д.

Вспомогательное оборудование обеспечивает нормальную работу дизеля, передачи и экипажной части, а также тепловоза в целом. К нему относятся 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.

Топливная система обеспечивает питание дизеля жидким топливом. Она состоит из топливных баков, вспомогательных подкачивающих насосов, топливных фильтров, топливоподогревателей, основных топливных насосов и форсунок, распыливающих топливо в цилиндрах дизеля.

Система водяного охлаждения дизеля (водяная система) служит для отвода теплоты от его цилиндров и включает в себя циркуляционный водяной насос и радиаторы, в которых теплота от воды передается атмосферному воздуху. Для более интенсивного отвода теплоты от радиаторов воздух через них прогоняется принудительно - специальным вентилятором.

Масляная система дизеля, состоящая из насосов, фильтров для очистки масла и охлаждающих устройств (радиаторов или теплообменников), служит для подачи смазки масла к трущимся частям дизеля, а также частично и для отвода теплоты от них, а в некоторых случаях и от поршней дизеля.

Воздушная система тепловоза (тормозной компрессор, главные и запасные резервуары сжатого воздуха и др.) обеспечивает работу тормозных средств всего поезда, а также ряда вспомогательных устройств тепловозов.

Системы воздухоснабжения и воздушного охлаждения состоят из агрегатов, предназначенных для подачи воздуха (воздуходувки и нагнетатели - для дизеля, вентиляторы - для охлаждения электрических машин), воздухозаборных устройств (окна, жалюзийные решетки), воздухоочистителей и воздуховодов.

Рис.1.2. Тепловозы с различными типами кузова:

а - вагонного, б - капотного

Общее устройство современных тепловозов рассмотрим на примере магистральных тепловозов типа 2ТЭ10 (2ТЭ10Л, 2ТЭ10В, 2ТЭ10М), наиболее распространенных серийных грузовых тепловозов СССР в настоящее время. Тепловоз имеет электрическую передачу постоянного тока и состоит из двух одинаковых секций (рис. 1.3), соединенных между собой стандартной автосцепкой 21. Каждая секция с кузовом 12 вагонного типа имеет свою кабину машиниста 2 с пультом управления 1 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 2200 кВт. Основная часть энергии дизеля 13 передается тяговому генератору 9, вал якоря которого соединен при помощи полужесткой пластинчатой муфты с коленчатым валом дизеля. Тяговый генератор преобразует механическую энергию вращения вала дизеля в электрическую. Дизель с генератором, установленные на общей поддизельной раме 10, представляют собой единый силовой агрегат - дизель-генератор.

Дизель-генератор, являющийся наиболее тяжелой частью тепловоза, расположен на главной раме 26, в ее средней части. Это необходимо для равномерного распределения нагрузок на колесные пары 23, которые объединены в две одинаковые трехосные тележки 25

Рис. 1.3. Схема размещения основных узлов на секции тепловоза 2ТЭ10

Рама 26 опирается на каждую тележку 25 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 23 подвешен тяговый электродвигатель 22. Тяговые электродвигатели питаются током от тягового генератора 9. Они преобразуют электрическую энергию в механическую и через зубчатые передачи (редукторы) приводят во вращение колесные пары 23.

Для привода агрегатов вспомогательного оборудования мощность от вала дизеля отбирается через передний 6 и задний 15 редукторы. В частности, с передним редуктором 6 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 15 через гидроредуктор 19 приводится вентилятор охлаждающего устройства 17. 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 2 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 элементы аккумуляторной батареи, которая используется для пуска дизеля. Роль пускового двигателя (стартера), раскручивающего вал дизеля, играет при этом тяговый генератор. 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 и дизель начнет работать, 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 14 и центробежным нагнетателем 11, работающими последовательно, и через воздухоохладитель нагнетается в цилиндры дизеля. Продукты сгорания (газы) из цилиндра отводятся через турбины турбокомпрессоров 14, глушители, находящиеся на противоположном от генератора торце дизеля, и выхлопные патрубки на крыше кузова в атмосферу.

Тяговые электрические машины, в обмотках которых при работе выделяются большие количества теплоты, охлаждаются воздухом. Для охлаждения генератора служит специальный 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 6 и задний 15 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 (вентиляторы охлаждения тяговых электродвигателей - по 15 кВт, вентилятор тягового генератора—18 кВт, вентилятор холодильника – 90 - 120 кВт, в зависимости от режима, тормозной компрессор - до 45 - 60 кВт).

С учетом потерь в передаче максимальная полезная (так называемая касательная) мощность тепловоза 2ТЭ10В, имеющего дизели общей мощностью 4400 кВт (6000 л. с.), составляет примерно 3400 кВт. Наибольшая (конструкционная) скорость тепловоза 100 км/ч.

Магистральные грузовые тепловозы с электрической передачей (ТЭЗ, 2ТЭ116) имеют в основном такое же, как на тепловозе типа 2ТЭ10, расположение силового и вспомогательного оборудования, но имеют конструктивные отличия.

1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ

И ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОВОЗОВ

Тепловозы классифицируются по ряду различных признаков. Наиболее важным является разделение тепловозов по следующим признакам.

По роду службы (виду выполняемой работы) они делятся на грузовые, пассажирские, универсальные (предназначенные для выполнения различной работы, например, грузопассажирские, маневрово - вывозные и т. п.), маневровые и промышленные. Назначение тепловоза отражается на его характеристиках, конструкции передачи и экипажной части.

Современные тепловозы по типу передач делятся на тепловозы с электрической и гидравлической передачами. Электрические передачи могут быть постоянного, переменно - постоянного и переменного тока. Промышленные тепловозы малой мощности выполняют и с механической передачей.

По устройству ходовых частей различаются тепловозы тележечного типа, аналогичные рассмотренным выше тепловозам типа 2ТЭ10, и тепловозы с осями в жесткой раме (бестележечные). Почти все современные тепловозы тележечного типа.

Тепловозы делятся также: по ширине рельсовой колеи - на тепловозы нормальной колеи - 1520 мм в СССР и 1435 мм во многих зарубежных странах - и узкоколейные (ширина колеи от 600 до 1000 - 1100 мм); по числу секций - на одно-, двух- и многосекционные. Односекционные тепловозы часто имеют две кабины управления, двухсекционные - по одной на секцию. У многосекционных тепловозов промежуточные секции вообще могут не иметь кабин машиниста, так как управляются с головных секций.

Серии тепловозов, т. е. группы тепловозов, построенных по одним и тем же проектам, на железных дорогах СССР принято обозначать сочетанием заглавных букв русского алфавита и цифр.

В большинстве случаев обозначение начинается с буквы Т («тепловоз»); вторая буква, как правило, характеризует тип передачи (Э - электрическая, Г - гидравлическая); третья - обычно говорит о назначении тепловоза (П - пассажирский, М - маневровый, у грузовых тепловозов третья буква в серии отсутствует). Цифры обозначают номер серии тепловоза, для поездных тепловозов обычно указывающий также и на завод - изготовитель. Номера серий от 1 до 49 отводились магистральным тепловозам, спроектированным Харьковским заводом транспортного машиностроения им. В. А. Малышева. Номера от 50 до 99 присваиваются тепловозам разработки Коломенского тепловозостроительного завода им. В. В. Куйбышева (ныне ПО «Коломенский завод»), а номера выше 100 входят в серии локомотивов Ворошиловградского тепловозостроительного завода им. Октябрьской революции (ныне ПО «Лугансктепловоз»).

Таким образом, обозначение ТЭЗ расшифровывается так: грузовой тепловоз с электрической передачей третьей серии, спроектированный Харьковским заводом; обозначение ТГ102 - тепловоз с гидравлической передачей, грузовой 102-й серии Ворошиловградского завода; ТЭП70 - тепловоз с электрической передачей пассажирский постройки Коломенского завода; ТГМЗ и ТЭМ5 - тепловозы маневровые соответственно с гидравлической и электрической передачами (в сериях маневровых и узкоколейных тепловозов цифра обозначает только порядковый номер модели).

Цифра перед буквенным обозначением означает число секций многосекционного тепловоза, созданного на базе основной серии (например, 2ТЭП60 - двухсекционный пассажирский тепловоз, ЗТЭ10М - трехсекционный грузовой). Буква после номера серии указывает либо на модернизированный вариант (М), либо на завод-изготовитель, если первоначальный проект тепловоза разработан другим заводом. Так, тепловоз 2ТЭ10В создан Ворошиловградским заводом на базе односекционного тепловоза ТЭ10 Харьковского завода (серия 2ТЭ10Л разрабатывалась ранее, когда завод, как и в настоящее время, назывался Луганским).

В обозначения серий тепловозов, работающих в СССР, но построенных за рубежом, введена буква, указывающая на страну - изготовитель. Так, серии ЧМЭ2 и ЧМЭЗ означают маневровые тепловозы с электрической передачей, построенные в Чехословакии.

Одной из важных характеристик каждого тепловоза, как и любого локомотива, является его осевая формула. Она характеризует число, расположение и назначение осей локомотива. Для тепловозов тележечного типа осевая формула представляет сочетание цифр, число которых соответствует числу тележек, а каждая цифра показывает число осей в тележке. Например, шестиосный тепловоз ТЭП70 имеет осевую формулу 3о - 3о, которая показывает, что у тепловоза две трехосные тележки (рис. 1.4, а). Знак «—» (тире) означает, что тележки не соединены между собой (несочлененные), а индекс «0» у цифр показывает, что каждая ось имеет индивидуальный (отдельный) привод (тяговый электродвигатель). Для двухсекционного тепловоза 2ТЭ10В (рис. 1.4,6), у которого секции сцеплены между собой, осевая формула выглядит так: 3о—3о + 3о—3₀ или 2(3о—3₀).

Рис. 1.4. Осевые формулы тепловозов:

А - 3о—3о (ТЭП70), б - 2(3₀-3о) или 3о—3₀ + 3₀—3₀ (2ТЭ10В, 2ТЭ116), в - 0—3—0(ТГМ1), г - 2—5о—1 (Э^ЗЛ)

Для тепловозов нетележечного типа в осевой формуле последовательно перечислено число осей бегунковых, ведущих (сцепных) и поддерживающих. Например, 0—3—0 (рис. 1.4, в) - бегунковых осей нет, ведущих три, поддерживающих нет, привод групповой (тепловоз ТГМ1); 2—5₀—1 (рис. 1.4, г) - две бегунковые оси, пять ведущих с индивидуальным приводом, одна поддерживающая (тепловоз Э^ЭЛ довоенной постройки).

За рубежом в осевых формулах тепловозов число ведущих осей в тележках обозначают не цифрой, а буквой, подразумеваемый порядковый номер которой в латинском алфавите соответствует числу осей (А - одна ось, В - две, С - три, D - четыре). Следовательно, обозначение Со - Со (или, просто, С - С) будет соответствовать рассмотренной выше формуле Зо—Зо. (Во Франции принято буквы писать слитно: ВВ, СС). Наличие же бегунковых или поддерживающих осей обозначается также цифрами.

В некоторых странах применяют колесные формулы, в которых цифры указывают на число колес, а не осей. Написанная по этому принципу колесная формула тепловоза Э^ЭЛ выглядит так: 4—10—2, т. е. все цифры удвоены по сравнению с осевой формулой.

К характеристикам локомотивов относятся также осевая нагрузка, служебный и сцепной вес, а также габарит.

Осевая нагрузка (или, точнее, нагрузка от оси на рельсы) характеризует статическое воздействие локомотива на железнодорожный путь. Для магистральных локомотивов, эксплуатирующихся на железных дорогах СССР, наибольшие допустимые нагрузки на рельсы составляют 225 кН. У новых локомотивов, уже разработанных промышленностью, осевые нагрузки достигают 235 кН (электровозы ВЛ15 и ВЛ85) и 245 кН (тепловозы 2ТЭ121 и опытный тепловоз ТЭ136).

Служебным весом тепловоза называется его полный вес - с локомотивной бригадой, полным запасом воды и масла и двумя третями запасов топлива и песка.

Вес, приходящийся на движущие колесные пары и участвующий в создании силы тяги, называется сцепным весом. Так как почти у всех современных тепловозов все оси являются движущими, то для них сцепной вес равен служебному. С другой стороны, служебный вес равен сумме нагрузок от ведущих осей на рельсы.

Габаритом называется предельное поперечное очертание (перпендикулярное оси пути), за пределы которого не должна выступать ни одна часть локомотива как нового, так и предельно изношенного.

Для локомотивов СССР стандартом установлены габариты Т и IT. Наиболее распространенный габарит IT имеет наибольшую предельную ширину 3400 мм и высоту 5300 мм. Действительные допускаемые предельные значения высоты и ширины кузова имеют меньшие значения, так как при их подсчете учитываются все возможные смещения локомотива от оси пути как по горизонтали; так и по вертикали. Тепловозы, предназначенные для экспорта, выполняются по меньшим габаритам (например, тепловозы М62 и ТЭ109 - по габариту 02-ВМ).