Условия работы локомотива на железнодорожном транспорте характеризуются тем, что для изменения ускорения движения в зоне малых скоростей требуется значительное увеличение силы тяги, а в зоне больших скоростей - меньшее. Эти условия хорошо согласуются с гиперболической зависимостью между силой тяги и скоростью, что одновременно отвечает эффективной работе дизеля иа режиме постоянной мощности и частоты вращения во всем диапазоне скоростей движения тепловоза.
Тепловоз как транспортная машина должен иметь тяговую характеристику, обеспечивающую автоматическое (без непосредственного вмешательства машиниста) изменение силы тяги при изменении скорости, т. ё. при изменении сопротивления движению.
В условиях постоянно меняющейся нагрузки локомотива дизель не в состоянии обеспечить требуемой тяговой характеристики, так как его вращающий момент на заданной позиции контроллера изменяется незначительно. Необходимую трансформацию (преобразование) вращающего момента дизеля на режиме постоянной частоты вращения коленчатого вала обеспечивает электрическая передача, которая нашла широкое применение на тепловозах различного назначения. Передача на тепловозе выполняет и еще другую существенную роль - при запуске дизеля она разъединяет силовую кинематическую цепь от первичного двигателя (дизеля) к движущим колесам локомотива, а также позволяет осуществлять реверсирование, т. е. изменение направления движения локомотива.
Регулируя магнитный поток синхронного генератора на выходе из выпрямительной установки, получают характеристику, аналогичную внешней характеристике генератора постоянного тока, устанавливающую зависимость между напряжением и силой тока. Зависимость эта имеет в средней части вид гиперболы и два участка ограничения - по максимальному току и максимальному напряжению. В сочетании с характеристиками тяговых электродвигателей последовательного возбуждения это обеспечивает получение таких же тяговых характеристик тепловоза, как и в случае передачи постоянного тока.
Тепловоз ТЭМ7 имеет восьмипо-зиционный контроллер, который обеспечивает достаточно высокую маневренность этого локомотива. Каждой позиции контроллера соответствуют определенная частота вращения коленчатого вала и величина мощности дизеля.
Для использования постоянной мощности дизеля на каждой позиции контроллера в заданном диапазоне изменения скорости движения тепловоза применено автоматическое бесступенчатое регулирование напряжения тягового генератора и ступенчатое ослабление магнитного поля тяговых электродвигателей.
Графики изменения касательной силы тяги тепловоза в зависимости от скорости, построенные по результатам испытаний ВНИТИ, изображены на рис. 2. На них приведена кривая ограничения по сцеплению.
Так как электрическая схема тепловоза предусматривает работу тяговых электродвигателей при полном поле и две ступени ослабления поля, то каждая кривая графика состоит из трех отрезков. Переходы с полного поля на ослабленное поле и с одной ступени ослабления поля на другую, а также обратные переходы обозначены соответствующими знаками. Прямые и обратные переходы совершаются автоматически в зависимости от позиции контроллера и скорости движения тепловоза при помощи двух реле переходов.
Три начальные позиции контроллера (7, 11, 111) предназначены для выполнения различного рода операций с минимальными скоростями (подход к составу, сжатие ударно-тяговых приборов для отцепки локомотива и др.). На этих позициях переходов на ослабление поля электродвигателей электросхемой не предусмотрено. Полная мощность дизеля на тепловозе ТЭМ7 используется до скорости 85 км/ч, что объясняется наличием у тягового генератора ограничения по возбуждению. Для сравнения можно заметить, что на тепловозе ТЭМ2 полная мощность дизеля используется до скорости около 60 км/ч.
Исходя из назначения тепловоза ТЭМ7 наиболее важными характеристиками его являются тяговые качества при трогании с места и в зоне низких скоростей движения.
Высокие тяговые качества этого локомотива обеспечиваются за счет его большой массы (180 т), получения жестких динамических характеристик электрической передачи, высокого коэффициента использования сцепного веса и применения совершенных противобуксовочных устройств
Благодаря применению низко опущенного, до уровня осей колесных пар, шкворня, наклонных тяг, оси которых пересекаются с поперечной осью двухосной тележки на уровне головок рельсов, и догружа-телей на тепловозе достигнуто минимальное перераспределение нагрузок по осям при тяге. Как следствие этого, на тепловозе реализуется высокий механический коэффициент использования сцепного веса, который представляет собой отношение нагрузки, приходящейся на рельсы от наиболее разгруженной оси колесной пары, к средней нагрузке.
По результатам испытаний механический коэффициент использования сцепного веса тепловоза ТЭМ7 при трогании с места составляет около 0,92.
Как известно, на четырех- и шес-тиосных локомотивах одностороннее («гуськовое») расположение тяговых электродвигателей приводит к увеличению коэффициента использования сцепного веса. Однако, как показали теоретические исследования, такое расположение тяговых электродвигателей на восьмиосном тепловозе для принятой конструкции четырехосной тележки с промежуточной рамой не улучшает использование сцепного веса тепловоза. Одновременно при одностороннем расположении электродвигателей увеличиваются инерционные поперечные силы за счет большего момента инерции двухосных тележек относительно вертикальной оси, проходящей через условный центр ее поворота. В связи с этим на тепловозе было принято симметричное расположение тяговых электродвигателей на двухосной тележке.
В настоящее время для оценки соотношения между реализуемой длительной силой тяги и служебным весом локомотива пользуются коэффициентом тяги длительного режима. Он представляет собой отношение силы тяги длительного режима к служебной массе локомотива. Для тепловоза ТЭМ7 этот показатель находится на уровне лучших отечественных и зарубежных образцов и равен 0,192. Для сравнения отметим, что у маневрового тепловоза ТЭМ2 он достигает только 0,168.
Высокие тяговые качества тепловоз ТЭМ7 реализует не только при работе по внешней характеристике, но также и на частичных нагрузках (промежуточных позициях контроллера). Так, например, электрическая передача, начиная с 4-й позиции контроллера, обеспечивает использование силы тяги по сцеплению.
Тяговый генератор получает эффективную мощность дизеля за вычетом величины, расходуемой на вспомогательные нужды тепловоза, т. е. так называемую свободную мощность дизеля. Объединенный регулятор мощности и частоты вращения дизеля совместно с системой регулирования электрической передачи обеспечивает полное использование свободной мощности дизеля, начиная со 2-й позиции контроллера, независимо от колебаний температур обмоток тяговых электрических машин и изменений мощности на вспомогательные нужды тепловоза.
Расход мощности на вспомогательные нужды включает в себя следующее: мощность, затрачиваемую на привод вентилятора охлаждающего устройства тепловоза; мощность, затрачиваемую на привод вентилятора централизованного воз-духоснабжения; мощность, затрачиваемую на приводы тормозного компрессора, возбудителя, топливопод-качивающего и маслопрокачивающе-го насосов; мощность, затрачиваемую на питание цепей управления, освещения и зарядку аккумуляторной батареи.
Выполнение возросших требований к очистке воздуха для охлаждения тяговых электрических машин, увеличение производительности компрессора, применение охлаждаемых коллекторов дизеля, снижение максимально допустимых температур теплоносителей дизеля и др. приводят к относительному увеличению расхода мощности на вспомогательные нужды (для тепловоза ТЭМ7 при температуре наружного воздуха 293 К (+20 °С) он составляет примерно 14 % номинальной мощности дизеля).
С целью сокращения затрат мощности на вспомогательные нужды на тепловозе ТЭМ7 внедрены следующие конструктивные решения: гидродинамический регулируемый бесступенчато привод вентилятора охлаждающего устройства тепловоза; электрический привод тормозного компрессора, обеспечивающий постоянную номинальную производительность во всем диапазоне частот вращения дизеля, отключающий компрессор на время его холостого хода; один осевой высоконапорный вентилятор централизованного возду-хоснабжения с к. п. д. 0,85-0,90 с механическим приводом от дизеля.
Для ориентировочного определения расхода топлива дизелем за определенный промежуток времени работы можно пользоваться графиком на рис. 3, на котором приведены кривые постоянного удельного расхода топлива, область тепловозных характеристик и нагрузочные характеристики по позициям контроллера.
При работе дизеля на 8-й позиции контроллера касательная мощность в длительном режиме равна 1036 кВт (1409 л. с.) (рис. 4). Максимальное значение касательной мощности равно 1293 кВт (1758 л. с.) при скорости 70-80 км/ч. Графики касательной мощности тепловоза ТЭМ7 по позициям контроллера в зависимости от скорости движения построены по результатам тяговых испытаний.
Анализ результатов тяговых испытаний показывает, что к. п. д. тепловоза в длительном режиме на 8-й позиции контроллера равен 0,29 (рис. 5). Максимальное значение к. п. д. тепловоза достигает 0,33. Это больше, чем у тепловозов ТЭЗ и ТЭМ2, для которых максимальные значения к. п. д. соответственно равны 0,29 и 0,32.
Известно, что сила тяги тепловоза затрачивается на преодоление сопротивления движению и сообщение ускорения поезду, при этом определенное значение имеет и сопротивление движению • самого локомотива.
При производстве приближенных тяговых расчетов основное удельное сопротивление движению тепловоза ТЭМ7 (при движении с тягой) в зависимости от скорости можно брать из графика на рис. 5. График построен по опытным данным, полученным ВНИТИ при испытании тепловоза.
Тепловозы ТЭМ7 успешно работают как на сортировочных станциях, так и в карьерах.
По имеющимся данным эксплуатации, тепловоз ТЭМ7 способен обеспечить производительность на железнодорожных узлах в среднем на 40 % больше, чем тепловоз ТЭМ2 за одно и то же время работы.
На вытяжке поездов в подго-рочных парках станции Свердловск-Сортировочный тепловоз ТЭМ7 заменяет одну секцию тепловоза ТЭЗ, имеющую одинаковую с ним мощность. Опыт эксплуатации в этих условиях показал, что при выполнении одинаковой работы тепловоз ТЭМ7 расходует топлива на 20 % меньше, чем секция тепловоза ТЭЗ.
Как показывают проведенные Уральским отделением ВНИИЖТа исследования, тепловоз при выполнении маневровой работы примерно 70-75 % времени работает на холостом ходу и практически все остальное время - на переходных режимах. Следовательно, дальнейшее улучшение экономических характеристик дизель-генератора на этих режимах является важным резервом снижения расхода топлива дизелем.
При сравнительных испытаниях, проведенных ВНИТИ в угольном разрезе производственного объединения «Караганда-уголь» в условиях рядовой эксплуатации при работе с составами одинаковой массы (770 т, что является нормой для тепловоза ТЭЗ), на единицу перевозочной работы тепловоз ТЭМ7 имеет удельный расход топлива на 19 % меньше, чем тепловоз ТЭЗ. Работая с составами повышенной массы (1305-1475 т), тепловоз ТЭМ7 обеспечил повышение производительности на 70 % при уменьшении расхода топлива на единицу перевозочной работы на 29 %.
Диаграмма равновесных скоростей (рис. 6). Масса состава и скорость движения поезда являются главнейшими показателями работы железных дорог, характеризующими выполнение заданного объема перевозок, а также определяющими их себестоимость.
При установлении весовой нормы составов и скорости движения поездов мощность локомотива может быть использована различным способом: вождением поездов меньшей массы с большими скоростями или поездов большей массы с меньшими скоростями.
Так как выбор различных комбинаций массы состава и скорости движения определяется технико-экономическими расчетами для каждого конкретного случая, то приведенной на рис. 6 диаграммой равновесных скоростей можно пользоваться только для приближенного решения тяговых задач.
Диаграмма призвана также помочь локомотивным бригадам более грамотно использовать тяговые качества тепловоза.
Диаграмма равновесных скоростей позволяет приближенно решать следующие тяговые задачи: по известной массе состава и расчетному подъему определять равновесную (равномерную) скорость движения поезда; по установленной скорости на расчетном подъеме определять массу состава; определять максимальную массу состава при трога-нии с места на различных подъемах.
Наклонные линии, выходящие веером из точки, представляют собой зависимость силы тяги, необходимой для преодоления подъемов, от массы состава. Вторая группа наклонных линий представляет собой зависимость силы тяги за вычетом силы, идущей на преодоление сопротивления движению состава на прямом горизонтальном участке. Каждая линия соответствует одной определенной скорости движения поезда. По наклонной штриховой линии определяют максимальную массу состава при трогании с места.
В качестве иллюстрации можно привести примеры пользования диаграммой равновесных скоростей.
Пример 1. Определить равновесную скорость поезда на расчетном подъеме (=Ю%0 с составом массой 0 = 2500 т
Решение. Из точки 0 = 2500 т восстанавливают перпендикуляр до пересечения с лучом 1=10%о. Через точку пересечения проводят линию, параллельную наклонным прямым, и получают равновесную скорость о=14 км/ч.
Пример 2. Определить максимальную массу состава, которую может взять тепловоз с места иа подъеме *'= 15 %о при нормальных условиях сцепления колес с рельсами.
Решение Из точки пересечения наклонной штриховой линии и луча г=15%о опускают перпендикуляр иа ось абсцисс. Получают массу состава 0=2800 т, которую может взять тепловоз с места иа подъеме « = 15%о
Техническая характеристика тепловоза | Маневровый тепловоз ТЭМ7 | Техническая характеристика и конструкция основных узлов дизеля