Тепловозом называется локомотив, у которого в качестве первичной энергетической установки применен двигатель внутреннего сгорания - дизель. В отличие от электровоза тепловоз - автономный локомотив, так как энергия для приведения колес в движение вырабатывается непосредственно на локомотиве. У электровоза она поступает от контактной сети.
Производящий механическую энергию дизель назван так в честь его изобретателя немецкого ученого Рудольфа Дизеля. В отличие от обычных карбюраторных двигателей внутреннего сгорания воспламенение топлива в дизеле происходит не от электрической искры, а оно самовоспламеняется в нагретом до высокой температуры воздухе при его сжатии. Сгорание топлива в цилиндрах дизеля обусловлено наличием кислорода, содержащегося в воздухе, поступающем в цилиндры дизеля. Чтобы получить возможно большую мощность в цилиндрах дизеля, не прибегая к увеличению их объема, воздух в цилиндры нагнетают под давлением выше атмосферного, т. е. осуществляют наддув с помощью механических или турбинных нагнетателей. Превращение полученной в цилиндрах дизеля тепловой энергии в механическую осуществляется посредством шатунно-кривошипного механизма, состоящего из поршня, шатуна и колена (кривошипа) коленчатого вала.
Чтобы дизель мог нормально работать, на тепловозе предусмотрены обслуживающие его системы: топливная, воздухоснабжения, водяная и масляная. Топливная система имеет бак, трубопроводы с фильтрами грубой и тонкой очистки, топливоподка-чивающий насос, насосы высокого давления и топливовпрыскивающие форсунки. Система воздухоснабжения состоит из воздухозаборных фильтров, охладителей воздуха, газотурбинных или механических нагнетателей, обеспечивающих подачу очищенного воздуха под повышенным давлением в воздушные коллекторы и далее в цилиндры дизеля. Водяная система служит для охлаждения стенок цилиндров, нагреваемых теплом, выделяющимся при сгорании топлива. Чтобы успешно отводить тепло от стенок цилиндров дизеля, на тепловозе предусмотрено охлаждающее устройство. Водяные полости между цилиндрами и рубашками соединены трубопроводами с трубчатыми радиаторами. Для обеспечения циркуляции воды в системе установлены водяные насосы. Проходящая по трубкам радиаторов вода охлаждается воздухом, подаваемым через секции радиаторов специальными вентиляторами. Регулируя подачу воздуха через секции радиаторов, поддерживают температуру охлаждающей жидкости на определенном уровне. Масляная система служит для смазывания трущихся деталей дизеля. Так как масло одновременно охлаждает такие узлы, как поршни, работающие при высоких температурах, то его необходимо охлаждать. Для этого в масляной системе предусмотрены насосы, обеспечивающие циркуляцию масла между дизелем и холодильным устройством. В качестве охлаждающего устройства используются либо масловоздушные радиаторы, либо водомасляные теплообменники. В систему включены также маслопрокачивающие насосы, фильтры грубой и тонкой очистки масла.
Для получения сжатого воздуха, необходимого для питания тормозной системы, а также для электропневматической системы 'управления механизмами и аппаратами, на тепловозе установлен компрессор. Привод компрессора и других вспомогательных машин осуществляется от вала дизеля через раздаточный редуктор. На некоторых тепловозах для привода компрессора (и других машин) используют электродвигатели.
На тепловозе имеется аккумуляторная батарея, запас электрической энергии которой используется для пуска дизеля (раскрутки коленчатого вала), а также для питания цепей управления и освещения тепловоза. При работающем дизеле эти функции (кроме пуска) выполняет вспомогательный электрический генератор. Он также служит для заряда аккумуляторной батареи.
Дизель устойчиво может работать при частоте вращения коленчатого вала не ниже определенного предела - (0,3ч-0,4)я„ом. Весь диапазон частоты вращения (от минимальной до номинальной, т. е. максимальной) разбит на градации (позиции). С набором очередной позиции контроллера машиниста увеличивается подача топлива в цилиндры дизеля, в соответствии с этим растут частота вращения коленчатого вала п и мощность дизеля
Рис. 1. Внешние характеристики дизеля:
Мд - вращающий момент на валу; Ne - эффективная мощность; Це - эффективный к. п. д.; ge - удельный расход топлива
Л^д (рис. 1). Работу дизеля на нулевой позиции называют режимом холостого хода, на последней - номинальным режимом, а на промежуточных позициях - частичными режимами.
При работе на определенной позиции мощность дизеля остается постоянной, практически постоянным остается и вращающий момент на коленчатом валу. В то же время для вращения колесных пар необходимо изменять вращающий момент в зависимости от условий движения. Например, при трогании с места тяжелого состава для реализации большой силы тяги необходимо к колесным парам приложить вращающий момент, значительно (в 4-5 раз) больший, нежели момент на коленчатом валу дизеля. И, наобо-
Рис. 2. Тяговые характеристики тепловоза:
1 - на 1-й позиции контроллера; 2 - на промежуточной; 3 - на последней познцнн (внешняя характеристика)
рот, в процессе движения поезда для поддержания необходимой рабочей скорости не требуется большого вращающего момента и он может оказаться меньшим, чем момент на валу дизеля. В силу этих обстоятельств непосредственно передавать вращающий момент от дизеля колесным парам не представляется возможным. Для того чтобы приспособить дизель для условий тяги, на тепловозе предусматривают специальное устройство - передачу. Она должна обеспечивать автоматическое регулирование тягового момента (силы тяги) в соответствии со скоростью и профилем пути при наиболее полном использовании мощности дизеля.
Известно, что мощность, реализуемая на тягу (касательная мощность Л^к), равна произведению силы тяги тепловоза на скорость движения. Так как у тепловоза мощность силовой установки при определенной позиции контроллера постоянна, то произведение силы тяги на скорость V будет также постоянным 17ку = Л/к=соп51:. Из соотношения следует, что при изменении скорости соответствующим образом будет изменяться сила тяги, и если построить зависимость силы тяги от скорости (тяговую характеристику), она будет иметь вид гиперболы (рис. 2). Понятно, что выполнение условия Рку=сопэ1 может быть обеспечено только в определенном интервале (от точки А до точки Б). Максимальное значение силы тяги ограничивается силой сцепления колесных пар с рельсами, а максимальное значение скорости - условиями безопасности. Таким образом, в условиях, когда дизель имеет постоянную частоту вращения и неизменяющийся вращающий момент, а колесные пары частоту вращения от нуля до определенного максимального значения, от передачи требуется непрерывное плавное изменение передаточного отношения, и это изменение должно совершаться автоматически в соответствии с требуемой силой тяги тепловоза.
Кроме этого, передача должна обеспечивать возможность отсоединения дизеля от тяговой нагрузки (от колесных пар) и реверсирования движения
Рис. 3. Схема передачи мощности от дизеля колесным парам при электрической передаче: 1 - дизель; 2 - соединительная муфта; 3 - тяговый электрический генератор; 4 - возбудитель генератора; 5 - рама тележкн; б - пружинная подвеска двигателя на раме тележки; 7 - тяговый электродвигатель; 8 - шестерня; 9 - зубчатое колесо; 10 - колесная пара; КВ - контактор возбуждения; ПК -
поездной контактор тепловоза. На тепловозах применяются только два типа передач - гидромеханическая и электрическая. Механическая передача на тепловозах распространения не получила из-за невозможности создать многоступенчатую коробку передач небольших размеров для тепловоза большой мощности. Она применяется только на мотовозах и автодрезинах.
Гидромеханическая передача применяется на некоторых маневровых тепловозах и дизель-поездах мощностью до 1000 кВт. Передача мощности осуществляется с помощью гидравлических аппаратов (гидромуфт и гидротрансформаторов) и механических звеньев (зубчатых редукторов и карданных валов). Гидропередача компактна, имеет сравнительно малую массу, низкий расход цветных металлов, но к.п.д. ее невелик (около 75 %).
Электрическая передача получила наибольшее распространение. Она состоит из тягового генератора с возбудителем, тяговых электродвигателей и зубчатых редукторов (рис. 3). Вал генератора подсоединен к коленчатому валу дизеля. В нем механическая энергия дизеля преобразуется в электрическую. Тяговые электродвигатели размещены в тележках непосредственно возле колесных пар. Подведенный по кабелям электрический ток от генератора вращает валы электродвигателей - электрическая энергия превращается снова в механическую. Валы двигателей и оси колесных пар связаны между собой зубчатыми передачами. Таким образом, вращающий момент от двигателей передается колесным парам. Так как колесные пары прижаты к рельсам массой тепловоза, то между ними и рельсами возникает сцепление, благодаря которому колес -
ные пары перекатываются вдоль рельсов, перемещая за собой тележки, а те в свою очередь - кузов тепловоза. Размещенная в раме кузова автосцепка передает тяговое усилие на состав.
Если переданный на колесную пару тяговый момент превысит момент от силы сцепления колесной пары с рельсами, произойдет срыв сцепления, т. е. начнется буксование. Поэтому основной закон локомотивной тяги гласит: сила тяги не должна превышать силу сцепления колес с рельсами. Регулирование тягового момента (силы тяги) осуществляется электрическими машинами. Известно, что вращающий момент на валу электродвигателя зависит от размеров двигателя, учитываемых постоянной С, силы тока в обмотках якоря 1я и магнитного потока Ф, создаваемого обмотками возбуждения на полюсах двигателя
МкР С7ЯФ.
Передаваемый на колесную пару момент двигателя, увеличенный в I раз (передаточное число редуктора), направлен на образование силы тяги. Таким образом, тяговый момент и сила тяги зависят от тока, протекающего по двигателю, т. е. чтобы получить большую силу тяги, нужно по двигателю пропускать большой силы ток. Известно, что мощность электрической машины равна произведению силы тока на напряжение {Ш), и если мощность ее постоянна (а она постоянна), то при увеличении значения одного множителя другой должен уменьшаться. Так оно и получается. При трога-нии с места, когда требуется большая сила тяги, на двигатели подается большой ток, а напряжение мало. С увеличением скорости тепловоза растет частота вращения колесных пар и связанных с ними зубчатой передачей якорей тяговых двигателей. С ростом частоты вращения якорей двигателей растет на их зажимах напряжение. В силу постоянства произведения силы тока на напряжение сила тока соответственно будет уменьшаться. В случае вступления поезда на подъем из-за возросшего сопротивления движению скорость поезда уменьшается, соответственно уменьшается и напряжение на зажимах двигателя, а сила тока возрастает, что приведет к увеличению силы тяги. Таким образом, благодаря электрическим машинам с последовательным возбуждением осуществляется автоматическое регулирование силы тяги локомотива.
На тепловозах со сравнительно небольшой мощностью дизеля применяют генераторы постоянного тока. При увеличении мощности свыше 2000 кВт габаритные размеры генераторов резко увеличиваются, поэтому применяют более компактные и надежные синхронные генераторы переменного тока с выпрямительной установкой. В этом случае передачу называют передачей на переменно-постоянном токе.
⇐ | СССР - родина тепловоза | | Тепловозы: Механическое оборудование: Устройство и ремонт | | Технико-экономические показатели тепловозов | ⇒