Гидравлическая передача предназначена для передачи мощности, развиваемой дизелем, к колесным парам тепловоза, для преобразования вращающего момента дизеля с целью получения кривой силы тяги, близкой к идеальной, а также для получения требуемого скоростного диапазона работы тепловоза.
Для тяговой службы желательно, чтобы мощность двигателя на тепловозе использовалась полностью на всех скоростях движения, т. е. чтобы произведение касательной силы тяги FR на скорость v во всем скоростном диапазоне было постоянным (FKv = const). Отсюда следует, что тяговая характеристика должна иметь вид гиперболы. Характеристика такой формы (рис. 29) называется идеальной тяговой характеристикой тепловоза.
Идеальная тяговая характеристика обеспечивает получение максимальной силы тяги при трогании с места и разгоне поезда, полное использование мощности дизеля при движении на любом профиле пути (спуске, подъеме, в кривой, на площадках). Однако современные двигатели внутреннего сгорания, применяемые на тепловозах, в том числе и дизель 1Д12Н-500 л. с. не приспособлены для передачи мощности непосредственно на движущие колеса. Они имеют при постоянной подаче топлива почти не изменяющийся от скорости вращения коленчатого вала вращающий момент, ограниченный диапазон изменения скорости вращения вала, при которой можно нагружать дизель.
Если дизель соединить непосредственно с колесами тепловоза, то такой тепловоз оказался бы неработоспособным. Он не обеспечивал бы трогание поезда с места и его разгон, так как дизель не воспринимает нагрузки при низкой скорости вращения коленчатого вала. Полная мощность использовалась бы только при максимальной скорости движения тепловоза на самых трудных участках профиля. Сила тяги на всех скоростях (при постоянной подаче топлива) была бы почти неизменной.
Чтобы приспособить дизель к тяговой службе, на тепловозах между дизелем и колесными парами устанавливается передача.
Широкое применение на тепловозах получили гидравлические передачи, состоящие из гидротрансформаторов и гидромуфт. Звеном, передающим мощность в этих передачах, является рабочая жидкость. Принцип действия такой гидравлической передачи основан на передаче энергии от центробежного насоса, соединенного с дизелем, к турбине, соединенной с колесами тепловоза.
Гидромуфта. Гидравлический аппарат, состоящий из центробежного насоса и турбины, называется гидромуфтой. Принципиальная схема гидромуфты гидропередачи тепловоза ТГМ23 изображена на рис. 30.
Рис. 30 Принципиальная схема гидромуфты тепловоза ТТМ23:
1- насосное колесо; 2 - турбинное колесо; 3 - кожух
Насосное колесо / соединено с двигателем, а турбинное колесо 2 - с ведомым валом. Кожух 3 закрывает насос и крепится к турбинному колесу, образуя внутреннюю полость гидромуфты.
Если гидромуфту заполнить жидкостью, то насосное колесо, вращаясь от двигателя, своими лопатками будет воздействовать на жидкость, сообщая ей запас кинетической энергии. Поступая от насосного колеса на лопатки турбинного колеса, жидкость отдает эту энергию турбине, которая в свою очередь превращает ее в механическую работу, вращая ведомый вал. Выйдя из турбинного колеса, жидкость снова попадает в насосное колесо и, таким образом, в гидромуфте устанавливается замкнутая циркуляция жидкости по так называемому кругу циркуляции.
Обязательным условием циркуляции рабочей жидкости в гидромуфте является наличие разности в угловых скоростях насосного и турбинного колес, называемой скольжением. Величина момента, который может передать гидромуфта, зависит от величины скольжения. Чем больше скольжение, т. е. чем больше разность между скоростью вращения насосного и турбинного колес, тем больший момент передает гидромуфта. Если скольжение равно нулю, то момент гидромуфтой не передается, так как в этом случае циркуляция жидкости в гидромуфте отсутствует.
Гидромуфта имеет достаточно высокий к. п. д. (0,95-0,97) при номинальном режиме.
К.п.д. гидромуфты равен отношению скорости вращения турбины к скорости вращения насоса (т)м = пт/пн). Момент на турбине гидромуфты равен моменту на насосе. Таким образом, гидромуфта подобно фрикционной муфте передает вращающий момент от ведущего к ведомому валу, не изменяя его по величине.
Благодаря тому, что связующим звеном между насосным и турбинным колесом является жидкость, гидромуфта имеет ряд ценных свойств: независимое вращение ведомого и ведущего валов, что обеспечивает плавное трогание и плавный разгон; отсутствие трущихся пар и, следовательно, отсутствие практически износа основных деталей; бесшумность передачи, высокая надежность и др.
Совместную работу двигателя с гидромуфтой легко представить, если обратиться к универсальной характеристике гидромуфты, приведенной на рис. 31.
На этом рисунке изображены моментные характеристики гидромуфты тепловоза ТГМ23 для различных оборотов насосного колеса пн в зависимости от оборотов турбинного колеса пт.
Для пояснения совместной работы гидромуфты с дизелем предположим, что к моменту заполнения (включения) гидромуфты скорость вращения насосного колеса равнялась лн1 = 1500 об/мин, а скорость вращения турбинного колеса пт1 = 1200 об/мин. При заданном соотношении оборотов пт1/пн1 момент на турбине равен Л4т1. Однако двигатель не сможет развивать такой момент. Он оказывается перегруженным. Поэтому скорость вращения коленчатого вала двигателя и, как следствие, обороты насоса гидромуфты снижаются до значения, при котором момент на турбинном колесе будет равен моменту на насосном колесе.
Для определения этой скорости достаточно из точки Мт1 провести прямую, параллельную оси ординат, до пересечения с кривой , момента двигателя Л?д вточкеМдь которая соответствует скорости вращения насосного колеса, равной 1400 об/мин. При этой скорости вращения насоса и оборотах пт1 = - 1200 об/мин момент на турбине Мт равен моменту MAi, развиваемому двигателем. Следовательно, точка Мд1 и будет точкой совместной работы двигателя и гидромуфты, при этом число оборотов насосного колеса будет равно 1400об/лшн.
Пользуясь этим графиком и задаваясь скоростью вращения турбины и нагрузкой двигателя, можно определить скорость вращения насосного колеса и, следовательно, скорость вращения двигателя при любом пт. Для этого из точки, соответствующей заданным пт, необходимо провести линию, параллельную оси ординат, до пересечения с кривой Мд и определить по
Рис. 31. Универсальная характеристика гидромуфты тепловоза ТГМ23:
М2юо- Момент, который может передавать гидромуфта при неизменной скорости вращения иасоса (он - 2100 об/мин- -const) в зависимости от скорости вращения турбины; Alis30 - то же самое при Пк=1900 o6/«UK=const и т.д.;
^д - вращающий момент двигателя, приведенный к насосному колесу гидромуфты.
масштабу обороты насосного колеса, соответствующие этой точке пересечения.
На рис. 32 приведена тяговая характеристика гидромуфты тепловоза ТГМ23.
Гидротрансформатор в отличие от гидромуфты, кроме насосного и турбинного колес, имеет неподвижный направляющий аппарат, который так же, как и рабочие колеса насоса и турбины, состоит из специально спрофилированных лопаток.
Взаимное расположение насосного и турбинного колес и направляющего аппарата в гидротрансформаторе может быть различным.
Преимущественно на тепловозных гидропередачах направляющий аппарат располагают за турбинным колесом, а насос предшествует турбине (рис. 33).
Гидротрансформаторы с тремя колесами (насосным, турбинным и направляющим аппаратом) называются одноступенчатыми.
Имеются гидротрансформаторы, в которых турбинное колесо разделено на ступени. Такие гидротрансформаторы называются многоступенчатыми.
Как и гидромуфта, гидротрансформатор передает мощность от насоса к турбине с помощью рабочей жидкости. Насосное колесо 2 соединено с двигателем, а турбинное колесо 1- с ведомым валом.
При вращении насосное колесо воздействует на жидкость, сообщая ей запас кинетической энергии и энергии давления. Поток масла устремляется от лопаток насоса и поступает на лопатки турбины.
Турбинное колесо превращает энергию жидкости в механическую работу ведомого вала, вращая его. Из турбины жидкость поступает в неподвижный направляющий аппарат, лопатки которого изменяют характеристики потока, и затем снова попадает в насос. Так устанавливается циркуляция жидкости по кругу циркуляции (на рис. 33 - круг циркуляции жидкости обозначен стрелками).
Благодаря направляющему аппарату гидротрансформатор преобразует момент и скорость вращения ведомого вала при почти постоянном моменте и скорости вращения ведущего вала.
Как видно из характеристики гидротрансформатора (рис. 34), при постоянной скорости вращения и почти неизменной нагрузке ведущего вала (нагрузка ведущего вала пропорциональна коэффициенту ук) момент на турбинном колесе и скорость его вращения меняются в широких пределах. Максимальный момент на турбине развивается при трогании с места, т. е. когда пт = 0. С ростом скорости вращения турбинного колеса момент на турбине падает. Отношение МТ1МВ называется коэффициентом трансформации.
Таким образом, число оборотов турбинного колеса и, следовательно, скорость движения тепловоза при работе на гидротрансформаторе регулируются автоматически в соответствии с нагрузкой на турбине без участия машиниста.
Если у гидротрансформатора момент на насосном колесе при постоянной скорости его вращения не изменяется с изменением момента и скорости вращения турбинного колеса или, другими словами, изменения внешней нагрузки не влияют на нагрузку двигателя и скорость вращения коленчатого вала, то такой гидротрансформатор условно называется «непрозрачным». Гидротрансформатор, у которого момент насосного колеса меняется с изменением скорости вращения турбинного колеса, называется «прозрачным».
На рис. 34 приведены безразмерные характеристики гидротрансформатора ТП500. Из характеристик видно, что к. п. д. гидротрансформатора Т1т изменяется по параболической кривой. Принято использовать гидротрансформатор в диапазоне скоростей, при которых Т1т ^ 80%.
Коэффициент момента на насосном колесе уК этого гидротрансформатора изменяется незначительно, что говорит о малой прозрачности гидротрансформатора ТП500.
Одной гидромуфты или одного гидротрансформатора недостаточно для того, чтобы получить требуемые тяговую характеристику и скоростной диапазон работы тепловоза. Поэтому в гидравлических передачах применяют два или три гидроаппарата: два гидротрансформатора, гидротрансформатор и две гидромуфты и другие сочетания.
В гидравлических передачах тепловозов в качестве рабочейжидко-с т и применяется масло. Масло, заливаемое в гидропередачу, должно обладать следующими качествами:
малой вязкостью в целях уменьшения потерь на трение, но в то же время и хорошей смазывающей способностью при температуре до 110°С, так как должно смазывать трущиеся поверхности подшипников и зубчатых зацеплений;
иметь температуру вспышки не менее 160° С, чтобы обеспечить возможность работы гидропередачи при высокой температуре;
не содержать мылообразующих жиров и быть стойким против эмульгирования; вода, попавшая в масло, должна легко отделяться. Это снижает склонность масла к пенообразованию, которое ведет к потере мощности, ухудшению процессов трогания и переключения гидроаппаратов;
не вызывать коррозии металла и быть безвредным для человека.
К маслам, которые наиболее полно отвечают вышеуказанным требованиям, можно отнести турбинное 22 П или 22 (Л) (ГОСТ 32-53), индустриальное 20 и веретенное 3(ГОСТ 1707-51). Для снижения пенообразования в эти масла добавляют антипенную присадку ПМС-200А (0,005% в весовом отношении).
В настоящее время промышленность выпускает специальное масло для тур боредукторсв гидропередач по МРТУ 38-1-256-67.
Воздухоподающая и газовыпускная системы | Конструктивные особенности и техническая характеристика тепловоза | Общее устройство гидравлической передачи