Локомотивостроение на Харьковском заводе транспортного машиностроения

ХПЗ был первый в Российской империи специализированный завод по производству паровозов, так как Путиловский, Сормовский и Луганский, также выпускавшие паровозы, строились как заводы общего машиностроения. Он начал строиться в 1895 г., а первый паровоз вышел с завода 5 декабря 1897 г.

Но ХПЗ является также старейшим предприятием в Украине, производившим двигатели внутреннего сгорания (ДВС). С 1911 г. на нем выпускались тяжелые стационарные и судовые дизели. В 1920-е гг. на заводе ремонтировались трофейные автомобили, тракторы и танки, а также двигатели к ним. На ХПЗ выпускались самые мощные в мире тракторы «Коммунар» (90 л.с.), готовился к выпуску трактор «Коминтерн» мощностью 120 л.с.

В СССР первые экспериментальные тепловозы были построены в 1924 г., а выпуск серийных тепловозов ‑ маневрового типа "О" и магистрального двухсекционного типа "ВМ" начался на Коломенском заводе в 1931 г. Всего было изготовлено примерно 40 локомотивов, но в 1941 г., в связи с началом Великой Отечественной войны, эти работы были прекращены. В послевоенные годы в СССР остро встал вопрос о реконструкции железных дорог и переводе их на электровозную и тепловозную тягу. Восстанавливаемое после войны народное хозяйство нуждалось в большом количестве новых локомотивов. На конец 1946 года тепловозный парк Советского Союза составлял 132 единицы, так как он пополнился в годы войны за счет поставлявшихся по ленд-лизу из США локомотивов. Всего было получено 70 тепловозов Д^А компании ALCO (American Locomotive Company) и 30 Д^Б – компании Baldwin. Именно локомотив Д^А послужил прототипом для создания тепловоза ТЭ1 с дизелем Д50 мощностью 1000 л.с., выпуск которого начался в марте 1947 г. на ХЗТМ. Вскоре мощность тепловозного дизеля была повышена – новая модификация 2Д50 развивала до 1 150 л. с., и в 1950 г. был начат выпуск тепловоза ТЭ2, а ТЭ1, снят с производства.

В 1953-54 гг. был изготовлен первый двухсекционный тепловоз ТЭ3, оснащенный дизелями 2Д100. Этот локомотив имел мощность 4000 л.с. и конструктивную скорость 100 км/час. Он стал основным тепловозом СССР на ближайшие годы и обеспечил перевод советского железнодорожного транспорта на тепловозную тягу. Всего было выпущено 13 594 секций этого локомотива.

В 1956 г. ХЗТМ приступил к разработке на базе 2Д100 нового дизеля мощностью 3000 л.с. Тогда же производство тепловоза ТЭ2 и семейства дизелей Д50 было передано на другие заводы, а выпуск паровозов в СССР прекращен. В 1959 г. были созданы первые опытные образцы десятицилиндрового дизеля 10Д100 и секции тепловоза ТЭ10. Повысить мощность дизеля до 3 000 л.с. удалось благодаря внедрению двухступенчатой комбинированной системы турбонаддува. Тепловозов серии ТЭ10 всех модификаций выпущено 17 тысяч секций, и выпуск продолжается до сих пор.

Рисунок 1 ‑ Тепловоз ТЭ3 Рисунок 2 ‑ Тепловоз 2ТЭ10М

В конце 1960-х гг. были созданы магистральный тепловоз ТЭ40 и его модификации ‑ пассажирский ТЭП40 и двухсекционный магистральный 2ТЭ40Д70, на которых устанавливался новый четырехтактный V-образный 16-цилиндровый дизель-генератор Д70 мощностью 3000 л.с., разработанный на кафедре ДВС ХПИ.

Тепловозные силовые установки различаются по типу передачи энергии от дизеля к колесным парам: электрические, гидравлические и механические. Наиболее распространенными являются электрические передачи, в которых двигатель вращает ротор генератора, вырабатывающего электроэнергию, а колесные пары приводятся во вращение тяговыми электродвигателями (ТЭД). В тепловозах с гидравлическими и механическими передачами основная мощность двигателя отдается непосредственно колесным парам. Электрическая передача является наиболее эффективной. Тепловозы с такой передачей имеют лучшую тяговую характеристику, она также позволяет соединять несколько секций тепловоза и управлять ими из одной кабины. Кроме того, возможно использование электродинамического торможения, при котором ТЭД используются в качестве генераторов, а вырабатываемая ими электроэнергия гасится в тормозных резисторах. По сравнению с пневматическими тормозами электродинамическое торможение более эффективно, меньше износ тормозных колодок, снижается опасность юза колесных пар. Недостатками электропередачи является большая масса и относительная дороговизна оборудования.

Тепловозные силовые установки являются наиболее сложными установками с ДВС, так как кроме генератора содержат еще несколько потребителей ‑ вспомогательных механизмов, необходимых для нормальной эксплуатации двигателя и самого тепловоза. К ним относятся вентиляторы холодильной камеры двигателя, вентиляторы охлаждения ТЭД и главного генератора, воздушный компрессор тормозной системы и др. Если к двигателю присоединяется несколько механизмов, то в механической передаче устанавливается распределительный редуктор, разбивающий основной валопровод на несколько ветвей. Соединение этих ветвей с раздаточным редуктором осуществляется с помощью различного рода соединительных муфт, облегчающих монтаж всей передачи. Упругие муфты существенно влияют на характеристики передачи и позволяют придавать ей различные свойства. Для подключения или отключения механизмов, работающих не постоянно, применяются включающие муфты. Кроме того, часто используются гидромуфты, основным назначением которых является разделение механической системы на независимые в отношении крутильных колебаний части.

Основным видом колебаний в тепловозах являются крутильные колебания силовых передач, которые возбуждаются периодическими моментами, действующими на цилиндровые массы. Что касается приводов вспомогательных агрегатов, то аэродинамические силы, действующие на валы осевых и центробежных вентиляторов, имеют малую величину. Однако крутильные колебания могут возбуждаться моментами на валу поршневого компрессора, моментами сил, возникающих при "изломе" в головках карданных валов, а также моментами на коленчатом валу. В систему тепловоза с электропередачей включен генератор, момент инерции ротора которого в сотни раз больше моментов инерции остальных тел, и можно считать, что при вынужденных колебаниях он не колеблется. В связи с этим генератор играет роль маховика, также являясь разделителем колебательной системы. Поэтому приводы вспомогательных механизмов, подключенные к валу генератора, не испытывают переменных воздействий от двигателя.

Переходные процессы в механических передачах тепловозов значительно многообразнее установившихся колебаний. Это вызвано тем, что при эксплуатации тепловоза нередко возникает потребность в изменении режимов работы всей механической передачи или условий работы отдельных вспомогательных силовых механизмов и, наконец, в подключении и отключении некоторых из них.

Внедрение в производство скопированного тепловозного дизеля фирмы ALCO особых проблем, связанных с вибрациями не вызвало. Конструирование и освоение производства дизеля 2Д100 и приводов вспомогательных механизмов тепловоза ТЭ3 также происходило без предварительных динамических расчетов. Но, как показал опыт его эксплуатации, и двигатель, и силовые передачи потребовали доводки ввиду их невысокой надежности. В связи с этим ХЗТМ в конце 1950-х гг. вынужден был обратиться за помощью к сотрудникам ХПИ, где в рамках инженерно-физического факультета существовала проблемная лаборатория "Динамическая прочность деталей машин". В этой лаборатории была организована группа силовых установок под руководством Льва Израилевича Штейнвольфа. Этот коллектив занимался динамическими расчетами тепловозных установок в течение многих лет. При этом накапливался опыт, совершенствовались методика расчетов и средства их проведения.

Особенностью первых расчетов силовых передач тепловозов было то, что они проводились с целью анализа динамической напряженности механических передач уже выпускавшегося тепловоза ТЭ3 и использовались с целью их совершенствования и повышения надежности.

В отличие от тепловоза ТЭ3, к расчетам механических передач ТЭ10 приступили, когда конструкция, хотя и была разработана, но не осуществлена в металле.

Накопленный опыт и полученные результаты, подтверждающие теоретические и расчетные выводы, были использованы при проведении расчетов для тепловоза ТЭ40, которые являются первым примером динамических расчетов механических передач, выполненных во время конструктивной разработки.

Таким образом, в течение ряда лет в коллективе, возглавляемом Л. И. Штейнвольфом, был исследован широкий круг задач по динамическим расчетам крутильных вибрационных систем при установившихся и переходных режимах. В результате за период с 1964 по октябрь 1968 гг. срок службы дизелей Д100 был повышен на 100% и достиг 20 000 часов работы до капитального ремонта. Межремонтный срок до первой переборки повышен с 3 000 часов до 3 500.