Тема. Развитие тепловозной тяги

Серии и перспективы развития.

Работа над созданием дизельных локомотивов началась еще в конце прошлого века такими видными русскими учеными, как: В. И. Гриневецкий, Я. М. Гаккель, Ю. В. Ломоносов, А. Н. Шелест, К. А. Шишкин и др., однако до 1917г. были разработаны только проекты тепловозов и дизелей для них. В 1912г. была издана брошюра профессора Высшего технического училища (МВТУ) Гриневецкого В. И., в которой доказывалась бесспорная целесообразность применения наряду с паровозами тепловозной тяги на железных дорогах России.

Тепловоз системы Гаккеля Я. М. Щэл-1 (736 кВт), построенный ленинградскими заводами в 1924г., был первым мощным магистральным тепловозом во всем мире (в Америке первый грузовой тепловоз был построен только в 1937г.). Тепловоз Щэл-1 имел экипаж тележечного типа, электрическую передачу, опорно-осевую подвеску электродвигателей, замкнутую систему холодильника. В 1925г. начались опытные поездки второго тепловоза с электрической передачей, построенного в Германии по проекту, разработанному советскими инженерами под руководством Ю. В. Ломоносова.

Постройка тепловозов была организована на Коломенском заводе, электрическое оборудование поставляли Московский завод «Динамо» и Харьковский электромеханический завод. С 1930 по 1937г. Коломенский завод построил несколько десятков тепловозов, которые удовлетворительно работали на Ашхабадской дороге. В марте 1937г. Народный комиссариат путей сообщения (НКПС) прекратил заказы на тепловозы, заменив их паровозами с конденсацией пара. Тепловозостроение в СССР возобновилось только в 1946г. в более широком масштабе. Первоначально на Харьковском заводе им. Малышева, где с 1947г. строились тепловозы ТЭ1 мощностью 736 кВт, а позже тепловозы ТЭ2 и ТЭЗ мощностью 1470 кВт и 2840 кВт в двух секциях, а также тепловозы ТЭ10 мощностью 2206 кВт. Харьковский завод строил также дизели для этих тепловозов и все механическое оборудование.

В 1960г. Коломенский завод начал строить пассажирские тепловозы ТЭП60 с оригинальной, хорошо себя зарекомендовавшей, экипажной частью. В конце 1960г. Харьковский завод им. Малышева прекратил строить тепловозы. Основным заводом по постройке тепловозов стал Луганский, дизели которому поставляли Харьковский и Коломенский заводы. Брянский завод специализировался на маневровых тепловозах ТЭМ1 и ТЭМ2, а Людиновский завод начал выпускать маневровые тепловозы ТГМЗ с гидравлической передачей, а также тепловозы для узкой колеи ТГ16. Позднее он приступил к выпуску маневрововывозных тепловозов ТЭМ7 мощностью 1480 кВт с электрической передачей. С 1972г. Луганским тепловозостроительным заводом стали выпускаться тепловозы 2ТЭ116 с четырехтактными дизелями типов Д49 и Д70 (в основном с дизелями типа Д49, с дизелями типа Д70 —лишь несколько тепловозов), с передачей переменно-постоянного тока и бесчелюстными тележками. В 1973г. Коломенский тепловозостроительный завод построил пассажирский тепловоз ТЭП70 с дизелем Д49 мощностью 2940 кВт, который постепенно должен вытеснить тепловоз ТЭП60.

Учитывая достаточную устойчивость экипажной части тепловозов 2ТЭ116, завод приступил в 1975г. к серийному выпуску тепловозов 2ТЭ10В с бесчелюстными тележками взамен тепловозов 2ТЭ10Л. Позднее на базе тепловоза 2ТЭ10В были построены тепловозы 2ТЭ10М и ЗТЭ10М с некоторыми изменениями в электрической схеме и схеме автоматики.

Темпы выпуска тепловозов быстро возрастали. Так, если в 1956г. была выпущена 161 секция, то в 1960г. уже 1303 секции. Только за годы десятой пятилетки (1976—1980гг.) транспорт получил 5300 секций магистральных тепловозов и 2370 маневровых. Перевод железных дорог на тепловозную тягу также бурно возрастал. Если в 1940г. тепловозный полигон составлял 335км, то в 1959г.— 3100км, а в 1970г.—76000 км. Уже в 1975г. электровозами и тепловозами выполнялось 99,6 % объема перевозок, из них 49 % тепловозами. Около 88 % маневровой работы выполнялось тепловозами. К своему 60-летнему юбилею (1984г.) тепловозы работали на 96000км (на 67%) стальных магистралей, осваивая 42 % грузооборота и выполняя всю маневровую работу.

За 60 лет в нашей стране было спроектировано и построено более 65 серий тепловозов. На железных дорогах работают 14 серий магистральных и 28 серий маневрово-промышленных тепловозов с электрической и гидродинамической передачами. Тепловозы, построенные на заводах Советского Союза, работают на железных дорогах многих социалистических, а также развивающихся стран. Ученые, конструкторы, инженеры продолжают работать над созданием более мощных магистральных и маневровых тепловозов, которые имели бы повышенную экономичность и эксплуатационную надежность.

Основные сведения об устройстве и работе тепловозов

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, топливоподкачивающий 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.

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, наоборот, 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. 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.

 

 

Рис. 1. Тяговые характеристики тепловоза: Рис. 2.

1 — на 1-й позиции контроллера; 2 — на промежуточной; 3 — на последней позиции (внешняя характеристика)

 

Рис. 2. Схема передачи мощности от дизеля колесным парам при электрической передаче:

1 — дизель; 2 — соединительная муфта; 3 — тяговый электрический генератор; 4 — возбудитель генератора; 5 — рама тележки; 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.

 

Кроме этого, передача должна обеспечивать возможность отсоединения дизеля от тяговой нагрузки (от колесных пар) и реверсирования движения.

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. 2). 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 колесные 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.

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 трогании 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

Классификация и обозначение серий тепловозов

Тепловозы классифицируются: по роду службы (грузовые, пассажирские, маневровые и маневрово-вывозные, а также промышленного транспорта); по числу секций (односекционные, двухсекционные, трехсекционные, четырехсекционные); по типу передачи (с электрической постоянного или переменно-постоянного тока и гидромеханической); по типу экипажной части (тележечные и с жесткой рамой); по ширине колеи (нормальной или широкой 1520мм и узкой от 600 до 1100мм); по числу осей (восьмиосные, шестиосные, четырехосные, трехосные, двухосные).

Тип экипажа тепловоза определяет его осевая характеристика, отражающая число, расположение и назначение осей (колесных пар). Для тепловозов тележечного типа осевая характеристика представляет собой сочетание цифр, число которых указывает на число тележек в экипаже, а каждая цифра — число осей (колесных пар) в тележке.

В осевых характеристиках (рис. 3) индексы «0» указывают на обмоторенные оси, знаки «—» и «+» показывают, что в первом случае тележки не спарены (несочленены) между собой, а во втором — сочленены, числа 2 и 1 в осевой характеристике тепловоза Ээл указывают на наличие у него двух бегунковых осей и одной поддерживающей.

Для локомотивов, работающих на отечественных, а также зарубежных железных дорогах, установлены определенные габаритные ограничения, определяемые габаритами Т, 1Т (для тепловозов СССР) и 02Т (для: тепловозов, предназначенных на экспорт). Наиболее распространенный габарит 1Т имеет наибольшую предельную ширину 3400мм и высоту 5300мм. Действительные допускаемые предельные значения высоты и ширины кузова имеют меньшие значения, учитывающие возможные смещения тепловоза в эксплуатации. Серии тепловозов, т. е. группы тепловозов, построенных по одним и тем же проектам, принято обозначать сочетанием заглавных букв и цифр. Как правило, обозначение серии начинается с буквы Т (тепловоз). Вторая буква указывает на тип передачи (Э — электрическая, Г — гидравлическая). Третья буква обычно говорит о назначении тепловоза (П — пассажирский, М—маневровый). Цифры указывают номер серии тепловоза. По ним можно определить также и завод-изготовитель. Например, номера серий от 1 до 49 отведены магистральным Тепловозам, спроектированным Харьковским заводом транспортного Машино-строения им. Малышева, номера от 50 до 99 присваиваются тепловозам ПО «Коломенский завод», а номера свыше 100 — тепловозам ПО «Лугансктепловоз».

Рис. 3. Схемы экипажей тепловозов и их обозначение

 

Цифра перед буквенным обозначением указывает на число секций многосекционного тепловоза. Буква после номера серии указывает либо на модернизированный вариант (ЗТЭ10М), либо на завод-изготовитель, если первоначальный вариант тепловоза был изготовлен другим заводом (2ТЭ10Л, 2ТЭ10В —Луганск, Ворошиловград).

Для упрощения ведения технической документации и использования ее при разработке программ для ЭВМ в Министерстве путей сообщения разработана единая система цифрового обозначения тягового подвижного состава.

Структура единой системы цифрового обозначения, состоящего из семи знаков, позволяет по первому знаку определить вид подвижного состава (пассажирский вагон — 0, тяговый и специальный подвижной состав—1, грузовой вагон — 2—9). Семизначная часть нового номера кодирует основные эксплуатационно-технические признаки подвижного состава, род его службы, серию и т. д. При этом для многосекционных локомотивов учитывается возможность их переформирования в эксплуатации и поэтому предусматривается цифровое обозначение каждой секции отдельно.

Второй знак кодируемого обозначения показывает тип подвижного состава: 0 — паровозы, 1 — электровозы односекционные, 2 — электровозы многосекционные, 3, 4 — электропоезда и электросекции, 5 — тепловозы односекционные, 6 — тепловозы многосекционные, 7 — дизель-поезда и автомотрисы, 8 — мотовозы, 9 — путевые машины.

Третий знак характеризует подвижной состав по роду службы (пассажирская, грузовая, маневровая, специальная), по типу тяговой передачи (электрическая, гидравлическая), по роду тока (постоянный, переменный, двойного питания). Так, тепловозы односекционные пассажирские имеют знак —0, грузовые — 1, маневровые с электрической передачей с 2 по 6, маневровые с гидравлической передачей — с 7 по 9, также и многосекционные пассажирские тепловозы имеют знак — 0, а грузовые с 1 по 9.

Четвертый знак отдельно или в ряде случаев (при значительном числе объектов) в сочетании с третьим обозначает серию.

Пятый, шестой и седьмой знаки информации не содержат и служат для образования номера тяговой единицы. Восьмой знак (контрольный) используется для проверки правильности считывания и занесения в документы номера подвижного состава

У тех серий локомотивов, число которых превышает тысячу единиц, для образования номера используют четвертый знак При этом к числу, обозначающему серию локомотива, прибавляют число тысяч порядкового номера. Например тепловоз ТЭЗ № 791 будет иметь обозначение 1610791, а № 4791—1614791.