Принцип действия и устройство тепловоза
Принцип действия и основные узлы тепловоза. Важнейшей частью любого тепловоза является его первичный двигатель — дизель. Дизель преобразует внутреннюю химическую энергию топлива в механическую энергию вращения коленчатого вала. Свойства дизеля как двигателя не в полной мере соответствуют требованиям поездной работы локомотива, его переменным режимам работы. Мощность дизельного двигателя прямо пропорциональна частоте вращения его коленчатого вала (при неизменной подаче топлива). Для локомотива более полезной является работа двигателя на постоянном режиме — обычно при максимальной (номинальной) частоте вращения коленчатого вала, когда дизель развивает наибольшую мощность. Чтобы обеспечить возможность работы дизеля с постоянной частотой вращения вала при любых режимах движения поезда, энергия от вала двигателя передается колесным парам, скорость вращения которых при движении должна меняться не непосредственно, а через специальные промежуточные устройства, называемые передачей. Передача приспосабливает дизель к условиям работы на локомотиве. На тепловозах применяются главным образом электрические или гидравлические передачи.
При электрической передаче (рис. 1.1, а) механическая энергия вращения коленчатого вала дизеля 1 сообщается электрическому тяговому генератору 2, который преобразует ее в электрическую. Электрическая энергия от генератора поступает в тяговые электрические двигатели 3, которые кинематически связаны с движущими колесными парами 4 и приводят их во вращение.
На тепловозах с гидравлической передачей (рис. 1.1, б) энергия дизеля 1 затрачивается на привод гидравлического насоса 2, сообщающего энергию жидкости, которая циркулирует в замкнутом контуре. Поступая в гидравлическую турбину 5, поток жидкости передает на ее лопатки свою кинетическую энергию и вращает вал ротора турбины, а вместе с ним и колесные пары 4 тепловоза.
К основным частям тепловоза, помимо дизеля и передачи, можно отнести вспомогательное оборудование и экипажную часть.
Экипажная часть тепловоза состоит из кузова, главной рамы с ударно-сцепными устройствами (автосцепками) и тележек с колесными парами и упругим рессорным подвешиванием.
Рис. 1.1. Схемы размещения основного оборудования и преобразования энергии на тепловозах: а — с электрической передачей; б — с гидравлической передачей Главная рама тепловоза служит основанием для размещения силовой установки и вспомогательного оборудования. Она передает их вес через колеса на рельсы. Кроме того, рама передает продольные тяговые усилия от ведущих осей к составу. Кузов размещается также на раме и защищает оборудование тепловоза от внешних воздействий. Кузова тепловозов бывают двух типов (рис. 1.2): вагонного или закрытого (обычно у магистральных тепловозов) и капотного (у маневровых тепловозов). В первом случае кузов образует машинное помещение с внутренними проходами для обслуживания силовой установки; во втором — капот накрывает оборудование тепловоза, доступ к которому снаружи обеспечивается через боковые дверцы. Для возможности прохода обслуживающего персонала на тепловозе с капотным кузовом устраивают продольные (с обеих сторон) и поперечные (по концам рамы) площадки.
Колесные пары большинства современных тепловозов размещены в тележках, двух- или трехосных1, которые могут поворачиваться относительно опирающейся на них главной рамы. Такое устройство экипажной части облегчает прохождение тепловозом кривых участков пути. У некоторых промышленных тепловозов малой мощности движущие колесные пары соединяются непосредственно с главной рамой (экипаж в жесткой раме).
Термин «ось» в транспортной технике употребляется в двух значениях. Буквально «ось» — это одна из деталей колесной пары, объединяющая два колеса в одно целое и воспринимающая вес локомотива или вагона.
Однако часто это слово используется в более общем переносном смысле. Под «осью» подразумевается колесная пара, единичная точка опоры подвижного состава на рельсы. Именно в этом смысле говорят «шестиосный локомотив», «восьмиосный вагон», «трехосная тележка», «нагрузка на ось (или от оси иа рельсы)» и т. д.
Вспомогательное оборудование обеспечивает нормальную работу дизеля, передачи и экипажной части, а также тепловоза в целом. К нему относятся топливная, водяная и масляная системы дизеля, его устройства охлаждения и воздухо-снабжения, а также системы охлаждения и вспомогательные устройства передачи, песочная система экипажа, воздушная (тормозная) система тепловоза, система пожаротушения и т. п.
Топливная система обеспечивает питание дизеля жидким топливом. Она состоит из топливных баков, вспомогательных подкачивающих насосов, топливных фильтров, топ-ливоподогревателей, основных топливных насосов и форсунок, рас-пыливающих топливо в цилиндрах дизеля.
Система водяного охлаждения дизеля (водяная система) служит для отвода теплоты от его цилиндров и включает в себя циркуляционный водяной насос и радиаторы, в которых теплота от воды передается атмосферному воздуху. Для более интенсивного отвода теплоты от радиаторов воздух через них прогоняется принудительно — специальным вентилятором.
Масляная система дизеля, состоящая из насосов, фильтров для очистки масла и охлаждающих устройств (радиаторов или теплообменников), служит для подачи смазки масла к трущимся частям дизеля, а также частично и для отвода теплоты от них, а в некоторых случаях и от поршней дизеля.
Воздушная система тепловоза (тормозной компрессор, главные и запасные резервуары сжатого воздуха и др.) обеспечивает работу тормозных средств всего поезда, а также ряда вспомогательных устройств тепловозов.
Системы воздухоснабжения и воздушного охлаждения состоят из агрегатов, предназначенных для подачи воздуха (воздуходувки и нагнетатели — для дизеля, вентиляторы — для охлаждения электрических машин), воздухозаборных устройств (окна, жалюзийные решетки), воздухоочистителей и воздуховодов.
Общее устройство современных тепловозов рассмотрим на примере магистральных тепловозов типа 2ТЭ10 (2ТЭ10Л, 2ТЭ10В, 2ТЭ10М), наиболее распространенных серийных грузовых тепловозов СССР в настоящее время. Тепловоз имеет электрическую передачу постоянного тока и состоит из двух одинаковых секций (рис. 1.3), соединенных между собой стандартной автосцепкой 21. Каждая секция с кузовом 12 вагонного типа имеет свою кабину машиниста 2 с пультом управления 1 и в случае необходимости может использоваться в качестве самостоятельного локомотива. При совместной работе обе секции управляются с поста управления головной секции.
Источником энергии на тепловозе служит двухтактный дизель типа 1 ОД 100 мощностью 2200 кВт. Основная часть энергии дизеля 13 передается тяговому генератору 9, вал якоря которого соединен при помощи Рис. 1.2. Тепловозы с различными типами кузова:
а-вагонного; б-капотного полужесткой пластинчатой муфты с коленчатым валом дизеля. Тяговый генератор преобразует механическую энергию вращения вала дизеля в электрическую. Дизель с генератором, установленные на общей под-дизельной раме 10, представляют собой единый силовой агрегат — дизель-генератор.
Дизель-генератор, являющийся наиболее тяжелой частью тепловоза, расположен на главной раме 26, в ее средней части. Это необходимо для равномерного распределения нагрузок на колесные пары 23, которые объединены в две одинаковые трехосные тележки 25.
Рис. 1.3. Схема размещения основных узлов на секции тепловоза 2ТЭ10
Рама 26 опирается на каждую тележку 25 в четырех точках (боковых опорах). Центральный шкворень, соединяющий раму с тележкой, является осью поворота тележки относительно рамы и передает только горизонтальные усилия.
Все оси тепловозов (см. сноску к с. 8) движущие. На оси каждой колесной пары 23 подвешен тяговый электродвигатель 22. Тяговые электродвигатели питаются током от тягового генератора 9. Они преобразуют электрическую энергию в механическую и через зубчатые передачи (редукторы) приводят во вращение колесные пары 23.
Для привода агрегатов вспомогательного оборудования мощность от вала дизеля отбирается через передний 6 и задний 15 редукторы. В частности, с передним редуктором 6 связаны тормозной компрессор 4 и двухмашинный агрегат 3, состоящий из возбудителя, питающего обмотку главных полюсов тягового генератора, и вспомогательного генератора, являющегося на тепловозе источником низкого (75 В) напряжения для цепей управления, освещения и т. п.
От заднего редуктора 15 через гидроредуктор 19 приводится вентилятор охлаждающего устройства 17. Последний просасывает воздух через радиаторы для охлаждения воды, состоящие из отдельных секций 18. Секции (различной величины) расположены в два яруса с обеих сторон шахты холодильника 20. Нагретый воздух вентилятор выбрасывает вверх через крышу тепловоза.
Между кабиной машиниста 2 и машинным помещением по обеим сторонам от центральной двери находятся высоковольтные камеры 7, в которых размещена большая часть электрических аппаратов.
По обеим сторонам дизеля под полом расположены элементы аккумуляторной батареи, которая используется для пуска дизеля. Роль пускового двигателя (стартера), раскручивающего вал дизеля, играет при этом тяговый генератор. На его полюсах размещена дополнительная пусковая обмотка, которая при пуске включается последовательно с обмоткой генератора на напряжение аккумуляторной батареи. Гене: ратор, таким образом, оказывается временно в режиме электродвигателя последовательного возбуждения. Когда вал дизеля достигнет необходимой частоты вращения и дизель начнет работать, пусковая цепь размыкается. После этого тяговый генератор, приводимый дизелем, может сам вырабатывать электрическую энергию. При работе дизеля аккумуляторная батарея заряжается от вспомогательного генератора.
Запас топлива хранится в баке 24, подвешенном к главной раме в средней ее части. Воздух для дизеля засасывается из атмосферы через воздухоочистители, расположенные в боковых стенках кузова с обеих сторон тепловоза, турбокомпрессорами 14 и центробежным нагнетателем 11, работающими последовательно, и через воздухоохладитель нагнетается в цилиндры дизеля. Продукты сгорания (газы) из цилиндра отводятся через турбины турбокомпрессоров 14, глушители, находящиеся на противоположном от генератора торце дизеля, и выхлопные патрубки на крыше кузова в атмосферу.
Тяговые электрические машины, в обмотках которых при работе выделяются большие количества теплоты, охлаждаются воздухом. Для охлаждения генератора служит специальный вентилятор 8, связанный с верхним валом дизеля. Охлаждение тяговых электродвигателей обеспечивается вентиляторами 5 и 16. Они приводятся во вращение от вала дизеля соответственно через передний 6 и задний 15 редукторы. Каждый вентилятор подает воздух в три двигателя одной тележки. Воздух подводится к двигателям по каналам в раме тепловоза и затем по гибким брезентовым рукавам.
На привод вспомогательных агрегатов тепловоза затрачивается значительная мощность — 160-230 кВт на секцию (вентиляторы охлаждения тяговых электродвигателей — по 15 кВт, вентилятор тягового генератора-18 кВт, вентилятор холодильника- 90-120 кВт, в зависимости от режима, тормозной компрессор — до 45-60 кВт).
С учетом потерь в передаче максимальная полезная (так называемая касательная) мощность тепловоза 2ТЭ10В, имеющего дизели общей мощностью 4400 кВт (6000 л. с), составляет примерно 3400 кВт. Наибольшая (конструкционная) скорость тепловоза 100 км/ч.
Магистральные грузовые тепловозы с электрической передачей (ТЭЗ, 2ТЭ116) имеют в основном такое же, как на тепловозе типа 2ТЭ10, расположение силового и вспомогательного оборудования, но имеют конструктивные отличия.
Принцип работы тепловоза
Тепловоз. Принцип работы
Принцип работы тепловоза заключается в том, что он сам для себя вырабатывает электрическую энергию в отличие от электровоза, который берет ее из контактной сети.
Устройство тепловозов
Локомотивы — это железнодорожная единица, предназначенная для реализации тяговых усилий для перемещения состава. Локомотив представляет собой очень сложную систему машин и механизмов, которые, взаимодействуя между собой, приводят к образованию тяговых и тормозных усилий на ободе колесных пар.
Первичным двигателем на тепловозе является дизель. Чтобы привести во вращение колесные пары тепловоза от вала дизеля, требуется специальная передача. Если вал дизеля непосредственно соединить с движущими осями тепловоза, то двигатель нельзя будет запустить под нагрузкой, и трогание такого локомотива будет затруднено. Кроме того, частота вращения вала дизеля, следовательно, и его мощность пропорциональны скорости движения тепловоза, поэтому полная мощность дизеля может быть получена лишь при максимальной скорости.
Передача позволяет обеспечить трогание тепловоза с места и реализацию полезной мощности дизеля во всем диапазоне скорости движения локомотива. Передача может быть электрической, механической или гидравлической.
К вспомогательному оборудованию относятся топливная система, системы смазки и охлаждения и др.
Основы устройства и принцип работы тепловоза с электрической передачей
Тепловоз – локомотив, у которого источником энергии является тепловой двигатель внутреннего сгорания – дизель, вращающий момент от дизеля через специальную передачу передается на колесные пары, которые начинают вращаться, приводя в движение тепловоз.
Электрическая передача получила самое широкое распространение в тепловозостроении. Она удовлетворяет эксплуатационным требованиям, предъявляемым к локомотивам, и сохраняет постоянство мощности при изменении силы тяги и скорости движения.
В электрической передаче вал дизеля вращает тяговый генератор, питающий тяговые электродвигатели (ТЭД). В свою очередь вращение вала ТЭД передаётся колёсной паре через осевой редуктор. Редуктор представляет собой сопряженные зубчатые колёса, располагающиеся на валу ТЭД и оси колёсной пары. Благодаря жесткой механической связи между колесными парами групповой привод обеспечивает большую устойчивость к боксованию. Электропередача постоянного тока обладает гиперболической тяговой характеристикой, при которой увеличение сопротивления движения вызывает увеличение силы тяги, а уменьшение — ускорение локомотива, легко управляется и регулируется. Электропередача позволяет управлять несколькими тепловозами по системе многих единиц из одной кабины. Недостатки её — большая масса и относительная дороговизна необходимого оборудования, наличие щеточно-коллекторных узлов, ограничивающих рабочие токи и напряжения и требующих частого обслуживания. Электропередача обеспечивает электродинамическое (реостатное) торможение, при котором ТЭД работают как генераторы, нагруженные тормозными реостатами; за счёт сопротивления вращению валов ТЭД осуществляется торможение. По сравнению с пневматическими тормозами при электродинамическом торможении меньше износ тормозных колодок.
На тепловозах применяют электрические передачи трех видов: передача постоянного тока, переменного тока и переменно-постоянного тока.
Общее устройство и работа тепловозов
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.
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.
Устройство тепловоза
К основным системам тепловоза относятся энергетическая установка, система передачи мощности, система управления, тормозная система, песочная система и экипажная часть.
Энергетическая установка тепловоза состоит из дизеля и вспомогательных систем, обеспечивающих его нормальную работу. К этим системам относятся топливная, водяная, масляная и система воздухоснабжения.
Топливная система обеспечивает питание дизеля жидким топливом. Она состоит из топливных баков, топливоподкачивающих насосов, топливных фильтров, топливоподогревателей, топливных насосов высокого давления и форсунок, распыляющих топливо в цилиндрах дизеля.
Система водяного охлаждения (водяная система) служит для отвода теплоты от дизеля и включает в себя циркуляционные водяные насосы и радиаторы, в которых тепло от воды передается атмосферному воздуху. Для более интенсивного отвода тепла от радиаторов воздух через них принудительно прогоняется специальным вентилятором.
Масляная система дизеля служит для подачи смазки масла к трущимся частям дизеля и для отвода теплоты от них. Она состоит из насосов, фильтров для очистки масла и охлаждающих устройств – радиаторов или теплообменников.
Система воздухоснабжения предназначена для подачи в дизель воздуха необходимого для сгорания топлива. Она состоит из воздухозаборников, воздухоочистителей, воздуховодов и агрегатов, обеспечивающих подачу воздуха под определенным давлением в цилиндры дизеля (нагнетатели, турбокомпрессоры).
Передача мощности приспосабливает дизель к условиям работы на локомотиве. На тепловозе с электрической передачей механическая энергия вращения коленчатого вала дизеля сообщается тяговому генератору, который преобразует ее в электрическую. Электрическая энергия от генератора через преобразовательные и управляющие устройства поступает в тяговые электрические двигатели, которые с помощью передаточных механизмов приводят во вращение колесные пары. Передача мощности включает также агрегаты, предназначенные для подачи воздуха на охлаждение тяговых двигателей и преобразовательных установок.
Тормозная система предназначена для создания регулируемых тормозных сил, а также для снабжения сжатым воздухом тормозных магистралей поезда и ряда вспомогательных устройств тепловоза.
Песочная система служит для подачи сухого песка к точкам контакта колес с рельсами, для улучшения сцепления колес локомотива с рельсами на трудных участках профиля и трогании поезда с места. Она состоит из бункеров для хранения песка, форсунок для подачи песка под колеса и устройств управления.
Экипажная часть тепловоза включает в себя главную раму с ударно-сцепными устройствами (автосцепками), кузов и ходовую часть – тележку. В мировой практике локомотивостроения тележечные экипажи получили наибольшее распространение, поскольку они позволяют снизить уровень динамических сил при взаимодействии подвижного состава с верхним строением пути, равномерно распределять вес локомотива по осям, минимизировать эффект перераспределения нагрузки при трогании с места и торможении, проходить кривые малых радиусов.
Главная рама тепловоза служит для размещения и закрепления узлов перечисленных выше систем. Она передает их вес через колеса на рельсы. Кроме того, главная рама передает продольные тяговые усилия от ведущих осей к поезду.
Кузов размещается на главной раме и защищает оборудование тепловоза от воздействия окружающей среды. Кузова тепловозов бывают двух типов капотного (маневровые тепловозы) или вагонного (магистральные тепловозы). В первом случае кузов образует машинное отделение с внутренними проходами для обслуживания дизеля и вспомогательных систем; во втором – капот накрывает оборудование тепловоза, доступ к которому снаружи обеспечивается через боковые дверцы.
Энергетическая установка
Энергетическая установка тепловоза – дизель, преобразует химическую энергию топлива в механическую энергию вращения коленчатого вала.
Дизель состоит из неподвижного блока цилиндров, составляющего вместе с картером и поддоном единую конструкцию называемую остовом. В верхней части цилиндр закрыт крышкой. В крышке расположены впускные и выпускные клапаны и форсунка для подачи дизельного топлива. Движущиеся детали дизеля поршень, шатун, кривошип и вал объединены с помощью подшипников и составляют кривошипно-шатунный механизм. При работе дизеля поршень совершает возвратно-поступательное движение вдоль оси цилиндра, которое с помощью кривошипно-шатунного механизма преобразуется во вращательное движение коленчатого вала.
Принцип действия дизельного двигателя заключается в следующем.
При сгорании топлива в объеме сжатого воздуха между стенками цилиндра и днищем поршня образуются газы – продукты сгорания.
Вследствие этого давление в цилиндре резко возрастает, что приводит к перемещению поршня.
Таким образом, тепловая энергия продуктов сгорания преобразуется в механическую энергию движения поршня.
После расширения отработавшие газы выпускаются из цилиндра через выпускной клапан.
