Необходимость тяговой передачи и ее назначение

/ Литература / Тепловозы: Основы теории и конструкция / Необходимость тяговой передачи и ее назначение

Особенности работы локомотива.

Профиль пути железнодорожных линий состоит из различных по крутизне и длине элементов: подъемов, площадок, спусков. По всем этим элементам на конкретном участке пути локомотив ведет один и тот же состав. Поэтому при движении поезда от локомотива требуются различные значения движущей силы- силы тяги - на разных элементах профиля пути. Но необходимые значения силы зависят не только от крутизны профиля при установившемся движении, они связаны и с характером самого движения. Тепловоз должен быть способен выполнять все стадии движения поезда: трога ние поезда с места на станции, разгон его и поддержание движения со скоростью, установленной графиком.

При движении поезда локомотив совершает определенную механическую работу (работа -это произведение силы на путь, пройденный в ее направлении). На выполнение работы должна быть затрачена энергия. Ее «источником» на тепловозе является дизель, преобразующий внутреннюю химическую энергию топлива в механическую работу вращения коленчатого вала с нагрузкой, присоединенной к нему.

Тяговая характеристика. На ведущих осях тепловоза за счет работы на валу дизеля развивается суммарный вращающий момент Мк, передаваемый на колеся-

где 1'к - движущая сила, являющаяся суммой сил, возникающих в опорных точках контакта ведущих колес с рельсами в результате трения (сцепления)

между ними, называемая силой тяги; Ок - диаметр колес.

Сила тяги тепловоза зависит от многих факторов. Зависимость силы тяги Рк от скорости движения локомотива V, изображенная графически, называется тяговой характеристикой локомотива. Наименьшие значения скорости движения грузовых тепловозов с поездом на самом тяжелом профиле (расчетном подъеме) принимаются обычно в пределах 20- 25 км/ч. Так как максимальная скорость движения грузовых тепловозов не превышает 100 км/ч, то тепловоз должен работать в диапазоне четырех-, пятикратного изменения скорости.

Тяговые и экономические свойства дизеля. Дизель как двигатель отличается целым рядом характерных особенностей, которые отражаются на возможностях его применения для тяговой службы в качестве источника энергии на тепловозе.

Мощность дизеля Ые при постоянной подаче топлива (за цикл) изменяется почти пропорционально частоте вращения коленчатого вала (рис. 7.1), Наибольшая (номинальная) мощность Л^ном ограничивается предельными значениями подачи топлива и частоты вращения вала я„ом.

Вращающий момент на валу двигателя М при постоянной подаче топлива почти не зависит от частоты вращения вала (см. рис. 7.1) и может считаться постоянным.

Дизель может работать только в определенном диапазоне частот вращения коленчатого вала - от птш до Пном, причем лт1п (частота холостого хода) ограничивается условиями надежного самовоспламенения топлива и составляет от 25 до 40 %

^ном-ДизеЛИ обычного исполнения не поддаются реверсированию, т. е. не допускают изменения направления вращения вала (без существенного усложнения конструкции).

Дизели практически не допускают (даже кратковременных) перегрузок по вращающему моменту.

Для пуска дизеля необходим дополнительный (посторонний) источник энергии.

В рабочем диапазоне частот вращения коленчатого вала (птт. rtH0M) и нагрузок дизель работает неодинаково экономично. Наименьший удельный расход топлива (см. гл. 4) обычно соответствует нагрузкам и частотам вращения, близким к номинальным.

Как видно из перечисления, дизель как двигатель недостаточно отвечает требованиям транспортной службы, где нужно изменять значения вращающего момента (силы тяги) и развивать неизменную мощность при изменениях скорости движения.

Идеальная тяговая характеристика тепловоза. Из рассмотрения тяговых свойств дизеля вытекает, что для получения от него, а следовательно, и от тепловоза наибольшей возможной мощности дизель должен работать с максимальной частотой вращения коленчатого вала.

Для того чтобы постоянная (наибольшая) мощность дизеля использовалась полностью во всем рабочем диапазоне движения тепловоза, тяговая характеристика тепловоза должна иметь вид гиперболической кривой (если Л/к = const, то FKy = const, а это и есть уравнение гиперболы в координатах FK, и). Характеристика такой формы (рис. 7.2) называется идеальной тяговой характеристикой тепловоза. Гиперболическая тяговая характеристика имеет ограничения по максимальному значению силы тяги f кп)ах (по условиям сцепления колес с рельсами без проскальзывания) и по максимальной СКОРОСТИ Уконстр (ПО ПРОЧНОСТИ ходовых частей и воздействию на путь). Полная мощность дизеля теп-

Характеристики дизеля ловоза с идеальной тяговой характеристикой используется в рабочем диапазоне скоростей движения от
Рис. 7.1. Характеристики дизеля ловоза с идеальной тяговой характеристикой используется в рабочем диапазоне скоростей движения от

41 ДО Уконстр.

Идеальная тяговая характеристика обеспечивает необходимое увеличение силы тяги при трогании с места и разгоне поезда, полное использование мощности дизеля при движении на различных элементах профиля (спусках, подъемах, площадках) с поездами разного веса.

Тяговые свойства тепловоза непосредственного действия. Энергия и момент дизеля должны быть переданы движущим осям тепловоза. Проще всего это можно осуществить непосредственно. Для этого достаточно соединить кинематически вал дизеля и оси колесных пар (через зубчатые колеса и карданные валы). Именно так представлял себе тепловоз сам изобретатель теплового Рис. 7.2. Идеальная тяговая характеристика двигателя Р. Дизель. Он в 1906- 1912 гг. вместе с другими специалистами построил в Германии тепловоз такого типа (с непосредственной связью вала дизеля с колесами). Однако такая простая конструкция (тепловоз непосредственного действия) оказывается полностью неработоспособной по целому ряду причин. Сила тяги такого тепловоза была бы почти неизменной (при постоянной подаче топлива) независимо от скорости движения (рис. 7.3), так как при этом условии вращающий момент на валу дизеля почти не зависит от частоты вращения его вала.

В то же время мощность Л/к тепловоза с непосредственной передачей при постоянной силе тяги Fк прямо пропорциональна скорости его движения V, так как Л/к = 1гкУ.

Таким образом, номинальная мощность дизеля может быть использована только при движении с максимальной скоростью, т. е. на самых легких участках профиля и при поездах малого веса. Во всех остальных случаях движения с меньшими скоростями - на трудных элементах профиля, с поездами большого веса - мощность дизеля не может быть использована полностью (см. рис. 7.3).

Тепловоз непосредственного действия не обеспечивал бы трогание поезда с места и его разгон, так как дизель не воспринимает нагрузок при малых частотах вращения коленчатого вала (меньше птт). Таким обра-

Тяговая характеристика тепловоза непосредственного действия
Рис. 7.3. Тяговая характеристика тепловоза непосредственного действия зом, тепловоз непосредственного действия практически неработоспособен, что и подтвердилось при испытаниях тепловоза Р. Дизеля. Он так и не смог работать.

Есть два пути приспособления дизеля к тяговой службе. Первый - это создание специального транспортного дизельного двигателя, рабочий процесс которого был бы близок к процессу паровой машины паровоза, работающей при непосредственной связи с колесами. По этому пути пытался пойти выдающийся русский специалист-теплотехник профессор В. И. Гриневецкий. В 1906-1908 гг. он спроектировал, построил и испытал такой двигатель. Двигатель оказался довольно сложным: каждый его рабочий цилиндр состоял из трех параллельно расположенных цилиндров.

Поэтому отечественное и мировое тепловозостроение с самого начала развития пошло по другому пути- применению на тепловозах тяговой передачи.

Передача и требования к ней. Чтобы приспособить дизель к тяговой службе, на тепловозах между валом дизеля и ведущими осями предусматривают специальное промежуточное устройство (или систему), называемое тяговой передачей тепловоза.

В передаче механическая работа вращения коленчатого вала дизеля (она характеризуется постоянством мощности, вращающего момента и частоты вращения) преобразуется в механическую работу вращения ведущих колес тепловоза, которая характеризуется переменными вращающим моментом и частотой вращения осей колесных пар (при постоянстве мощности).

Передача должна обеспечить: возможности изменения силы тяги и скорости тепловоза в широких пределах при работе дизеля с постоянной частотой вращения вала; использование полной мощности дизеля в широком диапазоне скоростей движения, т. е.

приближение тяговой характеристики к идеальной; возможность реверсирования тепловоза.

Как и всякий рабочий механизм, преобразующий энергию, передача должна иметь достаточно высокий к. п. д. на всех режимах тепловоза. Кроме того, передача должна иметь по возможности малые габариты, вес и стоимость, быть надежной в эксплуатации.

Обслуживание и ремонт передачи также должны быть по возможности более простыми.

Использование тяговой передачи и делает тепловоз локомотивом, дает возможность ему двигаться в различных режимах, совершать транспортную перевозочную работу. Решение проблемы тяговой передачи позволило отечественным специалистам под руководством профессоров Ю. В. Ломоносова и Я. М. Гак-келя создать в 1924 г. первые в мире работоспособные и достаточно мощные магистральные тепловозы с электрической передачей.

⇐ | Охлаждающие устройства для воды, масла и наддувочного воздуха | | Тепловозы: Основы теории и конструкция | | Типы тяговых передач | ⇒