Идеальный тепловоз

Современный тепловоз представляет собой весьма сложную машину, имеющую «за плечами» почти пятидесятилетний путь развития. Во многих странах он занял доминирующее положение на железнодорожном транспорте. Чем же это объяснить?

Совершенство каждой энергетической машины определяется ее к. п. д. Из каждых 100 кг угля паровоз 95 выбрасывал буквально на ветер. Другими словами, к. п. д. паровоза составлял всего 5%. Тепловоз использует энергию топлива в 6 раз совершеннее. И тем не менее использввание энергии с высокой эффективностью еще не решает проблему создания совершенного локомотива. Нужен не только высокий к. п. д., нужен локомотив, отвечающий всем требованиям железнодорожной службы.

В любой энциклопедии мы узнаем, что локомотив - машина, передвигающаяся по рельсовому пути и предназначенная для перемещения прицепленных к ней вагонов. Способность развивать тяговое усилие и есть второе важнейшее условие работоспособности тепловоза. Но как это усилие должно изменяться? Каким законам оно должно подчиняться?

За сто лет эксплуатации паровозов был накоплен большой экспериментальный материал. Известно, что сила тяги этого локомотива уменьшается по мере увеличения скорости ег© движения. Но экспериментальный закон всегда имеет серьезный изъян: он, хотя и отвечает на вопрос «как?», но не отвечает на вопрос «почему?».

На основании опытов с паровозами было совершенно ясно, что сила тяги тепловоза должна уменьшаться с увеличением скорости движения. Подобные кривые были получены в результате испытаний паровозов различных типов. Они довольно точно характеризовали явление, но применить их к новому локомотиву было трудно. Не хватало главного: ответа на вопрос «почему?».

Для того чтобы тепловоз мог везти состав вагонов, он должен развивать определенную силу тяги при определенной скорости. Мощность тепловоза так называемая касательная мощность Мк определяется произведением силы тяги Р в кГ на скорость движения V в км/ч:

Тепловозы (итоги и перспективы)

Любой двигатель работает наиболее экономично при полной нагрузке. Следовательно, двигатель современного тепловоза должен работать в таких условиях, чтобы его мощность оставалась постоянной при всех скоростях движения. При этом условии произведение силы тяги тепловоза на скорость его движения есть величина постоянная. Такая зависимость изображается графически кривой, которая носит название рав-нобокой гиперболы. При установке любого двигателя на тепловоз надо стремиться обеспечить идеальную тяговую характеристику (рис. 1).

У паровоза сила тяги с увеличением скорости уменьшается примерно в соответствии с основным требованием к идеальной тяговой характеристике. Этим, а также простотой конструкции можно объяснить тот факт, что, имея очень низкий к. п. д., паровозы так долго обслуживали железные дороги.

Но вернемся к тяговой характеристике идеального тепловоза. При скорости, стремящейся к нулю, равнобокая гипербола дает бесконечно большую силу тяги. Разве может реальный тепловоз развивать бесконечно большое тяговое уси-

Тепловозы (итоги и перспективы)

Р и с. 1. Характеристика идеального тепловоза. а-сила тяги; б - касательная мощность.

лие? Конечно, нет. Где же предел? Для ответа на последний вопрос вспомним, что сила тяги реализуется в результате взаимодействия колеса с рельсом. Рост силы тяги может происходить только до тех пор, пока не нарушено сцепление между колесом и рельсом. Другими словами, максимальная сила тяги локомотива равна произведению коэффициента сцепления на вес тепловоза Р:

Рш,с =УР [КГ\

Величина коэффициента сцепления У зависит от многих причин: скорости движения локомотива, материала колеса и рельса, погоды и состояния рельсового пути. Применение песка вызывает значительное увеличение сцепления, дождь и гололед снижают его. Ограничение по сцеплению приводит к тому, что только при скорости, соответствующей точке А, тепловоз выходит на гиперболическую характеристику. До этого его сила тяги изменяется мало (рис. 1,а), а мощность неуклонно возрастает (рис. 1,6).

Современный тепловозный дизель при изменении числа оборотов сохраняет величину крутящего момента практически неизменной. Вследствие этого при непосредственном соединении вала двигателя внутреннего сгорания с колесами тепловоза его сила тяги почти постоянна для всех скоростей движения, а мощность линейно возрастает. Только при максимальной скорости такой тепловоз будет использовать номинальную мощность дизеля, в период же разгона его мощность недостаточна.

Для получения идеальной тяговой характеристики на тепловозах устанавливают специальную передачу между валом двигателя и колесами локомотива, которая трансформирует крутящий момент дизеля нужным образом. В настоящее время на тепловозах применяют электрические, гидравлические и механиечские передачи.

Любая передача должна обеспечивать следующие условия:

отсоединять вал дизеля от движущих осей локомотива при пуске двигателя. В случае электрической передачи вал дизеля неразрывно связан с якорем генератора, а пуск осуществляется при холостой работе последнего. При гидравлической передаче пуск двигателя происходит без жидкости в гидроаппаратах, т. е. без нагрузки. На тепловозе с механической передачей двигатель внутреннего сгорания для пуска отсоединяют от колес локомотива при помощи муфты;

увеличивать тяговое усилие колесных пар по мере уменьшения скорости движения тепловоза;

сохранять постоянство мощности дизеля во всем диапазоне изменения рабочих скоростей движения тепловоза;

обеспечивать ход тепловоза вперед и назад при вращении вала дизеля только в одну сторону;

обеспечивать высокий к. п. д. тепловоза во всем диапазоне рабочих скоростей движения.

Рассмотрим современные тепловозы и сравним их тяговые характеристики с идеальной. Самым совершенным отечественным тепловозом с электрической передачей переменно-постоянного тока является ТЭ109 мощностью 3000 л. с. в одной секции. Тяговая характеристика этого тепловоза показана на рис. 2. При скорости движения свыше 20 км/ч его касательная мощность (т. е. мощность на ободе колес локомотива)

Тепловозы (итоги и перспективы)
Рис. 2 Тяговые характеристики тепловозов с электрической передачей ТЭ109 (слева) я с гидравлической передачей фирмы Краусс - Маффей (справа).

остается почти постоянной и равной 2400 л. с. Степень совершенства тепловоза может быть оценена по отношению средней касательной мощности к мощности дизеля:

Тепловозы (итоги и перспективы)

Этот коэффициент учитывает потери в передаче, расход энергии на привод вспомогательных агрегатов и степень отклонения касательной мощности от среднего постоянного значения. Он является объективной оценкой тяговых качеств тепловоза.

Для локомотива ТЭ109 получаем:

Тепловозы (итоги и перспективы)

У отечественнего тепловоза с электрической передачей 2ТЭ10Л касательная мощность при скорости движения свы-

ше 30 км/ч практически остается постоянной, а отношение средней касательной мощности к мощности дизеля равно 0,75. Для основного тепловоза наших железных дорог ТЭЗ это отношение равно 0,70.

Тепловозы с гидравлической передачей имеют тяговую характеристику, которая сильно отличается не только от идеальной, но и уступает в этом отношении характеристике локомотивов с электрической передачей. В качестве примера рассмотрим тяговую характеристику тепловоза фирмы Краусс- Маффей (ФРГ). При мощности 4000 л. с. в одной секции этот локомотив является самым мощным тепловозом с гидравлической передачей. Его средняя касательная мощность в рабочем диапазоне скоростей составляет 2500 л. с, что определяет коэффициент использования мощности дизеля:

Тепловозы (итоги и перспективы)

У отечественных тепловозов с гидравлической передачей этот коэффициент равен 0,60 для ТГМ1 и 0,64 для ТГМЗА.

Таким образом, по степени приближения к идельной тяговой характеристике, по использованию мощности дизеля тепловозы с электрической передачей обладают бесспорным преимуществом по сравнению с локомативами, имеющими гидравлическую передачу.

Сравнительные испытания тепловозов с передачей того и другого типа показали, что при одинаковом к. п. д. дизелей удельный расход топлива на 1 л. с. касательной мощности составляет 210 г/л. с.~ч при электрической передаче и 250 г/л. с.-ч при гидравлической. Простое сравнение тяговых характеристик на рис. 2 показывает, что тепловоз ТЭ109 при мощности дизеля 3000 л. с. имеет практически ту же среднюю касательную мощность, что и тепловоз фирмы Краусс-Маффей при мощности дизеля 4000 л. с.

Электрическая передача достаточно надежна и полностью удовлетворяет всем требованиям тяги, поэтому ее широко применяют иа тепловозах всего мира. Из 100 тыс. тепловозов электрической передачей оборудовано сейчас около 80 тыс.

И все-таки у электрической передачи есть крупные недостатки. Прежде всего дороги генераторы и тяговые электродвигатели на каждой колесной паре, а вес электропередачи весьма значителен. Подсчитано, что каждая лишняя тонна веса тепловоза за год его эксплуатации на магистральных железных дорогах вызывает дополнительные затраты только по перевозке в 3 тыс. руб. Отсюда понятно стремление конструкторов снизить вес локомотива, приходящийся на единицу установленной мощности дизеля. За период с 1946 по 1967 г. удельный вес отечественных тепловозов с электрической передачей уменьшился более чем в 3 раза (табл. 1). Эта тенденция вродолжает сохраняться, и в ближайшем будущем удель-

Таблица 1

Динамика изменения удельного веса отечественных тепловозов с электрической передачей

Параметры

Серия тепловозов

ТЭ1

ТЭ2

ТЭЗ

тэт

ТЭП60

ТЭ109

Год постройки

1947

1948

1953

1958

19С0

1967

Мощность, л. с.

1000

2000

4000

3000

3000

3000

Вес, т

121

170

254

129

126

120

Удельный вес, кг/л. с.

121

85

64

43

42

40

ный вес магистральных тепловозов с электрической передачей снизится до 25-30 кг/л. с.

Современное направление к увеличению веса поездов требует локомотивов повышенной мощности, т. е. вызывает увеличение их веса и нагрузки на ось. В то ж время в СССР предельная нагрузка на ось составляет 23 т, что создает трудности в реализации этого направления. В США допускается 30-32 т. Последние научные разработки ЦШШ МПС показали, что при прежних осевых нагрузках у вагонов повышение осевой нагрузки у локомотива до 30 т приводит к очень незначительному возрастанию динамического воздействия всего поезда на путь. В ближайшем будущем отечественные тепловозостроители приступят к проектированию нового магистрального локомотива с нагрузкой на ось 30 т.

При использовании тепловоза в качестве магистрального на путях МПС он быстро разгоняет состав до высоких скоростей. При этом вся работа локомотива на равнинном профиле пути практически происходит в зоне постоянной касательной мощности. В совершенно других условиях работают маневровые тепловозы, которые выполняют большую работу как на путях МПС, так и на промышленном транспорте, где почти весь транспортный процесс в той или иной мере связан с производством маневров. При этом требуется значительное тяговое усилие для быстрого разгона составов до небольших скоростей порядка 10-20 км/ч. Так, на маневровой работе общее время разгонов составляет около 20% от суммарной продолжительности эксплуатации, а остальные 80% времени локомотив работает при холостом ходе дизеля.

Правильно оценить параметры маневровых тепловозов также позволяет их идеальная тяговая характеристика. Рассмотрим три различных тепловоза и оценим их пригодность для маневровой работы. В качестве первого возьмем тепловоз весом 40 т с дизелем мощностью 400 л. с. Второй локомотив будет иметь тот же дизель, но его вес составит 80 т. Третий тепловоз обладает дизелем 600 л. с, а его вес - 40 т.

Для всех трех тепловозов произведем расчет разгона состава весом 1000 т на площадке до скорости 10 км/ч. Будем считать, что все тепловозы имеют гидравлическую п'ередачу со степенью приближения к идеальной характеристике т| = 0,6, а удельное сопротивление движению состава составляет 3 кГ/т. Результаты расчетов представлены в табл. 2.

Таблица 2

Данные о разгоне состава весом 1000 т до скорости 10 км/ч тремя различными тепловозами

Параметры

т.-

I

п теплово 2

за

3

Мощность, л. с.

400

400

600

Вес, т

40

80

40

Удельный вес, кг/л. с.

100

200

66

Скорость выхода на автоматическую (ги-

перболическую) характеристику, км/ч

6,48

3,24

9,72

Ускорение, м/сек2

0,061

0,143

0,061

Время разгона, сек

53,0

41,4

44,3

Анализ таблицы позволяет установить, что увеличение веса тепловоза при постоянной мощности дизеля приводит к улучшению динамических качеств локомотива: время pa3J гона состава весом 1000 т благодаря увеличению веса тепловоза сокращается с 53 до 41,4 сек.

Увеличение мощности в 1,5 раза (с 400 до 600 л. с.) приводит к увеличению скорости выхода на гиперболическую характеристику с 6,48 до 9,72 км/ч. При этом величина начального ускорения не зависит от мощности и составляет 0,061 м/сек2. Вследствие этого тепловоз большей мощности длительное время разгоняет состав при постоянном начальном ускорении.

Вывод: увеличение веса тепловоза в 2 раза улучшает его динамические качества разгона в большей степени, чем полуторное увеличение мощности дизеля при постоянном весе. К этому следует добавить, что переход от 1-го типа тепловоза к 3-му вызывает повышение стоимости локомотива примерно в 1,5 раза, а увеличение веса тепловоза 2-го типа не оказывает существенного влияния на его цену. Все это свидетельствует о том, что маневровые локомотивы должны иметь определенное соотношение между, мощностью и весом.

Выше мы видели, что у магистральных тепловозов существуют тенденции к снижению удельного веса (см. табл. 1). У маневровых тепловозов удельный вес на единицу мощности дизеля возрастает. Так, например, промышленные тепловозы с электрической передачей фирмы «Дженерал электрик» (США) имеют удельный вес около 150 кг/л. с, а 15-20 лет назад средний удельный вес промышленных тепловозов США составлял от 112 до 126 кг/л. с.

В последние годы проводится большая работа по улучшению использования сцепного веса тепловозов. В этой области имеются еще значительные резервы, поэтому рассмотрим данный вопрос подробнее.

У тепловоза ТЭЗ шесть тяговых электродвигателей на каждой секции. При малых скоростях движения отдельные колесные пары буксуют, что затрудняет обеспечение устойчивой работы тепловоза. Ограничение силы тяги по сцеплению локомотива с индивидуальным приводом осей вызывает нарушение сцепления одной из движущих колесных пар из-за уменьшения вертикальной нагрузки или ухудшения условий сцепления. Невольно возникает мысль: нельзя ли улучшить сцепление колес с рельсами путем обеспечения группового привода колес от одного тягового электродвигателя?

Опыты, проведенные во Франции, показали, что в интервале скоростей 10-30 км/ч у двухосной тележки с одним тяговым электродвигателем коэффициент сцепления на 15% выше, чем у тепловоза с индивидуальным приводом колес. А если сделать один тяговый электродвигатель на две тележки тепловоза? В этом случае коэффициент сцепления повышается на 30% по сравнению с индивидуальным приводом колесных пар. Такое решение не только улучшает условия сцепления колес с рельсами, но и приводит к уменьшению веса тележки и снижению стоимости тепловоза.

В процессе эксплуатации тепловозов ТЭ10 выяснилась их повышенная склонность к буксованию, что затрудняло устойчивую работу локомотива. В ЦНИИ МПС были проделаны сравнительные экспериментальные исследования, показавшие, что у тепловоза ТЭ10 с новыми бесчелюстными тележками сцепной вес используется на 10% лучше, чем с тележками старой конструкции. Склонность к буксованию при бесчелюстных тележках заметно уменьшилась.

У тепловозов с гидравлической передачей групповой привод колес осуществляется при помощи редуктора и карданных валов. Именно благодаря этому коэффициент сцепления у них выше, чем у тепловозов с электрической передачей, но с индивидуальным приводом колес.

⇐ | Введение | | Тепловозы (итоги и перспективы) | | Основные элементы тепловоза | ⇒