Системы тягового привода

Тяговый привод тепловоза (как механическая система) включает в себя ТЭД, тяговый редуктор и передаточный механизм. Он является наиболее ответственным узлом экипажа, важным связывающим звеном между необрессоренной колесной парой и над-рессорным строением. Все динамические нагрузки от необрессоренной колесной пары передаются на раму тележки и затем на кузов через рессорное подвешивание и тяговый привод. Тяговый редуктор и передаточный механизм являются дополнительными мощными источниками высокочастотных динамических нагрузок, от действия которых ускорение корпуса двигателя достигает 40§ и более. Этим объясняется большое внимание, которое уделяют конструкции тягового привода локомотива и изучению его динамических качеств.

По классификации И. Б. Бирюкова, все тяговые приводы по их кинематическим характеристикам и динамическим выходным параметрам можно разделить на три класса в порядке нарастания положительных качеств: 1) опорно-осевой; 2) опорно-рамный с необрессоренным редуктором; 3) опорно-рамный с обрессоренным редуктором. Применение опорно-осевого привода на грузовых тепловозах объясняется тем, что при опорно-осевом подвешивании можно получить наименьшее межцентровое расстояние и возможна реализация силы тяги на ось более 40 кН без применения промежуточных зубчатых колес.

Тяговый привод всех магистральных тепловозов - индивидуальный с цилиндрическим односторонним редуктором. ТЭД одним концом через моторно-осевые подшипники скольжения опирается на ось колесной пары, другим концом (носиком) через упругую пружинную опору (траверсу) с износостойкими накладками подвешивается к раме тележки. Пружинная траверса жесткостью 16 кН установлена с предварительным натягом 40 кН.

Моторно-осевой подшипник тепловозов ТЭЗ имеет бронзовые вкладыши (бронза ОЦС 4-4-17), смазывание осуществляется путем естественной подачи из масляных объемов подшипниковых узлов через маслоподающий пакет. Для повышения надежности работы МОП скольжения на ТЭД ЭД107А и ЭД118А применена польстерная смазочная система. Польстерный пакет собран из трех пластин тонкошерстного каркасного войлока размером 13Х Х157Х190 мм. Вкладыш моторно-осевого подшипника на внутренней поверхности имеет гиперболическую расточку для уменьшения давления в зоне контакта с осью колесной пары при перекосах узла сопряжения от изгиба оси. Начальный диаметральный зазор в моторно-осевом подшипнике по вершине гиперболы составляет 0,5-0,86 мм, а в процессе эксплуатации он возрастает до 1,8 мм (по норме).

С целью дальнейшего повышения работоспособности моторноосевых подшипников грузовых .тепловозов с ООП на тепловозах 2ТЭ116 и других устанавливаются более совершенные ТЭД

ЭД118Б с циркуляционной смазочной системой, обеспечивающей принудительную подачу смазочного материала в зону трения подшипника с помощью шестеренного насоса [16]. Применение циркуляционной смазочной системы позволило обеспечить ее надежную работу. В случае применения подшипников качения с консистентной смазкой можно в несколько раз снизить объем работ по обслуживанию моторно-осевого подшипника в процессе эксплуатации.

Тяговый редуктор включает зубчатое колесо, шестерню и кожух. Шестерня из стали 20Х2Н4А (12Х2Н4А, 20ХНЗА - на ранее выпущенных тепловозах) цементируется с последующей закалкой, твердость рабочей поверхности зуба не менее Я^СЭ60. Посадка шестерни на вал якоря осуществляется горячим способом с натягом 1,3-1,45 мм (конус 1 : 10). Зубчатое колесо выполнено из стали 45ХН, рабочая поверхность проходит секторную (или контурную) закалку токами высокой частоты, твердость закаленного НЯСЭ 51-57; впадина зубьев упрочняется накаткой роликами. Для улучшения контактов зубьев по длине при соосности осей колесной пары и вала якоря при изгибе зубья шестерни выполняют со скосом.

Для увеличения срока службы тягового редуктора выпускают тепловозы с упругой самоустанавливающейся зубчатой передачей (УСЗК) [11]. Одним из важных параметров, обеспечивающих нормальную работу зубчатой передачи, является модуль зацепления. На всех отечественных тепловозах применяют модуль 10 мм. Увеличение модуля до 11 мм оказалось неэффективным, так как привело к уменьшению коэффициента перекрытия в зацеплении, росту динамических усилий в передаче и снижению срока службы зубьев.

Наиболее ответственным узлом КМБ является ось колесной пары, которая воспринимает сумму динамических нагрузок. Для повышения сопротивления усталости и обеспечения безопасности движения в течение всего срока службы ось колесной пары изготовляют по специальной технологии, цилиндрические поверхности оси и галтели (кроме средней части) упрочняют накаткой роликами. Это повышает предел ограниченной выносливости наиболее нагруженной подступенчатой части в 2 раза.

Главная трудность применения на грузовых тепловозах опорно-рамного привода - увеличение межцентрового расстояния 1р, а следовательно, уменьшение передаточного отношения и силы тяги. Так, на тепловозах 2ТЭ10Л с ООП 1Р=468,8 мм (г = 4,41), а у пассажирского тепловоза ТЭП60 с ТЭД той же конструкции, но с опорно-рамным приводом /р=520 мм, сила тяги меньше в 1,9 раза.

Распространение на подвижном составе получил опорно-центровой тяговый привод, который обеспечивает частичное обрессо-ривание ТЭД и в то же время имеет некоторые преимущества опорно-осевого привода: минимальное межцентровое расстояние, рассредоточенную передачу веса ТЭД на раму тележки и колес ную пару, меньший по сравнению с ОРП момент инерции тележки и др.

Известные конструкции опорно-центрового привода на подвижном составе зарубежных стран (например, ФРГ, ГДР, Франции, Италии) имеют ряд общих признаков. Тяговый электродвигатель опирается на полый вал, который охватывает ось колесной пары, и через упругие резиновые элементы соединен непосредственно с колесными центрами. Применены моторно-осевые подшипники качения. Таким образом, при ОЦП средняя часть оси колесной пары между кругами катания не воспринимает нагрузок от ТЭД. Различие состоит, главным образом, в исполнении связи полого вала с колесным центром. Так, эта связь может осуществляться с помощью сплошного резинового кольца [П], расположенного снаружи колесного центра. Способ крепления, форма резины позволяют передавать крутящий момент и обеспечивать эффективную виброзащиту ТЭД. Испытания показали, что в такой конструкции ОЦП, по сравнению с ООП, вертикальные ускорения ТЭД над осью колесной пары меньше примерно в 2 рава, а горизонтальные в 5-6 раз. При наиболее тяжелых тормозных режимах температура резиновых элементов от перегрева колесного центра не превышает 34 °С.

На рис. 8 показан опорно-центровой тяговый привод с узлами КМБ тепловоза ТЭП60. От КМБ этого тепловоза использованы узлы тяговой передачи, ось колесной пары 2 с буксами 6, бандажи, ТЭД с подшипниками скольжения, средняя часть полого вала 3. К полому валу приварены фланцы 4 с пальцами, на которых монтируются резинометаллические упругие элементы 5.

Резинометаллические упругие элементы 5 имеют размеры после запрессовки 135X65X85 мм при степени запрессовки 45%. На колесном центре расположено шесть упругих элементов по диаметру 590 мм. Зубчатое колесо 1 смонтировано на полом валу 3. Крутящий момент через шестерню и зубчатое колесо 1 сообщается полому валу и затем через резинометаллические элементы 5 колесным центрам. Таким образом, в этом варианте конструкции ОЦП крутящий момент передается через полый вал.

При применении опорно-центрового привода на грузовом тепловозе с двигателем ЭД108А устанавливается тяговый редуктор тепловоза 2ТЭ116 с промежуточной шестерней. Это позволило получить г=4,41 при межцентровом расстоянии /р=520 мм. Однако ввиду усложнения конструкции и, главное, невозможности применения подшипников качения в данной конструкции ОЦП разработаны другие более совершенные варианты. Анализ конструкций тяговых приводов позволил выявить основное направление в исполнении подшипникового узла - неподвижный полый вал, охватывающий ось колесной пары, с продольным разъемом для осмотра подшипников качения и вал без разъема с размещением подшипников внутри полого вала.

В варианте опорно-центрового тягового привода с подшипниками качения, в которых полый вал неподвижен и не имеет продолького разъема, подшипники качения размещены снаружи полого вала. Один из вариантов такого привода показан на рис. 9. Привод включает подшипники качения 5 и 10, расположенные по концам неразъемного полого вала 9, охватывающего ось колесной пары 7, зубчатое колесо 3, колесные центры 12.

Опорно-центровой тяговый привод с использованием узлов КМ6 тепловоза ТЭП60

Рис. 8 Опорно-центровой тяговый привод с использованием узлов КМ6 тепловоза ТЭП60

Вал 9 крепится в опорах 8 к электродвигателю 6. Для уменьшения централи вал имеет вырез со стороны остова ТЭД. Наружные обоймы подшипников размещены в корпусах 4 и 11, закрепленных на ступице зубчатого колеса и колесном центре. Тяговый редуктор включает венец 1, резинометаллические элементы 2. Осевые силы воспринимаются подшипником 10. При движении колесной пары вращаются наружные обоймы подшипников.

Перспективным является использование более сложного опорно-рамного тягового привода, динамические качества и надежность которого определены кинематическим совершенством передаточного механизма. Например, в приводе тепловоза ТЭП60 функции передаточного механизма выполняет шарнирно-рычажная муфта; в новых вариантах приводов применены конструкции с полым валом, который охватывает ось колесной пары и выполняет функции передаточного механизма. Среди приводов второго

Опорно-центровой тяговый привод с подшипниками качения для грузовых тепловозов класса распространена схема с необрессоренным редуктором и полым валом якоря, внутри которого размещен торсион, выполняющий функции кардана (электровозы типа ЧС, тепловоз 2ТЭ121).

Рис. 9. Опорно-центровой тяговый привод с подшипниками качения для грузовых тепловозов класса распространена схема с необрессоренным редуктором и полым валом якоря, внутри которого размещен торсион, выполняющий функции кардана (электровозы типа ЧС, тепловоз 2ТЭ121).

Исследования кинематики, динамики и напряженного состояния передаточного механизма с шарнирно-рычажными муфтами, установленного на тепловозе ТЭП60, показали, что передача крутящего момента за один оборот колеса осуществляется неравномерно, в приводе развиваются большие силы инерции от поступательных перемещений и крутильных колебаний плавающей шайбы. Такая конструкция привода кроме несовершенства муфты имеет большой зазор между полым валом и колесной парой, который увеличивает межцентровое расстояние и общую массу КМБ.

Опорно-рамный тяговый привод с полым карданным валом и резинокордной муфтой

Рис. 10 Опорно-рамный тяговый привод с полым карданным валом и резинокордной муфтой

На рис. 10 приведен опорно-рамный тяговый привод с полым карданным валом. Привод отличается от известных конструкций тем, что полый вал 12 размещен внутри опоры подшипника 13 зубчатого колеса 5, а упругие муфты 8 и 19 расположены с внешней стороны тягового редуктора.

ТЭД 1 закреплен на раме тележки и входит целиком в обрес-соренную массу экипажа. Расположенная на валу 3 якоря шестерня 2 находится в зацеплении с колесом 5, свободно вращающимся на подшипнике 13, который смонтирован на опоре 14, жестко закрепленной в остове ТЭД. Тяговый редуктор закрыт кожухом 4. Внутри опоры 14 помещен полый вал 12 с фланцами 10 и 16. Фланцем 10 и упругой резинокордной муфтой 8 полый вал соединен с фланцем 6 колеса. С другой стороны полый вал через фланец 18, муфту 19 соединен с колесным центром 22. Внутри вала 12 проходит ось 15 колесной пары. Таким образом, полый вал одним концом связан с подрессоренным тяговым редуктором, а другим - с необрессоренной колесной парой. Крутящий момент ТЭД передается от вала 3 якоря, через шестерню 2, колесо 5, муфту 8 полому валу и затем колесному центру 11. Половина крутящего момента через ось колесной пары сообщается второму колесному центру.

Упругая муфта по наружному контуру зажата призонными болтами 20 между фланцем зубчатого колеса 6 и прижимными коль цами 7,9 и 21. Фланец и кольцо имеют канавки, образующие замок, обеспечивающий надежное крепление муфты. Внутренним контуром резинокордная муфта аналогичным образом прикреплена к фланцу 10, приваренному к полому валу, который представляет собой тонкостенную трубу. С противоположной стороны полый вал соединен с фланцем 18 с помощью полых штифтов 17.

Аналогичная конструкция тягового привода разработана для грузо-пассажирского тепловоза ТЭ125 мощностью 2940 кВт, конструкционной скоростью 140 км/ч. Отличается она от рассмотренной креплением двигателей на раме тележки и более совершенной конструкцией диафрагменных муфт.

В рассмотренной конструкции опорно-рамного привода необ-рессоренная колесная пара не имеет контакта по металлу с ТЭД,

а резиновые муфты, выполняющие функции передаточного механизма, обеспечивают эффективное демпфирование высокочастотных колебаний не-обрессоренных частей. Поэтому можно рассматривать низкочастотные колебания привода, связанные с прохождением длинных неровностей пути и колебаниями кузова на рессорах, независимо от высокочастотных колебаний колесной пары.

Создание опорно-рамного тягового привода для грузовых тепловозов - достаточно сложная проблема, так как требуются одновременное увеличение габаритов КМБ, силы тяги локомотива, полная реконструкция экипажной части. Так. на тепловозе 2ТЭ121 мощностью 2940 кВт с осевой нагрузкой 245 кН для размещения опорно-рамного привода второго класса диаметр колес увеличен до 1,25 м, а масса КМБ - примерно на 1800 кг. Это позволило при большем межцентровом расстоянии (595 мм по сравнению с 468,8 мм у тепловозов 2ТЭ116, 2ТЭ10Л) получить длительную силу тяги 49 кН и даже 60 кН (на ось).

Схема опорно-рамного тягового привода тепловоза 2ТЭ121 с торсионным карданным валом

Рис. 11. Схема опорно-рамного тягового привода тепловоза 2ТЭ121 с торсионным карданным валом

На рис. 11 показана схема привода тепловоза 2ТЭ121. Крутящий момент от ТЭД передается через зубчатую муфту 1 торсионному валу 2, расположенному в полом валу якоря, затем через резинокордную муфту З шестерне, зубчатому колесу с упругим венцом и колесной паре.

Осевой редуктор 4 одним концом через роликовые подшипники опирается на ось колесной пары, другим подвешен к раме тележки с помощью реактивной тяги 5 с упругими шарнирами.

Корпус редуктора - литой, он воспринимает усилия от крутящего момента в зацеплении, освобождая якорные подшипники ТЭД от радиальных нагрузок. В этом основное преимущество данной схемы опорно-рамного привода по сравнению с другими.

Опыт эксплуатации первых образцов грузовых тепловозов 2ТЭ121 с опорно-рамным тяговым приводом второго класса выявил необходимость дальнейшего совершенствования конструкции отдельных узлов, в том числе повышения надежности резинокордных муфт, их крепления с фланцами торсиона и шестерни, посадочных мест торсиона. Недостатком привода второго класса является расположение большей части массы тягового редуктора на необрессоренной оси колесной пары, что отрицательно сказывается на прочности этого ответственного узла и увеличивает силу воздействия на путь.

Более рациональным является привод третьего класса. Один из вариантов такого привода применен на тепловозе ТЭП70 (рис. 12). Тяговый редуктор - односторонний, прямозубый, г - - 3,12; т-10 мм. Шестерня 13 напрессована на вал якоря ТЭД 14.

Колесо 6 соединено призонными болтами со ступицей 7, которая вращается на роликовых подшипниках 2, установленных на опоре 8.

Опора жестко соединена с обрессоренным остовом ТЭД болтами 9. Полый вал 10 охватывает ось 1 колесной пары, он передает крутящий момент со ступицы колеса противоположному колесному центру через шарнирно-поводковые муфты. Муфта соединяет выступы 5 ступицы с аналогичными выступами полого вала с помощью поводков 12 с резинометаллическими элементами 3 через соединительные валики 4. Муфта обеспечивает линейные и угловые перемещения полого вала и зубчатого колеса за счет деформации резинометаллических элементов. Противоположная муфта размещена с наружной стороны колесной пары и поводками 12 соединяет полый вал с пальцами И, запрессованными в колесном центре.

Аналогичная конструкция применена на электровозе ВЛ81, испытания которого показали хорошую виброзащиту ТЭД и редуктора от высокочастотных колебаний необрессоренных частей [4]. Благодаря карданной схеме расположения муфт полого вала при

Опорно-рамный тяговый привод третьего класса тепловоза ТЭП70

Рис 12 Опорно-рамный тяговый привод третьего класса тепловоза ТЭП70

вертикальных перемещениях оси колесной пары относительно ТЭД до 40 мм упругие элементы муфт получают незначительные деформации сжатия и сдвига. Данная схема привода третьего класса имеет ряд преимуществ перед приводом второго класса, что видно из табл. 1 (меньшую необрессоренную массу, на 1,5- 2 т, обрессоренный редуктор). При передаче крутящего момента резинометаллические элементы работают на сжатие, относительная деформация их от момента по сцеплению не превышает 10%. Опыт эксплуатации подтверждает высокую надежность муфт. При ремонтах тепловозов ТЭП70 через 500 тыс. км пробега резинометаллические элементы находятся в хорошем состоянии и не заменяются.

Грузовой вариант тепловоза ТЭП70 выполнен на базе опорнорамного привода с двигателем ЭД-121А длительной силой тяги до 50 кН.

Отличие конструкции состоит в том, что противоположная редуктору муфта расположена не снаружи, а между кругами катания. Наибольший диаметр вершин зубьев колеса 940 мм (высота днища кожуха над уровнем головки рельсов 139 мм, толщина стенки кожуха 4 мм, зазор вершины зубьев в кожухе 12 мм), наименьший диаметр впадин зубьев шестерни 160 мм. Исходя из заданной силы тяги определен диапазон передаточных чисел (максимальное значение гтах=5,01).

Исходя из этих условий рассмотрены следующие варианты зубчатой передачи (табл. 3).

Для всех пяти вариантов выполнен геометрический расчет зубчатой передачи. Запас прочности конического соединения шестерни с валом (длина посадки 140 мм) является достаточным как в эксплуатации, так и при демонтаже шестерни. Анализ расчетных данных позволил выбрать предпочтительные основные параметры грузового варианта тягового привода тепловоза ТЭП70: /д=547 мм; /= 5,05; модуль 10 мм; число зубьев 91/18. Возможно исполнение и варианта 5 (модуль 12 мм; число зубьев 76/15). Остальные варианты уступают этим двум по прочности отдельных элементов привода.

Разработанный К.МБ может быть принят в качестве унифицированного для грузовых и пассажирских тепловозов с умеренной осевой нагрузкой. В нашей стране накоплен многолетний положительный опыт применения унифицированных экипажных частей для грузовых и пассажирских тепловозов: ТЭЗ и ТЭ7 мощностью 2X1470 кВт, ТЭ10 и ТЭП10 мощностью 2205 кВт с максимальной скоростью пассажирского варианта и=140 км/ч. В результате повышения мощности до 2940 кВт и применения опорнорамного привода третьего класса можно выполнить грузовой и пассажирский варианты тепловоза ТЭП70.

С точки зрения уменьшения необрессоренной массы КМБ и виброзащиты ТЭД от высокочастотных колебаний желательно применение опорно-рамного тягового привода и па тепловозах с диаметром колес 1,05 м при /р=468,8 мм.

Вариант
Параметр 1 2 3 4 5
Модуль зацепления, мм 10 10 10 п 12
ч 91 87 86 81 76
*2 18 17 17 16 15
1 5,055 5,117 5,058 5,062 5,066
Рл, кН 48,3 48,9 48,3 48,4 48,4
Ид, км/ч 30,1 29,7 30 30 30
ак, км/ч 108 107 108 108 108
Межцентровое расстояние, мм 547 532 527 543 546
Угол зацепления, ° Диаметр, мм:

делительный основной

20,57

180

910

169.1

855.1

23,29

170

870

159,7

817,5

23,32

170

860

159,7

808,1

22,59

176

891

165,3

837,2

20

180

912

169,1

857

Контактные напряжения, МПа 816,6 837,7 838,2 821,7 842,7
Примечание Значения делительного диаметра и основного в числителе даны для шестерни, а в знаменателе-для колеса.

В одном из вариантов конструкции использован передаточный механизм привода тепловоза ТЭП60, при этом найдено оригинальное техническое решение для уменьшения межцентрового расстояния двигателя ЭД-108А от /р=520 до /р=468,8 мм. Передаточный механизм - двухсторонний, крутящий момент от тягового редуктора передается через полый вал и шарнирно-поводковые муфты непосредственно на колесные центры. Это важно для снижения динамической нагрузки на элементы привода и зубчатой передачи.

Меньшее межцентровое расстояние /р^468,8 мм достигнуто благодаря фасонной расточке внутренней поверхности неподвижного полого вала, что позволило приблизить ось колесной пары к оси ТЭД на 51,2 мм и одновременно обеспечить в вертикальном направлении свободу перемещений колесной пары до 35 мм (зазор 45 мм).

Аналогичный вариант конструкции выполнен применительно к двигателю ЭД121А. При 1Р=468,8 мм используется существующий тяговый редуктор с числом зубьев 75/17, модулем 10 мм.

Для оценки возможности использования резинометаллических элементов тепловоза ТЭП60 в грузовом варианте, проводятся их испытания на стендах, имитирующих основные виды деформаций от эксплуатационных нагрузок: сжатие радиальной силой Р\ от действия крутящего момента; сдвиг осевой силой Р2 и перекос моментом Мх от поперечного разбега колесной пары; сжатие силой Р3 и скручивание крутящим моментом М2 при вертикальном перемещении колесной пары относительно рамы тележки Для тепловоза ТЭП60 суммарная относительная деформация сжатия от сил Рч, Рз и момента М1 находится на пределе допускаемых значений (20%). В грузовом варианте ее составляющая от силы Р\ возрастет пропорционально увеличению силы тяги по сцеплению

Задача сводится к тому, чтобы уменьшить величину деформации за счет силы Р3 и момента Ми а также к выбору более рациональных форм и марки резины Деформация скручивания зависит от кинематики муфты, для грузового варианта она не увеличится.

Из опыта длительной эксплуатации привода тепловоза ТЭП60 следует, что упругие элементы из резины марки 7-7842 работают без замены до 400-600 тыс. км пробега тепловоза

Системы рессорного подвешивания | Экипажные части тепловозов | Показатели и методика оценки динамических качеств теплоловозов