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.
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
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.
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).
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
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⇒