Принцип работы тепловоза

Принцип работы тепловоза следующий.

Крутящий момент тепловоза начинает создаваться от дизеля. На локомотиве установлен V-образный или рядный дизель с турбокомпрессором. Основная задача которого вращать главный генератор. Средняя мощность порядка 1000-1200 лошадиных сил. Максимальная частота вращения коленчатого вала 1000 об/мин.

 

 Главный генератор предназначен для вырабатывания электроэнергии  для питания тяговых   электродвигателей.

Электродвигатели служат для создания тяги и передачи её на колёсные пары тепловоза.

Колёсные пары тепловоза в основе работы тепловоза предназначены для сцепления с рельцами и приводят тепловоз в движение.

Все основные машины и агрегаты локомотива расположены на раме и закрыты капотом. Внутри капота находится машинное помещение, где располагаются все узлы тепловоза.

В передней части тепловоза расположена шахта холодильника. Основная задача, которой охлаждать воду и масло тепловоза.

В задней части локомотива находится кабина локомотиво-составительской бригады, где расположено управление тепловозом и различные датчики, показывающие основное техническое состояние локомотива.

В управление тепловозом входит :

Контролер – задающий обороты дизеля и тем самым мощность. По форме напоминающий полуруль. Обычно имеет восемь позиций.

Реверс – предназначен для смены направления движения тепловоза. В технической части тепловоза меняет полюса электродвигателей и тем самым они крутятся в другую сторону. 
 
Кран машиниста служит для управления пневмотормазами поезда (всех вагонов). Имеет 6 положений.

Вспомогательный тормозной кран используется для торможения только локомотивом. Имеет 6 положение и управляет давлением воздуха, которое создаётся в тормозных цилиндрах тепловоза.

На пульте локомотива расположены различные выключатели электрических цепей и машин, а также датчики показывающие техническое состояние тепловоза. Также в кабине находится радиостанция, так как вся связь между тепловозами, составителем поездов и дежурной по станции осуществляется по радиосвязи.

В передней и задней части тепловоза находятся автосцепки типа СА-3. Основная задача, которых автоматически соединять вагоны друг с другом. Для расцепки вагонов необходимо дёрнуть ручку вагона для отцепки вверх.

Принципы сгорания в дизельном двигателе

Дизельный двигатель является двигателем внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. Поскольку такие двигатели втягивают воздух, то он сжимается в двигателе до уровня, который существенно выше, чем в двигателях с воспламенением от искры, в которых используется топливовоздушная смесь. Вдобавок ко всему, двигатели с воспламенением от искры очень чувствительны к детонации. С точки зрения коэффициента полезного действия ( КПД ) дизельный двигатель является наиболее эффективным двигателем внутреннего сгорания. Низкооборотные двигатели большего рабочего объема могут иметь КПД в 50% и выше. В результате этого дизельные автомобили имеют низкий расход топлива и низкий уровень вредных выбросов в выхлопных газах, что можно отнести к преимуществу дизельных двигателей по сравнению с бензиновыми. В дизельном двигателе может использоваться четырех- или двухтактный цикл.

Рабочий цикл

При первом такте движения поршня вниз втягивает воздух через открытый впускной клапан. При втором такте, так называемом сжатии, воздух, втянутый в цилиндр, сжимается поршнем, который движется вверх. Степень сжатия составляет от 14:1 до 24:1. При этом процессе воздух разогревается до температуры 800С. В конце такта сжатия форсунка впрыскивает топливо в нагретый воздух при давлении до 1500 Па. К началу третьего такта ( рабочего хода ) мелко распыленное топливо самовоспламеняется и на протяжении всего такта сгорает в цилиндре почти полностью. Высвобождаемая при этом энергия давит на поршень. Поршень снова движется вниз, преобразуя химическую энергию в механическую работу. Во время четвертого такта ( выпуска ) отработавшие газы вытесняются движущимся вверх поршнем через открытый выпускной клапан. После этого двигатель снова начинает всасывать воздух для нового рабочего цикла.

Камеры сгорания и турбонаддув

В дизельных двигателях используются разделенные и неразделенные камеры сгорания ( соответственно двигатели с предкамерами и непосредственным впрыском). Двигатели с непосредственным впрыском являются более эффективным, более экономичным, чем их аналоги с предкамерами. Исходя из этих соображений двигатели с непосредственным впрыском используются в грузопассажирских и грузовых автомобилях. С другой стороны, из-за более низкого уровня шума двигатели с предкамерами устанавливаются на легковых автомобилях. Вдобавок к этому, двигатель с предкамерой имеет более низкий уровень вредных выбросов выхлопных газах ( НС и NOх ) и более дешев в производстве.

По сравнению с двигателем с воспламенением от электрической искры ( бензиновым двигателем) , оба типа дизельных двигателей являются более экономичными, особенно в диапазоне частичных нагрузок. Дизельные двигатели являются подходящими для использования турбонагнетателей с приводом от выхлопных газов или механического наддува. Использование турбонагнетателя (турбокомпрессора) на дизельных двигателях увеличивает не только отдачу мощности и КПД двигателя, но так же уменьшают содержание вредных примесей в выхлопных газах.

В целом камеры сгорания дизельного двигателя можно разделить на несколько типов:

Системы с предкамерой: В системе с предкамерой используемой для легковых автомобилей, топливо впрыскивается в горячую предкамеру (дополнительную камеру ). Здесь начинается дополнительное воспламенение, чтобы достичь образования качественной смеси и уменьшения задержки воспламенения основного процесса сгорания.

Система с вихревой предкамерой: В этой системе используемой в дизельных двигателях легковых автомобилей, сгорание также начинается в дополнительной камере. В процессе сгорания используется дополнительная камера сгорания в форме шара или диска ( вихревая камера ) с поверхностью горловины (выреза), расположенной тангенциально в основной камере сгорания.

Система с непосредственным впрыском: В системах с непосредственным впрыском, используемых главным образом в грузовых автомобилях и в стационарных дизельных двигателях всех размеров, образование смеси обходится без дополнительной вихревой камеры. Топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания над поршнем.

Система непосредственного смешивания топлива с рапылением по стенкам ( М-система): В этой системе впрыска для стационарных дизельных двигателей теплосодержание ( теплоемкость ) стенок углубления в поршне используется для испарения топлива, и топливавоздушная смесь образуется с помощью управления воздухом для сжатия.

Основная конструкция дизельного двигателя подобна конструкции бензинового двигателя. Однако одинаковые детали у дизеля обычно тяжелее и более устойчивы к более высоким давлениям сжатия, имеющим место у дизеля.

Типы тяговой передачи делятся на электрические, гидравлические и механические (используются на тепловозах мощностью до 250 кВт.)

При электрической передаче (рис. 1.1, а) механическая энергия вращения коленчатого вала дизеля / 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 / 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.

Рис. 1.1. Схемы размещения основного оборудования и преобразования энергии на тепловозах: а — с электрической передачей; б — с гидравлической передачей

 

Электрическая передача тепловоза

Электрическая передача тепловоза в общем случае представляет собой комплекс из генератора, приводимого в движение дизелем, нескольких тяговых электродвигателей, непосредственно приводящих в движение колесные пары и систем регулирования.

Генератор и двигатели автоматически регулируются таким образом, чтобы дизель мог развивать наибольшую мощность во всем диапазоне скоростей движения. Электропередача имеет высокую надежность, но дороже гидропередачи и требует расхода цветных металлов, поэтому применяется главным образом на тепловозах мощностью от 1000 л.с. и выше.

Электропередачи постоянного тока наиболее просты по конструкции и хорошо зарекомендовали себя на тепловозах небольшой мощности.

Гидравлическая передача тепловоза

Гидравлическая передача – передача, работающая за счет движения жидкости (обычно минеральное масло). На тепловозах обычно применяется гидродинамическая передача.                                         В этом случае двигатель вращает гидронасос, который подаёт жидкость на лопатки турбины.            То есть, жёсткая кинематическая связь между ведущим и ведомым валами передачи отсутствует, и появляется возможность некоторого изменения скорости вращения турбины относительно скорости вращения насоса. От турбины крутящий момент передаётся на колёса с помощью механической передачи (в современных конструкциях обычно с использованием карданных валов). Для снижения потерь насос и турбина размещаются в одном корпусе – гидроаппарате, где жидкость либо сразу попадает с насосного колеса на турбинное (гидромуфта), либо через направляющие лопатки (гидротрансформатор). Гидромуфта имеет более высокий к.п.д., чем гидротрансформатор, но работает в меньшем диапазоне скоростей.

С помощью только одного гидроаппарата невозможно обеспечить эффективное использование мощности дизеля во всём диапазоне скоростей движения, поэтому на практике используют следующие конструктивные решения:

Гидропередачу выполняют с несколькими гидроаппаратами (2–4 шт). Гидроаппарат соединяют с механическими коробками скоростей различной конструкции (гидромеханическая передача). В некоторых конструкциях гидромеханических передач только часть мощности передаётся через гидроаппарат, а часть – через механическую передачу (многопоточная передача).

В гидроаппарате предусматривают вращение направляющего аппарата (комплексный гидротрансформатор) или поворот направляющих лопаток для изменения свойств гидроаппарата. Гидропередача легче и дешевле электрической, но, как правило, требует больше текущих затрат при эксплуатации. Поэтому она обычно применяется на тепловозах мощностью менее 1000 л.с.

Механическая передача тепловоза

Механическая передача локомотива с двигателем внутреннего сгорания (тепловоза, мотовоза) устроена аналогично механической передаче автомобиля, с той разницей, что вместо «передач заднего хода» обычно применяется реверс-редуктор. Таким образом, число передач переднего и заднего хода одинаковое, а максимальная скорость движения локомотива, оснащённого такой передачей в обоих направлениях примерно равна.

В 1930-е годы отечественные конструкторы создали тепловоз с механической передачей мощностью выше 1000 л.с. Этот тепловоз остался самый мощным в мире тепловозом с таким типом передачи. Фактически, на нём был достигнут предел возможностей механической трансмиссии для тяги поездов.

При переключении скоростей в механической передаче локомотива возникают удары и провалы силы тяги. В настоящее время с механической передачей оснащаются только локомотивы малой мощности (до 150 л.с.).