Тепловоз

ТЕПЛОВОЗЫ

 

ТЕПЛОВОЗ - автономный локомотив, на котором в качестве силовой  энергетической установки используется тепловой поршневой двигатель внутреннего  сгорания - дизельный двигатель, величина эффективного кпд которого достигает 40—45%. Применение дизельного двигателя  вместо паросиловой энергетической установки паровоза обеспечивает высокий  уровень кпд тепловоза (26-31%), превышающий  кпд паровоза в 4-5 раз.

 Название «тепловоз»  сложилось в России по типу  названия паровоза. За рубежом  тепловоз называют «дизельным  локомотивом» — diesel locomotive или diesel-electric locomotive (англ.), locomotive Diesel (франц.), Diesellokomotive (нем.), locomotora Diesel (исп.).

 К тепловозам, как к  типу локомотивов, относят также  такие специализированные виды  автономного пассажирского моторвагонного подвижного состава, энергетическими установками которых служат двигатели внутреннего сгорания, как дизель - поезда, состоящие из моторных и прицепных вагонов, и автомотрисы - рельсовые автобусы.

 Энергетическая цепь (последовательность  этапов преобразования энергии)  автономного локомотива состоит  обычно из трех последовательных  звеньев: теплового генератора, который  преобразует химическую энергию  топлива в тепловую энергию  теплоносителя; теплового двигателя,  преобразующего тепловую энергию  теплоносителя в механическую  работу вращения своего вала, и передаточного механизма (передачи), расположенного между выходным  валом теплового двигателя и  ведущими колесными парами и  необходимого для преобразования  момента и скорости вращения  вала двигателя, передаваемых на колеса, в соответствии с требованиями тяги.

 С точки зрения преобразования  энергии энергетическая установка  тепловоза (рисунок) имеет одно  звено - тепловозный дизель Д, который совмещает функции теплового генератора и теплового двигателя. В цилиндре дизеля химическая энергия топлива Т в результате его горения (реакции окисления — соединения с кислородом атмосферного воздуха АВ) преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания (газов), которая при помощи поршня и кривошипно-шатунного механизма преобразуется в механическую работу вращения вала двигателя.

 

 

 

Рисунок - Структура энергетической цепи тепловоза:

 Д -дизель; П - передача; К - ведущие колеса; Т - топливо; АВ - атмосферный воздух; СН - отбор части мощности дизеля на собственные нужды локомотива; F — сила тяги; nе - эффективный кпд дизеля; nпер - кпд передачи; b -доля мощности дизеля, отбираемая на собственные нужды

 

В схему входит и передача П, согласующая режимы работы дизеля и движения локомотива. Она преобразует вращающий момент на валу дизеля Д, который по условию постоянства мощности дизеля должен быть неизменным при постоянной частоте вращения вала, в переменный момент на ведущих колесах К, величина которого по тому же условию постоянства мощности локомотива обратно пропорциональна скорости движения. Передача является обязательной частью конструкции тепловоза, но с преобразованиями энергии в ней связаны потери. Передачи тепловозов бывают механические, электрические, гидравлические. На поездных тепловозах наиболее распространена электрическая передача, на маневровых и промышленных, а также на дизель-поездах, используются гидравлические передачи. Механические передачи применяются иногда на дизель-поездах и автомотрисах.

Общее устройство

 

Важнейшей частью тепловоза  является его первичный двигатель - тепловозный дизель. На магистральных  тепловозах применяются многоцилиндровые 4-и 2-тактные дизельные двигатели  средней быстроходности (частота  вращения вала n на номинальном режиме 750-1000 об/мин), на промышленных тепловозах и дизель-поездах используют более легкие быстроходные дизели (1350-1600 об/мин). Дизель поездного тепловоза обычно имеет 12-16 цилиндров диаметром 200-300 мм. Мощность дизелей магистральных тепловозов различного назначения находится в диапазоне от 880-1000 до 4400-4700 кВт.

 Мощность дизеля при  неизменной подаче топлива прямо  пропорциональна частоте вращения  его вала. Поэтому, чтобы обеспечить возможность работы тепловоза с постоянной (в том числе с наибольшей) мощностью в широком диапазоне скоростей движения, энергия от дизеля передается на ведущие колеса через передачу. При электрической передаче (рис.а) энергия вращения вала дизеля передается якорю (ротору) тягового генератора 2, который преобразует ее в электрическую. Электрический ток от генератора питает тяговые электродвигатели 3, которые кинематически (посредством устройств тягового привода) связаны с колесными парами 4 и приводят их во вращение. На тепловозах с гидравлической передачей (рис. б) энергия дизеля 1 затрачивается на привод гидравлического насоса 2, сообщающего энергию жидкости, циркулирующей в замкнутом контуре, с гидравлической турбиной 3. Кинетическая энергия потока вращает ротор турбины, который механически (через систему валов и зубчатых колес) связан с колесными парами 4 и приводит их во вращение.

 

 

 

Рисунок - Схемы расположения оборудования и преобразования энергии  на тепловозах: a - с электрической передачей (1 - дизель; 2 - тяговый генератор; 3 - тяговые электродвигатели; 4 - колесные пары), 6 - с гидравлической передачей (1 - дизель; 2 - гидравлический насос; 3 - гидравлическая турбина; 4 - колесные пары)

 

К основным частям тепловоза  также относятся экипажная часть  и вспомогательное оборудование.

Экипажная часть магистрального тепловоза состоит из колесных пар  с буксами (4; 6 или 8), объединенных в 2-, 3-или 4-осные тележки с упругим (рессорным) подвешиванием и опорно-возвращающими устройствами. К экипажной части обычно относят кузов и главную раму с ударно-сцепными устройствами - автосцепкой. Главная рама воспринимает и передает от ведущих колесных пар к составу через автосцепки горизонтальные продольные силы (тяги и торможения), служит основанием для размещения силовой энергетической установки и вспомогательного оборудования, передает их вес через тележки и колесные пары на рельсы. Главная рама тепловоза как основа конструкции, определяющая срок его службы в целом, является одним из самых металлоемких элементов: при длине рамы 16-18 м ее масса составляет 10-15% общей массы тепловоза. Тележки могут поворачиваться относительно продольной оси опирающейся на них главной рамы на небольшой угол (3-5°) в горизонтальной плоскости. Такое устройство экипажной части облегчает прохождение кривых участков пути. У промышленных 2- и 3-осных тепловозов малой мощности ведущие колесные пары могут размещаться непосредственно в главной раме, как у паровозов. Кузов тепловоза также размещается на главной раме и защищает его оборудование от внешних воздействий. Тепловозы имеют кузовы вагонного (закрытого) типа (обычно магистральных тепловозов) и капотного типа (у маневровых и промышленных). Кузов вагонного типа (рис.а) образует машинное помещение с проходами для обслуживания энергетической установки; капотный кузов (рис. б) накрывает энергетическую установку сверху, поэтому доступ к ней обеспечивается через боковые дверцы в капоте. Для возможности прохода локомотивной бригады и ремонтного персонала на тепловозах с капотным кузовом устраивают с обеих сторон продольные и по концам рамы поперечные площадки; капотный кузов легче и дешевле. Такой тип кузова применяют на магистральных тепловозах в США, где это возможно по климатическим условиям.

 

 

 

Рисунок - Внешний вид тепловозов с кузовом: a - вагонного типа; 6 - капотного типа

 

Общее устройство магистральных  тепловозов в значительной мере однотипно. Грузовые тепловозы отечественного производства (например, 2ТЭ10 или 2ТЭ116) состоят из двух одинаковых секций, соединенных между собой стандартной  автосцепкой, что допускает возможность  отдельной работы каждой секции. Секция с кузовом вагонного типа имеет  свою кабину машиниста, где расположен пульт управления. При совместной работе обе секции управляются с  поста управления головной секции. Источником энергии служит дизель, основная часть вырабатываемой им энергии  передается тяговому генератору (постоянного  тока), вал которого соединен с коленчатым валом дизеля. Дизель и генератор  установлены на общей поддизельной раме и составляют единый агрегат - дизель-генератор, который, как наиболее тяжелый узел, расположен в средней части главной рамы. Это обеспечивает более равномерное распределение нагрузок на колесные пары, которые объединены в две 3-осные тележки.

 

 

 

Рисунок - Размещение основных узлов на секции тепловоза типа 2ТЭ10: 1 - пульт управления; 2 - кабина машиниста; 3 - двухмашинный агрегат; 4 — тормозной  компрессор; 5, 16 — вентиляторы охлаждения тяговых электродвигателей; 6 - передний распределительный редуктор; 7 - высоковольтные камеры; 8 - вентилятор охлаждения тягового генератора, 9 - тяговый генератор; 10 — поддизельная рама; 11 — центробежный нагнетатель; 12 — кузов; 13 — дизель; 14 — турбокомпрессор; 15 - задний распределительный редуктор; 17 - вентилятор охлаждающего устройства дизеля, 18 -секции радиатора; 19 - гидроредуктор; 20 - шахта охлаждающего устройства дизеля; 21 - автосцепка; 22 - тяговый электродвигатель; 23 — колесная пара; 24 — топливный бак; 25 - тележка; 26 — главная рама

 

Главная рама состоит из двух мощных продольных несущих элементов  — хребтовых балок, изготовленных  из двутаврового стального проката  и усиленных накладками, и двух боковых стенок кузова. Продольные балки соединены несколькими поперечными перегородками из листа, а по концам - литыми поперечными балками, образующими стяжные ящики, предназначенные для установки автосцепок. В средней части продольные балки соединены также двумя поперечными шкворневыми балками над каждой тележкой. В горизонтальной плоскости балки главной рамы объединены сверху и снизу листами настила, верхний настил образует пол машинного помещения кузова.

 На оси каждой колесной  пары подвешены тяговые электродвигатели, которые питаются током от  тягового генератора и преобразуют  его энергию в механическую  работу, приводя во вращение (через  тяговые редукторы) колесные пары. Применяются электрические передачи  постоянного тока (тепловозы типа 2ТЭ10) и передачи переменно-постоянного  тока (2ТЭ116), при которых генератор  вырабатывает переменный ток,  а тяговые двигатели питаются  выпрямленным током через промежуточный полупроводниковый преобразователь.

 Для привода агрегатов  вспомогательного оборудования  тепловоза часть мощности от  вала дизеля отбирается через  передний и задний распределительные  редукторы. С передним редуктором связаны тормозной компрессор и двухмашинный агрегат, состоящий из возбудителя (генератора, питающего током обмотки главных полюсов тягового генератора) и вспомогательного генератора, который служит источником для питания вспомогательных электрических цепей низкого напряжения (управления, освещения, заряда аккумуляторной батареи и т.п.). От вала заднего редуктора через гидроредуктор приводится вентилятор охлаждающих устройств тепловозного дизеля. Вентилятор просасывает воздух извне через секции радиаторов, отводя теплоту от воды системы охлаждения дизеля.

 Секции расположены  с обеих сторон шахты охлаждающих  устройств.

Кузов тепловоза вагонного  типа 2ТЭ10 состоит из лобовой, боковых  и торцевой стенок и крыши, по периметру  основания опирается на раму. По длине кузов разделен на несколько частей: передняя часть - кабина машиниста, средняя часть - машинное (дизельное) помещение, где размещается дизель-генератор и часть вспомогательного оборудования, и концевая часть — шахта, где размещены охлаждающие устройства дизеля. Часть кузова между кабиной машиниста и дизельным помещением отведена для высоковольтных камер, в которых размещены электрические аппараты силовых и вспомогательных цепей. По обе стороны дизеля под полом размещены элементы аккумуляторной батареи, которая служит для электрического пуска дизеля В качестве стартера используется тяговый генератор, работающий при этом в режиме двигателя.

 Запас топлива содержится  в баке, подвешенном к раме  в средней ее части. Воздух  для работы дизеля засасывается  из атмосферы через воздухоочистители,  размещенные с обеих сторон (в  боковых стенках кузова), турбокомпрессорами  и центробежным нагнетателем. Тяговые  электрические машины имеют воздушное  охлаждение. Для отвода теплоты  от них  служат  три вентилятора,  один для охлаждения генератора  и два — для охлаждения тяговых  электродвигателей. 

 Магистральные тепловозы  с электрической передачей других  серий имеют в общем такую же компоновку силового и вспомогательного оборудования. Их устройство может принципиально отличаться наличием некоторых новых или дополнительных узлов. Например, грузовой тепловоз 2ТЭ121 (рисунок ниже) имеет электрическую передачу переменно-постоянного тока, поэтому на нем непосредственно над генераторным агрегатом, который объединяет тяговый и вспомогательный генераторы, размещена силовая выпрямительная установка. Кроме того, тепловоз имеет единую, централизованную систему воздушного охлаждения тягового электрооборудования, которая включает в себя общий блок воздухоочистителей и вентилятор

 

 

Рисунок - Размещение оборудования на секции тепловоза 2ТЭ121 (общий вид  и план) 1 - кабина машиниста, 2 - высоковольтные камеры, 3 - блок реостатного торможения (резисторы и мотор-вентиляторы охлаждения), 4 - вентилятор централизованной системы охлаждения тягового электрооборудования, 5 ~ блок воздухоочистителей централизованной системы, 6 - выпрямительная установка, 7 - генераторный агрегат, 8 - дизель, 9 - секции радиатора, 10 - мотор-вентиляторы охлаждающих устройств дизеля,  11 - тележка,  12 - топливный бак,  13 - поддизельная рама,  14 - главная рама

 

Внешний вид тепловоза  и размещение оборудования зависят  от конструкции его кузова.  Грузовые тепловозы имеют кузов вагонного  типа, который состоит из каркаса, выполняемого из стального профильного проката, наружной и внутренней обшивки из металлического листа и теплоизоляции между ними. Продольные элементы каркаса кузова частично (например, нижняя часть боковых стенок) используются для усиления главной рамы (увеличения жесткости). В стенках и крыше кузова имеются проемы, через которые осуществляется подвод воздуха извне для работы и охлаждения дизеля и тягового электрооборудования, а также выброс нагретого воздуха от вентилятора охлаждающих устройств дизеля.Кузов имеет эксплуатационные проемы (окна в кабине и боковых стенках, двери в боковых и торцевых стенках); технологические и ремонтные проемы (например, в крыше для доступа к отдельным узлам), которые выполняются в виде люков с крышками. В грузовом тепловозе средняя часть крыши кузова (над машинным помещением), которая находится между кабиной машиниста и отсеком высоковольтных камер с передней стороны и задней частью с шахтой охлаждающих устройств, выполняется съемной для возможности извлечения дизель-генератора в сборе при ремонте или замене.

 С целью снижения  общего веса кузова и главной  рамы на пассажирских тепловозах  иногда каркас боковых стенок  выполняют в виде несущих раскосных  ферм, воспринимающих совместно  с главной рамой вертикальные  и продольные нагрузки, такой  кузов называют несущим. С этой  же целью каркас и обшивку  на пассажирских тепловозах выполняют  из алюминиевых сплавов. 

На маневровых и промышленных тепловозах, имеющих кузов капотного  типа, кабина машиниста располагается  между передним и задним капотами и возвышается над ними. Кузов  состоит из пяти частей: камера охлаждающих  устройств с диффузором вентилятора, капот над двигателем, капот над  высоковольтной камерой, кабина машиниста  и капот над аккумуляторной батареей. Между собой части кузова соединяют  болтами. Камера охлаждающих устройств  и кабина машиниста приварены к главной раме. Капот над двигателем съемный, по периметру присоединяется к смежным частям кузова и к главной раме болтами. Боковые стенки капота выполнены в виде ряда дверок, обеспечивающих доступ к агрегатам тепловоза. На крыше капотов расположены люки, закрытые крышками, используемые для выемки крупных узлов дизеля, передачи и привода агрегатов (аккумуляторов, компрессора, турбокомпрессора и т. п.). На торцах кузова имеются люки для набора песка и скобы для доступа к ним. Вокруг капотов на настиле рамы устроены передняя, задняя и боковые площадки с внешним ограждением. Кабина машиниста дает возможность хорошего обзора, т. к. имеет окна со всех четырех сторон, что особенно важно при выполнении маневровой работы на ж.-д. станциях.