Дизельный двигатель тепловоза

Введение

Тепловоз — автономный локомотив, первичным двигателем которого является двигатель внутреннего сгорания, обычно дизель. Название дизель-электровоз иногда применяется для тепловозов с электрической трансмиссией.

Появившийся в начале XX века тепловоз стал экономически выгодной заменой как низкоэффективным устаревшим паровозам, так и появившимся в то же время электровозам, рентабельным лишь на магистралях со сравнительно большим грузо- и пассажиропотоком.

Общая характеристика

Дизельный двигатель тепловоза преобразует энергию сгорания жидкого топлива в механическую работу вращения коленчатого вала, от которого вращение через тяговую передачу получают движущие колёса. К основным узлам тепловоза относится: экипажная часть, кузов тепловоза. К вспомогательным узлам — система охлаждения, система воздухоснабжения, воздушная (тормозная) система, песочная система, система пожаротушения и т. д.

Общий принцип работы и конструкция

Схема компоновки советского экспортного тепловоза ТЭ109 с электрической передачей переменно-постоянного тока

на схеме помечены:

Зависимость силы тяги от скорости движения является основной характеристикой тепловоза и называется тяговой характеристикой. Для случая максимального использования мощности локомотива график такой характеристики представляет собой гиперболу, в каждой точке которой произведение силы тяги на скорость локомотива равно его максимальной мощности.

При движении механическая энергия на валу дизеля, как правило, сначала преобразуется в электрическую (тепловоз с электропередачей) или энергию другого вида, а затем уже в механическую, которая и вращает колёса. Цель такой передачи — обеспечить близкий к оптимальному режим работы дизеля в разных точках графика тяговой характеристики локомотива.

Виды передач

Основной трудностью при попытках соединить вал дизеля напрямую с колёсными парами является разгон тепловоза и запуск дизеля. Делались попытки применить для этого сжатый воздух (то есть дизель при трогании с места работал как пневматический двигатель), однако запасов сжатого воздуха в баллонах не хватало для нормального разгона локомотива.

Механическая передача

Механическая передача включает фрикционную муфту и коробку передач с реверс-редуктором; она обладает малым весом и высоким КПД, однако при переключении передач неизбежно возникают рывки. На практике её используют на локомотивах малой мощности (мотовозах), дизель-поездах, дрезинах и автомотрисах.

Электрическая передача

Экспортный советский тепловоз с передачей переменно-постоянного тока ТЭ109

Более эффективной передачей стала электрическая, при которой вал дизеля вращает якорь тягового генератора, питающего тяговые электродвигатели (ТЭД). В свою очередь вращательное движения якоря ТЭД передаётся колёсной паре с помощью осевого редуктора. Редуктор представляет собой соединённые зубчатые колёса, располагающиеся на якоре ТЭД и оси колёсной пары. В случае электропередачи поддерживается гиперболическая тяговая характеристика, когда увеличение сопротивления движения вызывает увеличение силы тяги, а уменьшение — ускорение локомотива. Электропередача позволяет соединять несколько секций тепловоза и управлять ими по системе многих единиц из одной кабины. Минусом её является большая масса и относительная дороговизна необходимого оборудования. В случае электропередачи возможно использование электродинамического торможения, суть которого заключается в использовании ТЭД в качестве генераторов, за счёт сопротивления вращению вала якоря которых осуществляющих торможение тепловоза (вырабатываемая электроэнергия гасится в тормозных резисторах). По сравнению с пневматическими тормозами электродинамическое торможение более эффективно, меньше износ тормозных колодок, снижается опасность юза колёсных пар.

Первоначально в тепловозах использовалась передача постоянного тока, однако в дальнейшем (в СССР это был конец 1960-х годов) передачу стали постепенно переводить на переменный ток. Первоначально на переменном токе стал работать генератор, после которого ток всё же выпрямлялся с помощью выпрямительной установки, далее поступая на ТЭД постоянного тока. В СССР первыми серийными тепловозами с передачей переменно-постоянного тока стали грузопассажирский экспортный ТЭ109, пассажирский ТЭП70 и грузовой 2ТЭ116.

Первый в мире тепловоз с асинхронными ТЭД переменного тока был построен компанией Brush Traction, а первым отечественным опытом использования асинхронных ТЭД стал опытный тепловоз ВМЭ1А^[1]. Особенностью использования асинхронных ТЭД является необходимость управления частотой их вращения для получения необходимой характеристики. В 1975 году в СССР на базе тепловоза ТЭ109 был построен опытный тепловоз ТЭ120 с электрической передачей переменного тока, где и генератор, и ТЭД использовали переменный ток. Электрической передачей переменного тока оснащён современный отечественный маневровый тепловоз ТЭМ21.

Использование генераторов и ТЭД переменного тока позволяет увеличить их мощность, а также снизить массу, повысить надёжность эксплуатации и упростить их обслуживание. Использование асинхронных тяговых двигателей, ставшее возможным после появления полупроводниковых тиристоров, значительно снижает возможность боксования тепловоза, что позволяет уменьшить массу локомотива, сохраняя его тяговые свойства. Даже в случае использования промежуточного выпрямительного блока применение генератора переменного тока и асинхронных ТЭД оказывается экономически оправданным. Передачи постоянного тока отличаются сравнительной простотой конструкции и продолжают использоваться на тепловозах мощностью до 2000 л. с.

Гидравлическая передача

В гидравлической передаче механическая энергия вала дизеля передаётся колёсной паре с помощью гидравлического оборудования (гидромуфт и гидротрансформаторов). В общем виде гидравлическое оборудование представляет собой комбинацию насосного колеса, связанного с валом двигателя, и турбинного колеса, соединённого с осью колёсной пары. Насосное и турбинное колесо находятся на небольшом расстоянии друг от друга, а промежуток между ними заполнен жидкостью (маслом), передающей энергию вращения насосного колеса турбинному. Регулировка передаваемого крутящего момента осуществляется изменением количества рабочей жидкости (масла) на лопатках насосного и турбинного колеса. Гидравлическая передача легче, чем электрическая, не требует расхода цветных металлов, но обладает меньшим КПД. В СССР применялась главным образом на маневровых тепловозах, а также на магистральных тепловозах малой мощности (ТГ102, ТГ16, ТГ22).

Делались также попытки создания тепловоза с воздушной и газовой передачей, однако они были признаны неуспешными.

Пульт машиниста маневрового тепловоза ЧМЭ3

Пульт машиниста немецкого тепловоза DB-Baureihe 217

Теплоэлектровоз Маневровый (ТЭМ-2)

Технические характеристики тепловоза ТЭМ-2 и его модификации

В 1959г. на Брянской машиностроительном заводе под руководством главного конструктора П.И. Аронова и начальника конструкторского тепловозостроительного бюро В.А. Долгова разработан технический проект усиленного тепловоза серии ТЭМ1. Для этого тепловоза Пензенским дизельным заводом на базе дизеля 2Д50 разработан более мощный дизель ПД1 (Пензенский дизель, 1-й тип), а Харьковским заводом «Электротяжмаш» - главный генератор ГП-300.

При рассмотрении проекта отдельные специалисты высказывались за нецелесообразность его осуществления, мотивируя это необходимостью создания маневрового тепловоза такой мощности не с электрической, а с гидравлической передачей.

В 1960 г. завод выпустил два, а в 1961 г. еще один маневровый тепловоз повышенной мощности, которые получили обозначение серии ТЭМ2.

Конструкция кузова у этих тепловозов незначительно отличается от кузова тепловозов ТЭМ1 первых выпусков: боковые стенки кабины машиниста выполнены без наклона для лучшего обозрения пути. Тележки тепловозов выполнены с восьмилистовыми рессорами, резиновыми амортизаторами; боковые опоры кузова - с парой трения «сталь» по сплаву ЦАМ9-1,5.

У дизеля ПД1, опытно-конструкторские работы при создании которого проводились в 1959 г., несколько повышены против дизеля 2Д50 давление надувочного воздуха, степень сжатия и введено промежуточное охлаждение надувочного воздуха водой. При сохранении числа и диаметра цилиндров (318 мм), хода поршня (330 мм), веса (16600 кг) и небольшом увеличении скорости вращения вала (с 740 до 750 об/мин) это дало возможность увеличить номинальную мощность с 1000 до 1200 л. с. Расход топлива при номинальной мощности - 178-179 г/э. л. с. ч.

Главный генератор ГП-300 постоянного тока с независимым возбуждением и самовентиляцией с восемью главными и восемью дополнительными полюсами при скорости вращения якоря 750 об/мин имеет номинальную мощность 780 кВт (напряжение 645/900 в; ток 1210/865 а), вес генератора - 5100 кг. Возбудитель, вспомогательный генератор, компрессор, запасы топлива, масла и песка оставлены такими же, как и на тепловозах ТЭМ1.

На тепловозах установлены тяговые электродвигатели ЭДТ-340В, которые отличаются от электродвигателей ЭДТ-Э40Г первой партии тепловозов ТЭ10 конструкцией моторно-осевых подшипников. Редуктор выполнен с передаточным отношением 15:68=1:4,53. Тяговый электродвигатель ЭДТ-340В на маневровом тепловозе ТЭМ2 имеет длительную мощность 108 кВт (напряжение 220 в, ток 590 а), скорость вращения якоря - 260 об/мин. В отличие от тепловозов ТЭМ1 у новых локомотивов тяговые электродвигатели постоянно попарно соединены последовательно, т. е. к генератору, как и на тепловозах ТЭ3, присоединены три параллельные цепи электродвигателей. Кроме «полного» поля, имеются две ступени «ослабленного» подя с возбуждением 48 и 25%.

На тепловозах ТЭМ-2 поставлена электромагнитная порошковая муфта для привода компрессора, применено автоматически регулирование температуры воды и масла дизеля. Вес тепловоза составил 122,4т. При длительном режиме он развивал силу тяги 21500 кг и скорость 11 км/ч. Конструктивная скорость тепловоза - 100 км/ч.

Первые тепловозы ТЭМ2 поступили для эксплуатации в депо Лихоборы и депо им. Ильича Московской дороги. Один из тепловозов ТЭМ2-0002 прошел в 1961 г. тягово-теплотехнические испытания на экспериментальном кольце ЦНИИ МПС. Испытания показали, что при полной мощности дизель расходует 179 г/э.л.с, ч, полная мощность дизеля используется только до скорости 37 км/ч, так как фактическое «ослабление» поля оказалось ниже расчетного. Применение 16-позиционного контроллера ухудшило маневровые качества тепловоза; рекомендовано снова перейти на 8-позиционный.

На тепловозах, начиная с №0004, вместо тяговых электродвигателей ЭДТ-340В стали устанавливать электродвигатели ЭД-104Б, которые имеют номинальную мощность 113 квт (напряжение 208 в, ток 625 а), максимальную скорость вращения якоря 2080 об/мин. Эти электродвигатели отличаются от электродвигателей ЭД-104А тепловозов ТЭ10 диаметром вкладыша моторно-осевого подшипника (увеличен с 210 до 215 мм). Одновременно изменено и передаточное отношение редуктора, которое стало таким же, как на тепловозах ТЭМ1 - 17:75=1:4,41.

С тепловоза № 0004 применены контроллеры машиниста, главные рукоятки которых имеют восемь ходовых позиций.

Вместо кислотной аккумуляторной батареи 32ТН-540 на части тепловозов установлена батарея 46ТПЖН-550.

В процессе выпуска тепловозов ТЭМ2 в их конструкцию вносились изменения. На тепловозах, выпускаемых с 1967 г. (с №016), устанавливались электродвигатели ЭД-107; эти электродвигатели имеют номинальную мощность 112 кВт (напряжение 215 В, ток 605 А); частота вращения якоря при продолжительном режиме 264 об/мин, максимальная частота вращения 2290 об/мин; вес электродвигателя 3100 кгс.

С тепловоза №016 применены тележки с промежуточными цилиндрическими пружинами между рамами и листовыми рессорами - балансирами, малогабаритные буксы с арочным нагружением подшипников и сделан ряд других изменений.

С тепловоза №017 введены специальные шины для подключения силовых цепей при испытаниях; плавкие предохранители в цепях управления и освещения заменены автоматами. С тепловоза №028 изменено передаточное отношение редуктора с 17:25=1:4,41 (с модулем 10) на 15:68=1:4,53 (с модулем 11), как это сделано у большинства тепловозов 2ТЭ10Л. С тепловоза №053 установлены розетки для ввода тепловоза в депо от стационарного источника тока.

С 1968 г. на тепловозах устанавливался модернизированный дизель ПД-1М, имеющий расход топлива на номинальном режиме 165-173 г/(э.л.с.-ч). Это было достигнуто путем усовершенствования топливного насоса, газораспределителя, турбокомпрессора, поршней и других узлов дизеля. С тепловоза №250 высоковольтная камера приварена к главной раме кузова; ранее были болтовые соединения. С тепловоза №300 введена система автоматического пуска дизеля. С тепловоза №500 устанавливалась система автоматической локомотивной сигнализации. С тепловоза №763 цепи управления позволяют работать двум тепловозам по системе многих единиц. С тепловоза №943 сокращено на 4 шт. количество секций для охлаждения воды (с 16 до 12). С тепловоза №1145 установлено оборудование для управления локомотивом одним машинистом. Тепловоз ТЭМ2-580 выпуска 1970 г. первым из локомотивов получил государственный Знак качества.

В течение десятой и одиннадцатой пятилеток (1976-1985 гг.) Брянский машиностроительный завод (полное наименование предприятия Производственное объединение «Брянский машиностроительный завод» им. В. И.Ленина) продолжал изготовление шестиосных маневровых тепловозов ТЭМ2, которые впервые выпустил в 1960 г. За годы, предшествующие десятой пятилетке, завод непрерывно совершенствовал конструкцию локомотива, заменяя в процессе выпуска устаревшее оборудование более современным. Так, на тележках стали устанавливаться цилиндрические винтовые пружины между рамами и балансирами, дизель ПД-1 был заменен в 1968 г. дизелем ПД-1М, тяговый генератор ГП-300А генератором ГП-300Б, тяговые электродвигатели ЭД-340В были заменены электродвигателями ЭД-104, затем ЭД407, ЭД-107А и с 1974 г. электродвигателями ЭД-118А. Все это повышало надежность, долговечность оборудования и экономичность локомотива; он получил широкое распространение не только на магистральных железных дорогах, но и на путях промышленных предприятий страны.

Кроме Брянского машиностроительного завода, в период 1968-1979 гг. тепловозы ТЭМ2 строил Ворошиловградский тепловозостроительный завод им. Октябрьской революции.

Тепловозы ТЭМ2, изготовленные в десятой и одиннадцатой пятилетках, оборудованы системой автоматической локомотивной сигнализации, устройствами, обеспечивающими возможность управления двумя тепловозами по системе многих единиц и работы машиниста без помощника.

В процессе выпуска тепловозов ТЭМ2 в их конструкцию вносились изменения. Так, тепловозы, выпускавшиеся с 1978 г., имеют измененные по форме кузова по типу кузовов тепловозов ТЭМ2У.

Замена проводки цепей управления на тепловозе ТЭМ-2 -5481

(5481 – порядковый номер машины)

1. Демонтаж аппаратуры управления в аппаратной камере.

2. Демонтаж всех электрических потребителей на тепловозе.

3. Отбраковка аппаратуры управления (с проверкой на стендах работоспособности аппаратуры).

4. Замеры длин проводов, сверка номеров проводов со схемой.

5. Изготовление проводки с уточнением маркировки и адресов.

6. Распайка по потребителям и коммутирующей аппаратуры, где это возможно.

7. Напайка окольцевателей с бирками.

8. Объединение проводов в жгуты.

9. Укладка проводов в трубах и коробах.

10. Установка отремонтированной аппаратуры по месту.

11. Подключение всех проводов согласно схеме подключения и маркировки.

Пуско-наладочные работы.

1. Подаем поэтапно электрическое напряжение в части схем.

2. Убедившись, что все цепи получили электропитание, начинаем тестировать схему управления. Для этого имитируем срабатывание определенных датчиков температуры, при этом проверяем наличие напряжения на исполнительных элементах.