Передачі тепловозів. Регулювання швидкості руху тепловоза з електричною передачею

Рекомендована література:

1. Рудая К.И., Логинова Е.Ю. Тепловозы.–- М., Транспорт, 1991.

2. Луков Н.М., Стрекопытов В.В., Рудая К.И. Передачи мощности тепловозов.– М., Транспорт, 1987.

3. Корнійчук М.П., Липовець Н.В., Шамрай Д.О. Технологія галузі і технічні засоби залізничного транспорту. –- Дельта, Київ, 2006.

Передача тепловоза – це пристрій для передачі потужності від валу дизеля до рушійних колісних пар. І цей пристрій повинен бути таким, щоб при будь-яких режимах роботи тепловоза, у широкому діапазоні швидкостей, цілком використовувалася потужність дизеля. Це визначається гіперболічним характером залежності сили тяги від швидкості руху тепловоза, при якому, при зменшенні швидкості, сила тяги пропорційно збільшується. Існує кілька типів тягових передач тепловозів. Якщо колінчатий вал дизеля безпосередньо з'єднати за допомогою сполучних валів з колісними парами, то така передача не буде забезпечувати умову сталості потужності. Якщо ж дизель з'єднати з колісними парами через коробку передач, переключення якої дозволить східчасто змінювати передатне відношення, така передача наблизить залежність сили тяги від швидкості до гіперболічної. Ця передача називається механічною. Вона застосовується на тепловозах невеликої потужності до 400 кВт, які використовують на маневрових роботах.

Прийнятну тягову характеристику можна одержати тільки при відсутності жорсткого механічного зв'язку між дизелем і ведучими колісними парами. Такими тяговими передачами є гідравлічна й електрична. Ці передачі забезпечують можливість будь-якого режиму руху з плавною зміною сили тяги в межах, встановлених зчепленням рушійних коліс з рейками, потужністю дизеля і конструктивною швидкістю тепловоза.

Гідравлічна передача має гідроапарати – гідромуфти і гідротрансформатори, завдяки яким забезпечується плавна і регульована передача потужності дизеля на колісні пари. Як правило гідравлічна передача доповнюється механічними редукторами (див. рис. 7).

У гідроапаратах обертаючий момент передається за рахунок кінетичної енергії рідини. Гідромуфта складається з відцентрового насоса 3, що приводиться в обертання від дизеля тепловоза і турбінного колеса 6, з'єднаного через редуктор 9–15 з колісними парами. Насосне і турбінне колесо гідромуфти виконані з лопатками і розміщені в порожнині, усередині якої циркулює робоча рідина (мінеральне масло). При обертанні насосного колеса рідина з великим напором потрапляє з лопаток останнього на лопатки турбінного колеса. У результаті гідродинамічного впливу турбінне колесо починає обертатися. Причому обертаючі моменти на насосному і турбінному колесах будуть однакові. Гідротрансформатор, на відміну від гідромуфти, перетворює обертаючий момент насосного колеса в змінний обертаючий момент турбінного колеса. Це відбувається за рахунок того, що у гідротрансформатора крім насосного і турбінного коліс є ще нерухоме лопаткове колесо (направляючий апарат). За рахунок зміни напрямку руху рідини на лопатки турбінного колеса, змінюється величина його обертаючого моменту. Під час руху тепловоза з місця порожнина гідротрансформатора наповнюється робочою рідиною. Насосне колесо, що обертається з частотою обертання вала дизеля, за допомогою робочої рідини впливає на нерухоме турбінне колесо. При цьому на турбінному колесі виникає максимальний обертаючий момент, який і необхідний для моменту початку руху. В міру збільшення швидкості руху тепловоза різниця між частотою обертання турбінного і насосного коліс зменшується, це приводить до зменшення гідродинамічного впливу і, як наслідок, зменшенню обертаючого моменту на турбінному колесі. Зміна обертаючого моменту турбінного колеса характеризується відношенням , де Мт – обертаючий момент турбінного колеса, Мн – обертаючий момент насосного колеса. Це відношення зветься коефіцієнтом трансформації гідротрансформатора. Для тягових передач на тепловозах застосовують багатоціркуляційні гідродинамічні передачі, що складаються з декількох гідротрансформаторів і гідромуфт. У період зрушення і розгону поїзда працюють гідротрансформатори, а в період великої сталої швидкості – гідромуфта. Такі тягові передачі використовуються на магістральних ТГ102, ТГ16, маневрових ТГМ23, ТГМ1, ТГМ4, ТГМ6, ТГМ8 та ін. тепловозах, а також на дизель-поїздах.

Поряд зі своїми перевагами такими як простота пристрою, менша вага, наявність групового приводу на колеса й ін. гідромеханічна передача має ряд недоліків – поступається електричній передачі за економічностю на 5–7%, ефективно працює при передачі потужності не більш 1200 к.с.

Електрична передача здійснює передачу потужності дизеля на колісні пари за допомогою тягових електричних машин – головного генератора і тягових електродвигунів. Від колінчатого валу дизеля безпосередньо одержує обертання якір головного генератора. Напруга головного генератора по кабелях подається до тягових електродвигунів, які через зубчасту передачу зв'язані з осями колісних пар. Для одержання необхідної тягової характеристики тепловоза головні генератори мають спеціальну систему збудження. Прагнення до збільшення секційної потужності тепловоза сприяло удосконалюванню системи збудження головного генератора від машинного (ТЕ-3, ТЕМ-2, ЧМЕ-3) і амплістатного (2ТЕ10Л, М-62), до тиристорного регулювання.

В даний час експлуатуються тепловози з електричною передачею різних видів:

1. Постійного струму, коли як головний генератор застосовується генератор постійного струму з незалежним збудженням, а тягові електродвигуни постійного струму послідовного збудження. У цьому випадку напруга головного генератора без перетворення подається на тягові двигуни (рис.8).

Рис. 8

Застосування головного генератора з незалежним збудженням дозволяє за допомогою системи збудження змінювати струм в обмотці головних полюсів генератора а, отже, і напругу головного генератора по закономірності, що забезпечує гіперболічну тягову характеристику. Тягові електродвигуни з послідовним збудженням більш придатні для тяги, тому що вони забезпечують електричну стійкість системи. Цей вид передачі застосований на тепловозах ТЕ3, 2ТЕ10Л, М 62, ТЕМ2, ЧМЕ3 та ін.

2. Змінно-постійного струму, коли як головний генератор використовується синхронний генератор змінного струму, а тягові електродвигуни постійного струму. Застосування генератора змінного струму дозволило значно збільшити потужність генератора при тих же габаритах, і як наслідок, підвищити секційну потужність тепловоза. Передача змінно-постійного струму використовується на тепловозах 2ТЕ116, ТЕП 75, ТЕП 70, 2ТЕ121 та ін. Принципіальна схема такої передачі та принцип її роботи розглянути нижче у цій главі (див. мал. 10).

3. Передача змінного струму. Ця сучасна система електричної передачі дозволила використовувати асинхронні електродвигуни для тяги. Ці двигуни, на відміну від двигунів постійного струму, не мають колектора і щіткового апарата, що дозволило значно підвищити струми й уникнути комутаційних процесів на колекторі. (мал.9)

Використання тягових асинхронних двигунів М1 та М2 вимагає застосування в схемі електричної передачі спеціальних пристроїв що змінюють частоту трифазного змінного струму, який виробляє синхронний генератор СГ. Такими установками є перетворювачі частоти з випрямною установкою. Змінний струм синхронного генератора перетворюється випрямною установкою (ВУ) у постійний. Постійний струм надходить у інвертор (И), який по сигналах від системи автоматичного регулювання перетворює постійний струм у трифазний змінний струм заданої частоти. Таким чином створюється живлення асинхронних електродвигунів з можливістю регулювання їх обертів шляхом зміни частоти струму. Така передача виготовлена на досвідченому тепловозі ТЕ120.