Глава VI

ОХЛАЖДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ТЕПЛОВОЗА

1. Общие сведения

Необходимость применения охлаждающего устройства с при­нудительной циркуляцией воды и масла вытекает из принципа работы силовой установки тепловоза. Так, в дизеле в полезную работу превращается около 40% теплоты, выделяющейся при сгорании топлива. Остальная теплота теряется с отработавшими газами и отводится водой и маслом от поршней, стенок цилиндров, турбовоздуходувки, выпускных коллекторов и других деталей, наг­ревающихся горячими газами и нагнетаемым в цилиндры дизеля воздухом, а также в результате действия сил трения. Работа тепло­возной гидропередачи также сопровождается выделением теплоты в связи с потерями мощности в гидроаппаратах, шестернях, под­шипниках, причем в теплоту в зависимости от режима может прев­ращаться до 30% мощности.

Охлаждающее устройство тепловоза ТГМ6А имеет следующие особенности: охлаждение масла дизеля и УГП в водомасляных теплообменниках, автоматическое регулирование температурного режима силовой установки, возможность агрегатной сборки. В связи с усовершенствованием дизеля ЗА-6Д49 конструкция охлаж­дающего устройства неоднократно изменялась. В книге описано устройство для дизеля с охлаждаемыми коллекторами, устанав­ливаемое на тепловозах ТГМ6А, начиная с № 549.

На тепловозах ТГМ6А благодаря применению водомасляных теплообменников для охлаждения масла гидропередачи н дизеля удалось отказаться от масляных секций. Это значительно повысило надежность охлаждающего устройства тепловоза, так как эксплуа­тационная надежность водяных секций примерно в 10 раз выше, чем масляных.

Охлаждающее устройство (рис. 113) расположено в передней части тепловоза и состоит из теплообменных аппаратов — водовоз­душных секций и маслоохладителя гидропередачи (охладители над­дувочного воздуха и масла дизеля расположены непосредствен­но на дизеле), вентилятора с приводом, устройств для управления боковыми и верхними жалюзи с элёктропневматическим и ручным приводами, устройств защиты секций от переохлаждения (утепли­тельных чехлов, коллекторов и системы трубопроводов). Охлаж­дающее устройство выполнено в виде самостоятельного узла, что позволяет осуществлять его агрегатную сборку, проверку и гидроис­пытания вне тепловоза.

Коллекторы и секции устанавливают в боковые проемы каркаса 9. Нижние 17 и 18 и верхние 10 и 19 коллекторы прикреплены к

189

/ 2 Рис. 113. Охлаждающее устройство:

1—маслоохладитель УГП; 2—вал с упругими муфтами; 3—гидроредуктор; 4—привод верхних жалюзи; 5—водяиой бак; 6—верхние жалюзи;

7. колесо вентилятора; 8—ииша для прожектора; 9—каркас, 10—левый верхний коллектор; //—цилиндр привода левых жалюзи; 12—воздуш­ный трубопровод; 13—дверь; 14—левые жалюзи; 15—секции основного контура; 16—карданный привод; /7—правый иижний коллектор; 18— левый нижний коллектор; 19—правый верхний коллектор; 20—цилиндр привода правых жалюзи; 21—правые жалюзи; 22—секции допол­нительного контура' 23—выход воды основного контура; 24—выход воды дополнительного контура

угольникам передней и задней стенок. К коллекторам присоединяют охлаждающие секции. С левой стороны по ходу движения присое­диняют охлаждающие секции. С левой стороны по ходу движения тепловоза расположено 11 секций 15 охлаждения воды основного контура, с правой — три секции основного контура и ближе к машин­ному отделению — восемь секций 22 дополнительного контура, в которых охлаждается вода, циркулирующая в охладителях над­дувочного воздуха и масла дизеля. Горячая вода обоих контуров дизеля подводится к патрубкам в торцах верхних коллекторов и проходит по секциям в нижние коллекторы. Оттуда вода допол­нительного контура поступает к водяному насосу дизеля, а основ­ного контура — на охлаждение масла гидропередачи в маслоохла­дитель 1, установленный на задней стенке каркаса в машинном помещении, затем к водяному насосу своего контура.

Снаружи секций на каркасе установлены боковые жалюзи 14 и 21, к которым в зимнее время прикрепляют утеплительные чехлы. Внутри каркаса на раме тепловоза установлен гидроредуктор 3 привода вентилятора. Вращение от дизеля к гидроредуктору пере­дается через вал 2 с упругими пальцевыми муфтами. Выходной (вер­тикальный) вал гидроредуктора соединен карданным приводом 16 с подпятником, на валу которого находится вентиляторное ко­лесо 7.

Над вентилятором установлены верхние жалюзи 6. Пневмати­ческий привод боковых и верхних жалюзи размещен соответственно на передней и задней стенках каркаса. Жалюзи, помимо автома­тического, имеют ручной привод, который используется при отказе дистанционного управления. Внутренняя поверхность охлаждающего устройства уплотнена металлическими листами, исключающими подсос воздуха не через секции. При работе тепловоза боковые и верхние жалюзи автоматически открываются и закрываются, а вентилятор автоматически включается в зависимости от темпера­туры воды основного или дополнительного контура дизеля. Вентиля­тор автоматически включается и выключается в зависимости от тем­пературы воды основного или дополнительного контура дизеля. Вентилятор, вращаясь, создает в шахте охлаждающего устройства разрежение, под действием которого наружный воздух всасывается через отрытые боковые жалюзи, проходит через секции, отбирая тепло у воды, и выбрасывается вентилятором через верхние жалюзи в атмосферу. Такая схема работы охлаждающего устройства назы­вается всасывающей.

Каркас охлаждающего устройства представляет собой сварную конструкцию из швеллеров и уголков, обшитую стальным листом толщиной 3 мм. В передней стенке каркаса расположена дверь 13 для прохода в шахту охлаждающего устройства. В верхней части стенки предусмотрена ниша в для установки прожектора и лючки для доступа к приводу боковых жалюзи. К внутренней стороне пе­редней стенки приварены бонки для установки цилиндров привода

191

боковых жалюзи, кронштейн для электропневматических вентилей, там же проложены кондуиты.

Задняя стенка каркаса имеет более жесткую конструкцию, так как к ней подвешен малоохладитель гидропередачи. В стенке вы­полнены отверстия для привода вентилятора, выхода патрубков верхних коллекторов и труб. Со стороны машинного помещения к стенке приварены бонки для установки цилиндра привода вер­хних жалюзи и кронштейн для электропневматических вентилей.

Ширина передней стенки каркаса на 200 мм меньше, чем задней стенки и кузова машинного помещения тепловоза. Такая трапецеида­льная форма каркаса охлаждающего устройства улучшает обозор из кабины машиниста. Стенки соединены между собой уголками, а также боковыми и горизонтальными листами. В левом и правом наклонных боковых листах установлены светящиеся номерные знаки тепловоза. Между двумя горизонтальными листами приварен диффузор вентилятора из листовой стали толщиной 5 мм. Расширяю­щийся входной воздушный коллектор предназначен для обеспечения плавного подвода воздуха к вентиляторному колесу, что позволяет увеличить к. п. д. вентилятора. К диффузору приварено шесть П-об- разных платиков, на которые установлена опора подпятника. Опора выполнена съемной для возможности монтажа и демонтажа редук­тора привода вентилятора.

К крыше каркаса приварена рамка для верхних жалюзи. Проем между горизонтальными листами со стороны задней стенки пред­назначен для установки расширительного водяного бака 5. В крыше каркаса имеется отверстие для выхода заливочной горловины бака.

2. Коллекторы и охлаждающие секции

Коллектор имеет коробчатую сварную конструкцию, обладающую значительной жесткостью. Верхний и нижний коллекторы правой стороны разделены глухой перегородкой на две части, так как к ним прикреплены секции двух контуров. Верхние коллекторы имеют фланцы для подвода воды и штуцера для отвода воздуха и пара, к нижним коллекторам приварены фланцы для отвода воды и при­соединения сливных труб. В остальном устройство всех коллекторов одинаковое. Рассмотрим его на примере правого верхнего коллек­тора (рис. 114). В планки 3 и 6 коллектора ввернуты 22 шпильки 14 с конической резьбой, на которые установлены секции. Патрубок 1 предназначен для подвода воды дополнительного контура, а фланец 12 — воды основного контура. Пробка 10 имеет коническую резьбу, что исключает ее самоотвинчивание и появление течи во время эксплуатации. Угольниками 2 к 11 коллектор крепится к каркасу. Внутреннюю полость коллектора для предохранения от коррозии покрывают олифой, а наружные поверхности — маслостойкой 192

12 3 1 5 6 7 В 9

Рис 114 Правый верхний коллек- тор

1—патрубок, 2, 11—угольники, 3, 6— планки, 4, 7—желоба, 5—перегородка,

7. штуцер, 9, 13—днища, 10—пробка, 12—фланец, 14—шпилька

эмалью, за исключением обработанных поверхностей, которые при хранении смазывают солидолом.

При установке коллекторов обеспечивают такое крепление сек­ций, которое исключает монтажные напряжения. Для этих целей привалочные поверхности нижнего и верхнего коллекторов устанав­ливают в одной плоскости с отклонением не более 0,2 мм. Секции свободно устанавливают на шпильки коллекторов, для чего служит набор стальных регулировочных прокладок, которые подкладывают под угольники 2 и 11. Для уменьшения влияния толчков, вибрации и тепловых деформаций секций под угольники подкладывают амор­тизаторы из резины средней твердости. Для этих же целей в трубу, соединяющую верхние коллекторы и подводящую воду основного контура к трем секциям правой стороны, устанавливают метал­лический сильфон, компенсирующий, кроме того, и монтажные нап­ряжения. Отказ от применявшейся ранее установки резинового дю- рита на эту трубу объясняется высокой эксплуатационной надеж­ностью сильфона.

Серийная водяная секция (рис. 115) представляет собой поверх­ностный трубчатый одноходовой теплообменник типа «газ—жид­кость» с перекрестным током теплоносителей. Исходя из условий размещения и работы на тепловозе секция должна иметь максима­льно возможную поверхность охлаждения в заданном объеме, вы­сокий коэффициент теплопередачи и минимальное аэродинами­ческое сопротивление. От этих параметров зависят показатели охлаждающего устройства в целом (экономичность, надежность, габариты, масса). Каждая секция содержит два пакета плоских тру-

7 Зак 1713 193

г

б)

^222Ш22ША

19_

Рис. 115. Водяная секция (а) и поперечное сечение трубки водяной секции (б): 1—коллектор; 2—трубная коробка; -заклеп­

ка; 4—усилительная пластина; 5—концевая пластина;6—боковой щиток, 7—охлаждающая пластина;8—плоская трубка;а—отверстия для прохода воды; б—отверстия под шпильки для

крепления секции

бок 8, заключенных между коллекторами 1. Каждый пакет объеди­няет по глубине секции четыре ряда трубок. Трубки расположены в шахматном порядке для интенсификации теплоотдачи и имеют плоскоовальную форму, что позволяет разместить большее их коли­чество по фронту секции и уменьшить ее аэродинамическое сопро­тивление. На трубки надеты охлаждающие пластины 7 толщиной 0,1 мм. На поверхности пластин выштампованы небольшие бугорки, способствующие завихрению воздуха и несколько повышающие теп­лоотдачу. Шаг оребрения 2,83 мм. Пластины припаяны к трубкам методом «спекания», что также способствует снижению аэродина­мического сопротивления секции. Для этого трубки снаружи покры­вают слоем полуды толщиной 0,02 — 0,04 мм и после оребрения и сборки «спекают» в печи с нейтральной атмосферой.

Концевые пластины 5 каждого пакета сделаны утолщенными до 0,6 мм, благодаря чему точнее фиксируется взаимное расположение трубок и облегчается процесс дальнейшей сборки секции. Концы трубок 8 вставлены в отверстие решеток трубных коробок 2. Для 194

повышения прочности решеток к ним медными заклепками 3 прик­реплены усилительные пластины 4. Концы трубок развальцованы для обеспечения плотности и припаяны к трубной коробке твердым мед- но-фосфоритным припоем. После пайки концы трубок расширяют пуансоном так, чтобы контрольный щуп проходил в них на глубину не менее 30 мм.

Боковые поверхности пакетов закрыты щитками 6, предохра­няющими секцию от повреждения при хранении и транспортирова­нии. Для прочности щитки обоих пакетов в нескольких местах по высоте соединены электросваркой, а со стороны входа и выхода воздуха — восемью тонкими стальными стяжками. Это делает конструкцию секции более жесткой и уменьшает вибрацию при работе тепловоза.

В верхнюю и нижнюю трубные коробки 2 вставлены коллекторы Г, привалочные поверхности верхнего и нижнего коллекторов должны располагаться в одной плоскости, отклонение допускается не более

1. мм. Коллекторы припаяны к коробкам медноцинковым припоем ППЦ-57 или латунью Л62. В каждом коллекторе сделано три отвер­стия

а для прохода воды и два отверстия б для шпилек крепления секции к коллекторам охлаждающего устройства. Для удобства демонтажа секции на коллекторе I имеется выступ.

Коллекторы 1 отлиты из стали точным литьем в оболочковые формы. Материал плоских трубок 8 томпак-96 (латунь с содержа­нием меди 96%). Для упрощения технологии пайки трубные коробки

2. и усилительные пластины 4 изготовлены из меди М3. Охлаждающие пластины 7 отштампованы из медной ленты, теплопроводность которой в 3 — 4 раза выше, чем у латуни.

До время работы охлаждающего устройства вода, протекая по трубкам секции, отдает теплоту внутренней поверхности стенок трубок, далее за счет теплопроводности теплота переходит от внут­ренней к наружной поверхности трубок и оребрению, а затем в ре­зультате конвекции в охлаждающий воздух.

Секция при работе подвергается тепловым деформациям, дости­гающим наибольших значений в крайних рядах трубок. Чтобы эти деформации не выводили секцию их строя, вода поступает не во все 76 трубок, а только в 68. Крайние боковые трубки (всего 8 шт.)

Рис. 116. Температурные деформации секции:

а—без глухих трубок; б—с глухими труб- ками; /—рабочие трубки;2—глухая труб- ка;3—трубная коробка;4—коллектор сек- ции

7*

короче рабочих и своими концами упираются в усилительные пласти­ны, несколько сжимая трубные коробки. Глухие трубки воспри­нимают тепловые деформации и снижают напряжение в местах припайки труб к трубной коробке, предохраняя швы от разрушения (рис. 116).

При эксплуатации тепловозов, особенно в летнее время в райо­нах с высокой температурой атмосферного воздуха, необходимо под­держивать наружную поверхность охлаждения секций в чистоте, чтобы не снижать их тепловую эффективность.

3. Маслоохладитель УГП

Преимущества охлаждения масла в водомасляных теплообменниках по срав­нению с охлаждением в масловоздушных радиаторах особенно заметны на манев­ровых тепловозах, где время максимальной теплоотдачи от дизеля и гидропередачи не совпадает. Дизель выделяет наибольшее количество теплоты при работе в режиме номинальной мощности, когда скорость движения тепловоза выше 7 км/ч; тепло­отдача от гидропередачи при этом сравнительно невелика. Наоборот, при трогании тепловоза и движении при скорости до 5 км/ч тепловыделение в масло гидропере­дачи возрастает почти в 2 раза по сравнению с режимом номинальной мощности. Мощность же дизеля в таком режиме, а следовательно, и его теплоотдача примерно в 1,5 раза ниже максимальной. Кроме того, у маневровых тепловозов нагрузочный режим силовой установки многократно и резко изменяется, поэтому управление работой охлаждающего устройства при охлаждении воды дизеля и масла гидропере­дачи в радиаторах нерационально и затруднено.

В случае применения водомасляного теплообмена количество теплоты, отво­димой в секциях охлаждающего устройства от воды основного и дополнительного контуров, представляет сумму теплот, выделяемых гидропередачей и дизелем, т. е. является стабильной величиной во всем диапазоне рабочих нагрузок тепловоза, что значительно упрощает управление работой охлаждающего устройства. При такой схеме охлаждения не требуется отдельных устройств для регулирование температуры масла гидропередачи, так как она определяется только температурой охлаждающей воды дизеля и не зависит от температуры наружного воздуха. Упро­щение системы управления работой охлаждающего устройства облегчает условия труда локомотивной бригады и повышает надежность тепловоза

Маслоохладитель УГП (рис. 117) состоит из корпуса 3, крышек / и 7 и охлаждающего элемента. Последний собирают .из 428 сталь­ных трубок 15, закрепляемых в трубных досках 9 и 13. Для получения максимальной поверхности теплообмена в ограниченном объеме трубки размещены по «треугольнику» с минимально возможным по условиям изготовления шагом 13 мм. При этом обеспечивается также наибольшая прочность трубных досок, так как при разваль­цовке трубок эти доски деформируются.

Основным требованием, предъявляемым к маслоохладителю, является обеспе­чение герметичности поверхностей теплообмена, поскольку попадание воды в масло и наоборот недопустимо. При попадании в масло даже незначительного количества (0,1 % по массе) воды резко усиливается пенообразование, которое ведет к снижению мощности, передаваемой УГП, способствует появлению вредных колебаний в силовой установке, вызывает коррозию деталей гидропередачи, понижает ее производительность и сокращает срок службы вследствие гидрав­лических ударов. Вода является активным катализатором процесса окисления масла, при котором происходит выпадание из масла отложений в виде

196

Рис. 117. Маслоохладитель УГП:

/, 7—крышки, 2—фирменная табличка; 3—корпус;4— охлаждающий элемент; 5—ушко для зачаливания; £— перегородка;8—опора;9—подвижная трубная доска;10—резиновое кольцо;11—промежуточное кольцо;12— прокладка перегородки,13—неподвижная трубиая доска,14—припой ПОС-40;15—трубка

смол, понижается вязкость масла и теряются его смазывающие качества. Кроме того, при окислении масла на рабочих поверхностях подвижных элементов образуется тонкий твердый налет, который разрушающе действует на резиновые уплотнения.

При замасливании водяной полости дизеля, т. е. образовании масляной пленки, плохо проводящей тепло, резко снижается теплоотдача в воду, в связи с чем дизель может перегреваться. Замасливание водяных полостей водовоздушных секций и маслоохладителей УГП и дизеля приводит к снижению эффективности охлаждающего устройства, т. е. увеличению времени работы вентилятора, дополнительному расходу топлива, перегреву воды и масла. Во избежание указанных нарушений концы трубок 15 развальцовывают и заливают в трубных досках иа глубину 5 мм припоем ГЮС-40.

Эффективность маслоохладителя оценивается коэффициентом теплоотдачи, представляющим собой количество тепла, передаваемо­го от масла к воде за 1 ч через 1 м² поверхности при разности темпе­ратур между жидкостями в 1 °С. Коэффициент теплоотдачи зависит от скорости движения жидкостей и их вязкостей. В целях интенсификации теплоотдачи омываемая маслом наружная поверх­ность трубок маслоохладителя в 1,4 раза больше внутренней поверхности, омываемой водой, скорость масла увеличена до 2 м/с, организовано поперечное обтекание маслом трубок. Для этого в охлаждающем элементе установлено 11 перегородок 4, удерживаемых от осевого перемещения распорными трубками —- по три с каждой стороны.

Повышение скорости движения масла и воды является основным путем увеличения коэффициента теплоотдачи, кроме того, при боль­шой скорости движения жидкостей уменьшаются отложения и загрязнение поверхностей трубок, что позволяет в эксплуатации реже производить промывки маслоохладителя. Для уменьшения утечек зазоры между корпусом и перегородками составляют

197

Ю 11 12 13 п

всего 0,4—0,7 мм, кроме того, вдоль наружной поверхности охлаждающего элемента установлено шесть планок, препятствующих обходному (винтовому) движению масла в зазорах.

Коэффициент теплоотдачи маслоохладителя при номинальном ре­жиме работы тепловоза в 16—18 раз выше соответствующего ко­эффициента водовоздушной секции и в 50 раз — масловоздуш­ной.

В связи с разницей температур воды и масла и значительным диапазоном их изменения (от 15 до 110°С) в маслоохладителе возникают температурные напряжения. Для их компенсации трубная доска 9 сделана подвижной способной перемещаться в сальнико­вом уплотнении относительно корпуса, предупреждая разрыв сое­динений от температурных удлинений труб охлаждающего эле­мента.

Сальниковое уплотнение состоит из двух резиновых колец 10 и промежуточного стального кольца 11 с восьмью радиаль­ными отверстиями диаметром 3 мм. В случае появления утечек воды или масла капли жидкости будут вытекать наружу через эти отверстия. Для устранения утечек нужно равномерно подтянуть гайки болтов, стягивающих фланцы корпуса и крышки 7.

Неподвижной трубной доской 13 охлаждающий элемент наглухо прикреплен к корпусу и крышке 1. Для уплотнения стыков между ними установлены паронитовые прокладки толщиной 3—4 мм. Корпус маслоохладителя изготовлен из стальной трубы; к нему приварены фланцы для присоединения крышек / и 7, патрубки для подвода и отвода масла, установочные опоры, ушки 5 для зачаливания маслоохладителя при монтаже и демонтаже, а также кронштейн под фирменную табличку 2, на которой указываются основные характеристики маслоохладителя.

Крышка 1 имеет два патрубка для подвода и отвода воды. Пере­городка крышки и резиновая прокладка 12 обеспечивают двух­ходовое движение воды, при котором она проходит по 214 трубкам нижней части охлаждающего элемента, поворачивается на 180° в крышке 7 и проходит по другим 214 трубкам верхней части.

Петлеобразное движение воды принято с целью увеличения ее скорости в маслоохладителе свыше 1 м/с, а также для упрощения водяного трубопровода и улучшения компановки.

Рабочее положение маслоохладителя вертикальное, что обес­печивает гарантированный слив воды из охлаждающего элемента и не допускает размораживания маслоохладителя при транспор­тировке тепловоза в зимнее время. На крышке 7 имеется патрубок для отвода пара и воздуха.

В эксплуатации необходимо следить за состоянием сальникового узла и периодически промывать и очищать охлаждающий элемент от накипи и загрязнения.

198