7. Разновидности передач мощности тепловозов (устройство, характеристики, область применения)

Применяются: механическая, гидромеханическая и электричес­кая передачи. Механическая и гидромеханическая передачи приме­няются исключительно на тепловозах. Электрическая передача мощности — универсальна.

Механическая передача мощности. Механическая передача мощ­ности состоит из двух или более пар зубчатых колес, включение в рабо­ту той или иной пары осуществляется муфтами сцепления. При переходе с одной ступени на другую крутящие моменты и скорости на выходном валу меняются по закону обратной пропорциональности, а определяемая их произведе­нием мощность остается постоянной.

Управление механической передачей осуществляется дистанцион­но при помощи пневматических, гидравлических или электрических приводных механизмов, которые перемещают ведомые диски муфт сцепления.

Разновидность механической передачи мощности представляет пла­нетарная. Тяговая характеристика тепловоза с планетарной передачей аналогична характеристике тепловоза с механической передачей.

На мощных магистральных тепловозах механическая передача мощ­ности распространения не получила. Применение механической пере­дачи возможно на транспортных средствах малой мощности. С меха­ническими передачами работают автомотрисы и автодрезины. На них устанавливаются серийные ав­томобильные 5-ступенчатые коробки передач.

Гидравлическая передача мощности. Гидравлическая передача мощности представляет собой пару гидравлических аппаратов, из ко­торых один (гидронасос) соединен с валом первичного двигателя, а другой (гидродвигатель) работает за счет энергии жидкости, нагнетае­мой насосом. Выходной вал гидродвигателя соединяется с ведущими колесами локомотива.

Если крутящий момент от входного вала к выходному передается главным образом за счет использования давления рабочей жидкости (доходящее до 350 кг/см²) при незначительной скорости ее движения (2—3 м/с), то передача называется гидростатической. В гидростати­ческих передачах применяют объемные (поршневые или чаще ротаци­онные) насосы и двигатели.

Изменение силы тяги и скорости движения локомотива с гидроста­тической передачей достигается изменением скорости движения жид­кости в передаче. При этом можно получить большие значения кратно­сти изменения силы тяги и скорости движения при высоких значениях КПД передачи.

Гидростатическая передача поршневого типа нашла применение преимущественно в качестве привода вспомогательных машин, в част­ности для вентиляторов шахты холодильной установки тепловозов ТЭП60,ТЭП70.

Если крутящий момент передается в основном за счет кинетичес­кой энергии жидкости при незначительном использовании давления, передача называется гидродинамической. В этих передачах применя­ются центробежные насосы и центростремительные гидравлические турбины. Гидродинамическая передача состоит из насосного колеса центробежного типа и гидравлической турбины, находящихся в од­ном корпусе и предельно сближенных друг с другом, что позволяет потоку жидкости, сходящему с лопастей насоса, поступать непосред­ственно на лопасти турбины и далее через реактор снова возвра­щаться на лопасти насоса. В результате передача получается ком­пактной, легкой, с минимальными гидравлическими потерями. Ос­новными аппаратами гидродинамических передач являются гидротрансформаторы и гидромуфты.

Гидромашина, в которой насос, турбина и реактор объединены в одном корпусе, называется гидротрансформатором.

Гидромашина, состоящая только из насоса и турбины, называется гидромуфтой.

Максимальное значение КПД гидро­муфты без учета механических потерь в подшипниках составляет 0,94 0,97.

В зависимости от числа турбинных колес гидротран­сформаторы делят на одно­ступенчатые и многоступен­чатые.

Гидромашина, способная работать в режимах гидротрансформа­тора и гидромуфты, образуя один круг циркуляции, называется комп­лексным гидротрансформатором.

Характеристики гидростатических и гидродинамических передач различны. Поэтому каждая передача имеет свои области применения. В одних случаях эти области являются общими. В других гидропереда­чи дают возможность отказаться от применения зубчатых редукторов или упростить их, значительно увеличив диапазон изменения скорос­ти, улучшить экономику привода, снизить вес оборудования, уменьшить габаритные размеры и, наконец, автоматизировать рабочие процессы машин.

Э лектрическая передача мощности. Упрощенная функциональная блок-схема цепи теп­ловоза с электрической передачей мощности представлена на рисунке

Электрическая передача мощности содержит тяговый генератор ТГ, полупроводниковые преобразователи П и тяговые элек­тродвигатели ТЭД. Каждый электродвигатель соединен посредством зубчатой передачи с колесной парой (индивидуальный привод) или с двумя-тремя колесными парами (групповой привод). Вал генератора ТГ соединяется непосредственно с валом теплового двигателя ТД.

В передаче возможно использование четырех видов регуляторов: регулятор теплового двигателя РД; регулятор возбуждения генератора РГ, включающий управляемый выпрямитель; регуляторы преобразователей РП и регуляторы тяговых электродвигателей РТЭД. Питание обмотки возбуждения ТГ осуществляется специальной электрической машиной — возбудителем В или вспомогательным генератором ВГ.

Электрическая передача мощности тепловоза решает две само­стоятельные задачи:

- поддержание постоянной мощности дизеля при заданных значе­ниях n_д;

- создание тяговой характеристики тепловоза.

Первая задача решается созданием гиперболической внешней харак­теристики тягового генератора, вторая—выбором методов управления тяговыми электродвигателями.

В электрической передаче могут быть использованы электрические машины как постоянного тока, так и переменного тока. В зависимости от рода тока применяемых электрических машин передачи делятся на постоянно-постоянного тока (тяговый генератор и тяговые электродви­гатели постоянного тока), переменно-постоянного тока и переменно-переменного тока.

Электрическая передача мощности может выполняться с использова­нием электрических машин постоянного и переменного тока. Преиму­ществом машин постоянного тока является возможность использования сериесных электродвигателей, которые не только обладают высокими тяговыми свойствами, но и обеспечивают меньшие колебания тока при изменении силы тяги, чем другие типы электродвигателей.

Главное преимущество передачи мощности переменного тока зак­лючается в возможности применения более надежных и простых по конструкции асинхронных двигателей.

Электрическая передача мощности постоянного тока. Главное достоинство передачи постоянного тока перед другими — получение тяговой характеристики локомотива близкой к идеальной (гиперболичес­кого вида) при простоте электрической схемы и ее управления.

Если в передаче осуществляется только управление возбуждения тягового генератора, то скоростной диапазон передачи определяется диапазоном изменения его напряжения.

Магнитный поток главных полюсов тяговых электродвигателей из­меняют путем шунтирования их обмоток возбуждения цепями с резис­торами. Для тепловозных электрических передач мощности характер­но двухступенчатое ослабление магнитного поля тягового электродвигателя, а для электроподвижного состава возможно и боль­шее число ступеней. Этот способ регулирования в электрической пере­даче экономичен и более целесообразен, так как повышение скорости движения локомотива здесь связано только с уменьшением магнитного потока электродвигателей.

Преимуществами электрической передачи мощности постоянно­го тока являются: отсутствие кинематической связи вала теплового двигателя с движущими колесами локомотива; возможность плав­ного регулирования силы тяги и скорости локомотива во всем за­данном рабочем диапазоне; высокое значение КПД передачи и теп­лового двигателя во всем рабочем диапазоне; высокая степень использования мощности теплового дви­гателя во всем рабочем диапазоне; отсутствие муфт сцепления и про­межуточных зубчатых редукторов; возможность осуществления электродинамического торможения; высокие долговечность и надежность; достаточная свобода в размещении силового и вспомо­гательного оборудования при конструировании локомотива.

К числу недостатков электрической передачи постоянного тока мож­но отнести: более высокую стоимость передачи по сравнению с механи­ческой и гидравлической, что особенно заметно при малых мощностях; значительный расход цветных металлов, высококачественной стали и изоляционных материалов на изготовление; многократные настроеч­ные (реостатные) испытания в процессе эксплуатации; снижение на­дежности и КПД передачи в целом от ухудшения климатических усло­вий эксплуатации; достаточно большой вес электрических машин и передачи в целом; необходимость тщательного ухода за коллекторно-щеточным узлом электрических машин.

Электрическая передача мощности переменно-постоянного тока. Тенденция к увеличению мощности на единицу веса и габаритов тепло­воза привела к тому, что возникла проблема с размещением оборудова­ния в дизельном помещении и моторных тележках, а затем и со снижени­ем надежной работы коллекторно-щеточного узла машин постоянного тока, и в первую очередь тягового генератора. Увеличение нагрузок при­вело к неудовлетворительной работе его щеток и коллектора.

Р асчеты и опытные данные показали, что при произведении P_{г ном}·η_{д ном}≥ 2,5-10⁶ не удается обеспечить надежную работу кол­лекторно-щеточного узла машины постоянного тока. Поэтому пе­реход на передачу постоянно-переменного тока для тепловозов был обусловлен.

С шестидесятых годов начался выпуск тепловозов с синхронным генератором и полупроводниковой выпрямительной установкой. Сис­тема регулирования генератора и характеристики на выходе выпрями­теля соответствовали передачам постоянно-постоянного тока.

На тепловозах с передачей мощности переменно-постоянного тока применяются тяговые электродвигатели постоянного тока с последова­тельным возбуждением и ступенчатым ослаблением магнитного пото­ка возбуждения.

В тепловозной передаче мощности переменно-постоянного тока (рис. 1.9) применены синхронный трехфазный генератор СГ с возбудите­лем В и полупроводниковый кремниевый выпрямитель ВУ с интенсив­ным охлаждением. Синхронные генераторы имеют массу на единицу мощ­ности почти в 2 раза меньше, чем генераторы постоянного тока при той же мощности и частоте вращения вала дизеля. Имеются реальные возможно­сти для снижения массы и размеров выпрямительных установок.

Основное преимущество синхронного генератора перед генерато­ром постоянного тока заключается в отсутствии коллектора, что повышает надежность его работы и позволяет существенно повы­сить окружную ско­рость на поверхности ротора. Если для гене­ратора постоянного тока окружная ско­рость якоря не превы­шает 70 м/с, то для синхронного генератора она допускается 180 м/с и в некоторых случаях — до 200 м/с.

Электрическая передача мощности переменно-переменного тока. Дальнейшее развитие электрической передачи мощности локомотива — это применение передачи мощности переменно-переменного тока — переход на тяговые асинхронные электродвигатели как тепловозов, так и электровозов.

Основными видами бесколлекторных электродвигателей являются асинхронный, синхронный и вентильный двигатели. Короткозамкнутый асинхронный тяговый электродвигатель прост по конструкции и имеет наименьшие габариты и массу. При одинаковом вращающем мо­менте и мощности масса асинхронного электродвигателя на 25—30% меньше, чем электродвигателя постоянного тока.

Синхронный электрический двигатель по конструкции сложнее короткозамкнутого асинхронного в связи с наличием полюсов и обмоток возбуждения. По габаритам и массе он занимает промежуточное поло­жение между двигателем постоянного тока и короткозамкнутым асин­хронным двигателем, но при мощности более 500 кВт он мало отлича­ется по этим параметрам от асинхронного.

Вентильным двигателем называется машина, выполненная кон­структивно как синхронная, но работающая в режимах, близких к режимам работы электродвигателя постоянного тока с заменой коллектора полупроводниковым коммутатором. Регулирование частоты вращения ротора возможно изменением величины подводи­мого к двигателю напряжения, изменением магнитного потока дви­гателя, а также воздействием на полупроводниковый преобразова­тель, используемый в качестве коммутатора.

В передачах мощности переменно-переменного тока тепловозов воз­можны различные комбинации в совместном применении синхронных генераторов с асинхронными, вентильными или синхронными тяговы­ми электродвигателями.