Работа дизеля на нулевой позиции называется режимом холостого хода, а на последней — номинальным режимом, на промежуточных позициях — частичными режимами.
При работе на определенной позиции мощность дизеля остается постоянной, практически постоянным остается и вращающий момент на коленчатом валу. В то же время для вращения колесных пар необходимо изменять вращающий момент в зависимости от условий движения. Например, при разгоне с места тяжелого состава для реализации большой силы тяги необходимо к колесным парам приложить вращающий момент, значительно (в 4—5 раз) больший, нежели момент на коленчатом валу дизеля. И, наоборот, в процессе движения поезда для поддержания необходимой рабочей скорости не требуется большого вращающего момента, и он может оказаться меньшим, чем момент на валу дизеля. В силу этих обстоятельств непосредственно передавать вращающий момент от дизеля колесным парам не представляется возможным. Для того чтобы приспособить дизель для условий тяги, на тепловозе предусматривают специальное устройство — передачу. Она должна обеспечивать автоматическое регулирование тягового момента (силы тяги) в соответствии со скоростью и профилем пути при наиболее полном использовании мощности дизеля. Максимальное значение силы тяги ограничивается силой сцепления колесных пар с рельсами, а максимальное значение скорости — условиями безопасности. Таким образом, в условиях, когда дизель имеет постоянную частоту вращения и неизменяющийся вращающий момент, а колесные пары частоту вращения от нуля до определенного максимального значения, от передачи требуется непрерывное плавное изменение передаточного отношения, и это изменение должно совершаться автоматически в соответствии с требуемой силой тяги тепловоза.
Кроме этого, передача должна обеспечивать возможность отсоединения дизеля от тяговой нагрузки (от колесных пар) и реверсирования движения.
На тепловозах применяются только два типа передач — гидромеханическая и электрическая. Механическая передача на тепловозах распространения не получила из-за невозможности создать многоступенчатую коробку передач небольших размеров для тепловоза большой мощности. Она применяется только на мотовозах и автодрезинах.
Гидромеханическая передача применяется на некоторых маневровых тепловозах и дизель-поездах мощностью до 1000 кВт. Передача мощности осуществляется с помощью гидравлических аппаратов (гидромуфт и гидротрансформаторов) и механических звеньев (зубчатых редукторов и карданных валов). Гидропередача компактна, имеет сравнительно малую массу, низкий расход цветных металлов, но к.п.д. ее невелик (около 75 %).
Электрическая передача получила наибольшее распространение. Она состоит из тягового генератора с возбудителем, тяговых электродвигателей и зубчатых редукторов (рис. 1). Вал генератора подсоединен к коленчатому валу дизеля. В нем механическая энергия дизеля преобразуется в электрическую. Тяговые электродвигатели размещены в тележках непосредственно возле колесных пар. Подведенный по кабелям электрический ток от генератора вращает валы электродвигателей — электрическая энергия превращается снова в механическую. Валы двигателей и оси колесных пар связаны между собой зубчатыми передачами. Таким образом, вращающий момент от двигателей передается колесным парам. Так как колесные пары прижаты к рельсам массой тепловоза, то между ними и рельсами возникает сцепление, благодаря которому колесные пары перекатываются вдоль рельсов, перемещая за собой тележки, а те в свою очередь — кузов тепловоза. Размещенная в раме кузова автосцепка передает тяговое усилие на состав.
Если переданный на колесную пару тяговый момент превысит момент от силы сцепления колесной пары с рельсами, произойдет срыв сцепления, т. е. начнется буксование. Поэтому основной закон локомотивной тяги гласит: сила тяги не должна превышать силу сцепления колес с рельсами. Регулирование тягового момента (силы тяги) осуществляется электрическими машинами.
Рис. 1. Схема передачи мощности от дизеля колесным парам при электрической передаче:
1 — дизель; 2 — соединительная муфта; 3 — тяговый электрический генератор; 4 — возбудитель генератора; 5 — рама тележки; б — пружинная подвеска двигателя на раме тележки; 7 — тяговый электродвигатель; 8 — шестерня; 9 — зубчатое колесо; 10 — колесная пара; КВ — контактор возбуждения; ПК —поездной контактор тепловоза.
Передаваемый на колесную пару момент двигателя, увеличенный в I раз (передаточное число редуктора), направлен на образование силы тяги. Таким образом, тяговый момент и сила тяги зависят от тока, протекающего по двигателю, т. е. чтобы получить большую силу тяги, нужно по двигателю пропускать большой силы ток. Известно, что мощность электрической машины равна произведению силы тока на напряжение, и если мощность ее постоянна (а она постоянна), то при увеличении значения одного множителя другой должен уменьшаться. Так оно и получается. При взятии поезда с места, когда требуется большая сила тяги, на двигатели подается большой ток, а напряжение мало. С увеличением скорости тепловоза растет частота вращения колесных пар и связанных с ними зубчатой передачей якорей тяговых двигателей. С ростом частоты вращения якорей двигателей растет на их зажимах напряжение. В силу постоянства произведения силы тока на напряжение сила тока соответственно будет уменьшаться. В случае вступления поезда на подъем из-за возросшего сопротивления движению скорость поезда уменьшается, соответственно уменьшается и напряжение на зажимах двигателя, а сила тока возрастает, что приведет к увеличению силы тяги. Таким образом, благодаря электрическим машинам с последовательным возбуждением осуществляется автоматическое регулирование силы тяги локомотива.
На тепловозах со сравнительно небольшой мощностью дизеля применяют генераторы постоянного тока. При увеличении мощности свыше 2000 кВт габаритные размеры генераторов резко увеличиваются, поэтому применяют более компактные и надежные синхронные генераторы переменного тока с выпрямительной установкой. В этом случае передачу называют передачей на переменно-постоянном токе
Классификация и обозначение серий тепловозов
Тепловозы классифицируются :
а) по роду службы (грузовые, пассажирские, маневровые и маневрово-вывозные, а также промышленного транспорта);
б) по числу секций односекционные, двухсекционные, трехсекционные, четырехсекционные;
в) по типу передачи с электрической постоянного тока, переменно-постоянного тока и гидромеханической;
г) по типу экипажной части тележечные и с жесткой рамой;
д) по ширине колеи нормальной или широкой 1520мм и узкой от 600 до 1100мм;
е) по числу осей восьмиосные, шестиосные, четырехосные, трехосные, двухосные.
Тип экипажа тепловоза определяет его осевая характеристика, отражающая число, расположение и назначение осей (колесных пар).
Для тепловозов тележечного типа осевая характеристика представляет собой сочетание цифр, число которых указывает на число тележек в экипаже, а каждая цифра — число осей (колесных пар) в тележке.
В осевых характеристиках (рис. 2) индексы «0» указывают на обмоторенные оси, знаки «—» и «+» показывают, что в первом случае тележки не спарены (несочленены) между собой, а во втором — сочленены, числа 2 и 1 в осевой характеристике тепловоза Ээл указывают на наличие у него двух бегунковых осей и одной поддерживающей.
Для локомотивов, работающих на отечественных, а также зарубежных железных дорогах, установлены определенные габаритные ограничения, определяемые габаритами Т, 1Т (для тепловозов СССР) и 02Т (для: тепловозов, предназначенных на экспорт). Наиболее распространенный габарит 1Т имеет наибольшую предельную ширину 3400мм и высоту 5300мм.
Серии тепловозов, т. е. группы тепловозов, построенных по одним и тем же проектам, принято обозначать сочетанием заглавных букв и цифр. Как правило, обозначение серии начинается с буквы Т (тепловоз). Вторая буква указывает на тип передачи (Э — электрическая, Г — гидравлическая).
Третья буква обычно говорит о назначении тепловоза (П — пассажирский, М—маневровый).
Цифры указывают номер серии тепловоза. По ним можно определить также и завод-изготовитель. Например, номера серий от 1 до 49 отведены магистральным Тепловозам, спроектированным Харьковским заводом транспортного Машино-строения им. Малышева, номера от 50 до 99 присваиваются тепловозам ПО «Коломенский завод», а номера свыше 100 — тепловозам ПО «Лугансктепловоз». Цифра перед буквенным обозначением указывает на число секций многосекционного тепловоза. Буква после номера серии указывает либо на модернизированный вариант (ЗТЭ10М), либо на завод-изготовитель. Ели первоначальный вариант тепловоза был изготовлен другим заводом (2ТЭ10Л, 2ТЭ10В — Луганск, (Ворошиловград).
Рис. 2. Схемы экипажей тепловозов и их обозначение
Для упрощения ведения технической документации и использования ее при разработке программ для ЭВМ в Министерстве путей сообщения разработана единая система цифрового обозначения тягового подвижного состава.
Семизначная часть нового номера кодирует основные эксплуатационно-технические признаки подвижного состава, род его службы, серию и т. д. При этом для многосекционных локомотивов учитывается возможность их переформирования в эксплуатации и поэтому предусматривается цифровое обозначение каждой секции отдельно.
Структура единой системы цифрового обозначения, состоящего из семи знаков, позволяет по:
Первому знаку определить вид подвижного состава (пассажирский вагон — 0, тяговый и специальный подвижной состав—1, грузовой вагон — 2—9).
Второй знак кодируемого обозначения показывает тип подвижного состава: 0 — паровозы, 1 — электровозы односекционные, 2 — электровозы многосекционные, 3, 4 — электропоезда и электросекции, 5 — тепловозы односекционные, 6 — тепловозы многосекционные, 7 — дизель-поезда и автомотрисы, 8 — мотовозы, 9 — путевые машины.
Третий знак характеризует подвижной состав по роду службы (пассажирская, грузовая, маневровая, специальная), по типу тяговой передачи (электрическая, гидравлическая), по роду тока (постоянный, переменный, двойного питания). Так, тепловозы односекционные пассажирские имеют знак —0, грузовые — 1, маневровые с электрической передачей с 2 по 6, маневровые с гидравлической передачей — с 7 по 9, также и многосекционные пассажирские тепловозы имеют знак — 0, а грузовые с 1 по 9.
Четвертый знак отдельно или в ряде случаев (при значительном числе объектов) в сочетании с третьим обозначает серию.
Пятый, шестой и седьмой знаки информации не содержат и служат для образования номера тяговой единицы. Восьмой знак (контрольный) используется для проверки правильности считывания и занесения в документы номера подвижного состава. У тех серий локомотивов, число которых превышает тысячу единиц, для образования номера используют четвертый знак. При этом к числу, обозначающему серию локомотива, прибавляют число тысяч порядкового номера. Например тепловоз ТЭЗ № 791 будет иметь обозначение 1610791, а № 4791—1614791.