§1.8. Тепловоз.

Теплово́з — автономный локомотив , первичным двигателем которого является дизель .

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

За прошедший век в конструкции тепловоза было опробовано и внедрено множество усовершенствований: мощность дизеля возросла с нескольких сотен лошадиных сил до шести тысяч ( ТЭП80 ) и выше, на разных типах тепловозов используются различные способы передачи энергии двигателя на колёсные пары , значительно возросло удобство управления и обслуживания тепловоза, снизились выбросы в атмосферу. Тепловозы строятся и используются во всем мире.

Общая характеристика.

Дизельный двигатель тепловоза преобразует химическую энергию сгорания жидкого топлива или горючего газа (ТЭ4) в механическую работу вращения коленчатого вала , от которого момент вращения через тяговую передачу передается ведущим колесным парам. В случае использования на тепловозе электрической передачи дизелем вращается тяговый генератор, преобразующий механическую энергию вращения дизеля в электрическую. Электрическая энергия передается тяговым электродвигателям (ТЭД), связанным механически с колесными парами. ТЭДы электроэнергию преобразуют в механическую энергию движения локомотива. При наличии индивидуального привода каждый ТЭД связан с одной колесной парой, при групповом — один ТЭД может приводить несколько колесных пар. При использовании гидропередачи дизель приводит гидроагрегат, при механической — коробку перемены передач.

К основным элементам конструкции тепловоза относятся кузов и рама, дизель— один или несколько, ударно-тяговые приборы (автосцепное оборудование), элементы передачи, ходовая (экипажная) часть— тележки и тормозное оборудование. К вспомогательным узлам — системы охлаждения и воздухоснабжения дизеля, песочная система, система пожаротушения, электрооборудование и т.д. При наличии газодизельного или газового двигателя на тепловозе имеется либо газогенераторная секция, либо оборудование для хранения сжиженного или сжатого природного газа с системой газоснабжения двигателя (газодизеля или конвертированного дизеля).

Общий принцип работы и конструкция.

Рисунок 1.66 –Схема компоновки советского экспортного тепловоза ТЭ109 с электрической передачей переменно-постоянного тока:

1— дизель; 2— холодильная камера; 3— высоковольтная камера; 4— выпрямительная установка; 5— тяговый электродвигатель; 6— тяговый генератор; 7— стартер-генератор; 8— глушитель; 9— бак для воды; 10— передняя кабина машиниста; 11— задняя кабина машиниста; 12— аккумуляторная батарея; 13— топливный бак; 14— воздушный резервуар ; 15— тележка; 16— топливный насос; 17— бункер песочницы; 18— колёсная пара; 19— метельник; 20— буфера.

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, то есть при любой скорости движения поезда любого веса.

Виды передач.

Основная сложность при создании тепловоза заключалась в его неработоспособности при непосредственном соединении вала дизеля с колёсными парами из-за несоответствия скоростной характеристики дизеля и тяговой характеристики локомотива. И история создания тепловоза— как пригодного к эксплуатации локомотива— по сути является историей создания передачи, делающей работоспособной систему «локомотив с дизелем». Дизель развивает максимальный крутящий момент при относительно высоких оборотах, максимальную мощность— на еще более высоких оборотах. Локомотиву максимальная тяга необходима при трогании с места, то есть от нулевой скорости. В дальнейшем, по мере разгона поезда, тяга может существенно уменьшаться. Локомотив должен иметь гиперболическую тяговую характеристику. Паровоз и электровоз постоянного тока, появившиеся раньше, оказались долговечными типами локомотива именно потому, что изначально обладают такой характеристикой. Для обеспечения же согласования характеристик дизеля как двигателя и локомотива как тяговой машины требуется передача. В современных тепловозах используются электрическая, гидравлическая/гидромеханическая и механическая передачи. До введения передачи делались попытки создания специальных дизелей (Гриневецкий), использования дополнительных источников энергии в виде подачи в цилиндры дизеля сжатого воздуха (тепловоз Р. Дизеля и Адольфа Клозе), построение теплопаровозов, для тех же целей использовавших пар. Все эти попытки оказались неудачными, а в исторической перспективе— бессмысленными, так как вместо адаптации системы локомотива для работы со вполне удачным двигателем превращали этот двигатель в нечто странное.

Механическая передача.

Механическая передача включает фрикционную муфту, коробку передач с реверс-редуктором; а также карданные валы с осевыми редукторами или отбойный вал с дышловой передачей. М. П. обладает относительно высоким КПД и небольшим весом при передаче небольшой мощности, однако при переключении передач неизбежно возникают рывки. На практике её используют на локомотивах малой мощности и на ( мотовозах ), дрезинах и автомотрисах. Единственным в мире магистральным тепловозом с мощностью дизеля 1200 л. с., имевшим такую передачу, был Ломоносовский Э^мх3, первоначально Ю^м005. Эксплуатация его на Ашхабадской дороге показала техническую несостоятельность механической передачи в магистральном тепловозе такой мощности— несмотря на специально принимаемые меры, элементы передачи, особенно конические шестерни, при переключении передач из-за рывков выходили из строя. А на дорогах со сложным профилем дело доходило до разрыва поезда. Не изменилось положение и после снижения мощности дизеля до 1050 л.с. Поэтому Э^мх оказался первым и последним магистральным тепловозом такого типа.

Электрическая передача.

В электрическая вал дизеля вращает тяговый генератор , питающий тяговые электродвигатели (ТЭД). В свою очередь вращение вала ТЭД передаётся колёсной паре— при индивидуальном приводе— через осевой редуктор. Редуктор представляет собой соединённые зубчатые колёса, располагающиеся на валу ТЭД и оси колёсной пары. Электропередача постоянного тока обладает гиперболической тяговой характеристикой, при которой увеличение сопротивления движения вызывает увеличение силы тяги, а уменьшение— ускорение локомотива, легко управляется и регулируется. Электропередача позволяет управлять несколькими тепловозами по системе многих единиц из одной кабины. Недостатками её являются большая масса и относительная дороговизна необходимого оборудования. Электропередача обеспечивает электродинамическое (реостатное) торможение, при котором ТЭД работают как генераторы, нагруженные тормозными реостатами; за счёт сопротивления вращению валов ТЭД осуществляется торможение. При электродинамическом торможении меньше износ тормозных колодок.

Рисунок 1.67 – Экспортный советский тепловоз с передачей переменно-постоянного тока ТЭ109.

Первоначально в тепловозах ввиду простоты устройства и исключительно удачных характеристик использовалась электропередача постоянного тока. Так, первые в мире тепловозы Э^эл2 и Щ^эл1 вообще оказались концептуально пригодны для поездной работы именно благодаря электропередаче постоянного тока с регулированием по схеме Варда Леонардо. Однако из-за большого веса агрегатов и наличия механически изнашиваемых электрически нагруженных элементов конструкции— коллекторов, требующих тщательного ухода и ограничивающих рабочий ток якорей— в дальнейшем (в СССР с конца 1960-х годов) с ростом передаваемой мощности стали постепенно внедряться агрегаты переменного тока. Их внедрению содействовало появление компактных, недорогих и весьма надежных кремниевых выпрямителей. Первоначально были внедрены тяговые генераторы переменного тока с выпрямителями с ТЭД постоянного (пульсирующего) 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. Особенностью использования асинхронных ТЭД является необходимость управления частотой питающего их напряжения для получения необходимой характеристики. В 1975 году в СССР на базе тепловоза ТЭ109 был построен опытный тепловоз ТЭ120 с электрической передачей переменного тока, где использовались тяговый генератор и ТЭДы переменного тока. Электрической передачей переменного тока оснащён отечественный маневровый тепловоз ТЭМ21.

Использование генераторов и ТЭД переменного тока позволяет увеличить мощность передачи, снизить массу, существенно повысить надёжность в эксплуатации и упростить обслуживание. Использование асинхронных тяговых двигателей, ставшее возможным после появления полупроводниковых тиристоров , значительно снижает возможность боксования тепловоза, что позволяет уменьшить массу локомотива при сохранении его тяговых свойств. За счет облегчения двигателей, конструктивно интегрированных в тележки, повышается плавность хода тепловоза и уменьшается его воздействие на путь. Даже в случае использования промежуточных блоков — выпрямителя и инвертора — применение синхронного генератора с асинхронными ТЭД оказывается оправданным экономически и технически. Передачи постоянного тока, отличающиеся сравнительной простотой конструкции, продолжают использоваться на тепловозах до 2000л.с.

Гидравлическая передача.

Гидравлическая передача включает собственно гидропередачу и механическую передачу на колесные пары (см. выше). В гидропередаче крутящий момент преобразуется с помощью гидромуфт и гидротрансформаторов . В общем виде гидропередача представляет собою комбинацию нескольких гидротрансформаторов и/или гидромуфт, реверс-редуктора и одной или нескольких шестеренчатых передач. Гидромуфта состоит из насосного колеса, вращаемого двигателем, и турбинного колеса, с которого снимается мощность. Насосное и турбинное колеса находятся на минимальном расстоянии друг от друга в герметической торообразной полости, заполненной жидкостью (маслом), передающей энергию вращения насосного колеса турбинному. В отличие от гидромуфты гидротрансформатор имеет промежуточное— реакторное колесо, именяющее направление и силу потока масла на турбинном колесе. Регулировка передаваемого крутящего момента в гидромуфте осуществляется изменением количества рабочей жидкости (масла) на лопатках насосного и турбинного колеса. Для повышения КПД гидропередачи используются самоблокирующиеся обгонные муфты, пакеты фрикционов, на определенных режимах замыкающие элементы передачи. Гидравлическая передача легче электрической, не требует расхода цветных металлов, менее опасна в эксплуатации. Однако гидропередача— прецизионно - точный агрегат, требующий высокой квалификации и технической культуры обслуживающего персонала, а также высокого качества масел; ввиду несоблюдения указанных «условностей» и недоведенности конструкции эксплуатация тепловозов ТГ в СССР не была успешной. В СССР и в России гидропередача применяется главным образом на маневровых тепловозах (ТГМ), а также на магистральных тепловозах малых серий ( ТГ102 — самая многочисленная нормальной колеи; ТГ16 , ТГ22 — узкоколейные для Сахалинской ж. д.). 

Рисунок 1.68 – Немецкий маневровый тепловоз с гидравлической передачей.

Подавляющее большинство тепловозов с гидропередачей построено в Германии. На сегодняшний день самым мощным тепловозом сгидропередачей является немецкий Voith Maxima 40CC ( англ. ) мощностью 3600 кВт (5000 л.с.).

Делались также попытки создания тепловоза с воздушной и газовой передачей (Шелест), однако они стали неуспешными.

Механическая/экипажная часть.

Плавность хода тепловоза и его воздействие на рельсы определяется конструкцией экипажной части: тележек с колёсными парами, буксами и рес-сорным подвешиванием, несущих на себе главную раму и кузов тепловоза, на которых размещается всё остальное оборудование локомотива. Тележки могут быть двух-, трёх-, или четырёхосными, то есть имеющими две, три, или четыре колёсные пары. Колёсные пары могут быть как движущими, так и бегунковыми. На современных магистральных тепловозах, как правило, все колёсные пары являются движущими. Масса локомотива, передающаяся на рельсы через движущие колёсные пары, называется сцепным весом. Обозначение схемы колёсных пар локомотива принято называть его осевой характеристикой.

При индивидуальном приводе тяговые электродвигатели устанавливаются на тележки колёсных пар и закрепляются там двумя возможными способами: опорно-рамным подвешиванием , когда двигатель закрепляется толь-ко на раме тележки, и опорно-осевым , когда часть веса двигателя приходится и на ось колёсной пары. Примером первого способа подвешивания могут служить отечественные пассажирские тепловозы ТЭП60 и ТЭП70, а второго— грузовые ТЭ3, М62, 2ТЭ116.

Часть кузова, где размещаются дизельные двигатели, называется машинным отделением , отделение с электрооборудованием— высоковольтной камерой ; также тепловоз (секция тепловоза) может иметь одну или две кабины машиниста .

Кузов может быть несущим или иметь отдельную раму. Вариант с рамой проще в построении и эксплуатации, тогда как несущий кузов отличается меньшей массой и более высокой прочностью.

Рамы тележек опираются на оси колёсных пар через буксы. Букса содержит подшипники качения и по своей конструкции может быть как челюстной , когда она свободно вставлена в специальный вырез в раме тележки, так и бесчелюстной , когда связь между тележкой и буксой обеспечивают специальные поводки с шарнирами. Примерами первого типа букс служат отечественные тепловозы ТЭ3, М62 и ТЭМ2, второго— ТЭП60, ТЭП70, 2ТЭ116. Преимуществом бесчелюстных букс является отсутствие возможности их свободного перемещения относительно рамы тележки, что исключает трение скольжения в направляющих, уменьшает виляние колёсной пары, повышает долговечность буксового узла.

Особое внимание уделяется пожаробезопасности тепловоза и эргономике рабочего места машиниста (снижение вибраций, шумоизоляция кабины, система кондиционирования и т.п.)

Экипажная часть отечественных магистральных тепловозов.

Рисунок 1.70 – Тележка тепловоза

ТЭП10, челюстные буксы

Рисунок 1.69 – Тележка тепловоза

ТЭ2, челюстные буксы

Рисунок 1.71 – Тележка тепловоза

ТЭП60 , поводковые буксы, балансиры.

Охлаждение дизеля.

Охлаждение дизеля чаще всего осуществляется при помощи воды, в свою очередь охлаждаемой в радиаторах, обдуваемых вентиляторами. Радиаторы, вентиляторы и воздушные каналы располагаются в холодильной камере тепловоза (в холодильнике). Масло первоначально охлаждалось аналогичным образом, однако воздушное охлаждение масла значительно менее эффективно и затратно с точки зрения применения меди. Поэтому в дальнейшем на тепловозах стали использовать более компактный водомасляный теплообменник, в котором масло охлаждается с помощью воды, также охлаждаемой в воздушном холодильнике. Наддувочный воздух, поступающий в дизель, также нуждается в охлаждении, поэтому часто используется двухконтурная система охлаждения дизеля— в первом контуре вода охлаждает детали дизеля, а во втором— наддувочный воздух и горячее масло. Более глубокое охлаждение второго контура позволяет повысить надёжность и экономичность тепловозного дизеля.

СМЕ (СМЕТ).

Тепловозы в СССР выпускались в составе одной, двух, реже— трёх или четырёх секций. Мощность одной секции тепловоза может составлять до 6600 л.с. (американский EMD DDA40X), но у серийных тепловозов не превышает 4000л.с. (ТЭП70 и 2ТЭ121).

Для увеличения мощности тепловоза используется эксплуатация нескольких секций, объединённых по системе многих единиц (СМЕТ). При такой системе все секции управляются машинистом с одного поста. Как правило, возможна совместная работа только секций одной серии, однако в некоторых странах существуют стандарты такого соединения, поддерживаемые многими сериями тепловозов. В частности, такой стандарт существует в странах Северной Америки. В США используется и беспроводной интерфейс связи между двумя тепловозами, ведущими один поезд. Это делается в случае, когда второй тепловоз стоит в середине состава, что облегчает преодоление поездом сложных участков дороги с перевалистым профилем. В России в 1999—2002 годах также проходила испытание система Радио-СМЕТ, но широкого внедрения она не получила.