§2.18. Тяговые устройства.

Классификация тяговых устройств и их роль в реализации локомотивом силы тяги.

Тяговые устройства локомотивов предназначены для передачи от тележки к кузову продольных (тяговых и тормозных) и поперечных сил.

По конструкции тяговые устройства разнообразны. На рис. 2.80 показана схема классификации основных типов тяговых устройств, применяемых в локомотивах.

При движении локомотива происходит перераспределение нагрузок между колесными парами, вызванное вертикальными реакциями от действия на тележку моментов сил тяги и торможения. Появление этих моментов связано с различной высотой приложения к тележке сил тяги (на уровне головки рельса) и сопротивления движению (уровень автосцепки и шкворневого шарнира).

В практике локомотивостроения в качестве критерия оценки тяговых свойств введено понятие «использование сцепного веса», определяемое величиной статического коэффициента использования сцепного веса η_И. Наибольшая по сцеплению сила тяги локомотива находится в прямой зависимости от его сцепного веса G и коэффициента сцепления ψ. Однако расчеты и практика эксплуатации показывает, что не весь сцепной вес локомотива используется для создания силы тяги.

Рисунок 2.80 – Классификация тяговых устройств локомотивов.

Сила тяги локомотива вычисляется по формуле

(2.172)

где ψ — расчетный коэффициент сцепления колес с рельсами,φ — коэффициент тяги.

Обычно считают, что на все колесные пары приходится одинаковая статическая нагрузка 2П, которая передается на рельсы, а поэтому колесные пары реализуют одинаковую силу тяги F_к. Возможное уменьшение нагрузки колесной пары учитывается коэффициентом разгрузки К_p.

(2.173)

Тогда коэффициент использования сцепного веса равен:

(2.174)

Для локомотивов с индивидуальным электрическим приводом колесных пар наименьший коэффициент использования сцепного веса определяется наиболее разгруженной колесной парой, так как именно она ограничивает силу тяги локомотива. В требованиях ОАО РЖД к новым локомотивам коэффициент использования сцепного веса должен быть η_и ≥ 0,92.

Для тепловозов с гидропередачей и групповым приводом, объединяющим колесные пары в единую механическую систему, теоретически коэффициент использования сцепного веса η_и = 1. При достижении предельного тягового момента по сцеплению на наиболее разгруженной оси она не буксует из-за ее механической связи через карданы и редукторы с остальными колесными парами. Практически из-за наличия в эксплуатации некоторой разности диаметров колесных пар коэффициент использования сцепного веса тепловозов с гидропередачей (ТГМ4, ТГМ6, ТГ22) равен η_И = 0,95—0,97.

Таким образом, для локомотивов с электрической передачей необходимо уменьшать разгрузку колесных пар при движении в тяговом режиме.

У локомотива с количеством п₀ колесных пар наименьшее значение коэффициента разгрузки К_р будет, если разгрузка распределена поровну между q = n₀ - 1 передними колесными парами, а вся догрузка сосредоточена на последней колесной паре, т.е.

(2.175)

где i— порядковый номер колесной пары; Н— высота оси автосцепки от уровня головок рельсов; х_i — продольные координаты колесных пар, причем начало координат находится за пределами полной колесной базы локомотива, например в вертикальной плоскости, проходящей через головку автосцепки.

Реализация такой схемы воздействия колесных пар на рельсы не всегда возможна из-за существенной догрузки последней колесной пары, когда значение ее нагрузки выходит за допустимые пределы, особенно это касается шестиосных экипажей.

Рассмотрим задачу использования сцепного веса для локомотива с горизонтальными продольными связями тележек с кузовом, т.е. передачу тяговых сил в горизонтальной плоскости, например, шкворневым тяговым устройством. Для упрощения принимаем, что упругие опоры кузова на каждую тележку выполнены в одной поперечной плоскости, проходящей через шкворень. Учет статической неопределенности системы второй ступени рессорного подвешивания (в двух поперечных плоскостях на каждой тележке, например, при четырех опорах кузова) вносит сравнительно небольшую поправку в результаты расчета и не меняет качественную картину исследуемого явления.

Для определения изменения нагрузок рассмотрим расчетную схему двухтележечного экипажа (рис. 2.81).

Согласно выражению (2.175) минимальный коэффициент разгрузки будет равен:

(2.176)

где 2l_к — база подвешивания кузова; 2l_T — база тележки.

Для определения изменения нагрузок от колесных пар на рельсы рассмотрим внешние силы, действующие на тележки и кузов в режиме тяги. Сила тяги локомотива F_кл , приложенная к автосцепке на высоте Н и равная сопротивлению движения состава W, создает опрокидывающий момент 4F_к(H — h_ш), который разгружает переднюю и догружает заднюю тележку:

(2.177)

Рисунок 2.81 – Расчетная схема четырехосного экипажа для определения изменения нагрузок по колесным парам (1—4 — номера колесных пар по

ходу локомотива).

где h_ш — высота от уровня головок рельсов до уровня передачи силы тяги в шкворневом устройстве.

На уровне головок рельсов на каждую колесную пару действует сила F_k. Реакция кузова 2F_k = W/2 действует на шкворень в противоположную сторону. Внешние силы, действующие на тележку, вызывают изменение нагрузок ΔП₁—ΔП₄ колесных пар на рельсы (показаны на рис. 2.81 в виде реакций рельсов на нагрузку от колесных пар).

Уравнение равновесия передней тележки:

(2.178)

задней тележки:

(2.179)

решая уравнения (2.177), (2.178) и (2.179), получим

(2.180)

Коэффициенты разгрузки колесных пар на рельсы равны для 1, 2, 3 и 4 пар соответственно:

(2.181)

(2.182)

Таким образом, ограничивающим в данном случае является коэффициент разгрузки первой колесной пары:

(2.183)

Как следует из выражений (2.177) и (2.180), момент тяговых сил, действующих на кузов, разгружает на одинаковую величину колесные пары передней тележки и нагружает колесные пары задней тележки, а момент тяговых сил, приложенных к шкворню, перераспределяет нагрузки по колесным парам в тележках.

При передаче тяговых сил шкворнем через шкворневую балку, расположенную сверху на раме тележки, величина h_ш значительно влияет на изменение нагрузки колесных пар, а величина Н - h_ш мало, так как 2l_к >> 2l_т и h_ш > Н - h_ш. Определяющим в этом случае является момент тяговых сил, приложенный в шкворне.

Существует несколько конструктивных решений в экипажной части для уменьшения отрицательного влияния действия тяговых сил между кузовом и тележкой на изменение нагрузок колесных пар.

Наиболее распространенное решение, которое применялось на грузовых тепловозах и маневровых (2ТЭЗ, 2ТЭ10Л, ТЭМ2, ТГМ4, ТГМ6)—это жесткие опоры кузова (роликовые, плоские). При этом рама тележки не может поворачиваться в продольной вертикальной плоскости относительно кузова, и перераспределения нагрузки по колесным парам тележки от продольных сил, приложенных к шкворню, не происходит.

На магистральных локомотивах (тепловозы ТЭП70, ТЭП80, ТЭ136, электровозы типа ВЛ80 и др.) применяется двухступенчатое рессорное подвешивание, а низкоопущенный шкворень несколько повышает коэффициент использования сцепного веса. Так, на тепловозе ТЭП70 плоскость передачи продольных сил от тележки к кузову при низкоопущенном шкворне, расположенном между первой и второй колесными парами, перенесена на уровень осей колесных пар.

В некоторых локомотивах применяют специальные пневмо- или гидродогружатели, устанавливаемые между рамой тележки и кузова. С помощью догружателей создается противомомент, компенсирующий действие тягового момента в шкворневом узле. Однако в этом случае необходимо применить систему автоматического регулирования давления воздуха или жидкости в цилиндрах в зависимости от величины силы тяги локомотива.

Существенно можно решить проблему применением одной или двух наклонных тяг, через которые передается сила тяги от тележек к кузову. В зависимости от схемы включения тяги могут работать только на растяжение или на растяжение и сжатие. В последнем случае, как правило, применяется одна наклонная тяга на тележку.

На рис. 2.82 показана схема четырехосного экипажа локомотива с наклонными тягами. В первоначальных конструкциях таких экипажей кузов с каждой тележкой соединялся двумя наклонными тягами, работающими только на растяжение. Конструктивно для этого применяются эллипсные отверстия в одном из шарниров наклонных тяг и возможность небольшого продольного смещения тележек относительно кузова. В режиме тяги тележки смещаются вперед, при этом передние тяги выключаются из работы, и передача тяговых сил от тележек на кузов осуществляется задними тягами, работающими на растяжение.

Рассмотрим схему передачи тяговых сил от первой тележки на кузов одной наклонной тягой (рис. 2.83). Горизонтальная составляющая 2F_К усилия в наклонной тяге 2F_Т создает опрокидывающий момент на раме тележки 2F_кh_т и соответственно изменяет нагрузки по колесным парам:

(2.184)

Рисунок 2.82 – Схема четырехосного локомотива с наклонными тягами: 2l_к — база кузова; 2l_T — база тележки; β — угол наклона тяги.

Рисунок 2.83 – Расчетная схема для определения изменения нагрузки от колесных пар на рельсы двухосной тележки с наклонной продольной связью (1,2 — номера колесных пар по ходу локомотива).

Тяговому опрокидывающему моменту противодействует восста­навливающий момент , который вызывает изменение нагрузок по колесным парам:

(2.185)

Коэффициенты разгрузки колесных пар определяются:

(2.186)

Если перенести силу 2F_Т по направлению ее действия в центр тележки с высотой h, то получим

(2.187)

что соответствует выражениям (2.186), поскольку

Полагая , или, что то же самое, , получим формулу

(2.188)

Смысл данной формулы состоит в следующем: наклонная продольная связь тележки с кузовом локомотива автоматически в любом тяговом режиме полностью компенсирует тяговые изменения нагрузки колесной пары на рельсы, если направление связи (тяги) проходит через середину продольной базы тележки на уровне головок рельсов, Таким образом, с помощью наклонных тяг можно обеспечить одинаковые нагрузки по колесным парам в одной тележке и тем самым значительно уменьшить изменение нагрузок колесных пар локомотива. У современных локомотивов с мягким двухступенчатым рессорным подвешиванием при применении наклонных тяг удается получить значения коэффициента использования сцепного веса

η_и ≥ 0,92.

Конструкция тяговых устройств.

В отечественном локомотивостроении наибольшее распространение получили шкворневые тяговые устройства.

Тяговое устройство с жестким шкворнем применялось на магистральных тепловозах 2ТЭЗ, 2ТЭ10Л, ТЭП10, а также на всех маневровых тележечных тепловозах.

Шкворень, кроме передачи продольных и поперечных сил, является еще и вертикальной осью вращения тележки относительно кузова. Относительный угол поворота может достигать 3—4°. Жесткий шкворень 1 (рис. 2.84) входит в гнездо литой шкворневой балки 3, соединяющей поперечные балки рамы тележки. В гнездо вставляется сменная втулка 2, приваренная к балке прерывистым швом. Для предохранения шкворня от износа на него надето и приварено кольцо 5. Втулка и кольцо выполнены из стали 45 или 60Г и термообработаны. Гнездо заполняется осевым маслом, которое пополняется через трубку 4. Для защиты трущихся поверхностей шкворня и гнезда от попадания пыли на выступающую часть шкворня наносят валик из густой консистентной смазки.

Рисунок 2.84 –Жесткий шкворень тепловозов 2ТЭ10Л, ТЭМ2У:

1 — шкворень; 2 — сменная втулка; 3 — шкворневая балка; 4 — трубка; 5 — кольцо.

Тяговое устройство с плавающим шкворнем применяется на грузовых тепловозах 2ТЭ10В, 2ТЭ10М, 2ТЭ116. У тепловоза 2ТЭ116 при перемещении кузова на 40 мм (сжатие пружины шкворня 20 мм) возвращающее усилие пружины равно 80 кН. Применение плавающего шкворня вместе с упругороликовыми опорами обеспечило хорошие динамические качества этого тепловоза, Динамические испытания тепловоза показали, что наибольший коэффициент горизонтальной динамики равен 0,26 (допустимый — 0,4), а коэффициент вертикальной динамики — 0,3 (допустимый — 0,35).

Тяговое устройство с плавающим низкоопущенным шкворнем применяется на тепловозе ТЭП70 (рис. 2.85). Корпус 3 тягового

Рисунок 2.85 – Шкворневое устройство тепловоза ТЭП70:

1 — стакан; 2 — упор; 3 — корпус; 4 — шкворень; 5 — проставка; 6 — пружина; 7 — заливная горловина; 8 — рамка; 9 — шар; 10 — направляющие сегменты.

шкворневого устройства отлит заодно с кронштейном для подвешивания тягового двигателя и прикреплен болтами к нижнему листу шкворневой балки. Внутри корпуса расположен шкворень 4, соединенный с рамой кузова болтовым креплением. На цилиндрическую часть шкворня надета с натягом 0,04—0,12 мм сменная втулка. В корпус вставлены два упорных сегмента 10, служащих направляющими восьмигранной рамки 8 — гнезда шкворня. От поперечного смещения сегменты удерживаются стопорами. Снизу сегменты подпираются проставкой 5, уплотненной в корпусе резиновым кольцом. Для свободного перемещения рамки 8 в поперечном направлении между ним и упорными сегментами устанавливается зазор 0,2—0,6 мм, регулируемый прокладками. Между шкворнем и его гнездом (рамкой) установлена промежуточная плавающая втулка-шар 9. Соприкасающиеся поверхности втулки 9 и рамки гнезда 8 выполнены сферическими, что при наклонах кузова исключает концентрации напряжений в шкворневом устройстве. Снизу шкворневое устройство закрыто крышкой, уплотненной прокладкой. К боковым стенкам корпуса 3 на болтах прикреплены стаканы 1 с пружинами 6 и упорами 2. В стакан 1 запрессована металлокерамическая направляющая втулка. Между корпусом и стаканом, а также между его крышкой и пружиной установлены регулировочные прокладки для создания предварительного натяга пружин до 3,43 кН. Стаканы в корпусе уплотнены резиновыми кольцами. На одной из крышек стаканов установлена маслозаливная горловина 7, закрытая пробкой. В шкворневое устройство заливается 30 л осевого масла.

Тяговые устройства с наклонными стержнями (тягами). В отечественной практике локомотивостроения систему продольной связи с наклонными тягами впервые применили в экспортном электровозе Sr1 для Финляндии, а затем в переработанном виде она была использована в электровозах BЛ85, BЛ15 и BЛ65.

На рис. 2.86 показано тяговое устройство электровоза BЛ85, работающее на растяжение и сжатие. Габариты тяговых электродвигателей постоянного тока, используемых на указанных электровозах, не позволяют соединение наклонной тяги 2 непосредственно с кронштейном, установленным на поперечной балке рамы тележки. Поэтому в данной конструкции применена промежуточная опора в виде V-образной рамки 3.

Рисунок 2.86 – Тяговое устройство электровоза ВЛ85:

1 — вилка; 2 — наклонная тяга; 3 — рамка; 4 — триангель; 5 — шаровой подшипник; 6 — гайка; 7 — валик; 8 — регулировочная шайба; 9 — фла­нец; 10 — резиновый амортизатор; 11 — гайка; 12 — кронштейн.

Эту рамку с кронштейном рама тележки связывает триангель 4. Наклонная тяга сферическими шарнирами соединяется с рамкой и вилкой 1. Вилка крепится к кронштейну 12 кузова через резиновый амортизатор 10. Продольная жесткость амортизатора около 8,4 кН/мм.

У каждой тележки электровоза Sr1 есть две наклонные тяги, работающие только на растяжение.

В опытном электровозе двойного питания ЭП10 используются тяговые асинхронные электродвигатели меньших габаритов, чем двигатели постоянного тока такой же мощности, кроме того электродвигатели приподняты относительно горизонтальной плоскости осей колесных пар на 270 мм. Это значительно упростило тяговое устройство (рис. 2.87): применена одна наклонная тяга длиной 3030 мм, связывающая поперечную балку рамы тележки и кузов, Шарнирные соединения и амортизатор такой же конструкции, как в электровозе ВЛ85. Для исключения падения наклонной тяги на шпалы в аварийной ситуации предусмотрены страховочные тросы 2.

Рисунок 2.87 – Система связей кузова электровоза ЭП10 с крайней тележкой:

1 — страховочный трос; 2 — тяга продольной связи кузова с тележкой; 3 — пружина второй ступени рессорного подвешивания; 4 — вертикаль­ный упор; 5,7,8 — гидродемпферы; 6 — противоотносное устройство; 9 — горизонтальный упор.

Две наклонные тяги на тележку используются в опытном маневровом тепловозе ТЭМ21, Относительно короткие тяги длинной 1200 мм упруго связаны с концевыми балками двухосной тележки Конструкция одного тягового узла (рис, 2.88) состоит из наклонной тяги 2, выполненной из стальной трубы (сталь марки В20) с приваренными проушинами из стали 40Х, которые присоединены сферическими шарнирами к кузову (опора 3) жестко и упруго через рычаг 1, торсионы 4 и опору 5 к концевой балке тележки. Торсионы выполнены из стали 60С2А3Б. Тяговое устройство реализует жесткость продольной связи тележки с кузовом 5,2 кН/мм. Тележка может перемещаться в продольном направлении на величину ±50 мм, при этом работают одновременно две тяги: одна тянет, другая толкает.

Угол установки наклонных тяг в 13° был выбран исходя из наибольшего коэффициента использования сцепного веса, который равен η_и = 0,921. Тяговые устройства рассчитаны на наибольшую продольную силу 330 кН, которая может возникнуть в аварийных случаях, при соударении локомотива с составом с ускорением 3g.

Исследование ходовой динамики макета экипажа тепловоза ТЭМ21 методами компьютерного моделирования и натурных испытаний не выявили значительного отрицательного влияния тяговых устройств на динамические качества локомотива.

В современных локомотивах с электрической передачей при двухступенчатом рессорном подвешивании для передачи продольных сил между тележками и кузовом применяются главным образом наклонные стержневые элементы (тяги). При одноступенчатом рессорном подвешивании и шкворневом устройстве для обеспечения требуемых тяговых качеств применяют сбалансированное рессорное подвешивание, пневмо- или гидрогасители, а в трехосных тележках тяговые электродвигатели располагают подвесками к середине тепловоза.

Рисунок 2.88 – Узел наклонной тяги с торсионным упругим устройством тепловоза ТЭМ21:

1 — рычаг торсиона; 2 — наклонная тяга; 3 — узел крепления тяги к кузову; 4 — торсион; 5 — опора торсионного узла на концевой балке рамы тележки.