§3.1. Назначение, классификация и общее устройство тяговых приводов.

Механизмы, осуществляющие кинематическую и силовую связь между якорем тягового электродвигателя или выходным валом гидравлической передачи, с одной стороны, и ведущими колесными парами локомотива, с другой, называются тяговыми приводами. В простейшем виде — это одноступенчатый редуктор, в более сложных случаях — система валов, муфт, шарниров и редукторов. Назначение редукторов, входящих в такую систему, заключается в повышении крутящего момента, передаваемого колесным парам, а иногда в раздаче мощности, а также изменении направления движения локомотива.

Тяговые приводы локомотивов работают в тяжелых условиях: они подвергаются воздействию больших динамических нагрузок, возникающих при взаимодействии колес с рельсом, колебаниях надрессорного строения, боксовании. На них длительное время воздействуют пыль, сырость, снег. Габариты передаточных механизмов ограничены.

Все это выдвигает перед конструкторами при проектировании локомотива ряд особенных требований. Наиболее важные из них: обеспечить необходимую при движении локомотива свободу перемещения колесных пар относительно рамы тележки, а тележки — относительно рамы локомотива; обеспечить оптимальную частоту вращения якоря тягового электродвигателя или выходного вала гидропередачи и высокий КПД передачи; предусмотреть возможность демпфирования колебаний, возникающих в тяговом приводе. Привод должен быть прост по конструкции, иметь наименьшую массу неподрессоренных частей и малые габаритные размеры.

Конструкции приводов локомотивов разнообразны, что зависит от типа и назначения локомотива, выбранной передачи, условий работы и т.п.

Все приводы можно разделить на индивидуальные и групповые. В индивидуальном приводе крутящий момент от тягового электродвигателя передается на одну движущую колесную пару. Классификация наиболее распространенных индивидуальных электрических приводов современных локомотивов приведена на рис. 3.1.

Индивидуальные приводы отличаются один от другого способом подвешивания тягового двигателя: опорно-осевое, опорно-центровое и опорно-рамное, а также тягового редуктора (опорно-осевое, опорно-рамное).

При опорно-осевом подвешивании (рис. 3.1, а) корпус тягового двигателя одной стороной жестко опирается непосредственно на ось колесной пары, а другой — упруго подвешен к раме тележки, кожух тягового редуктора крепится к двигателю. При этом способе подвешивания сохраняется постоянное расстояние между осью колесной пары и осью якоря тягового двигателя. Однако при такой подвеске масса неподрессоренной части колесно-моторного блока значительна. Вследствие жесткого опирания двигателя на ось колесной пары увеличивается динамическая нагруженность самого двигателя и редуктора, возникает повышенная вибрация щеточного аппарата. Локомотивы с опорно-осевым подвешиванием двигателей оказывают при движении повышенное динамическое воздействие на путь. Поэтому опорно-осевое подвешивание тяговых двигателей и редуктора применяют, как правило, для локомотивов, конструкционная скорость которых не превышает 100—120 км/ч.

Для уменьшения вредного воздействия на путь и смягчения ударов, передаваемых на корпус тягового двигателя и зубчатую передачу, в ряде конструкций опорно-осевого подвешивания тяговый двигатель опирается на ось через упругие элементы (рис. 3.1, б). Такая конструкция подвешивания тягового двигателя получила название опорно-центровой. Привод этого типа получил некоторое распространение в 60-х гг. в локомотивостроении Западной Европы. Опытные отечественные конструкции такого привода были изготовлены и испытаны во ВНИКТИ. Испытания этих конструкций не подтвердили ожидавшийся эффект виброзащиты двигателя, вертикальные ускорения двигателя уменьшились не более, чем на 25 %, в то время как по зарубежным сообщениям эффект значительно больший.

Наиболее полно удается решить проблему улучшения динамики колесно-моторного блока при опорно-рамном подвешивании тягового электродвигателя. Двигатель в этом случае закреплен на раме тележки, что позволяет уменьшить массу неподрессоренной части до 50 %. Для передачи крутящего момента от вала якоря электродвигателя на колесную пару включают в привод подвижные и упругие элементы, обеспечивающие некоторую свободу перемещения колесной пары относительно тягового двигателя. Конструкции таких приводов разнообразны. Принципиальные схемы некоторых из них представлены на рис. 3.1: схемы в, г с кинематическим или упругим компенсирующим звеном на стороне меньшего крутящего момента и схемы д, е на стороне большего крутящего момента.

По классификации профессора И.В. Бирюкова, в основу которой положена степень динамического совершенства, все приводы с односторонней передачей мощности можно разделить на три класса: класс I — двигатель и редуктор с опорно-осевым подвешиванием; класс II — двигатели с рамным подвешиваем, редуктор с опорно-осевым; класс III—двигатель и редуктор с рамным подвешиванием. Наиболее совершенным по динамике является привод III класса.

Как видно из приведенных на рис. 3.1 схем, в приводах II класса упругие и компенсирующие элементы расположены на стороне меньшего крутящего момента, а III класса на стороне большего крутящего момента.

В схеме на рис. 3.1, в (II класса) для реализации смещений двигателя и редуктора используются две муфты и торсионный вал, расположенный в полом валу якоря. Одна из муфт выполнена в виде зубчатой, а другая — в виде пакета из двух резинокордных диафрагм.

В схеме на рис. 3.1, г якорь передает крутящий момент через муфту с упругими резиновыми элементами на торсионный вал, расположенный в полом валу якоря. Свободным концом торсионный вал входит в полый вал шестерни редуктора. Крутящий момент от торсионного вала на шестерню передается через шарнирное устройство.

Применение опорно-осевого редуктора в приводах II класса увеличивает неподрессоренную массу колесной пары и изменяет нагрузку на оси колесной пары в результате действия тяговых и реактивных сил при реализации движущего момента.

Среди приводов III класса широко распространены приводы с полым валом (рис. 3.1, д) или с карданным полым валом (рис. 3.1, е). В большинстве случаев при их использовании можно в одном комплекте с электродвигателем закреплять зубчатое колесо и полый вал, а также обеспечить большую свободу перемещения колесной- пары относительно тягового двигателя. Недостаток конструкции — значительная масса тягового двигателя вследствие развитой части корпуса, образующей опору его на полый вал (рис. 3.1, д), и мощные компенсирующие и упругие элементы, передающие большой крутящий момент.

В групповом приводе крутящий момент от одного электродвигателя или выходного вала коробки передач распределяется редукторами, карданными валами или спарниками по колесным парам одной тележки или экипажной части. Групповой привод с одним электродвигателем на тележку и редуктором применяется у некоторых магистральных тепловозов и электровозов Франции. Групповой привод с карданными валами применяется для маневровых и промышленных тепловозов. За рубежом (Германия, Австрия) он использовался и для магистральных тепловозов с гидропередачей.

Привод с карданными валами подразделяют на две группы. Приводы первой группы характеризуются тем, что все движущие оси локомотива связаны единой системой карданных валов (рис. 3.2). Ко второй группе относятся приводы, рассчитанные на независимое обслуживание каждой тележки. В этом случае гидравлическая коробка передач может быть расположена как на раме тележки (рис. 3.3, а), так и на раме локомотива (рис. 3.3, б, в).

Если коробку передач устанавливают на тележку, то привод к осям выполняют без раздаточных редукторов, а осевые редукторы делают одноступенчатыми. Это позволяет уменьшить массу неподрессоренной части. Однако масса тележки в целом значительно увеличивается. Кроме того, создаются тяжелые условия для работы карданного вала, связывающего первичный двигатель с коробкой передач, и возникает потребность в применении гибких трубопроводов, соединяющих коробку передач с системой охлаждения масла.

Если коробку передач устанавливают на раму локомотива, то приводы могут быть выполнены с одним общим раздаточным редуктором или с одним раздаточным и одним промежуточным редукторами. В последнем случае неподрессоренная масса колесной пары снижается в результате применения одноступенчатых осевых редукторов. Однако количество карданных валов и редукторов в приводах такого рода на единицу больше, чем в приводах с общим раздаточным редуктором. В практике отечественного локомоти- востроения тяговый привод, выполненный по схеме рис. 3.3, в, был применен Коломенским тепловозостроительным заводом для пассажирского тепловоза ТГП50 мощностью 2940 кВт. Сравнивая карданные приводы двух групп, отметим, что по использованию сцепного веса локомотива приводы первой группы лучше.

Спарниковые приводы (рис. 3.4) с отбойным валом используют для промышленных и маневровых локомотивов небольшой мощности, например тепловозов ТГМ23 Муромского завода. Привод этого типа отличается простотой и надежностью в работе, однако применение его ограничено специфической конструкцией экипажной части и невозможностью использования унифицированных узлов и деталей.

Рисунок 3.2 – Кинематические схемы передачи с единой системой карданных валов:

а — с одной силовой установкой; б — с двумя силовыми установками; в — с промежуточными редукторами; 1 — дизель; 2 — гидравлическая коробка передач; 3 — реверс-редуктор; 4— осевой редуктор; 5 — карданный вал; 6 — промежуточный редуктор.

Рисунок 3.3 – Схемы карданного привода к тележке:

1 — дизель; 2 — коробка передач; 3 — карданный вал; 4 — осевой ре­дуктор; 5 — раздаточный редуктор; 6 — промежуточный редуктор.

Групповой привод с одним электродвигателем на тележку применяют в основном для французских локомотивов. Крутящий момент от одного тягового двигателя передается на движущие оси через систему зубчатых колес, объединенных в редуктор, который может быть расположен как внутри, так и снаружи тележки. Во Франции с подобным приводом построены также локомотивы с трехосными тележками, например тепловоз СС72000. В СССР групповой привод был применен для опытных электровозов ВЛ40 и ВЛ83. Тележки локомотивов с таким приводом получаются компактными, с малым моментом инерции относительно вертикальной оси, что важно для улучшения ходовых качеств локомотивов при высоких скоростях движения в кривых и прямых участках пути. К недостаткам подобных конструкций следует отнести сложность тягового редуктора. Кроме того, в эксплуатации наблюдается рост динамических нагрузок в приводе по мере износа бандажей и появления разницы в диаметрах кругов катания колесных пар тележки.

Рисунок 3.4 – Схема спарникового привода с отбойным валом:

1 — коробка передач; 2 — карданный вал; 3 — реверс-режимный механизм; 4—дизель; 5 — движущая колесная пара; 6 — отбойный вал; 7 — спарник

Комбинированный тип приводов находит ограниченное распространение. Карданный привод в комбинации со спарниковым механизмом (рис. 3.5, а) применяют в зарубежных тепловозах малой мощности; тяговый электродвигатель, подвешенный на раме кузова в комбинации с карданным механизмом (рис. 3.5, б), установлен в маневровом тепловозе ТЭМ12, тяговом модуле ТЭУ630 Людиновского завода. Последней конструкцией привода достигается полная унификация тележек тепловозов с гидравлической и электрической передачами. Применение электрической передачи увеличивает КПД тепловоза по сравнению с гидравлической.

Рисунок 3.5 – Схема комбинированного передаточного механизма:

а — карданный привод со спарниковым механизмом; б — тяговый элек-тродвигатель с карданным механизмом; 1 — осевой редуктор; 2 — кар-данный вал; 3 — тяговый электродвигатель; 4— суммирующий редуктор;

5 — дизель; 6 — коробка передач; 7 — спарник.

Кроме того, тяговые двигатели локомотива работают в лучших условиях, чем при индивидуальном электрическом приводе колесных пар с опорно-осевым подвешиванием тяговых двигателей (снижаются динамические нагрузки, уменьшается воздействие атмосферных условий и т.п.).

Електричний привід колісних пар.

Вибір основних параметрів і розрахунок міцності тягового приводу з електродвигуном.