ЭПЛ / Лабораторная работа 6

Цель работы: изучить конструкцию кислотных и щелочных аккумуляторных батарей тепловозов.

Аккумуляторные батареи предназначены для питания током тя­гового генератора при пуске дизеля и питания цепей управления, вспо­могательных и освещения при неработающем дизеле. Конструкция и емкость аккумуляторов определяются пусковым режимом - крат­ковременным разрядом, при котором токи достигают 2500 А. При этом напряжение батареи должно обеспечивать необходимую для пуска частоту вращения дизеля при прокрутке.

На тепловозах применяются кислотные (свинцовые) и щелочные аккумуляторные батареи. Основными типами батарей для выпускаемых тепловозов являются кислотные аккумуляторные батареи 32ТН-450, 32ТН-550 или 48ТН-450, состоящие в зависимости от напряжения вспо­могательных цепей тепловоза из 32 элементов (аккумуляторов) с номинальной емкостью 450 или 550 А-ч. Номинальная емкость может быть получена при разряде аккумулято­ров 10-часовым током, значение которого определяется делением но­минальной (паспортной) емкости на 10.

Промышленностью создаются кислотные аккумуляторные ба­тареи 48ТН-350 и щелочные никель-железные 68ТПНЖК-250, 48ТНЖТ-400, никель-кадмиевые 72ТПНК-250-02 и др. Основные технические данные тепловозных аккумуляторных батарей при­ведены в табл. 10.1.

В обозначения типов батарей входят: 32,46,48,68,72 - количе­ство последовательно включенных аккумуляторов, шт.; 550,450,350, 250 - номинальная емкость, А-ч; ТП - назначение, тепловозная (пусковая); Н - вид электродных пластин, намазные; НЖ, НК - никель-железный, никель-кадмиевый; К - конструкция электродов комбинированная; Т - таблеточная; У - для умеренного климата; 2 - категория размещения (в кузове, металлическом шкафу).

Кислотный аккумулятор ТН-450 состоит из эбонитового сосуда, в который погружено 19 положительных и 20 отрицательных пластин (рис. 10.6). Каждая пластина представляет собой отлитую из свинцово-сурьмянистого сплава (95 % свинца и 5 % сурьмы) решетку, ячейки которой заполнены активной массой. После формовки и зарядки аккумулятора активная масса положительной пластины состоит из окислов свинца (РЬ0₂), а отрицательная - из губчатого металлического свинца (РЬ). Пластины изолированы друг от друга сепараторами из синтетических материалов или дерева (ольхи).

Сверху все положительные пластины соединены между собой, об­разуя блок, который посредством гаек, шайб и резиновых уплотнений укреплен на эбонитовой крышке аккумулятора. Аналогично выполнен блок отрицательных пластин. Каждый блок имеет по два вывода-борна. В крышке предусмотрено отверстие для заливки электролита и воды, закрываемое пробкой, которая обеспечивает свободный выход газов из аккумулятора, но препятствует проникновению в него воздуха. Дня удоб­ства транспортировки, монтажа и защиты аккумуляторов от механи­ческих повреждений их монтируют в деревянных ящиках, по 4 элемен­та в каждом.

При разряде аккумулятора на пластинах обеих полярностей образу­ется сульфат свинца РЬ8О₄ и плотность электролита при этом снижается. Сульфатация происходит также при систематическом недозаряде бата­реи, слишком глубоком разряде, применении электролита с повышенной плотностью, работе батареи при высокой температуре электролита, заг­рязнении его и длительном хранении аккумуляторов без подзаряда.

После заряда часть сульфата остается, что может вызвать не­исправности аккумуляторов: снижение полезной емкости и на­пряжения при разряде; внутренние замыкания пластин и их ус­коренный саморазряд.

Электролитом для кислотных батарей служит раствор аккумуля­торной серной кислоты в дистиллированной воде. Плотность его в заряженных аккумуляторах должна составлять 1,24-1,25 г/см³, в зим­ние месяцы ее повышают до 1,26 г/см³. Дальнейшее увеличение плот­ности электролита несколько повышает напряжение на элементе, но резко снижает его срок службы, плохо влияя на отрицательные плас­тины, особенно при высокой интенсивности разряда, который имеет место при пуске дизеля. С точки зрения уменьшения коррозии реше­ток положительных пластин целесообразно снижать концентра­цию электролита, что приводит к увеличению срока их службы. В настоящее время доказана необходимость уменьшения плотности электролита до 1,22 г/см³, причем мощность батареи несколько возрастает, а вероятность ее замерзания практически отсутствует. Если существует вероятность замерзания электролита, плотность Следует отметить, что вероятность замерзания аккумуляторных батарей, расположенных в кузове тепловоза, значительно меньше, чем при расположении их в раме или периметре топливного бака. В последнем случае необходим обогрев батарей.

Зависимость емкости аккумуляторных батарей от режима раз­ряда иллюстрирует табл. 10.2.

Щелочной аккумулятор имеет два блока положительных и отри­цательных пластин, которые размещены в стальном сосуде. Пластины представляют собой ламели (коробочки), соеди­ненные между собой в замок и укрепленные стальными ребрами, к которым приварены контактные планки. Пластины изолированы пер­форированными сепараторами и резиновыми шнурами. Каждый блок имеет два борна, выведенных через отверстия в крышке и изолиро­ванных винипластовыми и резиновыми кольцами 75, препятствую­щими вытеканию электролита. Сосуд аккумулятора окрашен снару­жи эпоксидной эмалью и защищен резиновым чехлом 17.

Разрядный режим	Ток, А	Минимально допустимое напря­жение элемента, В	Емкость батареи, А-ч
Кислотная батарея 48ТН-450
10-часовой	45	1,8	450
5-часовой	68	1,7	340
Прерывистый толчками	1700	1,0	70
Прокрутка (5 мин)	900	1,45	75
Щелочная батарея 72ТТШЖ-550
5-часовой	ПО	1,0	550
Прерывистый толчками	2700	0,6	—
Прокрутка (5 мин)	1000	1,0	85

В заряженном аккумуляторе активными элементами являются гид­рат окиси никеля N10 (положительный электрод) и железо Ре (отри­цательный электрод). В качестве электролита используется 20 %-ный водный раствор едкого кали КОН или натра КаОН, с добавкой 20 г/л гидроокиси лития, улучшаю­щей условия работы активной массы. Натриевый электролит реко­мендуется для работы с повышенной температурой электролита, ка­лиевый — при пониженных температурах. Калиевый электролит является универсальным и может работать при любых температурах. Электролит приготовляют в стальной сварной посуде. Запреща­ется пользоваться посудой оцинкованной, луженой, медной, свин­цовой и керамической.

Электролит щелочных аккумуляторов в реакции не участвует, и плот­ность его во время работы батареи не изменяется. Это несколько осложняет контроль за состоянием батареи в эксплуатации. Недо­статком щелочных аккумуляторов можно считать большую массу и плохую работу при понижении температуры электролита до О °С. Железоникелевые аккумуляторы имеют ряд существенных преиму­ществ перед кислотными: вероятность большого срока службы (до 6 лет), использование для изготовления менее дефицитных материалов, способность выдерживать большие зарядные и разрядные токи без ущерба для аккумулятора и без значительного снижения полезной ем­кости, отсутствие «сульфатации», губительно действующей на кислот­ные аккумуляторы, большая механическая прочность, нечувствитель­ность к замерзанию электролита, простота обслуживания и ремонта. Масса щелочных аккумуляторов со временем будет значительно умень­шена в результате перехода на «безламельную» конструкцию электрода. Разрабатываются конструкции пластин и технология их изготовления, допускающие возможность отказа от запрессовки активной массы в ме­таллические ламели — изготовление «безламельных» аккумуляторов.

Уход за батареей в эксплуатации сводится к доливке дистиллиро­ванной воды и содержанию аккумуляторов в чистоте. Аккумуляторы не требуют ремонта, который заменяется их промывкой (при содержа­нии в электролите углекислоты более 17,5 г/л). Разработаны методы вос­становления щелочных аккумуляторов, имеющих пониженную емкость. Для аккумуляторов обоих типов характерно снижение полезной емкос­ти с увеличением тока разряда. У кислотных аккумуляторов это явление особенно резко выражено и связано со снижением плотности электролита в пограничных с пластинами слоях, что вызывает увеличение

Пусковая разрядная характеристика дает возможность определить мощность батареи при пуске и уточнить напряжение, необходимое для получения скорости прокрутки. Ожидаемое значение пика тока находят обычным порядком с учетом индуктивности пусковой цепи, ЭДС пускового электродвигателя, момента инерции вращающихся частей дизеля и связанных с его валом вспомогательных машин и момента сопротивления вала троганию с места.

При выборе аккумуляторов необходимо учитывать действие, оказывае­мое на них пиком тока, принимая все возможные меры для его уменьшения.

На работоспособность аккумуляторов вредное действие оказыва­ет их перезаряд. Признаками перезаряда является «кипение» электро­лита - выделение газа, образовавшегося в результате его разложе­ния, и нагрев электролита, который не должен превышать 45°С.

Во Всесоюзном научно-исследовательском институте железнодо­рожного транспорта (ВНИИЖТ) установлено, что режим постоянно­го подзаряда, при котором эксплуатируется батарея на тепловозах, вредно отражается на сроке ее службы. Затраты энергии на пуск вос­станавливаются вспомогательным генератором за 15 — 20 мин, после чего ток подзаряда проходит через полностью заряженную батарею. Избыточная энергия расходуется на разложение воды на кислород и водород. Кислород окисляет решетку пластин, вызывая электрохи­мическую коррозию материала решеток положительных пластин. Од­новременно значительно увеличивается и их саморазряд.

Выделяющиеся в порах активной массы пузырьки газа имеют большое давление, воздействие которого на материал пластин вы­зывает их разрушение.

Для снижения перезаряда аккумуляторов ТН-450 устанавливается по­ниженное на 2-3 В напряжение вспомогательного генератора. Аналогич­но поступают и в отношении аккумуляторов ТПНЖК-250 и ТПНЖ-550, перезаряд которых сопровождается выкипанием электролита, повыше­нием температуры, вымыванием активной массы.

Пути повышения надежности тепловозных аккумуляторов и срока их службы зависят как от режимов их работы на тепловозах, так и от системы обслуживания и ремонта. Далеко не во всех локомотивных депо обслуживание аккумуляторов производится с учетом предъявляе­мых требований. Достижения в области использования, обслужи­вания и ремонта аккумуляторов дают возможность получить зна­чительное увеличение их срока службы.

Промышленность России приступила к поставкам импульсных конденсаторов сверхвысокой энергоемкости, применение которых в системах электростартерного запуска двигателей позволяет по­высить надежность запуска и принципиально изменит режим рабо­ты и использование аккумуляторных батарей.

При зарядке конденсатора до номинального напряжения на нем на­капливается такое количество энергии, которого достаточно для обес­печения пуска тепловозного двигателя.

При разрядке конденсатор развивает высокую импульсную мощ­ность, обеспечивая ранний момент отрыва коленчатого вала дизе­ля, и как следствие, снижение пикового тока со всеми вытекающи­ми из этого последствиями.

При подключении конденсатора параллельно нормально заряжен­ной батарее обеспечивается увеличение тока стартера и, вследствие это­го, частоты пускового прокручивания двигателя при одновременном снижении на 30—50 % ударного тока батареи и времени пуска дви­гателя. Снижение максимального тока увеличивает срок службы ба­тареи в 1,5-3 раза.

Результат выполненных ВНИИЖТ исследований, включая экс­плуатационные испытания на действующем подвижном составе, подтвердили высокую эффективность применения указанных кон­денсаторов:

• установленная мощность аккумуляторных батарей может быть сни­жена практически вдвое-с 450 до 250 А-ч; соответственно вдвое умень­шается потребность в аккумуляторах. Одновременно срок их службы увеличивается до 10 лет (при существующей системе запуска без при­менения импульсных конденсаторов, срок службы батарей составляет от 2 до 4 лет), затраты на эксплуатацию батарей снижаются на 30 %;

• оборудование конденсаторами тепловозов с аккумуляторными ба­тареями, выработавшими ресурс (остаточная емкость не более 30 %), позволяет продолжить нормальную эксплуатацию локомотива без за­мены батарей еще в течение 2-3 лет;

• применение импульсных конденсаторов обеспечивает повыше­ние надежности запуска дизелей, позволяет снизить общее время работы на холостом ходу примерно на 25 % и в результате дать эко­номию топлива около 9 тонн на тепловоз в год, увеличить ресурс дизеля вследствие снижения нагарообразования.

Импульсные конденсаторы герметичны, пожаро- и взрывобезопасны, не требуют обслуживания в течение всего срока службы (не менее 10 лет).

Масса комплекта конденсаторов энергоемкостью 108-120 кДж (комплект для секции тепловоза) не превышает 120 кг. Возможна установка комплекта на тепловозы 2ТЭ116, ТЭП70, 2ТЭ10, ЧМЭЗ, М62, ТЭМ2.