Дипломная (вкр): Грузовой тепловоз мощностью 3000 кВт. Дизель-генератор

Компрессор и вентиляторы охлаждения тяговых двигателей, шахты холодильника и модулей преобразовательно-инверторной установки приводятся в действие вспомогательными асинхронными электродвигателями, получающими питание от инвертора. Комплект инверторных модулей охлаждает воздух, предварительно очищенный фильтром. После модулей воздух охлаждает главный генератор. Оптимальный режим охлаждения дизеля и тягового электрооборудования обеспечивается плавным регулированием в зависимости от нагрузки. Дизель запускается главным генератором, получающим для этого питание от аккумуляторной батареи через один из инверторных модулей тяговых двигателей.

На тепловозе применено индивидуальное регулирование работы каждого тягового двигателя, получающего питание от отдельного инвертора, управляемого по напряжению. Это улучшило тяговые и тормозные характеристики локомотива, так как устранило влияние перераспределения осевых нагрузок. При групповом регулировании все тяговые двигатели одной тележки получают питание от одного инвертора, и их частота вращения должна быть одинаковой, что требует равенства диаметров колес. Это практически недостижимо, и на тяговый двигатель колесной пары с колесами наибольшего диаметра приходится максимальная нагрузка. При большой разнице диаметров и низком вращающем моменте один из двигателей может находиться даже в тормозном режиме. Если же применяются асинхронные тяговые двигатели с большим электрическим скольжением, допускается разница диаметров колес до 7 мм. Однако электрическое скольжение тяговых двигателей почти пропорционально снижает КПД тягового привода, мощность на тягу и поэтому нежелательно.

Индивидуальные инверторные модули позволяют снять ограничения по разнице диаметров колес, так как частотные характеристики для каждой колесной пары будут разными. Применение асинхронных тяговых двигателей с низким электрическим скольжением (в пределах 0,5%) улучшает мощностные характеристики и повышает топливную экономичность тепловоза. Индивидуальное регулирование способствует также повышению надежности локомотива. Выход из строя одного инверторного модуля или тягового двигателя приводит к уменьшению мощности тепловоза на 1/6, но в большинстве случаев рабочие характеристики при этом не ухудшаются, так как микропроцессорная система управления автоматически переводит его в режим работы на пяти исправных тяговых двигателях. При групповом регулировании подобная неисправность уменьшает мощность тепловоза в 2 раза.

В системе управления основными агрегатами тепловоза использованы несколько основных 32-разрядных и вспомогательных 16-разрядных микропроцессоров. Общая емкость памяти системы превышает 600 Мбайт. Компоненты системы соединены волоконно-оптическими кабелями, устраняющими электромагнитные помехи и шумовые сигналы.

1.2 Тепловоз SD90MAC

Первые шестиосные тепловозы SD90MAC (рис. 2.1) мощностью 6400 л.с., появившиеся на железных дорогах США в марте 1997 г., стали результатом работ, которые EMD GM вело с 1994 г. Главной целью было создание локомотива, способного заменить два наиболее распространенных тепловоза SD40-2 мощностью 3000 л. с. с очень надежным двухтактным дизелем, более 4700 ед. которых эксплуатируются в течение 25 лет.

Рис. 1.2 - Тепловоз SD90MAC

Основным отличием нового тепловоза стал впервые примененный EMD GM четырехтактный дизель V265Y с турбонаддувом и охлаждением наддувочного воздуха. К работам над четырехтактным дизелем компания приступила в 1984 г., когда были изготовлены два опытных 16-цилиндровых двигателя мощностью 4500 л. с. Однако в результате их испытаний пришли к выводу, что довести их мощность до 6000 л. с. и улучшить характеристики нельзя. Кроме того, было необходимо учесть ужесточившиеся экологические требования и повысить надежность. Поэтому понадобился принципиально новый дизель.

Все конструктивные элементы нового дизеля рассчитывались по современной методике с применением компьютерного моделирования, проверялись на усталостную прочность и износостойкость. Два опытных дизеля прошли стендовые испытания, показавшие, что основные цели разработок достигнуты. За этим последовало трехмерное моделирование установки дизеля на тепловозе и рассмотрение вариантов компоновки оборудования. Лишь потом были построены восемь опытных тепловозов с новыми дизелями, которые направили в Центр транспортных технологий (ТТС) для испытаний, после чего некоторые из них передали в регулярную эксплуатацию.

Новый 16-цилиндровый V-образный дизель имеет частоту вращения 1000 об/мин, диаметр цилиндров 265 мм, ход поршня 300 мм и среднее эффективное давление 21,3 бар. Некоторые детали этого дизеля существенно отличаются от прежних конструкций. Картер изготовлен из чугуна повышенной пластичности, что увеличило его жесткость, вибростойкость и срок службы, и выполнен заедино с водяным коллектором и кронштейнами крепления турбонагнетателей. Стальной кованый коленчатый вал имеет уширенные коренные и шатунные шейки. На каждой шатунной шейке находятся два шатунных подшипника с увеличенной опорной поверхностью. Кулачковый вал, собранный из четырех секций, расположен по центральной продольной оси дизеля.

Составные поршни имеют патентованную стальную головку Thermoflo, улучшающую условия сгорания и уменьшающую расход топлива. Цилиндропоршневая группа каждого цилиндра выполнена с возможностью установки и демонтажа как единое целое, что было характерной особенностью двухтактных дизелей моделей 645 и 710. Применена электронная система управления впрыском.

Новый дизель оборудован двумя турбонагнетателями - по одному на каждый ряд цилиндров. Переход на четырехтактный двигатель позволил отказаться от привода турбонагнетателя на низких позициях контроллера от коленчатого вала через редуктор. Теперь энергии выхлопных газов достаточно для работы турбонагнетателей на любом режиме дизеля.

Система охлаждения дизеля заполнена пропиленгликолем, что позволяет надолго останавливать двигатель при низкой температуре окружающего воздуха. Кроме того, при последующем запуске расходуется меньше топлива.

Тепловоз опирается на две трехосные тележки, основной особенностью которых является способность колесных пар занимать радиальное положение при проследовании кривых. Это позволяет локомотивам с трехосными тележками беспрепятственно обращаться на линиях, где прежде могли работать только локомотивы с двухосными тележками.

Испытания тепловоза в ТТС показали, что созданная в сотрудничестве с немецкой компанией Siemens компьютеризированная система управления оказалась эффективной. Сила тяги при трогании доведена до 900 кН. Один тепловоз SD90MAC на площадке вел поезд массой 11 400 т со скоростью 65 км/ч, для чего ранее нужны были четыре тепловоза SD40-2.

Тепловозы SD90MAC и SD70MAC (аналогичный, но меньшей мощности) имеют электрическую передачу переменного тока с асинхронными тяговыми двигателями, также разработанную с участием Siemens. Первоначально такая электрическая передача была реализована с групповым регулированием тяговых двигателей, но потом перешли к индивидуальному, убедившись в его неоспоримых преимуществах.

Наряду с GE, EMD GM и MWM мощные и надежные тепловозные дизели может выпускать британская компания Ruston, имеющая в этой области более чем 50-летний опыт. Примером служит четырехтактный дизель RK270, имеющий диаметр цилиндра 270 мм и ход поршня 305 мм. Этот дизель при частоте вращения 900 об/мин развивает цилиндровую мощность 361 л. с., но при повышении частоты вращения до 1000 об/мин его мощность в 16-цилиндровом исполнении будет равна 7870 л. с.

1.3 Тепловоз Blue Tiger

Масса мощных шестиосных тепловозов достигает 192…195 т, осевая нагрузка превышает 30 т. Их можно эксплуатировать только на линиях с соответствующим верхним строением пути. Однако такой путь имеют далеко не все железные дороги, и эта ситуация сохранится в XXI в. Следовательно, для железных дорог многих стран нужны локомотивы с меньшей осевой нагрузкой.

В начале 90-х годов европейская компания Adtranz и американская GE решили совместно создать семейство универсальных тепловозов нового поколения на основе последних достижений науки и техники с тем, чтобы путем непринципиальных модификаций можно было получить локомотив, приспособленный к различным условиям эксплуатации: в грузовом и пассажирском движении, на дорогах разной колеи, при различном состоянии пути.

При создании нового шестиосного тепловоза за Adtranz были разработка основной рамы и кузова, кабины управления с кондиционированием воздуха, тележек, сцепных устройств, тормозного оборудования, а также сборка и испытания локомотива. GE отвечала за разработку дизеля, систем подачи топлива и охлаждения, генератора, тяговых двигателей и иного электрооборудования, включая систему динамического торможения, электронной аппаратуры системы управления, в том числе дисплеев и программного обеспечения. Семейство тепловозов получило название Blue Tiger (рис 1.3). В их конструкции использован модульный принцип, дающий возможность ускорить проектирование и изготовление в различных вариантах (кузовном или капотном), упростить ремонт и техническое обслуживание. В зависимости от условий работы на них предполагают устанавливать 8-, 12-, 16-цилиндровые дизели и использовать хорошо зарекомендовавшие себя в эксплуатации технические решения и комплектующие изделия. Осевая нагрузка тепловоза может варьироваться от 18 до 25 т при полной массе 108…150 т, максимальная скорость от 120 до 200 км/ч при мощности дизеля 2200…4400 л. с. Электродинамический тормоз способен поглощать мощность от 1720 до 3720 кВт.

Рис. 1.3 - Тепловоз Blue Tiger

Первый демонстрационный тепловоз Blue Tiger с серийным обозначением DE-АС33С построен для колеи 1435 мм. Тепловоз опирается на две трехосные бесшкворневые тележки Henschel Flexifloat с односторонним расположением тяговых двигателей. В первой ступени рессорного подвешивания применены винтовые пружины и гидравлические гасители колебаний, во второй - пружины Flexicoil. Особенности этой тележки - высокие прочность и надежность, длительный срок службы. Межремонтный период для сварной рамы, которая не подвержена действию скручивающих сил, составляет 10 лет. Диаметр новых колес тепловоза 1067 мм. Буксы соединены с рамой тележки с минимумом сочленений. Силы тяги и торможения передаются наклонными штангами, закрепленными на тележке на уровне осей колесных пар, а на кузове на уровне сцепки, что обеспечивает максимальное использование коэффициента сцепления и ограничивает до 5% перераспределение осевых нагрузок. Тележка обладает хорошими и стабильно сохраняемыми динамическими характеристиками, обеспечивающими плавность хода даже на изношенном пути и снижение износа колес и рельсов.

Кузов имеет две расположенные по концам звуко- и виброзащищенные кабины управления с боковой и задней дверьми, а также капотную среднюю часть. В раму встроен топливный бак емкостью 5 м3. Длина тепловоза по буферным брусьям 22 м, максимальная ширина 2,8 м, высота 3,71 м. Масса полностью экипированного локомотива 108 т, осевая нагрузка 18 т. Сила тяги при трогании составляет 517 кН, в продолжительном режиме 452 кН. Максимальная скорость локомотива 120 км/ч.

Для тепловозов семейства Blue Tiger выбран дизель GE7-DL. Такие дизели успешно работают на более чем 15 тыс. тепловозов постройки GE, за последние 10 лет их удельный расход топлива снижен на 3,5 %, срок службы до капитального ремонта продлен на 60 %. На демонстрационном тепловозе установлен 12-цилиндровый дизель 7-DL12 мощностью 3300 л. с. Частота вращения дизеля на высшей (восьмой) позиции контроллера равна 1050 об/мин, на холостом ходу 440 об/мин. Для управления дизелем применена микропроцессорная система управления, регулирующая вращающий момент. Давление впрыска повышено. Это улучшило тяговые характеристики, уменьшило на 2% расход топлива и на 75% дымность выхлопных газов. В приводе компрессора и вентиляторов охлаждения использованы асинхронные электродвигатели.

Для тепловозов нового семейства разработана электрическая передача переменного тока с асинхронными тяговыми двигателями, что позволило увеличить на 60 % силу тяги и на 56 % силу динамического торможения по сравнению с передачей постоянного тока при прочих неизменных параметрах. Коэффициент сцепления в расчетном режиме повышен до 35 %.

Генератор 5GMG199 прифланцован к дизелю. В общем корпусе этой синхронной машины фактически находятся два генератора - тяговый и вспомогательный, последний обеспечивает питание вспомогательных потребителей и зарядку аккумуляторной батареи.

У асинхронных тяговых двигателей GEB15A4 нет щеточно-коллекторного узла. Они практически не требуют ухода, кроме замены смазки, имеют высокую надежность и большой ресурс - 1,5 млн. км пробега между капитальными ремонтами. Все двигатели включены параллельно, их номинальное напряжение 1400 В. Каждый тяговый двигатель питается от отдельного инверторного преобразователя, состоящего из шести легко заменяемых установленных вертикально и охлаждаемых воздухом фазовых модулей массой 30 кг на запираемых тиристорах. Подвешивание тяговых двигателей опорно-осевое, моторно-осевые подшипники имеют конические ролики.

Управляет работой и обеспечивает защиту тягового и вспомогательного электрооборудования микропроцессорная система с цифровой передачей данных по волоконно-оптическим кабелям (для полной защиты от помех). В систему входят элементы контроля силы тяги каждой оси, самоадаптирующегося контроля и устранения боксования и юза, определения фактической скорости локомотива. Регулирование крутящего момента каждой оси осуществляется по цепочке инвертор - тяговый двигатель - колесо - рельс с учетом осевой нагрузки и коэффициента сцепления каждой колесной пары.

Основной служебный тормоз тепловоза электродинамический (реостатный), работающий до скорости 1 км/ч с автоматическим поддержанием тормозной силы на уровне, определяемом условиями сцепления. Тормозная система сохраняет 3/4 мощности при выходе из строя одного из резисторов и 5/6 при отказе одного из тяговых двигателей или инверторов. Окончательно останавливает поезд пневматический тормоз, управляемый отдельной компьютеризированной системой. Стояночный тормоз локомотива имеет пружинный привод.

Демонстрационный тепловоз прошел испытания на одной из железных дорог Германии со сложным планом и профилем и подтвердил расчетные характеристики. На участке с подъемом 40 ‰ в кривой радиусом 250 м локомотив взял с места поезд массой 1016 т, а при обратном следовании под уклон затормозил его только электродинамическим тормозом. Разработчики ожидают, что к концу нынешнего века будет заказано более 700 тепловозов нового поколения.

1.4 Тепловоз серии 2016 - Hercules

Тепловоз с электрической передачей, получивший серийное обозначение 2016 и название Herсules (рис. 1.4), предназначен для вождения пассажирских, в том числе челночных, а также грузовых поездов (рис. 2). Кроме того, локомотив подходит для смешанной эксплуатации, характеризующейся чередованием поездных и маневровых рейсов на сетях ÖВВ, железных дорог Германии (DBAG) и Словении (SZ).

Локомотивы серии 2016 в режиме кратной тяги управляются по системе многих единиц. Кроме того, возможна эксплуатация их в составе челночных поездов ÖВВ, имеющих вагоны с кабиной управления, а также с другим тяговым подвижным составом, оборудованным информационной шиной МСЖД в соответствии с концепцией дистанционного управления, принятой на сети ÖВВ. В перспективе локомотивы будут оборудованы также системой радиоуправления, предназначенной для производства маневровых работ. Техническая характеристика локомотива приведена в табл. 1.1.

Машинное отделение разделено противопожарными перегородками на три отсека, в одном из которых расположен дизель-генераторный агрегат, во втором система охлаждения дизеля и в третьем электрооборудование с центральным электронным блоком и стендом тормозной аппаратуры.

Таблица 1.1

Техническая характеристика тепловоза серии 2016