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

2.2 Тяговый привод

Характеристики локомотива во многом зависят от типа тягового привода, определяющего тягово-энергетические показатели, надежность и взаимодействие локомотива с верхним строением пути.

Следует отметить, что до настоящего времени на отечественном тяговом подвижном составе применялись тяговые приводы на базе тяговых двигателей постоянного тока, имеющих низкие удельные показатели и ненадежных в эксплуатации.

Тенденция перехода к использованию приводов на базе трехфазных асинхронных тяговых двигателей [1, 2, 3] делает необходимым пересмотр свойств тяговых приводов именно с позиции применения асинхронного двигателя.

Привод с опорно-осевой подвеской тягового двигателя постоянного тока имеет неподрессоренную массу до 6000кг, при этом мощность двигателя может составлять 400-500 кВт для тепловозов и 600-700 кВт для электровозов, при опорно-рамной подвеске тягового двигателя его мощность может быть повышена до 850 кВт. Применение асинхронных тяговых двигателей позволяет довести осевую мощность до 1400-1600 кВт.

Применение в приводе асинхронного тягового двигателя с мощностью на уровне двигателя постоянного тока, позволяет использовать такие его достоинства как: 1) высокие показатели удельной мощности по сравнению с двигателем постоянного тока (для двигателя постоянного тока этот показатель составляет 0,2-0,3 кВт/кг, для асинхронного - 0,4-0,7 кВт/кг; 2) высокая надежность; 3) минимум затрат на обслуживание [6, 7].

Рассмотрим это на примере расчета колесно-моторного блока локомотива с асинхронными тяговым приводом и опорно-осевой подвеской предназначенного для тяги десятивагонного пассажирского поезда массой 700 т. с максимальной скоростью 160 км/ч. Критериями при этом будут: массо-габаритные показатели, мощность тягового двигателя и воздействие на путь. Расчет проводится по общепринятым методикам изложенным в [8, 9, 10].

. Касательная сила тяги локомотива равна сопротивлению движению поезда заданной массы на расчетном режиме:

кН,

где  - масса поезда, т; - ускорение свободного падения,  - удельное сопротивление движению цельнометаллического пассажирского вагона, Н/кН;  - дополнительное сопротивление при движении по расчетному подъему;  - расчетная скорость ( км/ч);  - масса приходящаяся на одну ось вагона, т.

. Приняв сцепной вес кН, определяем силу сцепления локомотива в расчетном режиме: кН,

где  - коэффициент сцепления при движении с расчетной скоростью.

. Расчетная касательная мощность локомотива при работе в установившемся режиме составляет:

кВт.

Для дальнейшего расчета мощность тягового двигателя принимается кВт, т.е. примерно равной мощности двигателя постоянного тока.

. Наибольший возможный диаметр делительной окружности зубчатого колеса: мм,

где мм - диаметр колес; мм - клиренс; мм - расстояние от наружной стенки кожуха до делительной окружности.

. Выбираем число зубьев шестерни  и модуль зацепления , исходя из рекомендаций приведенных в [8, 9].

Централь передачи:

мм.

. Внутренний диаметр расточки остова равен:

мм,

где мм - диаметр наружной обоймы моторно-осевого подшипника.

. Внешний диаметр статора: мм.

. Частота вращения двигателя в номинальном режиме:

об/мин.

. Длину сердечника якоря рассчитаем по формуле:

мм,

где  - коэффициент полюсного перекрытия; Тл - индукция в рабочем зазоре; А/м - линейная нагрузка якоря.

Исходя из длины сердечника примем общую осевую длину двигателя мм. Осевой габарит тягового редуктора принимаем мм, как в большинстве приводов с опорно-осевой подвеской тягового двигателя.

По полученным геометрическим параметрам построим схему привода с асинхронным тяговым двигателем, заштрихованной областью покажем габариты привода эквивалентной мощности с тяговым двигателем постоянного тока.

Рис. 2.1 - Габариты колесно-моторного блока с асинхронным двигателем и двигателем постоянного тока (заштрихованная область).

Как видно на рис. 1 при одинаковой мощности, асинхронный тяговый двигатель имеет меньший монтажный объем, чем двигатель постоянного тока.

Масса асинхронного тягового двигателя с данными габаритами вычисляется по приближенной формуле:

кг,

где м - толщина стенки литого остова.

Масса колесной пары с буксовыми узлами и корпусом тягового редуктора составляет порядка 3500 кг. Если учесть что при опорно-осевой подвеске около 2/3 массы тягового двигателя остается неподрессоренной, то суммарная неподрессоренная масса колесно-моторного блока с асинхронным тяговым двигателем составляет 4000-4200 кг, что на 1500-2000 кг меньше чем для привода с двигателем постоянного тока.

Таким образом, использование асинхронного тягового двигателя позволяет скомпоновать механическую часть опорно-осевого привода таким образом, чтобы: 1) улучшить условия работы трансмиссии привода; 2) в целях снижения неподрессоренной массы применить колеса меньшего диаметра; 3) найти оптимальную установку тягового двигателя с точки зрения минимизации воздействия на него динамических сил и моментов.

2.3 Дизель

Дизельная тяга остается доминирующей на магистральных железных дорогах многих стран, так как целесообразнее всего сжигать ископаемое топливо в дизеле, особенно когда этот первичный двигатель с высоким КПД используется совместно с эффективным движителем - стальными колесами на стальных рельсах. Здесь имеет значение не только низкая цена дизельного топлива, но и способность дизеля более эффективно использовать рабочий объем цилиндров.

Для сравнения энергетической эффективности двигателей используется показатель "удельный расход топлива", т. е. количество потребляемого топлива для выработки единицы механической работы. Ранее этот показатель измерялся в г/л. с. ч (например, удельный расход топлива тепловозами BR серий 37 и 50 составлял 170 г/л. с. ч при полной нагрузке, т. е. был вполне конкурентоспособным для того времени), в настоящее время чаще пользуются размерностью г/кВт*ч.

Испытания тепловозных дизелей на энергетическую эффективность проведенные в Великобритании показали следующее. Удельный расход топлива тепловоза серии 37 составляет 228 г/кВт*ч. Тепловоз серии 59, используемый для вождения поездов с железной рудой, имеет удельный расход топлива около 220 г/кВт*ч, хотя для двухтактных дизелей компании General Motors характерен несколько меньший КПД - недостаток, в принципе, неустранимый. На скоростных дизель-поездах серии IС125 сначала устанавливали дизели компании Paxman Valenta с удельным расходом топлива 225 г/кВт*ч, соответствующие техническому уровню конца 60-х годов, затем стали устанавливать новые дизели 12VP185 (рис. 1) того же изготовителя, имевшие большую мощность и сниженный удельный расход топлива (200 г/кВт*ч).

Рис. 2.2 - Дизель 12VP185

Именно эта величина является как бы порогом между экономичным и неэкономичным дизельным подвижным составом. Так, к первой категории можно отнести тепловоз серии 60. Установленный на нем дизель компании Mirrlees по удельному расходу топлива, составляющему 189 г/кВт*ч, является одним из самых экономичных в мире.

Потребление топлива входит важной составляющей в общую сумму расходов на эксплуатацию, техническое обслуживание и ремонт тепловоза в расчете на весь срок службы (LCC). Малый расход топлива дизелем Mirrlees обусловливает LCC тепловоза серии 60 примерно в 40 млн. ф. ст. Но низкий LCC зависит не только от топливной экономичности - этот дизель к тому же имеет в 2 раза меньше цилиндров и, соответственно, меньшее число движущихся деталей по сравнению с сопоставимыми по основным параметрам дизелями других типов, чем объясняются более низкие затраты на техническое обслуживание и ремонт.

Вместе с тем указанных преимуществ недостаточно, чтобы тепловоз был оптимален со всех точек зрения. Тепловозы серии 60 оказались более подходящими для BR, чем серии 59, поскольку предлагали больше эксплуатационных возможностей при меньших суммарных затратах. Однако высокая топливная экономичность дизеля этих тепловозов была достигнута ценой того, что он стал слишком тяжелым. Применение такого громоздкого дизеля в габаритных условиях BR требовало от компании Brush Traction полного пересмотра конструкции тепловоза для облегчения его механической части. Кроме того, восьмицилиндровый дизель Mirrlees имел мощность всего 3100 л. с.

Столь же значимым является показатель "удельная мощность", который выражается в отношении мощности дизеля к его массе и измеряется в кВт/кг. Однако в последнее время одним из важнейших показателей стала также цилиндровая мощность дизеля. Классическим примером прогресса в этом отношении является гамма дизелей RK/V компании English Electric. Первые образцы 16-цилиндровых дизелей этой гаммы имели цилиндровую мощность 75 кВт (100 л. с.), но уже при освоении выпуска тепловозов серии 56 цилиндровая мощность достигла 151 кВт (203 л. с.) при том же числе цилиндров, т. е. за 30 лет мощность этого дизеля удалось повысить в 2 раза. Когда в 1983 г. началась постройка тепловозов серии 58, цилиндровая мощность их 12-цилиндровых дизелей составила уже 205 кВт (275 л. с.), а общая мощность 2460 кВт (3300 л. с.).

В последующие годы улучшение характеристик тепловозных дизелей продолжалось. За счет внедрения более эффективных турбонагнетателей и импульсных систем выхлопа мощность удалось повысить еще больше. Диаметр цилиндров дизеля был увеличен с классических 254 мм (10 дюймов) до 270 мм, и цилиндровая мощность дизеля той же гаммы, получившего обозначение RK270, возросла до 288 кВт (400 л. с.).

Поскольку размеры и масса нового дизеля по сравнению с дизелем тепловоза серии 58 увеличились незначительно, стало возможным оснастить тепловоз серии Super 60 V-образным 12-цилиндровым дизелем мощностью 4750 л. с. Ранее одним из основных препятствий для оснащения тепловозов двигателями высокой мощности были осложнения при установке холодильника, обусловленные габаритными ограничениями. Однако современные холодильники, как и сами дизели, имеют более высокий КПД, кроме того, от дизеля необходимо отбирать меньшее количество тепла, поэтому тепловоз такой мощности вполне возможен.

2.4 Тележка

В базовую конструкцию тележек был также внесен ряд существенных изменений, позволяющих эксплуатировать ее в скоростном движении.

Основные изменения были внесены в конструкцию рамы тележки. Боковины в местах установки пружин рессорного подвешивания кузовной ступени были понижены. Пружины устанавливаются непосредственно на балку, поэтому отпадает необходимость в консольных несущих плитах приваренных к боковинам (рис. 2.3.).

Применение более легких асинхронных двигателей позволяет снизить нагрузку на раму тележки, что позволяет снизить ее массу за счет применения более тонкого листового проката. В связи с этим особое внимание должно быть уделено качеству сварки узлов рамы и методам расчета прочности.

В буксовых узлах используются подшипники усовершенствованной модификации, обеспечивающие меньший нагрев, не требующие добавления смазки и малочувствительные к неточностям монтажа. Колесные пары состоят из моноблочных колес и кованой оси, имеющих упрочненное покрытие на подступичной части. Направление колесных пар осуществляется поводками, передающими тяговое усилие на раму тележки. Рама опирается на буксы через пружины первичного подвешивания (по две пружины на буксу). В качестве рессор вторичного подвешивания применены пружины типа Flexicoil (по две пары на тележку). Они установлены в средней пониженной части рамы тележки в один ряд. Благодаря такому расположению боковины тележки не несут скручивающих нагрузок. Два гасителя вертикальных колебаний крепятся снизу к боковинам рамы тележки, а гасители колебаний виляния упираются в вертикальную стенку боковин на консоли рамы.

Пружина через фланец опирается на резинометаллические шайбы, которые, деформируясь под нагрузкой, обеспечивают ее равномерное распределение по длине опорного витка. При проходе кривых, при смещениях торцов пружин относительно друг друга в горизонтальной плоскости они, прогибаясь, позволяют снизить деформацию витков пружин, а, следовательно, уменьшить напряжения в витках пружин и жесткость системы подвешивания угловому повороту тележек относительно кузова. Это же обеспечивается при смещениях кузова относительно тележек в горизонтальной плоскости. Значительное снижение жесткости системы опирания кузова на тележки поперечному сдвигу кузова относительно них при движении в прямых и угловому повороту при входе в кривые, движении в круговых кривых заметно улучшает динамические характеристики экипажа и устраняет его воздействия на путь.

 В продольном направлении тележки с кузовом соединены наклонными тягами. Установка наклонной тяги дала ряд преимуществ по сравнению с ранее разработанной конструкцией.

Применений наклонных тяг дает возможность установки тележек с опорно-рамным приводом с целью увеличения скорости движения.

Так, снижено подергивание за счет исключения вредных кинематических связей при извилистом движении тележек. Снижены силы в тягах при галопировании кузова, уменьшены силы при колебаниях галопирования тележек. Это, как и новая система опирания кузова на тележки, благоприятно сказалось на динамических характеристиках экипажа. Кроме того, уменьшено число комплектующих деталей, число обслуживаемых шарниров. Упругие упоры на буферном брусе и шарнирные узлы в тягах приняты типовыми.